聚乙烯管道具有耐腐蚀、耐高压、抗氧化和抗变形能力强等优点，可在天然气输送、输水灌溉和核废水处理等领域应用[1]。热熔焊接是聚乙烯管道的焊接方法之一，因能耗低、操作简便和焊接质量可靠而被广泛应用。热熔焊接整个过程可分为预热、加热、切换和冷却等四个阶段。热熔接头的质量直接影响整个聚乙烯管道系统的可靠性，调查显示13%的塑料管道失效是由接头失效造成[2]。热熔焊接后形成的热熔接头性能与管道基材存在差异[3-5]，一般要求合格的热熔接头与管道基材的力学性能差异不超过标准允许的范围。热熔焊接参数影响热熔接头乃至整个聚乙烯管道系统性能[6-7]，其中焊接温度、焊接压力和加热时间的影响显著[8-12]。Bergstrom等[13]研究发现，去除卷边可延长热熔接头的蠕变失效时间，并指出造成该现象的原因是卷边形成后与管道基材之间留有缝隙，该缝隙在拉伸延长过程中可能产生应力集中现象，加快裂纹扩展而导致寿命降低。Mikula等[14]通过模拟发现，卷边附近容易出现环向裂纹，加速管道的失效。实验条件对热熔接头的性能也有较大影响。EL-Bagory等[15]发现，应变速率增大会导致热熔接头的拉伸屈服强度和弹性模量增大、断裂伸长率降低。闵文[16]发现，当拉伸速率达到50 mm/min时，不带卷边的热熔接头拉伸试样会出现脆性断裂。Shim等[17]研究发现，23℃条件下热熔接头的抗拉强度高于80 ℃条件。目前有关聚合物模拟研究中，多数学者采用非线性黏弹性本构方程[18-20]，但该模型通常适用于小变形模拟，不适用于应变达2.0以上的拉伸实验模拟，因此需要探究一种可表征聚乙烯热熔接头应力-应变关系的合适模型。Kown等[21]基于经验方程，提出一种适用于描述聚乙烯材料大变形过程的本构方程。本实验对公称外径90 mm的燃气用聚乙烯管材进行多组热熔焊接实验，设计正交试验探究热熔焊接参数对聚乙烯管道力学性能的影响，总结最优焊接参数组合，通过数值模拟软件研究焊接接头的本构关系，以期指导燃气管道工程的施工和评价。1实验部分单因素影响实验和正交试验材料均为PE 100，DN90燃气管材，单因素影响实验管道径厚比(SDR)为11，正交试验SDR为13.6。热熔焊接机采用山东创铭机械设备有限公司提供的直管热熔对接焊机，采用数控方式可精确控制焊接参数。实验选取焊接温度、焊接压力和加热时间作为三个实验变量，以热熔焊接接头的拉伸屈服强度作为评价指标，进行正交试验，研究热熔焊接工艺参数对聚乙烯力学性能的影响。表1为L9(34)正交试验因素水平设计。使用半自动热熔焊接机在室温下(26 ℃)对聚乙烯管材进行热熔焊接，得到不同焊接参数条件下制作的焊接管材。每根管材从热熔接头和基材位置分别取三个拉伸试样，拉伸试样的尺寸参照GB/T 8804—2003，图1为拉伸试样尺寸。为了更加贴合工程实况，热熔接头拉伸试样保留热熔卷边进行实验，试样厚度为聚乙烯管材的壁厚。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.008.T001表1L9（34）正交试验因素水平设计Tab.1L9（34） orthogonal test factor level design水平因素焊接温度（A）/℃加热时间（B）/s焊接压力（C）/MPa1190600.52210801.032301001.510.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.008.F001图1拉伸试样尺寸Fig.1Tensile specimen dimensions单轴拉伸实验使用电子万能实验机进行，实验开始前记录试样焊缝位置的截面尺寸。使用位移控制加载方式以50 mm/min的恒定速率对聚乙烯试样进行拉伸直至断裂，通过实验机系统软件记录拉伸过程中的载荷和位移。2有限元模拟通过有限元方法模拟带卷边热熔接头拉伸试样的过程，将模拟所得力-位移曲线与实验结果进行拟合，确定该试样材料的本构模型，得到试样的真实应力-应变曲线。采用ABAQUS有限元分析软件建立带卷边的热熔焊接拉伸接头试样三维模型，卷边模型的形状和尺寸由实验测得。图2为热熔接头拉伸有限元模型。从图2可以看出，模型共包含46 240个20结点二次六面体单元(C3D20R)。为了准确计算试样的拉伸变形和受力情况，对试样的颈部和焊缝附近进行了网格细化，细化后的最小网格尺寸约为0.4 mm。对模型的其中一侧施加固定约束，另一侧设定位移边界条件，数值与实验一致。为提高模拟和试样的一致性，有限元模型边界条件的作用区域与实验中试样的夹持面积相同。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.008.F002图2热熔接头拉伸有限元模型Fig.2Hot melt joint tensile finite element model单轴拉伸实验过程中聚乙烯材料的应变可达2.0以上，以往的非线性黏弹性本构方程通常只适用于应变较小的变形，无法准确地表征拉伸变形过程。