WPC的超聲波焊接技術(shù)分析

焊接

一項(xiàng)研究展開了對高填充纖維增強(qiáng)木塑復(fù)合材料(WPC)可焊性的深入分析，研究試驗(yàn)中采用了三種不同的焊接方法得出結(jié)論，復(fù)合板材的纖維定向及其實(shí)際成分含量構(gòu)成都對焊縫強(qiáng)。芝產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，在試驗(yàn)中得到的焊接系數(shù)可高達(dá)0.8。這些、焊接方法有望在材料和適用領(lǐng)域方面推陳出新。

    在WPC材料連接技術(shù)領(lǐng)域，焊接已經(jīng)與傳統(tǒng)機(jī)械連接技術(shù)一同越來越多地投入實(shí)際應(yīng)用，旨在進(jìn)一步提升WPC產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能和精密度。然而，到目前為止，在這一領(lǐng)域還沒有出現(xiàn)經(jīng)過考證能夠確保WPC產(chǎn)品質(zhì)量的連接技術(shù)和相關(guān)指南，來指導(dǎo)WPC材料的可復(fù)制焊接，這是因?yàn)橹两袢晕闯雠_針對焊縫質(zhì)量的指導(dǎo)方針或要求標(biāo)準(zhǔn)。

材料分析

    市場現(xiàn)有的WPC型材林林總總，研究項(xiàng)目選取型材主要是基于材料和結(jié)構(gòu)特性。一方面，測試樣本型材的基底材料要具有目前市場情況的代表性，另一方面，樣本需要具有機(jī)械性能測試的必要結(jié)構(gòu)。基于這些因素，七款市場現(xiàn)有PVC. PP和PE基WPC型材被選取來進(jìn)行熱對接焊接和振動(dòng)焊接研究。同時(shí)，在焊接板中加入薄膜來提高焊縫區(qū)域木質(zhì)和塑料的黏合力，PP基WPC型材焊接采用的是不同厚度和偶聯(lián)劑含量的PP基薄膜，并且通過在焊接工序中增加基底材料來增強(qiáng)焊縫強(qiáng)度。

流變測試表明，在恰當(dāng)選擇WPC材質(zhì)的前提下，盡管基底材質(zhì)對流動(dòng)特性有著巨大的影響作用，但隨著多種添加劑的使用，型材結(jié)構(gòu)能夠更加適用于各特殊專項(xiàng)用途和產(chǎn)品，型材的整體結(jié)構(gòu)也對流動(dòng)特性起到了相當(dāng)大的影響。這里體現(xiàn)的相關(guān)影響因素例如木質(zhì)種類、穩(wěn)定劑成分、加工作用劑和著色色素。在各種WPC結(jié)構(gòu)的研究中，采用同樣基底材料的測試樣本，高木質(zhì)含量的結(jié)構(gòu)都立竿見影地呈現(xiàn)出比木質(zhì)含量低的結(jié)構(gòu)具有更高的粘性、純基底料和相同基底的木質(zhì)含量50%WPC的黏度進(jìn)行比較，這一結(jié)論更加顯而易見。進(jìn)一步觀察中發(fā)現(xiàn)，在溫度增高的同時(shí)，WPC的黏度隨之降低，一如預(yù)期。不過，因?yàn)檠芯坎牧鲜遣煌a(chǎn)商出品的市場現(xiàn)有WPC，在某些情況下，它們會(huì)呈現(xiàn)相當(dāng)大的結(jié)構(gòu)性差異，因此也在流動(dòng)特性方面的表現(xiàn)不同。

    為了提升短時(shí)拉力焊接系數(shù)，即，焊接組件的強(qiáng)度對基底材料的比率，對熱對接焊接、振動(dòng)焊接和超聲波焊接采用的各種W PC型材和組件的機(jī)械性能進(jìn)行了拉力測試。

