專利名稱：通過熔融將兩個聚合物部件焊接在一起的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過利用發(fā)熱片(nappe chauffante)實現(xiàn)熔融而將兩個聚合物部件焊接在一起的裝置，以及通過利用發(fā)熱片實現(xiàn)熔融而將兩個聚合物部件焊接在一起的方法。
因此本發(fā)明涉及建立流體分布網(wǎng)絡(luò)以及更換該網(wǎng)絡(luò)的可熱熔材料制成的管道系統(tǒng)或管道的一段或者多段的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
分布網(wǎng)絡(luò)，尤其是與城市煤氣和天然氣相關(guān)的分布網(wǎng)絡(luò)目前已經(jīng)并且將越來越多地由基于聚乙烯或者聚胺/聚丁烯/聚丙烯或者聚氯乙烯構(gòu)成的管子或者管道構(gòu)成。存在很多技術(shù)用于組裝這樣的管道。例如一個技術(shù)是加熱相對設(shè)置的兩個管子(tuyaux)的套接管直至熱熔性材料變成充分的流體狀使得在較小壓力下彼此靠近的兩個套接管相互熔合并且形成基本氣密的且具有與將形成的管道的使用兼容的機械抗力的接合處。
根據(jù)另一個技術(shù)，使用一個由覆蓋有絕緣漆的電阻線制成的發(fā)熱片。制成的長方形或者套子(une gaine)形狀的加熱片可以通過電壓或者電流強度可調(diào)節(jié)并且能夠抗短路的自動裝置來供電。
通過發(fā)熱線或者發(fā)熱片的焊接技術(shù)表現(xiàn)得很有前景，在組裝過程以及如此實現(xiàn)的連接時間的耐久性方面表現(xiàn)得都很好。
通過加熱片實現(xiàn)熔融將兩個聚合物部件焊接起來是基于通過形成加熱電阻的電加熱元件對熱熔材料(例如聚乙烯)制成的管道的待熔融區(qū)域的局部適度加熱。這種焊接的進行無需任何再充電供給。有利地確保了用合適的電能給加熱片導(dǎo)體供電，但不排除通過自動裝置例如通常用于電熔焊接的焊接自動裝置來給加熱片導(dǎo)體供電。
當(dāng)不使用本發(fā)明，加熱片(nappe chauffante)或者加熱網(wǎng)(filetchauffant)的布置主要是四個步驟，即，-澆鑄聚乙烯或另一種熱熔聚合物的壓痕(empreinte)或預(yù)制成品，其厚度較淺，通常約0.3mm至0.8mm，壓痕用于容納電阻線；-通過繞組(bobinage)將電阻線插入并保持在壓痕中-在線圈的每個端部安裝接頭(connecteur，聯(lián)接器)，以及-在前面步驟中最終形成的加熱植入物(1’implant chauffant)上澆鑄連接體的復(fù)制模型。
考慮到可以干擾(perturber)這個方法的不同因素，這種形狀的植入物的制作構(gòu)成了最精細(xì)和最昂貴的階段。這些因素例如是在繞組過程中的斷線，接頭與線的不理想的連接以及在壓痕和連接體之間或多或少重要的殘余電壓(contraintes résiduelles)的差別。
另外，經(jīng)驗表明植入物的制作面臨(經(jīng)受)制備待焊接的管的很多問題，這些問題主要與待組裝的表面不完全刮凈相關(guān)。
因此，使用加熱片的熱熔技術(shù)取消了接頭(raccords)的傳統(tǒng)繞組(bobinage)并給予界面(接觸面)比繞組系統(tǒng)更優(yōu)越的熱特性。另外，通過加熱片的熔融(熔化)可以應(yīng)用于將多樣并復(fù)雜的幾何形狀的聚合物部件焊接在一起的情況，而用繞組系統(tǒng)必然是不可能的。
通過加熱片實現(xiàn)焊接看起來是有前景的和有利的，但是，在焊接時在待焊接的部件的狀態(tài)下有不少內(nèi)在難題沒有解決。這些難題主要來自于待焊接的部件的不理想的預(yù)加工(刮凈，清潔，去脂，…)，并且來自于隨時間進展的或多或少的損壞(dégradation，降解)或者幾何形狀方面的缺陷或嚴(yán)重粗糙度。
