超声波焊接聚乙烯接头温度场的计算及检测

和切割法实测了 #$%&*++ 压力管道热熔对接焊焊 接接头的残余应力。试验中使用仪器设备为 ,$ 应变片是国营第五二 !./ 型可编程应变测量系统， 一厂生产的电 阻 应 变 片， 型 号： 电阻 /&*.+ - .01； 值： 灵 敏 系 数： *.+2+ # 3 +2.! ； .2.+ 3 +24*! 。其 外、 内表面测点应变花的布置如图 4 所示。共测量 其中外表面 *+ 点， 焊缝上 （ "* 、 *) 个点残余应力值， 、 距焊缝 *2" 55 位置 （ ". 、 和 ) 55 位 $*） #. 、 $.） #*、 置 （ ") 、 各三个测点， 距焊缝 " 55 位置一个 #) 、 $)） ， 内 表 面 上 有 ) 个 测 点，分 别 为 焊 缝 上 测点 （ #’ ） 、 距焊缝 *2" 55 （ %.） 、 （ %)） 和的位置。 &+ （ %*） ) 55 点为补偿应变片。
图+ 预热温度 #（ ! 0） +!* 预热压力 $（ ! 1(2） */!8 热熔对接焊的主要工艺过程 焊接压力 $（ ! 1(2） */!8 压焊时间 "（ . 567） !. 表 ! ()!** 塑料压力管道热板焊接工艺参数 预热时间 加热板温度 加热时间 切换时间 "（ #（ "（ "（ ! 3） + 0） + 3） 4 3） +* +!* !.* .
［+］ +/!/! &’() 材料的力学行为特性 聚乙烯材料属于半结晶高分子聚合物材料， 它
节点总数 <=.4。其几何形状和划分的有限元 .4=8， 网格如图 4 所示。
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具有以下特性 （!） 蠕变： 在持续不变的加载下变形会 逐渐增加； （+） 应力松弛： 在持续不变应变下应力会 逐渐减弱； （ 4） 迟滞： 材料的应变响应滞后于应力； 应变率敏感： 反映材料力学性质的一些物理量， （.） 如杨氏模量、 剪切模量、 泊松比等， 一般与应变速率 （或时间） 有关。因此， 该类材料应力应变之间不存 在一一对应关系。当使用 "#$%$ 非线性结构分析 有限元程序进行计算时， 采用小位移、 小应变， 材料 模式选为热粘弹性， 由于材料力学性能依赖于温度 的变化而变化， 属于材料非线性。 +/!/+ 有限元模型的建立及网格划分 考虑对称性， 从焊缝中心处开始取一侧作为研 究对象， 焊件的形状和焊接特点决定了接头有限元 模型为圆环状， 为提高计算精度和速度， 将用于分析 计算的轴对称焊件划分成非均匀网格， 由于焊接热 源附近温度梯度大， 在焊缝及其附近采用细分的网 格， 而在远离焊缝的焊件部分采用较粗大的网格划 二十节点 分。计算时采用三维实体单元 $9:;’<*， 六面体单元划分有限元网格， 有限元网格单元总数 ・ !. ・
第 ++ 卷第 % 期
压
力
容
器
总第 3%5 期
当通过 !"#$# 软件完成应力计算后， 归纳结果 如图 % & ’ 所示。其中图 %、 图 ( 分别为焊接过程中 不同时刻管道内、 外表面的瞬态轴向、 环向应力； 图 环向应力沿壁厚方向的分布情况。 ’ 为轴向、
相反， 因此内表面的应力峰值比外表面略低。
设
计
计
算
高密度聚乙烯塑料压力管道热板焊接头 应力分布有限元分析
王建平! ， 霍立兴! ， 谷侃锋" （! ! 天津大学 材料科学与工程学院， 天津
摘
辽宁 沈阳 #$$$%"； " ! 中国科学院沈阳自动化研究所，
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基于热粘弹性积分型本构关系， 考虑材料性能依赖于温度变化及相变潜热的影响， 利用 ’() 要：
这又会对由于不平衡结晶而 “冻结” 在晶体内的残余 应力有一定的消除作用。此外， 热板焊接是在压力 下的冷却结晶， 由于高分子链排列不紧密不规则而 造成的结晶取向应力很小， 缩孔、 疏松现象很难形 成。这样由于结晶过程中的几何不均匀造成的内应
［"］ 力也就很难产生 。
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热板焊接头残余应力测试 为了验证焊后应力的大小和分布， 采用盲孔法
件等原因， 在焊接接头内部会产生瞬态热应力以及 残余应力和变形。而残余应力的存在则往往是造成 焊接接头脆性断裂、 疲劳断裂及应力腐蚀开裂等失 效形式的重要因素。因此， 焊接残余应力的研究一 直为人们所关注。
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高密度聚乙烯塑料压力管道热板焊接头应力分布有限元分析
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（ -./0） 塑料压力管道热板焊接过程， 并对 *+* 热 , 力耦合及载荷步功能模拟结晶型高密度聚乙烯 焊接接头的应力分布进行有限元分析， 得到了环向、 轴向以及径向瞬态应力分布的基本规律。采用 盲孔法和锯切法测量焊后残余应力， 实测结果与数值分析基本符合。 压力管道； 应力分布； 有限元分析 关键词： -./0；
图4 应力计算的有限元网格
+/!/4 关于加载 利用 "#$%$ 软件的载荷步功能来模拟塑料热 板焊接的四个阶段 （预热、 加热、 切换和压焊） ， 即把 焊接过程分解为四个载荷步， 每个载荷步对应一个 阶段。除了焊接加载外， 瞬态温度场作为热载荷按 节点一一对应地施加于热应力计算过程中， 从而实 现温度场和应力场的弱耦合算法。 +/+ +/+/! 焊接应力场数值计算结果分析 应力计算结果
［!］ 热板焊接试件及工艺
图!
