聚乙烯/炭黑復合材料電熔焊接研究

王 斌，王振超，何安淇，程德寶，王婭茹，趙曉穎*，項愛民**

（1. 北京工商大學化學與材料工程學院，北京 100048；2. 羅森博格（無錫）管道技術有限公司，江蘇 無錫 214161；3. 中國消防救援學院，北京 102202；4. 河北宇通特種膠管有限公司，河北 衡水 053500；5. 中國五洲工程設計集團有限公司，北京 100053）

0 前言

聚乙烯（PE）管道耐腐蝕性能優良，天生就耐受各種酸堿介質，在地下潮濕工作環境中不受腐蝕性介質的影響，壽命遠遠優于碳素鋼管材，有著鋼質管道無法比擬的優勢［1-3］。現今構建輸送氣、液的管網系統大多都需要PE 管材連接起來，國內外應用實踐的經驗證明：焊接后的PE 管道壽命與焊接前的壽命基本相同。電熔焊接輸送管道，在我國得到了高速發展［4-6］。原始復合材料的性能對電熔焊接后的質量有較大的影響，在PE 樹脂基體中加入炭黑共混增強可以有效地提升管道的應用性能［7-10］。此外，電熔焊接的效果受多種參數的影響。比如，電熔焊接時的電流強度、焊接時間、焊接程序都會影響最終的焊接效果。電流強度過高或焊接時間過長都會造成過焊的現象，使焊接接頭產生缺陷［11-12］。本文首先研究PE 共混炭黑復合材料的加工工藝流程，通過不同的加工工藝制備出效果不同的復合材料；隨后測量不同溫度下電阻絲的電阻，并使用熱電偶儀測量焊接面熔區溫度，進而設計出能使焊區溫度保持在穩定區間的多段式焊接程序；對焊接前后的復合材料進行差示掃描量熱、拉伸剝離等測試，衡量不同模式焊接程序對最終焊接成果的影響，以期探究出能夠良好地應用在實際焊接中電熔焊接工藝。

1 實驗部分

1.1 主要原料

高密度聚乙烯（PE-HD），PN049-030-122，中沙石化有限公司；

炭黑，N330，卡博特（中國）投資有限公司。

1.2 主要設備及儀器

電熔焊機，R3500EI，羅森博格管道技術有限公司；

真空干燥箱，DZG-6050，上海森信實驗儀器有限公司；

差示掃描量熱儀（DSC），Q20，美國TA儀器公司；

電子萬能試驗機，CMT6104，深圳市新三思計量技術有限公司；

偏光顯微鏡（PLM），CBX51，奧林巴斯有限公司；

K 型熱電偶測溫儀，TA612C，蘇州特安斯電子實業有限公司；

型材制樣機，XXZ-II，承德市金建檢測儀器有限公司；

壓片機，XH-406A，錫華檢測儀器有限公司。

1.3 樣品制備

PE/炭黑復合材料的制備：由炭黑母粒與PE-HD共混制成復合材料，將炭黑母粒放入無水乙醇浸泡清洗，洗去其表面的有機雜質，隨后放入真空烘箱機中烘干4 h；按照炭黑2.5 %（質量分數，下同）的含量將炭黑與PE 樹脂基體混合均勻，隨后放入單螺桿擠出機通過2 種不同的加工工藝制備出2 種母粒，具體工藝如表1所示；

制備出的母粒通過壓制成型機壓制成25 mm 長、3 mm 厚的板材，壓制程序流程為將壓機加熱到180 ℃，放入充滿料的模具預熱3 min，壓制成型3 min，隨后水冷8 min 脫模即可，將所得的板材使用切割機切割成150 mm×25 mm×3 mm的實驗板材；

焊接樣品的制備：先將2 塊切割出的150 mm×25 mm×3 mm 的實驗板材用刮刀去除表面氧化皮，然后將其中一塊放入定制模具固定，并在焊接面上布上間隔為1.4 mm 的電阻銅絲，再將另一塊板材壓上固定，對兩板施加一定的壓力，最后將兩端的電阻絲與電熔焊機相連，設置好需要的焊接程序即可開始焊接；

測試樣品的制備：電熔焊接的拉伸剝離試樣按GBT 19808—2005 標準制備，試樣寬度為25 mm，試樣寬度不允許負偏差，最大正偏差為5 mm；同時，為保證拉伸剝離試驗過程中夾持完好及受力均勻，試樣板材部分超出管件承口以外的長度不應小于125 mm；

