竹榫旋转焊接工艺参数及机理探究

摘要

【目的】木榫旋转焊接是木结构、家具中的一种新型绿色连接技术,国内外对于竹榫旋转焊接研究较少,其最佳焊接工艺参数未知,竹榫、木榫旋转焊接之间的差异也有待研究。【方法】使用毛竹榫旋转焊接云杉基材,通过测试焊接形成的连接节点的抗拉拔性能,探究竹榫旋转焊接较优的工艺参数。选取基材预钻孔与竹榫直径比值(孔径比)、竹榫转速、竹榫含水率、竹榫进给速度为参数,进行正交试验,并基于正交试验的结果设计孔径比、竹榫转速、竹榫进给速度的单因素试验。对比山毛榉木榫,对焊接层进行温度监测、扫描电镜观察和红外光谱分析,探究竹榫旋转焊接的机理。【结果】综合正交和单因素试验得到竹榫旋转焊接较优工艺参数:竹榫含水率12%、孔径比7/10、进给速度600 mm/min、转速1270 r/min,该方案平均抗拉拔力为4588 N。单因素试验中各因素影响顺序为孔径比>进给速度>转速。竹榫旋转焊接节点的抗拉拔力较木榫旋转焊接提高了49.3%。温度监测结果表明竹榫焊接层温度峰值大于木榫焊接层。扫描电镜结果表明:焊接层中的竹纤维相较木纤维更长更完整,焊接层中的竹纤维会发生相互缠绕,而在木榫焊接层中未发现这一现象。红外光谱结果表明:竹榫在旋转焊接过程中半纤维素发生明显热降解,木质素相对含量有所提升,纤维素含量几乎不变。【结论】单因素试验相比正交试验进一步优化了焊接工艺参数,并得出了竹榫最佳焊接工艺参数;竹榫旋转焊接机理同木榫旋转焊接相似,但竹榫在旋转焊接时能产生更高的温度,且焊接层有独特的纤维互相缠绕,竹榫在焊接过程中半纤维素降解较少;使用竹榫替换木榫进行旋转焊接可以极大提高连接节点的抗拉强度。