热熔焊接具有施工简单、成本低、适用范围广、技术简单易于掌握和连接可靠等优点，在工程建设中得到广泛应用。相关研究表明，聚乙烯 (PE) 管道焊接接头的焊接质量是在多种工艺参数条件作用下的综合结果，各种因素的变化可直接影响管道的使用寿命 。因此，为保证分子链具有良好的扩散条件，塑料件连接部位的温度、熔融厚度、焊接压力等参数值表现得尤为重要。
由于材料的不断发展和应用条件的变化，国内外对 PE 管热熔焊接技术的研究一直在进行，主要研究工艺参数对焊接接头性能的影响因素 [2–7]。当前工艺在实际应用时存在如下问题：一是管道与地面的摩擦程度在每次焊接过程都有所不同，导致拖动压力不确定，进而使焊接压力参数的取值难以确定；二是每次焊接时环境温度不同，使得吸热所需时间不确定，可能造成切换时，管件熔融层厚度未达到热熔对接的要求。两塑料件对接时，穿越界面的分子链数量和穿越深度决定了塑料焊接件的接头强度 [8]，因此假设当熔融层厚度达到合理值时，通过控制位移参数，使熔融厚度挤出段与熔融层厚度之间的比值达到一定量后，可得到高质量的焊接接头，从而有效规避上述问题。据此，笔者从试验研究角度出发，验证上述猜想，并获取合格的熔融厚度挤出段与熔融层厚度之间的比值区间，以期实现一种以位移为焊接工艺参数的新工艺在实际工程中的应用，为后续新型热熔焊接装置的研发提供试验依据。
1 试验部分
1．1 原材料
PE 管材：SDR11，SDR17，江特科技股份有限公司。
1．2 试验设备
(1) 焊接试验设备。
试验所用焊接装置采用自主设计的手动 PE管道热熔焊接机，其试验装置如图 1 所示，可实现焊接过程中加热温度、焊接位移、焊接压力等参数信息的实时显示。设备通过曲柄滑块机构传递焊接过程所需压力，压力传感器 1 安装在夹持导向装置上，监测焊接过程所施压力；压力传感器 2 安装在加热板水平两端，可对加热压力进行显示；位移测量装置与夹具连接，根据夹具移动量可获取管道在对接时挤出的熔融层厚度；温度测量装置安装在加热板顶部，实时监测管道焊接区域的温度。红外探头采用交错式布置，点位分布如图 2 所示，探头沿轴向分别为距离加热板端面 8.2，10.2，12.2，24.2，35.2 mm。
(2) 拉伸试验设备。
微机控制电子万能试验机：CMT5504 型，美特斯工业系统 ( 中国 ) 有限公司。
1．3 试验方案
焊接试验环境控制室内温度为 27℃，空气无流动，选取焊接工艺温度为 215℃。根据 HG／T 4281–2011 塑料焊接工艺规程制备热熔焊接接头。接头性能对溶胶压力要求不高 [9–10]，根据试验所用手动式焊接装置施压机构的自锁特点，施加一定溶胶压力后，材料受热熔化挤出，但夹具不因压力的变化而移动，设备自行泄压，可实现处理端面不平整目的，使熔化的塑料在微弱压力下充分流动。因此试验省去加热阶段人为泄压一环，对各规格管道施加相同溶胶压力，采用材料熔化泄压的方式对管道进行加热。再通过改变焊件对接时的焊接压力，保证其余工艺参数不变的条件下进行试验，利用位移测量装置获取管道在对接时挤出的熔融段长度，得出不同焊接压力下，熔融层的挤出厚度值 ( 即焊接位移值 )。相关参数设置见表 1，表中溶胶压力（P2）与焊接压力（P0）均为焊件截面压强。
1．4 试样制备
根据 GB／T 8804.3 利用机械加工方法，对焊接试验管道接头进行拉伸试样制备。每种工况下的管道接头进行 3 次重复试样制取。考虑到焊接熔环造成的应力集中可能降低试样拉伸力学性能，因此在进行试样制备时去掉焊接熔环，使之与两侧基材等面积，利用砂纸打磨试样加工面至光滑平整，最大程度地减小残余应力和应力集中对接头性能带来的影响。
1．5 性能测试
拉伸性能按照 GB／T 19810–2005 测试，室温，拉伸速率为 50 mm／s。 2 结果与分析
2．1 焊接试验结果分析
(1) 焊接过程压力变化趋势。
4 种规格管道按推荐压力值 (0.15 MPa) 进行试验，管道焊接端面压力变化曲线如图 3 所示。截取焊接过程前 200 s 数据示出。在加热阶段施加相同加热压力后，管道受热熔化进行自主泄压；随加热时间的增加，不同规格的管道在泄压速率上呈现出了明显的差异，表现为管径越大，泄压速率越高；加热阶段后期，4 种管道泄压速率均出现放缓，形成相对平衡的态势，表明此时熔融物的挤出量已逐渐趋于零，端面进行充分吸热；加热结束后，管道进入压焊阶段，并在焊接压力作用下逐渐冷却至室温，焊缝以重结晶的方式结束整个焊接过程。
(2) 场点温度分布规律。
通过温度测量装置，测得加热阶段各场点的温度实时变化过程。图 4 为加热阶段管壁温度变化图。对加热结束时的场点温度进行数据拟合，结果如图 5 所示，管道不同场点温度在加热阶段呈现出近似线性增长的趋势。研究过程中利用德国耐驰公司生产的 DSC200F3 型分析仪对试验材料进行了差示扫描量热 (DSC) 法试验，获取了材料确切的物理性能。测试条件为：样品 (6.4±0.1) mg ；升温速度10℃／min ；氮气流量 50 mL／min ；加热温度 20～300℃。结合 4 种管材温度场和 DSC 试验结果，以熔融温度 (Tpm) 为界限，得出熔融层厚度值 (L)，见表 2。因管道属性不同，各管道实际 L 也有所不同，进一步证明传统工艺下的接头焊接质量，受客观因素影响较大，环境或者材料属性的变化，可能导致管件 L 无法达到热熔对接的要求。
