焊接溫度對(duì)木塑窗扇熱熔焊接強(qiáng)度的影響分析

楊秀軒，趙 輝，張圣源

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

以木塑復(fù)合材料［1］為原料，通過(guò)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(zhì)纖維作為增強(qiáng)體進(jìn)行復(fù)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(shì)。同時(shí)，木塑材料具有良好的加工性能和防蟲(chóng)、防火、隔熱性能。

木塑窗扇常用三種連接方式:機(jī)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(jī)進(jìn)行木塑窗扇焊接，不需要添加焊接劑，密封性好，實(shí)踐性強(qiáng)，本文主要通過(guò)試驗(yàn)研究，應(yīng)用熱熔焊接技術(shù)焊接木塑窗扇，設(shè)定關(guān)鍵熱熔焊接參數(shù)［3］(焊接溫度、焊接壓力、作用時(shí)間等)分析焊接溫度對(duì)窗扇角強(qiáng)度的影響，尋求最佳的焊接溫度，以提高焊接角強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)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(guò)混料機(jī)進(jìn)行混料，再通過(guò)造粒機(jī)進(jìn)行造粒，最后通過(guò)擠出機(jī)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(zhǎng)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(yàn)設(shè)備

木塑熱熔焊接是利用熱熔焊機(jī)的焊板對(duì)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(duì)接在一起，并保壓冷卻從而完成焊接［4］。塑料熱熔機(jī)主要有一位、兩位、三位、四位及立體熱熔機(jī)，本次實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為濟(jì)南精工新亞機(jī)器有限公司生產(chǎn)的塑料門窗四位焊接機(jī)，該焊接機(jī)共四個(gè)機(jī)頭，除第一個(gè)機(jī)頭被固定外，其余三個(gè)機(jī)頭均可在焊接機(jī)支架導(dǎo)軌上調(diào)節(jié)其位置，從而完成多種窗扇形狀的焊接，機(jī)頭可以單動(dòng)或聯(lián)動(dòng)工作，如圖3所示，每個(gè)機(jī)頭的結(jié)構(gòu)基本相同，機(jī)器的輸入電源為380 V，輸入功率為3.5 kW，采用氣壓傳動(dòng)。

圖3 熱熔焊接機(jī)頭Fig.3 The fusion welding machine head

另外，在焊接完成后還需要利用角強(qiáng)度測(cè)試儀進(jìn)行窗扇角強(qiáng)度的測(cè)試，所用角強(qiáng)度測(cè)試儀為濟(jì)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(qiáng)度測(cè)試儀。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

影響焊接的參數(shù)主要有5項(xiàng):縱向進(jìn)給壓力、橫向進(jìn)給壓力、焊接時(shí)間、保壓時(shí)間、焊接溫度。在保證焊接能夠進(jìn)行的情況下，暫不考察前四項(xiàng)對(duì)焊接強(qiáng)度可能產(chǎn)生的影響，在本次試驗(yàn)中將縱向進(jìn)給壓力設(shè)為0.4 MPa;橫向進(jìn)給壓力設(shè)為0.2 MPa;焊接時(shí)間為30 s;保壓時(shí)間為30 s。集中考察焊接溫度對(duì)焊接強(qiáng)度的影響。對(duì)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(shí)際焊接的溫度遠(yuǎn)低于設(shè)定顯示的溫度，并且溫控儀所測(cè)的是一個(gè)點(diǎn)的表面溫度，所以實(shí)際工作時(shí)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(shè)定木塑的焊接的實(shí)驗(yàn)溫度范圍為240～280℃，焊接完成后常溫下冷卻24 h后，用角強(qiáng)度測(cè)試儀進(jìn)行角強(qiáng)度測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

焊接機(jī)一共有4個(gè)焊頭，利用一號(hào)焊頭進(jìn)行焊接，在240～280℃范圍內(nèi)每隔5℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，各個(gè)測(cè)定溫度試驗(yàn)3件，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 一號(hào)焊頭角強(qiáng)度測(cè)試(單位:N)Tab.1 The first welding angle strength test(N)

