趙 輝 張圣源 楊秀軒 劉芬芬 王清文

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

木塑窗角的熔焊注塑復合連接試驗1)

趙 輝 張圣源 楊秀軒 劉芬芬 王清文

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

應(yīng)用熔焊技術(shù)和注塑成型技術(shù)相結(jié)合的復合連接技術(shù)，對木塑窗進行了角部連接試驗。木塑窗型材成分為60%的木粉(WF)、36%的聚乙烯(PE)和4%的馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)。復合連接試驗由熔焊連接和注塑連接組成。通過對比不同焊接溫度下的熔焊連接強度，選出進行注塑連接的最佳工藝參數(shù)，并應(yīng)用Moldflow軟件分析了復合連接的狀況。研究結(jié)果表明熔焊注塑復合連接技術(shù)可以應(yīng)用于木塑窗的角部連接問題，并且具有足夠的強度。

注塑；木塑窗；熔焊；Moldflow；復合連接

近年來，隨著木塑復合材料(WPC)的研究逐漸成熟，木塑產(chǎn)品的制備技術(shù)也日趨完善。目前，我國木塑復合材料主要用于建筑領(lǐng)域，如門窗、地板和吊頂?shù)龋渲心舅荛T窗以其優(yōu)良的使用性能、物理力學性能及成本低的優(yōu)勢，漸漸進入人們的視野[1]。為解決當前木塑窗角采用機械連接(如螺栓連接)出現(xiàn)連接效率低、強度低，采用焊接出現(xiàn)強度低、應(yīng)力集中、裂紋和引起斷裂等的問題[2]，本研究用熔焊與注塑相結(jié)合的方法，對木塑窗進行熔焊后，在角部注入熔融塑料，冷卻固化形成內(nèi)嵌的角碼，加強角部連接。由于熔焊和注塑連接均是快速的連接，所以連接效率高。且注塑連接負載能力強、壽命長、連接結(jié)構(gòu)安全可靠、有減振抗噪的能力，因此具有良好的應(yīng)用前景[3]。應(yīng)用熔焊和注塑成型技術(shù)，選取目前應(yīng)用較多的擠出工藝生產(chǎn)的木塑窗型材作為復合連接的試件[4-5]，對木塑窗扇進行角部連接，并應(yīng)用Moldflow軟件對注塑形成內(nèi)嵌角碼的過程進行深入的分析，以確定適合的連接工藝參數(shù)，為其他木塑制品的角連接提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料

采用PE(聚乙烯)36%，WF(木粉)60%，MAPE(馬來酸酐接枝聚乙烯)4%共同混粉擠出的截面尺寸如圖1所示的窗扇型材。參照GB/T 8814—2004門、窗用未增塑聚氯乙烯(PVC-U)型材標準，將窗扇型材制備成試樣[6]，如圖2所示，其中a=400 mm，根據(jù)窗扇截面尺寸可計算出e=40.7 mm，進而可知l1=201.5 mm。

單位為mm。

圖2 試樣制備圖

1.2 儀器與設(shè)備

SHZ4-100×4500塑料門窗四位焊接機(濟南精工新亞機器有限公司)；潤品RPWXZSJ-8100微型注塑成型機(上海潤品工貿(mào)有限公司)；SJS-20數(shù)顯式角強度試驗機(符合GB/T 8814的相關(guān)要求)(濟南大唐偉業(yè)科技發(fā)展有限公司)。

1.3 試驗流程及原理

試驗流程如圖3所示。首先，進行實驗焊件的制備，進行木塑窗角的熔焊，完成初步的連接，再對焊接后的窗角上打孔進行注塑，形成內(nèi)嵌的角碼完成整個復合連接過程。

在本試驗中，木塑窗角的熔焊注塑復合連接原理借鑒于塑料窗角部熔焊原理和塑料注塑成型原理。

圖3 試驗流程圖

熔焊原理：焊件待焊處母材在焊機焊板高溫作用下至熔化狀態(tài)，然后焊件在焊機壓鉗壓力與進給壓力作用下進行對接，熔化部分發(fā)生混合，待溫度降低后，熔化混合部分凝結(jié)形成焊縫，完成熔焊過程。

