PE管热熔焊接兼容性分析

    热熔焊接是焊接部件表面与热板接触热熔后，变成粘滞的流体，将熔融的表面压在一起，聚合物分子在热及压力的作用下运动，相互穿插盘绕，产生范德华作用力，冷却后形成坚固的焊接面，分子之间没有产生化学连接键，焊接强度取决于焊接面之间的相互穿插盘绕程度。如图1所示。

    为了对热熔焊接有更深入的认识，我们首先了解以下理论：

这个理论强调的是相互焊接的两种聚合物之间具有零或近乎零的表面接触能量的重要性。两种完全相同的聚合物相焊接是的情况，如相同牌号的聚乙烯之间的焊接。一些杂质和添加剂或不同牌号则可能会影响焊接质量，依据此理论，选择相同材料的管材进行焊接是的选择。

    两种相容的高分子材料，加热到一定温度，使大分子得到能量和空间。由于分子的热运动，并在得到的外力作用下，强制的彼此流动进行迁移、扩散，相互缠绕，随着温度的下降开始结晶，得到一定的结晶度则达到理想的焊接目的。因此两种材料的相容性越好，则扩散越充分，连接性越好。

    该理论强调了焊接压力的重要性，指出焊接强度随焊接压力的升高而提高，直到焊接强度达到一个曲线的平稳段，几乎不再受压力的影响。

    根据以上理论，可以解释为什么要选择相同或相近的材料进行热熔焊接。由于焊接的机理不同，热熔焊接对管材的要求相对电熔连接更为严格!

    CJJ33-1995中4.1.4亦要求“聚乙烯燃气管道连接宜采用同种牌号、材质的管材和管件。对性能相似的不同牌号、材质的管材和管材与管件之间的连接，应经过试验，判定连接质量能得到保证后。方可进行。”

  影响两种聚乙烯材料焊接兼容性的主要因素是聚合物的分子量分布和分子结构的不同，作为一种表现形式就是熔体流动速率的不同。熔体质量流动速率(MFR)是表征材料在熔融状态时的粘度大小的物理量，是分子平均尺寸和流动性的量度。定义是在190℃和5kg荷载下，按质量计算的聚乙烯流动速率，它是制定焊接工艺的重要依据。以下透过焊接温度及焊接压力，从熔体流动速率的层面对焊接兼容性进行分析。

    根据分子扩散缠绕理论，两种聚乙烯材料热熔焊接时需要具备一定的焊接温度。焊接温度是材料的熔融粘流转化温度，此时，聚乙烯产生熔融流动。大分子相互扩散和缠绕，继而结晶连接，因此聚乙烯热熔焊接温度对焊接兼容性有重要影响。而熔体流动速率是焊接工艺中焊接温度设定的重要参考因素。

    根据PPI(美国塑料管协会plastics pipe institute 1编制的TN-13/2001《general guidelines for butt,saddle，and socket fusion of unlike polyethylene pipes and fittings》，我们可以知道，不同熔体流动速率的材料，设定的焊接温度不同。聚乙烯熔体流动速率在1～4级时，焊接温度一般采用171℃～232℃；熔体流动速率为5级及4级中的一部分材料，焊接温度可以采用232℃～260℃。

    熔体流动速率依据ASTMD 3350的分级情况如表1。

A：190℃，2.16kg  B：190℃，21.6kg

    此外。对于不同材料各项材料耐温指标也不尽相同，例如维卡软化点、熔融温度、热变形温度等。因此当两种熔体流动速率不同的材料焊接时，由于焊接温度要求不同，则要么一方加热温度相对过低，加热不充分而导致材料软化不够，分子扩散和缠结受到影响，焊接兼容性差；要么一方加热温度过高，卷边尺寸增大，聚合物产生热氧化破坏，会导致原料产生降解使得接头强度降低。

    依据流动过程理论，焊接时熔合部位的熔体应建立一定的压力，而这要求熔体有一定的粘度，防止熔体从熔合部位过渡挤出，形成冷焊。而一定温度下的熔体粘度可以通过熔体流动速率来反映。

    对于不同熔体流动速率的材料，在同一压力下，对于熔体流动速率高的材料，则压力相对过低，则焊接连接量过少，熔合面的部分熔膜不能挤出，很难形成尺寸合理的翻边，不利于加热过程中焊接面与热板接触时产生的污染及受空气中氧气、灰尘影响的熔膜层的排出，导致焊接质量不过关：压力相对过大则会使熔料挤出。造成塑料熔体流向焊端的边缘形成焊瘤刺，使熔化层的深度减少，无法形成合理的熔膜厚度，而且会使熔合区域材料的结晶度提高，使焊缝部位抗冲击性下降；在熔膜层过多被挤出的同时，在翻边的根部加剧形成与管壁垂直的分子定向，产生应力集中的力学薄弱点，容易发生破坏，这也被实际经常发生的破坏类型所证实，严重影响焊接质量。要形成良好的焊接，前提必须是适当的卷边高度及

其对称性，据此，良好的焊接理论准则就可以表述为焊区内适当的粘度及其分布的对称性，但是不同熔体流动速率的材料其焊区温度和粘度分布不同(见图2)，为达致此目的，可以通过改变两者的温度分布即加热历史，力求使两者的粘度适当并分布一致，从而获得良好的焊接质量。

    TN-13/2001认为，在相同的热驱动下，不同熔体流动速率的两种材料焊接，要先加热熔融指数高的材料，才会同时达到近乎一致的熔融深度。为了达到不同MFR材料良好的焊接目的，往往对两种被焊材料的加工工艺要求是不同的。熔体流动速率较高的材料可设定较高的温度，而熔体流动速率较低的材料可以通过延长保温时间来获得合适的熔膜厚度，但是这操作起来比较困难，难于保证焊接质量，故此不予以提倡。

