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1、聚乙烯管道热熔对接焊接头性能的分析聚乙烯管道热熔对接焊接头性能的分析聚乙烯管道的焊接方法有热熔对接焊、电熔焊和热熔承插焊等。热熔对接焊作为一种实用的聚乙烯管道连接拄术，以其焊接设备简单、连接费用低、焊接接头牢固以及优异的密封性等，而在工程中被广泛采用1、2。聚乙烯管道热熔对接焊接头的综合性能在很大程度上决定着管道的应用领域，因而，探讨接头的性能对塑料管道的应用开发有着重要的作用。聚乙烯管道在焊接过程中，加热温度高于聚乙烯的熔融温度，同时加热和冷却又是在一定压力下进行的。熔融聚乙烯在压力的作用下，发生的流动、相互扩散与渗透以及内部热量的产生与耗散，使得从连接界面到基材各个不同的区域，依据各自的加
2、热温度及冷却速度不同，而发生了不同的结构转变过程，使得焊接接头在结构性能上是一个非均匀连续体3、4。而且在焊接过程中不可避免地产生一些焊接缺陷，如过热、气孔、错边和未熔合等。因此，有必要对塑料压力管道焊接接头的性能进行综合的研究。本文通过测试聚乙烯管道焊接接头的结晶度及硬度、拉伸强度和冲击强度，实现刘焊接接头性能的综合评价，旨在为聚乙烯管道的应用提供有价值的试验数据，从而椎动聚乙焊管道在我国的广泛应用。1 试验材料丑试验方法试验材料丑试验方法11 度验材料及焊接工艺参数本文试验选用 200 SDR11 燃气用埋地聚乙烯管道5，焊接设备采用自行开发的塑料压力管道热熔对接焊机焊接6，如图 1 所示
3、，其焊接工艺参数如表 1 所示。12 取样方式由于高聚物材料的性能不仅与其组成成分有关，而且与其加工过程有关，因此，本试验试样直接取自管道本身和管道的焊接接头。根据 GB8804188 和 GB8804288 中的规定取样7、8，取样方法为沿塑料管道圆周且平行于轴线均匀取样条，每条取试样一片。从管道上取样条的过程中，不加热，不压扁，样条的取样方向平行于管道轴线。对焊接接头取样时应以焊缝中心为基础，取样位置如图 2 所示。图 1 塑料压力管道热焙对接焊机表 1 聚乙烯管道的焊接工艺参数(200SDR11) 加热板焊接压力预热时间加热时间切换时间压焊时间温度/MPa/s/s/s/min210015
4、2014048图 2 取样位置示意图 13 拉伸试验拉伸试验在室温(25)下进行，拉伸速率为 50mms，测试焊接接头和基材拉伸强度。本文采用三种拉伸试样，第一种试样保留塑料压力管道的焊接熔环，如图 3 所示；第二种试样，考虑到焊缝处的焊接熔环可能降低该处的应力载荷，因此，支掉焊接熔环，使焊缝部位与基材等面积，如图 4 所示；第三种试样，为了评价焊缝区域材料的力学性能，因此，去掉焊接熔环，且将焊接处截面变小，以便直接得到焊缝处的性能，如图 5 所示。三种试样均采用机械加工方式加工7、8。图 3 拉伸试样一图 4 拉伸试样二图 5 拉伸试样三 14 冲击试验冲击试验也是在室温(25)下进行，测试
5、焊接接头和基材冲击强度。本文采用 Charpy 缺口冲击试验来测试焊接接头冲击强度的优劣，缺口开在焊接接头的中心。要据 GBl04379塑料简支梁冲击试验方法中的规定制备试样9，试样尺寸如图 6 所示。图 6 冲击试样 15 结晶度的测量本文采用 X 射线衍射法测量聚乙烯管道焊接接头的结晶度10，设备型号为：CavitzkeyGolaysX 射线衍射仪，管靶为 Cu，管压为 40kV，管流为 100mA。16 硬度的测量本文采用塑料球压痕硬度测量计测量热熔对接头的硬度11，硬度计型号为 P-HBI-98A。测量位置示意图如图 7 所示，即在管壁中部沿轴向测量，测点间距为 1mm25mm。图 7
6、 热熔对接接头硬度测量位冒示意图 2 试验结果与分析试验结果与分析21 结晶度的测量结果与分析聚乙烯热熔对接接头和基材的结晶度见表 2。从表 2 可以看出，焊接接头的结晶度比基材的结晶度高。这主要是由于聚乙烯材料被加热到熔融状态然后在焊接压力的作用下慢慢冷却至室温，相当于聚乙烯材料进行再结晶，因些，结晶度升高，这表明聚乙烯树脂内部的有序程度提高了。表 2 热熔对接接头和基材的结晶度 序号位置结晶度/%1接头84782基材8050结晶性高聚物从熔点以上冷却到熔点与玻璃化转变温度之间的任何一个温度时，都能结晶。在热熔对接焊中，焊接工艺参数对结晶性高聚物的结晶度有较大的影响，影响因素主要有12-14
