第二节 热熔焊
热熔焊是塑料焊接工艺方法之一，包括热熔对接焊、热熔承插焊、热熔鞍形焊。使用的设备是热熔焊机，根据施工材料管径或壁厚选择不同规格的焊机。
一、焊前措施
（一）焊接的先决条件
直接用于焊接的区域不能受到不良的风化影响（比如风或湿气）。如果有适当的措施可保证焊接操作（比如预热、在帐篷内或加热），可以在任何室外温度条件下进行焊接，但是不能影响焊工的操作。需要的话，必须在规定的条件下制作试验焊缝，提供其他的证据。
如果由于太阳辐射的原因半成品加热不均匀，必须适时将焊接点的区域进行遮盖，以均衡温度。在焊接过程中，应考虑空气流动引起的冷却。如果是焊接管材，还要封闭管的端头。
千万不能损伤要焊接的粘接面，也不能弄脏（比如沾上泥土、油污或碎屑）。
（二）清洗
如果想得到毫无缺陷的焊缝，粘接面、工具和热工具都必须干净，没有油污。
（1）清洗剂。清洗液或已经在工厂沾上清洗液的湿布放在可锁上的塑料盒内。清洗液为可完全蒸发的溶剂，由99%的乙醇（纯度99.8%）和1%的MEK（甲基乙基酮，改性）构成。按DVGW VP 603对清洗剂进行测试，符合要求。直接使用酒精的话，会造成质量下降，因为里面含水。
用于清洗的纸必须干净、新的、能吸收、不磨损、不染色。注意使用后取出。
（2）加热工具的清洁。每次焊接前，必须用纸清洁，不能在加热工具上残留清洗剂或纸张。
（3）粘接面的清洗。在对粘接面进行切削加工前，必须保证使用的工具和工件是清洁的，焊接区域没有油污。需要的话，必须用清洗剂进行清洗。
粘接面要在焊接前才加工。
清除所有切屑，但不要接触粘接面。
如果表面在加工中弄脏（比如焊工的手接触），但是因为工艺原因不能再次进行机加工，则必须用清洗剂处理。
二、热熔焊操作基本要求
（一）焊接操作相关规定
国家标准规定，聚乙烯管道焊接操作必须符合以下要求。
（1）焊接环境应当防范不良的气候影响，风雨天气以及在-5℃以下进行焊接时，必须采取适当的保护措施，以保证需要焊接的焊接面有足够的温度。
（2）焊接面以及与焊接面接触的所有物品必须清洁和干燥，需要焊接的部位不能有损伤破坏、杂质、污垢（如污物、油脂、切屑等）。
（3）确保焊接过程的连续性，焊接完成后必须进行充分的自然冷却，以消除其内应力。
（4）对于DN≤63mm或者e<6mm的管道元件不允许使用热熔对接的焊接方法（e为公称壁厚，单位为mm）。因为热熔对接壁厚过小的管材，管材的不圆度和中心线的错边会使焊口的面积大大减小，从而影响焊接质量。
（5）不同SDR系列的管道元件互焊时，推荐采用电熔连接或采用适当的加工方法使焊接处壁厚等厚。
（6）焊接时每一个焊口应当有详细的焊接原始记录。
（7）焊接过程基本要求。简单概括为“三要素”和“三证”。“三要素”即合格的操作人员、合格管材管件、合格的焊机；“三证”即焊接作业人员上岗证、聚乙烯管材管件的生产许可证、焊机（热熔、电熔）的生产许可证。具体如下：
①具备熟悉国家有关聚乙烯燃气管道焊接要求并熟练掌握焊接要求、经过培训合格并取得上岗证的人员。
②聚乙烯燃气管材、管件的制造和焊接必须符合国家安全技术规范的规定以及现行系列国家标准的要求，管材管件生产企业须取得国家颁发的许可证。聚乙烯管道建设、安装单位应当选用已经取得特种设备制造许可证的制造单位生产的管道元件。
③用于聚乙烯燃气管道焊接的焊机（热熔、电熔）应符合国家有关的质量标准要求，焊机制造企业应取得国家颁发的许可证。
