HDPE管熱熔焊接溫度場模擬

劉立君+姜婷婷+戴鴻濱

摘要：對于高密度聚乙烯管道的連接，焊接技術是直接影響高密度工程塑料壓力管道安全應用的關鍵環節。而焊接過程中的溫度場分布對焊接質量又有十分重要的影響。通過MARC軟件建立了聚乙烯管道焊接接頭一維非穩態整體傳熱模型，模擬焊接過程中的溫度場及應力場分布，并通過熱電偶溫度自動采集系統對焊接時的溫度場變化進行檢測，并通過模擬結果與實驗進行對比。結果表明，在加熱結束時，管件端面溫度并沒有達到最大值，而是在300s時達到最大值，這表明了在壓焊過程中發生了相變潛熱。在壓焊過程中，管件軸向應力由拉應力逐漸過渡到壓應力。

關鍵詞：高密度聚乙烯管道；熱熔焊接；溫度場；應力場

DOI：10.15938/j.jhust.2017.02.004

中圖分類號： TQ320文獻標志碼： A文章編號： 1007-2683（2017）02-0018-05Simulation of Temperature Field in HDPE Pipe Thermal Welding

Abstract：For high density polyethylene pipe connection， welding technology is the key of the high density engineering plastic pressure pipe safety. And the temperature distribution in the welding process has a very important influence on the welding quality. Polyethylene pipe weld joints of one dimensional unsteady overall heat transfer model is established by MARC software and simulates temperature field and stress field distribution of the welding process， and the thermocouple temperature automatic acquisition system of welding temperature field changes were detected， and compared by simulation and experiment . The results show that， at the end of the heating， the temperature of the pipe does not reach the maximum， but reached the maximum at 300s， which indicates that the latent heat of phase change in the process of pressure welding. In the process of pressure welding， the axial stress of the pipe is gradually changed from tensile stress to compressive stress.

Keywords：high density polyethylene pipe； thermai melt welding； temperature field； stress field

0引言

聚乙烯憑借著其優良的性能正逐漸代替傳統金屬在很多領域都發揮著重要作用。相對于傳統金屬管道，聚乙烯（PE）管道具有耐腐蝕、連接可靠、高韌性、撓性優良、良好的抗刮痕能力、高耐磨性、快速裂紋傳遞抵抗能力優良、優越的水力性能和使用壽命長等優點。但其耐環境應力開裂性能較差，耐高溫性能、力學性能及耐化學性能有時也不能滿足實際使用要求。

熱熔焊作為聚乙烯管道焊接的主要手段，其焊接接頭質量直接影響著整個管道運行系統的安全性。焊接過程中加熱溫度和壓力是影響接頭焊縫質量的重要因素。焊接溫度的高低，加熱壓力的大小均會影響材料焊接時的融合程度。因此，開展管道結構焊接過程應力應變的數值模擬研究，無疑具有重要的學術價值和現實意義。

國內外已有學者對PE管熱熔焊接接頭的溫度場進行模擬。谷侃鋒等人應用熱粘彈性本構有限元來分析塑料熱應力、應變的問題，但并未與實驗進行對比[1]；劉琰等基于Fourier定律，根據牛頓冷卻公式計算焊接時溫度場的邊界條件，利用ANSYS軟件得到接頭的溫度場仿真模型，但只是研究了冷卻階段的溫度變化[2]。

