新興鑄管股份有限公司 李鐵良 張曉琦
1 前言
鋼塑復(fù)合壓力管（PSP管）是一種新型的金屬與塑料復(fù)合管材，它采用鋼帶輥壓成型為鋼管并進(jìn)行鎢極氬弧對(duì)接焊，采用內(nèi)外均有塑料層，中間為增強(qiáng)焊接鋼管的復(fù)合結(jié)構(gòu)，克服了鋼管存在的易銹蝕、有污染、笨重、使用壽命短和塑料管存在的強(qiáng)度低、線脹量大易變形的缺陷，具有鋼管和塑料管的共同優(yōu)點(diǎn)，如隔氧性好、有較高的剛性和較高的強(qiáng)度，埋地管容易探測(cè)等。近年來(lái)，鋼塑復(fù)合壓力管以其優(yōu)異的性能及價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在城鎮(zhèn)建設(shè)管網(wǎng)系統(tǒng)中得到較好使用。
鋼塑復(fù)合壓力管一般采用機(jī)械連接，由于鋼塑復(fù)合壓力管內(nèi)外采用聚乙烯原料，它也具備聚乙烯管的部分性能，有的安裝公司也采用內(nèi)外熱熔焊接作為連接方式。但實(shí)踐表明，由于熱熔焊接管道目前尚沒(méi)有像鋼管那樣完善可靠的檢測(cè)手段，因此一旦管道接口質(zhì)量不過(guò)關(guān)，則有可能成為最易損壞和泄漏的地方，管道系統(tǒng)的強(qiáng)度取決于它薄弱的環(huán)節(jié)，因此鋼塑復(fù)合壓力熱熔焊接管接口質(zhì)量在管道施工中尤為重要。本文針對(duì)采用熱熔焊接方法的鋼塑復(fù)合壓力管材，對(duì)其焊接兼容性做進(jìn)一步分析研究，從根本上保證良好的焊接質(zhì)量。
2 熱熔焊接的理論基礎(chǔ)
熱熔焊接是焊接部件表面與熱板接觸熱熔后，變成粘滯的流體，將熔融的表面壓在一起，聚合物分子在熱及壓力的作用下運(yùn)動(dòng)，相互穿插盤繞，產(chǎn)生范德華作用力，冷卻后形成堅(jiān)固的焊接面，分子之間沒(méi)有產(chǎn)生化學(xué)連接鍵，焊接強(qiáng)度取決于焊接面之間的相互穿插盤繞程度。如圖1所示。
2.1 粘合理論
該理論強(qiáng)調(diào)相互焊接的兩種聚合物之間具有零或近乎零的表面接觸能量的重要性。兩種完全相同的聚合物相焊接是最好的情況，如相同牌號(hào)的聚乙烯之間的焊接。一些雜質(zhì)和添加劑或不同牌號(hào)的樹(shù)脂，則可能會(huì)影響焊接質(zhì)量，依據(jù)此理論，選擇相同材料的管材與管件進(jìn)行焊接是最佳的選擇。
2.2 分子擴(kuò)散纏繞理論
兩種相容的高分子材料，加熱到一定溫度，使大分子得到能量和空間。由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，并在得到的外力作用下，強(qiáng)制的彼此流動(dòng)進(jìn)行遷移、擴(kuò)散，相互纏繞，隨著溫度的下降開(kāi)始結(jié)晶，得到一定的結(jié)晶度則達(dá)到理想的焊接目的。因此兩種材料的相容性越好，則擴(kuò)散越充分，連接性越好。
2.3 流動(dòng)過(guò)程理論
該理論強(qiáng)調(diào)了焊接壓力的重要性，指出焊接強(qiáng)度隨焊接壓力的升高而提高，直到焊接強(qiáng)度達(dá)到曲線的平穩(wěn)段，幾乎不再受壓力的影響。根據(jù)該理論，可以解釋為什么管道熱熔連接宜采用相同或相近材料的管材和管件。對(duì)性能相似的不同牌號(hào)、材質(zhì)的管材和管材與管件之間的連接，應(yīng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，判定連接質(zhì)量能得到保證后，方可進(jìn)行。
3 不同聚乙烯材料的焊接兼容性理論分析
影響兩種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結(jié)構(gòu)的不同，作為一種表現(xiàn)形式就是熔體流動(dòng)速率的不同。熔體質(zhì)量流動(dòng)速率（MFR）是表征材料在熔融狀態(tài)時(shí)的粘度大小的物理量，是分子平均尺寸和流動(dòng)性的量度。定義是在190℃和5kg荷載下，按質(zhì)量計(jì)算的聚乙烯流動(dòng)速率，它是制定焊接工藝的重要依據(jù)。通過(guò)焊接溫度及焊接壓力，從熔體流動(dòng)速率的層面，可以對(duì)焊接兼容性進(jìn)行分析。
