一項(xiàng)研究展開了對(duì)高填充纖維增強(qiáng)木塑復(fù)合材料（WPC）可焊性的深入細(xì)致分析，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(duì)焊縫強(qiáng)度產(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_(tái)針對(duì)焊縫質(zhì)量的指導(dǎo)方針或要求標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　德國(guó)維爾茨堡的德國(guó)塑料研究中心（SKZ–DasKunststoff-Zentrum）贊助項(xiàng)目的其中一部分，是對(duì)適用于所有WPC產(chǎn)品的不同焊接方法加以深入細(xì)致研究和分析，現(xiàn)已得出研究結(jié)論。同時(shí)，鑒于世界范圍都缺少參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究，該項(xiàng)目也對(duì)焊接參數(shù)的影響進(jìn)行了分析。研究對(duì)象是市場(chǎng)現(xiàn)有WPC組件（型材和注塑）的熱對(duì)接焊接、超聲波焊接和振動(dòng)焊接技術(shù)。
　　
　　材料分析
　　
　　市場(chǎng)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(cè)試樣本型材的基底材料要具有目前市場(chǎng)情況的代表性，另一方面，樣本需要具有機(jī)械性能測(cè)試的必要結(jié)構(gòu)。基于這些因素，七款市場(chǎng)現(xiàn)有PVC、PP和PE基WPC型材被選取來進(jìn)行熱對(duì)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。WPC超聲波焊接的研究分析中采用的是DVS測(cè)試樣本，樣本由特殊的設(shè)備來注塑生產(chǎn)，分為含和不含WPC注塑能源導(dǎo)向（energydirector）的類型。專為這個(gè)項(xiàng)目所制造的注塑模具也能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)一體化DVS測(cè)試樣本，從而幫助更準(zhǔn)確的界定基底材料的超聲波焊接系數(shù)。
　　
　　變測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)試樣本，高木質(zhì)含量的結(jié)構(gòu)都*地呈現(xiàn)出比木質(zhì)含量低的結(jié)構(gòu)具有更高的黏性。如圖表2所示，純基底材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(chǎng)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(duì)基底材料的比率，對(duì)熱對(duì)接焊接、振動(dòng)焊接和超聲波焊接采用的各種WPC型材和組件的機(jī)械性能進(jìn)行了拉力測(cè)試。
　　
　　熱對(duì)接焊接
　　
　　對(duì)熱對(duì)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(guó)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(chǎng)現(xiàn)有的不同結(jié)構(gòu)WPC型材，通過分析評(píng)估焊接結(jié)果來界定zui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)包括PTFE涂層和氣動(dòng)合模組件的傳統(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(zhǎng)和焊接次數(shù)，以及加熱和焊接壓力。此外，該系統(tǒng)還裝配了強(qiáng)度和軌跡傳感器，這樣以來，這些加工參數(shù)便能夠在焊接測(cè)試的過程中被地監(jiān)控和記錄。為了研究薄膜作為焊接填充材料對(duì)提升WPC產(chǎn)品焊縫強(qiáng)度的影響，在調(diào)換步驟中，與基底材料匹配的薄膜會(huì)自動(dòng)插入進(jìn)焊接板。由此得到的焊接樣本隨后對(duì)其機(jī)械短時(shí)特性進(jìn)行整體測(cè)試，從而得出不同焊接參數(shù)下的焊縫強(qiáng)度。在項(xiàng)目進(jìn)行的過程中，對(duì)焊接樣本進(jìn)行了顯微鏡分析，研究木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)和定向?qū)缚p強(qiáng)度的影響。
　　
　　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(duì)接焊接WPC型材的拉力測(cè)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)0.75。圖3舉例展示了PP基WPC型材樣本的對(duì)比，可以看出無(wú)焊接樣本的拉力強(qiáng)度和不同焊接壓力和加熱時(shí)長(zhǎng)情況下焊接樣本的拉力強(qiáng)度變化。在這個(gè)測(cè)試中，得到的zui高焊接系數(shù)是定向時(shí)長(zhǎng)15秒，加熱時(shí)長(zhǎng)90秒，焊接壓力0.25MPa。對(duì)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。
