冷焊缺陷被認(rèn)為是燃?xì)庥镁垡蚁┕艿赖闹匾踩[患之一。帶冷焊缺陷的燃?xì)庥镁垡蚁┕艿罒崛劢宇^在外觀上與正常的接頭沒(méi)有明顯區(qū)別，在管道系統(tǒng)試壓過(guò)程中通常不會(huì)發(fā)生事故，但長(zhǎng)期使用該接頭將影響系統(tǒng)的安全性。目前，射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、超聲相控陣檢測(cè)、紅外熱像檢測(cè)和微波檢測(cè)等方法可以檢測(cè)出聚乙烯燃?xì)夤艿罒崛劢宇^的冷焊缺陷，但對(duì)于冷焊缺陷嚴(yán)重程度的研究較少。研究人員研究了燃?xì)庥镁垡蚁┕艿罒崛酆附咏宇^冷焊缺陷的嚴(yán)重程度與焊接工藝參數(shù)，接頭力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)等因素之間的關(guān)系。

1、 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試樣制備

1.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      單因素的設(shè)計(jì)、實(shí)施與分析較簡(jiǎn)單，但考察多個(gè)試驗(yàn)因素時(shí)，實(shí)施全部試驗(yàn)的工作量較大，并且可能因試驗(yàn)條件的限制而難以進(jìn)行試驗(yàn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法可以利用較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得較準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)正交表安排與分析多因素試驗(yàn)，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析試驗(yàn)結(jié)果。正交設(shè)計(jì)表格是一種運(yùn)用組合數(shù)學(xué)理論構(gòu)造的表格，把各試驗(yàn)點(diǎn)在范圍內(nèi)均勻分散，使試驗(yàn)點(diǎn)具有代表性，且各試驗(yàn)點(diǎn)在范圍內(nèi)分布規(guī)律整齊，有利于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.2 試樣制備

    使用規(guī)格(外徑×厚度)為160mm×9.5mm的聚乙烯管材,采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法制備帶冷焊缺陷的熱熔焊接接頭。研究表明，影響聚乙烯管道熱熔焊接接頭性能的主要因素是加熱板表面溫度θ和吸熱時(shí)間t2。按照TSG D2002—2006《燃?xì)庥镁垡蚁┕艿篮附蛹夹g(shù)規(guī)則》，設(shè)定正常焊接工藝的水平1試樣，取θ=225℃，t2=95s，兩個(gè)因素各取5個(gè)試驗(yàn)水平，其他焊接工藝參數(shù)按正常工藝保持不變，具體為：卷邊高度為1.5mm；焊接壓力為646MPa；卷邊到達(dá)規(guī)定高度的時(shí)間為17s；切換時(shí)間不大于6s；增壓時(shí)間小于7s；冷卻時(shí)間為13s。共制備25個(gè)試樣，試樣制備的具體參數(shù)如表1所示。

2、 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 冷焊程度的影響因素

2.1.1 多頻微波檢測(cè)

      微波檢測(cè)技術(shù)基于微波在介電材料中的傳播特性，被檢介電材料中的不連續(xù)界面會(huì)引起該位置的介電常數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致微波在傳播時(shí)發(fā)生反射、穿透和散射等現(xiàn)象，其反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)發(fā)生干涉，經(jīng)微波探頭接收，根據(jù)微波幅值衰減、相位及頻率等參數(shù)的改變，信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)得到能夠反映接頭缺陷信息的掃描圖像。利用微波的反射回波幅值來(lái)衡量微波的反射損耗，反射回波幅值的單位為dB，微波回波波幅越小，表示微波反射損耗越大。微波檢測(cè)參數(shù)為：頻率為6~14GHz；天線與試樣表面的距離為7mm；x掃查軸寬度設(shè)定為100mm，分辨率設(shè)定為10mm；y步進(jìn)軸長(zhǎng)度設(shè)定為540mm，分辨率設(shè)定為15mm。

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

      以正常焊接工藝下的水平1試樣微波檢測(cè)曲線為評(píng)判線，其微波回波波幅為-12~-10dB，超出該波幅的部分視為冷焊。對(duì)制備的25個(gè)水平試樣進(jìn)行微波檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：以θ為定值，t2為變量，隨著t2的減少，熱熔焊接接頭的焊縫區(qū)微波回波最大幅值呈增大趨勢(shì)，表明熱熔焊接接頭的冷焊程度隨著t2的減少呈增大趨勢(shì)；以t2為定值θ為變量，隨著θ的降低，熱熔焊接接頭的焊縫區(qū)微波回波最大幅值呈增大趨勢(shì)，表明熱熔焊接接頭的冷焊程度隨著θ的降低呈增大趨勢(shì)。