3.1 焊接溫度
根據(jù)分子擴(kuò)散纏繞理論，兩種聚乙烯材料熱熔焊接時(shí)需要具備一定的焊接溫度。焊接溫度是材料的熔融粘流轉(zhuǎn)化溫度。此時(shí)，聚乙烯產(chǎn)生熔融流動(dòng)。大分子相互擴(kuò)散和纏繞，繼而結(jié)晶連接，因此鋼塑復(fù)合壓力管熱熔焊接溫度對(duì)焊接兼容性有重要影響。而熔體流動(dòng)速率是焊接工藝中焊接溫度設(shè)定的重要參考因素。
根據(jù)PPI（美國(guó)塑料管協(xié)會(huì)plastics pipe institute）編制的TN-13/2001《general guidelines for butt,saddle，and socket fusion of unlike polyethylene pipes and fittings》，我們可以知道，不同熔體流動(dòng)速率的材料，設(shè)定的焊接溫度不同。熔體流動(dòng)速率在1-4級(jí)時(shí)，焊接溫度一般采用171℃-232℃；熔體流動(dòng)速率為5級(jí)及4級(jí)中的一部分材料，焊接溫度可以采用232℃-260℃
熔體流動(dòng)速率依據(jù)ASTMD 3350的分級(jí)情況如表1。
備注：A：190℃，2.16kg；B：190℃，21.6kg
此外，對(duì)于不同材料各項(xiàng)材料耐溫指標(biāo)也不盡相同，例如維卡軟化點(diǎn)、熔融溫度、熱變形溫度等。因此當(dāng)兩種熔體流動(dòng)速率不同的材料焊接時(shí)，由于焊接溫度要求不同，則要么一方加熱溫度相對(duì)過(guò)低，加熱不充分而導(dǎo)致材料軟化不夠，分子擴(kuò)散和纏結(jié)受到影響，焊接兼容性差；要么一方加熱溫度過(guò)高，卷邊尺寸增大，聚合物產(chǎn)生熱氧化破壞，會(huì)導(dǎo)致原料產(chǎn)生降解使得接頭強(qiáng)度降低。
3.2 焊接壓力
依據(jù)流動(dòng)過(guò)程理論，焊接時(shí)熔合部位的熔體應(yīng)建立一定的壓力，而這要求熔體有一定的粘度，防止熔體從熔合部位過(guò)渡擠出，形成冷焊。而一定溫度下的熔體粘度可以通過(guò)熔體流動(dòng)速率來(lái)反映。
對(duì)于不同熔體流動(dòng)速率的材料，在同一壓力下，對(duì)于熔體流動(dòng)速率高的材料，則壓力相對(duì)過(guò)低，焊接連接量過(guò)少，熔合面的部分熔膜不能擠出，很難形成尺寸合理的翻邊，不利于加熱過(guò)程中焊接面與熱板接觸時(shí)產(chǎn)生的污染及受空氣中氧氣、灰塵影響的熔膜層的排出，導(dǎo)致焊接質(zhì)量不過(guò)關(guān)；壓力相對(duì)過(guò)大，則會(huì)使熔料擠出，造成塑料熔體流向焊端的邊緣形成焊瘤刺，使熔化層的深度減少，無(wú)法形成合理的熔膜厚度，而且會(huì)使熔合區(qū)域材料的結(jié)晶度提高，使焊縫部位抗沖擊性下降；在熔膜層過(guò)多被擠出的同時(shí)，在翻邊的根部加劇形成與管壁垂直的分子定向，產(chǎn)生應(yīng)力集中的力學(xué)薄弱點(diǎn)，容易發(fā)生破壞，這也被實(shí)際經(jīng)常發(fā)生的破壞類型所證實(shí)，影響焊接質(zhì)量。
要形成良好的焊接，前提必須是適當(dāng)?shù)木磉吀叨燃捌鋵?duì)稱性，據(jù)此，良好的焊接理論準(zhǔn)則就可以表述為焊區(qū)內(nèi)適當(dāng)?shù)恼扯燃捌浞植嫉膶?duì)稱性，但是不同熔體流動(dòng)速率的材料其焊區(qū)溫度和粘度分布不同(見(jiàn)圖2)，需要通過(guò)改變兩者的溫度分布即加熱歷史，力求使兩者的粘度適當(dāng)并分布一致，從而獲得良好的焊接質(zhì)量。
TN-13/2001認(rèn)為，在相同的熱驅(qū)動(dòng)下，不同熔體流動(dòng)速率的兩種材料焊接，要先加熱熔融指數(shù)高的材料，才會(huì)同時(shí)達(dá)到近乎一致的熔融深度。為了達(dá)到不同MFR材料良好的焊接目的，往往對(duì)兩種被焊材料的加工工藝要求是不同的。熔體流動(dòng)速率較高的材料可設(shè)定較高的溫度，而熔體流動(dòng)速率較低的材料可以通過(guò)延長(zhǎng)保溫時(shí)間來(lái)獲得合適的熔膜厚度，但操作起來(lái)比較困難，難于保證焊接質(zhì)量，故不予以提倡。
