塑料門窗焊接設(shè)備及參數(shù)優(yōu)化

龐仁斌?高振華

摘 要：塑料門窗因其節(jié)能等優(yōu)勢(shì)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，也成為國(guó)家重點(diǎn)推廣的方向和領(lǐng)域。焊接工藝是塑料門窗的加工過(guò)程中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，焊接質(zhì)量和效率直接影響到塑料門窗的質(zhì)量。而焊接質(zhì)量的優(yōu)劣又和焊接設(shè)備息息相關(guān)。現(xiàn)有技術(shù)門窗的焊接工藝中，焊接定位、跑料問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。為此，為了提高門窗焊接質(zhì)量，推動(dòng)塑窗行業(yè)的良好發(fā)展，對(duì)焊機(jī)進(jìn)行深入研究是非常有必要的。

關(guān)鍵詞：塑料門窗;焊接設(shè)備;參數(shù)優(yōu)化

近幾年，塑料門窗作為一種新型的門窗材料，具有環(huán)保節(jié)能、隔音、保溫等優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展非常迅速，塑料門窗的成型主要包括型材切割、焊接和清角，而焊接的質(zhì)量直接影響到門窗成品的質(zhì)量，因此，筆者在塑料門窗加工設(shè)備研發(fā)方面有多年的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)塑料門窗焊接設(shè)備及加工過(guò)程進(jìn)行了研究，并對(duì)焊機(jī)的優(yōu)化做出分析。

1 焊機(jī)構(gòu)成及發(fā)展現(xiàn)狀

塑料門窗焊接設(shè)備一般包括機(jī)架和焊接機(jī)頭，焊接機(jī)頭又包括定位機(jī)構(gòu)、加熱機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)。焊接機(jī)頭在工作時(shí)，機(jī)頭移動(dòng)到需要加工的型材尺寸位置，型材通過(guò)定位板進(jìn)行定位，壓緊機(jī)構(gòu)一次壓緊，上加熱板和下加熱板移動(dòng)到未融化型材，融化完型材后加熱板后退，移動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)二次壓緊，直到型材連接完成。

塑料門窗焊接設(shè)備現(xiàn)狀大致分為三個(gè)層次：一是單機(jī)設(shè)備，人工操作。用于精度要求不高的小批量門窗加工;二是有簡(jiǎn)單數(shù)控裝置的半自動(dòng)加工流水線，用于小型工程的加工;三是規(guī)模較大數(shù)控程度高的加工生產(chǎn)線，自動(dòng)化、數(shù)字化程度高，智能化程度高。事實(shí)上，塑料門窗焊接較為領(lǐng)先的技術(shù)主要分布在德國(guó)、意大利等國(guó)家。如德國(guó)斯杜茨公司、德國(guó)歐鵬公司、德國(guó)耶魯公司、意大利飛慕公司及意大利意美吉公司，均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和柔性化，精密程度也較高。

我國(guó)的塑料門窗加工設(shè)備起步較晚，但隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，塑料門窗的優(yōu)越性越來(lái)越突出，適用范圍也越來(lái)越廣。因此，我國(guó)對(duì)于塑料門窗焊接的研究也發(fā)展十分迅速，西安理工大學(xué)的劉可峰^[1]通過(guò)對(duì)PVC型材焊接過(guò)程的分析，建立了設(shè)備的溫度控制模型，并實(shí)現(xiàn)了熱熔焊接的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。浙江大學(xué)楊闖、北京大學(xué)王勇^[2]等人也分別對(duì)60系列塑料門窗的導(dǎo)熱系數(shù)分析和應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)仿真模擬等方面做出深入研究。但是目前，還沒(méi)有比較成熟的塑料門窗焊接參數(shù)手冊(cè)。在實(shí)際操作中，容易出現(xiàn)一些因素導(dǎo)致焊接強(qiáng)度問(wèn)題。

2 焊接缺陷及影響因素

塑料門窗焊接缺陷主要有以下幾種：1）焊接角破壞力達(dá)不到要求;2）焊角清角后出現(xiàn)不規(guī)則細(xì)小裂紋;3）沿著焊口的內(nèi)角向外延伸。其影響因素主要有以下三點(diǎn)[3-4]：

2.1 焊接工藝條件

焊接過(guò)程的本質(zhì)其實(shí)就是熱熔連接，需要連接的加工面熔融后連接起來(lái)，就再加上一定的壓力保持一段時(shí)間，冷卻后型材的兩個(gè)端面就被連接在一起了。焊接的環(huán)境條件是車間的環(huán)境溫度不得低于15°C、無(wú)粉塵飛揚(yáng)。因?yàn)榄h(huán)境溫度較低時(shí)會(huì)產(chǎn)生因焊接溫差大，熱量集中產(chǎn)生熱應(yīng)力，使材料顯脆性，容易產(chǎn)生開(kāi)裂。型材必須要在車間存放24h以上，以保證溫度適應(yīng)。設(shè)備應(yīng)安裝在空氣對(duì)流較小的地方，避免冷空氣直接和型材、焊接接觸。

2.2 焊接設(shè)備的機(jī)械調(diào)試

在塑料門窗焊接時(shí)， 除下料尺寸需預(yù)留一定長(zhǎng)度即設(shè)計(jì)余量外（一般設(shè)計(jì)值雙邊為 6mm， 單邊為 3mm）， 同時(shí)還需按程序?qū)笝C(jī)定位間隙與限位措施進(jìn)行設(shè)定與調(diào)整。使焊接實(shí)際熔融量（即消耗量）與設(shè)計(jì)余量相適應(yīng)， 以保證門窗成型后的幾何尺寸精度。如型材定位間隙、焊接熔融間隙和對(duì)接擠壓間隙等的設(shè)定，以及前后限位板的調(diào)整、機(jī)頭下壓鉗水平度的調(diào)整等，均會(huì)影響焊接精度。

