塑料热熔焊接接头的超声波检测

塑料热熔焊接接头的超声波检测

王荣源  万立腾  卢淑杰

中车青岛四方机车车辆股份有限公司  山东省  青岛市  266111

摘要：塑料管材和板材的焊接方法有热风焊、挤出焊、热熔焊和电熔焊，笔者的试验对象为塑料热熔焊接接头超声波检测。笔者针对不同种类塑料的声学特性进行了试验，检测出各自的纵波声速和衰减系数，取得较好效果，缺陷的定位和测长精度均较高。

关键词：塑料管材；热熔焊接；超声波检测

1热熔接头质量的影响因素研究进展

1.1焊接温度的影响

热熔焊接的焊接温度通常指加热阶段加热板达到的最高温度，其取值会显著影响焊接接头的力学性能。王晓芹研究了PE管道热熔焊接温度对焊接接头拉伸强度的影响，结果如图1所示，热熔接头的拉伸强度随焊接温度升高呈现先增高后降低的趋势，在210℃达到最大值，不同级别的PE管道变化趋势相同。阳代军等研究了焊接接头冲击韧性与焊接温度的关系，结果显示接头的冲击韧性也随焊接温度升高呈现先增高后降低的趋势。

图1焊接温度和焊接接头拉伸强度的关系

热熔接头性能的变化主要是因为材料微观结构的改变。PE在加热后变为熔融状态，在外力作用下，熔融区的分子链会不断重叠和缠结，部分熔融体还会被挤出焊接面，形成焊接卷边。冷却后的焊接区域材料经过了重结晶过程，结晶度、晶体形状和分子链大小也均发生了改变。焊接温度的高低直接影响焊接材料熔融区分子链的活动特性，过高的焊接温度会导致焊接区PE分子链发生断裂而变短，晶体结构被破坏，同时过热会使材料发生热氧化破坏，可能产生气体杂质。这些气体在焊接过程中未被排除，会附着在焊缝和卷边中形成气孔，致使产生应力集中现象而导致接头性能降低。过低的焊接温度会使分子链运动活性不足，解缠、渗透和缠结过程进行地不够充分，结晶度降低，最终无法形成性能合格的热熔接头。

1.2卷边结构的影响

卷边是热熔焊接的重要标志之一，它是由热熔区的熔融态PE材料在焊接压力作用下向管道外溢出、冷却后凝固形成。由于是受挤压形成，卷边在焊缝处呈现近似X的形状。卷边材料的结晶度和分子链在形成过程中均发生了变化，分子链受力的方向由之前的沿管道轴向变为了径向，而结晶度的变化受焊接压力的影响先增大后减小。综合以上因素，卷边结构会给热熔接头的可靠性带来一定的影响。郑津洋等通过拉伸实验研究了卷边对热熔接头力学性能的影响，发现卷边的存在会显著降低接头的拉伸性能，二者的拉伸屈服强度相差近27%，而断裂伸长率差一倍以上。范自伟等通过改变实验的温度环境发现有卷边和无卷边接头的拉伸性能差异会随温度的增大而增大。Bergstrom等通过蠕变拉伸实验发现带卷边试样的失效时间低于去除卷边的试样。造成上述结果的原因是卷边在受挤压形成的过程中，外部材料冷却较快，卷边和管道中间留有缝隙，在拉伸过程中缝隙端部会造成应力集中现象，导致裂纹加速扩展，致使试样的拉伸性能降低。

2塑料热熔焊接接头的超声波检测分析

2.1相关标准

GB/T32434—2015对75~630mm直径的燃气和输水PE管道单一低压和双重低压2种热熔焊接程序进行了规定。该标准对管材铣削、管件夹持、表面清洁等焊前准备做了详细要求，并根据被焊管件的半径和厚度给出了对应的焊接参数值。此外国际上有关热熔焊接的标准有美国现行标准ASTMF262013、德国现行标准DVS22071和欧盟现行标准ISO21307。

