電気溶融溶接

電気融着溶接は、パイプの接合に使用される抵抗インプラント溶接の一種です。接合するパイプの両端に、金属コイルが埋め込まれた継手を配置し、コイルに電流を流します。コイルの抵抗加熱によりパイプと継手が少量溶解し、凝固すると接合部が形成されます。これは、ポリエチレン(PE) パイプとポリプロピレン(PP) パイプの接合に最もよく使用されます。電気融着溶接は、PE パイプを接合するための最も一般的な溶接技術です。^[1]電気融着溶接プロセスは、安定した接合部を形成するため、ガス輸送パイプラインの建設や修理によく使用されます。^[2]接合部の強度の発現は、いくつかのプロセスパラメータの影響を受けるため、安定した接合手順が、安定した接合部の形成に不可欠です。

電気溶融溶接の利点:

• 一貫したジョイントを製造できるシンプルなプロセス
• プロセスは完全に封じ込められており、ジョイント汚染のリスクが軽減されます。
• パイプを取り外すことなく修理できるプロセス

電気溶融溶接の欠点:

• 特殊なスリーブが必要なため、熱板接合などの他の配管接合方法よりも高価です。
• 埋め込みコイルは部品のリサイクルを困難にする

電気融着溶接は、制御された電源を電気融着継手に取り付けることによって行われます。通常、2 つの動作モードがあります。

• 定電圧
• 定電流

定電圧は、通常、ガスや水道などの高圧パイプラインに使用されます。継手には、ISO 規格に指定されたバーコードが取り付けられています。通常、継手は 39.5 V で溶接されますが、メーカーは 8 から 48 V までの整数で電圧を選択できます。溶接時間は、ラベルに秒または分単位で指定されています。

電気融着溶接では、溶接するジョイントの周りに取り付け具を使用します。 金属コイルが取り付け具に埋め込まれ、コイルに電流が流されて熱が発生し、パイプの一部が溶けて固まり、ジョイントが形成されます。 電気融着溶接では、カプラとタッピング ティー (サドル) の 2 つの取り付け具が使用できます。 カプラ取り付け具には 2 つの独立したコイル領域が含まれており、溶接中に 2 つの明確な溶融ゾーンが作成されます。 カプラの内径は、通常、パイプの外径よりもわずかに大きくなっています。 これは、現場での組み立てを容易にし、パイプ径のわずかなばらつきを許容するためです。 パイプをカプラに適切に挿入することは、強力なジョイントを作成するために重要です。 カプラの配置が間違っていると、コイルが移動してジョイントから溶融ポリマー材料が押し出され、ジョイントの強度が低下する可能性があります。 タッピング ティー、またはサドルはあまり一般的ではありませんが、カプラと同じ原理で動作します。パイプに適切にフィットするようにクランプで固定する必要があります。

カプラーとタッピング T 継手の取り付けには、若干異なる手順が必要です。それぞれの一般的な取り付け手順を以下に示します。

1. パイプの端を洗浄して接合面をきれいにします
2. 最適なフィットアップを容易にする角パイプ端
3. カプラーを設置する場所をイソプロピルアルコールで清掃する
4. 後のステップで削り取る場所を示すために、カプラーの長さの半分より少し長い位置にパイプに印を付けます。
5. 削る箇所をマークする
6. マークされた部分のパイプを削って表面層を取り除き、きれいなパイプ材料がカプラーに接触できるようにします。
7. 削り取った部分を徹底的に調べ、新しいパイプ材料が全体に露出していることを確認します。
8. パイプの端を適切な深さまでカップリングに挿入します。
9. クランプを使用してカプラを固定する
10. 電気リード線を使用してフィッティングをコントロールボックスに接続します
11. 融合サイクルを適用する
12. 規定の冷却時間中はジョイントを動かさない
13. 圧力試験管
14. 適切な内容物でパイプを充填する
15. サービス開始

1. 接合するパイプ部分を洗浄し、接合面をきれいにします。
2. タッピングティーを設置する場所をイソプロピルアルコールで清掃する
3. パイプにタッピングティーの位置の端を少し超えた位置に印を付けます
4. マークされた部分のパイプを削って表面層を取り除き、きれいなパイプ材料がタッピングティーに接触できるようにします。
5. 削り取った部分を徹底的に調べ、新しいパイプ材料が全体に露出していることを確認します。
6. ジョイントにタッピングティーを取り付けます
7. クランプを使用してタッピングティーを固定する
8. 電気リード線を使用してフィッティングコントロールボックスを接続する
9. 融合サイクルを適用する
10. 規定の冷却時間中はジョイントを動かさない
11. 圧力試験管
12. 適切な内容物でパイプを充填する
13. サービス開始^[3]

電気融着溶接では、継手に埋め込まれたコイルに電流を流す必要があります。電気エネルギー入力は、融着中に発生する接合強度の優れた指標であるため、一貫した電力入力が必要です。接合プロセス中のエネルギー入力は、通常、電流が継手を通過するのにかかる時間を制御することによって測定されます。ただし、エネルギー入力は、全体の温度、溶融ポリマーの温度、または溶融ポリマーの圧力を制御することによっても監視できます。^[4]

