鋼塑轉(zhuǎn)換接頭焊接過程中降溫位置的選擇

摘 要

摘要：對銅塑轉(zhuǎn)換接頭焊接過程中的熱量傳遞進(jìn)行了分析和估算，提出了選擇降溫位置的建議。關(guān)鍵詞：鋼塑轉(zhuǎn)換接頭；電弧焊；熱傳遞；降溫1 問題提出 近幾年，PE管作為一種新型城鎮(zhèn)燃?xì)夤?/p>

摘要：對銅塑轉(zhuǎn)換接頭焊接過程中的熱量傳遞進(jìn)行了分析和估算，提出了選擇降溫位置的建議。
關(guān)鍵詞：鋼塑轉(zhuǎn)換接頭；電弧焊；熱傳遞；降溫
1 問題提出
    近幾年，PE管作為一種新型城鎮(zhèn)燃?xì)夤懿脑谝恍┑貐^(qū)得到了大量應(yīng)用，PE管在與鋼管接駁時(shí)需使用鋼塑轉(zhuǎn)換接頭[1]。在鋼管端焊接過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，當(dāng)熱量傳遞至鋼塑邊界時(shí)，由于塑料熱阻較大，使熱傳遞過程減緩，導(dǎo)致鋼塑接頭部位溫度迅速上升，需要采取降溫措施以保護(hù)與鋼管連接的PE管部分。在實(shí)際操作中由于不清楚鋼管一端的溫度分布情況，在選擇降溫位置時(shí)有一定的肓目性，降溫位置距離焊縫太近會(huì)影響焊縫質(zhì)量，太遠(yuǎn)則影響降溫效果，通常憑經(jīng)驗(yàn)來選擇。如果能對鋼管部分的溫度分布情況進(jìn)行分析并根據(jù)分析結(jié)果選擇合適的降溫位置，可在一定程度上改善降溫效果.
2 鋼塑轉(zhuǎn)換焊接過程中焊口處溫度確定
2.1 焊接電弧的組成及各部分的性質(zhì)
焊接電弧在其軸線方向由陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱3部分所組成，見圖1。
 

2.2 接觸短路引弧法引燃焊接電弧的過程
引弧時(shí)，首先接通焊接電源，再將焊條或焊絲與焊件接觸短路，這時(shí)在接觸點(diǎn)上由于通過較大的短路電流而產(chǎn)生高溫，電極金屬和接觸焊件的表面立刻熔化，形成液態(tài)金屬間層，充滿在電極和焊件之間。當(dāng)將焊條或焊絲提起時(shí)，液態(tài)金屬間層的橫截面減小，電流密度增加，溫度升高，當(dāng)液態(tài)金屬間層被拉斷瞬時(shí)，間層的溫度達(dá)到沸點(diǎn)，產(chǎn)生大量金屬蒸氣，在電場的作用下，氣體被電離，產(chǎn)生焊接電弧。引弧過程見圖2。
 
2.3 焊口溫度確定
焊接電弧中3個(gè)區(qū)段的溫度分布極不均勻：一般情況下，陽極斑點(diǎn)的溫度高于陰極斑點(diǎn)的溫度，但都低于該種材料的沸點(diǎn)。不同電極材料陰極斑點(diǎn)和陽極斑點(diǎn)的溫度，見表1。
表1 陰極斑點(diǎn)和陽極斑點(diǎn)的溫度(K)
電極材料
C
W
Fe
Ni
Cu
Al
陰極斑點(diǎn)
3500
3000
2400
2400
2200
3400
陽極斑點(diǎn)
4200
4200
2600
2400
2400
3400
熔點(diǎn)
/
3683
1812
1728
1356
933
沸點(diǎn)
/
6203
3013
3003
2868
2333
   在手工電弧焊焊接過程中隨著輸入電流的改變，導(dǎo)入焊接端的熱量會(huì)有一定變化，陰極端的溫度也會(huì)有相應(yīng)改變?，F(xiàn)假定從焊接開始直至結(jié)束，輸入焊接端的熱量是恒定的。這些熱量在陰極斑點(diǎn)產(chǎn)生某一高溫(在表1數(shù)據(jù)中，當(dāng)電極材料為銅時(shí)，焊接件處陰極斑點(diǎn)的溫度為2200K)，焊縫熔合區(qū)的溫度基本維持在1500%左右[2]。焊接結(jié)束，在冷卻過程結(jié)束之前，焊縫熱影響區(qū)的最低溫度一般以不低于500℃為宜。
3 鋼管焊接過程降溫點(diǎn)選擇
3.1 模型建立
    (1) 由于鋼塑轉(zhuǎn)換鋼管部分壁厚遠(yuǎn)小于鋼管的長度，且鋼管導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值較大，因此可近似認(rèn)為鋼管內(nèi)部沿垂直于管道厚度方向即管道徑向Y的溫度變化很小，鋼管部分溫度分布僅僅沿鋼管軸向Z發(fā)生明顯的變化；現(xiàn)將鋼管部分沿軸向垂直剖開，將剖開的鋼管看作等截面直肋[3]，于是該問題轉(zhuǎn)化為對等截面直肋一維穩(wěn)態(tài)溫度場的求解。
    (2) 假設(shè)空氣溫度為25℃。
3.2 分析求解過程
   將問題簡化為等截面直肋導(dǎo)熱問題后，為便于求解，首先需確定直肋的高度、寬度、厚度、周邊長度及橫截面積。將鋼管沿著軸向垂直剖開后，變成以管周長(L)為寬，以管長(B)為高度，以管道壁厚(δ)為長度的直肋模型，如圖3所示。
 
