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解析塑料异型材新标准中冲击和焊接 两项技术指标差异 杨忠久 北京北方国建塑业有限公司 摘要：本文论述了G B T8 8 1 4 - - 2 0 0 4 ( ( f q 窗用未增塑聚氯乙烯( P V C u ) 型材标准中规定的低温落槌冲击性能和焊接性 能试验方法和指标变动的意义及其影响因素，对指导行业正确进行以上两项试验有一定作用。 关键词：塑料异型材；新标准；冲击；焊接 1低温落槌冲击高度和冷冻时间变更对型材韧性 指标的影响 G B T8 8 1 4 - - 1 9 9 8 门窗用硬聚氯乙烯( P V c ) 标准规定的低温落槌冲击性能是把试样件在一I O E 条件下放置4 h ，用1 0 0 0 9 重锤测试，外门外窗型材 落锤冲击试验高度为1 0 0 0 m m ，内门内窗型材落锤 冲击试验高度为5 0 0 m m ；G B T8 8 1 4 - - 2 0 0 4 ( 门窗用 未增塑聚氯乙烯( P V C u ) 型材标准规定的低温落 槌冲击性能是把试样件在一1 0 条件下放置1 h ，用 1 0 0 0 9 重锤测试，落锤冲击高度分别为1 0 0 0 m m 和 1 5 0 0 r a m 两种。型材新老标准中关于冲击试验方法， 不管是冷冻时间，还是冲击高度都有所变化。实际 上我国行业内各个企业进行试验时，在冰箱放置时 间有很大差别，即有事先放入冰箱，待冷至却 一1 0 时才开始计时的：有在一I O 。C 条件下放人冰箱 即计时的；也有在冰箱一1 0 条件下放人，试件温度 下降至一I O 。C 才开始计时的。这些试验结果究竟有什 么不同? 又说明了什么? 冷冻时间长短、冲击高度高 低、冷冻温度高低等问题究竟对型材的韧性有什么 影响? 值得业界技术人员认真研究，做出一个科学、 合理的结论。 1 1不同冷冻时间对型材韧性指标的影响 经笔者多次试验证实：试样在冰箱温度为一1 0 条件下放入。放置1 h 开始测试：将试样提前放入冰 箱，待冷至一1 0 后才计时，1 h 后测试；在冰箱一1 0 条件下放入试样，冰箱内温度有一个变化过程，先 上升后下降至一1 0 才计时，1 h 后才测试这几种情 况，所作试验结果没有明显变化。从理论上分析：随 试样在一1 0 条件下放置时间越长，试样从外到里已 完全冷冻透，聚合物分子结构发生重组的更完全、 更彻底试样截面应力重新分布的更加均匀，试验 结果更准确。 G B f F8 8 1 4 - - 2 0 0 4 门窗用未增塑聚氯乙烯 ( P V C u ) 型材标准规定：试样在冰箱温度为在一l O 条件下放人，放置1 h 开始测试。也就是说经过1 h 冷冻，试样完全可以冻透。因此以上三种做法均可。 只不过G B T8 8 1 4 - - 2 0 0 4 型材新标准规定的做法试 验效率高一点。这可能也是型材“新标准”将试验时 间从4 h 缩短到1 h 的原因所在。对于规格较大的型 材试样时间短一点若没有完全冻透，试样截面内 外残存温差时，可能试验条件更为严格，破裂的几 率会较高。鉴于塑料门窗工作环境温度并不是恒定 的，也是在随机变化的，型材内外温度也是有差别 的。在这种条件下，也应要求门窗杆件承受外部冲 击作用时以不发生破裂为宜。 1 2 不同冲击高度对型材冲击破裂影响 用动力学原理分析：冲击试验用重锤从一定高 度自由落下冲击试件时，共有两种能量，即重能和 5 0 2 0 1 2 0 6 万方数据 窒垦叁枣壑壁盔丝! 翼壑 势能，也即是重锤冲击试件是对试件做功。重锤所 做功的大小，既和物体的重量有关也和所在的高 度有关，重量越重、高度越高所做的功愈大。 1 3 欧洲型材标准和我国型材标准的异同 我国塑料异型材标准中有关冷冻的试验均是 要求在一1 0 。