木塑窗角的熔焊注塑復(fù)合連接試驗(yàn)1)

趙 輝 張圣源 楊秀軒 劉芬芬 王清文

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

木塑窗角的熔焊注塑復(fù)合連接試驗(yàn)1)

趙 輝 張圣源 楊秀軒 劉芬芬 王清文

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

應(yīng)用熔焊技術(shù)和注塑成型技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合連接技術(shù)，對(duì)木塑窗進(jìn)行了角部連接試驗(yàn)。木塑窗型材成分為60%的木粉(WF)、36%的聚乙烯(PE)和4%的馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)。復(fù)合連接試驗(yàn)由熔焊連接和注塑連接組成。通過對(duì)比不同焊接溫度下的熔焊連接強(qiáng)度，選出進(jìn)行注塑連接的最佳工藝參數(shù)，并應(yīng)用Moldflow軟件分析了復(fù)合連接的狀況。研究結(jié)果表明熔焊注塑復(fù)合連接技術(shù)可以應(yīng)用于木塑窗的角部連接問題，并且具有足夠的強(qiáng)度。

注塑；木塑窗；熔焊；Moldflow；復(fù)合連接

近年來，隨著木塑復(fù)合材料(WPC)的研究逐漸成熟，木塑產(chǎn)品的制備技術(shù)也日趨完善。目前，我國(guó)木塑復(fù)合材料主要用于建筑領(lǐng)域，如門窗、地板和吊頂?shù)?，其中木塑門窗以其優(yōu)良的使用性能、物理力學(xué)性能及成本低的優(yōu)勢(shì)，漸漸進(jìn)入人們的視野[1]。為解決當(dāng)前木塑窗角采用機(jī)械連接(如螺栓連接)出現(xiàn)連接效率低、強(qiáng)度低，采用焊接出現(xiàn)強(qiáng)度低、應(yīng)力集中、裂紋和引起斷裂等的問題[2]，本研究用熔焊與注塑相結(jié)合的方法，對(duì)木塑窗進(jìn)行熔焊后，在角部注入熔融塑料，冷卻固化形成內(nèi)嵌的角碼，加強(qiáng)角部連接。由于熔焊和注塑連接均是快速的連接，所以連接效率高。且注塑連接負(fù)載能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、連接結(jié)構(gòu)安全可靠、有減振抗噪的能力，因此具有良好的應(yīng)用前景[3]。應(yīng)用熔焊和注塑成型技術(shù)，選取目前應(yīng)用較多的擠出工藝生產(chǎn)的木塑窗型材作為復(fù)合連接的試件[4-5]，對(duì)木塑窗扇進(jìn)行角部連接，并應(yīng)用Moldflow軟件對(duì)注塑形成內(nèi)嵌角碼的過程進(jìn)行深入的分析，以確定適合的連接工藝參數(shù)，為其他木塑制品的角連接提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料

采用PE(聚乙烯)36%，WF(木粉)60%，MAPE(馬來酸酐接枝聚乙烯)4%共同混粉擠出的截面尺寸如圖1所示的窗扇型材。參照GB/T 8814—2004門、窗用未增塑聚氯乙烯(PVC-U)型材標(biāo)準(zhǔn)，將窗扇型材制備成試樣[6]，如圖2所示，其中a=400 mm，根據(jù)窗扇截面尺寸可計(jì)算出e=40.7 mm，進(jìn)而可知l1=201.5 mm。

單位為mm。

圖2 試樣制備圖

1.2 儀器與設(shè)備

SHZ4-100×4500塑料門窗四位焊接機(jī)(濟(jì)南精工新亞機(jī)器有限公司)；潤(rùn)品RPWXZSJ-8100微型注塑成型機(jī)(上海潤(rùn)品工貿(mào)有限公司)；SJS-20數(shù)顯式角強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)(符合GB/T 8814的相關(guān)要求)(濟(jì)南大唐偉業(yè)科技發(fā)展有限公司)。

1.3 試驗(yàn)流程及原理

試驗(yàn)流程如圖3所示。首先，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)焊件的制備，進(jìn)行木塑窗角的熔焊，完成初步的連接，再對(duì)焊接后的窗角上打孔進(jìn)行注塑，形成內(nèi)嵌的角碼完成整個(gè)復(fù)合連接過程。

在本試驗(yàn)中，木塑窗角的熔焊注塑復(fù)合連接原理借鑒于塑料窗角部熔焊原理和塑料注塑成型原理。

圖3 試驗(yàn)流程圖

熔焊原理：焊件待焊處母材在焊機(jī)焊板高溫作用下至熔化狀態(tài)，然后焊件在焊機(jī)壓鉗壓力與進(jìn)給壓力作用下進(jìn)行對(duì)接，熔化部分發(fā)生混合，待溫度降低后，熔化混合部分凝結(jié)形成焊縫，完成熔焊過程。

