氧化皮對PE管材焊接接頭性能的影響

張國強 孫寶財

(甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州，730050)

聚乙烯(PE)管道由耐開裂的壓力管道專用料制備而成，該專用料全稱為耐快速裂紋增長的壓力管道專用料，采用由共聚合和相對分子質量分布雙峰工藝合成的高密度PE，其具有優良的物理、化學、耐腐蝕性能和優越的經濟性能，逐漸取代了金屬管道，已廣泛應用于城鎮中壓燃氣的輸送中。由于PE管道焊縫接口處的不連續特性，使得管道連接部位成為整個燃氣管網運輸中的薄弱點，大量的工程實踐表明，PE燃氣管道的失效和泄漏主要發生在不連續的焊接接頭處，焊縫和焊接缺陷成為管道失效的主要因素[1-2]。大多數工程應用均要求接頭與母材具有相同的性能，因此，需要掌握氧化皮未去除缺陷對焊接接頭性能產生的影響并分析其原因。

燃氣用PE管道的連接形式主要有熱熔焊接和電熔焊接，其原理為：利用加熱板或電阻絲將管材、管件加熱至熔融狀態，PE分子鏈通過分子間空穴躍遷至另一熔融層的分子間隙中，并與其分子發生纏繞，兩個熔融面中的分子鏈發生擴散、遷移、纏結，隨著溫度下降重新結晶，達到熔接的目的。熱熔及電熔接頭的質量受人為影響因素較大，因此，PE焊接接頭處存在多種不同的缺陷：常見的熱熔焊接缺陷有過焊、冷焊、氧化皮未去、孔洞、夾渣和未焊透等；常見的電熔焊接缺陷有孔洞、過焊、冷焊、氧化皮未去除和電阻絲錯位等[3-6]。《燃氣用聚乙烯管道焊接技術規則》(TSG D2002—2006)規定，熱熔焊接前，必須要用銑削工具進行刨邊以去除管端的氧化皮。對于電熔焊接，同樣要求去除與電熔套筒承接部分的氧化皮，其目的為氧化皮上沾有的油污、水漬等在焊接接頭處易形成焊接缺陷。目前，國內外對于PE管道焊接接頭失效的研究主要包括：a) 冷焊、過焊等工藝缺陷對焊接接頭的影響研究；b) 裂紋擴展失效研究；c) 采用有限元模擬焊接接頭應力分布[7-10]。氧化皮未去除對焊接接頭的影響機理鮮見研究。

下面通過對氧化皮未去除接頭與正常工藝焊制的接頭進行拉伸和壓扁對比試驗，分析了其對焊接接頭性能的影響，并對影響機理進行研究，為PE焊接工藝制定提供了依據。

1 試驗部分

1.1 主要原料及儀器設備

PE管，De110/De63，PE100，甘肅中石油昆侖燃氣有限公司管業分公司。

熱熔焊機，PF315/A，四川塑龍熔接設備有限公司；電熔焊機，BDDR-315W，濟南八達塑管熔接設備公司；萬能試驗機，JJ-TEST，承德市金建檢測儀器有限公司；顯微鏡，Dsx500，日本奧林巴斯株式會社。

1.2 焊接接頭的制備

熱熔焊接接頭按照TSG D2002—2006規定的焊接參數進行焊接，焊前未進行刨邊處理；采用電熔套進行電熔焊接制備電熔焊接接頭，焊前未去除氧化皮。圖1為未去氧化皮的焊接接頭。