拉伸測試試樣按GBT 8804.3—2003 標準用機械加工對焊接樣品制備，試樣標線間距離為（50±0.5） mm，平行部分寬度為（10±0.2） mm，試樣厚度為6 mm。

1.4 性能測試與結構表征

拉伸性能按GBT 8804.1—2003測試，設定拉伸速率為50 mm/min，載荷為10 kN，拉伸5 個以上樣條，斷裂伸長率和拉伸強度分別取其平均值；

拉伸剝離性能按電熔接頭拉伸剝離試驗的方法GB/T 19808—2005 測試，拉伸剝離試樣應該在電熔焊接完成 6 h 后進行制樣，所制試樣寬度為 25 mm，設定拉伸速率為50 mm/min，通過測量得到的電熔接頭的脆性剝離百分比（Cc），見式（1），得到接頭的焊接性能（Hc），見式（2）：

式中d——脆性剝離長度，mm

s——金屬絲線的長度，mm

炭黑分散度觀察：用手術刀切割出質量為（0.2±0.1）mg 的薄片放于兩載玻片間，放于熱臺上壓制成20 μm的薄片，在50 ℃/min的加熱速率下加熱到200 ℃，保溫 10 min，自然冷卻至室溫，隨后使用PLM觀察其炭黑分散度；

焊接溫度測試：將2個熱電偶極插入兩焊接板材的空隙中，隨著電熔焊接的開始從測溫軟件中觀察焊接溫度的變化；

電阻測試：測試電阻銅絲的電阻隨溫度的變化，每個溫度下進行5 組實驗，每組實驗將銅絲均分為5 段50 cm長的小段，測試其特定溫度下的電阻，取平均值；

結晶度測試：取5～10 mg焊區樣品放入坩堝，快速升溫至210 ℃，保持3 min以消除熱歷史后以20 ℃/ min的冷卻速率冷卻至50 ℃，保溫3 min；以10 ℃/ min的加熱速率加熱至200 ℃，復合材料的結晶度由式（3）計算［13］：

式中Xc——結晶度，%

ΔHm——熔融晶體時所需的熱焓，J/g

w——共混物中PE的百分含量，%

ΔH100%PE——PE 完全結晶或熔融時的熱焓，取值為287.3 J/g

2 結果與討論

2.1 炭黑分散對PE/炭黑復合材料力學性能的影響

使用2 種不同的加工工藝制備復合材料研究不同加工溫度及螺桿轉速對復合材料性能的影響，工藝1和工藝2 條件下PE/炭黑復合材料的力學性能如表2 所示。可以看出，相對于純PE樹脂基體，在工藝1條件下制備的復合材料的力學性能在加入炭黑后顯著降低，其拉伸強度下降了39.92 %，斷裂伸長率下降了96.15 %，所得復合材料的性能不足以滿足實際應用需要。對復合材料進行微觀觀察［圖1（a）］后發現由于混合不均勻，炭黑在PE 基體樹脂中分散不均勻，出現炭黑聚集、氣泡等現象。

表2 PE/炭黑復合材料的力學性能Tab.2 Mechanical properties of PE/ carbon black composites

圖1 PE/炭黑復合材料的PLM照片Fig.1 Polarization diagram of PE/ carbon black composites

在降低加工溫度及螺桿轉速的工藝2 所制備的復合材料性能研究中可以發現，相比于工藝1 的加工條件，工藝2 制備的復合材料的拉伸強度上升了47.83 %，斷裂伸長率上升了2 073.03 %。將工藝2所制的復合材料母粒在PLM 下觀察［圖1（b）］其炭黑分散均勻，并且沒有氣泡等缺陷存在。因此，在PE/炭黑復合材料中炭黑分散對PE 復合材料的力學性能起到關鍵作用，我國的壓力給水及燃氣管道國家標準中都要求使用混配料即此原因［14］。

2.2 焊接過程中電阻絲電阻隨溫度的變化關系

在電熔焊接過程中電阻絲接觸的焊區的溫度會不斷上升，因此電阻銅絲的溫度并不是恒定不變的。對不同溫度下的電阻銅絲進行電阻測試，發現電熔焊接所用銅絲電阻會隨著加熱溫度的變化而變化。圖2（a）為每50 cm長的電阻絲電阻隨溫度的變化曲線，由圖2（a）可知電阻絲電阻與溫度呈線性關系，對所測數據進行線性回歸分析，發現電阻絲電阻與溫度的關系符合線性方程式，見式（4），結合電流熱公式，見式（5）