ASTMF262013中规定了承插、对接和鞍形融合3种热熔焊接方式，详细介绍了操作步骤，并规定了合格热熔接头卷边的最小尺寸；DVS22071标准对压强升高至焊接压强的升压时间做了具体要求，且使用的焊接压强相对较低；ISO21307规定的热熔焊接程序种类最多，包括单一低压、双重低压和单一高压热熔焊接。上述标准都详细规定了热熔焊接的工艺流程，介绍了现场判断热熔焊接接头是否合格的方法。但标准中只给出了焊接参数的参考范围，未提到如何选取最佳焊接参数组合。因此研究焊接参数对接头质量的影响，对改进标准规范、保障PE管道安全具有重要意义。

2.2塑料声学特性

研究表明，不同类型的塑料材料声学特性差异较大，即使是同种类型的塑料，若牌号、产地、制造工艺、批号等不同，其声学特性也不同，环境温度对塑料声速也有显著影响。一般来说，塑料强度与超声波传播速度成正比，与衰减成反比。所以，检测前应了解每一批待检塑料工件的声学特性，分别测量每批待检工件的声速和衰减系数等参数。应对每批待检工件分别制作试块，且试块应尽可能与待检工件的声学特性相同。

2.3声速的测定

纵波声速测定原理：因塑料对超声波的衰减很大，所以利用第一次和第二次底波的到达时间，根据公式（1）可以得到塑料的纵波声速。其中ｄ为试块的厚度，t2,t1分别为第二次和第一次的底波所对应的时间。

                                 （1）

综合考虑检测灵敏度和分辨率，使用20mm的直探头在三种类型塑料的Ⅰ型对比试块无缺陷处测量该塑料的纵波声速，利用数字超声波仪直探头自动调校功能，只需输入试块的厚度值即可自动校准得到该塑料的纵波声速。

分别对三种类型的塑料进行纵波声速测定，在不同的位置测量三次取平均值。表1为测定结果的平均值（测定时温度为20℃）。

2.4衰减系数的测定

采用纵波直探头对三种类型塑料的Ⅰ型对比试块分别进行衰减系数的测定，由于塑料材料内超声波衰减系数μ比钢材中的高一个数量级以上，底面回波高度随距离增加明显降低，二次底波尚可发现，但比一次底波已降低20dB以上，三次波已不可见。因此利用一次底波和二次底波的回波高度，进行衰减系数的计算，

                              （2）

式中：Bm和B,分别为第m次和第n次底波高度，为反射损失，每次反射约为0.5~1dB,d为I型对比试块厚度。在不同的位置测量三次取平均值，测定结果见表1。

表１三种类型塑料的纵波声速及衰减系数测定结果的平均值

2.5检测方法

由于塑料中横波回波信号很弱，检测时几乎不可见。加上塑料对超声波的衰减很大，因此热熔对接接头的超声检测原则上应采用直射纵波法。但是当热熔焊缝余高较宽时，或者探头入射角较小或前沿较大时，都会造成直射纵波无法覆盖焊缝全体积，焊缝上部存在较大检测盲区，因此采用一次反射波进行检测试验，结果表明当纵波声程较小时（小于３０ｍｍ），完全可以检测出直射纵波检测盲区中的缺陷。因此检测时，应根据实际情况，尽可能采用直射纵波法进行检测，当采用直射纵波法检测焊缝上部的盲区较大时，在声程较小（薄板）、满足检测灵敏度的情况下也可采用一次反射波进行检测。

3结论

（1）采用设计的对比试块和纵波直探头分别对三种塑料进行声学特性分析，测出各自的纵波声速和衰减值μ。

（2）设计出满足校准仪器探头和确定检测灵敏度仪器的对比试块，采用研制的纵波斜角探头进行探头Ｋ值和前沿测定，取得较高精度。

（3）对模拟试块的人工缺陷进行检测试验，分别采用直射波和一次反射波进行检测，取得较好效果，缺陷的定位准确，测长精度也较好。发现在热熔对接接头厚度较小、焊缝余高宽度较大时，应尽量采用短前沿、大Ｋ值探头，不具备条件时也可以采用一次反射波进行检测。

（4）为了提高调准速度及精度，更方便地测定探头前沿、调准零点、纵波扫描速度、检测范围、测定声速、测定Ｋ值及绘制DAC曲线等，进一步的研究可以参照CSK-ⅠA､CSK-ⅢA钢试块来设计制作塑料超声专用试块。考虑到衰减问题，可将CSK-ⅠA的R100和R50圆弧减小为R40和R20，将CSK-ⅢA试块的高度减小。

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