④聚乙烯管材、管件和焊机均应由制造单位提供质量证明书和国家质量监检单位的有关报告，方可使用，否则视为违规操作。管道元件制造单位应当提供质量证明书，质量证明书的内容必须齐全，并加盖管道元件制造单位的质量检验章。管道安装单位从没有实行制造许可的非聚乙烯元件制造单位获得管道元件，必须取得质量证明书原件。管道安装单位应当对所采购的管道元件与质量证明书的真实性和一致性负责。
（8）PE80级管道和PE100级管道转换焊接问题。随着国际应用聚乙烯材料的升级换代，今后逐步使用PE100级管材管件已形成趋势。使用PE100级与PE80级管材，SDR系列不相同焊接时应采用电熔连接方式、电熔管件采用PE100级。不同SDR系列管道互焊时，应采用电熔连接；焊机的参数设定应符合PE100级的焊接要求。由于PE80和PE100材料的熔体流动速率差别较大，使用热熔对接可能会有兼容问题。法国和英国是不允许PE80和PE100管材使用热熔连接的。如必须要连接PE80和PE100管材管件就要用电熔连接，但要注意电熔管件的最高设计压力不要低于管材的最高设计压力。
（9）不同厂家管材管件连接问题。一般情况不同厂家的管材管件有很好的兼容性。既可用电熔管件连接，也可直接使用热熔对接。但要注意几个问题：
①要连接的管材管件SDR要相同，且符合国家标准。
②要连接的管材管件都是用认可的符合标准同级别聚乙烯混配料制造的。
③热熔对接使用国家规定的焊接参数；焊接符合国家标准或ISO 12176标准。
（二）焊接操作基本要求
（1）环境要求。焊接聚乙烯管道时的环境要求应是无风雨天气，在气温5～ 40℃进行较适宜，在低于0℃或高于40℃条件下，应有相关的保护措施和修正措施等。风力大于5级条件下进行焊接操作时应采取防风措施。炎热的夏季进行焊接操作时应采取遮阳措施。焊接机具的环境要求应是在-10～+40℃范围内，如环境超出此温度，则不允许进行焊接。当管材、管件存放处与施工现场温差较大时，连接前应将管材、管件在施工现场放置一定时间，使其温度接近施工现场温度后再焊接。
（2）聚乙烯管材管件要求。聚乙烯管材管件的焊接面以及焊接面接触的所有物品必须清洁和干燥，需要焊接的部位不能有损伤破坏、杂质、污垢（如污物、油脂、切屑等）。对于DN≤63mm或者公称壁厚e<6mm管道不允许使用热熔对接的焊接方法，可采用电熔连接。不同SDR系列的管材管件互焊时，应采用电熔连接，并要求壁厚相同。
管道焊接时，管材的切割应采用专用割刀或切管工具，切割端面应平整、光滑、无毛刺，端面应垂直于管轴线。连接过程每次收工，管口应采取临时封堵措施。
（3）焊接过程记录要求。焊接时每一个焊口应有详细的焊接原始记录，热熔对接焊接原始记录至少应当包括环境温度、焊工代号、焊口编号、管道元件规格类型、焊接压力、拖动压力、加热板温度、卷边高度、吸热时间、切换时间、增压时间、冷却时间、冷却压力等，电熔焊接原始记录至少应当包括环境温度、焊工代号、焊口编号、管道元件规格类型、焊接电压、焊接时间、冷却时间等。
三、热熔对接焊
（一）热熔对接焊的工作原理
将两个待焊塑料端面通过专用加热工具加热至黏流状态后，移走加热工具，施加一定压力将熔融端面对接在一起并在承压状态下冷却接头至要求时间的连接方式。热熔对接焊工作原理图见图3.2。
图3.2 热熔对接焊工作原理图
1—管材；2—加热工具
按照分子扩散缠绕理论：两个相容的高分子材料，加热到一定的温度，使大分子得到能量和空间，由于分子的热运动，并在得到外力的作用下，强制的彼此流动进行迁移、扩散、互相缠绕，随着温度的下降开始结晶，得到一定的结晶度而达到理想焊接的目的。