本文主要通過MARC軟件通過熱-力耦合方法模擬焊接過程中的溫度場，得到加熱、切換及加壓階段的溫度場變化，對焊接接頭的溫度場進行有限元分析，并與實驗進行對比。

1HDPE管熱熔焊接溫度場模擬及實驗結果1.1HDPE管熱熔焊接溫度場模擬結果

本實驗采用高密度聚乙烯管PE100，管材直徑200，SDR=17。在焊接過程中要假設：①管材在各徑向均均勻傳熱；②材料的熱物理性能只能是溫度的函數。取長度為100mm，厚度為11.8mm的矩形模型，建模是采用二維4節點實體軸對稱單元plane55，將模型劃分為非均勻網格，在加熱端附近采用細分的網格，模型共25020個節點，22284個單元，有限元模型見圖1。溫度設為210℃，加熱壓力為0.2MPa，環境溫度為28℃，管材沿軸向的溫度分布是管材內部導熱的結果。在計算模型中，空氣與聚乙烯之間的邊界條件為對流換熱邊界條件。焊接時，管內外壁與空氣的對流換熱十分復雜。通過由普朗特準則、雷諾準則、格拉曉夫準則以及努謝爾特準則組成的函數關系式確定對流換熱系數 ，管外對流換熱可認為在無限空間中換熱，管內可認為是夾層換熱的結果。內壁對流換熱系數：α內=0.89W/（m2·℃）[3-4]。

焊接是一個動態的局部熱加載過程， 如何選取材料的熱物理性能參數， 使其較為精確地反映出材料的物理及力學性能與溫度之間的非線性變化關系， 對模擬結果的準確性起決定性的作用[5]。高密度聚乙烯（HDPE）屬于結晶型高分子聚合物材料，其結晶度可達90%以上，屬高結晶材料。高密度聚乙烯的熱物理性能和力學性能隨溫度的變化而變化，其變化見表1和表2。

圖2為HDPE管道焊接過程中180s、300s時的分布云圖。根據云圖分別作出180s、300s的等溫線圖。如圖3所示，可以看出等溫面在軸向方向是均勻向前推進的，溫度逐漸降低，端面溫度最高。180s時的融化層厚度大約1.5mm，300s時融化層厚度約為3.5mm。

1.2HDPE管熱熔焊接溫度場的測量試驗結果

為了測量焊接過程中沿管道軸向的溫度分布，本文在管道外表面距管端面2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm處鉆直徑約為0.5mm深5mm左右的小孔，然后將K型熱電偶線分別埋入這九個位置，焊接時利用溫度巡檢儀檢測并記錄下溫度在焊接過程中的變化。實驗裝置如圖4所示。

通過焊接巡檢儀記錄下的實驗結果作出不同位置在加熱至最高溫時的軸向溫度曲線如圖5所示。通過巡檢儀記錄顯示，當達到最高溫時的時間約為300s。由圖5可以看出，溫度沿軸向呈下降趨勢，近焊縫中心處下降幅度較大，遠端較平緩，這是由于聚乙烯導熱系數隨溫度變化的結果。

2HDPE管熱熔焊溫度場模擬結果與實驗分析圖6為中心點溫度隨時間變化曲線，由圖可以看出，180s加熱結束，管件端面達到熔點131℃。此時進行切換，切換時間為6s，切換結束后，壓焊階段開始了，壓焊時間為12min。300s時PE管端面溫度達到156℃，而后才逐漸降低到周圍空氣的溫度。這是由于在壓焊過程中發生了相變潛熱，這種熱量對焊接溫度場有一定影響，接觸面的溫度由于熱量從深層處傳出而升高。當焊接開始時，管件的端面與加熱板接觸，加熱板的溫度為210℃，接觸面迅速升溫至131℃（聚乙烯熔點約130℃），此時端面開始熔化。端面持續吸收熱量但溫度并沒有升高，熱量沿軸向擴散，管材內部溫度升高達到軟化溫度。瞬間切換后加壓，兩管頭對接。撤去加熱板后，管件的溫度并沒有降低，而是持續升高，300s時，溫度達到最大值156℃，這是由于高密度聚乙烯屬于高分子材料，對接時發生相變，釋放相變潛熱。按照傳熱學的觀點，相變潛熱的釋放相當于強度隨時間、溫度變化的熱源。300s后管材溫度逐漸下降至室溫。

圖7為加熱至180s、300s時，不同位置同一時間的模擬和實驗溫度曲線對比。由圖7可以看出，測量值曲線與理論值曲線趨勢基本一致，驗證了模型的合理性。實驗中軸向溫度下降較快后趨于平穩，模型中軸向溫度下降較平穩。模擬結果與實測值產生差異的原因：高密度聚乙烯的物理參數隨溫度變化，在模擬過程中很難確定固相及熔融相的參數。實際環境下，沿軸向的對流換熱系數不同，而模擬過程中軸向的換熱次數均采用相同設置。

