熱熔焊接具有施工簡單、成本低、適用范圍廣、技術(shù)簡單易于掌握和連接可靠等優(yōu)點(diǎn)，在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。相關(guān)研究表明，聚乙烯 (PE) 管道焊接接頭的焊接質(zhì)量是在多種工藝參數(shù)條件作用下的綜合結(jié)果，各種因素的變化可直接影響管道的使用壽命 。因此，為保證分子鏈具有良好的擴(kuò)散條件，塑料件連接部位的溫度、熔融厚度、焊接壓力等參數(shù)值表現(xiàn)得尤為重要。
由于材料的不斷發(fā)展和應(yīng)用條件的變化，國內(nèi)外對(duì) PE 管熱熔焊接技術(shù)的研究一直在進(jìn)行，主要研究工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭性能的影響因素 [2–7]。當(dāng)前工藝在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在如下問題：一是管道與地面的摩擦程度在每次焊接過程都有所不同，導(dǎo)致拖動(dòng)壓力不確定，進(jìn)而使焊接壓力參數(shù)的取值難以確定；二是每次焊接時(shí)環(huán)境溫度不同，使得吸熱所需時(shí)間不確定，可能造成切換時(shí)，管件熔融層厚度未達(dá)到熱熔對(duì)接的要求。兩塑料件對(duì)接時(shí)，穿越界面的分子鏈數(shù)量和穿越深度決定了塑料焊接件的接頭強(qiáng)度 [8]，因此假設(shè)當(dāng)熔融層厚度達(dá)到合理值時(shí)，通過控制位移參數(shù)，使熔融厚度擠出段與熔融層厚度之間的比值達(dá)到一定量后，可得到高質(zhì)量的焊接接頭，從而有效規(guī)避上述問題。據(jù)此，筆者從試驗(yàn)研究角度出發(fā)，驗(yàn)證上述猜想，并獲取合格的熔融厚度擠出段與熔融層厚度之間的比值區(qū)間，以期實(shí)現(xiàn)一種以位移為焊接工藝參數(shù)的新工藝在實(shí)際工程中的應(yīng)用，為后續(xù)新型熱熔焊接裝置的研發(fā)提供試驗(yàn)依據(jù)。
1 試驗(yàn)部分
1．1 原材料
PE 管材：SDR11，SDR17，江特科技股份有限公司。
1．2 試驗(yàn)設(shè)備
(1) 焊接試驗(yàn)設(shè)備。
試驗(yàn)所用焊接裝置采用自主設(shè)計(jì)的手動(dòng) PE管道熱熔焊接機(jī)，其試驗(yàn)裝置如圖 1 所示，可實(shí)現(xiàn)焊接過程中加熱溫度、焊接位移、焊接壓力等參數(shù)信息的實(shí)時(shí)顯示。設(shè)備通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)傳遞焊接過程所需壓力，壓力傳感器 1 安裝在夾持導(dǎo)向裝置上，監(jiān)測焊接過程所施壓力；壓力傳感器 2 安裝在加熱板水平兩端，可對(duì)加熱壓力進(jìn)行顯示；位移測量裝置與夾具連接，根據(jù)夾具移動(dòng)量可獲取管道在對(duì)接時(shí)擠出的熔融層厚度；溫度測量裝置安裝在加熱板頂部，實(shí)時(shí)監(jiān)測管道焊接區(qū)域的溫度。紅外探頭采用交錯(cuò)式布置，點(diǎn)位分布如圖 2 所示，探頭沿軸向分別為距離加熱板端面 8.2，10.2，12.2，24.2，35.2 mm。
(2) 拉伸試驗(yàn)設(shè)備。
微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)：CMT5504 型，美特斯工業(yè)系統(tǒng) ( 中國 ) 有限公司。
1．3 試驗(yàn)方案
焊接試驗(yàn)環(huán)境控制室內(nèi)溫度為 27℃，空氣無流動(dòng)，選取焊接工藝溫度為 215℃。根據(jù) HG／T 4281–2011 塑料焊接工藝規(guī)程制備熱熔焊接接頭。接頭性能對(duì)溶膠壓力要求不高 [9–10]，根據(jù)試驗(yàn)所用手動(dòng)式焊接裝置施壓機(jī)構(gòu)的自鎖特點(diǎn)，施加一定溶膠壓力后，材料受熱熔化擠出，但夾具不因壓力的變化而移動(dòng)，設(shè)備自行泄壓，可實(shí)現(xiàn)處理端面不平整目的，使熔化的塑料在微弱壓力下充分流動(dòng)。因此試驗(yàn)省去加熱階段人為泄壓一環(huán)，對(duì)各規(guī)格管道施加相同溶膠壓力，采用材料熔化泄壓的方式對(duì)管道進(jìn)行加熱。再通過改變焊件對(duì)接時(shí)的焊接壓力，保證其余工藝參數(shù)不變的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，利用位移測量裝置獲取管道在對(duì)接時(shí)擠出的熔融段長度，得出不同焊接壓力下，熔融層的擠出厚度值 ( 即焊接位移值 )。相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表 1，表中溶膠壓力（P2）與焊接壓力（P0）均為焊件截面壓強(qiáng)。