C 情况下进行的：欧洲D L N E N4 7 7 标准 规定：试验在一2 0 条件下，将试样放置2 4 h ，落锤质 量同样为1 0 0 0 9 ，冲击高度为2 2 5 m 。 将试样放置2 4 h 比放置1 h 或4 h 冷冻，试验 结果会更好是毋庸质疑的。本节分析重点为试验 在一2 0 。c 条件下和在一1 0 条件下进行有什么区别? 塑料异型材冲击性能主要由冲击作用力大小 与环境温度高低两因素决定。脆性是高分子聚合物 固有的特性，对温度比较敏感。材料随环境温度降 低，承受外力冲击的能力相应降低。型材要承受较 高的冲击能力，除要型材截面和壁厚符合标准要 求，型材内部聚集的内应力较小外，还与配方中冲 击改性剂和碳酸钙品种及剂量有关。型材截面、壁 厚及内应力决定了材料的刚性，配方中冲击改性剂 和碳酸钙品种及剂量决定了材料的韧性。材料中韧 性和刚性，不仅相互制约和影响，而且是相辅相成 的，一方面过大刚性是以牺牲韧性为代价，而过大 韧性又以牺牲刚性为代价。另一方面一定的韧性 可以通过弹性变形，吸收、分散以减缓冲击能量，减 少试件冲击损坏；而适当刚性，可以通过减少制品 变形量，避免超极限破坏。材料韧性能否满足在更 低温度环境下使用，和高分子聚合物玻璃化温度有 关。所谓玻璃化温度是高聚物由高弹态转变为玻璃 态温度，指无定型聚合物( 包括结晶型聚合物中的 非结晶部分) 由玻璃态向高弹态的转变温度，或无 定型聚合物大分子链段自由运动的最低温度。玻璃 化温度通常用疋表示。在此温度以上，高聚物表现 出弹性；在此温度以下，高聚物表现出脆性。 据悉我国大部分企业使用玻璃化温度为一I O 。C 的 C P E 冲击改性剂。当型材使用环境温度低于( 一1 0 ) 时，P V C 熔体仍基本表现为脆性材料性质，即使添 加再多C P E 也与事无补。欧洲国家气候相对寒冷， D L N E N4 7 7 标准规定：试验在一2 0 ，冲击高度为 2 2 5 m 条件下进行。生产塑料异型材不采用C P E 抗 冲改性剂，道理或许就在于此。 G B T8 8 1 4 - - 2 0 0 4 门窗用未增塑聚氯乙烯 ( P V C u ) 型材标准规定的低温落槌冲击性能，是 固删 把试验样件放在电冰箱一1 0 。C 条件下存放l h 后进行 试验的。按我国建筑气候分区类别的一类地区，即 黑龙江、吉林、内蒙除西部外大部分、辽宁北半部、 河北、山西、陕西三省北部等广大地区冬季最冷月 平均气温都在一1 8 左右。显然型材“新标准”G B T 8 8 1 4 - - 2 0 0 4 在这些地区存在局限性。要使塑料门窗 在以上地区正常使用，塑料异型材配方采用C P E 抗 冲改性剂，显然已难以胜任。A C R 抗冲改性剂玻璃 化温度大致在一3 6 6 0 区间远远低于C P E 抗 冲改性剂。因此这些地区使用的型材，采用A C R 抗 冲改性剂无异是最佳选择。 2 焊接试验方式和计算方法变更的意义 G B T8 8 1 4 - - 2 0 0 4 门、窗未增塑聚氯乙烯 ( P V C U ) 型材国家标准中，新增加了主型材可焊 性检验指标，以取代J G T3 0 1 7 9 4 硬聚氯乙烯塑 料门与J G T3 0 1 8 9 4 硬聚氯乙烯塑料窗标准 中的角强度指标。其计算公式如下： 盯。= F c x ( a 2 - e 2 1 r z ) 2 W 式中： 盯。受压弯曲应力，单位为兆帕( M P a ) ； R 受压弯曲最大力值，单位为牛顿( N ) ； 。一试件支撑面中心长度检测统一规定为 4 0 0 m m ； e 试样临界线A A 与中性轴z Z 的距离，单 位为毫米r a m ) ； 形型材应力方向的倾倒矩，e ，单位为立方 毫米r a m 3 ) ： ，一型材横截面对z z ，轴的惯性矩，单位为四 次方毫米r a m 4 ) 。 通过验算可知，以上受压应力计算公式实际上 是通过弯曲应力公式推导而来的。