PE管熱熔（焊接）粘接缺陷的研究

董守江 邱建新 溫友林 周裕昌 馮志飛

(北京寶隆特設(shè)備檢測(cè)有限公司 北京 101304）

PE管是國(guó)際上應(yīng)用最為成熟的塑料壓力管之一，PE管的熱熔焊接已大量的應(yīng)用于建筑工程之中，隨著城市化與工業(yè)化速度的加快，定將得到更廣泛的應(yīng)用。但是到目前為止對(duì)PE管熱熔焊接的質(zhì)量控制還僅限于表面檢查和耐壓試驗(yàn)作為檢驗(yàn)手段，其接頭的內(nèi)部質(zhì)量無(wú)法通過(guò)有效的檢測(cè)方法進(jìn)行，給管線(xiàn)的安全運(yùn)行留下隱患。對(duì)于PE管的內(nèi)部質(zhì)量控制還沒(méi)有成熟的方法，為攻克這一難關(guān)，我們確定先從研究PE管可能存在的焊接缺陷著手，分析其產(chǎn)生原因，可為PE管熱熔焊接的內(nèi)部質(zhì)量控制做出比較有價(jià)值的基礎(chǔ)工作。

1 PE管是熱熔“焊接”，還是熱熔“粘接”

金屬焊接是通過(guò)加熱或加壓或兩者并用，可以采取添加或不添加填充材料，使工件達(dá)到結(jié)合的一種加工方法。這個(gè)過(guò)程實(shí)際上是金屬被電加熱、熔化和冷卻的冶金過(guò)程，其物理變化是在原子之間進(jìn)行的。金屬焊接的工藝過(guò)程是先將需要焊接的母材加工成一定形狀的坡口，施焊前將被焊工件組對(duì)在一起并留有一定的間隙，通常采用電弧加熱的方法，使其坡口區(qū)域及填充材料快速加熱熔化并快速結(jié)晶凝固，同時(shí)根據(jù)被焊工件的工藝要求，在焊接區(qū)域控制適當(dāng)?shù)睦鋮s速度，通常以自然冷卻或保溫的方式，從而得到理想的焊接接頭，這就是我們所熟悉的金屬“焊接”。

PE管所謂的熱熔“焊接”與金屬焊接在物理意義上是有顯著區(qū)別的。PE管是高分子聚合物，熱熔“焊接”是利用熱塑性塑料隨溫度變化而呈現(xiàn)不同的物態(tài)變化，在適當(dāng)?shù)臏囟确秶?，通常是將PE管兩端面加熱到黏流態(tài)（即熔融溫度）后停止加熱，移去加熱裝置，在一定的壓力下，將接口的黏流態(tài)斷面充分接觸，使聚合物分子之間相互扭結(jié)。其工藝過(guò)程與金屬焊接也有顯著的不同，PE管的對(duì)接連接，第一不需要開(kāi)坡口；第二不需要外加填充物料，是PE管自身熔融后在一定的壓力下粘接在一起的。由此可見(jiàn)，PE管的所謂熱熔“焊接”，實(shí)際上應(yīng)稱(chēng)之為熱熔“粘接”。

2 PE管熱熔（焊接）“粘接”的工藝過(guò)程

PE管的熱熔（焊接）粘接，主要有三個(gè)控制要素：溫度、壓力和時(shí)間。溫度指的是PE管材的熔融溫度，壓力指的是PE管管口的對(duì)接壓力，時(shí)間指的是各個(gè)工藝過(guò)程實(shí)施的時(shí)間。

PE管熱熔（焊接）粘接主要有四個(gè)工藝過(guò)程：

1）PE管端口面的制備：PE管對(duì)接的端口面要用銑刀銑平，呈現(xiàn)新的母材，并保持不被污染。

2）加熱：在一定的壓力下，將兩個(gè)管端面加緊，通過(guò)電加熱板給PE管加熱。

3）撤離電加熱板：PE管加熱完成之后，迅速撤離電加熱板，并在數(shù)秒鐘內(nèi)（越快越好），在設(shè)定的壓力下，將已完成加熱的PE管對(duì)接。

4）保壓硬化：將已完成加熱的PE管對(duì)接之后，要在保持設(shè)定的壓力狀態(tài)下，停留一定的時(shí)間，使PE管的對(duì)接部位由熔融狀態(tài)冷卻硬化到常態(tài)。

