趙輝 王天琪 宋揚(yáng) 周煥宇 王清文

(生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

責(zé)任編輯:張 玉。

近年來(lái)，隨著環(huán)保理念的不斷提倡，木塑復(fù)合材料(Wood-plastic Composites 簡(jiǎn)稱(chēng)WPC)作為一種可對(duì)廢舊木材和塑料二次回收的環(huán)保復(fù)合材料，并兼有植物纖維和塑料的雙重特點(diǎn)，具有較好的物理性能、可加工性能、環(huán)境友好性等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為研究熱點(diǎn)［1］。目前，木塑復(fù)合材料多用于包裝行業(yè)、建筑行業(yè)、汽車(chē)內(nèi)飾，而在我國(guó)較多應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，如地板、門(mén)窗、裝飾板等，其中木塑門(mén)窗以其良好的力學(xué)性能、較高的使用價(jià)值、較低的成本得到越來(lái)越多的關(guān)注［2］?，F(xiàn)今，木塑窗角常用的連接方式為機(jī)械連接、膠接、焊接，采用單一的連接方式都避免不了其本身的問(wèn)題，而復(fù)合連接是利用2 種或多種方式連接木塑窗角的互補(bǔ)方法，漸漸成為主要發(fā)展趨勢(shì)［3］。

本試驗(yàn)采用熔焊-電磁感應(yīng)加熱復(fù)合連接木塑窗角的方法，先用熔焊進(jìn)行木塑窗角的初步連接;再用電磁感應(yīng)加熱熱熔窗角，增強(qiáng)腔內(nèi)的填充物，待冷卻后形成加強(qiáng)筋塑件角碼，完成二次加強(qiáng)連接。由于熔焊和電磁加熱均屬于快速成型的連接，所以這種復(fù)合方法具有較高的連接效率，并且電磁感應(yīng)加熱連接具有加熱均勻、連接結(jié)構(gòu)安全可靠、熱效率高等特點(diǎn)，具有廣泛的研究領(lǐng)域和良好的應(yīng)用前景［4］。

本試驗(yàn)選取擠出型工藝生產(chǎn)的木塑異型材作為研究試件，通過(guò)復(fù)合連接的方法避免了單一方式引起的不足，尤其是將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)引入到木塑窗角的連接中，并利用角強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)分析連接效果，這種新的連接方式可為以后的木塑窗角連接提供參考。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱(chēng)取50 份聚乙烯(PE)、50 份木粉(WF)、9 份的加工助劑，經(jīng)混粉、造粒、擠出成型，制備試件70 型木塑平開(kāi)窗窗扇型材(見(jiàn)圖1)。

實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備:SHZ4-100x4500 塑料門(mén)窗4位焊接機(jī)(濟(jì)南精工新亞機(jī)器有限公司);GPH-36微型感應(yīng)加熱設(shè)備(鄭州日佳電源加熱設(shè)備有限公司);SJS-20 數(shù)顯式角強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南大唐偉業(yè)科技發(fā)展有限公司);紅外熱像儀(美國(guó)福祿克公司)。

圖1 試件制備圖

熔焊原理:利用熱板焊接將焊件接頭加熱至熔化狀態(tài)，在一定壓力下熔化部分相混合，待一段時(shí)間后，冷凝形成焊縫，完成焊接。初步熔焊目的是連接兩個(gè)窗扇，可防止電磁感應(yīng)加熱形成木塑窗角碼過(guò)程中填充物質(zhì)熔化流出，提高連接效果。

電磁感應(yīng)加熱原理:交變的電流通過(guò)線(xiàn)圈會(huì)形成交變的磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)被導(dǎo)體切割產(chǎn)生渦流，使導(dǎo)體瞬間發(fā)熱;由于電磁加熱過(guò)程沒(méi)有熱傳導(dǎo)的損耗，并且磁力線(xiàn)通過(guò)非金屬物質(zhì)時(shí)不受阻礙，因此熱效率非常高，極大的縮短了加工時(shí)間并增強(qiáng)了木塑窗質(zhì)量。

熔焊-電磁感應(yīng)加熱復(fù)合連接試驗(yàn):本試驗(yàn)基于前人對(duì)熱板熔焊連接木塑窗角的實(shí)踐，初步熔焊的焊接條件選擇為焊接溫度260 ℃、焊接時(shí)間60 s、加熱時(shí)間50 s、左右進(jìn)給壓力0.2 MPa、前后壓鉗壓力0.4 MPa。

在電磁感應(yīng)加熱連接中，影響窗角連接的主要參數(shù)為加熱時(shí)間、輸出振蕩頻率。加熱時(shí)間選取35～60 s，每隔5 s 進(jìn)行一次試驗(yàn);輸出振蕩頻率40～70 kHz，每隔10 kHz 進(jìn)行一次試驗(yàn)。共24 組，每組重復(fù)3 個(gè)試樣。

圖2為鋼襯的側(cè)視圖。本試驗(yàn)采用的鋼襯為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45 鋼，寬度42 mm、高度25 mm。在電磁感應(yīng)連接之前，為了增大填充物質(zhì)與窗角增強(qiáng)腔的接觸面積，以便更好的熔化形成角碼、提高連接強(qiáng)度，對(duì)鋼襯進(jìn)行了兩點(diǎn)改進(jìn):①將鋼襯一端切割為45°角對(duì)接;②在鋼襯45°角一側(cè)打孔，便于填充物質(zhì)的流通。改進(jìn)后的鋼襯如圖3所示。鋼襯和填充物質(zhì)準(zhǔn)備好后，放入到木塑窗增強(qiáng)腔中，其截面示意圖如圖4所示。