(3) 焊接压力与焊接位移的关系。
图 6 可见，同种管道下的焊接位移随焊接压力的增大而增大，在增长速率上，PE 属于线性非晶态共聚物，加热后的管道存在 3 种不同聚集状态，分别为玻璃态、橡胶态和熔融态 ，管材的弹性系数与抗形变能力随温度的降低而增大，因此焊接位移变化速率随焊接压力的增大而减小。
图 7 为焊接压力与熔融物挤出比例之间的关系，S 为熔融层的挤出厚度值 ( 即焊接位移值 )。
由于熔融层厚度值一定，曲线所表现出来的变化规律与图 6 类似。相同公称直径下的 PE 管道，其在相同焊接压力下的熔融厚度挤出段与熔融层厚度之间比值（S／L）十分接近；而对于不同公称直径下的 PE 管道，同等压力下的 S／L 值存在较大差异。
2．2 拉伸结果分析
主要考察试样拉伸强度、断裂伸长率、断口位置及断裂方式，以此作为评价热熔焊接试验接头性能的依据。以 DN160 SDR17 为例，不同焊接压力下的拉伸应力 – 应变曲线见图 8。通过 4 种规格管材在拉伸试验结果对比分析，整体上可将各试样拉伸应力 - 应变曲线分为 3 种形式，以下分别分析。
第一种 A 型拉伸应力 – 应变曲线。焊接压力在 0.02 MPa 下的接头试样拉伸试验结果如图 9 所示。在低应力且未发生明显的塑性变形情况下，试样在接头焊缝处突然断裂。
由图 10 可见，断口局部区域银纹化，出现明显的脆性断裂特征，表明焊接结果存在缺陷。此类焊接失效原因为焊接压力过小，焊缝位置 PE 高分子链缠绕数较少，无法形成高强度的焊接头。
第二种 B 型拉伸应力 - 应变曲线主要存在于焊接压力 0.07～0.45 MPa 下的管道焊接接头，拉伸历程曲线完整包含了弹性变形、材料屈服、变形扩展、材料强化及试样断裂等系列阶段，如图 11 所示。拉伸过程中，试样于单侧基材处拉伸出现缩颈现象，随后变形逐渐扩展至倒角交界处，最终在拉力作用下，于倒角与焊缝之间基材处发生失效断裂。试样断口形貌的 SEM 照片如图 12 所示，此类断裂形式为试样韧性断裂，表明焊接接头强度大于基材强度。
第三种 C 型拉伸应力 – 应变曲线如图 13 所示。主要存在于焊接压力过大的管道焊接接头。管道在焊接压力为 0.60 MPa 下的接头试样拉伸试验结果。试样断口形貌的 SEM 照片如图 14 所示。断面宏观上呈现大面积白色银纹区域 ( 图 14 中 a 区域 )，中部光滑区域 ( 图 14 中 b 区域 ) 出现解理断裂现象，此现象为典型的脆断特征。在此工况下出现拉伸脆断原因：过高的焊接压力致使接头处溶胶被大量挤出，剩余焊接面熔融物不足以满足强度要求，加之管道熔融冷却过程等同于对管材进行了退火处理，使熔融区內晶粒进行再结晶，提高管材结晶度，同时导致韧性下降，因此当拉伸应力到一定程度后，试样在尚未表现出明显形变的情况下，在焊缝处直接脆断。
2．3 拉伸试验数据处理分析
剔除每组拉伸试验中误差较大的异常值，将试验测定的试样平均断裂伸长率和平均拉伸强度分别
以图 15、图 16 示出。从图中所示数据以及对试验过程的观察发现，焊接压力在 0.07～0.45 MPa 内的试样，其断裂伸长率基本达到 400% 以上，断裂形式为基材拉伸 – 基材断裂，断裂方式为韧性断裂。
根据 GB／T 19810–2005 评价标准做出结论，在0.07～0.45 MPa 焊接压力区间内所制备的热熔焊接头，其性能可满足标准要求。与焊接压力相对应的焊接位移区间和 S／L 值区间由表 3 统计看出，通过控制位移参数，达到一定范围内的 S／L 值可以得到合格的管道热熔焊接头。DN110 SDR 11 管道的合格 S／L 值区间为 36.1%~53.6%，DN110 SDR 17为 34.4%~49.3%，DN160 SDR 11 为 56.4%~80.7%，DN160 SDR 17 为 51.3%~80.8% 。
3结论
选择 8 种不同的焊接压力分别对 4 种规格 PE管道进行焊接，并结合 DSC 试验结果得到相应的熔融层厚度和焊接位移值；最后辅以拉伸试验验证，初步确定出热熔焊接合理的焊接压力区间与 S／L区间 。本次试验旨在找出合理焊接位移范围，以焊接管道的拉伸强度、断裂伸长率、断裂方式和断裂位置来评判焊接管道焊接质量。得到以下结论：
(1) 试验结果证明，溶胶压力对焊接头质量影响不大，利用该焊接设备进行加热阶段自行泄压，也能得到合格的焊接接头。
(2) 焊接压力在 0.07~0.45 MPa 区间内进行热熔焊接可制得合格的焊接头，各规格管道在相同焊接压力下所对应的焊接位移量不同。当 S 一定时，通过控制位移参数，达到一定范围内的 S／L 值，可得到合格的管道热熔焊接头。
