熱熔焊接具有施工簡單、成本低、適用范圍廣、技術簡單易于掌握和連接可靠等優點，在工程建設中得到廣泛應用。相關研究表明，聚乙烯 (PE) 管道焊接接頭的焊接質量是在多種工藝參數條件作用下的綜合結果，各種因素的變化可直接影響管道的使用壽命 。因此，為保證分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、焊接壓力等參數值表現得尤為重要。
由于材料的不斷發展和應用條件的變化，國內外對 PE 管熱熔焊接技術的研究一直在進行，主要研究工藝參數對焊接接頭性能的影響因素 [2–7]。當前工藝在實際應用時存在如下問題：一是管道與地面的摩擦程度在每次焊接過程都有所不同，導致拖動壓力不確定，進而使焊接壓力參數的取值難以確定；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到熱熔對接的要求。兩塑料件對接時，穿越界面的分子鏈數量和穿越深度決定了塑料焊接件的接頭強度 [8]，因此假設當熔融層厚度達到合理值時，通過控制位移參數，使熔融厚度擠出段與熔融層厚度之間的比值達到一定量后，可得到高質量的焊接接頭，從而有效規避上述問題。據此，筆者從試驗研究角度出發，驗證上述猜想，并獲取合格的熔融厚度擠出段與熔融層厚度之間的比值區間，以期實現一種以位移為焊接工藝參數的新工藝在實際工程中的應用，為后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管道熱熔焊接機，其試驗裝置如圖 1 所示，可實現焊接過程中加熱溫度、焊接位移、焊接壓力等參數信息的實時顯示。設備通過曲柄滑塊機構傳遞焊接過程所需壓力，壓力傳感器 1 安裝在夾持導向裝置上，監測焊接過程所施壓力；壓力傳感器 2 安裝在加熱板水平兩端，可對加熱壓力進行顯示；位移測量裝置與夾具連接，根據夾具移動量可獲取管道在對接時擠出的熔融層厚度；溫度測量裝置安裝在加熱板頂部，實時監測管道焊接區域的溫度。紅外探頭采用交錯式布置，點位分布如圖 2 所示，探頭沿軸向分別為距離加熱板端面 8.2，10.2，12.2，24.2，35.2 mm。
(2) 拉伸試驗設備。
微機控制電子萬能試驗機：CMT5504 型，美特斯工業系統 ( 中國 ) 有限公司。
1．3 試驗方案
焊接試驗環境控制室內溫度為 27℃，空氣無流動，選取焊接工藝溫度為 215℃。根據 HG／T 4281–2011 塑料焊接工藝規程制備熱熔焊接接頭。接頭性能對溶膠壓力要求不高 [9–10]，根據試驗所用手動式焊接裝置施壓機構的自鎖特點，施加一定溶膠壓力后，材料受熱熔化擠出，但夾具不因壓力的變化而移動，設備自行泄壓，可實現處理端面不平整目的，使熔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一環，對各規格管道施加相同溶膠壓力，采用材料熔化泄壓的方式對管道進行加熱。再通過改變焊件對接時的焊接壓力，保證其余工藝參數不變的條件下進行試驗，利用位移測量裝置獲取管道在對接時擠出的熔融段長度，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，表中溶膠壓力（P2）與焊接壓力（P0）均為焊件截面壓強。
1．4 試樣制備
根據 GB／T 8804.3 利用機械加工方法，對焊接試驗管道接頭進行拉伸試樣制備。每種工況下的管道接頭進行 3 次重復試樣制取?？紤]到焊接熔環造成的應力集中可能降低試樣拉伸力學性能，因此在進行試樣制備時去掉焊接熔環，使之與兩側基材等面積，利用砂紙打磨試樣加工面至光滑平整，最大程度地減小殘余應力和應力集中對接頭性能帶來的影響。
1．5 性能測試
拉伸性能按照 GB／T 19810–2005 測試，室溫，拉伸速率為 50 mm／s。 2 結果與分析
2．1 焊接試驗結果分析
(1) 焊接過程壓力變化趨勢。
4 種規格管道按推薦壓力值 (0.15 MPa) 進行試驗，管道焊接端面壓力變化曲線如圖 3 所示。截取焊接過程前 200 s 數據示出。在加熱階段施加相同加熱壓力后，管道受熱熔化進行自主泄壓；隨加熱時間的增加，不同規格的管道在泄壓速率上呈現出了明顯的差異，表現為管徑越大，泄壓速率越高；加熱階段后期，4 種管道泄壓速率均出現放緩，形成相對平衡的態勢，表明此時熔融物的擠出量已逐漸趨于零，端面進行充分吸熱；加熱結束后，管道進入壓焊階段，并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。
(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 為加熱階段管壁溫度變化圖。對加熱結束時的場點溫度進行數據擬合，結果如圖 5 所示，管道不同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生產的 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 ；氮氣流量 50 mL／min ；加熱溫度 20～300℃。結合 4 種管材溫度場和 DSC 試驗結果，以熔融溫度 (Tpm) 為界限，得出熔融層厚度值 (L)，見表 2。因管道屬性不同，各管道實際 L 也有所不同，進一步證明傳統工藝下的接頭焊接質量，受客觀因素影響較大，環境或者材料屬性的變化，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系。