但當(dāng)兩種材料的熔體流動(dòng)速率差距在一定范圍內(nèi)時(shí)，試驗(yàn)證明可以達(dá)到良好的焊接效果。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/TR11647中指出。熔體流動(dòng)速率O.3g/10min-1.3g/l0min（190c，5kg）區(qū)間的管材與管件之間進(jìn)行焊接會(huì)取得令人滿意的效果。
德國(guó)焊接學(xué)會(huì)規(guī)程DVS2207認(rèn)為：MFR（190℃，5KG）=（O.3-1.7）g/lOmin的聚乙烯都是可焊的。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBl5555.1-2003中的要求是原材料熔體質(zhì)量流動(dòng)速率應(yīng)在0.2-1.4g/10min，之間，且最大偏差不應(yīng)超過(guò)混配料標(biāo)稱值的20％。
我們建議在實(shí)際操作中，依據(jù)規(guī)范在O.3g/10min-1.3g/10min（190℃，5kg）范圍內(nèi)，且MFR差別值不小于0.5g/10min（190℃，5kg），并且通常希望相互焊接的鋼塑復(fù)合壓力管與管件的MFR位于同一分組內(nèi)：
·0.3g/10min-0.4g/10min（190℃，5kg）
·0.4g/10min-0.65g/l0min（190℃，5kg）
·0.65g/l0min-1.15g/10min（190℃，5kg）
·1.15g/10mi-1.7g/10min（190℃，5kg）
目前新興鑄管有限公司常用的生產(chǎn)鋼塑復(fù)合壓力管及熱熔管件的聚乙烯原料為6100M、6380M 和7600M，上述PE80原料的熔體流動(dòng)速率大于0.5g/lOmin（190℃，5kg），PE100熔體流動(dòng)率約0.3g/10min-0.45g/10min（190℃，5kg）。故理論上PE80與PEl00不在同一分組內(nèi)，兩者焊接存在兼容問(wèn)題。
3.3 不同種類鋼塑復(fù)合壓力管與管件焊接試驗(yàn)分析
a.管材與管件：齊魯石化公司的HDPE DGDB2480，熔融指數(shù)(190℃,5kg)0.56g/10min；
b.管材與管件：燕山石化公司的HDPE 6100M，熔融指數(shù)(190℃，5kg)0.31g/10min；
c.管材：燕山石化公司的HDPE 6100M，管件：齊魯石化公司的HDPE DGDB2480。
測(cè)試結(jié)果表明，在DVS條件所推薦的210℃±10℃的焊接溫度范圍內(nèi)，同一材料的管材與管件均取得了大于本體材料的短時(shí)焊接強(qiáng)度。本體材料的強(qiáng)度較高，焊接接頭的強(qiáng)度亦比較高，此外，DGDB2480與6100M互焊性能也較好，在測(cè)試誤差的范圍內(nèi)，互焊的焊接強(qiáng)度與焊接雙方本體材料強(qiáng)度較低的一方基本相當(dāng)。互焊接頭的焊接強(qiáng)度相當(dāng)于6100M的本體材料強(qiáng)度而小于DGDB2480本體材料的強(qiáng)度。焊接強(qiáng)度大于本體材料的原因是焊縫區(qū)域里的材料聚態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，焊縫區(qū)的熔融吸收熱量明顯高于本體材料的熔融吸收熱量，特別是在焊縫對(duì)稱截面的附件，材料熔融吸收熱量曲線出現(xiàn)最大值，硬度和強(qiáng)度也最高。
這與焊縫附近熔融材料因焊接壓力而導(dǎo)致的二維流動(dòng)有關(guān)，二維流動(dòng)使得材料原有的晶核基礎(chǔ)上誘導(dǎo)而產(chǎn)生更多晶核，從而使這個(gè)區(qū)域內(nèi)的晶核增高，而在焊縫對(duì)稱截面上又形成一個(gè)較低值，這是由于撤出加熱板時(shí)（切換周期），材料加熱表面突然成為開(kāi)放面，與空氣的熱交流和熱交換，使這兩個(gè)表面的溫度可下降大約15℃-20℃，從而降低了這個(gè)截面上的結(jié)晶度。