焊接缺陷對聚乙烯管道焊接接頭強(qiáng)度的影響

李廣印 , 包文紅 , 趙曉隆 , 趙吉鵬 , 李珍寶

(1.甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院 ,蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué)，蘭州 730050)

0 前言

聚乙烯燃?xì)夤艿烙商厥獾膶Ｓ镁垡蚁╊w粒燒結(jié)擠壓而成，具有優(yōu)良的耐腐蝕、耐低溫、內(nèi)外壁光滑、摩擦阻力小、撓性好等特點(diǎn)，越來越多的用于城鎮(zhèn)中壓燃?xì)夤艿赖妮斔汀９艿赖倪B接主要采用熱熔和電熔焊接，大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，焊接部位的焊接缺陷是影響管道安全運(yùn)輸?shù)闹饕绊懸蛩兀Ｒ姷娜毕萦欣浜?、過焊、電阻絲錯(cuò)位、氧化皮未去除、孔洞等。

目前國內(nèi)外對聚乙烯焊接接頭性能的研究主要有[1-3]：聚乙烯管道熱氧老化；聚乙烯管韌性破壞壽命預(yù)測方法；裂紋擴(kuò)展行為及壽命預(yù)測。冷焊、過焊、氧化皮未去除等缺陷對焊接接頭性能的影響及機(jī)理鮮見報(bào)道。

文中通過分析熱熔和電熔焊接過程中存在的各種焊接缺陷，制備帶有孔洞、過焊、冷焊、氧化皮未去除、不同厚度的熱熔接頭缺陷試樣和電阻絲錯(cuò)位、氧化皮未去除的電熔接頭缺陷試樣，通過與正常工藝參數(shù)焊接的接頭力學(xué)性能對比試驗(yàn)，分析了焊接接頭性能降低的原因，并通過SEM、EDS等分析測試方法，研究了其性能下降的機(jī)理，為后續(xù)科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)提供借鑒。

1 試驗(yàn)方法

1.1 缺陷試樣的制備

聚乙烯燃?xì)夤艿赖倪B接機(jī)理為:通過加熱待連接母材至熔融狀態(tài)，加熱方式分為加熱板加熱和電阻絲加熱，根據(jù)加熱方式的不同，連接方式分為熱熔連接和電熔連接，使熔融的母材在加壓或者不加壓狀態(tài)下通過分子間擴(kuò)散、纏結(jié)最終達(dá)到連接的目的。因此在聚乙烯管道焊接的過程中，受人為操作及外部影響較大，常由于工人操作失誤，將不同標(biāo)準(zhǔn)厚度比的管子進(jìn)行焊接，由于焊接參數(shù)調(diào)節(jié)失誤，出現(xiàn)加熱時(shí)間過長或過短，拖動(dòng)壓力過大或過小，端面清理不干凈造成的夾雜、孔洞等。在電熔焊接時(shí)，由于管端保護(hù)不足，圓整度差，管子與電熔套組對時(shí)導(dǎo)致電阻絲錯(cuò)位等缺陷，降低了焊接接頭的強(qiáng)度。聚乙烯管道焊接缺陷的檢測國內(nèi)外尚無可靠手段，如果焊接過程中焊制的聚乙烯接頭帶有焊接缺陷，將對管道的安全運(yùn)行留下隱患，針對在實(shí)踐過程中出現(xiàn)的上述焊接缺陷，制備含有人為缺陷的試樣，通過性能試驗(yàn)，研究不同缺陷對接頭力學(xué)性能產(chǎn)生的不利影響。

