徐凌霄（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北　武漢　430070）

焊接塑料管專利技術(shù)綜述

徐凌霄
（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北武漢430070）

塑料管材作為金屬管材的良好替代品已經(jīng)進入到千家萬戶，具有耐腐蝕、耐壓強度高、衛(wèi)生安全、水流阻力小、節(jié)約能源、節(jié)省金屬、改善生活環(huán)境、使用壽命長、安裝方便等諸多特點，并形成了一種勢不可擋的發(fā)展趨勢。本文從專利角度出發(fā)，研究了塑料管材焊接技術(shù)的發(fā)展路程、國內(nèi)外的發(fā)展動態(tài)以及行業(yè)的專利申請分布，為國內(nèi)的塑料管材焊接技術(shù)的研究和專利布局提供一定的借鑒。

塑料管；焊接；專利技術(shù)

塑料管材如今在我國社會諸多行業(yè)（如燃?xì)廨斔?、給水、農(nóng)業(yè)灌溉等）已經(jīng)大量取代了金屬管材，尤其在燃?xì)廨斔头矫鎽?yīng)用非常普遍。在塑料管道應(yīng)用逐漸普遍時，也產(chǎn)生了一些新的問題，管道的連接便成了一個問題，一直值得我們?nèi)ド罹?。在塑料管道系統(tǒng)的制造與鋪設(shè)過程中，塑料管道之間的連接直接影響著其結(jié)構(gòu)的強度以及結(jié)構(gòu)的持久性。在塑料管道中輸送的液體中必然會含有部分的有害或是危險介質(zhì)，比如天然氣與煤氣等，若是管道的結(jié)構(gòu)被破壞，那么將會產(chǎn)生很嚴(yán)重的后果，所以，現(xiàn)今對于塑料管道的焊接問題已經(jīng)成為了主要的研究問題，對于塑料管道的連接技術(shù)已經(jīng)成為了關(guān)鍵的研究技術(shù)［1］。

1　概述

塑料管與傳統(tǒng)金屬管道相比，具有自重輕、耐腐蝕、耐壓強度高、衛(wèi)生安全、水流阻力小、節(jié)約能源、節(jié)省金屬、改善生活環(huán)境、使用壽命長、安裝方便等特點，受到了管道工程界的青睞。為此，許多發(fā)達國家塑料制品商與管道工程界進行廣泛的合作，投入了大量人力、物力和財力進行全方位的開發(fā)研究，使原料合成生產(chǎn)、管材管件制造技術(shù)、設(shè)計理論和施工技術(shù)等方面得到了發(fā)展和完善，并積累了豐富的實踐經(jīng)驗，促使塑料管在管道工程中占據(jù)了相當(dāng)重要的位置，并形成一種勢不可當(dāng)?shù)陌l(fā)展趨勢。

塑料管道是指用塑料材質(zhì)制成的管子的通稱。常用的塑料管道有：PPR（聚丙烯）、PVC（聚氯乙烯）PB（聚丁烯）、PE-RT（耐熱聚乙烯）、PE（聚乙烯）HDPE（增強高密度聚乙烯）等［2］。塑料管道材料的分類根據(jù)其受熱變化的不同，分熱塑性、熱固性塑料。熱塑性即受熱后熔融塑化，冷卻后變硬定型，這一過程可反復(fù)數(shù)次而其分子結(jié)構(gòu)和性能無明顯的下降；熱固性即受熱后，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生體型或網(wǎng)型交聯(lián)反應(yīng)而固化成型，成型固化后失去可塑性。熱塑性有PVC、PE、PP、PB、ABS等材料，熱固性有PEX/VPE、PF、EP等。

塑料管材焊接方式目前一般分為兩種，即熱熔焊接和電熔焊接［3］。熱熔對接焊是采用熱熔對焊機來加熱管道端面，使其熔化，迅速將其貼合，保持有一定的壓力，經(jīng)冷卻使管道連接。各種規(guī)格的PE管均可采取熱熔對接方式連接，一般公稱直徑大于90 mm的管材推薦采用熱熔對接焊，該方法焊接時不需要其他附件，經(jīng)濟可靠，其接口在承拉和承壓時都比管材本身具有更高強度，如圖1所示。

