一种智能电熔焊接温度控制方法及装置与流程

1.本发明涉及塑料管件焊接技术，特别涉及一种适用于全规格尺寸和不同环境温度的智能电熔温度焊接控制方法及装置。


背景技术：

2.聚乙烯管道与传统的金属管道相比具有质量轻、柔韧性好、比强度大、耐腐蚀、使用寿命长、经济环保等优点，近年来正逐步替代金属管道成为埋地燃气管道的主流。在聚乙烯管道进行长距离的布置及工程应用时，需要将管材进行连接。电熔焊接技术因其设备成本低、操作简单、自动化程度和施工效率高，目前已成为工程应用最广泛的塑料管道连接方式。电熔焊接的操作过程是将需要连接的两段管材相向插入埋有螺旋导电铜丝的电熔管件中，使其外表面贴合管件内表面。使用时，对电熔管件施加固定的焊接电压。电阻丝通电后，由于焦耳效应产生热能，使电阻丝周围固态聚乙烯温度升高熔化。熔融区随着焊接过程向焊接界面扩展，直至将管材和管件融为一体，在冷却后就形成了具有一定强度的电熔接头。
3.随着聚乙烯管道系统在燃气、供水等领域的应用日益广泛，电熔焊接技术的安全问题受到越来越多的关注。根据2020年ppdc塑料管道数据库委员会的报告，57％的管道故障发生在管道接头处。有文献(施建峰，陶杨吉，安成名，等.聚乙烯燃气管道超声相控阵检测工程应用案例分析[j].压力容器，2020，37(12)：54
‑
62)进一步指出，电熔接头的危险缺陷率达到了7.1％。电熔接头作为管道系统中质量最薄弱的部分，影响到整个管道系统的使用寿命，因此提升电熔焊接的质量成为了保障聚乙烯管道系统安全的关键。
[0004]
在电熔焊接中，内部的熔区温度是影响电熔接头质量的主要影响因素。不合理的焊接工艺可能导致焊接接头内部温度控制不当。若焊接界面温度过低或没有在熔融温度以上持续足够长的时间，会产生冷焊缺陷；若熔区温度过高，则可能使得聚乙烯材料产生高温裂解的风险，导致过焊缺陷。因此，控制内部熔区温度成为有效保障电熔焊接质量的手段。
[0005]
由于电熔管件结构的限制，常规的测温方法如热电偶无法进行应用，研究人员通常采用测算管件内部电阻丝温度的方法来监测内部熔区温度。例如，中国发明专利“能够防止产生冷焊与过焊缺陷的电熔焊接方法及电熔焊机”(cn201110428347.2)以及中国发明专利“一种电熔管件智能焊接方法”(cn104816467a)，两者均采用通过测量电压电流实时获取电熔管件中电阻丝的阻值变化情况，继而测算电阻丝周围聚乙烯材料温度的方法。
[0006]
然而，现有的技术或研究在具体的焊接控制策略上仍需要根据不同的规格尺寸、不同的环境温度、不同的管件电阻丝排布工艺进行参数整定。例如，中国发明专利“一种电熔管件智能焊接方法”(cn104816467a)在控制策略上提出模糊pid方法，但由这种方式获得的控制效果取决于pid的初始参数；即使采用模糊方法，仍高度依赖于人为设置的模糊规则表。对于复杂多变的施工环境，不同尺寸或不同厂商生产的工艺存在差异的管材管件系统；该控制方法并不具有自适应性，可能造成熔区温度超调、控制电压震荡等现象，导致最终的焊接质量不稳定。
[0007]
在实际的焊接施工情况下，不同工程项目中选用的管材管件在规格上存在差异，
适用于电熔焊接的管径范围从20mm到250mm不等。在进行不同工程项目时，实际施工的地域、季节等因素不完全相同，施工现场的环境温度也会存在很大差异。因此，在进行前述控制熔区温度的电熔焊接时，如果使用的控制方法无法自适应于不同的规格和环境温度，需要人为根据这些因素调整控制策略，会大大增加实施的成本和焊接工人管理的难度，这也有悖于焊接自动化智能化的初衷，难以在实际中进行应用。
[0008]
鉴于以上现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种适用于全规格尺寸和不同环境温度的智能电熔焊接控制方法及装置。通过焊接过程中待焊接接头电阻温度的响应，测算该待焊接接头系统的模型特性参数。根据测算结果自动调整相应的温度控制策略，从而实现适用于全规格尺寸和不同环境温度的智能电熔焊接。


技术实现要素：

[0009]
本发明要解决的问题是，克服现有技术中的不足，提供一种适用于全规格尺寸和不同环境温度的智能电熔焊接方法及装置。
[0010]
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