      對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)中冷焊長(zhǎng)度和冷焊占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：隨著t2的減少，水平1~5試樣(θ=225℃)的冷焊長(zhǎng)度和冷焊占比呈增大趨勢(shì)，水平6~10試樣(θ=210℃)的冷焊長(zhǎng)度和冷焊占比呈增大趨勢(shì)，水平11~25試樣均為100%冷焊。

2.2 拉伸強(qiáng)度與破壞方式測(cè)定

2.2.1 拉伸試驗(yàn)

      按照GB/T 19810—2005《聚乙烯(PE)管材和管件熱熔對(duì)接接頭拉伸強(qiáng)度和破壞形式的測(cè)定》，分別在制備的25個(gè)熱熔焊接接頭上取4個(gè)A型試樣，采用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)后試樣的宏觀形貌如圖3所示，試樣均斷裂在焊縫區(qū)，破壞類型為韌性破壞。試樣拉力與位移的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知：開(kāi)始拉伸階段，拉力增大很快，但試樣變形不明顯，屬于彈性變形階段；當(dāng)單側(cè)管材發(fā)生屈服變形時(shí)，拉力達(dá)到最大值，然后出現(xiàn)急速下降趨勢(shì)，試樣出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象；拉力在屈服階段降低至最小值后出現(xiàn)小幅度的升高現(xiàn)象，單側(cè)管材與試樣交界處的變形速率加快，出現(xiàn)薄弱點(diǎn)，并產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；隨著拉力緩慢增大，單側(cè)管材與試樣交界處的變形加劇，試樣很快在該位置斷裂。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

     對(duì)拉伸斷裂時(shí)試樣的最大拉力和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，剔除了其中誤差較大的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：試樣斷裂時(shí)最大拉力為3550~3850N，強(qiáng)度變化較小；拉伸試驗(yàn)時(shí)載荷銷間距離為165mm，斷裂時(shí)位移為80~120mm，塑性變化較大；當(dāng)以θ為定值，t2為變量時(shí)，隨著t2的減少，試樣斷裂時(shí)最大拉力和位移均呈下降趨勢(shì)；當(dāng)以t2為定值，θ為變量時(shí)，隨著θ的降低，試樣斷裂時(shí)最大拉力和位移均呈下降趨勢(shì)。

2.3 斷口分析

2.3.1 聚乙烯微觀結(jié)構(gòu)與銀紋

      聚乙烯是一種部分結(jié)晶性聚合物，其組成可分為結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)，結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)的性質(zhì)及分布對(duì)聚乙烯的性能有很大影響。在結(jié)晶區(qū)內(nèi)，聚乙烯分子鏈在垂直于晶面的方向上反復(fù)折疊，形成片晶。在無(wú)定形區(qū)內(nèi)，存在無(wú)定形分子鏈，除了無(wú)序排列的分子鏈，還存在位錯(cuò)、孔洞等缺陷。聚合物的損傷斷裂是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，分子鏈間的重排、滑移、解纏及斷鏈等過(guò)程會(huì)引發(fā)銀紋和微裂紋，最終導(dǎo)致材料的整體破壞。

2.3.2 掃描電鏡(SEM)分析

      采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)水平1試樣斷口形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：試樣斷口可見(jiàn)明顯的結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)；無(wú)定形區(qū)的系帶分子鏈被拉長(zhǎng)，開(kāi)始解纏結(jié)，在缺陷位置處形成了微孔洞，被拉長(zhǎng)的系帶分子鏈逐漸形成了包圍微孔洞的微纖維，由系帶分子鏈形成的連接銀紋邊界的微纖維被拉長(zhǎng)到一定程度后發(fā)生瞬時(shí)斷裂。

       水平15，25試樣斷口SEM形貌如圖7所示。由圖7可知：水平1，15，25試樣斷口結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)的分子纏結(jié)程度是有差別的，隨著加熱板表面溫度的降低和吸熱時(shí)間的減少，分子纏結(jié)程度呈下降趨勢(shì)。因?yàn)榻宇^焊接熱量不足，熔合不充分，界面層的聚乙烯分子并未充分地?cái)U(kuò)散與纏結(jié)。分子纏結(jié)程度與冷焊嚴(yán)重程度存在正向關(guān)系。

3、 結(jié)論

     (1)隨著加熱板表面溫度的降低和吸熱時(shí)間的減少，熱熔焊接接頭的冷焊程度呈增大趨勢(shì)，冷焊長(zhǎng)度及冷焊占比呈增大趨勢(shì)。

     (2)隨著加熱板表面溫度的降低和吸熱時(shí)間的減少，試樣拉伸斷裂時(shí)的最大拉力和位移呈下降趨勢(shì)，斷裂時(shí)試樣強(qiáng)度變化較小，塑性變化較大。

     (3)熱熔焊接接頭微觀分子纏結(jié)程度與冷焊嚴(yán)重程度存在正向關(guān)系。