第1章 緒論 

1.1 選題背景 
近年來(lái)隨著城市化進(jìn)程步伐的加快，為努力改善城鎮(zhèn)居民的生活水平，對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施的投入也在逐年増多，在我們的日常生活中，所用到的管道主要有兩種：燃?xì)夤艿篮徒o排水管道。它們與我們的日常生活息息相關(guān)，為生活起居、工業(yè)生產(chǎn)提供便利[1,2]。目前生活中常用的金屬管道有鋼管、銅管、不銹鋼管和鍍鋅管[3]，其中按制造方法又可把鋼管分為兩類：焊接鋼管和無(wú)縫鋼管，主要用來(lái)作為熱水管道，鍍鋅管雖然價(jià)格比較便宜但防腐性能較差。而塑料管道相對(duì)于金屬管道而言具有施工運(yùn)輸方便、不易腐蝕、清潔衛(wèi)生、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)水節(jié)能的前提下還能滿足對(duì)生活用水水質(zhì)的要求，由于金屬管道的使用受到限制，塑料管道得以迅速發(fā)展。特別是到了 2000 年以后，在建設(shè)城鎮(zhèn)住宅小區(qū)時(shí)，鍍鋅鋼管被國(guó)家禁用[4]，隨著熱鍍鋅管的停用，，塑料管道代替金屬管道迅速發(fā)展起來(lái)。 隨著聚乙烯管道的廣泛應(yīng)用，管道安全問(wèn)題也就接踵而至。對(duì)于高密度聚乙烯管道的連接，而焊接技術(shù)是直接影響高密度聚乙烯壓力管道安全應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。和金屬管道的特點(diǎn)一樣，塑料管道在焊接過(guò)程中，也會(huì)由于加熱及冷卻不均、材質(zhì)變化、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及手工操作等原因，在接頭內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力和變形。它們的存在，往往會(huì)導(dǎo)致焊接裂紋的形成，進(jìn)而引起聚合物內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化，從而在一定條件下會(huì)影響構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度及使用壽命。疲勞失效、應(yīng)力腐蝕開裂和脆性斷裂等事故也是由于它們的存在導(dǎo)致的，這將會(huì)給生活及生產(chǎn)帶來(lái)巨大損失。所以在焊接過(guò)程中，焊接工作者應(yīng)注意管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造過(guò)程，采用合理的焊接工藝及防護(hù)措施，得到高質(zhì)量接頭，保證管道應(yīng)用的安全運(yùn)行。因此對(duì)于焊接殘余應(yīng)力及變形方面的研究工作的開展是十分有必要的。因此，對(duì)于 HDPE(High  Density  Polyethylene (HDPE))管道熱熔焊接過(guò)程的有限元模擬具有重要的學(xué)術(shù)上的價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文將在焊接結(jié)束后對(duì)焊縫進(jìn)行快冷、退火處理，以期得到更高質(zhì)量的焊縫。  
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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 
近幾年，國(guó)內(nèi)外對(duì)于聚乙烯管道焊接接頭力學(xué)性能方面的研究有較大進(jìn)展。浙江大學(xué)益小蘇教授等[5]曾對(duì)聚乙烯管道的熱熔對(duì)接焊進(jìn)行了一定的研究，重點(diǎn)驗(yàn)證了管材的可焊接性。 師春生，李家俊等[6]通過(guò)電容焊對(duì) PE 管道進(jìn)行焊接，分析其熱量傳輸模型，對(duì)瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元模擬，同時(shí)利用溫度巡檢儀自動(dòng)檢測(cè)焊接時(shí)的溫度場(chǎng)變化。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相差不大，這無(wú)疑對(duì)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)及焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化具有重要意義。 天津大學(xué)霍立興教授[7-11]帶領(lǐng)的研究小組于 2000 年左右著重研究了對(duì)聚乙烯管道熱熔焊接接頭的裂紋的形成和防止方面，包括焊接接頭的沖擊性能、拉伸性能和抗開裂性能等，取得了顯著的成果。 王立君等[12]通過(guò)對(duì)熱熔焊接接頭的蠕變?nèi)崃康臏y(cè)量，研究了蠕變對(duì)焊縫中心處產(chǎn)生裂紋時(shí)應(yīng)力場(chǎng)的影響。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：管材接頭的屈服強(qiáng)度接近于管道基體的屈服強(qiáng)度，但其塑性變形能力明顯變差，此外，蠕變的發(fā)展會(huì)增大焊接接頭處裂紋擴(kuò)展的趨勢(shì)，從而造成裂紋的擴(kuò)展。 陽(yáng)代軍，齊芳娟等[13]在不同的焊接溫度下對(duì)聚乙烯管道進(jìn)行熱熔對(duì)接焊接，測(cè)量焊接接頭的抗開裂性能，并與母材的進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，隨著溫度的降低，聚乙烯材料的抗開裂能力將會(huì)變差。但母材的抗開裂性能要優(yōu)于聚乙烯管道焊接接頭，這是由于母材的結(jié)晶度要低于焊接接頭。 HDPE 管道的熱熔焊焊接接頭的質(zhì)量及力學(xué)性能不僅取決于材料本身的性能，還與管道的焊接工藝參數(shù)有關(guān)。陽(yáng)代軍，霍立興等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)焊接接頭性能有影響的焊接參數(shù)中，加熱溫度、壓力及加熱時(shí)間的影響比較顯著。想要得到良好的焊接接頭性能就要選擇最佳的焊接工藝參數(shù)。 
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第2章 聚乙烯管道熱熔焊方法及有限元分析

