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木材焊接理论研究及技术进展 罗翔亚, 朱旭东, 张吉荣, 高颖

发布者: 凌霄敛影 | 发布时间: 2018-1-6 13:41| 查看数: 1091| 评论数: 1|帖子模式

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摩擦焊接技术在20世纪已经成熟应用于塑料领域,其主要工作原理是通过摩擦生热,使具有热塑性的材料软化、融合,形成新的焊接界面层,达到界面层无胶胶合的目的。木材作为一种天然高分子材料,其主要组成成分为纤维素、半纤维素和木质素。纤维素受热比较稳定,半纤维素受热会发生热解,木质素则受热软化。这些成分受热后的化学反应为摩擦焊接技术应用于木质材料提供了理论基础。木材焊接技术应运而生,它是指木质材料在一定外力作用下,通过摩擦生热,使木质素和半纤维素受热软化、融合,在界面层形成交联网状结构,冷却固化后实现无胶胶合的一项摩擦焊接技术。

木材焊接属于无胶胶合,整个过程不使用金属连接件、不排放有毒物质、加工高效,是一种环境友好型工艺技术;且在化石能源日渐枯竭的今天,木材作为一种天然可再生资源,对其进行合理开发和利用成为必然趋势;因此,木材焊接技术在绿色低碳、健康生活、建设生态文明的背景下具有广泛的应用前景。综述国内外学者对木材焊接的机理及温度变化、影响参数、焊接过程中化学组分的变化、理论模型模拟等方面的研究,为后续研究和实际应用提供参考依据。

1 木材焊接分类、优势及应用

1.1 木材焊接的分类

木材焊接技术根据焊接方式不同,可以分为平面摩擦焊接和木榫旋转焊接两类。其中,平面摩擦焊接可分为线性摩擦焊接和圆弧摩擦焊接,二者均是在木板表面施加一定的压力,通过两块板之间往复摩擦运动的振幅生热进行焊接,不同之处是线性焊接振幅为直线运动,而圆弧焊接振幅呈圆周运动;木榫旋转焊接则是将木榫高速旋转插入木质基材实现焊接。

1.1.1 平面摩擦焊接 国外学者通过对平面摩擦焊接过程中温度和时间的监测,研究焊接过程中温度和时间的对应关系。线性摩擦焊接过程可近似划分为3个阶段:第1阶段焊接时间为0~5.5 s,界面层温度瞬间从室温25℃升高至250℃;第2阶段焊接时间为5.5~10.5 s,界面层温度稳定在250℃;第3阶段焊接时间为10.5 s后,温度开始下降,进入冷却固化阶段[1]。

圆弧摩擦焊接过程通常可分为5个阶段:第1阶段焊接时间为0.5~1 s,界面层温度快速上升至120℃;第2阶段焊接时间为1~9 s,温度由150℃上升至300℃左右;第3阶段焊接时间为9~12 s,此时界面层温度达到320~420℃,有烟雾产生;第4阶段焊接时间为12~17 s,温度维持在420℃左右;第5阶段为冷却固化阶段[2],试验发现需要15 min的冷却固化时间才能达到最大连接强度,但在20 s时即可达到最大强度的70%[3]。

线性摩擦焊接和圆弧摩擦焊接均经历了温度上升、温度保持和温度下降阶段,但两者的温度上升阶段有所不同:线性摩擦焊接的温度上升阶段只有快速上升,而圆弧摩擦焊接的温度在快速上升之后,还会经历较快上升和慢速上升阶段。

1.1.2 木榫旋转焊接 木榫旋转焊接过程中所能达到的最高温度较低,但耐水性更好。木榫旋转焊接在0.9~1.2 s时可达到理论最高温度183.5℃。主要原因为木榫高速旋转引起基材孔壁和木榫之间摩擦,界面层纤维受摩擦生热作用软化压缩后,再无纤维填充进界面层,所以在界面层会产生空隙,使温度急剧下降至140℃左右。

与平面摩擦焊接相比,木榫旋转焊接是通过木榫插入基材内部进行焊接,使得界面层留在基材内部得到保护,所以耐水性能较好,可以在潮湿环境中放置8个月而不发生明显剥离,而线性摩擦焊接放置约4个月即可能发生明显剥离[4]。

