熱熔（róng）焊接具有施工簡單、成（chéng）本低、適（shì）用範圍廣、技術簡單易於掌握和連接可靠等優點，在工程建設中得（dé）到廣泛應用。相關研究表明，聚乙烯 (PE) 管道焊（hàn）接接頭的焊接質量是在多種工藝參數條件作（zuò）用下的綜合結果，各種因素的變化可直接影（yǐng）響管道（dào）的使用壽命 。因此（cǐ），為保證分（fèn）子鏈具有良好的擴散條件，塑料件連接部位的溫度、熔融厚度、焊（hàn）接壓力等（děng）參數值表現得尤為重要。
由於材料的（de）不斷發展和應用條件的變化，國內外（wài）對 PE 管熱熔焊接技術的研究一直（zhí）在進行，主要研究工藝參數對焊接接頭性能的影響因素 [2–7]。當前工藝（yì）在（zài）實（shí）際應用（yòng）時存在如下問題：一是管道與地麵的摩擦程（chéng）度在（zài）每次焊接過程（chéng）都有所不同（tóng），導致拖（tuō）動壓力不確定，進而使焊接壓力參（cān）數的取值難以確定；二是每次焊接時環境溫度不同，使得吸熱所需時間不確定，可能造成切換時，管件熔融層厚度未達（dá）到熱熔對接的要求（qiú）。兩塑料件對接時，穿越界麵的分子鏈數量和穿（chuān）越深度決（jué）定了塑料（liào）焊接件的接頭強度 [8]，因此假設當熔融層厚度達到合理值時，通過控製位移參數，使熔融厚度（dù）擠出段與熔融層厚度之間的比值達到一定量後，可得到高質量的焊接接頭（tóu），從而有效規避上述問題。據此，筆者從（cóng）試驗（yàn）研究角度出發，驗證上述猜想（xiǎng），並獲取合格的熔融厚度擠出段與（yǔ）熔融層厚度之間的比值區間，以期實現（xiàn）一種（zhǒng）以位移為焊接工藝參數的新工藝在實（shí）際工程中的應用，為（wéi）後續新型熱熔焊接裝置的研發提供試驗依據。
1 試驗部分
1．1 原材料
PE 管材：SDR11，SDR17，江特科技股份有限公司。
1．2 試驗設備
(1) 焊接試驗設備。
試驗所用焊接裝置采用自主設計的手動 PE管道熱（rè）熔焊接機，其試驗裝置如圖 1 所示，可實現焊接過程中加（jiā）熱溫度、焊接位移、焊接壓力等參數信息的實時顯示。設備通（tōng）過曲柄滑塊機（jī）構傳遞焊接過程所需壓力，壓力傳（chuán）感器 1 安裝在夾持導向裝置（zhì）上，監測焊接過程所施壓力；壓（yā）力傳感器 2 安裝在加熱板水平兩端，可對（duì）加熱壓力進行顯示；位移測量（liàng）裝（zhuāng）置與夾具連接，根（gēn）據夾具移動量可獲取管道在對接（jiē）時擠出的熔融層厚度；溫度測量裝置安（ān）裝在加熱板頂部，實時監測管道焊接區域（yù）的溫度。紅外（wài）探頭（tóu）采用交錯（cuò）式布置，點位分布如圖 2 所示，探頭沿軸向分別為距（jù）離加熱板端麵 8.2，10.2，12.2，24.2，35.2 mm。
(2) 拉（lā）伸（shēn）試驗（yàn）設備。
微機控（kòng）製電子萬能（néng）試驗機：CMT5504 型，美（měi）特斯工業（yè）係統 ( 中國（guó） ) 有限公司。
1．3 試驗方案