注塑連接原理：將經(jīng)注塑機(jī)加熱料筒高溫加熱至熔融狀態(tài)的塑料熔體，經(jīng)螺桿以一定的壓力與速度的推動(dòng)下，通過注塑機(jī)噴嘴注入窗角內(nèi)腔中，經(jīng)一定時(shí)間冷卻、硬化定型形成內(nèi)嵌“角碼”完成注塑連接過程。

2 熔焊試驗(yàn)

由塑鋼窗焊接經(jīng)驗(yàn)可知，各因素對(duì)型材焊角強(qiáng)度的影響程度從大到小依次為：焊接溫度、加熱時(shí)間、焊接時(shí)間、進(jìn)給壓力，其中焊接溫度的影響要遠(yuǎn)大于其他3種因素[7]，故本實(shí)驗(yàn)中只對(duì)焊接溫度的數(shù)據(jù)進(jìn)行了變化，其他3種因素固定選擇了以往經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)：焊接溫度240～280 ℃，每隔5 ℃做1次焊接試驗(yàn)，共9組，加熱時(shí)間30 s，焊接時(shí)間30 s，進(jìn)給壓力0.2 MPa，壓鉗壓力0.4 MPa。

將焊接好的焊件放在角強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上壓裂，得到不同焊接溫度下焊角的最小破壞力，該焊件的最大焊角破壞力為2 664 N，焊角最小破壞應(yīng)力為29.1 MPa。角強(qiáng)度測(cè)試后，試件分離前后如圖4所示。4組焊接效果較好的焊接強(qiáng)度見表1。

圖4 角強(qiáng)度測(cè)試前后試件分離圖

表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：在進(jìn)行熔焊試驗(yàn)時(shí)，溫度在245～275 ℃均可實(shí)現(xiàn)焊件接頭表面的融化，從而完成焊接。并且在本試驗(yàn)的試驗(yàn)環(huán)境下，焊接溫度在260 ℃左右時(shí)焊接效果最佳。

因此，選取參數(shù)焊接溫度260 ℃，加熱時(shí)間30 s，焊接時(shí)間30 s，進(jìn)給壓力0.2 MPa，壓鉗壓力0.4 MPa焊接一組試件，進(jìn)行注塑連接實(shí)驗(yàn)。

表1 不同焊接溫度下焊件的焊接強(qiáng)度

3 注塑連接試驗(yàn)

3.1 Moldflow模流

MoldFlow軟件用于優(yōu)化制件和模具設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，可協(xié)助模擬注塑成型過程中的充模與保壓階段，以利于預(yù)測(cè)熔膠的流動(dòng)模式，提高制造品質(zhì)。

利用MoldFlow軟件對(duì)塑料注入木塑窗內(nèi)腔的過程進(jìn)行深入的分析，即對(duì)整個(gè)注塑過程進(jìn)行模擬分析，找出產(chǎn)品可能出現(xiàn)的缺陷，可以提高一次試模的成功率。

選擇常用塑料PE進(jìn)行注塑，將經(jīng)Pro/E建模形成的角碼制件文件導(dǎo)入MoldFlow軟件中，得到以下重要的分析結(jié)果。

3.1.1 最佳澆口位置

由圖5可知，注塑角碼上表面和側(cè)面為最佳澆口位置，結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件，為便于注塑，選擇上表面中心處為澆口位置。

圖5 澆口匹配性分析圖

3.1.2 充填時(shí)間

分析圖6可知，位于澆口附近的部分充填時(shí)間短，易于填充。而遠(yuǎn)離澆口的末端充填時(shí)間較長(zhǎng)，完全充模時(shí)間為130.4 s。

3.1.3 充填區(qū)域

從圖7可以看出，充填區(qū)域比較完整，只是在邊緣部分有充填不完整的缺陷，在實(shí)際注塑時(shí)要通過調(diào)整注射速度、注射壓力等來彌補(bǔ)這些缺陷。

圖6 充填時(shí)間分析圖

圖7 充填區(qū)域分析圖

3.1.4 注射壓力

從圖8可以得知，注塑角碼底部所需注射壓力較小，澆口位置壓力較大并且從澆口到末端逐漸減小，利于充型。

3.1.5 氣穴位置

從圖9可以看出，氣穴在角碼塑件遠(yuǎn)離澆口的一端易于出現(xiàn)，這是由于充型時(shí)，氣體被壓縮到這一位置沒有被及時(shí)排出所致。但是由于木塑窗型腔內(nèi)排氣效果良好，可以大幅度避免氣穴的產(chǎn)生，從而保證塑件的成型質(zhì)量。

