木塑窗角的熔焊-電磁感應(yīng)復(fù)合連接技術(shù)1)

趙輝 王天琪 宋揚 周煥宇 王清文

(生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

責(zé)任編輯:張 玉。

近年來，隨著環(huán)保理念的不斷提倡，木塑復(fù)合材料(Wood-plastic Composites 簡稱WPC)作為一種可對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，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，現(xiàn)已成為研究熱點［1］。目前，木塑復(fù)合材料多用于包裝行業(yè)、建筑行業(yè)、汽車內(nèi)飾，而在我國較多應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，如地板、門窗、裝飾板等，其中木塑門窗以其良好的力學(xué)性能、較高的使用價值、較低的成本得到越來越多的關(guān)注［2］?，F(xiàn)今，木塑窗角常用的連接方式為機械連接、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方法，漸漸成為主要發(fā)展趨勢［3］。

本試驗采用熔焊-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，增強腔內(nèi)的填充物，待冷卻后形成加強筋塑件角碼，完成二次加強連接。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，具有廣泛的研究領(lǐng)域和良好的應(yīng)用前景［4］。

本試驗選取擠出型工藝生產(chǎn)的木塑異型材作為研究試件，通過復(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，并利用角強度試驗機分析連接效果，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

實驗按照質(zhì)量分數(shù)稱取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 型木塑平開窗窗扇型材(見圖1)。

實驗儀器與設(shè)備:SHZ4-100x4500 塑料門窗4位焊接機(濟南精工新亞機器有限公司);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)顯式角強度試驗機(濟南大唐偉業(yè)科技發(fā)展有限公司);紅外熱像儀(美國福祿克公司)。

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，待一段時間后，冷凝形成焊縫，完成焊接。初步熔焊目的是連接兩個窗扇，可防止電磁感應(yīng)加熱形成木塑窗角碼過程中填充物質(zhì)熔化流出，提高連接效果。

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

熔焊-電磁感應(yīng)加熱復(fù)合連接試驗:本試驗基于前人對熱板熔焊連接木塑窗角的實踐，初步熔焊的焊接條件選擇為焊接溫度260 ℃、焊接時間60 s、加熱時間50 s、左右進給壓力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)為加熱時間、輸出振蕩頻率。加熱時間選取35～60 s，每隔5 s 進行一次試驗;輸出振蕩頻率40～70 kHz，每隔10 kHz 進行一次試驗。共24 組，每組重復(fù)3 個試樣。

圖2為鋼襯的側(cè)視圖。本試驗采用的鋼襯為優(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)與窗角增強腔的接觸面積，以便更好的熔化形成角碼、提高連接強度，對鋼襯進行了兩點改進:①將鋼襯一端切割為45°角對接;②在鋼襯45°角一側(cè)打孔，便于填充物質(zhì)的流通。改進后的鋼襯如圖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，確定加熱線圈為3 層。層與層之間距離均為33 mm;每一層長度分別為290、230、170 mm，寬度均為70 mm;線圈直徑為8 mm。試驗過程中，通過在左側(cè)面板設(shè)定輸出振蕩頻率和加熱時間后進行加熱。

圖2 鋼襯側(cè)視圖

圖3 鋼襯改進圖

圖4 木塑窗內(nèi)部截面示意圖

圖5 電磁感應(yīng)加熱圖

本試驗填充物質(zhì)選擇聚乙烯樹脂，經(jīng)試驗證明，鋼襯在電磁感應(yīng)線圈中加熱后溫度會極速上升并且熔化。圖6、圖7，為輸出振蕩頻率50 kHz、電磁加熱時間55 s 時，第20 s 左右經(jīng)過紅外溫度測試儀器測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，鋼襯溫度為275.1 ℃，遠超出聚乙烯樹脂的熔點，可以快速進行熔化。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度試驗機下檢測，記錄窗角受壓彎曲斷裂的最大值(Fc)(見圖8)。

根據(jù)公式(1)可計算窗角受壓彎曲應(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 檢測標(biāo)準(zhǔn)，公式(1)中a =(400 ±2)mm 為試樣支撐面的中心長度;e =40.14 mm 為臨界線與中軸線的距離;W=Ⅰ/e 為應(yīng)力方向的傾倒矩，由材料截面尺寸計算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，在相應(yīng)加熱時間下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)時間試件強度

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

由表1可見:在本次試驗中，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、加熱時間55 s 時，最大為3 952 N;經(jīng)按照公式(1)計算，試件受壓彎曲應(yīng)力為26.97 MPa。

角強度測試后，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。通過試驗發(fā)現(xiàn)，熔焊-電磁感應(yīng)加熱復(fù)合連接木塑窗角，實現(xiàn)了連接速度快、熱效率高、木塑表面無破壞、具有一定連接強度等諸多優(yōu)勢。在焊接溫度260 ℃、焊接時間60 s、加熱時間50 s、左右進給壓力0.2 MPa、前后壓鉗壓力0.4 MPa，完成初步焊接;在電磁感應(yīng)加熱時間55 s、輸出振蕩頻率50 kHz 時，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。

在本試驗中確定的試驗方法、工藝參數(shù)連接的木塑窗角，具有一定的強度，對其他的木塑角部連接具有參考價值。

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