焊接試驗（yàn）環境控（kòng）製室內溫度（dù）為 27℃，空氣無（wú）流動（dòng），選取焊接工藝溫度為 215℃。根據 HG／T 4281–2011 塑料焊接工藝規程製（zhì）備熱熔焊接接頭。接頭性（xìng）能對溶（róng）膠（jiāo）壓力要求不高 [9–10]，根據試驗所用手動式焊接裝置施壓機構的（de）自鎖特點，施加（jiā）一定溶膠壓力後，材料受熱熔化擠出，但夾（jiá）具不（bú）因壓（yā）力的變（biàn）化（huà）而移動（dòng），設備自行（háng）泄壓，可實現處理端麵不平整目的，使熔（róng）化的塑料在微弱壓力下充分流動。因此試驗省去加熱階段人為泄壓（yā）一環，對各規格管（guǎn）道施加相（xiàng）同溶膠壓力，采（cǎi）用材料熔化泄壓的方式對管道進行加熱。再通過（guò）改變焊件對接時的焊接壓力，保證其餘工藝參數不變的條件下進行試驗，利用（yòng）位移測量裝置（zhì）獲取管道在對接時擠出的（de）熔融段長度，得出不同焊接壓力下，熔融層的擠出厚度值 ( 即焊接位移值 )。相關參數設置見表 1，表中溶膠（jiāo）壓力（P2）與焊接壓力（lì）（P0）均為焊件截麵壓強。
1．4 試樣（yàng）製備
根據 GB／T 8804.3 利用機（jī）械加工（gōng）方法，對焊接試驗管道接頭進行拉伸試樣製備。每種工況下的管道接頭進行 3 次重（chóng）複（fù）試樣製取。考慮到焊接熔環造成的應力集中可能降低試樣拉伸力（lì）學性能（néng），因此在進行試樣（yàng）製（zhì）備時去掉焊接熔環，使之與兩側基材等麵積（jī），利用砂（shā）紙（zhǐ）打磨試樣加工麵至光（guāng）滑平整，最（zuì）大程度（dù）地減小殘餘應力和（hé）應力集中對接頭性能帶來的影響。
1．5 性能（néng）測試
拉伸性能（néng）按照 GB／T 19810–2005 測（cè）試，室溫，拉伸（shēn）速率為 50 mm／s。 2 結（jié）果與分析（xī）
2．1 焊接試驗結（jié）果分析
(1) 焊（hàn）接過程壓力變（biàn）化趨勢。
4 種規格管道按推薦壓力值 (0.15 MPa) 進行（háng）試驗，管道焊（hàn）接端麵壓力變化曲線如（rú）圖 3 所（suǒ）示。截（jié）取焊接過程前 200 s 數據示出。在（zài）加熱階段施加相同加熱壓力後，管道受熱熔化進行自主泄（xiè）壓；隨加熱時間的增加，不同規格的管道在泄壓速（sù）率上呈現出了明顯的差異，表（biǎo）現為管徑越大（dà），泄壓速率越高；加熱階段後（hòu）期，4 種管道（dào）泄壓速率均出現（xiàn）放緩，形成相對平衡的態勢，表明此時熔融（róng）物的（de）擠出量已（yǐ）逐漸趨於零，端麵進（jìn）行充分吸（xī）熱；加熱結束後，管道進入壓焊階（jiē）段，並（bìng）在焊接壓力作用下逐漸冷卻至室溫，焊縫以重結晶的方式結束整個焊接過程（chéng）。
(2) 場點溫度分布規律。