3.1.6 溫度分布

由圖10可以看出，角碼塑件澆口位置的溫度最高，并逐漸降低，邊緣溫度最低。

圖8 注射壓力分析圖

圖9 氣穴位置分析圖

圖10 溫度分布分析圖

3.1.7 Moldflow模流分析結(jié)果

利用MoldFlow軟件對(duì)注塑角碼的過程進(jìn)行模流分析，得到結(jié)果：注射時(shí)間為130.4 s，充填后的溫度為200 ℃，充填后的壓力為0.09 MPa，有可能的氣穴的位置在角碼塑件的邊緣處。依據(jù)分析結(jié)果，整個(gè)塑件能夠基本充填完整，注塑機(jī)滿足射膠量和注射壓力等要求。得到的參數(shù)可為以后的實(shí)驗(yàn)作參照。

3.2 注塑連接件斷面形貌觀察

根據(jù)Moldflow分析結(jié)果，選擇常用塑料PE進(jìn)行注塑，熔膠溫度為200 ℃，注射量688 g。

圖11為個(gè)別有缺陷試件的斷面形貌圖，可以看出，存在填充不完全的現(xiàn)象，可能是注塑工藝不當(dāng)引起的。通過適當(dāng)提高注射壓力及注射速度，延長(zhǎng)注射和保壓時(shí)間，可以使填充完整，補(bǔ)償熔體的收縮。

圖11 注塑連接件斷面圖

3.3 角強(qiáng)度測(cè)試與分析

將注塑連接后的試件拿到角強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試復(fù)合連接強(qiáng)度，測(cè)得6組試件的連接角最小破壞力分別為2 660、2 820、2 862、2 650、2 834和2 826 N，最小破壞應(yīng)力為28.9～31.2 MPa。與表1相比，經(jīng)注塑連接后，連接角最小破壞力和最小破壞應(yīng)力都有明顯的提高。此外，本實(shí)驗(yàn)用同一臺(tái)角強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)量膠接對(duì)比組的連接強(qiáng)度，其連接角最小破壞力為804 N，最小破壞應(yīng)力為8.8 MPa，兩者最大相差3～4倍。由此可見，這種熔焊注塑復(fù)合連接方式在木塑窗角連接上具有很大的優(yōu)勢(shì)。

3.4 試驗(yàn)優(yōu)化方案

由于木塑窗內(nèi)腔為中空結(jié)構(gòu)，注塑時(shí)不能形成一個(gè)密閉的空間，會(huì)使熔融的塑料向遠(yuǎn)離窗角的方向流展，從而不能在窗角處形成充實(shí)的角碼，針對(duì)這種情況增加了密封的措施，設(shè)計(jì)特制的密封板如圖12所示。經(jīng)此設(shè)計(jì)方案優(yōu)化后，有效地限制了塑料熔體的流動(dòng)，在窗角處形成的角碼比較充實(shí)，測(cè)得復(fù)合連接最小破壞力最小值為3 051 N，最小破壞應(yīng)力最小值為33.3 MPa。復(fù)合連接強(qiáng)度有明顯的提高。

圖12 密封板設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)論

熔焊注塑復(fù)合連接工藝在木塑窗角的連接應(yīng)用中，可以將兩個(gè)連接件進(jìn)行連接，并具有較高的強(qiáng)度。熔焊參數(shù)：焊接溫度260 ℃、加熱時(shí)間30 s、焊接時(shí)間30 s，進(jìn)給壓力0.2 MPa、壓鉗壓力0.4 MPa；注塑參數(shù)：熔膠溫度為200 ℃、注射量688 g的連接件，其復(fù)合連接角最小破壞力最大可以達(dá)到2 862 N，最小破壞應(yīng)力穩(wěn)定在30 MPa左右。實(shí)驗(yàn)中，注塑填充形成完整內(nèi)嵌角碼時(shí)，連接角的強(qiáng)度較高；填充形成的內(nèi)嵌角碼有少許缺陷時(shí)，可以通過適當(dāng)提高注射壓力及注射速度，延長(zhǎng)注射和保壓時(shí)間等手段提高連接強(qiáng)度。

本實(shí)驗(yàn)確定的熔焊注塑復(fù)合連接工藝參數(shù)，具有一定的連接強(qiáng)度，其理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)其他木塑制品的角部連接問題具有借鑒意義。

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Welding-injection Composite Connection Performances of Wood-plastic Composites Windows/

Zhao Hui, Zhang Shengyuan, Yang Xiuxuan, Liu Fenfen, Wang Qingwen

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-126～130

Composite connection, combined with welding and injection technology, was applied to corner connection of wood-plastic composite windows. Wood-plastic composites windows were made up of 60% of wood-flour (WF), 36% of polyethylene (PE) and 4% of maleic anhydride grafted PE (MAPE). Composite connection tests included welding connection and injection connection. Compared with different connection strengths under different welding temperatures, the optimal parameters can be chosen in injection connection. The connection status was analyzed by Moldflow. The welding-injection composite connection can be applied to solve the corner connection problems of the WPC windows with enough connection strength.

Injection; Wood-plastic composites windows; Welding; Moldflow; Composite connection

1) 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(DL12CB02)。

趙輝，男，1973年5月生，東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，副教授。

2013年10月9日。

Q958.1

責(zé)任編輯：戴芳天。