木榫旋轉(zhuǎn)摩擦焊接抗拉拔力的影響因素

朱海 陳家瑞 張劍 孫朝偉 劉瑞豐

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

木材屬于天然高分子材料，主要由纖維素，半纖維素，木質(zhì)素等構(gòu)成。木榫旋轉(zhuǎn)摩擦焊接是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的木榫棒與實(shí)木基材預(yù)鉆孔間的摩擦生熱，使木質(zhì)素和半纖維素發(fā)生軟化、融合，并在交界面形成交聯(lián)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，再冷卻后形成高強(qiáng)度焊接界面[1]。由于木材焊接具有加工速度快、無(wú)任何添加劑、無(wú)有害氣體、強(qiáng)度高、回收利用率高等特點(diǎn)，被認(rèn)為是綠色環(huán)保工藝技術(shù)，成為繼榫卯連接、金屬件連接、膠結(jié)等木材連接方法之后的一種新型連接技術(shù)，已成為歐洲木材無(wú)膠膠合研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前法國(guó)、德國(guó)、瑞士等林業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)針對(duì)木材焊接技術(shù)開展了諸多的研究，并且開始應(yīng)用于房屋構(gòu)建、家具制造等領(lǐng)域[2-4]。

對(duì)于木榫旋轉(zhuǎn)摩擦焊接而言，主要的影響因素包括木材本身的特性(樹木種類、紋理方向等)和工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)(木榫旋轉(zhuǎn)速度、木榫進(jìn)給速度、木榫直徑與基材預(yù)鉆孔直徑之間的差異等)，除此之外，對(duì)木榫棒的預(yù)處理也會(huì)影響焊接性能。目前，針對(duì)木榫旋轉(zhuǎn)焊接的研究，主要集中于焊接過(guò)程中工藝參數(shù)的變化、焊接過(guò)程產(chǎn)生的化學(xué)變化等。Belleville et al.[5]利用澳大利亞桉樹木材等材料進(jìn)行試驗(yàn)，評(píng)估其焊接潛力，并確定每個(gè)樹種最佳焊接參數(shù)；Sun et al.[6]利用糖楓、黃樺等木材進(jìn)行木榫焊接時(shí)，木質(zhì)素中游離酚含量增加，能夠增強(qiáng)木質(zhì)素交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；朱旭東等[7]使用CuCl2處理過(guò)的白樺木材榫棒進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證預(yù)處理可以有效提高木榫旋轉(zhuǎn)焊接強(qiáng)度。

紅松(PinuskoraiensisSieb.et.Zucc)屬于東北地區(qū)優(yōu)良的用材樹種，是建筑、橋梁、家具制作等方面的上等木料。本文選用紅松木材作為木榫旋轉(zhuǎn)摩擦焊接材料，研究不同木榫直徑與預(yù)鉆孔孔徑比、不同紋理對(duì)焊接試件的抗拉拔力的影響；結(jié)合焊接界面組織觀察，探索木榫旋轉(zhuǎn)摩擦焊接性能的影響規(guī)律；旨在為優(yōu)化木榫旋轉(zhuǎn)摩擦焊接工藝參數(shù)提供參考。

1 材料與方法

試驗(yàn)基材與木榫棒，均采用紅松木材?；某叽鐬?0 mm×40 mm×100 mm；基材預(yù)鉆孔孔徑分別為8、9 mm，深度40 mm；木榫棒長(zhǎng)度100 mm，直徑10、12 mm；將木榫棒與基材調(diào)節(jié)含水率至8%。

試驗(yàn)設(shè)置焊接試驗(yàn)組、敲擊試驗(yàn)組。焊接試驗(yàn)組，將高速旋轉(zhuǎn)的木榫棒插入基材預(yù)鉆孔中，試驗(yàn)分3組，分別為10 mm木榫棒和8 mm預(yù)鉆孔、12 mm木榫棒和8 mm預(yù)鉆孔、12 mm木榫棒和9 mm預(yù)鉆孔。敲擊試驗(yàn)組，用木槌將10 mm木榫棒敲入8 mm預(yù)鉆孔中?；募y理分為橫紋、順紋2種。

焊接組試驗(yàn)設(shè)備采用綺發(fā)VH-850數(shù)控銑床，在試驗(yàn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速選擇2 500 r/min、進(jìn)給速度為15 mm/s、焊接深度30 mm。對(duì)于敲擊試驗(yàn)組，用木槌將10 mm木榫棒敲入與焊接組相同深度。

試件力學(xué)性能依據(jù)GB/T 14018—2009《木材握釘力試驗(yàn)方法》進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)木榫旋轉(zhuǎn)焊接節(jié)點(diǎn)抗拉拔力；檢測(cè)設(shè)備采用Byes-2003萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。設(shè)計(jì)使用特制夾具對(duì)試件進(jìn)行裝卡，上端夾持長(zhǎng)度35 mm，下端基材緊貼夾具表面(見圖1)。測(cè)試過(guò)程為5 mm/min加載速度，直至木榫棒被完全拉出。

