土工膜的热塑焊接技术详解

如前所述，土工膜的宽度越来越宽，人们希望通过增加土工膜的宽度以减少土工膜的拼接工作量，提高施工效率。更为重要的还在于拼接缝越少，工程防渗漏的可靠性越高。但无论把土工膜做得多么宽，仍然必须进行现场拼接。目前，土工膜的拼接技术已很成熟。对热塑性塑料，主要采用焊接的方法，速度较快、可靠性很高。凭借热的作用，使二块土工膜片的表面同时发生熔融，在压力作用下，经冷却，使它们结合成一体，称为土工膜的焊接。

本章所介绍的土工膜，均属于热塑性塑料。只要配方设计得当，其焊接性能都很好。配方设计影响焊接性能的因素：例如为改善LLDP E或MLLDP E容易发生熔体破裂，氟弹性体添加量过大；P VC土工膜润滑剂的品种选择不对和添加量过大；使用含有开口剂、爽滑剂等助剂的PE树脂或EVA树脂；黑色PE土工膜使用的国产炭黑母粒采用低相对分子质量聚乙烯做载体兼分散剂，添加量过大等，都会影响土工膜的热熔焊接质量。

塑料焊接的理论，目前有两种说法，即扩散理论和黏弹接触理论。扩散理论认为，在焊接加工时，两个焊件的表层分子，由于有剧烈的热运动，使分子相互扩散，表层消失，加长扩散时间，接合强度增加。黏弹理论认为，在焊接加工时，两个焊件的表面，在焊接压力的作用下变形，分子间的吸引力也作用于接触的表面，其表面结构与焊接时间有依赖关系。但无论是哪一种理论，塑料的焊接都必须有热行为，都是靠热的作用来实现塑料的焊接的。

（一）热楔焊接

热楔焊接属于一种热工具焊接，最简单的热楔焊接如图3-5-1所示。

图3-5-1 用电烙铁焊接土工膜示意图

1—手辊 2—加热片 3—电烙铁 4—土工膜

这种焊接工具非常实用，熟练者的操作，焊接质量也很可靠，无论是曲线焊缝，还是直接焊缝均可，做修补焊接时，常采用此法。

但是，采用此法，焊接速度慢，焊接操作劳动强度大，对长的焊缝不太适宜，对薄的土工膜，焊接也有困难，当用其焊接P VC土工膜时，须经常清洗加热片上黏着的P VC分解物。

经过改进的热工具焊接装置，被称为“热楔焊机”，它是由一个楔状的发热体，自动在两片欲焊接的土工膜中间行走，并将两片土工膜的表面加热熔融，随后受到轧辊的压力，两片土工膜便焊接成一体。图3-5-2为热楔焊机的原理示意图。

图3-5-2 热楔焊机原理示意图

1—下层土工膜 2—上层土工膜 3—电热元件 4—热楔体 5—轧辊 6—焊缝

热楔体焊接法是让两层土工膜分别从热楔体的上方和下方通过，使表面融化，然后被两个压力轮压紧连接在一起。这种方法一般用于HDPE，有时也可用于VLDPE、EVA、CSPE和其他一些加筋土工膜。

在施工的过程中要注意根据土工膜的类型和环境温度选择适当的参数。

如果是交流电动机可以通过改变齿轮来改变速度，而如果是直流电动机则可以直接控制速度。其优点在于，它便于控制和改变速度，而且范围也比较大。但在陡坡时速度太慢，容易使局部温度过高。

准确地控制速度是特别重要的。在实际运用中，应通过温度和速度的联合控制来控制热量，避免过分熔化和不完全熔化两种情况。对于长直焊缝建议采用自动焊接机，而较短线路不规则时可以采用手动焊接机。

控制好压力是形成良好焊缝的保证。如果压力过小，则两层膜可能没能接到一起，或形成小的气腔；压力过大，可能把熔化的聚合物挤出导致变形。

热楔体焊接法在实际工程中运用很广泛，相比较其他方法来说，它形成的焊缝的连续性好，它的一些参数的控制（如温度、压力和速度）要严格一些。对于参数的设定及其影响还有待于进一步研究，已经有一些试验表明，有时适当减小温度和压力会形成抗撕裂能力更好的焊缝。

采用热楔焊机焊接土工膜，焊缝质量很可靠，一般剪切强度可达到母材拉伸强度的80%以上，焊接速度可达6.0m/min以上。这种焊机不但能在平面基面上自动爬行，有的可垂直爬行，对长的直线焊缝的焊接非常适宜。热楔焊接的焊道可以是一条，也可以是二条，目前多用二条，二条焊道中间是一条气道。往气道里充入压缩空气，可以很方便地对焊缝质量进行检验。但热楔焊机对曲线焊缝及焊缝的交叉焊接是无能为力的。图3-5-3为热楔焊机焊缝断面图。

图3-5-3 热楔焊接焊缝断面图

1—上层土工膜 2，4—焊道 3—气道 5—下层土工膜

（二）热风焊接

空气经过焊枪中的加热器，被加热到焊接土工膜所需要的温度，然后，用这种被加热了的气体加热土工膜的焊接面或焊条至熔融，在压力下使之接合，此法称为热风焊接，或称热空气焊接。图3-5-4为两片土工膜之间直接用热风焊接的示意图。

