聚乙烯电熔接头管材熔融区深度与焊接性能关系研究

郭伟灿，胡裕锐，缪存坚，施建峰*

(1. 浙江省特种设备科学研究院，杭州 310020；2. 浙江省特种设备安全检测技术研究重点实验室，杭州 310020；3. 浙江大学化工机械研究所，杭州 310027)

0 前言

电熔焊接是聚乙烯管道连接的主要方式之一。在电熔焊接过程中，电阻丝周围的聚乙烯逐渐熔化并形成熔融区，熔融区向电阻丝内外两侧按一定规律扩张，向内侧扩张的熔融区到达套筒和管材界面后，在温度和压力的共同作用下，表层的聚乙烯高分子链相互扩散渗透进入对方的界面，使原来的套筒和管材界面消失，冷却固化后形成整体电熔接头。研究表明形成接头强度主要取决于套筒和管材界面聚乙烯高分子链的扩散缠结阶段经历的时间[1-2]，这段时间与熔焊区扩展到管材内部的熔融区深度d有着一定的对应关系。管材熔融区深度到达一定值，就能保证焊接界面高分子链的扩散缠结时间，从而保证基本的界面焊接强度[3-5]。

为探索聚乙烯电熔接头管材熔融区深度与接头焊接性能的关系，本文按不同焊接时间焊接一系列接头试样，采用超声相控阵方法来确定聚乙烯电熔接头管材熔融区深度[6-8]，并针对不同熔融区深度的焊接试样开展拉伸剥离试验，以获得熔融区深度与焊接性能的关联规律。在此基础上提出一种以管材熔融区深度确定电熔接头焊接时间的新方法，该方法已充分考虑到环境温度、焊接电压、电阻丝电阻等各种偏差，更能适应实际工程。

1 管材熔融区深度与焊接时间的关系

为研究管材熔融区深度与焊接时间的关系，建立了简化的聚乙烯管道电熔焊接热力学模型，如图1所示[9-10]，考虑聚乙烯电熔接头的材料特性、结构尺寸及焊接参数，为使计算简便，采用了如下假设：

(1)考虑到电阻丝布线的长度大于管道壁厚的5倍，因此针对近中心部位的温度预测，可以假设管道为无限长，热力学模型可简化为沿管壁径向的非稳态一维热传导过程；

(2)电熔套筒和管子之间的空隙很小，可忽略不计；

(3)假设在电熔套筒和管子的不同深度沿圆周方向不存在温度梯度；

(4)电熔套筒外壁和管子内壁的传热条件为空气对流传热条件。

图1 电熔接头的热力学模型示意图Fig.1 Schematic diagram of thermodynamic model for electrofusion joint

电熔接头传热微分方程为：

(1)

式中T——管材内任意一点温度，℃

t——时间，s

r——管材内任一点半径，m

k——聚乙烯导热系数，W/(m·℃)

Cp——聚乙烯比热容，J /(kg·℃)

Ri——管材内径，m

Ro——套筒外径，m

ρ——聚乙烯密度，kg/m3

电熔套筒外壁与管材内壁空气自由对流边界条件为：

(2)

(3)

式中h1——管材内壁的对流换热系数，W/(m2·℃)

h2——电熔套筒外壁的对流换热系数，W/(m2·℃)

T0——环境温度，℃

根据上述传热模型，综合考虑聚乙烯比热容、密度和热导率，电阻丝与聚乙烯间的接触热导以及焊机输入功率等因素随温度变化的影响，可分析计算熔化区的尺寸随时间的变化规律，从而求得管材熔融区深度与焊接时间的关系[9-10]。

图2 电熔接头规格参数Fig.2 The specification of electrofusion joint

焊接电压/V:- - -—30 —35 ●—39.5 — —45图3 不同焊接电压下管材熔融区深度与焊接时间的关系Fig.3 Relationship between the depth of fusion zone and welding time under different welding voltages

