楊秀軒，趙 輝，張圣源

(東北林業(yè)大學生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，哈爾濱150040)

以木塑復合材料［1］為原料，通過擠出成型的方式制成窗扇型材，這種型材以塑料作為基體以木質纖維作為增強體進行復合而制得，塑料一般選用PE、PP、PVC和PS等熔融溫度低于200℃的熱塑性塑料。窗扇型材可回收利用，不產(chǎn)生環(huán)境污染，節(jié)約森林資源，在各種資源缺乏的今天具有很大的發(fā)展優(yōu)勢。同時，木塑材料具有良好的加工性能和防蟲、防火、隔熱性能。

木塑窗扇常用三種連接方式:機械連接、膠連接和焊接。其中焊接的方式可以采用超聲波焊接［2］和熱熔焊接，本文采用熱熔焊接機進行木塑窗扇焊接，不需要添加焊接劑，密封性好，實踐性強，本文主要通過試驗研究，應用熱熔焊接技術焊接木塑窗扇，設定關鍵熱熔焊接參數(shù)［3］(焊接溫度、焊接壓力、作用時間等)分析焊接溫度對窗扇角強度的影響，尋求最佳的焊接溫度，以提高焊接角強度。

1 試驗準備

1.1 試驗原料

實驗所用木塑材料為:36%的塑粉(PE)，60%的木粉，并加入部分偶聯(lián)劑和抗氧化劑等通過混料機進行混料，再通過造粒機進行造粒，最后通過擠出機擠出成型制成截面形狀如圖1所示的門窗材料，用雙頭切割鋸將材料端部截成45°，長度約370 mm的窗扇型材(如圖2所示)。

圖1 窗扇截面Fig.1 The cross section of window frame

圖2 窗扇型材Fig.2 The window frame material

1.2 試驗設備

木塑熱熔焊接是利用熱熔焊機的焊板對木塑中的PE加熱將其熔融，在一定壓力的擠壓作用下將材料對接在一起，并保壓冷卻從而完成焊接［4］。塑料熱熔機主要有一位、兩位、三位、四位及立體熱熔機，本次實驗所用設備為濟南精工新亞機器有限公司生產(chǎn)的塑料門窗四位焊接機，該焊接機共四個機頭，除第一個機頭被固定外，其余三個機頭均可在焊接機支架導軌上調節(jié)其位置，從而完成多種窗扇形狀的焊接，機頭可以單動或聯(lián)動工作，如圖3所示，每個機頭的結構基本相同，機器的輸入電源為380 V，輸入功率為3.5 kW，采用氣壓傳動。

圖3 熱熔焊接機頭Fig.3 The fusion welding machine head

另外，在焊接完成后還需要利用角強度測試儀進行窗扇角強度的測試，所用角強度測試儀為濟南大唐偉業(yè)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的SJS－20數(shù)顯式角強度測試儀。

2 實驗過程

影響焊接的參數(shù)主要有5項:縱向進給壓力、橫向進給壓力、焊接時間、保壓時間、焊接溫度。在保證焊接能夠進行的情況下，暫不考察前四項對焊接強度可能產(chǎn)生的影響，在本次試驗中將縱向進給壓力設為0.4 MPa;橫向進給壓力設為0.2 MPa;焊接時間為30 s;保壓時間為30 s。集中考察焊接溫度對焊接強度的影響。對于PVC型材，理論焊接溫度約為180℃［5］，但由于焊板焊布之間的縫隙及其他的一些原因，廠家的實際焊接的溫度遠低于設定顯示的溫度，并且溫控儀所測的是一個點的表面溫度，所以實際工作時顯示的溫度要高于180℃［6］。因此參考PVC門窗焊接的溫度以及木纖維的碳化溫度，初步設定木塑的焊接的實驗溫度范圍為240～280℃，焊接完成后常溫下冷卻24 h后，用角強度測試儀進行角強度測試。

3 試驗結果及分析

焊接機一共有4個焊頭，利用一號焊頭進行焊接，在240～280℃范圍內每隔5℃進行實驗，各個測定溫度試驗3件，其試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 一號焊頭角強度測試(單位:N)Tab.1 The first welding angle strength test(N)

由實驗數(shù)據(jù)可以看出整體數(shù)據(jù)較為分散，分析原因可能是:

(1)人工上料過程中，造成的安裝定位誤差。

(2)窗扇料在擠出成型過程中，表面不平整，有凸凹波度。

(3)用雙頭鋸切割過程中，切割面粗糙度較大。

以上原因導致焊接時熱熔不穩(wěn)定，影響了強度。另外，焊接過程中加熱板后退，后鉗板與后定位板前移，兩焊件對接，過程中兩焊件的相對位置發(fā)生了變化，導致焊接面沒有良好接觸，從而影響了焊接強度。

