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PE管道熱熔焊接工藝參數的實驗

發布:山東輝煌 類目:行業動態 熱點:pe管道,pe管,pe管道熱熔,熱熔焊接 點擊:1133 發布時間:2021-06-03
   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、連接可靠等優點,在工程建設中得到廣泛應用。相關研究说明,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,各種成分的變化可直接影響管道的利用壽命 。因而,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重要。
因为质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在進行,主要研究工藝參數對焊接接頭职能的影響因素 [2–7]。當前工藝在實際應用時存在如下問題:一是管道與大地的摩擦水平在每次焊接過程有所不同,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差异,使得吸熱所需時間不確定,可能酿成切換時,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],以是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,從而灵验規避上述問題。據此,筆者從試驗考究角度出發,驗證上述揣摩,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,為后續新式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。

試驗所用焊接裝置选择自立設計的手動 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 安裝在加熱板程度兩端,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,監測管道焊接區域的溫度。紅外探頭选择交錯式安置,點位漫衍如圖 2 所示,探頭沿軸向為距離加熱板端面 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。接頭职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,施加必定溶膠壓力后,原料受熱溶化擠出,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坦目的,使融解的塑料在微弱壓力下充分流動。是以試驗省去加熱階段人為泄壓一環,對各規格管道施加溶膠壓力,选择原料融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,保證别的工藝參數不變的條件下進行試驗,运用位移測量裝置獲取管道在對接時擠出的熔融段長度,得出分歧焊接壓力下,熔融層的擠出厚度值 「 即焊接位移值 」。相關參數設置見表 1,表中溶膠壓力與焊接壓力為焊件截面壓強。


1.4 試樣制備
根據 GB/T 8804.3 使用機械加工想法,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。考慮焊接熔環酿成的應力集中可以降低試樣拉伸力學性能,于是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,最大水平的減小殘余應力和應力集中對接頭职能帶來的影響。
1.5 性能測試
拉伸职能依照 GB/T 19810–2005 測試,室溫,拉伸速度為 50 mm/s。 2 結果與剖析
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。在加熱階段施加加熱壓力后,管道受熱熔化進行自立泄壓;熱時間的增加,分歧規格的管道在泄壓速度上呈現出了明顯的差異,表現為管徑大,泄壓速率高;加熱階段后期,4 種管道泄壓速度均出現放緩,变成相對平衡的態勢,说明此時熔融物的擠出量已趨于零,端面進行充分吸熱;加熱結束后,管道進入壓焊階段,并在焊接壓力功用下冷至室溫,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。研究過程中使用德國耐馳公司生產的 DSC200F3 型剖析儀對試驗质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。因管道屬性分歧,各管道實際 L 有所不同,進一步證明傳統工藝下的接頭焊接質量,受客觀身分影響較大,環境或者质料屬性的變化,不妨導致管件 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,在增長速度上,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,為玻璃態、橡膠態和熔融態 ,管材的彈性系數與抗形變才能隨溫度的降低而增大,以是焊接位移變化速度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,曲線所表現出來的變化規律與圖 6 類似。公稱直徑下的 PE 管道,其在无别焊接壓力下的熔融厚度擠出段與熔融層厚度之間比值十分接近;而對于差异公稱直徑下的 PE 管道,一概壓力下的 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职能的依據。以 DN160 SDR17 為例,分歧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,整體上可各試樣拉伸應力 - 應變曲線分為 3 種步地,以下分別剖析。

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,試樣在接頭焊縫處忽然斷裂。

由圖 10 可見,斷口局部區域銀紋化,出現明顯的脆性斷裂特性,说明焊接結果存在瑕玷。此類焊接失效原由為焊接壓力過小,焊縫处所 PE 高分子鏈纏繞數少,無法变成高強度的焊接頭。
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、资料屈服、變形擴展、资料強化及試樣斷裂等系列階段,如圖 11 所示。拉伸過程中,試樣于側基材處拉伸出現縮頸現象,變形擴展至倒角交界處,最終在拉力效用下,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 」,中部滑润區域 「 圖 14 中 b 區域 」 出現解理斷裂現象,此現象為表率的脆斷特点。在此工況下出現拉伸脆斷理由:過高的焊接壓力致使接頭處溶膠被大量擠出,残存焊接面熔融物不足以滿足強度要求,加之管道熔融冷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,同時導致韌性着落,因而當拉伸應力到势必水平后,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,試驗測定的試樣均匀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,斷裂形势為基材拉伸 – 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,其职能可滿足標準要求。與焊接壓力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,達到范圍內的 S/L 值不妨得到合格的管道熱熔焊接頭。DN110 SDR 11 管道的及格 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 種分别的焊接壓力對 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;末尾輔以拉伸試驗驗證,开头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、斷裂方式和斷裂场所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,运用該焊接設備進行加熱階段自行泄壓,能得到及格的焊接接頭。
「2」 焊接壓力在 0.07~0.45 MPa 區間內進行熱熔焊接可制得及格的焊接頭,各規格管道在焊接壓力下所對應的焊接位移量差别。當 S 時,通過控制位移參數,達到范圍內的 S/L 值,可得到及格的管道熱熔焊接頭。
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