其他的問題是由于加熱片對于特定幾何形狀的部件有時缺乏足夠的靈活性(souplesse)、加熱片有時難以固定到待焊接的部件上以及難以將加熱片保持在確定的位置直至待焊接的部件熔融而造成的。
另一個問題在于，在某些情況下，期望能夠改變在待焊接部件上的不同位置的熔融能量的供給。從理論上講，有可能使用多個加熱片，每一個本身具有根據(jù)每一個加熱片的局部需要而調(diào)節(jié)供電(alimentation)。但是，這樣的方法在工作臺即在實驗室之外實施起來似乎是很復(fù)雜的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種可以解決前述缺陷的裝置。
首先，通過這樣的裝置，即利用加熱片(或稱“發(fā)熱片”)實現(xiàn)熔融而將兩個聚合物部件焊接在一起的裝置，達到本發(fā)明的目的，該加熱片是基于覆蓋有一種絕緣漆的電阻線編織成的，該加熱片適于通過電壓和電流強度可調(diào)節(jié)的并且抗短路的自動裝置而被供電。
根據(jù)本發(fā)明，加熱片是從具有0.2mm至0.3mm直徑的電阻線得到的，并且具有大致平行六面體的網(wǎng)眼(maille)，網(wǎng)眼的大小為1.5×3mm2至2.5×4.5mm2。
依靠本發(fā)明的裝置，可以使用對通常的熱熔材料產(chǎn)生約10至100焦耳/mm2能量水平的電力充分強的加熱片，同時該加熱片在機械和幾何平面上是充分靈活的，能夠適應(yīng)于待焊接部件的不同幾何形狀，并且正如后面將說明的，其能夠適用于改變待焊接部件的不同位置的熱量供給，并且這僅使用了一個加熱片和一次供電。
另外，根據(jù)本發(fā)明的補充特征，利用熱熔材料制成的接點(plot)將加熱片固定在待焊接的部件上，使得可以暫時合適定位，既用于加工臺的操作也用于工廠制造。尤其是在工廠中，這種固定的可能性避免了必須采用特定裝置來將加熱片保持在位置上，由此導(dǎo)致用于布置加熱片的相關(guān)精確自動化的消失。該固定方式的另一個優(yōu)點在于其通過例如固定所有網(wǎng)眼或者僅僅一部分網(wǎng)眼，為加熱片的定位提供了很大的靈活性(souplesse)，以及當(dāng)部件是相同性質(zhì)或者當(dāng)涉及將加熱片固定在最具流動性的材料上的多樣組裝(assemblagehétérogène)的情況下，接點對待焊接部件材料的適應(yīng)性。
此外，通過利用加熱片實現(xiàn)熔融將兩個聚合物部件焊接在一起的方法可以達到本發(fā)明的目的，該加熱片是由覆蓋有絕緣漆的電阻線編織而成的，該加熱片適合于通過電壓和電流強度可調(diào)節(jié)的并且抗短路的自動裝置而被供電，其基于具有0.2mm至0.3mm直徑的電阻線得到，并且具有大致平行六面體的網(wǎng)眼，網(wǎng)眼的大小為1.5×3mm2至2.5×4.5mm2，該方法包括至少如下步驟
-使加熱片的形狀盡可能接近待焊接部件的待熔融表面中的至少一個表面的形狀，-在該表面上固定加熱片，-將兩個待焊接的部件組裝在一起，-實施焊接。
根據(jù)該方法的實施方式，借助于由熱熔材料制成的接點可以將加熱片固定在待焊接部件中的一個上。
正如上述提及的，本發(fā)明是基于在待焊接的兩個或者多個聚合物部件的界面上使用加熱片以確保通過電熔焊接這些部件。這些部件可以用相同的材料制成，例如用聚乙烯，但也可以用不同的材料制成，例如用聚乙烯和聚丙烯。
為了易于閱讀對本發(fā)明的描述，將僅參考兩個部件的焊接。不言而喻，本發(fā)明也可應(yīng)用于三個或者更多個部件的組裝，例如當(dāng)每一個管道的沖孔需要通過另外兩個管道實現(xiàn)時或者當(dāng)這兩個沖孔管道不能夠預(yù)先組裝在一起時。