制御ボックスは、発電機から電力を受け取り、電気融着接合に適した電圧と電流に変換します。これにより、各アプリケーションに一貫したエネルギー入力が提供されます。電気融着溶接継手の最も一般的な入力電圧は 39.5V です。これは、オペレーターの安全を危険にさらすことなく最良の結果が得られるためです。電流は交流 (AC) 波形として入力されます。

電気融合溶接は、溶接プロセス中に発生する 4 つの異なる段階によって特徴付けられます。

1. 潜伏期間
2. 関節の形成と強化
3. 高原地域
4. 冷却期間

インキュベーション期間中、コイルに電流が流れると、ジョイントに熱が導入されます。この時点ではジョイント強度はありませんが、ポリマーが膨張し、ジョイントの隙間が埋まります。ジョイントの形成と固化中に、溶融が始まります。溶融圧力が増加し始め、ジョイントの強度の大部分はこの段階で発生します。強度の増加は、周囲の継手の冷たいゾーンによって増加する溶融材料が制限されるためです。プラトー領域は、ジョイント強度が安定していることを示します。それにもかかわらず、この段階ではジョイントの熱は時間とともに増加し続けます。コイルに電流が流れなくなった後、冷却期間が発生します。溶融ポリマー材料が固化し、ジョイントを形成します。

電気融合溶接電源のほとんどは定電圧機です。定電流機は、溶接中にコイルに印加される電流の変動が小さいため、より一貫したエネルギー入力を提供します。しかし、この追加の一貫性は、通常、これらの機械の高コストに見合うものではありません。定電圧機を使用すると、印加電流の値は溶接プロセス全体にわたってゆっくりと減少します。この効果は、エネルギーが印加されるにつれてコイルの抵抗が増加するためです。コイルで熱が発生すると、コイルの温度が上昇し、コイルの電気抵抗が高くなります。この電気抵抗の増加により、プロセスが進むにつれて、同じ電圧レベルから生成される電流が減少します。電流の減少の程度は、コイルに使用される材料によって決まります。単位面積あたりのエネルギー入力を計算し、プロセスを監視するために使用できます。この値の一般的な範囲は 2～13 J/mm ^{2で、3.9 J/mm 2}の値が、最も強力な接合部を生成することがわかっています。^{[5] [6]}

溶融サイクル中、電気溶融接合部には大きな温度勾配が存在する。ポリマーの低い熱伝導率が、この大きな勾配の主な原因である。有限要素モデリングを使用してさまざまな場所での熱履歴をモデル化する最近の取り組みは成功している。^{[7] [8] [9] [10]}

接合部の温度が上昇すると、ポリマーが溶け始め、溶融ゾーンが形成されます。溶融ゾーンの溶融ポリマーは、周囲の固体ポリマー材料 (「コールド ゾーン」と呼ばれる) に外向きの力を加えます。これらのコールド ゾーンにより、溶融溶融ゾーンに圧力が発生します。溶融ゾーンの圧力が最大値に達するまでには時間がかかり、通常は接合プロセスの約 4 分の 1 が経過するまでピークに達しません。電流が遮断され、冷却が始まると、圧力はゆっくりと減少し、接合部の温度が均一になります。

電気融着接合部の強度は、接合部の融着部から採取した試験片の引張試験と剥離試験によって測定されます。融着時間が接合部の強度に与える影響を評価するために、2 つの方法が開発されています。

1. 試験目的のみで電気融合関節をシミュレートする
2. 標準電気溶接継手からテストクーポンを除去する

接合部の強度は溶接プロセスを通じて向上しますが、この向上は溶融時間、接合部の隙間、パイプの材質によって影響を受けます。これらについては、以下で詳しく説明します。

溶融時間が始まると、強度がまったく発達しない潜伏期間があります。溶融材料が凝固し始めるのに十分な時間が経過すると、接合部の強度が発達し始め、最大強度で停滞します。接合部の完全な強度が達成された後に電力が供給されると、強度はゆっくりと低下し始めます。^{[5] [11]}

ジョイントギャップとは、電気融着継手とパイプ材料の間の距離です。ジョイントギャップがない場合、結果として得られるジョイント強度は高くなりますが、最大にはなりません。ジョイントギャップが増加すると、ジョイント強度はある点まで増加し、その後かなり急激に低下し始めます。ギャップが大きいと、融着時間中に十分な圧力をかけることができず、ジョイント強度は低くなります。^[12]ジョイントギャップが強度に与える影響は、溶接前のパイプの削り取りが重要なステップである理由です。削り取りが不均一または一貫性がないと、ジョイントギャップが大きい領域ができ、ジョイント強度が低下する可能性があります。

分子量（MW）または密度が高いパイプ材料は、溶融状態で溶融すると材料の流動速度が遅くなります。流動速度の違いにもかかわらず、最終的な接合強度は、パイプの分子量のかなり広い範囲にわたって一般的に一定です。^{[13] [14] [15] [16]}