2.1 焊接材料及設(shè)備

高密度聚乙烯是一種由乙烯共聚生成的聚烯烴，結(jié)晶度高，能達(dá)到80  %～90  %，是一種熱塑性樹脂，無(wú)毒無(wú)嗅，密度約為 0.940～0.976  g/cm3，熔點(diǎn)約為 130  ℃，在達(dá)到 125  ℃時(shí)開始發(fā)生軟化，所以使用溫度能夠達(dá)到100  ℃；化學(xué)穩(wěn)定性好，耐寒耐熱耐腐蝕，在室溫條件下，不溶于任何有機(jī)溶劑；機(jī)械強(qiáng)度好，具有較高的剛性，韌性好，硬度、拉伸強(qiáng)度高；耐磨耐寒且絕緣，耐環(huán)境開裂性較好，但耐老化性能差，熱氧化作用使其性能下降，通常通過(guò)加入抗氧劑等來(lái)改善避免這方面的缺陷[19]。本試驗(yàn)采用的設(shè)備為 CNC  ASIA  250  FA 型全自動(dòng)熱熔對(duì)接焊機(jī)(意大利Ritmo 公司生產(chǎn))，如圖 2-2 所示，分為電動(dòng)數(shù)控齒輪液壓控制箱、加熱板、夾持導(dǎo)向裝置（機(jī)身）和銑削裝置 4 部分。其總的技術(shù)特性見表 2-2。 