電磁感應(yīng)加熱設(shè)備如圖5所示。根據(jù)木塑窗角的外形尺寸，確定加熱線(xiàn)圈為3 層。層與層之間距離均為33 mm;每一層長(zhǎng)度分別為290、230、170 mm，寬度均為70 mm;線(xiàn)圈直徑為8 mm。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)在左側(cè)面板設(shè)定輸出振蕩頻率和加熱時(shí)間后進(jìn)行加熱。

圖2 鋼襯側(cè)視圖

圖3 鋼襯改進(jìn)圖

圖4 木塑窗內(nèi)部截面示意圖

圖5 電磁感應(yīng)加熱圖

本試驗(yàn)填充物質(zhì)選擇聚乙烯樹(shù)脂，經(jīng)試驗(yàn)證明，鋼襯在電磁感應(yīng)線(xiàn)圈中加熱后溫度會(huì)極速上升并且熔化。圖6、圖7，為輸出振蕩頻率50 kHz、電磁加熱時(shí)間55 s 時(shí)，第20 s 左右經(jīng)過(guò)紅外溫度測(cè)試儀器測(cè)得的鋼襯紅外圖像和木塑窗外表面紅外圖像。圖6顯示加熱時(shí)，鋼襯溫度為275.1 ℃，遠(yuǎn)超出聚乙烯樹(shù)脂的熔點(diǎn)，可以快速進(jìn)行熔化。圖7顯示加熱結(jié)束后，試樣外表面溫度為80.3 ℃，該溫度不會(huì)破壞木塑窗表面材料。

圖6 鋼襯紅外圖像

圖7 木塑窗外表面紅外圖像

2 結(jié)果與分析

待加熱完成，將連接好的窗角完全冷卻后放在角強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)下檢測(cè)，記錄窗角受壓彎曲斷裂的最大值(Fc)(見(jiàn)圖8)。

根據(jù)公式(1)可計(jì)算窗角受壓彎曲應(yīng)力(σc)。

由于木塑窗角尺寸均為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以按照GB/T 8814—2004 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，公式(1)中a =(400 ±2)mm 為試樣支撐面的中心長(zhǎng)度;e =40.14 mm 為臨界線(xiàn)與中軸線(xiàn)的距離;W=Ⅰ/e 為應(yīng)力方向的傾倒矩，由材料截面尺寸計(jì)算Ⅰ=576 118.3 mm4［5］。

表1為采用單因素分析法，振蕩頻率為選定值時(shí)，在相應(yīng)加熱時(shí)間下3 組試件的破壞力及彎曲應(yīng)力范圍，振蕩頻率范圍為40～70 kHz，加熱時(shí)間選取范圍為35～60 s。

圖8 木塑窗角受壓彎曲最大力值

表1 不同輸出振蕩頻率下不同感應(yīng)時(shí)間試件強(qiáng)度

試驗(yàn)中，當(dāng)輸出振蕩頻率為70 kHz 時(shí)，電磁感應(yīng)加熱時(shí)間為35、40、45 s，窗角還保持完好;但當(dāng)加熱時(shí)間為50 s 時(shí)，由于溫度過(guò)高，導(dǎo)致木塑窗角變形，不適合進(jìn)行繼續(xù)試驗(yàn)。所以，本次試驗(yàn)只進(jìn)行到輸出振蕩頻率70 kHz、加熱時(shí)間45 s。

由表1可見(jiàn):在本次試驗(yàn)中，在初次焊接參數(shù)相同的條件下，試件的最大受壓彎曲力出現(xiàn)在輸出振蕩頻率50 kHz、加熱時(shí)間55 s 時(shí)，最大為3 952 N;經(jīng)按照公式(1)計(jì)算，試件受壓彎曲應(yīng)力為26.97 MPa。

角強(qiáng)度測(cè)試后，木塑窗角分離，其斷面如圖9所示。發(fā)現(xiàn)填充物質(zhì)熔化充分，尤其在斷面交接處，且加熱未損壞原有窗角結(jié)構(gòu)。

圖9 木塑窗角分離圖

3 結(jié)論

將電磁感應(yīng)加熱引入到木塑窗角連接中，經(jīng)試驗(yàn)證明:熔焊-電磁感應(yīng)加熱復(fù)合連接木塑窗角是可行的。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熔焊-電磁感應(yīng)加熱復(fù)合連接木塑窗角，實(shí)現(xiàn)了連接速度快、熱效率高、木塑表面無(wú)破壞、具有一定連接強(qiáng)度等諸多優(yōu)勢(shì)。在焊接溫度260 ℃、焊接時(shí)間60 s、加熱時(shí)間50 s、左右進(jìn)給壓力0.2 MPa、前后壓鉗壓力0.4 MPa，完成初步焊接;在電磁感應(yīng)加熱時(shí)間55 s、輸出振蕩頻率50 kHz 時(shí)，效果最好，試件受壓彎曲的最大力為3 952 N、受壓彎曲應(yīng)力為26.97 MPa。

在本試驗(yàn)中確定的試驗(yàn)方法、工藝參數(shù)連接的木塑窗角，具有一定的強(qiáng)度，對(duì)其他的木塑角部連接具有參考價(jià)值。

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