因此，本实验采用Kwon等[21]提出用于描述聚乙烯材料变形过程的本构方程，模拟计算带卷边热熔接头的拉伸变形过程，具体为：σ(ε)=2E(1+ν)ε,                                                  ε≤εyda(ε+b)(c-1)-a(ε+b)(-c)+e,   εyε≤εnαkεN,                                                 εnε≤εtkeMεβ,                                                         εεt （1）式（1）中：σ为等效应力；ε为等效应变；εy为线弹性到非线弹性的临界应变点；εn为颈缩起始应点；εt为硬化起始应变点。a、b、c、d、e、α、k、N、M、β为拟合参数。将模型固定约束点的支反力和施加位移边界条件区域的位移导出，合成有限元模型拉伸过程的力-位移曲线，与实验所得曲线进行对比。通过修改本构模型中的拟合参数，使有限元模拟计算的力-位移曲线与实验曲线吻合，即得到试样的本构模型。3结果和讨论3.1单因素实验结果焊接温度指焊接过程中加热板的最大温度，其值远大于高密度聚乙烯材料的熔点(135 ℃)。图3为焊接温度对热熔接头拉伸屈服强度的影响。从图3可以看出，当其他热熔焊接工艺参数不变时，该型号的聚乙烯管道热熔焊接接头拉伸屈服强度在焊接温度为230 ℃时达到最大值。热熔焊接过程中焊接温度显著影响热熔接头的力学性能。聚乙烯管材在加热阶段融化形成熔融态，材料内部的分子链吸热不断发生重叠和缠结。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.008.F003图3焊接温度对热熔接头拉伸屈服强度的影响Fig.3Effect of welding temperature on tensile yield strength of hot melt joint当焊接温度相对较低时，管道端部加热不充分，局部区域的分子链热运动活性不足，解缠、渗透和缠结等活动不够充分，分子链局部链段调整进入晶格的运动受到了抑制，无定形区的系带分子链数量也相对减少，材料黏接强度降低，进而导致接头的屈服强度较低。当焊接温度过高时，管材端部的材料会发生热氧化破坏，分子链断裂，晶体结构被破坏，并可能析出不饱和烃等气体杂质。此类杂质若无法及时排出则可能吸附在热熔接头附近，不仅阻碍了聚乙烯的重结晶过程、减少了系带分子链的数量，同时形成的气孔缺陷会造成应力集中，显著降低热熔接头的力学性能。综上所述，选取合适的焊接温度对热熔焊接至关重要。加热时间指加热板与管材端部接触的时间。图4为加热时间对热熔接头拉伸屈服强度的影响。从图4可以看出，当加热时间为100 s时热熔接头的拉伸屈服强度最佳，加热时间不足和过长都造成接头强度显著降低。与焊接温度的作用原理类似，当加热时间不足时，聚乙烯材料未得到充分吸热，热影响区深度太小，没有足够的材料形成熔融态，无法挤压形成合格的热熔接头，并且管壁深层区域分子链热运动活性不足，无法形成稳定的结构。加热时间过长可能增加热氧化破坏的可能性，热影响区深度增大，过多体积的熔融态聚乙烯材料增大捕捉气体和杂质的可能性，导致热熔接头出现孔隙缺陷。当加热时间延长，冷却阶段的时间也需要延长，选取合适的加热时间可以提高管道连接工程的工作效率。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.008.F004图4加热时间对热熔接头拉伸屈服强度的影响Fig.4Effect of heating time on tensile yield strength of hot melt joint冷却阶段中，为了使加热熔融的两个管道端部贴合冷却形成热熔接头，需要在管道另一端施加一定的压力，该压力即为焊接压力。管道加热端热熔态的聚乙烯材料在该过程中受挤压而溢出管道表面，冷却后即形成热熔接头。图5为焊接压力对热熔接头拉伸屈服强度的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.008.F005图5焊接压力对热熔接头拉伸屈服强度的影响Fig.5Effect of welding pressure on tensile yield strength of hot melt joint从图5可以看出，当焊接压力为2.5 MPa左右时接头的屈服强度最高。焊接压力选取不恰当会导致热熔接头出现过压或欠压缺陷，过高的焊接压力使熔融态材料溢出过多，形成体积较大的卷边，而管道内的熔融区材料减少。卷边材料受挤压影响其分子链取向为垂直于管壁方向，无法起到抗拉作用，同时挤压过后剩余沿管径方向的熔融区离加热源相对较远、温度较低，分子链热运动缓慢，解缠和再缠结不够充分，最终导致接头的抗拉强度降低。过低的焊接压力使分子链没有足够的外力使其再缠结，熔融区材料的溢出量过少，焊接面的气体和灰尘等杂质无法排至焊缝外，导致焊缝产生孔洞缺陷，也降低接头的性能。焊接压力导致的材料变形若无法抵消冷却导致的变形，热熔接头处则可能产生收缩孔，并产生较大焊接残余应力，增大结构损伤的危险性。对比热熔接头的屈服强度变化幅度，焊接压力相比于焊接温度和加热时间影响较小。整个焊接过程中焊缝附近的材料被加热熔融后再冷却凝固，分子链解缠再缠结后有序程度增加，更多晶核的出现使材料的结晶度增高，提高整个热熔接头的拉伸屈服强度。一般认为，合格的热熔接头性能不低于管道基材。