注塑連接原理：將經(jīng)注塑機加熱料筒高溫加熱至熔融狀態(tài)的塑料熔體，經(jīng)螺桿以一定的壓力與速度的推動下，通過注塑機噴嘴注入窗角內(nèi)腔中，經(jīng)一定時間冷卻、硬化定型形成內(nèi)嵌“角碼”完成注塑連接過程。

2 熔焊試驗

由塑鋼窗焊接經(jīng)驗可知，各因素對型材焊角強度的影響程度從大到小依次為：焊接溫度、加熱時間、焊接時間、進給壓力，其中焊接溫度的影響要遠大于其他3種因素[7]，故本實驗中只對焊接溫度的數(shù)據(jù)進行了變化，其他3種因素固定選擇了以往經(jīng)驗的數(shù)據(jù)：焊接溫度240～280 ℃，每隔5 ℃做1次焊接試驗，共9組，加熱時間30 s，焊接時間30 s，進給壓力0.2 MPa，壓鉗壓力0.4 MPa。

將焊接好的焊件放在角強度試驗機上壓裂，得到不同焊接溫度下焊角的最小破壞力，該焊件的最大焊角破壞力為2 664 N，焊角最小破壞應(yīng)力為29.1 MPa。角強度測試后，試件分離前后如圖4所示。4組焊接效果較好的焊接強度見表1。

圖4 角強度測試前后試件分離圖

表1實驗數(shù)據(jù)顯示：在進行熔焊試驗時，溫度在245～275 ℃均可實現(xiàn)焊件接頭表面的融化，從而完成焊接。并且在本試驗的試驗環(huán)境下，焊接溫度在260 ℃左右時焊接效果最佳。

因此，選取參數(shù)焊接溫度260 ℃，加熱時間30 s，焊接時間30 s，進給壓力0.2 MPa，壓鉗壓力0.4 MPa焊接一組試件，進行注塑連接實驗。

表1 不同焊接溫度下焊件的焊接強度

3 注塑連接試驗

3.1 Moldflow模流

MoldFlow軟件用于優(yōu)化制件和模具設(shè)計的整個過程，可協(xié)助模擬注塑成型過程中的充模與保壓階段，以利于預(yù)測熔膠的流動模式，提高制造品質(zhì)。

利用MoldFlow軟件對塑料注入木塑窗內(nèi)腔的過程進行深入的分析，即對整個注塑過程進行模擬分析，找出產(chǎn)品可能出現(xiàn)的缺陷，可以提高一次試模的成功率。

選擇常用塑料PE進行注塑，將經(jīng)Pro/E建模形成的角碼制件文件導入MoldFlow軟件中，得到以下重要的分析結(jié)果。

3.1.1 最佳澆口位置

由圖5可知，注塑角碼上表面和側(cè)面為最佳澆口位置，結(jié)合實驗條件，為便于注塑，選擇上表面中心處為澆口位置。

圖5 澆口匹配性分析圖

3.1.2 充填時間

分析圖6可知，位于澆口附近的部分充填時間短，易于填充。而遠離澆口的末端充填時間較長，完全充模時間為130.4 s。

3.1.3 充填區(qū)域

從圖7可以看出，充填區(qū)域比較完整，只是在邊緣部分有充填不完整的缺陷，在實際注塑時要通過調(diào)整注射速度、注射壓力等來彌補這些缺陷。

圖6 充填時間分析圖

圖7 充填區(qū)域分析圖

3.1.4 注射壓力

從圖8可以得知，注塑角碼底部所需注射壓力較小，澆口位置壓力較大并且從澆口到末端逐漸減小，利于充型。

3.1.5 氣穴位置

從圖9可以看出，氣穴在角碼塑件遠離澆口的一端易于出現(xiàn)，這是由于充型時，氣體被壓縮到這一位置沒有被及時排出所致。但是由于木塑窗型腔內(nèi)排氣效果良好，可以大幅度避免氣穴的產(chǎn)生，從而保證塑件的成型質(zhì)量。

3.1.6 溫度分布

由圖10可以看出，角碼塑件澆口位置的溫度最高，并逐漸降低，邊緣溫度最低。

圖8 注射壓力分析圖

圖9 氣穴位置分析圖

圖10 溫度分布分析圖

3.1.7 Moldflow模流分析結(jié)果

利用MoldFlow軟件對注塑角碼的過程進行模流分析，得到結(jié)果：注射時間為130.4 s，充填后的溫度為200 ℃，充填后的壓力為0.09 MPa，有可能的氣穴的位置在角碼塑件的邊緣處。依據(jù)分析結(jié)果，整個塑件能夠基本充填完整，注塑機滿足射膠量和注射壓力等要求。得到的參數(shù)可為以后的實驗作參照。

