关键词：聚乙烯 相控阵超声 电熔接头
一、概述
目前焊接是一种高质量、高效率的管道连接技术，主要采用热熔焊和电熔焊。由于管道输送的流体中不乏危险介质，如：天然气和煤气等，结构一旦破坏后果不堪设想，因此管道的焊接质量成为安全生产过程中的重中之重。根据聚乙烯电熔对接接头缺陷的成因、特征及其引起的失效形式，可将缺陷分为熔合面缺陷、金属丝错位、孔洞缺陷及冷焊缺陷。相控阵超声检测利用其独有的多阵元、聚焦、成像等特点，解决了传统超声聚乙烯界面反射回波干扰等问题，取得很好的管道检测效果。
二、电熔焊焊接的特点
1、电熔焊焊接
电熔焊接是利用电流产生的热效应使塑料熔化由于聚合物分子的扩散、冷却后连接在一起，达到焊接的目的。首先将待连接的聚乙烯管端部插入预埋有电阻丝的电熔套筒中，并使管材外表面和套筒内表面紧密接触。将电熔套筒连接于固定电压的电源，使电熔管件内的埋藏电阻丝通电发热。热量逐渐向管材和套筒内聚乙烯材料传递，使管材外壁面和管件内壁面逐渐熔融为一体。电熔焊接结束后，接头缓慢冷却，原有的焊接界面消失，形成具有一定强度的电熔接头。
2、电熔焊焊接特点
（1）适用于所有规格尺寸管；
（2）适用于不同牌号聚乙烯原料生产的管材和管件、不同熔融指数（即熔体流动速率）聚乙烯生产的高密度管材和管件的连接；
（3）不易受环境、人为因素影响；
（4）设备投资低，维修费用低；
（5）连接操作简单易掌握，施工效率高；
（6）保持管道内壁光滑，不影响流通量；
（7）焊口可靠性高；
（8）专用电熔管件费用高；
（9）对操作人员的水平要求较高。
三、电熔焊焊接缺陷
根据聚乙烯电熔对接接头缺陷的成因、特征及其引起的失效形式可以将其分为四类：熔合面缺陷、孔洞缺陷、金属丝错位、冷焊缺陷。
1、熔合面缺陷
熔合面缺陷是指出现在熔合界面，即套筒的内壁与管材外壁的结合面上的缺陷。熔合面缺陷主要包括未熔合、夹杂等，该类缺陷属于面积型缺陷。当接头存在未熔合缺陷时，用力拔管材和套筒，常常可以把套筒从管材中拔出，说明焊界面几乎没有或仅有少量结合力；抛开接头后，观察套筒的内壁面和管材的外壁面，聚乙烯无熔融或仅有刚刚熔化的迹象。造成未熔合缺陷的主要原因包括：焊接接头受热不足、套筒与管材间隙过大。
2、孔洞缺陷
孔洞是指位于焊接界面上或在焊接界面附近出现的空洞，该类缺陷属于体积型缺陷。美国材料与测试协会中把孔洞描述为由于聚乙烯中原先存在的空气以及冷却过程中的材料的收缩造成的。将孔洞成因分为三种：焊接前存在的孔洞、焊接过程中产生的孔洞、冷却过程中出现的孔洞。
3、金属丝错位
金属丝错位指原先均匀排布的电阻丝在焊接后发生了水平或垂直方向的位移。错位的金属丝可能会接触在一起使金属丝的总电阻变小。由于焊接电压恒定不变，阻值的减小会造成熔接区域的受热量更大，造成更严重的过焊现象。产生金属丝错位的主要原因包括：焊接热量过大，焊接压力过大。
4、冷焊缺陷
冷焊是由于接头焊接热量不足造成的缺陷。严重的冷焊也叫未熔合，大多数的冷焊缺陷表现为套筒内壁和管材外壁已经完全融合在一起，没有间隙。此时，接头从外观上看是好的接头，但实际上熔合面仅在极短时间内完成了界面的简单愈合，界面层分子并未充分地扩散和缠结，分子之间渗透的深度还不足，虽然高分子材料之间的连接得以实现，但宏观上体现为剥离强度较低。由于冷焊缺陷在工地上极易发生，不仅难以从外观识别，而且在含冷焊缺陷的接头试压试检中也未必立即破坏，因此被认为是危害性最大的缺陷。
四、相控阵超声检测的应用
1、相控阵超声检测技术特点
聚乙烯的声传播特性导致回波信号很弱，噪声增大，信噪比降低，再加上电熔接头中金属丝信号对检测的干扰，使得传统的超声检测方法很难对聚乙烯电熔接头进行检测，因此必须采用声能集中的超声聚焦技术和特殊信号处理技术。相控阵超声检测技术通过足够数量的阵元排列和触发时间控制，选用不同频率范围，可以实现嵌入式电阻丝电熔连接接头的检测，如图4.1.a相控阵超声检测示意图。通过超声图像与接头实剖图4.1.b 进行了对比，发现该方法检测灵敏度和检出精度较高，能可靠地检出物体中的缺陷，能较精确地确定缺陷位置、大小。
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图4.1.b成像图与实物图
2、相控阵可靠性检测的试验结果
（1）检测灵敏度和分辨力
电熔接头的缺陷主要发生在熔合面上，由于熔合面位于金属丝的下方，因此检测可靠性会受到金属丝信号的干扰。经过试验说明该技术对熔合面缺陷有足够的检测灵敏度与分辨力,可以发现熔合面上宽度为1mm缺陷。
（2）定量与定位精度
采用超声相控阵技术检测对聚乙烯电熔接头缺陷的定位与定量有足够的精度，大量的对比试验验证此技术对缺陷的定位与定量精度可以控制在0.5mm以内。由于熔合面上的信号会受到金属丝信号的干扰，导致未熔合缺陷图像不连续，信号出现在相邻两金属丝信号之间。对照检测图像与实剖图，超声检测定量与定位精度达0.5mm。
（3）电熔焊典型缺陷相控阵超声检测的应用实例
在电熔焊接头焊接完成后，制定检测工艺主要考虑检测区域、探头及楔块的选取和设置、机械扫查及线扫描的选择、探头位置的确定、扫查面的确定、扫查面的准备等及检测系统的设置和校准。通过对电熔焊接接头的相控阵超声检测效果分析，对各类缺典型陷进行实物解剖，结合对应的相控阵图谱，列举以下几例：
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图4.2.e过焊解剖与相控阵图谱
五、结论
电熔焊是聚乙烯管道焊接中常采用的方法，焊接过程中操作不当易形成未熔合面等缺陷。采用相控阵技术对聚乙烯管电熔接头进行检测，其成像与电熔接头内部的截面完全吻合，非常直观的反映电熔接头内部的状况，能够可靠地检出聚乙烯电熔接头的各类缺陷；通过对比试块和人工试样的检测试验，证明相控阵超声检测对聚乙烯电熔接头具有足够的检测灵敏度和分辨力；通过人工缺陷的相控阵超声检测试验，证明相控阵超声检测对聚乙烯电熔接头具有较高的定位与定量精度。
参考文献
【1】郑伟义，陈国龙， 陈志刚，塑料焊接技术，化学工业出版社，2015.07。
论文作者:段化超, 蔡新刚, 李根, 李宁
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第19期
论文发表时间:2020/3/16
标签：缺陷论文; 相控阵论文; 金属丝论文; 聚乙烯论文; 超声论文; 熔焊论文; 冷焊论文; 《科学与技术》2019年第19期论文;