1.3 測試與表征

拉伸測試按照GB/T 8804.3—2003進行，拉伸速率6 mm/min，采用拉伸試樣類型3制備試樣，如圖2所示。

壓扁剝離測試按照GB/T 19808—2005進行。

2 結果與討論

通過熱熔及電熔焊接形成的焊接接頭，其性能是否滿足使用要求，可以采用拉伸試驗和壓扁剝離試驗對焊接接頭進行測定。氧化皮未去除對管道的影響，最終體現在力學性能上。

2.1 熱熔焊接接頭拉伸力學性能

氧化皮未去除與正常焊接時，熱熔焊接接頭的最大拉力、最大應力伸長率、拉伸強度、彈性模量、斷裂應力、屈服伸長率如表1所示，拉伸趨勢如圖3所示。

表1 熱熔接頭拉伸性能測試結果

由表1和圖3可以看出，氧化皮未去除時，熱熔焊接接頭的最大拉應力為977 N，最大應力伸長率為2.40%，拉伸強度為3.91 MPa，而經過銑削刨邊去除氧化皮后，熱熔焊接接頭的最大拉應力為6 066 N，最大應力伸長率為12.84%，拉伸強度為24.27 MPa。由此可以看出，氧化皮未去除對熱熔焊接接頭的性能影響較大，大大降低了熱熔焊接接頭的強度，其最大拉力僅為正常熱熔焊接接頭的16.1%。

按照分子擴散纏繞理論，兩相容的高分子材料受熱到一定程度，大分子得到能量和空間，在分子的熱運動及外力的作用下，強制彼此流動遷移、擴散、互相纏繞，分子鏈末端通過接觸面擴散形成自粘合鍵，兩端面表層分子相互擴散，從而形成穩定的焊接接頭。由于氧化皮界面的存在，界面間長鏈分子無法重新重疊及纏繞，不能形成新的大分子鏈，形成的短小分子鏈力學性能急劇下降，從而導致焊接接頭強度大幅降低。

2.2 電熔接頭壓扁力學性能

電熔焊接過程為：通電使電熔套內電阻絲加熱，加熱溫度達到PE熔點時套筒內母材與管材從室溫的高彈態轉變為黏流態，保持一定時間，聚合物充分混合，塑料大分子相互擴散，在熔體的熔融膨脹作用力下，隨著溫度的下降得到一定的結晶度而達到理想焊接的目的[11]。管材電容焊接結果如圖4所示。

由圖4可以看出，氧化皮不去除進行焊接時，管材未熔化。電熔套內電阻絲由于管子端部氧化皮的存在而對管材母體熔化造成障礙，在規范規定的焊接溫度下，未能將高熔點的氧化皮熔化參與電熔套的熔接，此時管材仍處于高彈態，無法與電熔套內處于黏流態的母材進行充分流動，分子間未充分擴散熔合，管子未與電熔套發生熔接[12-14]。

2.3 微觀組織分析

實現PE焊接有2個必要條件：一是使塑料達到熔融流動狀態溫度；二是具有使分子相互擴散并擠出焊縫中氣隙的壓力。圖5為管材端部微觀形貌。

由圖5可以看出，未進行銑削刨邊，管材端面極不平整，存在水分、污物等雜質，切割時產生的劃痕較深，由于PE分子含有少量的醚基和雙鍵，其耐候性能較差，日光照射、雨淋都會加劇老化，以上均為焊接接頭性能下降的主要原因。

通過上述研究發現，氧化皮未去除時，焊接接頭性能下降的機理為：a)由于氧化皮的存在，高熔點氧化皮在規范溫度沒有熔化(若使用較高焊接溫度，易造成焊接區域材料發生嚴重降解)，使得端面在熔融后的熱流動受阻，界面層沒有完全浸潤，分子之間擴散深度不足；b)由于熔合面存在微小雜質顆粒、大量微小氣泡，致使塑料分子鏈纏結不牢，加之端面不平整，使得兩端面熔融后熱流動距離不同，導致分子鏈之間不能形成足夠的擴散和纏結。c)熔接端面存在水分、油污等雜質，焊接過程中熔池內的水分、油污等揮發為氣體在熔池凝固時未及時逸出，使接頭內部結構不連續，削弱了接頭性能。

3 結論

a) 氧化皮未去除對于接頭的力學性能影響較大，熱熔接頭的最大拉應力僅為正常接頭的16.1%；氧化皮未去除電熔接頭壓扁試驗顯示，由于高熔點氧化皮的存在，管材與電熔套母材熔融后熱流動受阻，界面層沒有完全潤濕。

b) 由于焊接端面水分、油污在加熱時氣化，凝固時未及時逸出，造成焊縫內部形成空隙，使接頭內部結構不連續，削弱接頭性能。