PE管热熔（焊接）粘接缺陷的研究

2015-07-27董守江邱建新温友林周裕昌冯志飞

中国特种设备安全 2015年7期

董守江邱建新温友林周裕昌冯志飞

(北京宝隆特设备检测有限公司北京 101304）

PE管是国际上应用最为成熟的塑料压力管之一，PE管的热熔焊接已大量的应用于建筑工程之中，随着城市化与工业化速度的加快，定将得到更广泛的应用。但是到目前为止对PE管热熔焊接的质量控制还仅限于表面检查和耐压试验作为检验手段，其接头的内部质量无法通过有效的检测方法进行，给管线的安全运行留下隐患。对于PE管的内部质量控制还没有成熟的方法，为攻克这一难关，我们确定先从研究PE管可能存在的焊接缺陷着手，分析其产生原因，可为PE管热熔焊接的内部质量控制做出比较有价值的基础工作。

1 PE管是热熔“焊接”，还是热熔“粘接”

金属焊接是通过加热或加压或两者并用，可以采取添加或不添加填充材料，使工件达到结合的一种加工方法。这个过程实际上是金属被电加热、熔化和冷却的冶金过程，其物理变化是在原子之间进行的。金属焊接的工艺过程是先将需要焊接的母材加工成一定形状的坡口，施焊前将被焊工件组对在一起并留有一定的间隙，通常采用电弧加热的方法，使其坡口区域及填充材料快速加热熔化并快速结晶凝固，同时根据被焊工件的工艺要求，在焊接区域控制适当的冷却速度，通常以自然冷却或保温的方式，从而得到理想的焊接接头，这就是我们所熟悉的金属“焊接”。

PE管所谓的热熔“焊接”与金属焊接在物理意义上是有显著区别的。PE管是高分子聚合物，热熔“焊接”是利用热塑性塑料随温度变化而呈现不同的物态变化，在适当的温度范围，通常是将PE管两端面加热到黏流态（即熔融温度）后停止加热，移去加热装置，在一定的压力下，将接口的黏流态断面充分接触，使聚合物分子之间相互扭结。其工艺过程与金属焊接也有显著的不同，PE管的对接连接，第一不需要开坡口；第二不需要外加填充物料，是PE管自身熔融后在一定的压力下粘接在一起的。由此可见，PE管的所谓热熔“焊接”，实际上应称之为热熔“粘接”。

2 PE管热熔（焊接）“粘接”的工艺过程

PE管的热熔（焊接）粘接，主要有三个控制要素：温度、压力和时间。温度指的是PE管材的熔融温度，压力指的是PE管管口的对接压力，时间指的是各个工艺过程实施的时间。

PE管热熔（焊接）粘接主要有四个工艺过程：

1）PE管端口面的制备：PE管对接的端口面要用铣刀铣平，呈现新的母材，并保持不被污染。

2）加热：在一定的压力下，将两个管端面加紧，通过电加热板给PE管加热。

3）撤离电加热板：PE管加热完成之后，迅速撤离电加热板，并在数秒钟内（越快越好），在设定的压力下，将已完成加热的PE管对接。

4）保压硬化：将已完成加热的PE管对接之后，要在保持设定的压力状态下，停留一定的时间，使PE管的对接部位由熔融状态冷却硬化到常态。

上述的每一个工艺过程都必须严格执行，否则将会造成（焊接）粘接缺陷，影响PE管的（焊接）粘接质量。

3 PE管热熔对接接头的断口分析

为了验证PE管热熔对接接头中存在的缺陷，在焊接试验室的条件下，通过改变（焊接）粘接工艺，特意制作了一定数量的试件；通过施工现场，选取了一定数量的试件，并对这些试件，在拉力机上进行了拉断试验，获取了PE管热熔对接接头断口不同的体貌特征。断口特征基本上可分为四类：1）塑性断口；2）韧性断口；3）脆性断口；4）韧、脆性断口，断口的特征通过图片展示如下。

3.1 塑性断口

通过对PE管对接接头的拉断试验，可看到接头断口有很强的延展性，表现出很强的塑性，断口形状如图1所示。

图1 拉断试验的塑性断口形状

3.2 韧性断口

它也可称为非脆性断口，通过对PE管对接接头的拉断试验，，可看到接头断口有一定的柔韧性。断口面凹凸不平，犬牙交错，两组实验都显示出了该特征，第二组主要出现在对接接头的两侧，具体形状如图2所示。