試件焊接帶界面觀察分析，采用電子顯微鏡觀察；利用掃描電鏡對(duì)焊后木榫棒進(jìn)行觀察，并與木榫棒原材進(jìn)行對(duì)比。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種試驗(yàn)試件抗拉拔力的差異

在基材紋理、預(yù)鉆孔孔徑、木榫棒直徑相同條件下，進(jìn)行了敲擊、焊接試驗(yàn)，測(cè)試試件抗拉拔力(見表1)。由表1可見，橫紋基材、順紋基材木材焊接后，抗拉拔力明顯高于敲擊組，橫紋基材焊接后抗拉拔力提高395.8%、順紋基材焊接后抗拉拔力提高369.5%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了木榫旋轉(zhuǎn)摩擦焊接的有效性與實(shí)用性。

表1 2種試驗(yàn)方法的試件抗拉拔力

對(duì)焊接試件與敲擊試件進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，得到抗拉拔力-位移變化曲線。以木榫棒直徑10 mm、預(yù)鉆孔直徑8 mm的橫紋試件為例(見圖2)，開始階段2個(gè)曲線重合，是對(duì)夾具的預(yù)緊階段；預(yù)緊結(jié)束后，2個(gè)曲線開始產(chǎn)生明顯差異。焊接試件，曲線主要分為3個(gè)階段，彈性上升階段、屈服階段、延伸破壞階段；而敲擊試件，曲線沒有明顯屈服階段，并在下降過(guò)程中比焊接試件更為平緩；試驗(yàn)獲得的抗拉拔力-位移變化曲線，與文獻(xiàn)[8]有相似的變化規(guī)律。敲擊試件產(chǎn)生抗拉拔力，主要是由于木材接觸面粗糙峰的機(jī)械互鎖、微觀結(jié)構(gòu)的彈塑性變形、靜摩擦；而在木榫棒被拔出的過(guò)程中，木榫棒與預(yù)鉆孔之間接觸面積、接觸表面壓力、摩擦系數(shù)均降低，使木榫棒的抗拉拔力減小。對(duì)于焊接試件，由于焊接形成的焊接界面在達(dá)到極限抗拉拔力后發(fā)生破壞，導(dǎo)致其抗拉拔力發(fā)生急劇下降。由于摩擦力仍然存在，在減小到某一數(shù)值后開始穩(wěn)定，并隨著木榫棒被拔出，其抗拉拔力也逐漸減小，直至木榫棒被完全拔出。

利用SEM對(duì)焊接組木榫棒、敲擊組木榫棒表面組織進(jìn)行觀察。在100 μm下觀察敲擊組木榫棒組織(見圖3(a))，木材的纖維組織沒有發(fā)生改變。而對(duì)焊接組木榫棒進(jìn)行觀察(見圖3(b))，焊接界面上熔融物質(zhì)大量存在；這些熔融物質(zhì)是由于木材間高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高溫使得纖維素，半纖維素等被軟化、融化，它們分布于木榫棒及預(yù)鉆孔的表面，并將木材纖維組織包覆其中，類似于“水泥”作用，將來(lái)自基材與木榫棒的組織連接在一起，并形成巨大的連接強(qiáng)度。

2.2 木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑比對(duì)焊接試件抗拉拔力的影響

試驗(yàn)中共有3組不同的木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑比，由3組試驗(yàn)得出的抗拉拔力大小可見(見表2)：不同的木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑比，對(duì)焊接試件抗拉拔力有明顯影響；對(duì)于同一木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑比，順紋試件抗拉拔力明顯高于橫紋試件抗拉拔力。

表2不同木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑比及不同紋理的試件抗拉拔力

木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑比榫徑∶孔徑/mm榫徑與孔徑的比值抗拉拔力/N順紋橫紋10∶81.251217.61049.612∶91.331386.31116.812∶81.501490.91199.4

由表2可見：在試驗(yàn)參數(shù)變化范圍內(nèi)，不同的木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑比，對(duì)焊接試件抗拉拔力有顯著影響，木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑比增大，焊接試件抗拉拔力也逐漸增大。產(chǎn)生這種變化的原因，木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑差距增大，會(huì)增加木榫棒對(duì)孔壁的側(cè)向壓力，增強(qiáng)了摩擦作用，加速了焊接界面升溫，導(dǎo)致細(xì)胞間木質(zhì)素流動(dòng)行為增強(qiáng)，為焊接過(guò)程中提供更多的材料，使焊接效果更好[9]。隨著木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑比的增加，焊接試件抗拉拔力增幅開始減小，說(shuō)明了木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑比的增大，雖然有利于焊接試件抗拉拔力的提升，但并不能無(wú)限制地?cái)U(kuò)大。對(duì)于紅松同樹種基材木榫棒，最佳木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑比，需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步加以確定。

