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塑料热风焊接技术及应用 |
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在与化工相关的行业中，普遍使用的塑料容器、储槽以及部分管路系统，都需要借助热风焊接工艺，才能达到理想的连接牢度。而热风工艺本身也因其简单实用，而被行业内专业人士广泛接受，尤其是对于PE、PP、PVC和PVDF等塑料种类的焊接，更具有独特的优势。
塑料焊接，实际上就是相容的塑料材料中相互缠绕的大分子链受热之后，由于具备了足够的能量和空间，在自身的分子热运动和外在压力的作用下，相互迁移和扩散到对方的熔融区中，并随着温度的下降和时间的推移，再次发生缠绕、冷却、结晶和定型的过程。在塑料制品的诸多连接技术中，热风焊接工艺是比较常见的一种，化工行业中普遍使用的塑料容器、储槽以及部分管路系统等均可以使用该工艺。本文对几种主要的热风焊接工艺进行了简单的介绍。
圆嘴热风焊接技术
通常，圆嘴热风焊的工艺过程包括5个阶段，分别是：待焊部件的表面处理、加热、加压、分子链间扩散和冷却。每个阶段的具体操作要求取决于待焊部件的具体外观形状和内部结构设计。其工作原理（如图所示）是：利用加热后的风或空气，同时预热焊条与待焊的母材相应部位；待其熔融之后，操作者通过对焊条垂直施加一定的压力，将焊条的熔融区与待焊母材的熔融区进行对接，并保持一定的焊接速度，使其具有足够的承压时间；最后，进行冷却定型。
圆嘴热风焊接的工作原理示意图
在正式焊接之前，应先对待焊部件的表面进行相关处理，这样做的目的是：一方面，为了在焊接区域加工出焊缝所需要的破口或槽口，例如V形或X形槽口（如图所示）；另一方面，为了去除材料表面的杂质、脏物或者氧化层等影响焊接质量的不利因素。
V形焊缝示意图
X形焊缝示意图
由于圆嘴热风焊接技术主要用于塑料零部件的修复，因此，在进行圆嘴热风焊接的过程中，操作者必须小心控制所施加的压力和焊接速度。这是因为，通过设定合适并且可准确控制的温度，能保证得到合适的大分子熔融区。如果所施加的压力太小，则大分子链无法进行迁移和扩散；如果压力太大，则大分子链会被挤出熔融区，无法停留在界面内参与迁移和扩散过程，也就无法实现真正的焊接。
在冷却过程中，塑料在微观结构上会发生明显的变化：对于无定形材料，其改变表现为焊接区分子链的取向；对于半结晶的材料，结晶程度和晶粒大小的形成与冷却速度有关。当冷却温度超出规定的温度范围时，形成的晶体结构可能会在承受应力时发生破坏，而不合适的温度和过快的冷却速度则会导致结晶度降低，同时形成的晶粒比较小，而这种较小的晶粒结构非常容易在遭受化学物质和溶剂侵蚀以及承受应力的情况下发生破坏。因此，应尽量避免使用过快的冷却速度。
同时，焊接过程中支撑焊件的材料也会影响冷却速度。在焊接时，应避免使用混凝土、厚的金属板或其他容易从焊接区域吸收热量的材料作为支撑件，否则，即使提高热风的温度，也不能很好地解决问题。
快速热风焊接
快速热风焊接技术也是利用加热后的风或者空气来预热焊条与待焊母材相应部位的方法实现焊接的。但是，快速热风焊接技术所使用的焊接风嘴比较特殊，风嘴底部的形状一般为凸出的弯曲面，用来将焊条压入母材的待焊部位，而焊条则穿过焊接风嘴内部，并从风嘴中伸展出一段。加热时，一部分热风对风嘴底部的焊条进行加热，另外一部分热风则用于加热母材的待焊区域。由图可知，在快速焊接的工艺过程中，焊条从快速焊接风嘴中出来，并在焊接风嘴中先进行部分预热。同时，从风嘴中吹出的部分热风对母材的待焊部位进行预热。焊接压力则通过风嘴的末端施加到焊条上，完成整个焊缝的焊接。
与圆嘴热风焊接工艺一样，该工艺过程同样包括表面处理、加热、加压、分子链间扩散和冷却这5个阶段，并且每个阶段的具体操作要求也与待焊部件的具体外观形状和内部结构设计相关。
快速热风焊接技术
挤出焊接
挤出焊接技术是20世纪60年代经过一系列技术改进后成功开发的一种加工工艺，它的出现大大缩短了焊接厚壁板材所需要的时间。上表列出了对厚度为25mm的高密度聚乙烯（HDPE）材料上的长度为1m的单V形焊缝进行焊接时，采用挤出焊接和快速热风焊接两种工艺各自需要的时间。可以看出，挤出焊接技术的平均用时仅为快速热风焊接技术的1/6。由此可知，在某些应用领域中，如大型酸洗槽等，挤出焊接已经成为一种非常经济的焊接方法。
挤出焊接虽然也是通过热风进行焊接，但是，它和前面所述的两种热风焊接存在明显的不同之处，即它是通过挤出机或类似挤出机的装置对焊条进行加热挤出，使其先形成均匀塑化或熔融的熔体条，并不经过冷却就直接压在待焊部位进行焊接。在熔体条被压入母材上之前，母材的待焊部位必须事先进行预热至熔融温度，使其变为熔融态，然后在焊条熔体上施加压力实现焊接，冷却后即可形成坚固的焊缝。
在挤出焊接的过程中，焊条和待焊母材/制件采用了不同的加热方式。焊条不仅可以在挤出机或类似挤出机装置的型腔中以及在通向焊接靴的熔体导管中进行传导加热，而且能够在挤出机或类似挤出机装置的型腔中，通过螺杆的剪切作用而受到剪切摩擦热。相比之下，待焊母材/制件则通常通过挤出焊枪出风口的热风进行对流加热。提高热风的流量和热风温度可以提高待焊母材/制件的表面温度，同时得到比较厚的熔体层。另外，在挤出焊接的过程中，需要操作者人工施加压力，并且在整个焊缝的焊接过程中，需要确保所施加的压力始终保持同等大小，从而确保熔融的焊条和待焊母材/制件的熔融表面紧密接触，促进大分子链间的良好扩散和相互缠绕。
在焊接过程中，除了大分子链间的扩散之外，热塑性聚合物在冷却时的微观结构也会发生变化。对于无定形聚合物，焊接区域在冷却时会发生分子链的取向。对于半结晶热塑性聚合物来说，结晶程度和晶粒大小的形成与冷却速度有关。当冷却温度超出规定的温度范围时，形成的晶体结构在承受应力时可能会发生破坏；不合适的温度和过快的冷却速度则会导致结晶度的降低，并产生较小的晶粒，而这种结构在化学物质、溶剂或应力的作用下也非常容易发生破坏。(end)
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(10/17/2012) |
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