由實(shí)驗(yàn)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(guò)程中，造成的安裝定位誤差。

(2)窗扇料在擠出成型過(guò)程中，表面不平整，有凸凹波度。

(3)用雙頭鋸切割過(guò)程中，切割面粗糙度較大。

以上原因?qū)е潞附訒r(shí)熱熔不穩(wěn)定，影響了強(qiáng)度。另外，焊接過(guò)程中加熱板后退，后鉗板與后定位板前移，兩焊件對(duì)接，過(guò)程中兩焊件的相對(duì)位置發(fā)生了變化，導(dǎo)致焊接面沒(méi)有良好接觸，從而影響了焊接強(qiáng)度。

由于木塑復(fù)合門窗沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，借鑒2005年11月11日頒布的未增塑聚氯乙烯(PVC－U)塑料窗標(biāo)準(zhǔn)JGT 140－2005，根據(jù)型材剖面的外形尺寸和壁厚計(jì)算出型材的計(jì)算值。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定窗扇焊接角最小破壞力的計(jì)算值不應(yīng)小于2 000 N，窗扇焊接角最小破壞力的計(jì)算值不應(yīng)小于2 500 N，且實(shí)測(cè)值均應(yīng)大于計(jì)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(jì)算公式:

式中:W為應(yīng)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(yīng)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(zhǎng)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(yīng)力，單位:MPa，ɑmin=35。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用型材尺寸，經(jīng)計(jì)算得該型材的最小破壞力計(jì)算值為:Fc=3206.9N＞2 500 N，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)目前焊角強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值暫不能達(dá)到計(jì)算值的要求，因此需要考慮在焊接的基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)合連接，在本次試驗(yàn)中將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中的計(jì)算值的最小值即2 500 N作為強(qiáng)度目標(biāo)值。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察并分析以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在240℃時(shí)焊接強(qiáng)度偏低，焊接熔融量不足，在280℃時(shí)又有嚴(yán)重的碳化現(xiàn)象，而在245、260、265、270、275℃時(shí)焊接的角強(qiáng)度均有2500N以上的數(shù)據(jù)出現(xiàn)，因此擬在同一焊機(jī)二號(hào)機(jī)頭上在245～275℃溫度范圍內(nèi)再進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素試驗(yàn)方差分析，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

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

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

表2 二號(hào)焊頭角強(qiáng)度測(cè)試(單位:N)Tab.2 The second welding angle strength test(N)

在焊接過(guò)程中，焊接效果的好壞對(duì)焊接強(qiáng)度具有重要影響，在以溫度范圍內(nèi)進(jìn)行焊接試驗(yàn)時(shí)，在一號(hào)焊接頭上進(jìn)行焊接時(shí)焊接效果較差，原因可能是焊布由于前期的反復(fù)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(shí)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(huì)影響焊接效果，二號(hào)焊頭的貼合效果優(yōu)于一號(hào)焊頭，故焊接質(zhì)量有一定影響。

圖4所示為不同溫度下的焊角強(qiáng)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(fēng)狀況對(duì)焊接強(qiáng)度也對(duì)焊接效果產(chǎn)生了一定的影響。

圖4 不同溫度下的焊角強(qiáng)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(duì)焊接后的試件和壓開(kāi)后的斷面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在溫度較低時(shí)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(shí)顏色變化較為明顯，當(dāng)溫度達(dá)到280℃時(shí)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(shí)驗(yàn)所用焊接機(jī)具有自動(dòng)清除上下面焊瘤的功能，在焊接完成后，焊件接頭處會(huì)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(jié)論

研究結(jié)果表明，溫度在240～280℃之間均可實(shí)現(xiàn)木塑窗扇的熔融狀態(tài)，進(jìn)而完成焊接，溫度偏低時(shí)熔融量不足以焊接，溫度偏高時(shí)木塑中的木粉會(huì)出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，而且木纖維會(huì)發(fā)生質(zhì)變，影響焊接強(qiáng)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(jìn)行木塑窗焊接較為適宜。

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

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