新興鑄管股份有限公司 李鐵良 張曉琦
1 前言
鋼塑復合壓力管（PSP管）是一種新型的金屬與塑料復合管材，它采用鋼帶輥壓成型為鋼管并進行鎢極氬弧對接焊，采用內(nèi)外均有塑料層，中間為增強焊接鋼管的復合結(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，如隔氧性好、有較高的剛性和較高的強度，埋地管容易探測等。近年來，鋼塑復合壓力管以其優(yōu)異的性能及價格優(yōu)勢，在城鎮(zhèn)建設管網(wǎng)系統(tǒng)中得到較好使用。
鋼塑復合壓力管一般采用機械連接，由于鋼塑復合壓力管內(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。但實踐表明，由于熱熔焊接管道目前尚沒有像鋼管那樣完善可靠的檢測手段，因此一旦管道接口質(zhì)量不過關(guān)，則有可能成為最易損壞和泄漏的地方，管道系統(tǒng)的強度取決于它薄弱的環(huán)節(jié)，因此鋼塑復合壓力熱熔焊接管接口質(zhì)量在管道施工中尤為重要。本文針對采用熱熔焊接方法的鋼塑復合壓力管材，對其焊接兼容性做進一步分析研究，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動，相互穿插盤繞，產(chǎn)生范德華作用力，冷卻后形成堅固的焊接面，分子之間沒有產(chǎn)生化學連接鍵，焊接強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，如相同牌號的聚乙烯之間的焊接。一些雜質(zhì)和添加劑或不同牌號的樹脂，則可能會影響焊接質(zhì)量，依據(jù)此理論，選擇相同材料的管材與管件進行焊接是最佳的選擇。
2.2 分子擴散纏繞理論
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。由于分子的熱運動，并在得到的外力作用下，強制的彼此流動進行遷移、擴散，相互纏繞，隨著溫度的下降開始結(jié)晶，得到一定的結(jié)晶度則達到理想的焊接目的。因此兩種材料的相容性越好，則擴散越充分，連接性越好。
2.3 流動過程理論
該理論強調(diào)了焊接壓力的重要性，指出焊接強度隨焊接壓力的升高而提高，直到焊接強度達到曲線的平穩(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。對性能相似的不同牌號、材質(zhì)的管材和管材與管件之間的連接，應經(jīng)過試驗，判定連接質(zhì)量能得到保證后，方可進行。
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)形式就是熔體流動速率的不同。熔體質(zhì)量流動速率（MFR）是表征材料在熔融狀態(tài)時的粘度大小的物理量，是分子平均尺寸和流動性的量度。定義是在190℃和5kg荷載下，按質(zhì)量計算的聚乙烯流動速率，它是制定焊接工藝的重要依據(jù)。通過焊接溫度及焊接壓力，從熔體流動速率的層面，可以對焊接兼容性進行分析。
3.1 焊接溫度
根據(jù)分子擴散纏繞理論，兩種聚乙烯材料熱熔焊接時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，聚乙烯產(chǎn)生熔融流動。大分子相互擴散和纏繞，繼而結(jié)晶連接，因此鋼塑復合壓力管熱熔焊接溫度對焊接兼容性有重要影響。而熔體流動速率是焊接工藝中焊接溫度設定的重要參考因素。
根據(jù)PPI（美國塑料管協(xié)會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，不同熔體流動速率的材料，設定的焊接溫度不同。熔體流動速率在1-4級時，焊接溫度一般采用171℃-232℃；熔體流動速率為5級及4級中的一部分材料，焊接溫度可以采用232℃-260℃
熔體流動速率依據(jù)ASTMD 3350的分級情況如表1。
備注：A：190℃，2.16kg；B：190℃，21.6kg