1．4 試樣制備
根據(jù) GB／T 8804.3 利用機(jī)械加工方法，對(duì)焊接試驗(yàn)管道接頭進(jìn)行拉伸試樣制備。每種工況下的管道接頭進(jìn)行 3 次重復(fù)試樣制取?？紤]到焊接熔環(huán)造成的應(yīng)力集中可能降低試樣拉伸力學(xué)性能，因此在進(jìn)行試樣制備時(shí)去掉焊接熔環(huán)，使之與兩側(cè)基材等面積，利用砂紙打磨試樣加工面至光滑平整，最大程度地減小殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中對(duì)接頭性能帶來的影響。
1．5 性能測試
拉伸性能按照 GB／T 19810–2005 測試，室溫，拉伸速率為 50 mm／s。 2 結(jié)果與分析
2．1 焊接試驗(yàn)結(jié)果分析
(1) 焊接過程壓力變化趨勢。
4 種規(guī)格管道按推薦壓力值 (0.15 MPa) 進(jìn)行試驗(yàn)，管道焊接端面壓力變化曲線如圖 3 所示。截取焊接過程前 200 s 數(shù)據(jù)示出。在加熱階段施加相同加熱壓力后，管道受熱熔化進(jìn)行自主泄壓；隨加熱時(shí)間的增加，不同規(guī)格的管道在泄壓速率上呈現(xiàn)出了明顯的差異，表現(xiàn)為管徑越大，泄壓速率越高；加熱階段后期，4 種管道泄壓速率均出現(xiàn)放緩，形成相對(duì)平衡的態(tài)勢，表明此時(shí)熔融物的擠出量已逐漸趨于零，端面進(jìn)行充分吸熱；加熱結(jié)束后，管道進(jìn)入壓焊階段，并在焊接壓力作用下逐漸冷卻至室溫，焊縫以重結(jié)晶的方式結(jié)束整個(gè)焊接過程。
(2) 場點(diǎn)溫度分布規(guī)律。
通過溫度測量裝置，測得加熱階段各場點(diǎn)的溫度實(shí)時(shí)變化過程。圖 4 為加熱階段管壁溫度變化圖。對(duì)加熱結(jié)束時(shí)的場點(diǎn)溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖 5 所示，管道不同場點(diǎn)溫度在加熱階段呈現(xiàn)出近似線性增長的趨勢。研究過程中利用德國耐馳公司生產(chǎn)的 DSC200F3 型分析儀對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行了差示掃描量熱 (DSC) 法試驗(yàn)，獲取了材料確切的物理性能。測試條件為：樣品 (6.4±0.1) mg ；升溫速度10℃／min ；氮?dú)饬髁?50 mL／min ；加熱溫度 20～300℃。結(jié)合 4 種管材溫度場和 DSC 試驗(yàn)結(jié)果，以熔融溫度 (Tpm) 為界限，得出熔融層厚度值 (L)，見表 2。因管道屬性不同，各管道實(shí)際 L 也有所不同，進(jìn)一步證明傳統(tǒng)工藝下的接頭焊接質(zhì)量，受客觀因素影響較大，環(huán)境或者材料屬性的變化，可能導(dǎo)致管件 L 無法達(dá)到熱熔對(duì)接的要求。
(3) 焊接壓力與焊接位移的關(guān)系。
圖 6 可見，同種管道下的焊接位移隨焊接壓力的增大而增大，在增長速率上，PE 屬于線性非晶態(tài)共聚物，加熱后的管道存在 3 種不同聚集狀態(tài)，分別為玻璃態(tài)、橡膠態(tài)和熔融態(tài) ，管材的彈性系數(shù)與抗形變能力隨溫度的降低而增大，因此焊接位移變化速率隨焊接壓力的增大而減小。
圖 7 為焊接壓力與熔融物擠出比例之間的關(guān)系，S 為熔融層的擠出厚度值 ( 即焊接位移值 )。
由于熔融層厚度值一定，曲線所表現(xiàn)出來的變化規(guī)律與圖 6 類似。相同公稱直徑下的 PE 管道，其在相同焊接壓力下的熔融厚度擠出段與熔融層厚度之間比值（S／L）十分接近；而對(duì)于不同公稱直徑下的 PE 管道，同等壓力下的 S／L 值存在較大差異。
2．2 拉伸結(jié)果分析
主要考察試樣拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、斷口位置及斷裂方式，以此作為評(píng)價(jià)熱熔焊接試驗(yàn)接頭性能的依據(jù)。以 DN160 SDR17 為例，不同焊接壓力下的拉伸應(yīng)力 – 應(yīng)變曲線見圖 8。通過 4 種規(guī)格管材在拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，整體上可將各試樣拉伸應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線分為 3 種形式，以下分別分析。
第一種 A 型拉伸應(yīng)力 – 應(yīng)變曲線。焊接壓力在 0.02 MPa 下的接頭試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖 9 所示。在低應(yīng)力且未發(fā)生明顯的塑性變形情況下，試樣在接頭焊縫處突然斷裂。