[0011]
提供一种智能电熔焊接温度控制方法，包括以下步骤：
[0012]
(1)测量电熔焊机周围的环境温度t0；
[0013]
(2)采用焊机允许的最大电压进行恒压焊接；测量并记录焊接电路的第一个采样周期的电压和电流，计算管件电阻丝的初始电阻r0；
[0014]
(3)采集电路中的实际电压和电流，计算电阻温度t
t
的变化；基于由管材材料熔融温度t
c
升温至接近目标温度t
t
′
过程中的数据，拟合电熔接头中的电压
‑
电阻温度模型，得到电熔接头系统的特性参数；
[0015]
(4)当电阻温度t
t
接近目标温度t
t
′
时，从恒压控制转换为基于特性参数的电熔接头系统温度控制模式，并输出指定功率。
[0016]
作为优选方案，所述步骤(3)具体包括：
[0017]
(3.1)采样电路中的电压和电流，计算电阻丝的电阻值；并通过下式(1)计算对应的电阻温度t
t
：
[0018][0019]
式中，t为进行焊接的时刻；t
t
为t时的电阻温度，单位为℃；r
t
为t时电阻丝的阻值，单位为ω；r0为初始电阻值；α为电阻丝的电阻温度系数；t0为环境温度值；
[0020]
(3.2)当实际电阻温度达到管材材料的熔融温度t
c
后，记录经计算获得的实时电阻温度和达到该温度时所对应的焊接时长，直到实际电阻温度t
t
接近目标温度t
t
′
；由此得到电阻温度随时间变化的数据组；假设在电阻温度升高的区间内记录下的电阻丝温度随时间变化的数据共有n组，使其分别记作：(t
i
，t
i
)，i＝1，2，3
…
n；i为随采样时间增加的采样序列号；
[0021]
(3.3)根据步骤(3.2)中电阻温度随时间变化的数据，对下式(2)的电熔接头系统特性模型中的三个特性参数c
m
、r
j
、τ进行最小二乘法的拟合：
[0022][0023]
其中，t
m
为t
n
时刻的电阻丝温度，单位为℃；t
n
为焊接时长，单位为s；p为电阻丝产
生的焦耳热功率，单位为w；c
m
为管件电阻丝的总热容，单位为j/℃；r
j
为电阻丝与聚乙烯之间的接触热阻，单位为℃/w；τ为电阻丝
‑
聚乙烯体系温度一阶惯性系统的时间常数，单位为s。
[0024]
作为优选方案，所述步骤(3.2)中，所述管材材料为聚乙烯，其熔融温度t
c
的范围在130℃～150℃；目标温度t
t
′
的范围在260℃～300℃。
[0025]
作为优选方案，所述步骤(3.2)中，按下述方式确定实际电阻温度t
t
接近目标温度的程度：t
t
＝γ
×
t
t
′
；
[0026]
式中，接近系数γ的取值范围为0.75
‑
0.9。
[0027]
作为优选方案，所述步骤(4)具体包括：
[0028]
在得到三个特性参数c
m
、r
j
、τ的具体数值后，切换恒压焊接的模式为基于特性参数的电熔接头系统温度控制模式，根据公式(6)计算得到焊机输出功率的控制量p
c
，单位为w；由此，将实际电阻温度t
t
恒定在目标温度t
t
′
的设定区间内：
[0029][0030]
其中，k是控制器的控制增益，取值为1。
[0031]
本发明还提供了一种用于智能电熔焊接装置，该装置的焊接电路中包括以下模块：电源模块、电压电流检测模块、电阻温度测算模块、计时模块、焊接控制器、焊接功率输出模块，以及系统特性参数自动测算模块；其中，
[0032]
电源模块用于处理外部电源，将其调制成符合焊接要求的直流电；
[0033]
电压电流检测模块用于检测焊接电路中的实时电压和电流；
[0034]
电阻温度测算模块用于计算得到电熔接头内嵌电阻丝的实际温度；
[0035]
计时模块用于提供系统的时间信息；
[0036]
焊接控制器用于根据拟合的模型参数和实时电压、电流数据，计算用于控制熔区恒温的输出功率值；
[0037]
焊接功率输出模块用于输出由焊接控制器计算得到的实时焊接功率；
[0038]
系统特性参数自动测算模块，用于在焊接过程中拟合模型特性参数的工作，为针对性的控制策略提供待焊接接头的分析结果；该模块包含环境温度测量子模块、恒压输出子模块以及参数拟合计算子模块；其中，
[0039]
环境温度测量子模块，用于测量电熔焊机周围的环境温度；
[0040]
恒压输出子模块，用于以恒定的电压控制针对电熔管件的功率输出；
[0041]
参数拟合计算子模块，用于拟合电熔接头电压
‑
电阻温度的模型参数。
