木榫旋转摩擦焊接抗拉拔力的影响因素

2020-06-26朱海陈家瑞张剑孙朝伟刘瑞丰

东北林业大学学报 2020年6期

朱海陈家瑞张剑孙朝伟刘瑞丰

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

木材属于天然高分子材料，主要由纤维素，半纤维素，木质素等构成。木榫旋转摩擦焊接是通过高速旋转的木榫棒与实木基材预钻孔间的摩擦生热，使木质素和半纤维素发生软化、融合，并在交界面形成交联网格结构，再冷却后形成高强度焊接界面[1]。由于木材焊接具有加工速度快、无任何添加剂、无有害气体、强度高、回收利用率高等特点，被认为是绿色环保工艺技术，成为继榫卯连接、金属件连接、胶结等木材连接方法之后的一种新型连接技术，已成为欧洲木材无胶胶合研究领域的热点。目前法国、德国、瑞士等林业发达国家，已经针对木材焊接技术开展了诸多的研究，并且开始应用于房屋构建、家具制造等领域[2-4]。

对于木榫旋转摩擦焊接而言，主要的影响因素包括木材本身的特性(树木种类、纹理方向等)和工艺结构参数(木榫旋转速度、木榫进给速度、木榫直径与基材预钻孔直径之间的差异等)，除此之外，对木榫棒的预处理也会影响焊接性能。目前，针对木榫旋转焊接的研究，主要集中于焊接过程中工艺参数的变化、焊接过程产生的化学变化等。Belleville et al.[5]利用澳大利亚桉树木材等材料进行试验，评估其焊接潜力，并确定每个树种最佳焊接参数；Sun et al.[6]利用糖枫、黄桦等木材进行木榫焊接时，木质素中游离酚含量增加，能够增强木质素交联网状结构强度；朱旭东等[7]使用CuCl2处理过的白桦木材榫棒进行试验，验证预处理可以有效提高木榫旋转焊接强度。

红松(PinuskoraiensisSieb.et.Zucc)属于东北地区优良的用材树种，是建筑、桥梁、家具制作等方面的上等木料。本文选用红松木材作为木榫旋转摩擦焊接材料，研究不同木榫直径与预钻孔孔径比、不同纹理对焊接试件的抗拉拔力的影响；结合焊接界面组织观察，探索木榫旋转摩擦焊接性能的影响规律；旨在为优化木榫旋转摩擦焊接工艺参数提供参考。

1 材料与方法

试验基材与木榫棒，均采用红松木材。基材尺寸为40 mm×40 mm×100 mm；基材预钻孔孔径分别为8、9 mm，深度40 mm；木榫棒长度100 mm，直径10、12 mm；将木榫棒与基材调节含水率至8%。

试验设置焊接试验组、敲击试验组。焊接试验组，将高速旋转的木榫棒插入基材预钻孔中，试验分3组，分别为10 mm木榫棒和8 mm预钻孔、12 mm木榫棒和8 mm预钻孔、12 mm木榫棒和9 mm预钻孔。敲击试验组，用木槌将10 mm木榫棒敲入8 mm预钻孔中。基材纹理分为横纹、顺纹2种。

焊接组试验设备采用绮发VH-850数控铣床，在试验过程中，转速选择2 500 r/min、进给速度为15 mm/s、焊接深度30 mm。对于敲击试验组，用木槌将10 mm木榫棒敲入与焊接组相同深度。

试件力学性能依据GB/T 14018—2009《木材握钉力试验方法》进行检测，检测木榫旋转焊接节点抗拉拔力；检测设备采用Byes-2003万能力学试验机。设计使用特制夹具对试件进行装卡，上端夹持长度35 mm，下端基材紧贴夹具表面(见图1)。测试过程为5 mm/min加载速度，直至木榫棒被完全拉出。

试件焊接带界面观察分析，采用电子显微镜观察；利用扫描电镜对焊后木榫棒进行观察，并与木榫棒原材进行对比。

2 结果与分析

2.1 2种试验试件抗拉拔力的差异

在基材纹理、预钻孔孔径、木榫棒直径相同条件下，进行了敲击、焊接试验，测试试件抗拉拔力(见表1)。由表1可见，横纹基材、顺纹基材木材焊接后，抗拉拔力明显高于敲击组，横纹基材焊接后抗拉拔力提高395.8%、顺纹基材焊接后抗拉拔力提高369.5%。试验数据验证了木榫旋转摩擦焊接的有效性与实用性。

表1 2种试验方法的试件抗拉拔力

对焊接试件与敲击试件进行拉伸性能试验，得到抗拉拔力-位移变化曲线。以木榫棒直径10 mm、预钻孔直径8 mm的横纹试件为例(见图2)，开始阶段2个曲线重合，是对夹具的预紧阶段；预紧结束后，2个曲线开始产生明显差异。焊接试件，曲线主要分为3个阶段，弹性上升阶段、屈服阶段、延伸破坏阶段；而敲击试件，曲线没有明显屈服阶段，并在下降过程中比焊接试件更为平缓；试验获得的抗拉拔力-位移变化曲线，与文献[8]有相似的变化规律。敲击试件产生抗拉拔力，主要是由于木材接触面粗糙峰的机械互锁、微观结构的弹塑性变形、静摩擦；而在木榫棒被拔出的过程中，木榫棒与预钻孔之间接触面积、接触表面压力、摩擦系数均降低，使木榫棒的抗拉拔力减小。对于焊接试件，由于焊接形成的焊接界面在达到极限抗拉拔力后发生破坏，导致其抗拉拔力发生急剧下降。由于摩擦力仍然存在，在减小到某一数值后开始稳定，并随着木榫棒被拔出，其抗拉拔力也逐渐减小，直至木榫棒被完全拔出。