当采用焊条焊接土工膜时，应特别注意焊条与焊缝所成的角度，一般以90°为宜。图3-5-5为采用热风和焊条焊接土工膜时，焊条与焊缝夹角对焊缝质量影响的示意图。

图3-5-4 热风焊接土工膜示意图

1—下层土工膜 2—上层土工膜 3—木棒或轧辊（加压用）4—热风焊枪

图3-5-5 焊条热风焊焊条角度的正误(www.xing528.com)

（a）正确的操作，β接近于90°（b）不正确的操作，β过大，焊条呈波浪（c）不正确的操作，β过小，焊条断丝 1—焊枪 2—焊条 3—施力方向

上述两种热风焊接方法，焊接速度慢，焊缝质量受人为因素影响很大。改进型的热风焊条焊接法，被称为快速焊接法，焊接速度可达1.0～1.5m/min。快速焊接热风焊枪示意图如图3-5-6所示。

图3-5-6 快速焊接热风枪示意图

上述三种热风焊接法，均不适宜较薄的土工膜的焊接。目前土工膜施工中所用瑞士产易得利焊机，是一种可以自动爬行的热风焊机，已是将热楔焊机的热楔体换成一个扁形的吹风口，通入热空气后，将两层土工膜焊接处吹熔，靠轧辊施压，像热楔焊缝一样，焊缝质量可靠，焊接速度可达6.0m/min。

热风焊接法常常作为HDP E膜连接的次选方法，在小面积的修补、端面焊接、短期缝和局部缝中，常常与挤压焊接联合运用。

（三）挤压焊接

挤压焊接法，实际上是使用了一台微型挤出机，将与土工膜相同材质的焊料熔融塑化后粘贴在土工膜的搭接处，利用挤出熔融物的热量，将土工膜搭接处的表面熔融，两层土工膜便通过这层熔融挤出物（焊料）连接成一体。图3-5-7为挤压焊接原理示意图。

图3-5-7 挤压焊接原理示意图

1—进料口 2—螺杆 3—上层土工膜 4—机筒 5—加热器 6—焊缝 7—机头 8—下层土工膜

图3-5-8 挤压焊缝断面图

1、3—土工膜 2—焊包

挤压焊接的焊缝处的焊料厚度，一般要超过土工膜的厚度，因此当对挤压焊缝做剪切试验时，断裂经常并不发生在焊缝处，如图3-5-8所示。

挤压焊接，焊缝质量十分可靠，可以适用于长的焊缝、短的焊缝、直线焊缝、曲线焊缝和交叉焊缝。甚至热楔焊机无法焊接的复合土工膜，采用挤压焊机焊接也很方便。但是挤压焊接速度慢，劳动强度大，焊接成本高，对操作者熟练程度要求高。图3-5-9为挤压焊缝可能出现的三种情况。

图3-5-9 挤压焊缝的三种情况

图3-5-10为用挤压焊接法焊接的交叉焊缝示意图。

图3-5-11为热楔焊接交叉焊缝，用挤压焊接修正过程示意图。

（四）超声波焊接

超声波塑料焊接原理：超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调节的，振幅由换能器和变幅杆决定。这三个量相互作用有个适宜值，能量超过适宜值时，塑料的熔解量就大，焊接物易变形；若能量小，则不易焊牢，所加的压力也不能太大。这个最佳压力是焊接部分的边长与边缘每1mm的最佳压力之积。

图3-5-10 挤压交叉焊缝示意图

图3-5-11 用挤压焊接补强热楔焊交叉焊缝示意图

（a）热楔焊两片，焊接可靠（b）热楔焊三片，交叉焊缝处不可靠（c）修剪至热楔焊道边缘，但不得伤及热楔焊道（d）挤压焊交叉焊缝补强，焊缝可靠

超声波焊接热塑性塑料焊接注意事项：舌榫的设计要保证在焊接周期中对位方便。焊线设计纤细，但必须有足够的可熔化材料令焊接面熔合。具体设计方式要视其应用在焊接何种工件设备中。焊接压力、振幅等参数可调，保证焊头能接触到焊接面并施压，下工件为接受压力部分，置于底模中不动。焊头因产生超声波高频，令上工件生热震动，因而能与下工件熔合，焊头停止震动后，压力保持，令熔解位置冷却成型。整个焊接时间大多为少于一秒。

超声波塑料焊接优点：焊接速度快，焊接强度高、密封性好；取代传统的焊接/黏接工艺，成本低廉，清洁无污染且不会损伤工件；焊接过程稳定，所有焊接参数均可通过软件系统进行跟踪监控，一旦发现故障很容易进行排除和维护。

超声波焊接缺点：当焊接工件的厚度及硬度提高时，焊接所需功率呈指数增大，因而增加了超声波焊机的制造成本。当所需功率过大时，声学系统的设计制造和工艺效果都会产生一系列较难解决的问题，因此，当前主要限于丝、箔、片等较细较薄的工件焊接。当前超声波焊接系统的接头形式仅限于搭接，且受工具头的限制，工件只能在焊接系统允许的尺寸范围内伸入，焊接的接头形式和尺寸范围局限性较大。当前对于超声波焊接的质量检测较为困难，一般的检测方法难以在生产过程中进行实时监控，无损检测的方法尚未达到普及状态。

超声波焊接可用于隧道防水土工膜的锚固，在立墙或隧道壁上锚固土工膜时，先将锚固垫钉在立墙或隧道壁上，然后将土工膜压靠在锚固垫上，热塑性塑料在超声波振动作用下，由于表面分子间摩擦生热而使两块塑料熔接在一起，此法被称为无损锚固。