為了本發(fā)明的特定需要，可以以不同方式制成的加熱片是通過由覆蓋一種絕緣漆的電阻線編織而成的，該絕緣漆的熔點應(yīng)該低于待焊接的聚合物部件的分解(降解)溫度。當(dāng)達到了要實現(xiàn)的焊接點(jonction soudée)的預(yù)定溫度(該溫度保證了待組裝部件的接觸面的分子鏈的相互貫穿(interpénétration))，用于編織的電阻線的絕緣漆熔化并且引起短路，加熱片的加熱就停止，從這種意義上講，電阻線的保護層提供了自動調(diào)節(jié)對待焊接部件加熱的持續(xù)時間的功能。
另外，加熱片可以制成各種形狀，例如沿著一個平面(suivant unplan)，圓柱形或者套狀，并且可以容易地與復(fù)雜的組合幾何形狀匹配，必要時，用于在部件的特定區(qū)域或者特定點(例如角，腔或者厚度余量)集中所供給的能量。
加熱片可以為不同的幾何形狀，以便適合于各種類型的待焊接部件。根據(jù)期望產(chǎn)生在焊接界面上所提供的能量的方式，加熱片的編織網(wǎng)眼可以具有不同的大小。此外，對于給定的網(wǎng)眼大小，有利地加熱片可以由一個或多個層構(gòu)成。同樣可以利用該優(yōu)點以實現(xiàn)待焊接部件的不同熱區(qū)(zones thermiques)的有差別的加熱。
為了固定加熱片以及為了將其保持在位置上，可以利用熔融的聚合物的熔焊接點(plot de soudure)來固定加熱片。根據(jù)可選變型例，尤其為了改善待焊接部件之間的接觸，有利地在焊接循環(huán)中預(yù)先將加熱片結(jié)合到待焊接部件的其中一個上。這種結(jié)合可以通過適當(dāng)?shù)耐獠控?fù)載作用下加熱片的預(yù)加熱的間接方法來實現(xiàn)。
因此，本發(fā)明既可以確保每單位面積更好的能量水平，在焊接界面上該能量更均勻，也確保了隨著時間對溫度的更好控制，因此，可以在包括不恰當(dāng)預(yù)加工(不理想的刮擦或者缺乏清潔，…)的界面甚至被氧化、熱解或者碳化而損壞的界面上存在殘留物質(zhì)的情況下，改善焊接質(zhì)量。
本發(fā)明的運作是基于給定時間內(nèi)兩個聚合物(例如聚乙烯)部件的至少一個界面的局部受控加熱，以便在由焊接機類型的自動裝置加設(shè)的加熱冷卻循環(huán)結(jié)束后促進部件的焊接。
在聚乙烯部件的實例中，焊接是在溫度和時間作用下，由加熱片強加而相互接觸的若干產(chǎn)品界面上的分子相互貫穿造成的。
相對于纖維(filamentaire)傳統(tǒng)技術(shù)或者繞組(bobinage)傳統(tǒng)技術(shù)，甚至相對于由導(dǎo)線交叉布置形成的加熱片的技術(shù)，本發(fā)明可以更好地管理并且更好地分布所提供的能量以促進大分子在每個大致由加熱片的每個網(wǎng)眼限定的大孔范圍的內(nèi)擴散，由此通過活化更大比例的擴散分子來局部提高待焊接物質(zhì)的相互貫穿(或相互滲透)的可能性。因此，本發(fā)明的方法對于不理想的表面狀態(tài)是特別有利的，該不理想的表面狀態(tài)可以由例如坑、嚴(yán)重粗糙、波紋等或者由特定的降解甚至污染引起。
在這種情況下，由降解分子構(gòu)成的內(nèi)擴散障礙可以由更厚的完好的周圍材料克服，而不需要顯著提高焊接時間，而在傳統(tǒng)的纖維繞組(enroulement filamentaire)的情況下顯著提高焊接時間是必要的。另外，當(dāng)通過合適機器或者自動裝置給加熱片供電時，通過焦耳效應(yīng)由發(fā)熱的給定電阻系數(shù)的加熱片確保界面的加熱。通過自動裝置加設(shè)(imposé)于組裝件上的加熱冷卻循環(huán)，可以有利地用一些電參數(shù)實現(xiàn)，這些電參數(shù)使得允許使用市場上可用的全部焊接自動裝置。