1.2 木材焊接技术的优势

与常规的胶粘剂、五金件连接方式相比,木材焊接技术具有较多优势: 1)木材焊接效率高。整个木材焊接过程仅需10 s左右即可完成,且最多只需30 min固化时间,而使用胶粘剂的连接技术少则几个小时多则需要几天的固化、养护时间;2)木材焊接回收便利。焊接木制品由于未使用胶粘剂、连接件等增加环境负担的材料,仅是木质材料之间的摩擦生热粘合,所以更便于作为木质原料进行回收;3)木材焊接表观质量好。不使用胶粘剂可避免出现溢胶和胶斑现象,且不使用金属连接件可避免木材锈蚀,维持木质材料的天然外观;4)木材焊接绿色环保。焊接产生烟气成分主要为水蒸气、CO2、碳水化合物、萜烯类化合物等,无甲醛、CO等有害气体,焊接过程和使用过程中都不会释放有害物质。

1.3 木材焊接技术的应用

平面摩擦焊接由于其较差的耐水性和试件尺寸的限制,目前仍然处于试验研究阶段,在实际中应用较少。未来可利用该技术进行拼板等工艺,用于制作室内家具。至于焊接产品的耐水性较差的缺点,可从木材本身入手,对木材进行表面改性,如引入乙酰基提高木材耐水性;或在界面层加入一些耐水物质如萜类物质一同焊接,提高焊接产品的耐水性。

而木榫旋转焊接性能与家具及木结构建筑行业中的钉连接和榫卯连接性能类似。木榫旋转焊接实木板材的强度和刚度均明显优于钉连接节点,与表面涂胶木榫的连接性能相当[5]。由木榫旋转焊接技术生产的胶合梁抗剪切试件的力学性能完全满足要求,且胶合梁的刚度随着木榫数量增加而变大[6]。斜向木榫焊接连接具有较好的干态强度,可以应用于室内环境,但湿态强度不理想,不能作为户外结构用材连接方式[7]。在家具中常用的榫卯连接方式,经过试验研究发现可以通过多根木榫焊接的方式达到相同的强度。在榫卯连接的基础上再进行多根木榫焊接,可以获得更高的连接强度[8]。木榫旋转焊接人造板同样显示出较优异的性能,尤其在使用OSB作为基材时,与钉连接的OSB进行对比,发现木榫旋转焊接的刚度性能高出近50%[9]。由于木结构建筑行业中,轻型木结构剪力墙和楼板均采用钉连接OSB,因此可以考虑在该领域采用木榫旋转焊接的连接方式。

2 木材焊接强度影响因素研究

平面摩擦焊接与木榫旋转焊接的影响参数不尽相同,树种是两种焊接方式相同的一大影响因素,而纹理和焊接时间是影响平面摩擦焊接的重要因素,转速和进给速度则是木榫旋转焊接的关键参数。试验尝试多种特殊处理方法以提高焊接性能,如在平面摩擦焊接中对基材进行预热处理和开槽处理,证明预热处理效果不好,而开槽处理则因有利于挥发物快速排出从而提高了焊接性能;在木榫旋转焊接中,在木榫端部开十字槽、预钻孔为圆台形、乙烯、乙二醇溶液浸渍木榫、100℃热条件下焊接的效果均不甚如意,而采用合适的榫径与孔径之比、倾斜插入木榫焊接、将木榫制成圆台形、不对基材预钻孔而直接焊接均可提高焊接强度。未来可选用一些酸溶液浸渍木榫,对木榫表面产生轻微腐蚀而不损害内部结构,这样可使得木榫表面材料在焊接时更容易与基材发生反应,达到更好的界面胶合;而对于平面磨擦焊接,则可用酸溶液在两块板的焊接面轻轻涂刷一层,使木材表面结构打开更易发生反应。

