聚乙烯電熔接頭管材熔融區(qū)深度與焊接性能關(guān)系研究

郭偉燦，胡裕銳，繆存堅(jiān)，施建峰*

(1. 浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院，杭州 310020；2. 浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310020；3. 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，杭州 310027)

0 前言

電熔焊接是聚乙烯管道連接的主要方式之一。在電熔焊接過(guò)程中，電阻絲周?chē)木垡蚁┲饾u熔化并形成熔融區(qū)，熔融區(qū)向電阻絲內(nèi)外兩側(cè)按一定規(guī)律擴(kuò)張，向內(nèi)側(cè)擴(kuò)張的熔融區(qū)到達(dá)套筒和管材界面后，在溫度和壓力的共同作用下，表層的聚乙烯高分子鏈相互擴(kuò)散滲透進(jìn)入對(duì)方的界面，使原來(lái)的套筒和管材界面消失，冷卻固化后形成整體電熔接頭。研究表明形成接頭強(qiáng)度主要取決于套筒和管材界面聚乙烯高分子鏈的擴(kuò)散纏結(jié)階段經(jīng)歷的時(shí)間[1-2]，這段時(shí)間與熔焊區(qū)擴(kuò)展到管材內(nèi)部的熔融區(qū)深度d有著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。管材熔融區(qū)深度到達(dá)一定值，就能保證焊接界面高分子鏈的擴(kuò)散纏結(jié)時(shí)間，從而保證基本的界面焊接強(qiáng)度[3-5]。

為探索聚乙烯電熔接頭管材熔融區(qū)深度與接頭焊接性能的關(guān)系，本文按不同焊接時(shí)間焊接一系列接頭試樣，采用超聲相控陣方法來(lái)確定聚乙烯電熔接頭管材熔融區(qū)深度[6-8]，并針對(duì)不同熔融區(qū)深度的焊接試樣開(kāi)展拉伸剝離試驗(yàn)，以獲得熔融區(qū)深度與焊接性能的關(guān)聯(lián)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上提出一種以管材熔融區(qū)深度確定電熔接頭焊接時(shí)間的新方法，該方法已充分考慮到環(huán)境溫度、焊接電壓、電阻絲電阻等各種偏差，更能適應(yīng)實(shí)際工程。

1 管材熔融區(qū)深度與焊接時(shí)間的關(guān)系

為研究管材熔融區(qū)深度與焊接時(shí)間的關(guān)系，建立了簡(jiǎn)化的聚乙烯管道電熔焊接熱力學(xué)模型，如圖1所示[9-10]，考慮聚乙烯電熔接頭的材料特性、結(jié)構(gòu)尺寸及焊接參數(shù)，為使計(jì)算簡(jiǎn)便，采用了如下假設(shè)：

(1)考慮到電阻絲布線的長(zhǎng)度大于管道壁厚的5倍，因此針對(duì)近中心部位的溫度預(yù)測(cè)，可以假設(shè)管道為無(wú)限長(zhǎng)，熱力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為沿管壁徑向的非穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)過(guò)程；

(2)電熔套筒和管子之間的空隙很小，可忽略不計(jì)；

(3)假設(shè)在電熔套筒和管子的不同深度沿圓周方向不存在溫度梯度；

(4)電熔套筒外壁和管子內(nèi)壁的傳熱條件為空氣對(duì)流傳熱條件。

圖1 電熔接頭的熱力學(xué)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermodynamic model for electrofusion joint

電熔接頭傳熱微分方程為：

(1)

式中T——管材內(nèi)任意一點(diǎn)溫度，℃

t——時(shí)間，s

r——管材內(nèi)任一點(diǎn)半徑，m

k——聚乙烯導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)

Cp——聚乙烯比熱容，J /(kg·℃)

Ri——管材內(nèi)徑，m

Ro——套筒外徑，m

ρ——聚乙烯密度，kg/m3

電熔套筒外壁與管材內(nèi)壁空氣自由對(duì)流邊界條件為：

(2)

(3)

式中h1——管材內(nèi)壁的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)

h2——電熔套筒外壁的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)