由圖 10 可見，斷口局部區(qū)域銀紋化，出現(xiàn)明顯的脆性斷裂特征，表明焊接結(jié)果存在缺陷。此類焊接失效原因?yàn)楹附訅毫^小，焊縫位置 PE 高分子鏈纏繞數(shù)較少，無法形成高強(qiáng)度的焊接頭。
第二種 B 型拉伸應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線主要存在于焊接壓力 0.07～0.45 MPa 下的管道焊接接頭，拉伸歷程曲線完整包含了彈性變形、材料屈服、變形擴(kuò)展、材料強(qiáng)化及試樣斷裂等系列階段，如圖 11 所示。拉伸過程中，試樣于單側(cè)基材處拉伸出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，隨后變形逐漸擴(kuò)展至倒角交界處，最終在拉力作用下，于倒角與焊縫之間基材處發(fā)生失效斷裂。試樣斷口形貌的 SEM 照片如圖 12 所示，此類斷裂形式為試樣韌性斷裂，表明焊接接頭強(qiáng)度大于基材強(qiáng)度。
第三種 C 型拉伸應(yīng)力 – 應(yīng)變曲線如圖 13 所示。主要存在于焊接壓力過大的管道焊接接頭。管道在焊接壓力為 0.60 MPa 下的接頭試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果。試樣斷口形貌的 SEM 照片如圖 14 所示。斷面宏觀上呈現(xiàn)大面積白色銀紋區(qū)域 ( 圖 14 中 a 區(qū)域 )，中部光滑區(qū)域 ( 圖 14 中 b 區(qū)域 ) 出現(xiàn)解理斷裂現(xiàn)象，此現(xiàn)象為典型的脆斷特征。在此工況下出現(xiàn)拉伸脆斷原因：過高的焊接壓力致使接頭處溶膠被大量擠出，剩余焊接面熔融物不足以滿足強(qiáng)度要求，加之管道熔融冷卻過程等同于對(duì)管材進(jìn)行了退火處理，使熔融區(qū)內(nèi)晶粒進(jìn)行再結(jié)晶，提高管材結(jié)晶度，同時(shí)導(dǎo)致韌性下降，因此當(dāng)拉伸應(yīng)力到一定程度后，試樣在尚未表現(xiàn)出明顯形變的情況下，在焊縫處直接脆斷。
2．3 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析
剔除每組拉伸試驗(yàn)中誤差較大的異常值，將試驗(yàn)測定的試樣平均斷裂伸長率和平均拉伸強(qiáng)度分別
以圖 15、圖 16 示出。從圖中所示數(shù)據(jù)以及對(duì)試驗(yàn)過程的觀察發(fā)現(xiàn)，焊接壓力在 0.07～0.45 MPa 內(nèi)的試樣，其斷裂伸長率基本達(dá)到 400% 以上，斷裂形式為基材拉伸 – 基材斷裂，斷裂方式為韌性斷裂。
根據(jù) GB／T 19810–2005 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)做出結(jié)論，在0.07～0.45 MPa 焊接壓力區(qū)間內(nèi)所制備的熱熔焊接頭，其性能可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。與焊接壓力相對(duì)應(yīng)的焊接位移區(qū)間和 S／L 值區(qū)間由表 3 統(tǒng)計(jì)看出，通過控制位移參數(shù)，達(dá)到一定范圍內(nèi)的 S／L 值可以得到合格的管道熱熔焊接頭。DN110 SDR 11 管道的合格 S／L 值區(qū)間為 36.1%~53.6%，DN110 SDR 17為 34.4%~49.3%，DN160 SDR 11 為 56.4%~80.7%，DN160 SDR 17 為 51.3%~80.8% 。
3結(jié)論
選擇 8 種不同的焊接壓力分別對(duì) 4 種規(guī)格 PE管道進(jìn)行焊接，并結(jié)合 DSC 試驗(yàn)結(jié)果得到相應(yīng)的熔融層厚度和焊接位移值；最后輔以拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證，初步確定出熱熔焊接合理的焊接壓力區(qū)間與 S／L區(qū)間 。本次試驗(yàn)旨在找出合理焊接位移范圍，以焊接管道的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、斷裂方式和斷裂位置來評(píng)判焊接管道焊接質(zhì)量。得到以下結(jié)論：
(1) 試驗(yàn)結(jié)果證明，溶膠壓力對(duì)焊接頭質(zhì)量影響不大，利用該焊接設(shè)備進(jìn)行加熱階段自行泄壓，也能得到合格的焊接接頭。
(2) 焊接壓力在 0.07~0.45 MPa 區(qū)間內(nèi)進(jìn)行熱熔焊接可制得合格的焊接頭，各規(guī)格管道在相同焊接壓力下所對(duì)應(yīng)的焊接位移量不同。當(dāng) S 一定時(shí)，通過控制位移參數(shù)，達(dá)到一定范圍內(nèi)的 S／L 值，可得到合格的管道熱熔焊接頭。