   計(jì)算步驟如下：
    (1) U=2(L+δ)
    式中U——肋片的周邊長度，m
    T——肋片的寬度，m，(在本問題中取圓管周長值)
    δ——肋片的厚度，m
    (2) AL=L×δ 式中AL——肋片的橫截面積，m2
    (3) θ0=t0-tf
    式中t0——肋基處溫度，℃
tf——周圍介質(zhì)的溫度，本文中取常溫下空氣溫度，25℃
 
   式中h——肋片與周同介質(zhì)(空氣)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)
    λ——肋片的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)
(5) 等截面直肋肋端處過余溫度
 
    式中θB——肋端處過余溫度，℃
    θ0——肋基處過余溫度，℃。例如，當(dāng)電極材料為銅時(shí)，將焊縫熔合區(qū)的溫度(1500℃)作為基準(zhǔn)溫度，則肋基處的過余溫度取值1475℃；
    B——肋片的高度，m，即鋼管的長度
3.3 以直徑ф315鋼塑轉(zhuǎn)換為例求解肋端處過余溫度
    結(jié)合表2及圖4中的數(shù)據(jù)，按照2.1求解過程最終得到小315鋼塑轉(zhuǎn)換鋼塑交接處的溫度為238℃。
 

表2 常用鋼塑轉(zhuǎn)換規(guī)格及主要參數(shù)(mm)
規(guī)格
PE
鋼管部分
L
PE部分
鋼管部分
D1
D2
壁厚δ
A
B
200鋼塑轉(zhuǎn)換
200
219
7
650
160
390
250鋼塑轉(zhuǎn)換
250
273
7
670
195
370
315鋼塑轉(zhuǎn)換
315
325
8
680
200
330
400鋼塑轉(zhuǎn)換
400
426
10
/
280
330
    繼續(xù)計(jì)算，可得到ф315鋼塑轉(zhuǎn)換在鋼管的3B/4、B/2處的溫度，依次為：433℃、740℃。依次類推，可分別得到ф200、ф250、ф400鋼塑轉(zhuǎn)換在B、3B/4、B/2處的溫度值，見表3。
 

3.4 降溫位置選擇
   美國塑料管協(xié)會(huì)(PPI plastics pipe institute)編制的TN-13/2001《general guidelines for butt，saddle，and socket fusion of unlike polyethylene pipes and fittings》中提出，PE管熱熔焊接時(shí)，具有不同熔體流動(dòng)速率的材料所設(shè)定的焊接溫度不同。聚乙烯熔體流動(dòng)速率在1～4級(jí)時(shí)，焊接溫度一般采用171℃～232℃；熔體流動(dòng)速率為5級(jí)及4級(jí)中的一部分材料，焊接溫度可以采用232℃～260℃[4]。總體上，熱熔焊接的焊接溫度低于260℃。
    根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，直徑小于ф315的鋼塑轉(zhuǎn)換其鋼管在焊接過程中鋼塑交接處的溫度略低于PE管的熱熔焊接溫度，低于低碳鋼再結(jié)晶區(qū)峰值邊界溫度——500℃[5]，在此位置采取降溫措施對焊口及熱影響區(qū)的影響程度較低。但對于直徑大于ф400(含)的鋼塑轉(zhuǎn)換，南于在鋼管部分距離焊口B及3B/4處的溫度均較高，為保護(hù)PE管，需要在鋼管部分遠(yuǎn)離焊口的位置采取降溫措施，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，為了不影響焊口質(zhì)量，可將降溫位置前移，選在3/4處附近。
4 結(jié)論
    (1) 將燃?xì)庥娩撍苻D(zhuǎn)換鋼管部分焊接時(shí)的熱傳遞過程視為等截面直肋的導(dǎo)熱問題可簡化計(jì)算過程。
    (2) 將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況比較后可以發(fā)現(xiàn)，直徑小于(含)ф315的鋼塑轉(zhuǎn)換適用該種算法，直徑大于ф315的鋼塑轉(zhuǎn)換，經(jīng)計(jì)算得到的溫度昆然已超過PE管的軟化溫度，已與實(shí)際情況不符，濕然該種算法不適合，需尋找其他算法。
    (3) 在選擇降溫位置時(shí)，需要綜合考慮PE管部分能承受的最高溫度和鋼管部分焊口質(zhì)量不受影響的最低冷卻溫度，初步確定幾個(gè)降溫位置，并從中選擇最佳降溫位置。
參考文獻(xiàn)：
1 CJJ63—2008，聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程[S]
2 李銘堂.手工電弧焊[M].浙江：科學(xué)技術(shù)出版社，1981
3 章熙民、任澤霈、梅飛鳴.《傳熱學(xué)》(第四版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社
4 PE管熱熔焊接兼容分析[J]
 
(本文作者：王坤 深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 518172)