由于木塑復合門窗沒有相關標準，借鑒2005年11月11日頒布的未增塑聚氯乙烯(PVC－U)塑料窗標準JGT 140－2005，根據(jù)型材剖面的外形尺寸和壁厚計算出型材的計算值。標準規(guī)定窗扇焊接角最小破壞力的計算值不應小于2 000 N，窗扇焊接角最小破壞力的計算值不應小于2 500 N，且實測值均應大于計算值。

根據(jù)木塑窗框的截面形狀與尺寸，依據(jù)最小破壞力的計算公式:

式中:W為應力方向的傾倒矩I/e，單位:mm3;I為型材橫斷面中性慣軸慣性矩。T型焊接的試樣應使用兩面中慣性矩的較小值，單位:mm4;a為試樣支撐面的中心長度，單位:mm，a=(400±2);e為臨界線與中性軸的距離，單位:mm;ɑmin為型材最小破壞應力，單位:MPa，ɑmin=35。

根據(jù)實驗所用型材尺寸，經(jīng)計算得該型材的最小破壞力計算值為:Fc=3206.9N＞2 500 N，符合標準規(guī)定，但通過實驗發(fā)現(xiàn)目前焊角強度的實測值暫不能達到計算值的要求，因此需要考慮在焊接的基礎上進行復合連接，在本次試驗中將標準規(guī)定中的計算值的最小值即2 500 N作為強度目標值。

通過實驗觀察并分析以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在240℃時焊接強度偏低，焊接熔融量不足，在280℃時又有嚴重的碳化現(xiàn)象，而在245、260、265、270、275℃時焊接的角強度均有2500N以上的數(shù)據(jù)出現(xiàn)，因此擬在同一焊機二號機頭上在245～275℃溫度范圍內再進行焊接試驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行單因素試驗方差分析，其實驗數(shù)據(jù)見表2。

由數(shù)據(jù)計算得:組內平方和SE=8 376;組間平方和SA=204 479。

對照 F表，F(xiàn)0.99(6，14)=4.46，F(xiàn)=5.7＞4.46，故溫度對于焊接強度具有較為顯著的影響。

表2 二號焊頭角強度測試(單位:N)Tab.2 The second welding angle strength test(N)

在焊接過程中，焊接效果的好壞對焊接強度具有重要影響，在以溫度范圍內進行焊接試驗時，在一號焊接頭上進行焊接時焊接效果較差，原因可能是焊布由于前期的反復使用使焊布被污染，影響了焊件表面的熔融效果，使得焊接時的焊件表面熔融表面不均勻，影響了焊接效果。另外，焊布與焊板的貼合情況也會影響焊接效果，二號焊頭的貼合效果優(yōu)于一號焊頭，故焊接質量有一定影響。

圖4所示為不同溫度下的焊角強度的最大值與最小值，由圖可以看出整體焊接數(shù)據(jù)具有一定的離散型，除上述分析的原因外，由于焊板是裸露在空氣中的，因此周圍環(huán)境與通風狀況對焊接強度也對焊接效果產(chǎn)生了一定的影響。

圖4 不同溫度下的焊角強度值差Fig.4 The strength values of welding angle at different temperatures

4 焊接后的形貌觀察

在焊接完成后對焊接后的試件和壓開后的斷面進行觀察，發(fā)現(xiàn)在溫度較低時產(chǎn)生的溢料較少，顏色較淺，隨著溫度的升高其溢料逐漸增多，而且溢料顏色逐漸加深，在270℃以上時顏色變化較為明顯，當溫度達到280℃時焊接表面已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的炭化現(xiàn)象，部分區(qū)域變黑。

實驗所用焊接機具有自動清除上下面焊瘤的功能，在焊接完成后，焊件接頭處會出現(xiàn)焊瘤，在將焊瘤清除后，發(fā)現(xiàn)接頭處有明顯的焊縫，與焊件本身的顏色不同，影響了焊件的美觀性，如圖5所示。

圖5 焊縫效果Fig.5 The welding seam

5 結論

研究結果表明，溫度在240～280℃之間均可實現(xiàn)木塑窗扇的熔融狀態(tài)，進而完成焊接，溫度偏低時熔融量不足以焊接，溫度偏高時木塑中的木粉會出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，而且木纖維會發(fā)生質變，影響焊接強度，因此為保證木塑窗扇焊接的熔融量和防止碳化的前提下，選擇260℃左右的溫度下在進行木塑窗焊接較為適宜。

利用熱熔焊接進行木塑的連接，具有密封性好、連接速度快等優(yōu)點，在焊接接頭處會出現(xiàn)焊瘤，雖然熱熔焊機可以自動清除，但會有焊縫痕跡出現(xiàn)，可以通過表面涂覆等方法處理。

［1］肖澤芳，趙林波，謝延軍，等.木材—熱塑性塑料復合材料的進展［J］.東北業(yè)大學學報，2003，31(1):39 －41.

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