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2.2 聚乙烯管道熱熔焊連接技術(shù)簡(jiǎn)介
聚乙烯管道的生產(chǎn)應(yīng)用中，焊接接頭質(zhì)量對(duì)于整個(gè)管道的安全應(yīng)用具有至關(guān)重要的作用。焊接高密度聚乙烯管道的方法常用的有兩種：電熔焊(Electric－Fusion  Welding)和熱熔焊(Butt－Fusion  Welding)，在管道施工中這兩種方式被廣泛采用。由于本文只是著重研究聚乙烯管道的熱熔焊連接，所以下面只對(duì)熱熔焊作簡(jiǎn)單介紹。聚乙烯是由乙烯共聚生成的一種熱塑性樹脂，屬于線性非晶態(tài)高聚物，試樣的形變與溫度的關(guān)系如圖1-1所示，當(dāng)溫度較低時(shí)，試樣呈剛性固體狀，在外力作用下只發(fā)生非常小的形變；溫度升到某一定范圍后，試樣的形變明顯的增加，并在隨后的溫度區(qū)間達(dá)到一相對(duì)穩(wěn)定的形變，在這一個(gè)區(qū)域中，試樣變成柔軟的彈性體，溫度繼續(xù)升高時(shí)，形變基本上保持不變；溫度再進(jìn)一步升高，則形變量又逐漸加大，試樣最后完全變成黏性的流體。根據(jù)這一特性，將聚合物按照溫度區(qū)域不同劃分為三種力學(xué)狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)。玻璃態(tài)與高彈態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，稱為玻璃化轉(zhuǎn)變，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，簡(jiǎn)稱為玻璃化溫度，通常用Tg表示。而高彈態(tài)與黏流態(tài)之間的轉(zhuǎn)變溫度稱為黏流溫度，用Tf表示[13]。 聚乙烯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg一般在-68  ℃左右，所以聚乙烯在室溫下處于高彈態(tài)，聚乙烯管道的熱熔焊接實(shí)現(xiàn)了聚乙烯在高彈態(tài)與黏流態(tài)的相互轉(zhuǎn)化，聚乙烯分子間并沒(méi)有產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，屬于物理變化。  在聚乙烯管道熱熔焊的過(guò)程中，隨著加熱溫度的升高，管道端面被加熱到熔融狀態(tài)，此時(shí)通過(guò)施加壓力將兩端面緊密的結(jié)合在一起，熔融部分內(nèi)的分子鏈在壓力的作用下會(huì)發(fā)生纏結(jié)，聚乙烯分子間會(huì)相互滲透到彼此的分子間隙中，撤去壓力冷卻，得到性能穩(wěn)定的焊接接頭[20,21]。 
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第 3 章  塑料管道熱熔焊溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn) .......... 12 
3.1  前言 ..... 12 
3.2  焊接過(guò)程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬 .......... 12
3.2.1  溫度場(chǎng)分析模型 ..... 12 
3.2.2  材料的物理性能及邊界條件 ............ 14 
3.3 HDPE 管熱熔焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析 ........... 14 
3.3.1  有限元模型 .... 15 
3.3.2  溫度場(chǎng)的模型解析 .......... 17 
3.4 HDPE 管熱熔焊的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析 ........ 19 
3.5 HDPE 管熱熔焊應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果及分析 .......... 22
3.6  本章小結(jié) ...... 25 
第 4 章  高密度聚乙烯熱熔焊焊接接頭性能優(yōu)化 ..... 26 
4.1  前言 ..... 26 
4.2 HDPE 管熱熔焊焊接接頭優(yōu)化實(shí)驗(yàn) ........ 26
4.3  彎曲實(shí)驗(yàn)測(cè)試 ....... 28
4.4 XRD 實(shí)驗(yàn)測(cè)試 ...... 31
4.5  掃描電鏡實(shí)驗(yàn) ....... 34
4.6  本章小結(jié) ...... 40 

第4章 高密度聚乙烯熱熔焊焊接接頭性能優(yōu)化 

4.1 前言 
經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析測(cè)得，在實(shí)驗(yàn)中的幾組參數(shù)中，聚乙烯管道在焊接參數(shù)為210  ℃、0.2  MPa 的情況下性能最好。本章將對(duì) 210  ℃、0.2  MPa 情況下焊接的焊接接頭進(jìn)行處理：(1)  將焊接接頭放入水中進(jìn)行水冷，改變焊接接頭的冷卻速度；(2)  將焊接接頭放入循環(huán)爐內(nèi)在 100  ℃下進(jìn)行熱處理。 對(duì)進(jìn)行過(guò)處理的焊接接頭和未處理的焊接接頭的接頭性能進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)彎曲實(shí)驗(yàn)和 XRD 實(shí)驗(yàn)比較其性能差異，分析得到最佳的焊接方法。高密度聚乙烯熱熔焊焊接過(guò)程分為預(yù)熱、加熱、切換和加壓四個(gè)過(guò)程，在焊接結(jié)束后，管件在空氣中冷卻。而冷卻速度影響高密度聚乙烯的結(jié)晶速度、結(jié)晶度、結(jié)晶形態(tài)和大小等，所以本文對(duì)焊接結(jié)束后高密度聚乙烯焊縫的冷卻速度進(jìn)行研究。為了控制冷卻速度，本實(shí)驗(yàn)用水冷的方式進(jìn)行快速冷卻，即在HDPE 管熱熔焊焊接結(jié)束后，將焊接接頭迅速放入 10  ℃水中進(jìn)行快速冷卻。并通過(guò)溫度巡檢儀記錄焊接接頭溫度變化，當(dāng)焊接接頭度降至室溫時(shí)從水中取出新管材，測(cè)量卷邊的高度、寬度以及兩管材焊后長(zhǎng)度。并將溫度巡檢儀測(cè)得的數(shù)據(jù)保存到電腦上并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理�？焖倮鋮s情況下和未受處理的高密度聚乙烯管道熱熔焊焊縫中心處溫度變化曲線如圖 4-1 所示，從圖中可以看出，在加熱升溫階段至焊接結(jié)束，兩種情況下的溫度變化曲線變化基本一致，當(dāng)焊接結(jié)束后，未受處理的焊縫在空氣中降至室溫需要時(shí)間較長(zhǎng)，趨勢(shì)也較平穩(wěn)，在水浴中進(jìn)行快速冷卻的焊縫溫度下降較快，降至室溫所需時(shí)間較短。但從圖中可以看出，進(jìn)行水冷的焊縫的溫度下降速度只是稍快于未受處理的焊縫，一是因?yàn)榇朔N情況下的溫差也只是略大于空氣中，二是由于高密度聚乙烯傳熱較慢，所以溫度下降速度只是略高于未處理焊縫。 
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結(jié)論