3HDPE熱熔焊應力場的模擬結果

HDPE管在焊接過程中的應力分布無法通過實驗測得，只能通過模擬進行判斷。本文在模擬過程中采用的焊接壓力為0.2MPa。加熱結束后，施加0.2MPa將兩管件壓緊。在加熱過程中，高密度聚乙烯又高彈態像粘流態轉變，壓焊過程中，焊接部分在壓力作用下冷卻，又粘流態轉變為高彈態。焊接過程中，焊縫中心在180s、300s、軸向900s時沿軸向的應力曲線分布如圖8所示。

由圖8可以看出，加熱結束（180s）、最高溫時（300s）及加壓結束后（900s），軸向應力變化的趨勢大致相同。焊縫處受拉應力，沿軸向逐漸過渡到壓應力，在距端面約3mm處應力達到最大值，且在300s處即最高溫時達到最大值。這是由于在300s時融化層為3.5mm左右，融化層因擠壓而溢出形成卷邊，而卷邊邊緣處應力集中造成的。管件軸向應力水平整體較低，300s時應力最大處值為4.6，且沿軸向迅速降至趨近于零。這是由于在壓焊冷卻階段，有一部分熔體會被擠出形成卷邊，沒有參與形成應力。其余的熔體在壓力的作用下冷卻結晶，由粘流態轉變為高彈態，同時釋放結晶潛熱。在壓力作用下結晶會促使高密度聚乙烯分子鏈趨于規則排列，但是結晶時釋放的結晶潛熱又會促使材料的應力松弛。900s時，撤去焊接壓力，但是管件并沒有完全冷卻至室溫，內部分子鏈扔在運動，所以應力并沒有完全消失。

4結論

1）采用MARC軟件測得焊接過程中焊縫溫度場，與實驗測得結果基本吻合。

2）在加熱過程中，管件端面的溫度分布沿軸向均勻推進，呈降低的趨勢。

3）端面溫度在加熱結束時僅略高于熔點，但由于在壓焊過程中發生相變潛熱，撤去加熱板后，隨著管件的擠壓，熱量從內層傳出，溫度會繼續升高，在300s時達到最大值，融化層厚度也逐漸增加。

4）管件焊縫處受拉應力，沿軸向逐漸過渡到壓應力，在距焊縫3mm處應力達到最大值。由于壓焊過程中一部分熔體被擠出，而其余的熔體在壓力作用下冷卻結晶，分子鏈趨于緊密排列，所以聚乙烯熱板焊的軸向應力水平較低。

參 考 文 獻：

[1]谷侃峰. 高密度聚乙烯壓力管道熱板焊接接頭應力場有限元擬[D].天津：天津大學，2003.

[2]劉琰，唐克倫，文華斌，等.PE燃氣管熱熔焊接頭溫度場有限分析[J].四川理工學院學報.2014（2）：，77-81.

[3]唐志玉.塑料模具設計師指南[M].長沙：國防工業出版社，2001：61-65.

[4]李慶玲，楊廣志，李濤.水平圓管在大空間內自然對流換熱的實驗與數值分析[J].蘭州理工大學學報，2003，39（2）：43-46.

[5]LUO X J. Study on Hot Cracking in Heataffected Zone of Nickel-base Super Alloy， Inconel718 by Laser Beam Welding[D] . Hiroshima Japan： Hiroshima University， 1999：9-12.

[6]Z.塔德莫爾，C.G戈戈斯著.聚合物加工原理[M].北京：化學工出版社，1990：86-91.

[7]齊芳娟.高密度聚乙烯管道材料及其焊接接頭抗開裂行為研[D].天津：天津大學，2002：32-35.

[8]SCHMACHTENBERG E， SCHOECHE N. Advances in Calculating Thermally Induced Stresses in Nolinear Viscoelastic Materials[J].Polymer Engineering and Science.1999，39（4）：767-777.

（編輯：關毅）