&’() 热熔对接焊管接头
选取河北涿州亚大塑料制品有限公司生产的 尺寸规格为 ! +**， ()!** 聚乙烯压力管道， $’,!!。 采用热熔对接焊 （又称热板焊） 方法制造， 接头如图 ! 所示。焊接工艺过程大致分为 " ! - " . 四个阶段， 如图 + 所示。焊接工艺参数见表 !。 + +/! 应力的有限元分析 有限元模型的建立及相关参数的确定
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管壁外、 内表面环向应力分布
图%
管壁外内表面轴向应力分布
+,+,+ 分析与讨论 分析上节中应力计算结果看出， -./0 热板焊 接引起的应力是很小的， 大体上在 1 2 & 3,( 4/) 之 间。应力分布具有如下特点： 焊管内外表面上的轴向与环向应力分布及 （3） 应力水平大体相似。这主要是因为热板加热位置处 于管接头的端面， 内外表面在整个焊接过程中处于 基本对等的状态所致。 （+） 内表面的应力峰值略微低于外表面应力峰 值。这是因为二者的所处的约束环境及散热环境略 有差别。由于焊接方法的原因， 外表面距加热面远 端由夹持导向装置夹紧， 不允许移动， 相当于一个周 向约束， 这个约束对外表面的应力水平会产生影响。 而内表面则不存在此约束， 故内表面的应力峰值略 小。另外， 外表面暴露在开放的、 对流相对较充分的 空气环境中， 其散热速度相对较快， 而内表面则恰恰
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图’ 径向应力分布
（2） 轴向应力水平极低。由于热板焊接的特点 是加热阶段压力很小， 而且两端面均匀加热， 等温面 平行于端面向前推进， 轴向温差约束很小， 在随后的 压焊冷却阶段， 将会有一部分融体被挤出形成溢边， 不参与内应力的形成。其余的融体将在焊接压力下 结晶固化， 压力下结晶会促使聚合物高分子链趋于 紧密规则的排列， 结晶度很高 （-./0 压力下的结晶 ・ 3( ・
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高密度聚乙烯塑料压力管道热板焊接头应力分布有限元分析
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度在 !"! 以上） ， 同时释放出大量的结晶潜热， 这样 由于高分子链紧密而规则排列使得结晶取向应力就 很小， 同时结晶潜热又可以有效地促使粘弹性材料 的应力松弛， 使得在轴向压力主导下的 #$%& 管热 板焊轴向应力水平极低。 （’） 近热端面受压应力， 远端受拉应力。焊接加 热开始， 管头端面被紧压在加热板上， 热流将沿轴向 近似一维地向远端传播， 等温面几乎是以平行于端 面的平面向前推进， 近热端圆环受热膨胀， 圆环有径 向外扩的趋势， 而且距离加热端面越近， 这种趋势就 越强， 而这种局部外扩的趋势将受到尚未受热影响 或受热影响较小的的区域的材料的限制， 于是在近 热端面受到热影响较大的局部材料热胀受阻， 受到 压应力， 而其远端则相应受到拉应力。 （"） 径向应力为两端压， 中间拉。加热阶段在近 热端面附近沿轴向形成了一段熔融层， 而在焊接冷 却阶段， 融体将会散热， 进而固化， 其热量的散失将 通过内、 外表面及管子远端低温部分区域。由于管 子内、 外表面直接暴露在外界空气中， 并通过对流、 传导散热， 因而管子内、 外表面将会首先形成结晶固 化层， 如图 ( 所示。假定聚合物融体是逐 层 结 晶 当
工程塑料管道是目前管道工业发展的重要方 向， 已广泛应用于石油、 化工和市政建设等重要部 门。塑料管道的连接主要采用焊接技术， 同传统的 金属管道一样， 塑料管道结构在焊接生产和制造过 程中， 也会由于不均匀加热、 冷却、 材质变化、 拘束条
基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （&$$%&$T!）
大量研究结果表明， 塑料作为一类高分子材料，
［!］ 。目前， 从粘弹性本构关 呈现典型的粘弹性特点
系出发来研究塑料焊接残余应力， 在国内尚属空白。 本文在热粘弹性材料本构关系分析的基础上， 利用 大型有限元软件 "#$%$， 对结晶型 &’() 塑料压力 管道热板焊接接头应力进行数值分析， 以期得到应 力的基本分布规律。 !
中图分类号： 123$& 文献标识码： ’ 文章编号： （"$$&） !$$! , 34#% $3 , $$!# , $3
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