[发明专利]一种基于电熔接头实时温度场数据的熔区控制方法

权利要求书

1.一种基于电熔接头实时温度场数据的熔区控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用焊接参数构建电熔接头的温度场计算模型；

所述焊接参数包括：电阻丝的根数N、电熔管件的公称直径d_n、电阻丝的埋线深度L_deep、电阻丝直径D_r、管材标准尺寸比SDR、电熔管件的材料参数；

(2)在电熔焊机中输入电熔接头的焊接过程控制参数，具体包括焊接电压U、焊接时间t和焊接电流I；开始焊接后，通过电压电流记录装置测量电熔焊机实时输出的电压与电流数据，并将测量结果输入温度场计算模型中；温度场计算模型实时输出电熔接头温度场中任意时刻、任意一点的坐标数据和温度数据，由下式(7)表示：

T＝T(x，y，t) (7)

其中T为温度场任意一点(x，y)在某一时刻t的温度，单位为℃；x，y为温度场中该点的空间坐标；t为时间数据，单位为s；坐标系以电熔管件的径向为x轴，以电熔管件的轴线为y轴，以电熔套筒一端电阻丝接入点在y轴上投影点为坐标原点；

(3)如果温度场中某位置点的温度超过130℃，即认为该点为熔区，否则认为不是熔区；按此原则确定熔区的范围：

提取所有温度超过130℃的位置点的坐标数据，并选取x坐标距离电阻丝中心最远的一点作为熔区的最远点，记为x_max，单位为mm；根据下式(8)计算最大熔区深度l_max：

式(8)中，l_max为最大熔区深度，单位为mm；最大熔区深度l_max的数据随温度场坐标、温度和时间的数据变化而随时发生改变，能够实时反映电熔接头中熔区的拓展情况；

(4)在焊接过程中，根据预定的熔区控制区间和实时变化的最大熔区深度l_max数据调整焊接过程控制参数，实现对电熔接头熔区覆盖范围的控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在焊接过程中，调整焊接过程的控制参数，使温度场中任意一位置点的温度不超过370℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在焊接过程中，调整焊接过程的控制参数，使最大熔区深度范围为距离管材表面1.0～2.6mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电熔管件的材料参数是默认的聚乙烯材料结晶度Cr为50％，或者是电熔管件材料的实际结晶度C_r；

电熔管件材料的实际结晶度C_r通过DSC方法进行测定获得，并经过下式(1)进行转化后应用到温度场计算模型中：

式(1)中，C_p为电熔接头所用聚乙烯材料的定压比热容，单位为J/(kg·℃)；H_m为聚乙烯材料结晶度在100％时的熔融焓，取0.29J/kg；T为聚乙烯的实际温度，单位为℃，110℃＜T＜150℃；在该温度范围之外，C_p的数值取定值为2000J/(kg·℃)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在温度场计算模型中，以电阻丝有效体积的计算方式为：

式中V_r为熔区电阻丝有效体积，单位为m³；D_r为电阻丝直径，单位为m，d_n为电熔管材与管件的公称直径，单位为m；L_deep为电阻丝的埋线深度，即电熔管件内表面距离电阻丝中心的实际距离，单位为m；N为熔区范围内电阻丝的实际数量。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在温度场计算模型中逐秒加载实时体生热率，以反映实时的焊接情况；实时体生热率的计算方式为：

式中Q为电阻丝体生热率，单位为W/m³；U为由电压电流检测装置检测得到的电压数据，单位为V；I为由电压电流检测装置检测得到的电流数据，单位为A；V_r为熔区电阻丝有效体积，由(2)式计算得到，单位为m³。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在温度场计算模型中，采用如下传热方程及初值和边值条件：

T＝T₀(t＝0s时) (5)

其中，(4)式为非稳态传热基本方程，式中为梯度算子；

ρ为聚乙烯的密度，单位为kg/m³；

C_p为聚乙烯的定压比热容，

单位为J/(kg·℃)；

k为聚乙烯的传热系数，单位为W/(m²·℃)；

T为电熔接头中任意一点的温度，单位为℃；

t为焊接时间，单位为s；

式(5)中T₀为初始焊接时电熔接头温度，一般取环境温度，单位为℃；

式(6)为电熔接头与空气直接接触的部分的边界条件，其中T_ext为电熔焊接时的环境温度，单位为℃；h为空气自然对流传热系数，取10W/(m²·℃)。