热熔对接焊时，应人为施加合适的压力。压力过小，界面间长链分子无法充分变形，无法重新重叠及缠绕。相反对接力过大，黏流态的熔质都被挤出熔接界面，使界面间的介质大都处在高弹态，形成假焊。
（二）热熔对接焊的过程控制要素
热熔对接焊的工艺过程分为五个阶段，即预热阶段（翻边阶段）、吸热阶段、转换阶段（加热工具抽出阶段）、焊接阶段和冷却阶段，见图3.3。对接时界面上处于黏流态的材料有流动也有扩散，流动太大不利于扩散和缠结，所以要把流动限制在一定范围，在有限的流动中实现“熔后焊接”。因此，热熔对接焊工艺的关键是要在对接过程中调整好温度、时间、压力三参数，要把连接界面材料的性能、应力状况、几何形态以及环境条件等因素一起考虑，才能实现可靠的熔焊，要根据一般的规律和各自材料的特性进行试验，评价熔接质量，达到系统标准后，确定各品种规格的工艺规程，按规定的工艺参数方法和步骤进行焊制管件的生产和现场安装施工。
图3.3 热熔对接焊的主要工艺过程
各阶段所用时间和压力参数取决于所使用的管材标准。图3.4是热熔对接焊焊接过程中的各个阶段的压力示意图。
图3.4 热熔对接焊焊接各阶段压力示意图
p1—总的焊接压力，p1=p2+p拖，MPa；p2—焊接规定的压力，MPa；p拖—拖动压力，MPa；t1—卷边达到规定高度的时间，s；t2—焊接所需要的吸热时间=管材壁厚×10，s；t3—切换所规定的时间，s；t4—调整压力到p1所规定的时间，s；t5—冷却时间，min
焊接过程开始之前，首先要获得一个干净、干燥的熔接面，即清洁板材端面、管材内外端面的油污及泥土等赃物，夹装板材、管材，并保证两个互相对接管材的同轴度和各自的圆柱度不超过公差范围，然后利用铣刀切削和修整管材端面，保证管材端面的平直以及与轴线的垂直度。
（1）预热阶段，即翻边阶段：该过程中管材截面将根据控制设定产生一个翻边，并可将少量端口残余物挤出端面。
根据所选标准规定的焊接参数设定加热部件的温度；设定温度时应考虑环境温度的影响。将相互对接焊的两个板材、管材在焊接压力作用下与加热部件接触，以保证板材、管材的两个表面与加热部件充分接触，消除两被焊板材、管材端面的不平度，并保持压力p1不变，如图3.3（a）所示。
（2）吸热阶段：此阶段加热部件热量在待焊的管材端面内扩散。此时的压力接近于零。
当熔化的塑料开始向两侧流动时降低压力至p拖，以免过多的熔融塑料被挤出，如图3.3（b）所示。
（3）转换阶段，即加热部件抽出阶段：此阶段为加热部件从机架抽出阶段，在此阶段加热部件抽出时间应尽可能少，以减少管材端面热量散失并防止被污染。
当有足够的熔化层厚度时，管材与加热部件分开，将加热部件快速移出，如图3.3（c）所示。在压力的作用下将两熔融的塑料管材端面相互接触。这一阶段时间应尽可能短，以免由于加热部件的移出使加热管材端面的温度下降太多。理想的转换时间应小于4s。
（4）焊接阶段：将要连接的管材熔化端面相互接触，按所选择的焊接标准逐渐建立和保持对接压力，管材端口最终形成焊接翻边分子链的连接。
在压力p1作用下将两个管材连在一起，保持压力于一定的时间，如图3.3（d）所示。在压力的作用下，熔融的塑料被挤出管材表面，在管材的内外表面形成了熔环。
注意：保证焊接过程中的压力。这包括管材夹装要牢固；要测定焊接拖动压力；将拖动压力与标准规定的焊接压力进行叠加作为焊接过程中的操作压力等。
（5）冷却阶段：焊接过程已经完成，需对管材保持一定压力以避免其他张力或应力破坏焊接质量。