[0042]
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
[0043]
(1)本发明提出的电熔焊接控制方法能够根据焊接前期管件电阻温度响应的数据拟合接头传热模型的特性参数，通过基于具体模型的温度控制方法实现高质量的电熔焊接。因而，该控制发明适用于实际工程中不同尺寸、不同工艺规格生产的管材管件。与现有的控制方法相比，本发明在控制策略的设计更具有针对性，因此在保障焊接质量稳定的同时也具有更高精度、高效率的控制效果。
[0044]
(2)在现有的数字式焊机上进行相对简单的改造(例如以更新软件的方式)就能实现这种控制方法，成为一种全规格尺寸和不同环境温度的智能电熔焊接装置。该焊接装置
适用于现有全部规格的电熔管件，不需要对电熔管件做任何结构或电路上的改进。
附图说明
[0045]
图1为本发明中智能电熔焊接控制方法的流程示意图；
[0046]
图2为智能电熔焊接装置的原理框图；
[0047]
图3为实施案例中恒压阶段电阻丝温度响应曲线以及特性参数的拟合结果；
[0048]
图4为实施案例中温控阶段输出电压与电阻丝温度随时间变化的曲线图。
具体实施方式
[0049]
首先需要说明的是，本发明涉及数据库技术，是计算机技术在信息安全技术领域的一种应用。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。前述软件功能模块包括但不限于：焊接控制器、焊接功率输出模块、恒压输出子模块、计时子模块、电阻温度测算子模块以及参数拟合计算子模块等，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。
[0050]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统的一部分及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0051]
本发明首先提供一种智能电熔焊接装置(如图2所示)，该装置的焊接电路中包括以下模块：电源模块、电压电流检测模块、电阻温度测算模块、计时模块、焊接控制器、焊接功率输出模块，以及系统特性参数自动测算模块；其中，电源模块用于处理外部电源，将其调制成符合焊接要求的直流电；电压电流检测模块用于检测焊接电路中的实时电压和电流；电阻温度测算模块用于计算得到电熔接头内嵌电阻丝的实际温度；计时模块用于提供系统的时间信息；焊接控制器用于根据拟合的模型参数和实时电压、电流数据，计算用于控制熔区恒温的输出功率值；焊接功率输出模块用于输出由焊接控制器计算得到的实时焊接功率。
[0052]
系统特性参数自动测算模块，用于在焊接过程中拟合模型特性参数的工作，为针对性的控制策略提供待焊接接头的分析结果；该模块进一步包含环境温度测量子模块、恒压输出子模块以及参数拟合计算子模块。其中，环境温度测量子模块，用于测量电熔焊机周围的环境温度；恒压输出子模块，用于以恒定的电压控制针对电熔管件的功率输出；参数拟合计算子模块，用于拟合电熔接头电压
‑
电阻温度的模型参数。
[0053]
本发明进一步提供了适用于全规格尺寸和不同环境温度的智能电熔焊接控制方法(方法的流程如图1所示)，具体实施步骤如下：
[0054]
1.将待焊接的电熔管件刮去焊接部分的氧化皮后，与电熔管件安装在一起，形成
待焊接的电熔接头。将电熔焊机中电源模块的两根输入输出线与电熔管件的引线相连接。
[0055]
2.通过系统特性参数自动测算模块中内置的环境温度测量子模块，测量电熔焊机周围的环境温度t0；
[0056]
3.通过系统特性参数自动测算模块中内置的恒定电压输出子模块，以焊机允许的最大电压进行恒压输出，市售焊机的该电压值通常为39.5v。使用最大电压的原因在于提高输入热量密度，尽快使得体系升温，保证最高的焊接效率。
[0057]
4.通过电压电流检测模块测量并记录焊接电路的第一个采样周期的电压和电流，计算管件电阻丝的初始电阻r0。
[0058]
5.通过系统特性参数自动测算模块中内置的电阻温度测算子模块，利用焊接过程中采样的电压电流数据，计算实时电阻值，并通过式(1)计算对应的电阻温度。
[0059][0060]
式中，t为进行焊接的时刻；t
t
为t时的电阻丝温度，单位为℃；r
t