公式中分子部分 表示的是试件弯矩，取决于试件长度与荷载，标志 一定长度试件所能承受的线性荷载。分母部分表示 的是试件抵抗矩，取决于截面应力方向惯性矩与中 性轴到截面边缘距离的比值。 2 0 0 6 年1 月开始实行的J G T18 0 一2 0 0 5 未增 塑聚氯乙稀( P V C U ) 塑料门与J G T1 4 卜2 0 0 5 未增塑聚氯乙稀( P V C U ) 塑料窗两项标准又以 焊接角最小破坏力指标取代J G f f3 0 1 7 9 4 与J G T 3 0 1 8 9 4 标准中的角强度指标。其焊接角最小破坏 力指标F c 值计算如下： F c = ( 4 0 “ 。一w ) ( a 一2 1 2 e ) 2 0 1 2 0 65 1 万方数据 圃州 式中： 卜焊接角最小破坏力，单位为牛顿( N ) ； 形应力方向的倾倒矩e ，单位为立方毫米 r a m 3 ) ； 卜一型材横断面中性轴惯性矩。T 型焊接的试 样应使用两面中惯性矩的较小值，单位为四次方毫 米( m m 4 ) ： 一试样支撑面的中心长度，单位为毫米 ( r a m ) ，a = ( 4 0 0 _ 2 ) m m ； e 临界线与中性轴的距离，单位为毫米 ( m m ) ； o r 。型材允许最小破坏应力，单位为兆帕 ( M P a ) 。 型材与门窗标准焊接强度计算公式的变化有 什么不同，笔者在塑料异型材可焊性与塑料门窗 焊接角最小破坏力指标对比分析已有详尽论述， 本文不再赘述。本文主要讨论焊接试验方式和计算 方法变更对表征焊接性能有什么意义。 2 1 试验方式变更对焊接性能的影响 J G T3 0 1 7 9 4 硬聚氯乙烯塑料门与J G 厂1 1 3 0 1 8 9 4 硬聚氯乙烯塑料窗标准角强度检测时 规定的木块支撑法，是将试件放在压力机下，试件 下部放置好垫块，使试件受力均匀，以5 0 m m m i n + _ 5 m m m i n 的加荷速度进行试验，测定破坏时的最大 荷载及试件破坏情况。以五个试样的测试平均值进 行计算平均值不得低于3 0 0 0 N ，最小值不低于平均 值的7 0 为合格。 单位m l T i 图1型材老标准角强度试验木块支撑示意图 G B T8 8 1 4 - - 2 0 0 4 门窗用未增塑聚氯乙烯 ( P V C U ) 型材标准规定的可焊性检测，是将试件 底部锯成4 5 。切E 1 两型材焊接后不清理焊缝，只清 理9 0 。角的外缘，两中心线距离d 0 0 m m + 2 m m ，并将 整噩叁奄鳖壁壅堡! 翼壑 试样两端放在活动的支撑座上，用测量范围为0 k N 2 0 k N 的角强度测定仪，以5 0 m r r d m i n + _ 5 m m m i n 的加 荷速度对试件焊角或T 型接头施加压力，直至断裂 为止，记录试件受压弯曲断裂的力值R ，然后通过 公式计算受压弯曲应力o r 。，做为衡量受力杆件可焊 性的量值。指标为焊角的平均应力3 5 N m m 2 ，每个 单项值3 0 N m m 2 。 图2 型材新标准活动支架支撑示意图 受压弯曲应力仉的值已涵盖了试件截面的形 状与规格，能真实地体现试件在外力作用下的单位 荷载。原采用的焊角强度检测方法，反映的是试件 在外力作用下的总荷载，其值大小与受力试件应力 方向的截面形状与面积相关，并不代表受力试件承 受的单位荷载。同时原焊角强度检测方法采用固定 木垫块支撑试件应力中心无法自动调整在静压 力作用下，测定的强度值离散性很大有时在同一 焊机机头与焊接工艺参数条件下焊接的试件测定 的数据最高值与最低值相差达2 0 0 0 N 以上。可焊性 检测方法采用活动支撑座，试件在静压力作用下， 能自动调整应力中心，测定的受力弯曲最大力值离 散性较小，比较真实。