圖 6 可見，同種管道下的焊接位移隨焊接壓力的增大而增大，在增長速率上，PE 屬于線性非晶態共聚物，加熱后的管道存在 3 種不同聚集狀態，分別為玻璃態、橡膠態和熔融態 ，管材的彈性系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 為焊接壓力與熔融物擠出比例之間的關系，S 為熔融層的擠出厚度值 ( 即焊接位移值 )。
由于熔融層厚度值一定，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，其在相同焊接壓力下的熔融厚度擠出段與熔融層厚度之間比值（S／L）十分接近；而對于不同公稱直徑下的 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
主要考察試樣拉伸強度、斷裂伸長率、斷口位置及斷裂方式，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應力 – 應變曲線見圖 8。通過 4 種規格管材在拉伸試驗結果對比分析，整體上可將各試樣拉伸應力 - 應變曲線分為 3 種形式，以下分別分析。
第一種 A 型拉伸應力 – 應變曲線。焊接壓力在 0.02 MPa 下的接頭試樣拉伸試驗結果如圖 9 所示。在低應力且未發生明顯的塑性變形情況下，試樣在接頭焊縫處突然斷裂。
由圖 10 可見，斷口局部區域銀紋化，出現明顯的脆性斷裂特征，表明焊接結果存在缺陷。此類焊接失效原因為焊接壓力過小，焊縫位置 PE 高分子鏈纏繞數較少，無法形成高強度的焊接頭。
第二種 B 型拉伸應力 - 應變曲線主要存在于焊接壓力 0.07～0.45 MPa 下的管道焊接接頭，拉伸歷程曲線完整包含了彈性變形、材料屈服、變形擴展、材料強化及試樣斷裂等系列階段，如圖 11 所示。拉伸過程中，試樣于單側基材處拉伸出現縮頸現象，隨后變形逐漸擴展至倒角交界處，最終在拉力作用下，于倒角與焊縫之間基材處發生失效斷裂。試樣斷口形貌的 SEM 照片如圖 12 所示，此類斷裂形式為試樣韌性斷裂，表明焊接接頭強度大于基材強度。
第三種 C 型拉伸應力 – 應變曲線如圖 13 所示。主要存在于焊接壓力過大的管道焊接接頭。管道在焊接壓力為 0.60 MPa 下的接頭試樣拉伸試驗結果。試樣斷口形貌的 SEM 照片如圖 14 所示。斷面宏觀上呈現大面積白色銀紋區域 ( 圖 14 中 a 區域 )，中部光滑區域 ( 圖 14 中 b 區域 ) 出現解理斷裂現象，此現象為典型的脆斷特征。在此工況下出現拉伸脆斷原因：過高的焊接壓力致使接頭處溶膠被大量擠出，剩余焊接面熔融物不足以滿足強度要求，加之管道熔融冷卻過程等同于對管材進行了退火處理，使熔融區內晶粒進行再結晶，提高管材結晶度，同時導致韌性下降，因此當拉伸應力到一定程度后，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，將試驗測定的試樣平均斷裂伸長率和平均拉伸強度分別
以圖 15、圖 16 示出。從圖中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，其斷裂伸長率基本達到 400% 以上，斷裂形式為基材拉伸 – 基材斷裂，斷裂方式為韌性斷裂。
根據 GB／T 19810–2005 評價標準做出結論，在0.07～0.45 MPa 焊接壓力區間內所制備的熱熔焊接頭，其性能可滿足標準要求。與焊接壓力相對應的焊接位移區間和 S／L 值區間由表 3 統計看出，通過控制位移參數，達到一定范圍內的 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 36.1%~53.6%，DN110 SDR 17為 34.4%~49.3%，DN160 SDR 11 為 56.4%~80.7%，DN160 SDR 17 為 51.3%~80.8% 。
3結論
選擇 8 種不同的焊接壓力分別對 4 種規格 PE管道進行焊接，并結合 DSC 試驗結果得到相應的熔融層厚度和焊接位移值；最后輔以拉伸試驗驗證，初步確定出熱熔焊接合理的焊接壓力區間與 S／L區間 。本次試驗旨在找出合理焊接位移范圍，以焊接管道的拉伸強度、斷裂伸長率、斷裂方式和斷裂位置來評判焊接管道焊接質量。得到以下結論：
(1) 試驗結果證明，溶膠壓力對焊接頭質量影響不大，利用該焊接設備進行加熱階段自行泄壓，也能得到合格的焊接接頭。
(2) 焊接壓力在 0.07~0.45 MPa 區間內進行熱熔焊接可制得合格的焊接頭，各規格管道在相同焊接壓力下所對應的焊接位移量不同。當 S 一定時，通過控制位移參數，達到一定范圍內的 S／L 值，可得到合格的管道熱熔焊接頭。