采用材質(zhì)為PE100，規(guī)格為De110-SDR11的管子,制備熱熔合缺陷試樣。1號試樣為正常焊接的對比試樣，在《燃?xì)庥镁垡蚁┕艿篮附蛹夹g(shù)規(guī)則》規(guī)定的焊接工藝參數(shù)下進(jìn)行熱熔焊接；2號試樣為含有孔洞缺陷，在熱熔焊接時(shí)插入φ1 mm的鐵絲，待冷卻之后拔出鐵絲，在熱熔接頭熔合線處便存在φ1 mm的孔洞缺陷；3號試樣為電熔板加熱時(shí)拖動(dòng)壓力為正常焊接工藝參數(shù)的兩倍，為過焊試樣；4號試樣為電熔板加熱時(shí)拖動(dòng)壓力為正常焊接工藝參數(shù)的一半，為冷焊試樣；5號試樣為管端氧化皮未去除試樣；6號試樣為采用De110-SDR11和De110-SDR17.6不同厚度的管子進(jìn)行熱熔連接，連接后的試樣無法從外觀看出所用管子為不同標(biāo)準(zhǔn)厚度比。制備的待拉伸試樣如圖1所示。

圖1 熱熔焊接缺陷待拉伸試樣

文中采用De63-SDR11的管子和電熔套進(jìn)行電熔連接。1號試樣為正常焊接的對比，在《燃?xì)庥镁垡蚁┕艿篮附蛹夹g(shù)規(guī)則》規(guī)定的焊接參數(shù)下進(jìn)行電熔焊接；2號為電阻絲錯(cuò)位試樣；3號為與電熔套承口部位氧化皮未去除試樣。由于電熔焊接缺陷無法從外觀看出，故采用數(shù)字化X射線檢測(digital radiography，DR)的方式顯示焊接缺陷，如圖2所示。

圖2 電熔焊接缺陷DR圖

1.2 熱熔和電熔接頭的力學(xué)試驗(yàn)

通過對已知缺陷的力學(xué)性能分析，可以得出不同類型的缺陷對于焊接接頭力學(xué)性能的影響，從而指導(dǎo)焊接過程，為管系的安全運(yùn)行提供保障。聚乙烯熱熔和電熔焊接接頭的工藝評定采用拉伸和壓扁試驗(yàn)驗(yàn)證焊接接頭的焊接質(zhì)量，缺陷對焊接接頭的影響，最終體現(xiàn)為焊接接頭的力學(xué)性能。

對于熱熔焊接接頭，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19810—2005《熱熔對接的拉伸強(qiáng)度和環(huán)形破壞》進(jìn)行試驗(yàn)。采用JJ-TEST萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，同時(shí)得出拉伸試驗(yàn)曲線。將聚乙烯管道熱熔對接接頭經(jīng)過切割沖孔加工成啞鈴形試樣，如圖3所示，以恒定的速度對待拉伸試樣施加拉力。當(dāng)拉伸試驗(yàn)機(jī)對待拉伸試樣施加一定的拉應(yīng)力時(shí)，熔接部位的不連續(xù)處存在應(yīng)力集中，最終在熔接接頭附近發(fā)生斷裂。通過分析接頭破壞形式和拉應(yīng)力強(qiáng)度對焊接接頭質(zhì)量進(jìn)行評判。以恒定速度(5 mm/min)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并記錄拉伸過程中試樣所承受的拉力，拉伸試驗(yàn)如圖4所示。

圖3 拉伸試樣型號3

圖4 熱熔接頭拉伸試驗(yàn)

對于電熔焊接頭，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19806—2005《塑料管材和管件 聚乙烯電熔組件的擠壓剝離試驗(yàn)》進(jìn)行試驗(yàn)，采用JJ-TEST萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓扁試驗(yàn)，將管道沿軸線切開，上下壓頭緊挨電熔套根部，在外力作用下管子與管件熔合面被剝離，圖5為電熔焊接頭壓扁過程。

圖5 電熔接頭壓扁試驗(yàn)