熱對接焊接

    對熱對接焊接的研究主要聚焦是在如何優(yōu)化改良WPC材質(zhì)的這一加工程序。為此在德國迪青根Widos有限責(zé)任公司的試驗(yàn)工廠進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，選用的是市場現(xiàn)有的不同結(jié)構(gòu)WPC型材，通過分析評估焊接結(jié)果來界定最適宜的焊接參數(shù)和容許參數(shù)范圍。用于試驗(yàn)樣本的系統(tǒng)包含PTFE涂層和氣動(dòng)合組件的傳統(tǒng)熱焊接設(shè)備，焊接程序通過可系統(tǒng)編程控制器(PLC)也可實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)進(jìn)行。使用了這一焊接系統(tǒng)，從已經(jīng)進(jìn)行的材料分析觀察結(jié)果中看出，能夠?qū)崿F(xiàn)可重復(fù)調(diào)換加熱溫度、定向、加熱時(shí)長和焊接次數(shù)，以及加熱和焊接壓力。

    由于系統(tǒng)研究和焊接參數(shù)的適應(yīng)變化的積極作用，在熱對接焊接WPC型材的拉力測試中得出，PVC基WPC(木質(zhì)含量50%)的焊接系數(shù)可達(dá)0.66，而PP基WPC（木質(zhì)含量60%）更高達(dá)到0.75從PP基WPC型材樣本的對比，可以看出無焊接樣本的拉力強(qiáng)度和不同焊接壓力和加熱時(shí)長情況下焊接樣本的拉力強(qiáng)度變化。在這個(gè)測試中，得到的最高焊接系數(shù)是定向時(shí)長1 5秒，加熱時(shí)長90秒，焊接壓力0.25MPao對相同型材使用厚度0.22mm的焊接填充薄膜可以有效提升焊接系數(shù)至0.87。

    短時(shí)拉力測試的結(jié)果顯示焊接板的纖維定向也對決定焊縫強(qiáng)度起到了非常重要的作用。顯微鏡像分析顯示，在焊接板的焊接熔化區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)非常清晰的木質(zhì)纖維線性定向，這種定向產(chǎn)生自焊接步驟中的熔化珠鏈成分結(jié)構(gòu)擠壓流，由于降低了用于形成焊接點(diǎn)的基底材料量，從而導(dǎo)致了焊縫強(qiáng)度的陣低。這種定向在所有木質(zhì)纖維成分和各種纖維規(guī)格的樣本中都可以觀察到許多WPC產(chǎn)品（例如，房屋外部覆層或面板)o

    鑒于許多WPC產(chǎn)品（例如，房屋外部覆層或面板）都用于戶外，這些產(chǎn)品的焊縫也必須能夠經(jīng)受在氣候影響下的長期使用。為此，研究項(xiàng)目對在焊接和無焊接WPC型材進(jìn)行了相關(guān)的人工和自然氣候測試。人工氣候測試是使用德國Linsengericht-Altenhasslau的Atlas材料測試科技有限責(zé)任公司出品的氣候侵蝕設(shè)備，根據(jù)DIN ENIS0 4892方法2過濾去除全球輻射（無窗戶玻璃）o這一測試包括兩個(gè)交互干燥和潮濕階段，WPC型材會(huì)在氣候變化之后進(jìn)行顯微鏡像和短時(shí)機(jī)械拉力性能窮面的評估。評估結(jié)果顯示，在自然和人工氣候影響下，濕氣和UV輻射對于沒有抵抗性能的WPC產(chǎn)品的影響會(huì)引致材料拉力顯著降低達(dá)20%，并豆產(chǎn)生褪色現(xiàn)象。在氣候變化的過程中，基底材料強(qiáng)度的降低也影。向了焊縫強(qiáng)度，雖然在焊縫強(qiáng)度1 0到最大的范圍內(nèi)的降低幅度要明顯小得多，與沒有氣候變化的樣本相比降低幅度為16%o這些結(jié)果都在略微高的焊接系數(shù)測試上得以體現(xiàn)。材料特性的這些翌，化，都相對集中地發(fā)生在試驗(yàn)開始最初約1 90小時(shí)內(nèi)，隨后氣候變化持續(xù)到1 000小時(shí)，則沒有觀察到進(jìn)一步顯著的性能變化。

