WPC的超聲波焊接技術(shù)分析

焊接

一項研究展開了對高填充纖維增強木塑復(fù)合材料(WPC)可焊性的深入分析，研究試驗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際成分含量構(gòu)成都對焊縫強。芝產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，在試驗中得到的焊接系數(shù)可高達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)機械連接技術(shù)一同越來越多地投入實際應(yīng)用，旨在進一步提升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，這是因為至今仍未出臺針對焊縫質(zhì)量的指導(dǎo)方針或要求標準。

材料分析

    市場現(xiàn)有的WPC型材林林總總，研究項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，樣本需要具有機械性能測試的必要結(jié)構(gòu)?；谶@些因素，七款市場現(xiàn)有PVC. PP和PE基WPC型材被選取來進行熱對接焊接和振動焊接研究。同時，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焊縫強度。

流變測試表明，在恰當選擇WPC材質(zhì)的前提下，盡管基底材質(zhì)對流動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用途和產(chǎn)品，型材的整體結(jié)構(gòu)也對流動特性起到了相當大的影響。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的黏度進行比較，這一結(jié)論更加顯而易見。進一步觀察中發(fā)現(xiàn)，在溫度增高的同時，WPC的黏度隨之降低，一如預(yù)期。不過，因為研究材料是不同生產(chǎn)商出品的市場現(xiàn)有WPC，在某些情況下，它們會呈現(xiàn)相當大的結(jié)構(gòu)性差異，因此也在流動特性方面的表現(xiàn)不同。

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

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有限責任公司的試驗工廠進行了焊接試驗，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。用于試驗樣本的系統(tǒng)包含PTFE涂層和氣動合組件的傳統(tǒng)熱焊接設(shè)備，焊接程序通過可系統(tǒng)編程控制器(PLC)也可實現(xiàn)氣動進行。使用了這一焊接系統(tǒng)，從已經(jīng)進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0.66，而PP基WPC（木質(zhì)含量60%）更高達到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度和不同焊接壓力和加熱時長情況下焊接樣本的拉力強度變化。在這個測試中，得到的最高焊接系數(shù)是定向時長1 5秒，加熱時長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的基底材料量，從而導(dǎo)致了焊縫強度的陣低。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，研究項目對在焊接和無焊接WPC型材進行了相關(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這一測試包括兩個交互干燥和潮濕階段，WPC型材會在氣候變化之后進行顯微鏡像和短時機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)品的影響會引致材料拉力顯著降低達20%，并豆產(chǎn)生褪色現(xiàn)象。在氣候變化的過程中，基底材料強度的降低也影。向了焊縫強度，雖然在焊縫強度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)生在試驗開始最初約1 90小時內(nèi)，隨后氣候變化持續(xù)到1 000小時，則沒有觀察到進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的意義。研究中采用德國迪岑巴赫Branson Ultraschall有限責任公司出品的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行了機械短時拉力性能測試，得出同樣適用于合二為一DVS測試樣本的整體拉力強度的“超聲波焊接系數(shù)”。研究中也對焊縫進行顯微鏡分析，用以檢測木纖維分布。

    進行木質(zhì)含量30%. 50%PP基WPC產(chǎn)品的超聲波焊接時，通過調(diào)整焊接參數(shù)，達到的最高焊接系數(shù)為0.65，木纖維成分對焊縫強度并未呈現(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懸浮通路末端時的初始纖維定位，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度。同時也在顯微鏡下發(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)。

    項目中研究的第三種焊接方法是線性振動焊接。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）和對不同樣本進行短時拉力測試，得出了焊接壞境對實際焊縫品質(zhì)的影響。進行完這些焊接測試，再將焊縫冉一次放在顯微鏡下進行檢測，得出木質(zhì)部分的纖維定向和纖維長度分布，從而對木纖維對強度的影響得出結(jié)論

結(jié)語與綜述

這項研究采用WPC型材和產(chǎn)品進行熱對接焊接、超聲波焊接和振動焊接測試，測試結(jié)果充分表明WPC焊接是切實可行的。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。在該項目中，采用的是已經(jīng)證實的焊接參數(shù)，結(jié)果得到的熱對接焊接的焊接系數(shù)而達0.8，超聲波焊接0.7 0研究發(fā)現(xiàn)，WPC振動焊接的焊縫強度具有巨大的潛力提升空間，因而應(yīng)該通過更深入細致的研究將其開發(fā)應(yīng)用。美中不足的是，由于試驗中涉及的焊接參數(shù)對型材構(gòu)造的特性依賴度較高，因為無法從試驗結(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)果證實了WPC產(chǎn)品焊接的切實可行，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。