利用SEM对焊接组木榫棒、敲击组木榫棒表面组织进行观察。在100 μm下观察敲击组木榫棒组织(见图3(a))，木材的纤维组织没有发生改变。而对焊接组木榫棒进行观察(见图3(b))，焊接界面上熔融物质大量存在；这些熔融物质是由于木材间高速旋转产生高温使得纤维素，半纤维素等被软化、融化，它们分布于木榫棒及预钻孔的表面，并将木材纤维组织包覆其中，类似于“水泥”作用，将来自基材与木榫棒的组织连接在一起，并形成巨大的连接强度。

2.2 木榫棒直径与预钻孔孔径比对焊接试件抗拉拔力的影响

试验中共有3组不同的木榫棒直径与预钻孔孔径比，由3组试验得出的抗拉拔力大小可见(见表2)：不同的木榫棒直径与预钻孔孔径比，对焊接试件抗拉拔力有明显影响；对于同一木榫棒直径与预钻孔孔径比，顺纹试件抗拉拔力明显高于横纹试件抗拉拔力。

表2不同木榫棒直径与预钻孔孔径比及不同纹理的试件抗拉拔力

木榫棒直径与预钻孔孔径比榫径∶孔径/mm榫径与孔径的比值抗拉拔力/N顺纹横纹10∶81.251217.61049.612∶91.331386.31116.812∶81.501490.91199.4

由表2可见：在试验参数变化范围内，不同的木榫棒直径与预钻孔孔径比，对焊接试件抗拉拔力有显著影响，木榫棒直径与预钻孔孔径比增大，焊接试件抗拉拔力也逐渐增大。产生这种变化的原因，木榫棒直径与预钻孔孔径差距增大，会增加木榫棒对孔壁的侧向压力，增强了摩擦作用，加速了焊接界面升温，导致细胞间木质素流动行为增强，为焊接过程中提供更多的材料，使焊接效果更好[9]。随着木榫棒直径与预钻孔孔径比的增加，焊接试件抗拉拔力增幅开始减小，说明了木榫棒直径与预钻孔孔径比的增大，虽然有利于焊接试件抗拉拔力的提升，但并不能无限制地扩大。对于红松同树种基材木榫棒，最佳木榫棒直径与预钻孔孔径比，需要通过试验进一步加以确定。

2.3 纹理方向对抗拉拔力的影响

木材有很好的力学性质，但属于有机各向异性材料，顺纹方向与横纹方向的力学性质有很大差别，木材的顺纹抗拉和抗压强度均较高，但横纹抗拉和抗压强度较低。因此，纹理方向也是影响焊接性能的重要影响因素[10]。通过对横纹和顺纹基材焊接后的木榫棒进行观察，其形态有较大不同。以木榫棒直径12 mm、预钻孔直径8 mm试件为例，顺纹焊接时(见图4(a))，木榫棒直径沿着插入方向逐渐减小，其直径变化过程较为连续，整体呈圆台形。横纹焊接时(见图4(b))，木榫棒直径沿着插入方向被极大削减，在最先参与摩擦作用的20 mm长度上，其平均直径为8.2 mm；在木榫棒最后参与摩擦作用的5 mm内，其直径发生急剧变化，变化范围为8.6～11.3 mm。2个木榫棒试件的前端(4 mm)是定位倒角，因此未与基材预钻孔发生摩擦，保留焊接前原始状态。

综合所有焊接试件木榫棒的观察结果均表明，横纹焊接会对木榫棒的直径产生更强的削弱效果，木榫棒焊接区域被分为两部分：前段整体平滑，且直径削减较大；末端在5 mm左右范围内，木榫棒直径呈大幅度变化。而顺纹焊接，木榫棒整体呈圆台形，整体变化更为均匀。顺纹基材的纹理与木榫棒的插入运动方向相同，而横纹基材的纹理与木榫棒的插入运动方向垂直，因此，横纹对木榫棒的表面产生了类似“切削”作用；摩擦作用时间越长，这种“切削”作用也越剧烈，从而使木榫棒前段直径被极大地消减，焊接过程中木榫棒材料的流失严重，造成木榫棒提供给焊接界面的材料减少，势必影响结合强度。

利用DP-5电子显微镜对顺纹焊接带(见图5(a))、横纹焊接带(见图5(b))进行观察，从宏观对切口观测，直观上顺纹焊接带的平均宽度高于横纹焊接带的平均宽度。

在200 μm条件下观测焊接带，对比顺纹焊接带(见图6(a))与横纹焊接带(图6(b))，发现顺纹焊接组焊接带宽度大于横纹焊接组焊接带宽度。在木榫棒直径与预钻孔孔径比相同时，由于横纹基材更大幅度削减了木榫棒的直径，使得焊接过程中纤维素等组织的软化、融化变得更少，从而减少焊接时熔融物质的产生，最终在焊接带宽度上得以体现；也使得同规格参数时，横纹焊接时的焊接试件抗拉拔力低于顺纹焊接时的焊接试件抗拉拔力。随着木榫棒直径与预钻孔孔径比的增加，横纹与顺纹焊接试件抗拉拔力的差异也进一步凸显：木榫棒直径10 mm、预钻孔直径8 mm组，顺纹的焊接试件抗拉拔力高于横纹的16%；木榫棒直径12 mm、预钻孔直径9 mm组，顺纹的焊接试件抗拉拔力高于横纹的24.1%；木榫棒直径12 mm、预钻孔直径8 mm组，顺纹的焊接接试件抗拉拔力高于横纹的24.3%。