最佳的焊接參數(shù)可以通過依靠獨立的機械阻力試驗例如剝離試驗的逐步求近法(approche successive)來確定。為了最佳的焊接質(zhì)量，即使存在最初損壞的材料，釋放到界面上的能量應(yīng)該有利地包括在大約10焦耳/mm2至大約100焦耳/mm2，尤其對于聚乙烯是如此。
在強加電壓下的焊接方式的實例中，根據(jù)加熱片的電阻，加熱片的加熱時間要合適，以便保持在這個能量窗口(fenêtre d’énergie)。
如果低于單位面積的能量的低值，則由于界面水平上分子不完全的內(nèi)擴散和相互貫穿，焊接不是最佳的。如果超過能量的高值，則當(dāng)材料的降解動力學(xué)超過高分子的內(nèi)擴散動力學(xué)時，焊接的質(zhì)量趨于下降。
與例如線圈或片(nappe)形狀的纖維繞組的傳統(tǒng)技術(shù)相比，靠近焊接平面的加熱網(wǎng)或加熱片的設(shè)計可以提供更大更均勻的單位面積的電能。更大并且更好分布的單位面積的能量可以改善界面大分子的內(nèi)擴散并由此改善焊接質(zhì)量，在表面狀態(tài)不理想(由嚴(yán)重粗糙度、波紋、坑等引起)的情況下和/或材料被氧化、碳化等部分降解的情況下也不例外。
示例性地，根據(jù)在實驗室實施的試驗，使用小網(wǎng)眼的織物和大網(wǎng)眼的織物(尺寸如下)，

對于固態(tài)下密度為960kg/m3的、熔融焓為180至200焦耳/克以及熔融范圍在120至140℃的聚乙烯管道，確定了熔融待焊接的部件所必需的能量范圍，即為獲得實驗室中良好的焊接條件所要提供的單位面積的能量(未老化的材料和老化的材料)在10J/mm2和100J/mm2之間。
熔融1mm3的材料所需能量為大約190(J/g)×10-6(g/mm3)，約2J/mm3。
在實驗室試驗的情況中，考慮在最佳的焊接條件中彼此界面的熔融深度保持低于1mm，總的熔融深度為2mm(兩個試樣的組裝件的總厚度為約4mm)。
其中每孔的熔融體積約2a.b(mm3)，應(yīng)該提供至少0.2(J/mm3)。2a.b(mm3)對應(yīng)0.4a.b(J)。
更普遍地Emin＞(熔融焓).(密度).(a.b).(熔融的深度)(條件1)，即與為熔融給定厚度的界面材料所提供的最小能量相關(guān)的條件，該能量即是熔融給定密度和“加熱孔”面積的材料所需的能量。
能量的表達式E＝(U2.t)/R(其中U是在時間t期間施加的電壓，R是織物的總電阻)以及電阻的表達式R＝(ρ.l)/S(其中ρ，l，S分別是電阻率，線的長度和橫截面面積)，得到E＝(U2.t).S/(ρ.l)，其中單位面積的能量Es＝(U2.t)[πr2]/(ρ.l).A.B(其中A.B是總的加熱面積)。
引入孔的尺寸，單位面積的能量則為Es＝(U2.t)[πr2]/(ρ.[2a+2b]).([a+2r].[b+2r])，
其中10J/mm2＜(U2.t)[πr2]/(ρ.[2a+2b]).([a+2r].[b+2r])＜100J/mm2(條件2)，是將“加熱孔”的大小與線的參數(shù)以及運作條件聯(lián)系起來的條件。
本發(fā)明還涉及以下單獨考慮的或者根據(jù)所有可能的技術(shù)結(jié)合考慮的特征-加熱片的電阻線覆蓋有漆(vernis，清漆)，該漆(或稱“清漆”)的熔點小于待焊接的聚合物部件的降解溫度；-加熱片的電阻線覆蓋有漆，該漆是根據(jù)其熔點而選擇的；-加熱片被制成細(xì)長物體的形狀；-加熱片被制成套狀；-加熱片被制成帶狀；-加熱片具有不規(guī)則的網(wǎng)眼間距；-需要時通過將加熱片朝其本身折攏使焊接能量局部過度集中(surconcentration ponctuelle)；-通過使加熱片具有不規(guī)則的網(wǎng)眼間距，獲得焊接能量的局部過度集中。