2.1 平面摩擦焊接

2.1.1 基材种类 平面摩擦焊接的基材主要为矩形截面的板材,可以为实木板材或人造板。实木板材的树种及人造板的种类对平面摩擦焊接的连接强度具有较大影响。目前,对实木板材树种的研究主要集中于山毛榉(Fagus sylvatica)、枫木(Acer spp.)、橡木(Quercus robur)和云杉(Picea abies)等树种,人造板则主要是刨花板、定向刨花板、纤维板和胶合板。

对同种树种、异种树种之间的平面摩擦焊接性能进行了对比,使用同种树种作为线性摩擦焊接材料时,心边材差异对焊接性能有一定影响,心材焊接而成的试件耐水性较好[10]。山毛榉线性摩擦焊接强度高出云杉和橡木近一倍[11]。山毛榉、枫木和橡木的同种树种线性摩擦焊接性能对比试验发现,橡木焊接强度明显不及其他两个树种,主要是由于橡木在焊接过程中,木质素包覆纤维的情况较少,细胞形态基本完好,界面层密度增大不明显[12]。使用异种树种作为焊接材料时,云杉-山毛榉混合焊接而成的试件节点强度近似于云杉-云杉焊接而成的试件,表明焊接强度取决于两块木材中性能较差的树种[11]。而在圆弧摩擦焊接方面,试验发现山毛榉焊接强度优于挪威云杉[2]。

采用刨花板、定向刨花板、中密度纤维板和胶合板作为基材,研究其表面和侧面线性摩擦焊接性能的差异表明,山毛榉胶合板的焊接强度最高,而刨花板的焊接强度较差;人造板侧边-侧边的焊接强度明显优于表面-表面的焊接。人造板-实木的混合焊接连接强度明显优于人造板-人造板的焊接强度,人造板的热塑性不及实木板材,导致界面层熔融物质较少,无法得到很好的焊接强度[13]。可见,心材由于含有一些抽提物,使得焊接试件耐水性较好;无论是线性摩擦焊接还是圆弧摩擦焊接,山毛榉的焊接性能最好;用异种树种进行平面摩擦焊接时,焊接性能取决于两块木材性能较差的树种。

2.1.2 木材纹理 木材是各向异性材料,不同方向的切面具有不同的纹理。木材的横切面-横切面(横向)焊接强度明显低于径/弦切面-径/弦切面(纵向)焊接强度,且横向-纵向混合焊接的强度也仅有纵向焊接的1/2左右[14]。对山毛榉不同纹理方向的纵向线性摩擦焊接弦向焊接强度略优于径向焊接,而纹理方向呈90°交错的试验组的抗剪强度仅有同向纹理的1/2,主要原因是同向的纹理更有利于形成木质素包覆纤维的交联网状结构[12]。山毛榉径-弦向混合焊接与弦-弦向焊接强度均优于径向焊接,但橡木不同纹理方向的焊接强度没有明显差异[15]。可见弦向焊接强度最好,其次是径-弦向混合焊接,再次是径向焊接,最差的是横向焊接强度;且同向纹理焊接要比纹理方向垂直交叉的焊接强度高。

2.1.3 焊接时间 使用山毛榉作为线性焊接材料时,焊接时间为1.5 s的试件性能优异[16]。山毛榉材料线性摩擦焊接时间在2.5 s左右可达到较好的剪切强度,同时可获得较厚的融合界面层及面层的最大密度[1]。同时,山毛榉、枫木、橡木的线性摩擦焊接时间控制在4 s以内时,可以获得较好的焊接强度[12]。焊接时间过长则会使界面层温度过高,引起界面层炭化,导致焊接强度降低。

2.1.4 基材预处理 对基材进行预处理能够改善木材的相关性能,目前采用的主要预处理方式为预热处理和表面开槽。山毛榉随着预热处理温度的升高,焊接强度稍有提高;而橡木的焊接强度随着温度升高反而急剧下降[15]。采用热处理方式改善产品耐水性的研究发现处理后的试件强度不及未处理的试件[17]。除预热处理方式外,采用表面开槽的方式进行预处理。例如,通过在山毛榉表面开槽,增加焊接接触层的面积,凹槽较小时,对线性摩擦焊接性能的影响不大;但是当凹槽较大且界面层有空隙时,焊接性能略有提高。这是因为焊接过程中产生的水蒸气和挥发性物质能够快速排出,有利于焊接进行[18]。