圖1　熱熔焊接的主要工藝過程

具體步驟如下：

（1）清潔塑料管道焊接部位的油污及泥土等臟物，將待焊管道或管件用焊機夾緊裝置夾緊。

（2）切削和修整管道的端面，保證端面的平整及與軸線的垂直度。

（3）矯直待焊管道或管件，使其位錯量＞壁厚的10％。

（4）放入加熱板加熱，加熱完畢，取出加熱板。

（5）迅速接合兩加熱面，升壓至熔接壓力并保壓冷卻。

焊接過程中，壓力和時間的變化關(guān)系如圖2所示。對于PE管材熱熔對焊的參數(shù)，許多專家進行了深入的研究。需要特別指出的是，目前應(yīng)用的一些薄壁PE管材，如外護保溫PE管材、鋼管內(nèi)襯防腐用PE管材等因其壁薄的特殊性，在熱熔對接焊時需根據(jù)實際情況和施工經(jīng)驗進行適當(dāng)調(diào)整，如果完全依靠公式推導(dǎo)焊接參數(shù)可能會出現(xiàn)熔融物料被全部擠出的“假焊”等非正常現(xiàn)象。

圖2　焊接過程中壓力與時間的關(guān)系

而電熔焊技術(shù)原理，主要是利用電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)來使塑料融化，并且利用聚合物分子的擴散，在冷卻后能夠使其連接到一起，以此來達到了焊接的目的。對于電熔焊技術(shù)的發(fā)展，主要有三個方面：①在美國的相關(guān)公司開發(fā)了可以利用導(dǎo)電填料與聚乙烯樹脂結(jié)合制成的電熔焊管件。在樹脂中帶有導(dǎo)電的顆粒，可以使電流通過，并且最終主要是利用熱效應(yīng)的來達到焊接的效果，在二十世紀(jì)八十年代初，這種電熔焊管件成功的到了應(yīng)用，但是隨著社會的發(fā)展、新技術(shù)的產(chǎn)生，使其逐漸的被淘汰出了市場；②主要是將金屬絲嵌入到管件中，這種設(shè)計思想是在二十世紀(jì)七十年代末到二十世紀(jì)八十年代初提出的一種設(shè)計理念。主要的原理就是在接頭的部位連續(xù)施加一些變化的磁場，使其能夠在金屬絲中產(chǎn)生電流，并且使電流能夠發(fā)生熱效應(yīng)，從而來對管件進行加熱。在美國的相關(guān)的公司很好的采用了這一技術(shù)，并且取得了很好的效果；③第三種技術(shù)是最為普遍，同時也最為傳統(tǒng)的技術(shù)，主要原理是將金屬絲植入到塑料管件中作為發(fā)熱源，當(dāng)通電時，電流通過金屬絲，由于焦耳效應(yīng)最終會使接頭的界面的塑料融化，并且通過分子擴散，在最后進行凝固，從而形成了焊接的效果。這種技術(shù)在最初是由比利時的相關(guān)公司開發(fā)的，并且逐漸的得到了應(yīng)用，在很多特殊的領(lǐng)域都應(yīng)用比較廣泛。在隨后，法國的相關(guān)公司將電熔焊技術(shù)作為法國唯一的管道連接技術(shù)，并且在這一領(lǐng)域進行大力的研究，在很大的程度上，推動了電熔焊技術(shù)的發(fā)展。

2　兩種焊接方式的比較

從操作上看，熱熔電焊機比較繁瑣，需要切削，清理管口，對口，焊接吸熱，帶壓冷卻和泄壓冷卻幾個步驟，需要的熟練度比較高，要有專門的技工來操作。電熔電焊機只需要用刮刀把管材口處的外面氧化層刮掉，加上電熔套桶就可以焊接，對于焊接的參數(shù)，機器已經(jīng)根據(jù)管材的尺寸設(shè)計好了，選擇好參數(shù)就能直接焊接，操作簡便。電熔焊接準(zhǔn)備過程的去除氧化層步驟中，如果管材刮的不夠均勻，氧化層還保留在管材上，可能造成焊接時吸熱不均勻?qū)е逻€接質(zhì)量問題出現(xiàn)，電熔焊接吸熱融化的過程中，焊接的管材不能隨意的擺動，小的擺動就會導(dǎo)致焊接口不牢固。焊接口的穩(wěn)定性比較低。

從靈活性來看，塑料管材的不同，熱熔電焊機的型號也不同，管徑增大相應(yīng)的熱熔電焊機尺寸也增大，使得焊接時候攜帶也不方便。而對于焊接不同管徑的PE管，電熔電焊機的型號是一致的，焊機的體積小，攜帶方便，拿Dn250的熱熔電焊機和電熔電焊機比較，熱熔電焊機需要四名配合工才能把機器順利的移動進行焊接，而電熔電焊機只需要一個人就可以輕松的把機器帶走，方便于流動性施工。