2 結(jié)果與討論

2.1 含缺陷熱熔焊接接頭力學(xué)性能分析

為了驗(yàn)證不同焊接缺陷對焊接接頭的影響，制備了正常工藝參數(shù)的焊接接頭作為參照對象。

圖6為正常焊接工藝參數(shù)的熱熔接頭拉伸曲線，斷裂應(yīng)力為22.92 MPa，圖7為過焊接頭拉伸曲線，斷裂應(yīng)力為15.76 MPa。過焊試樣是焊接壓力為正常焊接壓力的兩倍，由于壓力過大，部分參與焊接的熔融聚乙烯母材被擠出，從宏觀上看翻邊高度和寬度比正常焊接工藝參數(shù)下的翻邊高度和寬度大，過焊焊縫熔合區(qū)寬度較正常焊縫熔合區(qū)寬度小，因此其斷裂應(yīng)力較正常焊接時(shí)的斷裂應(yīng)力小，僅改變焊接壓力時(shí)，過焊焊縫斷裂應(yīng)力僅為正常焊接時(shí)的68.7%，若同時(shí)改變其它焊接工藝參數(shù)，對焊接頭的強(qiáng)度影響更大，故過焊對接頭的性能有較大影響。

圖6 正常焊接接頭拉伸曲線

圖7 過焊焊接接頭拉伸曲線

圖8為冷焊接頭拉伸曲線，斷裂應(yīng)力為2.12 MPa，為正常焊接斷裂應(yīng)力的9%。冷焊接頭由于熱輸入量不足，從宏觀上看翻邊高度和寬度比正常焊接工藝參數(shù)下的接頭翻邊高度和寬度都小，焊縫兩端面分子間纏繞不足或數(shù)量不夠，造成假連接，冷焊接頭的分子鏈會(huì)隨著服役過程逐漸解鏈，當(dāng)解鏈達(dá)到一定程度就會(huì)在焊接接頭處發(fā)生開裂，導(dǎo)致燃?xì)庑孤M(jìn)而引發(fā)火災(zāi)、爆炸等次生災(zāi)害[4]。因此冷焊缺陷的存在，是整個(gè)燃?xì)夤艿垒斉湎到y(tǒng)的“不定時(shí)炸彈”，是最危險(xiǎn)的焊接缺陷之一。

圖8 冷焊焊接接頭拉伸曲線

圖9為氧化皮未去除熱熔接頭拉伸曲線，斷裂應(yīng)力為0.09 MPa，為正常焊接斷裂應(yīng)力的0.4%。氧化皮未去除，在熱熔焊接的加壓階段，熔化的兩端面間存在氧化層屏障阻礙兩端面分子鏈相互纏繞，導(dǎo)致分子鏈擴(kuò)散受阻，無法充分纏繞。宏觀上表現(xiàn)為由于氧化皮的存在，翻邊不均勻。從力學(xué)性能參數(shù)分析可知，氧化皮未去除也是熱熔焊接接頭最危險(xiǎn)的焊接缺陷之一。

圖9 氧化皮未去除拉伸曲線

2.2 含缺陷電熔焊接接頭力學(xué)性能分析

對于電熔焊接頭的強(qiáng)度是否能夠滿足使用要求，通常參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19808—2005進(jìn)行試驗(yàn)。采用在去除氧化皮的正常電熔焊接接頭作為對比試樣，采用JJ-TEST萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓扁剝離試驗(yàn)，其試驗(yàn)過程為在電熔管件承口旁，用100 mm/min 的速度施加壓縮力，直到管材內(nèi)壁彼此接觸，用工具小心地將電熔承口管件與管材分離。檢查試樣并記錄破壞形式(如管材破壞或管件破壞，在線圈之間或在熔合面破壞)，通過剝離時(shí)的最大壓縮力來評價(jià)PE管材與管件的熔接質(zhì)量。

圖10為正常焊接工藝參數(shù)下的電熔焊接頭壓扁曲線，最大壓縮力為21.46 kN，圖11為電阻絲錯(cuò)位壓扁曲線，最大壓縮力為18.05 kN，由于管材運(yùn)輸安裝時(shí)端部受磕碰等原因，圓整度較差，組對時(shí)與電熔套無法很好的貼合，強(qiáng)力組對導(dǎo)致電熔套內(nèi)電阻絲錯(cuò)位，加熱時(shí)局部無電阻絲，而導(dǎo)致母材未熔化，使得有效連接面積減少，造成電熔套內(nèi)套筒母材與管子母材結(jié)構(gòu)不連續(xù)，嚴(yán)重時(shí)形成空腔，造成焊接接頭連接強(qiáng)度下降；圖12為氧化皮未去除接頭壓扁曲線，氧化皮未去除最大壓縮力為12.24 kN，在電熔焊接時(shí)，電阻絲加熱電熔套母材及管材使其熔化，分子鏈相互纏繞達(dá)到連接的目的，由于氧化皮的存在，阻礙了電熔套母材與管材的相互擴(kuò)散，致使分子鏈無法進(jìn)入雙方熔體，使得分子鏈纏繞數(shù)量不足或者纏繞不充分，因此氧化皮未去除對于電熔接頭的力學(xué)性能有較大影響。