上述的每一個(gè)工藝過(guò)程都必須嚴(yán)格執(zhí)行，否則將會(huì)造成（焊接）粘接缺陷，影響PE管的（焊接）粘接質(zhì)量。

3 PE管熱熔對(duì)接接頭的斷口分析

為了驗(yàn)證PE管熱熔對(duì)接接頭中存在的缺陷，在焊接試驗(yàn)室的條件下，通過(guò)改變（焊接）粘接工藝，特意制作了一定數(shù)量的試件；通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)，選取了一定數(shù)量的試件，并對(duì)這些試件，在拉力機(jī)上進(jìn)行了拉斷試驗(yàn)，獲取了PE管熱熔對(duì)接接頭斷口不同的體貌特征。斷口特征基本上可分為四類(lèi)：1）塑性斷口；2）韌性斷口；3）脆性斷口；4）韌、脆性斷口，斷口的特征通過(guò)圖片展示如下。

3.1 塑性斷口

通過(guò)對(duì)PE管對(duì)接接頭的拉斷試驗(yàn)，可看到接頭斷口有很強(qiáng)的延展性，表現(xiàn)出很強(qiáng)的塑性，斷口形狀如圖1所示。

圖1 拉斷試驗(yàn)的塑性斷口形狀

3.2 韌性斷口

它也可稱(chēng)為非脆性斷口，通過(guò)對(duì)PE管對(duì)接接頭的拉斷試驗(yàn)，，可看到接頭斷口有一定的柔韌性。斷口面凹凸不平，犬牙交錯(cuò)，兩組實(shí)驗(yàn)都顯示出了該特征，第二組主要出現(xiàn)在對(duì)接接頭的兩側(cè)，具體形狀如圖2所示。

圖2 拉斷試驗(yàn)的韌性斷口形狀

3.3 脆性斷口

通過(guò)對(duì)PE管對(duì)接接頭的拉斷試驗(yàn)，可看到接頭整整齊齊的斷裂，斷口呈現(xiàn)平面形狀，這就是脆性斷口，其特征如圖3所示。

圖3 拉斷試驗(yàn)的脆性斷口形狀

3.4 韌/脆性斷口

通過(guò)對(duì)PE管對(duì)接接頭的拉斷試驗(yàn)，可以看到斷口面有凹凸不平和整齊的斷裂的形式，說(shuō)明接頭既有韌性斷裂，也有脆性斷裂。斷口形狀如圖4所示。

圖4 拉斷試驗(yàn)的韌/脆性斷口形狀

4 PE管熱熔對(duì)接接頭中產(chǎn)生的缺陷

PE管目前的（焊接）粘接方法主要有兩種：一是熱熔（焊接）粘接；二是電熔（焊接）粘接。本試驗(yàn)研究采用的方法是熱熔（焊接）粘接。因此只對(duì)熱熔（焊接）粘接接頭中產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行分析。熱熔（焊接）粘接的試件如下圖所示。

圖5 PE管φ100×10（mm）熱熔（焊接）粘接試件

一般認(rèn)為PE管對(duì)接接頭中可能與金屬焊縫中產(chǎn)生的缺陷相同，存在氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、裂紋等缺陷。但是通過(guò)上述的斷口分析，可以看出PE管對(duì)接接頭中出現(xiàn)的缺陷與金屬焊縫中出現(xiàn)的缺陷完全不同。

4.1 缺陷進(jìn)行對(duì)比分析

金屬焊縫中有氣孔，PE管中不存在氣孔，這可以通過(guò)（焊接）粘接工藝得到說(shuō)明。PE管的對(duì)接接頭，是在預(yù)制的、光潔的兩個(gè)PE管端面在熔融狀態(tài)和壓力存在的條件下，粘接在一起的，造不成空氣存在的條件，因此不可能產(chǎn)生氣孔，由施工現(xiàn)場(chǎng)獲取的試樣斷口，也未見(jiàn)到氣孔，從而可以得到證明。

金屬焊縫中有夾渣，它是在焊接過(guò)程中，殘留在焊縫中的焊藥皮和焊劑形成的。但是PE管（焊接）粘接過(guò)程中不存在這樣的物質(zhì)，如果假定認(rèn)為PE管在（焊接）粘接過(guò)程中有異物進(jìn)入的話(huà)，從概念角度上來(lái)講，也不應(yīng)稱(chēng)之為夾渣，因?yàn)镻E管中的“夾渣”可能是在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中夾進(jìn)去的土石塊，因此應(yīng)稱(chēng)之為“夾雜”。這是一個(gè)強(qiáng)加的概念，由PE管（焊接）粘接工藝也可以得到說(shuō)明，在（焊接）粘接過(guò)程中，當(dāng)加熱過(guò)程完成之后，移除加熱板僅數(shù)秒鐘，管子將在壓力下對(duì)接，產(chǎn)生夾雜的幾率是極其小的。