T0——環(huán)境溫度，℃

根據(jù)上述傳熱模型，綜合考慮聚乙烯比熱容、密度和熱導(dǎo)率，電阻絲與聚乙烯間的接觸熱導(dǎo)以及焊機(jī)輸入功率等因素隨溫度變化的影響，可分析計(jì)算熔化區(qū)的尺寸隨時(shí)間的變化規(guī)律，從而求得管材熔融區(qū)深度與焊接時(shí)間的關(guān)系[9-10]。

圖2 電熔接頭規(guī)格參數(shù)Fig.2 The specification of electrofusion joint

焊接電壓/V:- - -—30 —35 ●—39.5 — —45圖3 不同焊接電壓下管材熔融區(qū)深度與焊接時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between the depth of fusion zone and welding time under different welding voltages

以某企業(yè)生產(chǎn)的規(guī)格為DN90的PE80電熔接頭為例，該規(guī)格接頭是聚乙烯電熔接頭中用量較大且較為典型的一種接頭，其電熔接頭規(guī)格參數(shù)如圖2所示。PE80聚乙烯材料的熔融溫度為130 ℃左右，通過(guò)該理論模型，針對(duì)不同的焊接電壓，在其他條件不變的情況下，可以得出管材熔融區(qū)深度與焊接時(shí)間的關(guān)系，如圖3所示。以39.5 V的焊接電壓為例，當(dāng)焊接時(shí)間達(dá)到35 s的時(shí)候，熔融區(qū)剛到達(dá)套筒和管材界面，焊接界面開(kāi)始熔融，此后隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，熔融區(qū)向管內(nèi)擴(kuò)張，熔融區(qū)深度隨之增大，如果要求管材內(nèi)的熔融區(qū)深度達(dá)到1.0 mm的話，則焊接時(shí)間大約為70 s，當(dāng)焊接時(shí)間為焊接工藝設(shè)定的110 s時(shí)，則管內(nèi)熔融區(qū)深度達(dá)到2.1 mm左右。從圖3可以判斷，管內(nèi)熔融區(qū)深度與熔融區(qū)接觸管子表面后的焊接時(shí)間(界面濕潤(rùn)、高分子鏈的擴(kuò)散纏結(jié)時(shí)間)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 管材熔融區(qū)深度的測(cè)量方法及試驗(yàn)研究

1—管材 2—電熔套筒 3—超聲探頭 4—電阻絲圖4 管內(nèi)熔融區(qū)深度的超聲檢測(cè)Fig.4 The ultrasonic inspection of fusion zone in the pipe of electrofusion joint

根據(jù)聚乙烯電熔接頭超聲檢測(cè)過(guò)程的成像圖譜分析，在電阻絲附近存在一條平行于電阻絲排布方向的超聲信號(hào)線[6-8]，其位置就在套筒側(cè)的熔融區(qū)邊界上。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)推斷在管子側(cè)熔融區(qū)邊界上應(yīng)該存在特征線。將相控陣探頭放置在管子加工平整的內(nèi)表面上進(jìn)行檢測(cè)，如圖4所示，探頭方向平行于管子軸線，超聲相控陣檢測(cè)采用電子線掃描方法，聚焦深度設(shè)置在熔合面上。圖5為內(nèi)表面檢測(cè)時(shí)焊接電熔接頭橫截面超聲成像圖。從圖5可以看出，在管子側(cè)熔融區(qū)邊界上也存在特征線，并且可以通過(guò)超聲儀器功能軟件測(cè)得特征線至管子外表面的距離，該距離就是管內(nèi)熔融區(qū)深度。為研究管內(nèi)熔融區(qū)深度與焊接時(shí)間、焊接電壓之間的關(guān)系，針對(duì)圖2所示DN90 PE80電熔接頭，按不同焊接時(shí)間加工了12個(gè)電熔接頭，焊接完成后將接頭沿縱截面剖開(kāi)，并取其上一部分加工成條狀試樣，將管子內(nèi)表面加工平整，以保證超聲檢測(cè)界面的聲耦合，然后按圖4所示方法進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)，以制造廠推薦的39.5 V焊接電壓為例，分別測(cè)得各試樣在不同焊接時(shí)間條件下的管內(nèi)熔融區(qū)深度，并與筆者建立的聚乙烯管道電熔焊接熱力學(xué)模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)焊接電壓為39.5 V，焊接時(shí)間大于等于35 s時(shí)，管內(nèi)熔融區(qū)深度與焊接時(shí)間基本呈線性關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果與傳熱模型計(jì)算得到的結(jié)果基本符合。