圖2 電阻-溫度變化和單段式焊接溫度-時間的變化曲線Fig.2 Relationship between resistance and temperature and temperature-time relationship of electricfusion welding

式中X——溫度，℃

Y——電阻值，mΩ

Q——熱量，J

I——電流強度，A

R——電阻值，Ω

t——時間，min

結合式（4）、（5）可知，恒定電流強度條件下的電熔焊接單位時間下產生的熱量并非恒定不變的，而是隨通電時間增加 ，電阻絲阻值也在隨著溫度的上升而繼續增大，導致焊接的PE/炭黑復合材料熔區溫度加速上升，這個過程中，因此電熔焊接面溫度會產生一個快速的升溫，實際的表現則是在電熔焊接的過程中，伴隨著時間的增加，在焊接末期熔區的溫度將會急劇上升。

使用K 型熱電偶測溫儀對焊接面熔區的溫度進行測試，圖2（b）是單一電流（I=11 A、150 s ）焊接程序下復合材料焊區溫度隨時間的變化曲線，可知電熔焊接過程中焊接區域的溫度隨時間的變化呈非線性關系，其升溫速率呈現先降低后增大的趨勢，究其原因，PE樹脂基體的比熱容較高，雖然與炭黑復合后增加了導熱性，但其導熱性依舊以PE 樹脂基體為主，因此在焊接初期焊區升溫速率降低是PE 樹脂基體吸熱較多導致的，而后期由于電阻絲放出的熱量急劇上升，焊區的溫度也會迅速上升，如圖2（b）所示，且這個升溫速率趨勢會隨著時間的流逝不斷增大，通電時間25 s 時，其升溫速率為10 ℃/s。 通電時間150 s 時其升溫速率達到了20 ℃/s； 若不加以控制過高的溫度會讓PE 分子鏈發生斷裂，易產生過焊、空洞等缺陷，使焊接后的材料力學性能大幅降低。

2.3 多段式焊接程序熔區溫度變化分析

為了避免單程序焊接導致的過焊缺陷，本研究設計了多段式電流強度焊接程序。表3 為本實驗的焊接參數表，圖3為多段式電流強度焊接程序的復合材料焊區的時間-溫度曲線，圖3 中曲線a 為單段式電流（I=11 A、150 s ）焊接程序，曲線b 為兩段式焊接，即初始120 s 焊接時電流強度為11 A，之后將電流強度降為9 A后繼續焊接200 s（11 A、120 s；9 A、200 s）。

表3 焊接參數表Tab.3 Welding parameter table

圖3 電熔焊接溫度-時間變化曲線Fig.3 Temperature-time relationship of electricfusion welding

由圖3 可見，在將電流強度從11 A 切換為9 A 后，熔區溫度呈現緩慢下降的趨勢。因此可以改變焊接過程中的電流強度，設計多段式焊接方式，以使熔區溫度達到動態平衡，實現平穩的焊接溫度，避免出現過焊。圖3 中的曲線c 為設計的三段式焊接程序（11 A、160 s；10.5 A、60 s；10 A、180 s），與曲線b 相比曲線c 代表的焊區達到了更為穩定的溫度平衡，有效促進PE 融化防止過高溫度下分解，達到更好的焊接效果。

2.4 不同電熔焊接程序下PE/炭黑復合材料的力學性能分析

在初始電流強度為13 A的條件下進行單段式焊接程序焊接的力學實驗，首先進行拉伸實驗（斷裂結果如圖4），如圖5 所示，單段式焊接程序電熔焊接復合材料的拉伸強度隨著焊接時間增加而逐漸下降，在焊接時間t=140 s 時，其拉伸強度下降到21.81 MPa；隨后對其進行拉伸剝離實驗可得其焊接性能僅為65.51 %。由此可見，單段式焊接由于溫度過高的過焊而使得拉伸強度和焊接性能下降。

圖4 相同焊接電流不同焊接時間條件下的焊接斷裂圖Fig.4 Welding fracture diagram under the same welding current and different welding time

圖5 相同焊接電流不同焊接時間條件下的焊接面材料拉伸強度Fig.5 Mechanical properties of welding surface with welding time under single-stage welding