從焊接條件上來看，熱熔焊機體積比較大，對于相對狹窄的管溝就不太適合，對于坡度比較大的地段用熱熔電焊機更是不方便。因為熱熔電焊機焊接時候需要一定的液壓缸行程，所以對于連接死頭的時候，管線相對已經(jīng)固定，焊接行程不夠?qū)е潞附拥馁|(zhì)量難以保證，用熱熔電焊機比較費勁。這些時候就不如電熔電焊機實用。

從保管上來看，熱熔電焊機的卡瓦是根據(jù)管徑需要隨時添加的，卡瓦比較小，能拆卸下來，不妥善保管容易丟失?？ㄍ叨际卿X制的，沒有太大的抵抗沖擊力的能力，比較脆弱，所以要小心保護。熱熔電焊機中的液壓油也要及時的添加，以免影響生產(chǎn)。電熔電焊機的比較精細(xì)，不能有大的磕碰，操控都是數(shù)字化系統(tǒng)，出現(xiàn)錯誤就只能是根據(jù)錯誤提示按說明書調(diào)試。

3　發(fā)展歷程

德國是開發(fā)使用塑料管材最早的國家，始于1936年，50年代以后，獲得了迅速發(fā)展，1989年在德國西部塑料管的消費量就達39.3萬t。目前，德國的飲用水管中采用Pvc飲水管已占60％以上，總計達500萬m。

我國從60年代中期開始研制生產(chǎn)和應(yīng)用PVc塑料管道，70年代進行了聚乙烯、聚丙烯塑料管道的開發(fā)與應(yīng)用。改革開放以來，我國在塑料壓力管道的開發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用方面有了很大的發(fā)展，在我國大規(guī)模鋪設(shè)塑料壓力管道已經(jīng)是國家基

礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一項重要內(nèi)容［4］。

圖3是我國塑料管歷年來專利申請量占比情況。從圖中可以看出，我國1990年申請了第一份塑料管技術(shù)專利申請。一直到2002年，整個專利申請數(shù)量較少。這個階段與國際先進的焊接技術(shù)差距很大，2002-2008年，國內(nèi)塑料管焊接技術(shù)開始發(fā)展，申請量穩(wěn)步增長。進入2005年以來，塑料管焊接技術(shù)開始出現(xiàn)急劇增長趨勢。2012年專利申請量已經(jīng)達到了450件，這表明國內(nèi)企業(yè)加強了塑料管焊接技術(shù)的創(chuàng)新。

圖3　我國歷年塑料管焊接技術(shù)申請量總量

在我國的塑料管焊接技術(shù)專利申請中，主要申請人還是企業(yè)，占總申請量的83％，其次是個人申請，占總申請的11％，學(xué)校/研究所專利申請占6％。這表明，塑料管焊接技術(shù)的研發(fā)主要還是企業(yè)。

圖4是我國塑料管焊接技術(shù)專利申請主要區(qū)域。江蘇省、廣東省和山東省是塑料管焊接技術(shù)專利申請最多的三個省份。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，這三個省份從事塑料管焊接技術(shù)研發(fā)的企業(yè)最多，比如江蘇省有蘇州市星河塑料機械有限公司、無錫市永大企業(yè)制造有限公司以及廣東省有深圳市華瀚管道科技股份有限公司。江蘇省和廣東省的申請占了總數(shù)的將近46％。

圖4　我國塑料管焊接技術(shù)專利申請主要區(qū)域

4　最新發(fā)展動態(tài)

從上述陳述可見熱熔對接焊以及電熔焊在管道的焊接中應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但是這種方式也存在一些問題，就是焊接的時候有些過于長。針對這一點，2010年左右新興地出現(xiàn)了一些以能量束（主要為紅外線）輻射的方式來進行管道焊接，焊接過程與熱熔焊接過程基本一致，只不過區(qū)別在于，其加熱工具主要是由鎢絲以及鎳鎘絲制成，這樣可以利用鎢絲與鎳鎘絲在加熱時會出現(xiàn)紅外線，利用紅外線來對管道進行輻射加熱。這種方式的主要優(yōu)點是：減少了焊接的時間，并且在進行加熱時，加熱板不需要與管道的斷面進行接觸，有效的避免了熱源污染等現(xiàn)象。但是這種紅外線焊接方式本身也存在一些問題，相關(guān)的專利技術(shù)也較少，有待完善。