金屬焊縫中有未焊透，PE管對(duì)接接頭中不可能出現(xiàn)未焊透。因?yàn)镻E管對(duì)接（焊接）粘接時(shí)是不開(kāi)坡口的，因此也不存在坡口間隙問(wèn)題。眾所周知，金屬焊縫中的未焊透是產(chǎn)生在坡口間隙中的。PE管對(duì)接接頭不存在坡口和坡口間隙，所以不可能產(chǎn)生像金屬焊縫中的未焊透缺陷。

金屬焊縫中有熱裂紋和冷裂紋缺陷，PE管對(duì)接接頭中不可能產(chǎn)生裂紋缺陷。因?yàn)镻E管的材料是高分子聚合物，具有很強(qiáng)的塑性和彈性，不可能在殘余應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋缺陷。

金屬焊縫中有未熔合缺陷，這種缺陷是焊材溶化后未與母材的坡口面熔合在一起的缺陷。PE管的對(duì)接（焊接）粘接接頭中有類(lèi)似這種缺陷，但是這種缺陷在PE管對(duì)接接頭中不應(yīng)定義為“未熔合”，而應(yīng)定義為虛（焊）粘、假（焊）粘。這種缺陷的特征在PE管熱熔對(duì)接接頭的斷口分析中，可以清楚的得到證明，虛（焊）粘缺陷對(duì)應(yīng)的是“韌脆性”斷口；假（焊）粘缺陷對(duì)應(yīng)的是脆性斷口。

PE管對(duì)接接頭中存在的虛（焊）粘、假（焊）粘缺陷，是對(duì)對(duì)接接頭危害最嚴(yán)重的缺陷，這種缺陷極大的降低了PE管對(duì)接接頭的強(qiáng)度。

4.2 對(duì)接接頭的超聲波檢測(cè)探討

金屬焊縫中存在的氣孔、夾渣、未焊透、裂紋等缺陷都是與金屬材料不同的介質(zhì)組成的。氣孔是由空氣形成的；夾渣是由焊藥皮或焊劑形成的；未焊透和裂紋是由空氣或真空形成的，這些介質(zhì)的聲阻抗遠(yuǎn)大于金屬的聲阻抗。當(dāng)超聲波在行進(jìn)的過(guò)程中遇到這些缺陷時(shí)都會(huì)發(fā)生反射，這一現(xiàn)象可由聲壓反射系數(shù)的公式來(lái)說(shuō)明：

式中：r ——聲波反射系數(shù)；

pr——反射聲壓；

po——入射聲壓；

Z1——第一介質(zhì)的聲阻抗；

Z2——第二介質(zhì)的聲阻抗。

由聲波反射系數(shù)可知，當(dāng)聲波遇到不同介質(zhì)組成的界面時(shí)，如果兩種介質(zhì)的聲阻抗不同，聲波將被反射，因此我們稱(chēng)這些缺陷為“有反射界面的缺陷”。

PE管接口中存在的虛（焊）粘、假（焊）粘缺陷，屬于PE管材質(zhì)本身結(jié)構(gòu)性缺陷，因?yàn)槭峭?lèi)材質(zhì)，聲阻抗相同，所以當(dāng)超聲波在行進(jìn)的過(guò)程中通過(guò)這個(gè)區(qū)域時(shí)不會(huì)發(fā)生反射，這同樣可以由聲波的反射系數(shù)來(lái)說(shuō)明。因?yàn)镻E管接口中存在的虛（焊）粘、假（焊）粘缺陷，屬于PE管材質(zhì)本身結(jié)構(gòu)性缺陷，不存在不同介質(zhì)的問(wèn)題，也就是說(shuō)上述公式中Z1、Z2的數(shù)值是相等的，那么Z2減Z1等于零。因此可以看出當(dāng)聲波通過(guò)該區(qū)域時(shí)不發(fā)生聲波反射，所以我們又稱(chēng)該類(lèi)缺陷為“無(wú)反射界面的缺陷”。

5 結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)PE管熱熔（焊接）粘接工藝的探討和對(duì)PE管試件的斷口分析，可以認(rèn)定，PE管熱熔（焊接）粘接接頭中存在嚴(yán)重影響粘接質(zhì)量的缺陷就是虛（焊）粘和假（焊）粘。因此，可將超聲波檢測(cè)方法應(yīng)用于虛（焊）粘和假（焊）粘的缺陷上，能夠有效的控制PE管熱熔（焊接）粘接接頭的內(nèi)部質(zhì)量，以保證工程應(yīng)用安全。

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