一种确定聚乙烯电熔焊接时间的新方法

《焊接技术》-2019年第6期 Welding Technology Vol．48 No．6 Jun. 2019 一 种 确 定 聚 乙 烯 电 熔 焊 接 时 间 的 新 方 法 郭伟灿 1，2， 施建峰 3， 唐 萍 1，2， 郑慕林 1，2 （1．浙 江 省 特 种 设 备 检 验 研 究 院， 浙 江 杭 州 310020； 2．浙 江 省 特 种 设 备 安 全 检 测 技 术 研 究 重 点 实 验 室， 浙 江 杭 州 310020； 3．浙江大学， 浙江 杭州 310020） 摘要： 聚乙烯电熔焊接输入热量直接影响焊接界面强度， 对于固定的焊接电压， 焊接时间是决定焊接界面强度的关键参数。 针对现有 确定焊接时间方法存在的问题， 提出了一种确定聚乙烯电熔焊接时间的新方法， 通过超声相控阵方法测量特征线至表面的距离， 确定 管内熔融区深度， 并以此确定聚乙烯电熔焊接时间。 结果表明， 该方法充分考虑到环境温度、 装配间隙、 焊接电压、 电阻丝电阻等各 种偏差， 可保证基本的界面焊接强度， 采用该方法确定的聚乙烯电熔焊接时间值比采用推荐值要准确， 更适应实际工程。 关键词： 聚乙烯； 电熔接头； 焊接时间； 超声相控阵； 特征线 中图分类号： TG44 文献标志码： B 文章编号：1002－025X(2019)06-0037-06 收稿日期： 2019-01-09 基金项目： 国家质检公益性项目 （200810538） 0 序言 聚乙烯电熔焊接是靠金属电阻丝产生热量使管 材和套筒界面的聚乙烯熔融并粘合在一起， 电熔焊 接输入热量直接影响焊接界面强度［1］。 在聚乙烯电熔 焊接过程中， 通常情况下焊接设备输入电压是固定 的， 因此电熔焊接输入热量取决于焊接时间， 电熔 接头强度随焊接通电时间的变化曲线如图 1 所示［2－4］。 研究表明， 开始焊接时包覆在电阻丝周围的聚乙烯 逐渐熔化， 并形成熔融区， 由于熔融区从电阻丝周 边填充至界面需要一段时间， 这段时间接头强度尚 未形成， 称为潜伏期。 潜伏期结束， 管材和套筒之 间的间隙被熔体所填充， 管材外表面的聚乙烯被熔 化， 接头强度逐渐形成。 随着焊接的继续， 熔化材 料体积膨胀， 界面温度升高， 熔体压力增大， 界面 强度也随之提高。 经过一段时间后， 接头强度随时 间的延长变化不大， 趋于稳定， 这段时间称为平台 区。 但随着 焊 接 时 间 的 延 长， 界 面 温 度 继 续 攀 升， 从而使电阻丝附近的聚乙烯材料因温度过高而裂解， 导致焊接界面强度急剧下降。 因此合适的焊接时间 应选择在平台区。 在具体选择焊接时间时， 电熔套 筒生产企业通常根据电熔接头的设计参数 （电阻丝 电阻值、 布线密度、 布线深度、 焊接电压等）， 通过 大量不同时间焊接试样的制作， 根据试样焊接界面 的力学性能试验结果选择合适的焊接时间， 将此作 为焊接时间的推荐值。 这种确定焊接时间的方式不 仅需要大量的焊接试验和力学性能试验， 而且在实 际工程中， 由于现场条件与试验条件不一致， 如环 境温度、 装配间隙、 电压波动、 电阻值误差等， 会导 致实际形成接头强度的焊接时间与工艺试验不一致。 基于此， 本文提出了一种确定聚乙烯电熔焊接 时间的新方法。 通过超声方法测量特征线至表面的 距离， 确定管内熔融层深度， 当达到所需的管内熔 融层深度时切断电流， 从而确定聚乙烯电熔焊接时 间。 该方法充分考虑到环境温度、 装配间隙、 焊接 电压、 电阻丝电阻等各种偏差， 只要管内熔融层深 度到达一定值， 就能保证焊接界面高分子链的扩散 缠结时间， 从而保证基本的界面焊缝强度， 因此采 用该方法确定的聚乙烯电熔焊接时间值比采用推荐 图 1 电熔接头强度随焊接时间的变化曲线 通电时间 接头形成和固化 平台区潜伏期 降 解 电 熔 接 头 强 度 ·工艺与新技术· 37 DOI:10.13846/12-1070/tg.2019.06.011 焊接技术 第 48 卷第 6 期 2019 年 6 月 值要准确， 更能适应实际工程。 1 聚乙烯电熔焊接熔融区尺寸的确定 聚乙烯电熔焊接熔融区尺寸与焊接时间存在一 定的关联。 电熔焊接过程中熔融区的变化如图 2 所 示， 聚乙烯电熔焊接强度主要取决于高分子链的扩 散缠结时间， 这一时间与熔焊区扩展到管材内部的 熔融层深度 d 有着一定的函数对应关系， 这个函数关 系与聚乙烯材料热力学参数、 结构以及环境等因素有 关。 根据焊接界面强度形成机理 ［5－8］， 可知形成焊接 强度所需的最小管内熔融层深度 dmin 为 1．0 mm 左右。 只要到达这一深度， 就能保证焊接界面高分子链的 扩 散 缠 结 时 间 ， 从 而 保 证 基 本 的 界 面 焊 接 强 度 。 为 研 究 管 内 熔 融 层 深 度 d 与 焊 接 时 间 的 关 系， 本文应用传 热 学 理 论， 综 合 考 虑 了 聚 乙 烯 比 热 容、 密度和热导率， 电阻丝与聚乙烯间的接触热导以及 焊机输入功率等因素随温度变化的影响， 建立了聚 乙烯管道电熔接头一维非稳态整体传热模型 ［9－10］。 电 熔接头传热模型如图 3 所示。 考虑到聚乙烯电熔接头的结构对称性、 安装配 合及焊接特点， 对模型做如下假设： （1） 所有物理参数沿轴对称； （2） 管材与电熔套筒的初始装配间隙很小， 可 忽略不计； （3） 管材内表面与电熔套筒外表面传热条件均 为空气自由对流状态。 电熔接头传热微分方程为： 鄣T 鄣t = k ρcp 鄣2T 鄣r2 + 1 r ·鄣T 鄣r鄣 鄣 Ri