因此采用可焊性检测方法，并 通过计算得到受压弯曲应力c r c ，比采用焊角强度检 测方法更具科学、公正、合理性。 2 2 塑料异型材新老国标有关计算方法变更对焊 接性能的影响 由力学原理可知：门窗杆件变形共有四种形 式，一是轴向拉伸或压缩；二是剪切；三是扭转；四 是弯曲。由型材新标准焊接试验可知，型材焊接试 验过程中型材焊缝承受的是压作用力：型材轴向长 度部分承受的是弯曲作用力；型材底部即焊缝开裂 部分承受的是拉作用力。 三种作用力在不同试验条件下，对试件产生的 破坏形式有所不同。试件承压部分破坏的几率很 小，但在压力作用下杆件轴向承受弯曲破坏和拉伸 破坏几率较高。当然弯曲破坏也是以拉伸破坏形式 得以体现的。当弯矩较小时，主要以拉伸破坏形式 5 22 0 1 2 0 6 万方数据 为主，当弯矩较大时主要以弯曲破坏形式为主， G B T8 8 1 4 - - 2 0 0 4 门窗用未增塑聚氯乙烯 ( P V C U ) 型材标准规定的试验方法是试件支撑面 中心长度统一规定为4 0 0 m m 来进行计算。除受力截 面外充分考虑了试件截面结构承压时弯曲变形情 况，因弯曲导致试件在小车作用下滑动，弯曲抗阻 力很小。试件破坏现象主要是因弯曲作用力导致材 料拉应力增大所致。因此型材焊接强度按弯矩公式 进行计算，计算值称之为最大弯曲应力。若按J G T 3 0 1 7 9 4 硬聚氯乙烯塑料门与J G T3 0 1 8 9 4 硬 聚氯乙烯塑料窗标准规定的木块支撑试验方法， 试件长度的中心仅有1 0 0 m m ，其弯矩很小，试件在 承受压力状态下，木块不发生滑移，对型材弯曲抗 阻很大，试件承受弯曲作用能力强，不宜弯曲，其试 件破坏主要是承受的截面拉伸应力。倘若按弯矩公 式计算其弯曲应力势必会很大。若以拉伸计算公 式，仅反映试件的截面大小，不反映试件截面结构。 现用原标准取样长度，试用新标准方法测试。 以弯矩公式计算6 0 平开框、6 0 推拉框型材最小弯 曲应力加以证明。 已知6 0 平开框，值为1 9 6 0 0 2 m m 4 , E 值为 3 5 4 8 r a m ，计算R 值? F c = ( 4 0 - 曲W ) ( a - 2 1 ) = ( 4 x 3 5 x 1 9 6 0 0 2 3 5 4 8 ) ( 1 0 0 2 - 3 5 4 8 2 1 1 = 7 7 3 4 0 1 3 5 ( 5 0 2 5 0 9 ) = 7 7 3 4 0 1 3 5 2 4 9 1 = 3 1 0 4 7 8 3 N 已知8 0 推拉框型材，值为2 11 3 0 9 m m 4 , E 值为 2 6 8 7 r a m ，计算F c 值? F c = ( 4 0 “ m m w ) ( a 一2 1 1 = 4 x 3 5 x 2 11 3 0 9 2 6 8 7 ( 1 0 0 2 2 6 8 7 2 抛) = 1 1 0 0 9 7 7 3 ( 5 0 1 9 ) = 3 5 5 1 5 3 9 7 N 由以上计算可知：用原标准取样长度，用新标 准方法测试。6 0 框R 值比新标准提高约1 5 2 4 倍， 8 0 推拉框R 值比新标准值提高约1 4 2 1 倍。远远高 于老标准规定的3 0 0 0 N 。由此可见因木块支撑试验 方法规定的弯矩很小，未体现型材截面特性，与新 标准规定的最小弯曲应力并非是同一个概念。 ，”+ ”+ “+ “+ “+ “+ 。+ 。+ “+ ”+ ”+ “+ 。+ 。+ 。+ 。+ “+ + ”+ ”+ ”+ ”+ 。+ “+ “+ ”+ 。+ 。+ 。+ 。+ 。+ 。+ 。+ 。+ 。+ 。+ 。+ + 。+ 。+ 。+ 。+ 。+ 。+ 。、 t t + T +李克强出席2 0 1 2 年普利兹克建筑奖颁奖典礼 ； t rt l !中共中央政治局常委、国务院副总理李克强5 月2 5 日在人民大会堂出席国际建筑界大奖一一2 0 1 2