为t时电阻丝的阻值，单位为ω；r0为初始电阻值；α为电阻丝的电阻温度系数；t0为环境温度值。
[0061]
6.当电阻温度达到管材材料(如聚乙烯)的熔融温度t
c
后，记录实时的电阻温度t
t
和从计时模块获取的该温度对应的焊接时长，得到电阻温度t
t
随时间变化的数据组，直到电阻温度接近目标温度t
t
′
(例如达到0.8t
t
′
)。聚乙烯熔融温度t
c
的范围在130℃～150℃，目标温度t
t
′
的范围在260～300℃。
[0062]
目标温度t
t
′
设定的依据来自研究论文(zheng j，zhong s，shi j，et al.study on the allowable temperature for preventing over welding during thermal welding of polyethylene pipe[j].joumal of pressure vessel technology，2015，137(2)：021401.)。文章通过热重分析和凝胶渗透色谱分析的方法研究pe100在不同温度焊接后的热降解行为。通过分子量和分子量分布(mwd)测定，分析了热降解后残渣的组成，得出典型工业级pe100材料的允许焊接最高温度在270℃左右的结论。
[0063]
假设在电阻温度升高的区间内记录下的电阻丝温度随时间变化的数据共有n组，分别记作：(t
i
，t
i
)，i＝1，2，3
…
n；i为随采样时间增加的采样序列号。
[0064]
按下述方式确定实际电阻温度t
t
接近目标温度t
t
′
的程度：t
t
＝γ
×
t
t
′
。
[0065]
该设定是为了既能留给时变微分方程的参数拟合过程一定的运算时间，又能更多地获得接头响应数据以提高精度。式中，系数γ的取值范围为0.75～0.9。
[0066]
7.参数拟合计算子模块根据电阻温度随时间变化的数据，对式(2)的电熔接头系统输入功率
‑
电阻温度特性模型中的参数c
m
，r
j
，τ进行最小二乘法的拟合。
[0067][0068]
其中，t
m
为t
n
时刻的电阻丝温度，单位为℃；t
n
为焊接时长，单位为s；p为电阻丝产生的焦耳热功率，单位为w；c
m
为管件电阻丝的总热容，单位为j/℃；r
j
为电阻丝与聚乙烯之间的接触热阻，单位为℃/w；τ为电阻丝
‑
聚乙烯体系温度一阶惯性系统的时间常数，单位为s；三个特性参数与管材管件的尺寸、电阻丝工艺等均有关联。
[0069]
式(2)的模型由电熔管件的传热分析推导而来。其过程如下：
[0070]
系统模型的建立包含三个假设条件：
[0071]
(1)忽略电阻丝各部分温度分布不均匀性；
[0072]
(2)忽略与电阻丝相接触的聚乙烯材料温度分布不均匀性；
[0073]
(3)电阻丝和周围聚乙烯的接触热阻r
j
，电阻丝的热容c
m
为常数。过往的研究表明，在实际的焊接过程中r
j
是一个随温度变化的参数。在焊接初期，温度未达到聚乙烯相变温度时，由于电阻丝与固体聚乙烯之间存在间隙，r
j
通常较大。随着焊接进行温度和压力升高，r
j
逐渐变小，当电阻丝周围聚乙烯呈熔融态，两者接触良好时，接触热阻接近较小的恒定状态。因此，为了满足r
j
为常数的简化假设，此处建立的模型对应电阻丝周围聚乙烯熔融后的系统，即电阻丝温度大于130℃。
[0074]
输入功率与电阻温度变化的模型推导过程如下：
[0075]
对管件电阻丝这一结构进行能量平衡分析，电阻丝的热载荷包括：电阻丝产生的焦耳热。电阻丝的漏热包括：对聚乙烯材料的导热漏热；此外，电阻丝自身温升也需要消耗热量。根据能量守恒定律可得电阻丝的能量平衡关系式如(3)：
[0076][0077]
其中，p为电阻丝产生的焦耳热，单位为w；t
n
为焊接时长，单位为s；t
m
为t
n
时刻的电阻丝温度，单位为℃；t
p
为t
n
时刻电阻丝周边聚乙烯的温度，单位为℃；c
m
为电阻丝的总热容，单位为j/℃；r
j
为电阻丝与聚乙烯之间的接触热阻，单位为℃/w。
[0078]
从传热的角度，t
p
会随着电阻丝温度t
m
的变化发生变化，且由于接触热阻的存在，在升温过程中t
p
始终小于t
m
，两者间的关系可以看做一个t
m
作为输入，t
p
作为输出的一阶惯性系统，见式(4)：
[0079][0080]
其中，τ为该一阶惯性系统的时间常数，单位为s。