本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點從以下對本發(fā)明裝置的加熱片的實施例的描述中及其用于待焊接的兩個管道的應(yīng)用中變得顯而易見。這些描述參考附圖，附圖中-圖1表示本發(fā)明裝置的加熱片的一部分，-圖2示出了折攏狀態(tài)的圖1的加熱片，-圖3示出圖1的加熱片的變型例，以及-圖4示出焊接循環(huán)的圖解，其中，測量界面上的溫度以及在焊接過程中強加的力。
具體實施例方式
圖1示出了用于本發(fā)明裝置的編織的加熱片1的一部分。加熱片是由具有2r直徑并且覆蓋有絕緣漆的電阻線編織而得到的，并且制作成具有大致平行六面體的網(wǎng)眼M，網(wǎng)眼M的大小為a和b，a表示為孔或者網(wǎng)眼M的短側(cè)，b表示為網(wǎng)眼M的長側(cè)，其中a.b乘積是大致對應(yīng)于加熱片1的加熱孔的網(wǎng)眼的面積。根據(jù)本發(fā)明，網(wǎng)眼M的短側(cè)的尺寸為1.5至2.5mm，長側(cè)的尺寸為3至4.5mm。
加熱片1被制成扁平體的形狀，或者套(gaine，罩)狀。此外，進行這樣的編織使得最終的加熱片在縱向上具有一定的尺度伸縮性(fiexibilité)，在橫向上具有很小的伸縮性。
圖2示出了套狀的加熱片1，其能夠在待焊接的圓柱形部件上穿過，或者是扁平的，用作帶狀的加熱片。在后一種情況中，加熱片具有兩層重疊的網(wǎng)眼。為了使圖2不至于太繁瑣，加熱片被示出為簡單的帶，即只能看到面向看圖者的層。
具體而言，圖2示出了套形狀的扁平且一次折疊的加熱片1，以便局部提高網(wǎng)眼的層的數(shù)量以及由此獲得焊接能量的局部過度集中(surconcentration ponctuelle)。
事實上，如圖2示出的，加熱片1被折攏一次，由此獲得的加熱片的兩個部分1A、1B被部分地彼此錯開設(shè)置，以便獲得第一部分的單層加熱片11，一部分雙層加熱片12以及第二部分的單層加熱片13，這有關(guān)網(wǎng)眼的層數(shù)和提供的能量容量。根據(jù)錯開加熱片1的兩個部分1A、1B的方式，雙層加熱片部分12是或多或少寬的并且或多或少長的。
圖3示出了本發(fā)明裝置的加熱片1的一部分，其與圖1的加熱片不同，在被考慮的面積上具有分布不均勻的網(wǎng)眼。網(wǎng)眼的不規(guī)則分布形成于用手將加熱片放到待熔融表面上的時候，在一個要求能量過度集中的橫截面中集中網(wǎng)眼并在其它區(qū)域中最大程度地間隔開網(wǎng)眼。
由于編織的方式，加熱片1的網(wǎng)眼在一個方向上比在另一個方向上相互間更易移動。在圖1至3中，網(wǎng)眼M在垂直方向比在水平方向更易移動。因此，當(dāng)設(shè)置需要能量過度集中(surconcentration)的橫截面時，在垂直方向上壓縮加熱片1并通過這將長側(cè)b1(對應(yīng)于圖1的一側(cè)b)減少至長側(cè)b2。
圖4示例性地示出了對于一個焊接循環(huán)，施加在兩個待焊接部件上的機械力(曲線A)和在組裝件界面上測量到的溫度(曲線B)的曲線圖。焊接循環(huán)包括長達約20秒的加熱階段，接著是約10秒的相對快速冷卻和約80秒的較慢冷卻。該加熱循環(huán)相對于將外力施加在組裝件上的循環(huán)是錯開的(décalée)。如圖4示出的，在循環(huán)開始之后，加熱期僅開始于大約60秒處，這個循環(huán)開始的標(biāo)志是組裝件的預(yù)載，該預(yù)載是通過施加外力完成的，該外力在大約10秒期間達到最大，在接下來的50秒期間施力有一定的松弛(relche)，在這50秒期開始了加熱期。該加熱伴隨著力的額外松弛，接著在組裝件上恢復(fù)施加外力直至加熱期結(jié)束。在冷卻所焊接部件期間，施加在組裝件上的外力快速下降隨后保持在一個低水平上(約100牛頓)。