7、：(1)加势板温度和加热时间：熔休中残存的品核数量和大小与加热温度有关，也影响结晶速度。加热温度越高，即熔融温度越高，如加热时间越长，则残存的晶核少，冷却时主要以均相成核形成晶核，故结晶速度慢，结晶尺寸大；反之，如熔融温度低，加热时间短，则残存晶核多，冷却时会引起界相成核作用，结晶速度快，结晶尺寸小而均匀，有利于提高聚合物的力学性能。(2)焊接压力：焊接压力增加，应力和应变增加，结晶度随之增加，晶体结构、形态、结晶大小等也发生变化。(3)冷却速度：冷却速度(从熔点以上冷却到熔点与玻璃化转变温度的速度)影响聚合物是否能结晶、结晶速度、结晶度、结晶形态和大小等。冷却速度越快，结晶度越小。这也是在低
8、温和有风环境中焊接时必须采取保护措施的主要原因。结晶度对聚合物的性能有较大的影响，随着结晶度的提高，拉伸强度增加，而断裂伸长率及冲击强度趋于下降；密度、熔点、硬度等物理性能也有提高。同时弹性模量也随结晶度的提高而增加。22 硬度的测量结果与分析如图 8 所示，从管道截面的硬度测试结果可以看到，在焊接接头熔融区域内的硬度值，稍高于管材未熔化区域的硬度值。这也说明了由于受热作用的影响，结晶度发生变化，便得该区域的硬度变大，韧性降低，脆性增强。表 3 聚乙烯管道的拉伸试验结果图 8 聚乙烯管道热熔对搔接头硬度分析23 拉伸试验结果与分析从表 3 可以看出，聚乙烯管道热熔对接焊接头的拉仲强度均高于其基
9、材的拉伸强度，且断裂前呈现塑性破坏，如图 9、图 10 和 11 所示。对于拉伸试样 1 和拉仲试样 2 断裂位置均在基材，如图 9 和 10 所示，这也说明了焊缝具有比基材高的拉伸强度。图 9 热熔对接焊拉伸试样 1 的断裂位置图 10 热溶对接焊拉伸试样 2 断裂位置图 11 热熔对拉焊拉伸试样 3 断口24 冲击试验结果与分析从表 4 可以看出，聚乙烯管道热熔对接焊接头的冲击强度均低于其基材的冲击强度。表 4 聚乙烯管道的冲击试验结果 试样状态冲击强度/kJm-2接头基材1423162225 试验结果的综合分析从以上的结果可以看出，聚乙烯管道热熔对接焊焊缝的拉伸强度和硬度均高于墓材的拉伸
10、强度和硬度，而冲击强度比基材低。这主要是在焊按压力的作用下，焊缝附近熔融塑料发生二维流动，使得材料在原有晶核的基础上诱导而产生更多的晶核，从而使这个焊缝区域内的结晶度增加13、15。研究表明，结晶度增加，聚合物的位伸强度和硬度增大，因此，使缝焊的拉伸强度比基材的位伸强度大。而在玻璃化温度以下，结晶度对韧性的影响较大，当结晶度增加时，分子链排列趋紧密，孔隙率下降，材料受到外力后，分子链没有活动的余地，因此，冲击强度降低。另外，高聚物的球晶结构和大小对聚乙烯的冲击强度也有较大的影响。如果在缓慢冷却和退火过程中生成了大球晶的话，那么高聚物的冲十强度就要显著下降。因此，在焊接时应采用合适的加热板温度和
11、加热时间，以及在低温和风大的环境中焊接时采取保护措施，防止冷却速度过快，从而影响焊缝区域的结晶度和球晶尺寸，防止焊接接头在使用过程中产生脆断。3 结论结论(1)热熔对接焊作为一种实用的塑料压力管道连接技术，以其焊接设备简单、连接费用低、焊接接头牢固、能得到高于基材强度的焊接接头、以及优异的密封性等，在工程中被广泛采用。(2)由于聚乙烯材料被加热到熔融状态，然后在焊接压力的作用下慢慢冷却至室温，相当于聚乙烯材料进行了退火处理，使得在熔融区内晶粒进行再结晶，因些，结晶度升高，这表明聚乙烯树脂内部的有序程度提高了。(3)由于热熔对接焊接头中焊缝区域的结晶度高于基材部分的结晶度，使焊缝的拉伸强度和硬度
12、均高于基材，而冲击强度低于基材。(4)高聚物的球晶结构和大小对聚乙烯的冲击强度影响更大。如果在缓慢冷却和退火过程中生成了大球晶的话，那么高聚物的冲击强度就要显著下降。因此，在焊接时应采用合适的加热板温度和加热时间，以及在低温和风大的环境中焊接时采取保护措施，防止冷却速度过快，从而影响焊缝区域的结晶度和球晶尺寸，防止焊接接头在使用过程中产生脆断。参考文献：参考文献：1 ESAULENKO G B，et alStudy of Strength Characteristics of Polythylene But Welded Joints and Developnlent of Testing M
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