2.3焊接工藝參數(shù)

焊接質(zhì)量和焊接強(qiáng)度取決于電熱板的溫度、熔融時(shí)間、熔融壓力、焊接時(shí)間及焊接壓力。加熱溫度、加熱時(shí)間、接觸壓力、壓鉗壓力、對(duì)接壓力是型材斷面加熱過(guò)程的主要參數(shù)。再歸納一下就是溫度、壓力、時(shí)間三個(gè)主要參數(shù)，它對(duì)焊接質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用，掌握好三個(gè)參數(shù)的量值和三者之間的匹配關(guān)系，是決定焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

3 焊接設(shè)備參數(shù)優(yōu)化

如上所述，在焊接加工過(guò)程中，焊接參數(shù)的對(duì)焊接的質(zhì)量和強(qiáng)度有著十分重要的影響。因此，對(duì)焊接接頭進(jìn)行仿真分析，并得到優(yōu)化后的參數(shù)。具體研究?jī)?nèi)容包括以下內(nèi)容：

3.1 對(duì)焊接過(guò)程中進(jìn)行有限元熱力學(xué)分析

焊接過(guò)程主要包括定位、加熱融化、過(guò)渡和對(duì)接擠壓四個(gè)階段。上下壓鉗壓緊型材完成定位;在加熱融化階段，焊板逐漸加熱至超過(guò)型材的熔點(diǎn)，從而加熱型材至熔融狀態(tài)，加熱時(shí)間由加熱準(zhǔn)備、加熱延時(shí)、過(guò)渡和對(duì)接擠壓四個(gè)過(guò)程組成。對(duì)接擠壓則是指兩個(gè)熔融狀態(tài)的端面從開(kāi)始接觸，到整體卸壓的過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，繪制焊接過(guò)程中的加熱曲線，橫坐標(biāo)為焊接時(shí)間，縱坐標(biāo)為壓力或行程。而后使用三維建模軟件進(jìn)行建模，并利用熱-力耦合分析軟件對(duì)其進(jìn)行熱-力耦合分析^[5]。

3.2 選取最優(yōu)焊接參數(shù)

焊接加熱溫度、熔融時(shí)間、型材塑化度、型材壓力都是影響焊接質(zhì)量的重要因素。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種科學(xué)的優(yōu)化方法。本文使用正交實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)各影響因素進(jìn)行分析，從而可以從足夠數(shù)量的試驗(yàn)組中選出具有代表性的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并建立正交數(shù)據(jù)表。得到最適合塑料門窗焊接強(qiáng)度的影響因素。并綜合建模和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3 篩選最優(yōu)壓鉗溫度

壓鉗溫度也是影響塑料門窗焊接質(zhì)量的重要因素之一，由于壓鉗溫度受環(huán)境溫度影響較大，相比而言，寒冷地區(qū)的塑料門窗焊接質(zhì)量波動(dòng)較大。因此，針對(duì)寒冷地區(qū)生產(chǎn)廠家使用的焊機(jī)設(shè)備，將增加保溫裝置，以避免壓鉗溫度的波動(dòng)對(duì)焊接質(zhì)量的影響^[6]。

4 塑料門窗焊接設(shè)備發(fā)展方向

焊接塑料門窗加工過(guò)程中技術(shù)性較強(qiáng)的一道工序。角強(qiáng)度、外形幾何尺寸公差、對(duì)角線公差、平面度公差等重要指標(biāo)都和焊接有直接關(guān)系。焊機(jī)機(jī)械調(diào)試與工藝控制兩方面都是重要的保證因素。隨著技術(shù)發(fā)展，工藝控制將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。提高工藝控制的精密度和自動(dòng)化程度都將是塑料門窗焊機(jī)設(shè)備的發(fā)展方向。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了焊接設(shè)備的基本現(xiàn)狀以及在實(shí)際焊接工況存在的一些問(wèn)題，結(jié)合公司焊接機(jī)出現(xiàn)的的技術(shù)問(wèn)題引伸出對(duì)塑窗焊接機(jī)焊接過(guò)程的熱力學(xué)分析以及對(duì)焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化，并取得了較為滿意的結(jié)論。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉可峰.熱熔對(duì)接焊控制系統(tǒng)的研制[D].西安：西安理工大學(xué)，2010.

[2]王勇.熔化焊焊接接頭的溫度場(chǎng)和應(yīng)力數(shù)值模擬[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

[3]張慧貞.影響彩色塑料門窗焊接質(zhì)量的因素及控制措施[J].工程塑料應(yīng)用，2004（9），27-28.

[4]吳兆生.塑料門窗焊角出現(xiàn)缺陷的避免和預(yù)防[J]，天津建材，2013，3：14-16.

[5]劉瑞江.張業(yè)旺等.正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法研究[D].江蘇：江蘇大學(xué)，2010.

[6]胡濱.塑鋼材料焊接的工藝參數(shù)優(yōu)化及其焊接裝備的優(yōu)化設(shè)計(jì) [D].湖北：長(zhǎng)江大學(xué)，2017.

作者簡(jiǎn)介：龐仁斌 （1979.8.14-），男，漢族，籍貫：山東省濟(jì)南市商河縣，中專，研究方向：門窗加工設(shè)備的研發(fā)與制造。