2.2 木榫旋转焊接

2.2.1 树种 不同树种的木材组分和微观结构不同,树种性能差异对木榫旋转焊接影响较大。木榫和基材采用同一树种进行焊接时,糖枫木的焊接性能比桦木更优异;基材采用桦木,木榫分别采用糖枫木和桦木,糖枫木的焊接性能较优异[19],木榫旋转焊接界面层的性能更多取决于木榫树种,木榫旋转焊接的界面层材料多来自于木榫。焊接时采用材质较软的基材并配以材质较硬的木榫,可相对提高焊接节点强度[20]。

2.2.2 木榫转速 木榫和基材为同种树种焊接时,通常采用的木榫转速有1 000、1 500 r·min-1和2 500 r·min-1。糖枫木和桦木的最佳转速均为1 000 r·min-1[19]。转速过高会使焊接界面温度升高过快,界面层灼烧焦化,导致强度降低,山毛榉木榫与云杉基材的焊接试验发现,与4 000、4 500、6 000 r·min-1与6 500 r·min-1比,1 500 r·min-1为最佳转速[21]。

2.2.3 进给速度 木榫和基材为同种树种情况下,糖枫木的最佳进给速度为25 mm·s-1,桦木的最佳进给速度为16.7 mm·s-1,树种间的差异非常明显[19]。当木榫起始转速较低时,加速插入能够获得较好的拉伸强度;当起始转速较高时,恒定的插入速率则会获得较好的性能[22]。

2.2.4 特殊处理 在木榫端部开十字交叉槽、基材预钻孔为锥形(即基材表面孔径大于内部孔径)、乙烯乙二醇溶液浸渍木榫和100℃ 热条件下焊接4种处理方法,对焊接强度的提高均不明显。但是采用较小但不过小的榫径与孔径之比,可以有效提高焊接强度。孔径较小、榫径较大时,能够增大孔壁侧向压力,木榫可为界面层提供更多的焊接材料,当木榫与孔的直径比在1.25时,木材焊接产品具有较高的拉伸强度[23]。在室温环境下的焊接强度比100℃热条件下的焊接强度好,干燥的木榫在焊接完成后会从大气中吸收水蒸气直至达到平衡含水率,使木榫发生膨胀,增加连接强度[23-24]。

木榫焊接角度能够对焊接强度产生影响。一方面木榫倾斜插入基材比垂直插入增加了剪切应力,另一方面,在插入深度相同时,倾斜插入比垂直插入的接触面积大。焊接角度为20°的试件的抗剪强度和刚度均优于0°和10°的试件。但3个角度下的焊接试件在3点抗弯试验中破坏均未发生在焊接界面上[25-26]。

2.2.5 木榫形态 伴随着木榫旋转焊接技术的发展,新的木榫形态—圆台形木榫被创造。在木榫旋转进入基材的焊接过程中,开始阶段不至于对基材表层孔径造成很大的破坏,确保木榫尾部能够与基材表层孔径进行良好的过盈配合焊接;当基材上无预开孔时,圆台形阔叶材木榫直接通过高速旋转焊接进入针叶材基材,最终在基材内部形成“木钉帽”的结构。圆台形木榫被认为是“木钉”。木钉焊接时转速较高,且下行压力较大,所以木榫易断[27]。

3 木材焊接过程中化学组分的变化

3.1 粘结性能的化学机理

木材焊接得以实现与化学组分在高温摩擦作用下发生的变化密切相关。木材焊接属于无胶粘合,其良好的粘结性能主要归功于木质素的变化。将木材焊接技术应用于室外除需可观的焊接强度外,还需有一定的耐水性,而木材心材中的萜类物质有较好的防水性。木材焊接技术是环境友好型技术,也经化学分析后科学验证。未来可深化对木材组分主要是木质素的研究,探究出焊接界面层发生的化学反应式,由此得出木材焊接是实现无胶胶合的根本原因。