通過溫度測量裝置，測得加熱階段各場點的溫度實時變化過程。圖 4 為加熱階段管壁（bì）溫度變化圖。對加熱結束時的（de）場點溫度進（jìn）行數據擬合，結果（guǒ）如圖 5 所（suǒ）示，管道不同（tóng）場點溫度在加熱階段呈現出近似線性增長的趨勢。研究過程中利用德國耐馳公司（sī）生（shēng）產的 DSC200F3 型分析儀對試驗材料進行了差示掃描量熱 (DSC) 法試驗，獲取了材料確切的物理性能。測試條件為：樣品 (6.4±0.1) mg ；升溫速度10℃／min ；氮氣流（liú）量 50 mL／min ；加熱溫度 20～300℃。結合 4 種管材溫度場和 DSC 試驗結（jié）果，以熔融溫度 (Tpm) 為界限，得（dé）出熔融層厚度值 (L)，見表 2。因管道屬性不同，各管道實際 L 也有所（suǒ）不同，進一步證明傳（chuán）統工（gōng）藝下的接頭焊接質量，受客觀因素影響較（jiào）大，環境或者（zhě）材料屬性的變化，可能導致管件 L 無法達到熱熔對接的要求。
(3) 焊接壓力與焊接位移的關係。
圖 6 可見，同種管道（dào）下的焊接位（wèi）移隨焊接壓力的增（zēng）大而增大，在（zài）增長速率上（shàng），PE 屬（shǔ）於線性非晶態共聚物，加熱後的管道存在 3 種不同聚集狀態，分別為（wéi）玻璃態、橡膠態和熔融態 ，管材的彈性係數與抗形變能力隨溫度的降低而增大，因此焊接位移變化速率隨焊接壓力的增大而減小。
圖 7 為焊接壓（yā）力與熔融物擠出比例之間的關係，S 為熔融層的擠出厚（hòu）度值 ( 即焊接位移值 )。
由於熔融層厚度值一定，曲線所表現出來的變化規律與圖 6 類似。相同公稱直徑下的 PE 管道，其在（zài）相同焊接壓力下的熔融厚度擠出段與熔融層厚度之間（jiān）比值（S／L）十（shí）分接（jiē）近；而對於不同公稱直（zhí）徑下的 PE 管道，同等壓力下的 S／L 值存在較大差異。
2．2 拉伸結果分析（xī）
主要考察試（shì）樣拉伸強度、斷裂伸長率、斷口位（wèi）置（zhì）及（jí）斷裂方（fāng）式，以此作為評價熱熔焊接試驗接頭性能的依據。以 DN160 SDR17 為例，不同焊接壓力下的拉伸（shēn）應力 – 應變曲線見圖 8。通過 4 種規格管材在（zài）拉伸試（shì）驗結果對比分析，整體上可（kě）將各試樣拉伸應力 - 應變曲（qǔ）線（xiàn）分為 3 種形式，以下分（fèn）別分析。
第一種（zhǒng） A 型拉伸應力（lì） – 應變曲線。焊接壓力（lì）在 0.02 MPa 下的接頭試樣拉伸試驗結果如圖 9 所示。在低應力（lì）且未發生明顯（xiǎn）的塑（sù）性變形情況下，試樣在接頭焊縫處突然斷裂。
由（yóu）圖 10 可見，斷口局部區域銀紋化，出（chū）現明顯的脆性斷裂特征，表明焊接結果（guǒ）存在缺陷。此類焊接失效原因（yīn）為焊接壓力過小，焊縫位置 PE 高分（fèn）子鏈纏（chán）繞數較少（shǎo），無法（fǎ）形成高強度的焊接頭。
第二種 B 型拉伸應（yīng）力 - 應變曲線主要存在於焊接壓力 0.07～0.45 MPa 下的管道焊接接（jiē）頭，拉伸曆程曲線（xiàn）完整包含了彈性變形、材料屈服、變形擴展、材料強化及試樣（yàng）斷裂等係列階（jiē）段，如圖 11 所示（shì）。拉伸過程中，試樣於單側基材處（chù）拉伸出現（xiàn）縮頸現象，隨後（hòu）變形逐漸（jiàn）擴展至倒角交（jiāo）界處，最終在拉力作用下，於倒角與焊縫之間基材處發生失效斷裂。試樣斷口形貌的（de） SEM 照（zhào）片如圖 12 所示，此類斷裂形式為（wéi）試樣韌性斷裂，表明焊（hàn）接接頭強度大（dà）於基（jī）材強度。