權(quán)利要求
1.用于利用加熱片(1)實現(xiàn)熔融而將兩個聚合物部件焊接在一起的裝置，該加熱片由覆蓋有絕緣漆的電阻線編織而成，加熱片(1)適合于通過電壓和電流強度可調(diào)節(jié)的并且抗短路的自動裝置而被供電，所述加熱片(1)具有大致平行四邊形形狀的網(wǎng)眼，該網(wǎng)眼的大小為1.5×3mm2至2.5×4.5mm2，其特征在于，所述加熱片(1)由直徑為0.2mm至0.3mm且小于0.3mm，并且覆蓋有漆的電阻線獲得，選擇所述漆的熔點使得在預(yù)定溫度下熔化的所述漆引起短路，所述加熱片的加熱停止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述加熱片(1)被制成細(xì)長物體的形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述加熱片(1)被制成套狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述加熱片(1)被制成帶狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的裝置，其特征在于，所述加熱片(1)具有不規(guī)則的網(wǎng)眼間距(b1，b2)。
6.用于利用加熱片(1)實現(xiàn)熔融，通過熔融兩個聚合物部件的焊接界面將所述兩個聚合物部件焊接在一起的方法，所述加熱片是由覆蓋有絕緣漆的電阻線編織的，所述加熱片(1)適合于通過電壓和電流強度可調(diào)節(jié)的并且抗短路的自動裝置而被供電，所述加熱片是基于直徑為0.2mm至0.3mm且小于0.3mm，并且覆蓋有漆的電阻線而獲得的，所述漆具有預(yù)定的熔點，所述加熱片具有大致平行六面體的網(wǎng)眼，該網(wǎng)眼的大小為1.5×3mm2至2.5×4.5mm2，所述方法包括至少以下步驟-使加熱片(1)的形狀盡可能接近待焊接部件的待熔融表面中的至少一個表面的形狀，-借助于由熱熔材料制成的接點將所述加熱片(1)固定在這個表面上，-將兩個所述待焊接部件組裝在一起，-進行焊接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，需要時通過將加熱片(1)朝其本身折攏而獲得焊接能量的局部過度集中。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，通過使所述加熱片(1)具有不規(guī)則的網(wǎng)眼間距(b1，b2)而實現(xiàn)焊接能量的局部過度集中。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中的任一項所述的方法，其特征在于，釋放到所述焊接界面上的能量包括在10至100J/mm2之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于通過熔融將兩個聚合物部件焊接在一起的裝置和方法。利用加熱片(1)實現(xiàn)該熔融，該加熱片是由覆蓋絕緣漆的電阻線編織的，加熱片(1)適合于通過電壓和電流強度可調(diào)節(jié)的并且抗短路的自動裝置而被供電。加熱片(1)是基于直徑為0.2mm至0.3mm的電阻線得到的，其具有大致平行六面體形狀的網(wǎng)眼(M)，該網(wǎng)眼的大小(a，b)為1.5×3mm
文檔編號B29C65/02GK101076207SQ20071010700
公開日2007年11月21日 申請日期2007年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月17日
發(fā)明者阿蘭·達呂, 多米尼克·格尼奧, 艾默里克·洛皮托 申請人:法國煤氣公司