    WPC產(chǎn)品超聲波焊接的研究具有頗為深遠(yuǎn)的意義。研究中采用德國迪岑巴赫Branson Ultraschall有限責(zé)任公司出品的2000X焊接設(shè)備，將能量導(dǎo)向（energy directors）注塑DVS測試樣本半模與同樣的無能量導(dǎo)向注塑DVS測試樣本半模進(jìn)行焊接，測試樣本是木質(zhì)含量分別為30%. 40%和50%的PP基注塑SKZ，測試進(jìn)行中特別引入振幅、鏈接軌跡、焊接壓力和合模力的變化組合。由此得到的焊接樣本進(jìn)行了機(jī)械短時(shí)拉力性能測試，得出同樣適用于合二為一DVS測試樣本的整體拉力強(qiáng)度的“超聲波焊接系數(shù)”。研究中也對焊縫進(jìn)行顯微鏡分析，用以檢測木纖維分布。

    進(jìn)行木質(zhì)含量30%. 50%PP基WPC產(chǎn)品的超聲波焊接時(shí)，通過調(diào)整焊接參數(shù)，達(dá)到的最高焊接系數(shù)為0.65，木纖維成分對焊縫強(qiáng)度并未呈現(xiàn)顯著的影響。超聲波焊接的焊接板纖維定向決定于采用的焊接壓力和合模壓力，以及在注塑工序中纖維到達(dá)懸浮通路末端時(shí)的初始纖維定位，這些因素的聯(lián)合作用導(dǎo)致了在DVS測試樣本焊接區(qū)域的最終定向分布。這種清晰的纖維定向?qū)е禄撞牧显谶B接板接口處的分布比較少，從而更加降低了焊縫強(qiáng)度。同時(shí)也在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，在拉力測試中的纖維折斷往往發(fā)生于纖維和基底層的分界，而這種現(xiàn)象相對與纖維成分含量則沒有關(guān)聯(lián)。

    項(xiàng)目中研究的第三種焊接方法是線性振動(dòng)焊接。測試中采用的焊接生產(chǎn)線由德國黑彭海姆KLN Ultraschall公司，振動(dòng)煩率260Hz，最大焊接表面區(qū)域30000m㎡焊接壓力31.4kN，用以來評估WPC振動(dòng)焊接的常規(guī)可焊性。通過改變焊接參數(shù)（即，振幅、焊接軌跡和焊接壓力）和對不同樣本進(jìn)行短時(shí)拉力測試，得出了焊接壞境對實(shí)際焊縫品質(zhì)的影響。進(jìn)行完這些焊接測試，再將焊縫冉一次放在顯微鏡下進(jìn)行檢測，得出木質(zhì)部分的纖維定向和纖維長度分布，從而對木纖維對強(qiáng)度的影響得出結(jié)論

結(jié)語與綜述

這項(xiàng)研究采用WPC型材和產(chǎn)品進(jìn)行熱對接焊接、超聲波焊接和振動(dòng)焊接測試，測試結(jié)果充分表明WPC焊接是切實(shí)可行的。這里采用的一些參數(shù)是既定的，均是在塑料焊接中已經(jīng)廣發(fā)采用的，例如，在超聲波焊接和振動(dòng)焊接中都涉及到的振幅。另一方面，其他焊接參數(shù)則具有WPC材質(zhì)的寺業(yè)性。在該項(xiàng)目中，采用的是已經(jīng)證實(shí)的焊接參數(shù)，結(jié)果得到的熱對接焊接的焊接系數(shù)而達(dá)0.8，超聲波焊接0.7 0研究發(fā)現(xiàn)，WPC振動(dòng)焊接的焊縫強(qiáng)度具有巨大的潛力提升空間，因而應(yīng)該通過更深入細(xì)致的研究將其開發(fā)應(yīng)用。美中不足的是，由于試驗(yàn)中涉及的焊接參數(shù)對型材構(gòu)造的特性依賴度較高，因?yàn)闊o法從試驗(yàn)結(jié)果中得出能夠指導(dǎo)焊接WPC組件工藝的指南手冊。但瑕不掩瑜，研究結(jié)果證實(shí)了WPC產(chǎn)品焊接的切實(shí)可行，這將極大地鼓舞這一領(lǐng)域的新發(fā)展，有利于未來廣泛拓展WPC材料的適用范圍，將這一材質(zhì)引入更多如建筑、家具、汽車等適用新領(lǐng)域和新產(chǎn)品。