此基礎上，在焊接時間為140 s 的條件下進行多段式焊接程序改良，具體焊接參數見表4。對4 組多段式焊接程序焊接后的試樣進行拉伸剝離實驗（剝離面如圖6），實驗結果如表5 所示。由表5 可知，隨著焊接程序的增加，試樣的焊接性能逐漸提升，在D 焊接條件下，經過4 段程序的不斷控溫，即（13 A、80 s；12.5 A、20 s；12 A、20 s；11.5 A、20 s），焊接后試樣的焊接性能已經達到95.60 %，相比于最初的65.51 %已有明顯提升。以上實驗說明在相同焊接時間下，多段式焊接程序能夠有效地避免焊接過程中出現過熱現象，有利于材料力學性能的保持。

表4 多段式焊接程序實驗參數表Tab.4 Experimental parameters of multi-stage welding procedure

圖6 多段式程序拉伸剝離實驗實物圖Fig.6 Multi-stage program tensile stripping experiment

表5 多段式程序拉伸剝離實驗的焊接性能Tab.5 Welding properties of multi-stage welding

2.5 電熔焊接后的復合材料的結晶性能分析

圖7（a）顯示了PE 樹脂基體、PE/炭黑復合材料、焊接后復合材料的結晶度。其中a 為PE 樹脂基體，b為PE/炭黑復合材料，c 為焊接條件（I=13 A、140 s）條件下的焊接后復合材料。由式（3）可計算出a、b、c的結晶度，由圖7（b）可知，PE 樹脂基體的結晶度最好，其次是PE/炭黑復合材料的結晶性能，最差的則是電熔焊接后復合材料。PE/炭黑的二次加熱焊接結晶度下降，這是因為PE 樹脂基體本身的分子結構規整性最好，最容易結晶，因此其結晶度最高；加入炭黑后復合材料的結構規整性降低，炭黑的加入相當于引入雜質，結晶時耗費的能量更高，結晶性能有所下降；焊接后，由于電阻絲不均勻的加熱，使得PE 分子鏈發生不規則降解，同時由于炭黑繼續作為結晶阻礙的存在，PE 分子鏈規整排列所耗費的能量更大，使得其結晶性能進一步下降。由圖7（c）可見，PE/炭黑復合材料及焊接后復合材料的結晶起始溫度和結晶峰明顯向低溫方向移動，同時結晶峰面積增大。這意味著PE/炭黑復合材料和焊接后復合材料的結晶難度增加。這是因為聚合物分子鏈沒有足夠的能量克服成核位壘，形成晶核，聚合物的分子鏈沒有足夠的時間運動形成有序生長進行結晶進而導致結晶在更低的溫度下進行。同時結晶性能的下降也導致了其力學性能的降低，因此焊接后復合材料的拉伸強度最低，如圖7（d）所示。

圖7 PE、PE/炭黑復合材料、電熔焊接后復合材料的熱性能及拉伸強度曲線Fig.7 Thermal properties and tensile strength of PE，PE/carbon black composites and composites after electrofusion welding

3 結論

（1）復合材料的制備工藝流程中擠出機的加工溫度應避免超過240 ℃以上，過高的溫度易造成PE 分子鏈發生斷裂，同時螺桿轉速不宜過快，當螺桿轉速為40 r/min時，可避免復合材料出現炭黑分散不均勻和氣泡等缺陷，分子鏈斷裂以及炭黑分散不均勻的情況都會導致復合材料的力學性能出現顯著下降，不滿足焊接的前置需求，因此復合材料的制備工藝應選擇合適的加工溫度和螺桿轉速，不宜過高和過快，還要考慮環境因素和電阻變化率以及電阻制造公差等影響因素；

（2）通過探究電阻絲阻值與溫度之間的關系規律以及對焊接面熔區溫度進行實時觀測，本研究設計了多段式焊接程序，相比于單段式程序焊接過程中會出現實驗末期溫度急劇上升的情況，多段式焊接程序能夠使熔區溫度保持在一個相對穩定的溫度區間，能夠有效地避免出現過熱、過焊的現象；對焊接試樣進行拉伸剝離實驗可知，多段式焊接程序的焊接性能要優于單段式焊接程序，因此實際焊接中使用多段式焊接程序能有效避免出現過焊缺陷，有利于焊接后力學性能的平穩過渡；

（3）本研究為管道制備工藝給出了可靠的加工范圍參數，發現了電熔焊接單程序焊接程序應用中末期熔區溫度急劇上升的現象，啟發設計了可有效避免過焊的多程序焊接模式，為實際應用中PE 管道電熔焊接提供了具體的、可操作的方法。