图6为热熔接头与管道基材性能的对比。从图6a可以看出，当焊接工艺参数合格时热熔接头的抗拉性能优于管道基材。从图6b可以看出，热熔接头抵抗拉伸破坏的能力略微增强，但抵抗拉伸变形的能力显著降低，断裂伸长率不足管道基材的1/2。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.008.F006图6热熔接头与管道基材性能的对比Fig.6Comparison of properties of hot melt joints and pipeline substrates图7为热熔接头与管道基材拉伸断裂试样。从图7可以看出，由于卷边的存在将接头试样的颈部一分为二，导致试样只有一半的部分发生变形，最终在焊缝附近发生断裂，所以断裂伸长率小于基材。聚乙烯作为典型的黏弹性材料，基材和热熔接头在拉伸过程中都表现出了弹性变形、屈服、塑性变形（颈缩和硬化）以及断裂四个阶段。此外，若焊接工艺参数选取不当，可能导致热熔接头卷边的形状发生畸变，与管道表面留有缝隙。在聚乙烯管道使用过程中受到拉力作用时，接头处的缝隙会造成应力集中、加速裂纹的萌生和扩展，降低管道整体的抗拉性能和使用寿命。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.008.F007图7热熔接头与管道基材拉伸断裂试样Fig.7Tensile fracture samples of hot melt joint and pipeline substrate3.2正交试验结果表2为L9(34)正交试验结果。从表2可以看出，根据每个因素下对应水平的k值可以确定，聚乙烯管道最佳焊接工艺参数组合为A2B1C3，即焊接温度为210 ℃，加热时间为60 s，焊接压力为1.5 MPa。因此，当聚乙烯管道外径不变时，管壁越厚，需要的焊接温度、加热时间和焊接压力的值越大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.008.T002表2L9（34）正交试验结果Tab.2Results of orthogonal test L9（34）序号因素屈服强度/MPaABC111223.50221123.25331323.32412123.26522323.51632223.01713323.07823223.11933122.75k123.27923.35923.086k223.29023.26123.209k323.02822.97623.302R0.2720.3820.316表3为方差分析结果。从表3可以看出，对于加热时间和焊接温度，F值Fa，加热时间和焊接温度对聚乙烯热熔接头屈服强度的影响为显著。对于焊接压力，F值Fa，焊接压力在一定范围变化内对聚乙烯热熔接头屈服强度影响可忽略。该结论与单因素影响实验结论一致。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.008.T003表3方差分析结果Tab.3Results of variance analysis方差来源离差平方和自由度均方F值FaA0.13220.0663.882F0.25（2，2）=3B0.23920.1197.000C0.07020.0352.059误差0.03420.017总和0.47583.3有限元结果图8为有限元计算结果和热熔接头本构模型。从图8a可以看出，该本构方程可以较好地描述带卷边热熔接头试样的拉伸变形断裂前的过程，但由于没有引入损伤模型，尚不能模拟断裂过程。由模拟计算结果可知，在试样的拉伸过程中最大等效塑性变形(PEEQ)为2.265，最大Mises应力为194.7 MPa。将拟合好的参数代入本构方程。从图8b可以看出，材料首先由短暂的弹性变形阶段进入非弹性变形阶段，再进入颈缩阶段，该阶段中应力随应变变化的程度较小，在30~32 MPa之间缓慢增长，对应的力-位移曲线中力的数值显著降低。应变增长至0.36后材料进入硬化强化阶段，应力增长速度加快，力-位移曲线也出现第二个上升阶段，直至最终材料断裂。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.008.F008图8有限元计算结果和热熔接头本构模型Fig.8Finite element calculation results and constitutive model of hot-melt joint4结论（1）通过对热熔接头进行拉伸实验探究了热熔焊接工艺参数对聚乙烯管道力学性能的影响。一定范围内热熔接头的抗拉性能会随焊接温度、加热时间和焊接压力的增大而先增高后降低，且屈服强度略高于管道基材。（2）聚乙烯管道热熔接头的抗拉性能受焊接温度和加热时间的影响较为显著，受焊接压力的影响较小。（2）PE100，DN90，SDR11型号的聚乙烯管道最佳热熔焊接工艺参数组合为焊接温度230 ℃，加热时间100 s，焊接压力2.5 MPa。聚乙烯管道最佳焊接工艺参数组合为焊接温度210 ℃，加热时间60 s，焊接压力1.5 MPa。（4）通过限元模拟，采用式（1）的本构方程建立拉伸载荷状态下聚乙烯管道热熔接头的本构模型，为焊接质量分析提供了理论基础。