以某企业生产的规格为DN90的PE80电熔接头为例，该规格接头是聚乙烯电熔接头中用量较大且较为典型的一种接头，其电熔接头规格参数如图2所示。PE80聚乙烯材料的熔融温度为130 ℃左右，通过该理论模型，针对不同的焊接电压，在其他条件不变的情况下，可以得出管材熔融区深度与焊接时间的关系，如图3所示。以39.5 V的焊接电压为例，当焊接时间达到35 s的时候，熔融区刚到达套筒和管材界面，焊接界面开始熔融，此后随着焊接时间的延长，熔融区向管内扩张，熔融区深度随之增大，如果要求管材内的熔融区深度达到1.0 mm的话，则焊接时间大约为70 s，当焊接时间为焊接工艺设定的110 s时，则管内熔融区深度达到2.1 mm左右。从图3可以判断，管内熔融区深度与熔融区接触管子表面后的焊接时间(界面湿润、高分子链的扩散缠结时间)有一定的对应关系。

2 管材熔融区深度的测量方法及试验研究

1—管材 2—电熔套筒 3—超声探头 4—电阻丝图4 管内熔融区深度的超声检测Fig.4 The ultrasonic inspection of fusion zone in the pipe of electrofusion joint

根据聚乙烯电熔接头超声检测过程的成像图谱分析，在电阻丝附近存在一条平行于电阻丝排布方向的超声信号线[6-8]，其位置就在套筒侧的熔融区边界上。根据这一发现推断在管子侧熔融区边界上应该存在特征线。将相控阵探头放置在管子加工平整的内表面上进行检测，如图4所示，探头方向平行于管子轴线，超声相控阵检测采用电子线扫描方法，聚焦深度设置在熔合面上。图5为内表面检测时焊接电熔接头横截面超声成像图。从图5可以看出，在管子侧熔融区边界上也存在特征线，并且可以通过超声仪器功能软件测得特征线至管子外表面的距离，该距离就是管内熔融区深度。为研究管内熔融区深度与焊接时间、焊接电压之间的关系，针对图2所示DN90 PE80电熔接头，按不同焊接时间加工了12个电熔接头，焊接完成后将接头沿纵截面剖开，并取其上一部分加工成条状试样，将管子内表面加工平整，以保证超声检测界面的声耦合，然后按图4所示方法进行超声相控阵检测，以制造厂推荐的39.5 V焊接电压为例，分别测得各试样在不同焊接时间条件下的管内熔融区深度，并与笔者建立的聚乙烯管道电熔焊接热力学模型数值计算结果进行对比，结果如图6所示。由图6可知，当焊接电压为39.5 V，焊接时间大于等于35 s时，管内熔融区深度与焊接时间基本呈线性关系，试验结果与传热模型计算得到的结果基本符合。

图5 焊接电熔接头横截面超声成像图Fig.5 The ultrasonic imaging on the cross section of electrofusion joint

■—试验结果 ○—模型计算结果图6 不同焊接时间的管内熔融区深度试验值与模型计算值比较Fig.6 Development of fusion zone depth in the pipe with welding time

3 管材熔融区深度与接头性能关系研究

为研究管材熔融区深度与接头性能之间的关系，将前述的每个电熔接头试样的剩余部分加工成2个拉伸剥离试验试样进行试验。拉伸剥离试验可直接剥离焊接界面，将其试验结果中力 - 位移曲线进行积分可以得到拉伸剥离能，可以定量地表征破坏界面所需要的能量，作为评价电熔接头焊接质量好坏的评价依据。不同管材熔融区深度的单位面积剥离能如图7所示。从图7结果分析，当管材熔融区深度为0 mm时，没有形成界面强度，因而拉伸剥离能几乎为零；当管材熔融区深度为0～1.1 mm时，试样单位面积剥离能随着管材熔融区深度增加而增加，管材熔融区深度越大，单位面积剥离能越大；当管材熔融区深度在1.1～2.6 mm范围内，电熔接头的拉伸剥离能变化较为平缓，可视为一平台区域；当管材熔融区深度超过2.6 mm时，电熔接头的拉伸剥离能随着管材熔融区深度的增加反而下降，这表明电阻丝周围的聚乙烯材料温度升高到一定程度后发生裂解，从而使抗破坏能力下降，导致整体剥离能下降。