    但是当两种材料的熔体流动速率在一定范围内时，试验证明可以达到良好的焊接效果。

    ISO/TR 11647中指出。熔体流动速率O.3g/10min～1.3g/lOmin(190c，5kg)曲的聚乙烯管材之间进行焊接会取得令人满意的效果。

    DVS2207认为：MFR(190℃，5KG)=(O.3～1.7)g/lOmin的聚乙烯都是可焊的。

    GBl5555.1-2003中的要求是原材料熔体质量流动速率应在0.2～1.4g/10min，之间，且偏差不应超过混配料标称值的+20％。

    TSG D2001-2005《燃气用聚乙烯管道焊接技术安全规程》认为：材料的熔体质量流动速率(MFR)差别值不小于0.5g/lOmin(190℃，5kg)，根据以上规范要求，我们建议在实际操作中，依据规范在O.3g/10min～1.3g/10min(190℃，5kg)范围内，且MFR差别值不小于0.5g/10min(190℃，5kg)，并且通常希望相互焊接的聚乙烯管材的MFR位于同一分组内：

0.3g/10min-0.4g/10min(190℃，5kg)

    0.4g/10min-0.65g/lOmin(190℃，5kg)

    0.65g/lOmin-1.15g/10min(190℃，5kg)

1.15g/10mi-1.7g/10min(190℃，5kg)

据此，我们对中密度PE80与PEl00的焊接兼容性加以判定：

    目前，国内较常用的燃气PE80和PEl00管材/管件的原料全部都是进口燃气管道专用混配料：如北欧化工、阿托菲纳、BP苏威、BP(马来西亚)。

    上述PE80原料(除北欧化工HE3470-LS外)全都是中密度PE80管道专用料，熔体流动速率MFR约为0.8g/10min-0.95g/10min(190℃，5kg)，密度约为945kg/m³。上述的PEl00原料全都是高密度管道专用料，熔体流动率约0.3g/10min-0.45g/10min(190℃，5kg)，密度大于950kg/m³。中密度PE80与PEl00、高密度PE80的熔体流动速率大于0.5g/lOmin(190℃，5kg)，且不在同一分组内，故理论上两者焊接存在兼容问题.

事实上，一些国家如法国和英国，并不容许PE80与PEl00管材使用热熔对接相连接，此外，由于PEl00本身熔体质量流动速率较低，对熔困难，欧洲主要燃气公司如英国Transco要求热熔对接必须使用全自动热熔焊机。以保证焊接质量。

    早在90年代初期，就有机构做了焊接兼容性试验，选择材料为：

    (1) 齐鲁石化公司的HDPE DGDB2480黑色管道，尺寸为￠1lOmm×lOmm，熔融指数(190℃,5kg)0.56g/10min；

    (2) 扬子石化公司的HDPE 6100M，黑色管道，尺寸￠130mm×13mm，熔融指数(190℃，5kg)0.31g/10min；

    (3) 比利时的MDPE 3802Y黄色管道，尺寸￠110mm×10mm，熔融指数(190℃，5kg)1.04g/lOmin；试验选择的焊接工艺参数及参照条件为DVS条件—德国焊接学会推荐的聚乙烯管道焊接条件。

    测试结果表明，在DVS条件所推荐的210℃±10℃的焊接温度范围内，管材均取得了大于母材的短时焊接强度。母材的强度较高，焊接接头的强度亦比较高，此外，HDPE DGDB2480与MDPE 3802Y互焊性能也较好，在测试误差的范围内，互焊的焊接强度与焊接双方母体强度较低的一方，即中密度聚乙烯一方基本相当。互焊接头的焊接强度相当于MDPE的母体强度而小于HDPE母体的强度焊接强度大于母材的原因是焊缝区域里的材料聚态结构发生了变化，焊缝区的熔融吸收热量明显高于母体的熔融吸收热量，特别是在焊缝对称截面的附件，材料熔融吸收热量曲线出现值。硬度和强度也(见图3)。这与焊缝附近熔融材料因焊接压力而导致的二维流动有关，二维流动使得材料原有的晶核基础上诱导而产生更多晶核，从而使这个区域内的晶核增高，而在焊缝对称截面上又形成一个较低值，这是由于撤出热板时(切换周期)，材料加热表面突然成为开放面，与空气的热交流和热交换，使这两个表面的温度可下降大约15℃～20℃，从而降低了这个截面上的结晶度。

    另外焊接试件在液氮深冷脆断后经扫描，不但能看出明显的脆断断口的特征，还能看出由于热板焊接时焊接端面上熔融材料二维流动造成的流向，揭示了焊缝区材料结构上的不均匀性。

    由于焊接的聚乙烯管道长时间使用，破坏大多数为脆性破裂，所以焊缝区域材料结构的变化以及短时拉伸强度的增加会给接头的长时间使用性能带来什么影响还有待于进一步试验，目前为安全起见，应尽量避免不同熔体流动速率的材料相焊接的情形。

（1）应尽量避免不同熔体流动速率的材料相焊接的情形。

    （2） 若元法避免，则建议在实际操作中，依据规范要求熔体流动速率应在0.3～1.3g/10min(190℃，5kg)范围内，且MFR差别值不大于0.5g/10min(190℃，5000g)，并且相互焊接的聚乙烯管材的MFR位于同一分组内。

    （3）目前市场上的中密度PE80与PEl00管材存在焊接兼容问题，需引起重视，需加强材料的入库验收管理，应在PE材料的质保书中增加原料牌号和水含量检测报告，以便今后管网营运中做好质量跟踪，提高已使用工程材料追溯的准确性。