木质素的变化是界面层有良好粘结性能的主要原因。圆弧摩擦焊接中,木质素的游离酚类基团明显增加,而对羟基苯丙烷单元明显减少[28]。线性摩擦焊接中,采用100 Hz和150 Hz的振动频率对山毛榉进行线性焊接,发现150 Hz的焊接界面层含有较多未氧化的酚物质,体现出较好的粘结性能[29-30]。木榫旋转焊接中,木质素结构中的游离酚含量增加,其表面的羟基与纤维之间形成较强的氢键力,增强了木质素交联网状结构的稳定性[31]。

糖类热解产物也会增强界面层的粘结性能。圆弧摩擦焊接最高温度可达到420~440℃,致使焊接过程中大部分多糖发生热解,因此界面层仅有少量多糖存在。在木榫旋转焊接研究中发现,采用山毛榉为基材和木榫树种时,木榫插入速度为400 mm·min-1的试件比100 mm·min-1的试件中糖类衍生物的呋喃醛含量较高,焊接性能较好,且这部分呋喃醛多来自于基材[23]。

3.2 耐水性的化学机理

萜类物质可在焊接界面层形成防水层。采用樟子松作为基材进行线性摩擦焊接时,发现心材焊接节点相对于边材具有更好的耐水性,通过质谱和核磁共振分析发现樟子松心材含有萜类物质[4]。

3.3 挥发物的化学成分

木材焊接过程产生的挥发物中均无有害物质。在圆弧焊接挥发出的烟雾气体中可以检测到呋喃类衍生物,这主要来自于多糖类物质的热解。而木榫旋转焊接过程中,挥发性气体主要为水蒸气和二氧化碳以及部分热解化合物,基本来源于半纤维素和木质素分解,二氧化碳的含量较少,未发现有一氧化碳和甲烷的产生[32];且研究还发现,愈疮木基组分和糖类优先发生热解反应,释放出甲醛和呋喃化合物,呋喃甲醛(糠醛)和其他呋喃衍生物能够与木质素发生化学反应,从而促进木质素的热解[28]。

4 木材焊接温度变化模型与应力应变模型

热传递有限元模型[33]用有限元模拟和试验验证的方法分析山毛榉在线性摩擦焊接过程中的热变化,经过试验验证,焊接界面层的冷却速度明显高于模型模拟结果,该模型不能很精确的模拟冷却阶段的温度变化。

A.Zoulalian[34]等建立了木榫旋转焊接界面温度与摩擦时间函数关系T0=Ti+ e327f9eb93eb6f92cb1246b3d41f6761.jpg ,其中Ti为界面初始温度(℃),β为机械能转化为热能的系数,μ为旋转速率(r·min-1),τ为摩擦应力(Pa),α为木材的热扩散速率(m2·s-1),h为木材的导热系数(W·m-1·k-1) ,t为摩擦时间(s)。利用此函数关系可以计算得出木榫旋转焊接界面在0.9 s即可达到理论最高温度183℃,符合试验现象中的温度监测结果[23,28]。

S.Girardon[35]等基于Kreuzinger的应力应变研究,建立了木榫旋转焊接多层梁结构受力模型。此模型主要用于研究层板层数、木榫位置及数量、加载方式(集中载荷或均布载荷)、材料等级、梁跨距等因素对梁结构整体性能的影响。经模型分析,可得到屈服刚度kser和破坏刚度ku等相关的回归分析模型参数;通过试验验证和模拟分析对比的方式,模型计算得到的梁屈服刚度比试验值低14%。

热传递有限元模型对线性摩擦焊接过程热变化的模拟结果明显偏低,造成此误差的主要原因是热对流交换对冷却速度没有影响,而水解、热解及气体释放等反应没有被考虑进模型中。A.Zoulalian[34]等建立的数学关系式则可准确地计算出木榫旋转焊接过程某一时刻的对应温度,经试验验证其结果同样也适用于线性摩擦焊接,但此函数关系式用试验验证时未指出所用树种,后续可用其他常用树种如落叶松和桦木等对该式进行进一步校验。S.Girardon[35]等通过建立多层梁结构受力有限元模型算出的屈服刚度与试验值误差较大,可以在选择榫与梁的连接方式时尝试一下其它所给选项或将网格进一步细化,但其选择的弹性模型是截至2014年为止,用以模拟剪切和界面滑移结构受力情况最为准确适宜的,值得借鉴。