图2 拉断试验的韧性断口形状

3.3 脆性断口

通过对PE管对接接头的拉断试验，可看到接头整整齐齐的断裂，断口呈现平面形状，这就是脆性断口，其特征如图3所示。

图3 拉断试验的脆性断口形状

3.4 韧/脆性断口

通过对PE管对接接头的拉断试验，可以看到断口面有凹凸不平和整齐的断裂的形式，说明接头既有韧性断裂，也有脆性断裂。断口形状如图4所示。

图4 拉断试验的韧/脆性断口形状

4 PE管热熔对接接头中产生的缺陷

PE管目前的（焊接）粘接方法主要有两种：一是热熔（焊接）粘接；二是电熔（焊接）粘接。本试验研究采用的方法是热熔（焊接）粘接。因此只对热熔（焊接）粘接接头中产生的缺陷进行分析。热熔（焊接）粘接的试件如下图所示。

图5 PE管φ100×10（mm）热熔（焊接）粘接试件

一般认为PE管对接接头中可能与金属焊缝中产生的缺陷相同，存在气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等缺陷。但是通过上述的断口分析，可以看出PE管对接接头中出现的缺陷与金属焊缝中出现的缺陷完全不同。

4.1 缺陷进行对比分析

金属焊缝中有气孔，PE管中不存在气孔，这可以通过（焊接）粘接工艺得到说明。PE管的对接接头，是在预制的、光洁的两个PE管端面在熔融状态和压力存在的条件下，粘接在一起的，造不成空气存在的条件，因此不可能产生气孔，由施工现场获取的试样断口，也未见到气孔，从而可以得到证明。

金属焊缝中有夹渣，它是在焊接过程中，残留在焊缝中的焊药皮和焊剂形成的。但是PE管（焊接）粘接过程中不存在这样的物质，如果假定认为PE管在（焊接）粘接过程中有异物进入的话，从概念角度上来讲，也不应称之为夹渣，因为PE管中的“夹渣”可能是在现场施工过程中夹进去的土石块，因此应称之为“夹杂”。这是一个强加的概念，由PE管（焊接）粘接工艺也可以得到说明，在（焊接）粘接过程中，当加热过程完成之后，移除加热板仅数秒钟，管子将在压力下对接，产生夹杂的几率是极其小的。

金属焊缝中有未焊透，PE管对接接头中不可能出现未焊透。因为PE管对接（焊接）粘接时是不开坡口的，因此也不存在坡口间隙问题。众所周知，金属焊缝中的未焊透是产生在坡口间隙中的。PE管对接接头不存在坡口和坡口间隙，所以不可能产生像金属焊缝中的未焊透缺陷。

金属焊缝中有热裂纹和冷裂纹缺陷，PE管对接接头中不可能产生裂纹缺陷。因为PE管的材料是高分子聚合物，具有很强的塑性和弹性，不可能在残余应力作用下产生裂纹缺陷。

金属焊缝中有未熔合缺陷，这种缺陷是焊材溶化后未与母材的坡口面熔合在一起的缺陷。PE管的对接（焊接）粘接接头中有类似这种缺陷，但是这种缺陷在PE管对接接头中不应定义为“未熔合”，而应定义为虚（焊）粘、假（焊）粘。这种缺陷的特征在PE管热熔对接接头的断口分析中，可以清楚的得到证明，虚（焊）粘缺陷对应的是“韧脆性”断口；假（焊）粘缺陷对应的是脆性断口。

PE管对接接头中存在的虚（焊）粘、假（焊）粘缺陷，是对对接接头危害最严重的缺陷，这种缺陷极大的降低了PE管对接接头的强度。

4.2 对接接头的超声波检测探讨

金属焊缝中存在的气孔、夹渣、未焊透、裂纹等缺陷都是与金属材料不同的介质组成的。气孔是由空气形成的；夹渣是由焊药皮或焊剂形成的；未焊透和裂纹是由空气或真空形成的，这些介质的声阻抗远大于金属的声阻抗。当超声波在行进的过程中遇到这些缺陷时都会发生反射，这一现象可由声压反射系数的公式来说明：

式中：r ——声波反射系数；

pr——反射声压；

po——入射声压；

Z1——第一介质的声阻抗；

Z2——第二介质的声阻抗。

由声波反射系数可知，当声波遇到不同介质组成的界面时，如果两种介质的声阻抗不同，声波将被反射，因此我们称这些缺陷为“有反射界面的缺陷”。

PE管接口中存在的虚（焊）粘、假（焊）粘缺陷，属于PE管材质本身结构性缺陷，因为是同类材质，声阻抗相同，所以当超声波在行进的过程中通过这个区域时不会发生反射，这同样可以由声波的反射系数来说明。因为PE管接口中存在的虚（焊）粘、假（焊）粘缺陷，属于PE管材质本身结构性缺陷，不存在不同介质的问题，也就是说上述公式中Z1、Z2的数值是相等的，那么Z2减Z1等于零。因此可以看出当声波通过该区域时不发生声波反射，所以我们又称该类缺陷为“无反射界面的缺陷”。