本文在不同工藝參數(shù)下對(duì)高密度聚乙烯管道進(jìn)行焊接，并用溫度巡檢儀記錄下其溫度場(chǎng)變化，同時(shí)利用 MARC 軟件進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到高密度聚乙烯管道在焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。為了進(jìn)一步優(yōu)化高密度聚乙烯管道熱熔焊焊接接頭性能，將焊接接頭進(jìn)行快速冷卻及退火處理，并通過(guò)彎曲實(shí)驗(yàn)比較其性能，利用 XRD 實(shí)驗(yàn)及掃描電鏡實(shí)驗(yàn)分析研究其機(jī)理：
(1)  將高密度聚乙烯管道在不同焊接工藝參數(shù)下進(jìn)行焊接，采用溫度巡檢儀記錄下溫度場(chǎng)變化，并與 MARC 軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者基本吻合：在加熱過(guò)程中，管件端面的溫度分布沿軸向均勻推進(jìn)，呈降低的趨勢(shì)。在加熱結(jié)束時(shí)端面溫度僅略高于熔點(diǎn)，但由于在壓焊過(guò)程中發(fā)生相變潛熱，撤去加熱板后，隨著管件的擠壓，熱量從內(nèi)層傳出，溫度會(huì)繼續(xù)升高，在 300  s 時(shí)達(dá)到最大值，融化層厚度也逐漸增加。
(2)  管件焊縫中心處受壓應(yīng)力，沿軸向逐漸過(guò)渡到拉應(yīng)力，在距焊縫 3 mm處的應(yīng)力為最大值。由于壓焊過(guò)程中一部分熔體被擠出，而其余的熔體在壓力作用下冷卻結(jié)晶，分子鏈趨于緊密排列，所以聚乙烯熱板焊的軸向應(yīng)力水平較低。 
(3)  將最佳焊接工藝參數(shù)(210  ℃、0.2  MPa)下的高密度聚乙烯管道熱熔焊焊接接頭進(jìn)行快速冷卻及退火處理，并將接頭與未處理焊縫進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)快速處理焊縫抗彎強(qiáng)度最好，未受處理焊縫性能最差。
(4)  對(duì)三種情況的焊縫進(jìn)行XRD實(shí)驗(yàn)比較其結(jié)晶度：發(fā)現(xiàn)退火后焊縫結(jié)晶度最高，與正常情況下焊縫結(jié)晶度均高于母材，而快速處理情況下焊縫結(jié)晶度最小。通過(guò)掃描電鏡觀察未受處理及退火的焊縫表面存在明顯的滑移和褶皺，斷裂為韌性斷裂；而快速冷卻焊縫斷面平整，空洞較少，縱向纖維拉伸較小，經(jīng)過(guò)焊縫快速冷卻處理，結(jié)晶度下降，但晶體生長(zhǎng)好，結(jié)晶較完整，所以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抗彎強(qiáng)度好。所以在210  ℃、0.2  MPa參數(shù)下對(duì)聚乙烯管道進(jìn)行焊接，并在焊接結(jié)束后對(duì)接頭進(jìn)行快速冷卻處理，能夠獲得性能較好的焊接接頭質(zhì)量。
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參考文獻(xiàn)(略)  

本文編號(hào)：193929