此外，對于不同材料各項材料耐溫指標也不盡相同，例如維卡軟化點、熔融溫度、熱變形溫度等。因此當兩種熔體流動速率不同的材料焊接時，由于焊接溫度要求不同，則要么一方加熱溫度相對過低，加熱不充分而導致材料軟化不夠，分子擴散和纏結(jié)受到影響，焊接兼容性差；要么一方加熱溫度過高，卷邊尺寸增大，聚合物產(chǎn)生熱氧化破壞，會導致原料產(chǎn)生降解使得接頭強度降低。
3.2 焊接壓力
依據(jù)流動過程理論，焊接時熔合部位的熔體應建立一定的壓力，而這要求熔體有一定的粘度，防止熔體從熔合部位過渡擠出，形成冷焊。而一定溫度下的熔體粘度可以通過熔體流動速率來反映。
對于不同熔體流動速率的材料，在同一壓力下，對于熔體流動速率高的材料，則壓力相對過低，焊接連接量過少，熔合面的部分熔膜不能擠出，很難形成尺寸合理的翻邊，不利于加熱過程中焊接面與熱板接觸時產(chǎn)生的污染及受空氣中氧氣、灰塵影響的熔膜層的排出，導致焊接質(zhì)量不過關(guān)；壓力相對過大，則會使熔料擠出，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，無法形成合理的熔膜厚度，而且會使熔合區(qū)域材料的結(jié)晶度提高，使焊縫部位抗沖擊性下降；在熔膜層過多被擠出的同時，在翻邊的根部加劇形成與管壁垂直的分子定向，產(chǎn)生應力集中的力學薄弱點，容易發(fā)生破壞，這也被實際經(jīng)常發(fā)生的破壞類型所證實，影響焊接質(zhì)量。
要形成良好的焊接，前提必須是適當?shù)木磉吀叨燃捌鋵ΨQ性，據(jù)此，良好的焊接理論準則就可以表述為焊區(qū)內(nèi)適當?shù)恼扯燃捌浞植嫉膶ΨQ性，但是不同熔體流動速率的材料其焊區(qū)溫度和粘度分布不同(見圖2)，需要通過改變兩者的溫度分布即加熱歷史，力求使兩者的粘度適當并分布一致，從而獲得良好的焊接質(zhì)量。
TN-13/2001認為，在相同的熱驅(qū)動下，不同熔體流動速率的兩種材料焊接，要先加熱熔融指數(shù)高的材料，才會同時達到近乎一致的熔融深度。為了達到不同MFR材料良好的焊接目的，往往對兩種被焊材料的加工工藝要求是不同的。熔體流動速率較高的材料可設定較高的溫度，而熔體流動速率較低的材料可以通過延長保溫時間來獲得合適的熔膜厚度，但操作起來比較困難，難于保證焊接質(zhì)量，故不予以提倡。
但當兩種材料的熔體流動速率差距在一定范圍內(nèi)時，試驗證明可以達到良好的焊接效果。國際標準ISO/TR11647中指出。熔體流動速率O.3g/10min-1.3g/l0min（190c，5kg）區(qū)間的管材與管件之間進行焊接會取得令人滿意的效果。
德國焊接學會規(guī)程DVS2207認為：MFR（190℃，5KG）=（O.3-1.7）g/lOmin的聚乙烯都是可焊的。
國家標準GBl5555.1-2003中的要求是原材料熔體質(zhì)量流動速率應在0.2-1.4g/10min，之間，且最大偏差不應超過混配料標稱值的20％。
我們建議在實際操作中，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原料的熔體流動速率大于0.5g/lOmin（190℃，5kg），PE100熔體流動率約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題。
3.3 不同種類鋼塑復合壓力管與管件焊接試驗分析
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焊接強度。本體材料的強度較高，焊接接頭的強度亦比較高，此外，DGDB2480與6100M互焊性能也較好，在測試誤差的范圍內(nèi)，互焊的焊接強度與焊接雙方本體材料強度較低的一方基本相當�；ズ附宇^的焊接強度相當于6100M的本體材料強度而小于DGDB2480本體材料的強度。焊接強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，硬度和強度也最高。
這與焊縫附近熔融材料因焊接壓力而導致的二維流動有關(guān)，二維流動使得材料原有的晶核基礎(chǔ)上誘導而產(chǎn)生更多晶核，從而使這個區(qū)域內(nèi)的晶核增高，而在焊縫對稱截面上又形成一個較低值，這是由于撤出加熱板時（切換周期），材料加熱表面突然成為開放面，與空氣的熱交流和熱交換，使這兩個表面的溫度可下降大約15℃-20℃，從而降低了這個截面上的結(jié)晶度。