2.3 紋理方向?qū)估瘟Φ挠绊?/h3>

木材有很好的力學(xué)性質(zhì)，但屬于有機(jī)各向異性材料，順紋方向與橫紋方向的力學(xué)性質(zhì)有很大差別，木材的順紋抗拉和抗壓強(qiáng)度均較高，但橫紋抗拉和抗壓強(qiáng)度較低。因此，紋理方向也是影響焊接性能的重要影響因素[10]。通過(guò)對(duì)橫紋和順紋基材焊接后的木榫棒進(jìn)行觀察，其形態(tài)有較大不同。以木榫棒直徑12 mm、預(yù)鉆孔直徑8 mm試件為例，順紋焊接時(shí)(見圖4(a))，木榫棒直徑沿著插入方向逐漸減小，其直徑變化過(guò)程較為連續(xù)，整體呈圓臺(tái)形。橫紋焊接時(shí)(見圖4(b))，木榫棒直徑沿著插入方向被極大削減，在最先參與摩擦作用的20 mm長(zhǎng)度上，其平均直徑為8.2 mm；在木榫棒最后參與摩擦作用的5 mm內(nèi)，其直徑發(fā)生急劇變化，變化范圍為8.6～11.3 mm。2個(gè)木榫棒試件的前端(4 mm)是定位倒角，因此未與基材預(yù)鉆孔發(fā)生摩擦，保留焊接前原始狀態(tài)。

綜合所有焊接試件木榫棒的觀察結(jié)果均表明，橫紋焊接會(huì)對(duì)木榫棒的直徑產(chǎn)生更強(qiáng)的削弱效果，木榫棒焊接區(qū)域被分為兩部分：前段整體平滑，且直徑削減較大；末端在5 mm左右范圍內(nèi)，木榫棒直徑呈大幅度變化。而順紋焊接，木榫棒整體呈圓臺(tái)形，整體變化更為均勻。順紋基材的紋理與木榫棒的插入運(yùn)動(dòng)方向相同，而橫紋基材的紋理與木榫棒的插入運(yùn)動(dòng)方向垂直，因此，橫紋對(duì)木榫棒的表面產(chǎn)生了類似“切削”作用；摩擦作用時(shí)間越長(zhǎng)，這種“切削”作用也越劇烈，從而使木榫棒前段直徑被極大地消減，焊接過(guò)程中木榫棒材料的流失嚴(yán)重，造成木榫棒提供給焊接界面的材料減少，勢(shì)必影響結(jié)合強(qiáng)度。

利用DP-5電子顯微鏡對(duì)順紋焊接帶(見圖5(a))、橫紋焊接帶(見圖5(b))進(jìn)行觀察，從宏觀對(duì)切口觀測(cè)，直觀上順紋焊接帶的平均寬度高于橫紋焊接帶的平均寬度。

在200 μm條件下觀測(cè)焊接帶，對(duì)比順紋焊接帶(見圖6(a))與橫紋焊接帶(圖6(b))，發(fā)現(xiàn)順紋焊接組焊接帶寬度大于橫紋焊接組焊接帶寬度。在木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑比相同時(shí)，由于橫紋基材更大幅度削減了木榫棒的直徑，使得焊接過(guò)程中纖維素等組織的軟化、融化變得更少，從而減少焊接時(shí)熔融物質(zhì)的產(chǎn)生，最終在焊接帶寬度上得以體現(xiàn)；也使得同規(guī)格參數(shù)時(shí)，橫紋焊接時(shí)的焊接試件抗拉拔力低于順紋焊接時(shí)的焊接試件抗拉拔力。隨著木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑比的增加，橫紋與順紋焊接試件抗拉拔力的差異也進(jìn)一步凸顯：木榫棒直徑10 mm、預(yù)鉆孔直徑8 mm組，順紋的焊接試件抗拉拔力高于橫紋的16%；木榫棒直徑12 mm、預(yù)鉆孔直徑9 mm組，順紋的焊接試件抗拉拔力高于橫紋的24.1%；木榫棒直徑12 mm、預(yù)鉆孔直徑8 mm組，順紋的焊接接試件抗拉拔力高于橫紋的24.3%。

3 結(jié)論

綜合對(duì)焊接組與敲擊組的試驗(yàn)結(jié)果，木榫旋轉(zhuǎn)焊接能明顯提高連接的抗拉拔力；焊接界面上有大量熔融物質(zhì)，證明木榫旋轉(zhuǎn)焊接對(duì)于連接強(qiáng)度的提升具有明顯作用。

不同木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑比的焊接拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著木榫棒直徑與預(yù)鉆孔孔徑比的增加，其焊接試件抗拉拔力逐漸增大，順紋基材焊接產(chǎn)生的抗拉拔力優(yōu)于橫紋基材。

紋理對(duì)焊接性能的影響十分顯著，對(duì)焊接后木榫棒的形態(tài)觀察，橫向紋理對(duì)木榫棒直徑的削減更為明顯，順紋焊接后木榫棒整體呈圓臺(tái)狀，木榫棒直徑的變化更為平滑。對(duì)焊接帶進(jìn)行觀察，順紋焊接帶平均寬度明顯高于橫紋焊接帶平均寬度，使得同參數(shù)規(guī)格時(shí)，順紋焊接抗拉拔力高于橫紋焊接抗拉拔力。