冷却时有两个要求：一是保持冷却压力；二是维持足够的时间。冷却时间维持主要是为了让焊接接头熔融区的塑料材料按照性能要求的条件进行冷却，以确保接头塑料材料在冷却后达到与管材相同的强度。冷却过程中如果提前拆卸夹具，导致接头熔融区的应力发生变化，冷却后的接头强度降低。同样冷却过程中，如果冷却速度过快（如大风天气或环境温度低于-5℃），则焊接接头处的塑料结晶不充分，冷却后接头熔融区的密度减小，强度降低。所以，冷却过程（接头熔融区塑料材料的再结晶过程）是一个不可或缺且必须严格遵守的过程，不得随意更改。
（三）热熔对接焊的特点
（1）需用专用的热熔对接焊机具。
（2）一般适用于公称外径大于63mm或公称壁厚大于6mm的热塑性塑料管材和板材。
（3）适用于同种牌号、材质的管材与管材、管材与管件、板材与板材连接。性能相似，不同牌号的连接需试验验证。
（4）易受环境、人为因素影响。
（5）不使用明火。
（6）在寒冷气候（-5℃以下）和大风环境下进行连接操作时，应采取保护措施或高速连接工艺。
（四）热熔对接焊接关键工艺参数
与焊接直接有关的参数有三个：温度、压力、时间。焊接工艺曲线图（焊接程序图）实际上是熔接过程压力、时间关系图。目前通常采用的焊接工艺见图3.4。
（1）焊接工艺温度。一般为200～235℃，施工单位在实际施工中，可以根据具体施工环境和材料适当调整焊接温度。
（2）焊接压力与时间，其关系见图3.4。
①焊接压力p1按式（3.1）、式（3.2）计算：
（3.1）
（3.2）
式中 S1——管材的截面积，S1=πe（DN-e），mm2；
S2——焊机液压缸中活塞的有效面积，为焊机生产厂家提供，mm2；
p0——作用于管材上单位面积的力，0.15N/mm2；
p拖——拖动压力，MPa。
②吸热时间。吸热时间等于管材的壁厚e（mm）×10（s），根据材料规格、壁厚确定。当环境条件（气温、风力）变化较大时，应当根据实际情况适当调整。
（五）热熔对接焊工艺参数
（1）推荐的PE热熔对接焊接工艺参数见表3.1和表3.2。
表3.1 SDR 11 PE管材热熔对接焊接参数
注：1.以上参数基于环境温度为20℃。
2.热板表面温度：PE80为（210±10）℃，PE100为（225±10）℃。
3. S2为焊机液压缸中活塞的总有效面积（mm2），由焊机生产厂家提供。
表3.2 SDR 17.6 PE管材热熔对接焊接参数
注：1.以上参数基于环境温度为20℃。
2.热板表面温度：PE80为（210±10）℃，PE100为（225±10）℃。
3. S2为焊机液压缸中活塞的总有效面积（mm2），由焊机生产厂家提供。
（2）PP管、管件和面板热熔对接焊指导值见表3.3、表3.4。
表3.3 PP管、管件和面板热熔对接焊工艺参数
表3.4 PP-R管热熔对接焊推荐工艺参数
（3）PVC-U管、管件和面板热熔对接焊指导值见表3.5。
表3.5 PVC-U管、管件和面板热熔对接焊工艺参数
（4）PVDF管、管件和面板热熔对接焊指导值见表3.6。
表3.6 PVDF管、管件和面板热熔对接焊工艺参数
四、热熔承插焊
（一）热熔承插焊的工作原理
将管材外表面和管件内表面同时无旋转地插入熔接器的模头中加热数秒，然后迅速撤去熔接器，把已加热的管材快速地垂直插入管件，保压、冷却的连接过程。适用于冷水、热水、化工、燃气、灌溉等行业的PE、PP塑料管道施工焊接。一般用于4in（1in=2.54cm，下同）以下小口径塑料管道的连接。最近几年来，热熔承插连接在城镇供水聚乙烯管道连接中，使用越来越少，但在建筑给水聚乙烯管道连接中，使用较为普遍。原理图见图3.5。