5 结论

木材焊接效率高、绿色无污染,可作为环境友好型技术用于室内装修。技术所用原材料仅为可再生的天然木质材料,且焊接过程和使用过程中都不会释放有害物质,推广其在家具方面的应用有助于创建舒适的人居环境。

木材焊接因其较好的干态结合强度,在未来将具有广泛的应用前景。例如,木榫旋转焊接在现代木结构建筑中替代钉连接以及古建加固和修复,利用线性摩擦焊接技术进行名贵木材的无胶连接如拼板等工艺。但木材焊接的耐水性及耐候性有待提高,仍然处于试验阶段。

木材焊接技术因加工设备设计不足,木榫尺寸过小或过大便难以实现焊接,且无法进行大规模应用。较小的木榫在焊接过程易折断,须通过设计夹持设备和优化工艺参数提高施工性能;较大的木榫则须通过改进多排钻等设备,才有望应用于木结构建筑的连接中。

在人们努力追求高品质无污染的绿色生活的形势下,未来木材焊接技术将凭借其独特的优势蓬勃发展。但还存在一些研究难点需要克服:如设计制造便于施工的机械设备,国内现有的加工设备自动化程度极低,这极大地限制了木材焊接技术的工业化发展;另外提高用于户外的焊接产品的耐水性和耐候性,尤其是平面摩擦焊接,也是迫在眉睫的一大难点。研究热点将集中于两点:一是开发新的预处理方式,以提升焊接强度,如用盐酸浸渍木榫的试验初步发现浸渍后焊接强度提高明显;二是综合考查各影响参数的交叉作用,制定出多套适于施工的最优工艺参数组合。

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Theoretical Research and Technical Progress of Wood Welding
LUO Xiang-ya,ZHU Xu-dong,ZHANG Ji-rong,GAO Ying*
(College of Material Science and Technology in Beijing Forestry University,MOE Key Laboratory of Wooden MaterialScience and Application,Beijing Key Laboratory of Wood Science and Engineering,Beijing 100083,China)
Abstract:Research progresses in wood welding were reviewed from the aspects of mechanism,classification of two forms of wood welding,factors affecting wood welding,chemical changes during welding,welding theoretical model,and the application of wood welding.For the classification of wood welding,planar friction welding and wood dowel welding as well as the temperature changes involved were introduced.Factors affecting the wood welding included wood species,wood grain,speed of welding,and some special methods,in which wood species and wood grain demonstrated strong influences on planar friction welding,while wood species and wood tenon were key parameters for wood dowel welding.Chemical changes during wood welding included the decomposition of lignins and saccharides to produce free phenolic compounds and those from the decomposition of saccharides,which were the main causes for the enforcements of bond performance and hydrophobic properties,smoke constituents produced from wood pyrolysis were also discussed.Researches in theoretical model of wood welding were rare,resulting in the lack of models with high accuracy.The advantages and disadvantages of wood welding and relative researches were discussed.Several assumptions about the application were presented,such as replacing screw connection of modern wood structure,reinforcing and repairing ancient architecture,and connecting joints without adhesive of rare wood.
Key words:wood welding; linear friction welding; dowel rotary friction welding; influencing parameter; chemical component
doi:10.3969/j.issn.1001-7461.2017.06.43
收稿日期:2017-01-23
修回日期:2017-02-25
基金项目:北京林业大学国家级大学生创新创业训练计划(201610022049);北京林业大学热点追踪项目(2016BLRD03);北京市支持中央在京高校共建项目(2015GJ-01)。
作者简介:罗翔亚,女,本科,研究方向:木质结构与木质复合材料。E-mail:bjfu140534127@163.com

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通信作者:高 颖,女,博士,副教授,研究方向:木质结构与木质复合材料。E-mail:gaoying@bjfu.edu.cn

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云中漫步 发表于 6 天前
木材还能这样玩,牛
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