图7 单位面积剥离能与管材熔融区深度的关系Fig.7 Relationship betweenthe peeling energy and the depth of fusion zone

此外，拉伸剥离破坏后破坏界面的韧性破坏程度可间接说明电熔接头焊接质量好坏。焊接界面剥离后测量破坏面的韧性破坏程度PD[2]，按下式计算。

(4)

式中PD——韧性破坏程度， %

at——失效形态表面的面积百分比， %

dt——接头韧性破坏程度

管材熔融区深度与界面韧性破坏程度的关系如图8所示。管材熔融区深度为0时，拉伸剥离后焊接界面全是脆性破坏，如图8(a)所示；当管材熔融区深度为0.2 mm时，焊接界面的韧性破坏程度约为10 %，如图8(b)所示，当管材熔融区深度增加，韧性破坏程度也随之增加。当管材熔融区深度在1.1～2.6 mm范围内，拉伸剥离后焊接界面70 %以上为韧性破坏，有的甚至完全为韧性破坏，如图8(c)所示。试验数据的统计分析表明，管材熔融区深度与焊接界面粘结性能直接相关，当熔融区深度在1.1～2.6 mm范围，接头强度处于平台区。

(a)完全脆性d=0 mm (b)部分脆性d=0.2 mm(c)完全韧性d=2.1 mm图8 界面韧性破坏程度与管材熔融区深度的关系Fig.8 Relationship between percent ductility and depth of fusion zone

在此基础上，提出一种以超声方法间接测定管内熔融区深度从而确定焊接工艺的新方法：在焊接过程中将相控阵探头放置在电熔套筒表面，如图9所示，仪器的测量功能中可实时显示熔融区外边界和检测界面(电熔套筒外表面)之间的声程(距离)值d3，假设电阻丝两侧的熔融区深度相等，电熔套筒厚度为T，电阻丝埋深为d2，则管内熔融区深度d为

图9 超声方法间接测定管内熔融区深度方法示意图Fig.9 Indirect method for determining the depth of fusion zone in pipe by ultrasonic method

(5)

式中d——管内熔融区深度，mm

T——电熔套筒壁厚，mm

d2——电阻丝埋深，mm

d3——熔融区外界面和检测界面(电熔套筒外表面)之间的声程(距离)值，mm

针对图2所示的电熔接头规格参数，电熔套筒厚度14 mm，电阻丝埋深1 mm，取接头强度处于平台区时管材熔融区深度范围1.1～2.6 mm的中间值1.85 mm作为设定值，根据公式(4)计算d3为10.15 mm，当仪器显示熔融区外边界和检测界面之间的声程值为10.15 mm时，表明材熔融区深度已到达1.85 mm，此时已经形成焊接强度，从而可以切断焊接电流，并以此确定聚乙烯电熔焊接时间。该方法已充分考虑到环境温度、焊接电压、电阻丝电阻等各种偏差，采用该方法确定的聚乙烯电熔焊接时间比根据企业经验获得的时间推荐值要准确，更适应实际工程。

4 结论

(1)建立了聚乙烯管材熔融区深度的超声测量方法，对DN90聚乙烯电熔接头不同焊接时间熔融区深度进行测定试验，并与聚乙烯管道电熔焊接热力学模型数值分析结果进行对比分析，结果表明管内熔融区深度与焊接时间基本呈线性关系，试验结果与传热模型计算得到的结果基本符合；

(2)通过DN90聚乙烯电熔接头不同管材熔融区深度的焊接试样拉伸剥离试验结果分析，当管材熔融区深度在1.1～2.6 mm范围时，电熔接头的拉伸剥离能处在一个比较稳定的平台区，从而用实验方法验证了管材熔融区深度到达一定值，就能保证焊接界面高分子链的扩散缠结时间，从而保证基本的界面焊接强度；

(3)提出了一种在焊接过程中用超声方法确定焊接工艺的新方法，以电熔接头拉伸剥离能处在平台区的管材熔融区深度范围中间值作为设定值，并以此确定聚乙烯电熔焊接时间；采用该方法确定的聚乙烯电熔焊接时间值比根据企业经验获得的时间推荐值要准确，更适应实际工程。