5　展望

在我國，對于塑料管道焊接技術(shù)的研究起步比較的晚，因此在技術(shù)方面與發(fā)達國家依然一定的差距，而我國大多數(shù)的管道設(shè)備都是國外進口產(chǎn)品，我國的焊接設(shè)備比較的落后，主要是工人憑借自身的經(jīng)驗進行手動焊接，但是這樣在很大程度上增加了勞動的強度，十分的耗費人力物力。并且工人在進行焊接時，無法保證焊接標(biāo)準(zhǔn)型，因此其質(zhì)量無法保證。所以我國的相關(guān)學(xué)者也加強了對塑料管道焊接技術(shù)的研究，并且也逐漸的取得了不錯的成績。國內(nèi)的各大高校的教授都對塑料管道進行了研究，比如相關(guān)高校教授，開發(fā)了新型的電熔管件，利用價格比較低的碳?xì)郑鳛榱穗娏鬏d體與聚乙烯采用層壓復(fù)合法制備用于聚乙烯管道電熔焊接的復(fù)合材料，利用這種材料具有很大的優(yōu)點，這種材料的價格很低、比較容易控制并且成本低，是一個十分理想的發(fā)熱體，并且這種材料不會發(fā)生短路，具有很強的穩(wěn)定性。因此這種材料具有很大的發(fā)展空間［5］。

6　結(jié)語

根據(jù)我國國情，目前，我國應(yīng)在以下幾個方面展開全面系統(tǒng)的研究工作：①開展國產(chǎn)塑料壓力管道焊接的工藝參數(shù)對焊接接頭力學(xué)性能的影響方面的研究工作。一般應(yīng)進行長期試驗（水壓和持久拉伸試驗等）和短期試驗（拉伸、彎曲和沖擊試驗等）。另外，還應(yīng)研究工藝參數(shù)對焊接接頭抗快速裂紋擴展性能的影響，以保證整個管線的安全運行。②熱熔對接焊適合于各種不同的管徑，而且焊接質(zhì)量穩(wěn)定，但電熔焊應(yīng)用于大直徑的塑料壓力管道時質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，應(yīng)加強對電熔焊的基礎(chǔ)理論方面的研究，改進其工藝參數(shù)，提高焊接質(zhì)量。電熔焊控制的參數(shù)較少，一般只控制焊接時間和電流，可否改變控制參數(shù)，如熔融塑料的流動指數(shù)等，以改善焊接接頭的性能［6］，也可以利用新材料、新技術(shù)研制和開發(fā)新型的電熔焊接頭，如可利用導(dǎo)電塑料來制做電熔焊接頭等。③加強對熱熔對接焊機自動化方面的研究。盡管熱熔對接焊這種方法比較成熟，焊接質(zhì)量也穩(wěn)定，但過程較復(fù)雜，需要控制的參數(shù)較多，受人為因素和環(huán)境因素的影響較大。因此要有效地控制焊接質(zhì)量，一方面加強對操作人員的培訓(xùn)，另一方面利用計算機技術(shù)研制自動化程度較高的焊機，消除人為因素和環(huán)境因素的影響，改善焊接質(zhì)量。此外，非接觸式的焊接方式由于其獨特的優(yōu)勢已經(jīng)逐漸興起，但工藝尚不成熟，仍需改進。

［1］潘紅斌.塑料壓力管道的應(yīng)用及其焊接技術(shù)［J］.太原科技.2002（02）.

［2］陽代軍，霍立興，張玉鳳，齊芳娟.塑料壓力管道的連接技術(shù)［J］.焊接技術(shù).2002（01）.

［3］田悅.PE管電熔焊接和熱熔焊接在施工中的比較［J］.遼寧化工.2011（09）.

［4］張玉川.塑料管道國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展新動向［J］.塑料.2008 （03）.

［5］溫彥.塑料管道的連接技術(shù)［J］.城市建設(shè)理論研究（電子版）.2014（30）.

［6］劉伯元，馮立新，廖正品，張玉川.我國塑料管材發(fā)展趨勢概述［J］.中國建材.2003（03）.

Summary of plastic-pipe welding on patented technologyXuLingxiao

Xu Lingxiao
（Patent Examination Cooperation Hubei Center of the Patent Office，SIPO，Wuhan Hubei 430070）

Plastic-pipe，as an excellent alternative for metal-pipe，has been widely used in domestic industry，which has been leading a new trend because of its corrosion resistance，high-pressure resistance，security，low hindrance，energy-saving，metal-saving，endurance，convenience，etc.This study mainly researches on the developments of plastic-pipe welding technology，as well as its patent distribution and novel revolution，from the perspective of patented technology，which may provides reference for researches and interests on plastic-pipe welding technology.

plastic-pipe；welding；patented technology

TB324

A

1003-5168（2016）05-0055-04

2016-5-10

徐凌霄（1987-），男，碩士，實習(xí)研究員，研究方向：高分子材料。