图3.5 热熔承插焊原理图
1—管件；2—模头；3—加热工具；4—管材
热熔承插焊应符合下列规定：
（1）热熔承插焊管材的连接端应切割垂直，并应用洁净布擦净管材和管件连接面上的污物，标出插入深度，刮除其表皮；
（2）承插连接前，应校直两对应的待连接处，使其在同一轴线上；
（3）插口外表面和承口内表面应用热熔承插连接工具加热；
（4）加热完毕，待连接件应迅速脱离承插连接加热部件，并应用均匀外力插至标记深度，在焊接时间内保持该位置不变，在至少10min的附加冷却时间内，不能让接头承受过大的应力。
（二）热熔承插焊的过程控制要素
热熔承插焊通常采用如下步骤：
①检查承插焊机及辅助设备与管径和管件类型是否匹配；②切取管材，使其端面与轴线垂直，并切除边缘毛刺，必要时要形成倒角；③标记要插入的深度；④加热要焊接的部分；⑤加热完毕，待连接件应迅速脱离承插连接加热部件，并应用均匀外力插至标记深度，形成均匀凸缘；⑥充分冷却。
热熔承插连接熔接温度通常为（260±10）℃。
（三）热熔承插焊机操作规范
热熔承插焊机一般用于4in以下小口径塑料管道的连接。
（1）首先根据待焊管材规格选择承插模头，并将模头安装在热板左右两侧，紧固，不留间隙；并检查承插焊机及辅助设备与管径和管件类型是否匹配。
（2）接通电源（220V AC），将温控仪调到规定参数（220±10）℃。
（3）切取管材，使其端面与轴线垂直，并切除边缘毛刺，必要时要形成倒角；要求管材外径大于管件内径，以保证熔接后形成合适的凸缘。
待焊接管材、管件应保持适当的过盈量，多余部分应用刮刀去除，应保证刮削表面光洁，没有毛刺。待焊管材端面氧化表皮必须刮除。
（4）清洁管件内侧和管材外侧，在焊接开始前才加工部件的粘接面。按图3.6和表3.7、表3.8的要求，将管端作成坡面。按管件供应商的说明，加工管材的粘接面。如果是手工焊接，必须按表3.7、表3.8的要求在管端标记插入深度。
图3.6 管端坡面处理
表3.7 PVDF管材坡面和插入深度
表3.8 PP管材坡面和插入深度
（5）加热：热衬套和热套管不能弄脏，在每次焊接前，要进行清洁。不能损坏焊接区域的热衬套和热套管的防黏涂层。
开始焊接前，检查加热工具的焊接温度是否达到260℃。
将管材外表面和管件内表面同时无旋转地插入熔接器的模头中（已预热到设定温度）加热数秒。
（6）插接：管材管件加热到规定的时间后，迅速从熔接器的模头中拔出并撤去熔接器，快速找正方向，将管件套入管端至划线位置，套入过程中若发现歪斜应及时校正。短时间内（5s以内），轴向允许15°范围内的调整。 找正和校正可利用管材上所印的线条和管件两端面上成十字形的四条刻线作为参考。
（7）保压、冷却：冷却过程中，不得移动管材或管件，完全冷却后才可进行下一个接头的连接操作。
（四）热熔承插焊的特点
（1）需用专用的热熔承插焊机具；
（2）一般用于公称直径小于125mm的管道，其中公称直径小于63mm的管道可在复圆工具的辅助下采用手工热熔承插连接，公称直径不小于63mm的管道应采用机械热熔承插连接；
（3）易受环境、人为因素影响；
（4）不使用明火；
（5）在寒冷气候（-5℃以下）和大风环境下进行连接操作时，应采取保护措施或高速连接工艺。
（五）热熔承插焊工艺参数
（1）聚乙烯管热熔承插工艺参数见表3.9。
表3.9 聚乙烯管热熔承插推荐工艺系数［熔接温度为（260±10）℃］
（2）PP管材和管道部件热熔承插焊工艺参数见表3.10。