3.2 注塑連接件斷面形貌觀察

根據(jù)Moldflow分析結(jié)果，選擇常用塑料PE進行注塑，熔膠溫度為200 ℃，注射量688 g。

圖11為個別有缺陷試件的斷面形貌圖，可以看出，存在填充不完全的現(xiàn)象，可能是注塑工藝不當引起的。通過適當提高注射壓力及注射速度，延長注射和保壓時間，可以使填充完整，補償熔體的收縮。

圖11 注塑連接件斷面圖

3.3 角強度測試與分析

將注塑連接后的試件拿到角強度試驗機上測試復合連接強度，測得6組試件的連接角最小破壞力分別為2 660、2 820、2 862、2 650、2 834和2 826 N，最小破壞應(yīng)力為28.9～31.2 MPa。與表1相比，經(jīng)注塑連接后，連接角最小破壞力和最小破壞應(yīng)力都有明顯的提高。此外，本實驗用同一臺角強度試驗機測量膠接對比組的連接強度，其連接角最小破壞力為804 N，最小破壞應(yīng)力為8.8 MPa，兩者最大相差3～4倍。由此可見，這種熔焊注塑復合連接方式在木塑窗角連接上具有很大的優(yōu)勢。

3.4 試驗優(yōu)化方案

由于木塑窗內(nèi)腔為中空結(jié)構(gòu)，注塑時不能形成一個密閉的空間，會使熔融的塑料向遠離窗角的方向流展，從而不能在窗角處形成充實的角碼，針對這種情況增加了密封的措施，設(shè)計特制的密封板如圖12所示。經(jīng)此設(shè)計方案優(yōu)化后，有效地限制了塑料熔體的流動，在窗角處形成的角碼比較充實，測得復合連接最小破壞力最小值為3 051 N，最小破壞應(yīng)力最小值為33.3 MPa。復合連接強度有明顯的提高。

圖12 密封板設(shè)計圖

4 結(jié)論

熔焊注塑復合連接工藝在木塑窗角的連接應(yīng)用中，可以將兩個連接件進行連接，并具有較高的強度。熔焊參數(shù)：焊接溫度260 ℃、加熱時間30 s、焊接時間30 s，進給壓力0.2 MPa、壓鉗壓力0.4 MPa；注塑參數(shù)：熔膠溫度為200 ℃、注射量688 g的連接件，其復合連接角最小破壞力最大可以達到2 862 N，最小破壞應(yīng)力穩(wěn)定在30 MPa左右。實驗中，注塑填充形成完整內(nèi)嵌角碼時，連接角的強度較高；填充形成的內(nèi)嵌角碼有少許缺陷時，可以通過適當提高注射壓力及注射速度，延長注射和保壓時間等手段提高連接強度。

本實驗確定的熔焊注塑復合連接工藝參數(shù)，具有一定的連接強度，其理論與實踐經(jīng)驗對其他木塑制品的角部連接問題具有借鑒意義。

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Welding-injection Composite Connection Performances of Wood-plastic Composites Windows/

Zhao Hui, Zhang Shengyuan, Yang Xiuxuan, Liu Fenfen, Wang Qingwen

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-126～130

Composite connection, combined with welding and injection technology, was applied to corner connection of wood-plastic composite windows. Wood-plastic composites windows were made up of 60% of wood-flour (WF), 36% of polyethylene (PE) and 4% of maleic anhydride grafted PE (MAPE). Composite connection tests included welding connection and injection connection. Compared with different connection strengths under different welding temperatures, the optimal parameters can be chosen in injection connection. The connection status was analyzed by Moldflow. The welding-injection composite connection can be applied to solve the corner connection problems of the WPC windows with enough connection strength.

Injection; Wood-plastic composites windows; Welding; Moldflow; Composite connection

1) 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(DL12CB02)。

趙輝，男，1973年5月生，東北林業(yè)大學機電工程學院，副教授。

2013年10月9日。

Q958.1

責任編輯：戴芳天。