第三種 C 型拉伸應力 – 應變曲線如圖（tú） 13 所示。主（zhǔ）要存在於焊接壓力過大的管道焊（hàn）接接頭。管（guǎn）道在焊接壓力（lì）為 0.60 MPa 下的接頭試樣拉伸試驗結果。試樣斷口形貌（mào）的 SEM 照片如圖 14 所示。斷麵宏觀（guān）上呈現大麵（miàn）積白色銀紋區域 ( 圖 14 中 a 區域 )，中部光（guāng）滑區域 ( 圖 14 中 b 區域（yù） ) 出（chū）現解理斷裂現象，此現（xiàn）象為典型的脆斷特征。在此工況下出現拉（lā）伸脆斷原因：過高的焊接壓力致使（shǐ）接頭處溶膠被大量擠（jǐ）出，剩餘焊（hàn）接麵熔（róng）融物不足以滿足強度要求，加之管道熔融冷卻過程（chéng）等同（tóng）於對管材進行了退火處理，使熔（róng）融區內晶粒進行再結晶，提高管材結晶度，同時導致韌性下（xià）降，因此（cǐ）當拉伸應力（lì）到一定程（chéng）度後，試樣在尚未表現出明顯形變的情況下，在焊縫處直接脆斷。
2．3 拉伸試驗數據處理分析
剔除每組拉伸試驗中誤差較大的異常值，將試驗測定的（de）試樣平均斷裂伸長（zhǎng）率和平均拉伸強度分別
以圖 15、圖 16 示出。從圖（tú）中（zhōng）所示數據以及對試驗過程的觀察發現，焊接壓力在 0.07～0.45 MPa 內的試樣，其斷裂伸長率（lǜ）基本達到 400% 以上，斷裂形式（shì）為基材拉伸 – 基材斷裂，斷（duàn）裂方（fāng）式為韌性斷裂。
根據 GB／T 19810–2005 評價（jià）標準做出結論，在0.07～0.45 MPa 焊接壓力區（qū）間內（nèi）所製備的熱熔焊接頭，其（qí）性能可滿足標準要求。與焊接壓力（lì）相對應的焊接位移區（qū）間和 S／L 值區間由表 3 統計看出（chū），通（tōng）過控製位移參數，達到一定範圍內（nèi）的（de） S／L 值可以得到合格的管道熱熔焊接頭。DN110 SDR 11 管道的合格 S／L 值區間為（wéi） 36.1%~53.6%，DN110 SDR 17為 34.4%~49.3%，DN160 SDR 11 為（wéi） 56.4%~80.7%，DN160 SDR 17 為 51.3%~80.8% 。
3結論
選（xuǎn）擇（zé） 8 種（zhǒng）不同的焊接（jiē）壓力分別對 4 種規格 PE管道進行焊接，並結合 DSC 試驗結果得到（dào）相應的熔融層厚度和焊接位移（yí）值；最後輔以拉伸試驗驗證，初（chū）步確定出熱熔焊接合理（lǐ）的焊接壓力區間與 S／L區間 。本次試驗旨在找出合理焊接位移範圍，以焊接管道的（de）拉伸強度、斷裂伸（shēn）長率（lǜ）、斷裂方式和斷裂位置（zhì）來評判焊接管道焊接（jiē）質（zhì）量。得到以下結論：
(1) 試驗結果證明，溶膠壓力對焊接頭質量影（yǐng）響不大，利用該焊接設備進行加熱階（jiē）段自行泄壓，也能得到合格的焊接接頭。
(2) 焊接壓力在 0.07~0.45 MPa 區間內進行熱熔（róng）焊接可製得合格的焊接頭，各規格管道在相同焊接壓力下所對應的焊接位移量不同（tóng）。當 S 一定時，通過控製位移參數，達到一（yī）定範圍（wéi）內的 S／L 值，可得到合格的（de）管道熱熔焊接頭。