表3.10 PP管材和管道部件热熔承插焊工艺参数
①因为壁厚太小，建议不采用这种焊接工艺。
注：室外温度20℃，中等气流。
（3）PVDF管材和管道部件热熔承插焊工艺参数见表3.11。
表3.11 PVDF管材和管道部件热熔承插焊工艺参数
注：室外温度20℃，中等气流。
五、热熔鞍形焊
（一）热熔鞍形焊的工作原理
热熔鞍形焊是在干管上进行分支管路的施工。采用凹凸的鞍形加热芯模将鞍形管件的鞍形界面与干管的连接界面同时加热，移去加热芯模后，对接两个界面，保压、冷却到环境温度的连接过程。
热熔鞍形连接一般分为两种类型，一种是从管材侧面分支的鞍形连接，另一种是从管材顶部分支的鞍形连接。对于小口径管可采用手工操作，但是为保证质量，对所有尺寸的管道，都推荐使用鞍形焊机。最近几年来，热熔鞍形连接在城镇供水聚乙烯管道连接中，使用越来越少。
热熔鞍形焊应符合下列规定：
（1）干管连接部位的管段下部应用专用托架支撑，并固定、吻合；
（2）清洁管材和管件的焊接面，用刮刀刮除焊接区域的外表面，如果有必要，清洁加热工具的焊接表面，聚乙烯残留物只能用木质刮刀切除；
（3）在管材上安装焊机并将鞍形夹在焊机上；
（4）检查与管材配合的鞍形的整个焊接区域，调整鞍形和管材，使其对正；
（5）将加热工具放在管材管件之间；
（6）慢慢、稳定地使管材、管件靠近焊机，直到达到规定的加热压力，并保持焊接压力不变；
（7）当达到加热时间后，松开焊机并移开加热工具；快速检查加热面是否损伤及表面外观是否一致，然后移动焊机使管材管件贴合，连接处形成均匀凸缘；移走加热工具，使管材和管件贴合时间在连接程序规定的最长时间范围内；
（8）移走鞍形焊机，在至少15min的附加冷却时间内，不能让接头承受无穷大的应力，如连接到支线或开通干线。
（二）热熔鞍形焊的过程控制要素
鞍形热熔焊同对接热熔焊的工艺相同，通常按以下几个步骤：
（1）将待焊接件加工成所需要的弧面；
（2）清理干净管材；
（3）安装加热器的鞍形接头；
（4）将管材安放在鞍形熔焊机上；
（5）清理管材的焊接面，用刮刀或玻璃片刮去焊接区域的氧化层；
（6）校准需焊接的各部分；
（7）加热管材和鞍形管件；
（8）将要熔焊的各部分压紧固定在一起；
（9）使熔焊完的接头足够冷却，移开焊机。
热熔鞍形连接参数取决于使用的材料、管材直径和壁厚，一般要求如下：焊接温度（220±10）℃；加热压力0.15MPa；吸热压力≈0；切换时间≤8s；连接压力0.15MPa；冷却时间≥15min。
（三）热熔鞍形焊机操作规范
一般用于管道接支管的连接。
（1）连接前应将干管连接部位的管段下部用托架支撑、固定、吻合。
（2）用刮刀、细砂纸、洁净的棉布等清理管材连接部位氧化层、污物等影响熔接质量的物质，并作好连接标记线；清洁加热工具的焊接表面，塑料材料残留物只能用木质刮刀切除。
（3）用鞍形熔接工具（已预热到设定温度）加热管材外表面和管件内表面，加热完毕迅速撤除熔接器，找正位置后将鞍形管件用力压向管材连接部位，使之形成均匀凸缘，保持适当的压力直到连接部位冷却至环境温度为止。鞍形管件压向管材的瞬间，若发现歪斜应及时校正。
（4）移走鞍形焊机，至少冷却15min。
（四）热熔鞍形焊的特点
（1）需用专用的热熔鞍形焊机具。
（2）一般用于管道接支管的连接。
（3）易受环境、人为因素影响。
（4）不使用明火。
（5）在寒冷气候（-5℃以下）和大风环境下进行连接操作时，应采取保护措施或高速连接工艺。
（6）公称外径大于或等于63mm的管道不宜采用手工热熔承插连接。