圖5 焊接電熔接頭橫截面超聲成像圖Fig.5 The ultrasonic imaging on the cross section of electrofusion joint

■—試驗(yàn)結(jié)果 ○—模型計(jì)算結(jié)果圖6 不同焊接時(shí)間的管內(nèi)熔融區(qū)深度試驗(yàn)值與模型計(jì)算值比較Fig.6 Development of fusion zone depth in the pipe with welding time

3 管材熔融區(qū)深度與接頭性能關(guān)系研究

為研究管材熔融區(qū)深度與接頭性能之間的關(guān)系，將前述的每個(gè)電熔接頭試樣的剩余部分加工成2個(gè)拉伸剝離試驗(yàn)試樣進(jìn)行試驗(yàn)。拉伸剝離試驗(yàn)可直接剝離焊接界面，將其試驗(yàn)結(jié)果中力 - 位移曲線進(jìn)行積分可以得到拉伸剝離能，可以定量地表征破壞界面所需要的能量，作為評(píng)價(jià)電熔接頭焊接質(zhì)量好壞的評(píng)價(jià)依據(jù)。不同管材熔融區(qū)深度的單位面積剝離能如圖7所示。從圖7結(jié)果分析，當(dāng)管材熔融區(qū)深度為0 mm時(shí)，沒(méi)有形成界面強(qiáng)度，因而拉伸剝離能幾乎為零；當(dāng)管材熔融區(qū)深度為0～1.1 mm時(shí)，試樣單位面積剝離能隨著管材熔融區(qū)深度增加而增加，管材熔融區(qū)深度越大，單位面積剝離能越大；當(dāng)管材熔融區(qū)深度在1.1～2.6 mm范圍內(nèi)，電熔接頭的拉伸剝離能變化較為平緩，可視為一平臺(tái)區(qū)域；當(dāng)管材熔融區(qū)深度超過(guò)2.6 mm時(shí)，電熔接頭的拉伸剝離能隨著管材熔融區(qū)深度的增加反而下降，這表明電阻絲周?chē)木垡蚁┎牧蠝囟壬叩揭欢ǔ潭群蟀l(fā)生裂解，從而使抗破壞能力下降，導(dǎo)致整體剝離能下降。

圖7 單位面積剝離能與管材熔融區(qū)深度的關(guān)系Fig.7 Relationship betweenthe peeling energy and the depth of fusion zone

此外，拉伸剝離破壞后破壞界面的韌性破壞程度可間接說(shuō)明電熔接頭焊接質(zhì)量好壞。焊接界面剝離后測(cè)量破壞面的韌性破壞程度PD[2]，按下式計(jì)算。

(4)

式中PD——韌性破壞程度， %

at——失效形態(tài)表面的面積百分比， %

dt——接頭韌性破壞程度

管材熔融區(qū)深度與界面韌性破壞程度的關(guān)系如圖8所示。管材熔融區(qū)深度為0時(shí)，拉伸剝離后焊接界面全是脆性破壞，如圖8(a)所示；當(dāng)管材熔融區(qū)深度為0.2 mm時(shí)，焊接界面的韌性破壞程度約為10 %，如圖8(b)所示，當(dāng)管材熔融區(qū)深度增加，韌性破壞程度也隨之增加。當(dāng)管材熔融區(qū)深度在1.1～2.6 mm范圍內(nèi)，拉伸剝離后焊接界面70 %以上為韌性破壞，有的甚至完全為韌性破壞，如圖8(c)所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明，管材熔融區(qū)深度與焊接界面粘結(jié)性能直接相關(guān)，當(dāng)熔融區(qū)深度在1.1～2.6 mm范圍，接頭強(qiáng)度處于平臺(tái)區(qū)。