圖10 正常電熔焊接壓扁曲線

圖11 電阻絲錯(cuò)位壓扁曲線

圖12 氧化皮未去壓扁曲線

2.3 典型缺陷對焊接接頭的影響機(jī)理

通過拉伸試驗(yàn)和壓扁試驗(yàn)，表明氧化皮未去除對焊接接頭的強(qiáng)度產(chǎn)生了較大影響，為研究其影響機(jī)理，對去除氧化皮的端面和未去除氧化皮端面進(jìn)行SEM測試。如圖13所示，結(jié)果表明，未去氧化皮端面存在熱氧老化的硬質(zhì)斑塊、機(jī)械劃傷等，在加熱融化時(shí)，高熔點(diǎn)的硬質(zhì)斑塊阻礙了已經(jīng)熔化的聚乙烯料相互纏結(jié)、擴(kuò)散，無法形成大分子鏈，使得兩端母材無法充分熔融纏結(jié)為一體。聚乙烯母材為大分子鏈，分子間作用力弱，加熱時(shí)易滑動(dòng)，流動(dòng)性好，同時(shí)聚乙烯易被光、熱氧化、臭氧分解，經(jīng)過氧化的聚乙烯分子鏈易交聯(lián)、斷鏈[5-6]，流動(dòng)性差，使得接頭分子鏈無法充分纏結(jié)，故氧化皮的存在嚴(yán)重影響接頭的強(qiáng)度。

圖13 聚乙烯管材端面SEM測試圖

對去除氧化皮和未去氧化皮的管材端面進(jìn)行EDS元素成分分析，圖14為噴金處理的含氧化皮與不含氧化皮EDS元素分析。從圖可以看出，含有氧化皮的聚乙烯材料表面有大量的氧，這是由于管材露天存放較長時(shí)間后，吸收紫外線、受熱等因素影響，發(fā)生斷鏈、交聯(lián)等從而發(fā)生降解，聚乙烯分子鏈?zhǔn)軣岙a(chǎn)生的游離自由基與氧反應(yīng)產(chǎn)生過氧化物，過氧化物為中間體，該類中間體受熱能夠生成新的自由基，又可以與聚合物鏈結(jié)合進(jìn)而引發(fā)系列反應(yīng)，生成羥基含氧基團(tuán)，因此含氧化皮的聚乙烯管材端面存在大量的O元素。

圖14 聚乙烯管材端面EDS測試圖

3 結(jié)論

(1)通過力學(xué)性能分析，影響聚乙烯焊接接頭性能的主要缺陷是過焊、冷焊、氧化皮未去除、電阻絲錯(cuò)位，含過焊缺陷的接頭斷裂應(yīng)力為正常焊接接頭的68%，冷焊斷裂應(yīng)力僅為正常焊接接頭的9%，氧化皮未去除缺陷影響最大，斷裂應(yīng)力僅為正常接頭的0.4%。

(2)通過SEM和EDS分析結(jié)果表明，熱氧老化的硬質(zhì)斑塊和機(jī)械劃傷阻礙了聚乙烯母材大分子鏈的擴(kuò)散，使得接頭性能嚴(yán)重下降；在紫外線、光、熱等綜合作用下，管材分子鏈易交聯(lián)、斷鏈，流動(dòng)性差，氧與聚乙烯表面分子鏈發(fā)生反應(yīng)，形成大量羥基自由基團(tuán)。