[0081]
将式(4)代入式(3)，得到式(5)
[0082][0083]
将式(5)进行简化后即可以得到式(2)的电熔接头输入功率
‑
电阻温度的模型特性。
[0084]
8.当参数拟合完成后，切换恒压焊接的模式为基于特性参数的电熔接头系统温度控制模式。焊接控制器接收来自系统特性参数自动测算模块的c
m
、r
j
、τ三个特性参数，来自电阻温度计算模块的实时电阻温度t
m
以及来自计时模块的焊接时长t
n
。根据公式(6)，计算向焊接功率输出模块施加的焊接控制量p
c
，单位为w，将电阻温度快速精准地控制在目标温度t
t
′
的设定区间内(例如，恒定在270℃)。
[0085][0086]
其中，k——控制器的控制增益，此处可以取1。
[0087]
式(6)的推导过程基于lyapunov稳定性判据，具体如下：
[0088]
在时域上，将电熔接头特性模型(2)转化为状态空间的表达形式，将t
m
记作变量x，t
n
记作变量t，并进行简化。对于开环系统，当输入功率p为0，得到式(7)
[0089][0090]
设lyapunov函数将式(8)代入函数，计算可得，v(x)＞0，正定；v(x)＜0，负定。
[0091]
因此根据lyapunov稳定性理论，该系统渐进稳定(指数稳定)。
[0092]
当系统形成闭环控制，设u为控制量。
[0093]
引入误差σ＝x
d
‑
x，x
d
为输出的期望值。x
d
的物理含义即前述的目标温度t
t
′
。对误差σ求导数，代入见式(8)，
[0094][0095]
设lyapunov函数将σ代入函数，v(σ)＞0，正定；对v(σ)求导，得到式(9)，为了使得系统能够稳定，需要为负定，即
[0096][0097]
由于x
d
为预期值即一个常数，可令控制量u为其中，k为控制器的控制增益。将u代回式(9)，得到式(10)，
[0098][0099]
根据判断为负定。满足使得系统稳定的要求。误差收敛的速度(控制速度)与所设的控制增益k有关。误差最终会趋向于0，达到稳定。将具体结构和参数的细节代入则可以得到实际的电压
‑
温度的电熔焊接系统实际施加的控制量表达式，见式(11)
‑
(12)，简化后得到式(6)。
[0100][0101][0102]
具体实施例子：
[0103]
对某品牌的市售电熔接头产品和管件进行电熔焊接试验。该电熔接头产品内部的电阻丝材质已知为h65黄铜，电阻温度系数大致在1.3
×
10
‑3～1.5
×
10
‑3ω/m℃。该管件的公称直径dn为63mm，标准尺寸比sdr为11电阻丝总根数为36根(单边为18根)，电阻丝埋线深度为0.5mm。
[0104]
依据前述本发明方法的操作步骤，具体测算过程及所得数据如下：
[0105]
1.环境温度为20℃。对电熔接头施加39.5v恒定电压，得到初始电阻为2.02ω。
[0106]
2.电阻温度测算子模块在焊接过程中采样电压电流，计算电阻丝电阻值和对应的电阻温度。计时子模块获取焊接时长。记录电阻温度在130℃～220℃时电阻温度随焊接时长变化的数据，电压、电流、电阻温度与焊接时长的数据如表1。
[0107]
表1
[0108][0109]
3.根据上述电阻丝温度随时间变化的数据，参数拟合计算子模块对参数c
m
，r
j
，τ进行最小二乘法的拟合。拟合结果如图3所示，r
j
＝0.2064，c
m
＝24.9704，τ＝42.0987。
[0110]
4.焊接控制器向焊接功率输出模块施加控制量输出功率，将电阻温度快速精准地控制在恒定的270℃，控制结果如图4所示，输出功率、电阻温度与焊接时长的数据如表2。
[0111]
表2
[0112]
[0113][0114]
从上述结果可以看出，电阻温度能被较准确地控制在目标温度(270℃)的1℃误差以内，同时又不存在超调和波动的情况。说明通过本发明的控制策略，能够实现快速、无超调、波动小的良好控制效果。
[0115]
由于环境温度的情况能够在电阻温度计算中得到体现，在控制量的计算中得到修正，因此，本发明的电熔焊接温度控制方法不受环境温度影响。
[0116]
另一方面，本发明的控制方法无需事先进行管材管件尺寸参数的输入，因为在焊接过程中即可根据电阻温度响应数据拟合的模型参数来计算控制量。因而本方法适用于实际工程中不同尺寸、不同工艺规格生产的管材管件。