(a)完全脆性d=0 mm (b)部分脆性d=0.2 mm(c)完全韌性d=2.1 mm圖8 界面韌性破壞程度與管材熔融區(qū)深度的關(guān)系Fig.8 Relationship between percent ductility and depth of fusion zone

在此基礎(chǔ)上，提出一種以超聲方法間接測(cè)定管內(nèi)熔融區(qū)深度從而確定焊接工藝的新方法：在焊接過(guò)程中將相控陣探頭放置在電熔套筒表面，如圖9所示，儀器的測(cè)量功能中可實(shí)時(shí)顯示熔融區(qū)外邊界和檢測(cè)界面(電熔套筒外表面)之間的聲程(距離)值d3，假設(shè)電阻絲兩側(cè)的熔融區(qū)深度相等，電熔套筒厚度為T(mén)，電阻絲埋深為d2，則管內(nèi)熔融區(qū)深度d為

圖9 超聲方法間接測(cè)定管內(nèi)熔融區(qū)深度方法示意圖Fig.9 Indirect method for determining the depth of fusion zone in pipe by ultrasonic method

(5)

式中d——管內(nèi)熔融區(qū)深度，mm

T——電熔套筒壁厚，mm

d2——電阻絲埋深，mm

d3——熔融區(qū)外界面和檢測(cè)界面(電熔套筒外表面)之間的聲程(距離)值，mm

針對(duì)圖2所示的電熔接頭規(guī)格參數(shù)，電熔套筒厚度14 mm，電阻絲埋深1 mm，取接頭強(qiáng)度處于平臺(tái)區(qū)時(shí)管材熔融區(qū)深度范圍1.1～2.6 mm的中間值1.85 mm作為設(shè)定值，根據(jù)公式(4)計(jì)算d3為10.15 mm，當(dāng)儀器顯示熔融區(qū)外邊界和檢測(cè)界面之間的聲程值為10.15 mm時(shí)，表明材熔融區(qū)深度已到達(dá)1.85 mm，此時(shí)已經(jīng)形成焊接強(qiáng)度，從而可以切斷焊接電流，并以此確定聚乙烯電熔焊接時(shí)間。該方法已充分考慮到環(huán)境溫度、焊接電壓、電阻絲電阻等各種偏差，采用該方法確定的聚乙烯電熔焊接時(shí)間比根據(jù)企業(yè)經(jīng)驗(yàn)獲得的時(shí)間推薦值要準(zhǔn)確，更適應(yīng)實(shí)際工程。

4 結(jié)論

(1)建立了聚乙烯管材熔融區(qū)深度的超聲測(cè)量方法，對(duì)DN90聚乙烯電熔接頭不同焊接時(shí)間熔融區(qū)深度進(jìn)行測(cè)定試驗(yàn)，并與聚乙烯管道電熔焊接熱力學(xué)模型數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明管內(nèi)熔融區(qū)深度與焊接時(shí)間基本呈線性關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果與傳熱模型計(jì)算得到的結(jié)果基本符合；

(2)通過(guò)DN90聚乙烯電熔接頭不同管材熔融區(qū)深度的焊接試樣拉伸剝離試驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)管材熔融區(qū)深度在1.1～2.6 mm范圍時(shí)，電熔接頭的拉伸剝離能處在一個(gè)比較穩(wěn)定的平臺(tái)區(qū)，從而用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了管材熔融區(qū)深度到達(dá)一定值，就能保證焊接界面高分子鏈的擴(kuò)散纏結(jié)時(shí)間，從而保證基本的界面焊接強(qiáng)度；

(3)提出了一種在焊接過(guò)程中用超聲方法確定焊接工藝的新方法，以電熔接頭拉伸剝離能處在平臺(tái)區(qū)的管材熔融區(qū)深度范圍中間值作為設(shè)定值，并以此確定聚乙烯電熔焊接時(shí)間；采用該方法確定的聚乙烯電熔焊接時(shí)間值比根據(jù)企業(yè)經(jīng)驗(yàn)獲得的時(shí)間推薦值要準(zhǔn)確，更適應(yīng)實(shí)際工程。