　　
　　從這里可以看出，材料結(jié)構(gòu)對(duì)WPC型材可焊性起到至關(guān)重要的影響作用。純木質(zhì)成分或者塑料基底無(wú)法達(dá)到預(yù)期的焊接性能，例如，無(wú)法實(shí)現(xiàn)不用焊接填充材料而與木質(zhì)含量50%的PE基底型材進(jìn)行焊接，但卻可以焊接另一木質(zhì)含量70%的PE基底型材。同時(shí)，型材結(jié)構(gòu)也對(duì)可焊性和焊縫強(qiáng)度有著重要影響，這一點(diǎn)從下表中的PVC基型材的試驗(yàn)結(jié)果看出，有同樣I成分構(gòu)成，但兩種不同結(jié)構(gòu)的A和B型材所呈現(xiàn)出的特性存在很大差異。
　　
　　短時(shí)拉力測(cè)試的結(jié)果顯示焊接板的纖維定向也對(duì)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)度的降低。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。圖4展示的示例是顯微鏡下的PP基WPC型材（木質(zhì)含量60%）的焊縫和斷裂面，可以清楚看出焊縫區(qū)域內(nèi)的木纖維定向。同時(shí)，焊接剪力會(huì)對(duì)木纖維形成機(jī)械損壞，纖維的機(jī)械損壞雖然無(wú)法*避免，但是能夠通過選擇適當(dāng)?shù)暮附訅毫Χ鴮?shí)現(xiàn)zui小化。在焊接過程中，殘留的熔化層厚度或者焊縫熔化區(qū)域在顯微鏡下則無(wú)法識(shí)別。
　　
　　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(zhǎng)期使用。為此，研究項(xiàng)目對(duì)在焊接和無(wú)焊接WPC型材進(jìn)行了相關(guān)的人工和自然氣候測(cè)試。人工氣候測(cè)試是使用德國(guó)Linsengericht-Altenhasslau的Atlas材料測(cè)試科技有限責(zé)任公司出品的氣候侵蝕設(shè)備，根據(jù)DINENISO4892方法2過濾去除輻射（無(wú)窗戶玻璃）。這一測(cè)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)械拉力性能方面的評(píng)估。評(píng)估結(jié)果顯示，在自然和人工氣候影響下，濕氣和UV輻射對(duì)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%，并且產(chǎn)生褪色現(xiàn)象。在氣候變化的過程中，基底材料強(qiáng)度的降低也影響了焊縫強(qiáng)度，雖然在焊縫強(qiáng)度10到zui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%。這些結(jié)果都在略微高的焊接系數(shù)測(cè)試上得以體現(xiàn)。材料特性的這些變化都相對(duì)集中地發(fā)生在試驗(yàn)開始zui初約190小時(shí)內(nèi)，隨后氣候變化持續(xù)到1000小時(shí)，則沒有觀察到進(jìn)一步顯著的性能變化。圖5展示顯示了在人工氣候環(huán)境下，PVC基WPC型材（木質(zhì)含量50%）的材料和焊縫強(qiáng)度方面的變化。與此同時(shí)，市場(chǎng)現(xiàn)有抗UV性WPC型材則凸顯出天氣變化情況下的更好穩(wěn)定性。因此，在戶外使用時(shí)額外使用抗UV材質(zhì)，能夠顯著降低材料老化的現(xiàn)象。
　　
　　超聲波焊接
　　
　　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(guó)迪岑巴赫BransonUltraschall有限責(zé)任公司出品的2000X焊接設(shè)備，將能量導(dǎo)向（energydirectors）注塑DVS測(cè)試樣本半模與同樣的無(wú)能量導(dǎo)向注塑DVS測(cè)試樣本半模進(jìn)行焊接，測(cè)試樣本是木質(zhì)含量分別為30%、40%和50%的PP基注塑SKZ，測(cè)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(cè)試，得出同樣適用于合二為一DVS測(cè)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(duì)焊縫進(jìn)行顯微鏡分析，用以檢測(cè)木纖維分布。
　　
　　進(jìn)行木質(zhì)含量30%至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zui高焊接系數(shù)為0.65，木纖維成分對(duì)焊縫強(qiáng)度并未呈現(xiàn)顯著的影響。圖表7顯示了研究對(duì)象WPC結(jié)構(gòu)的焊接參數(shù)和焊接系數(shù)的一覽，這里的“完整”DVS測(cè)試樣本的拉力強(qiáng)度在20到21MPa范圍內(nèi)。焊接結(jié)果的顯微鏡像分析顯示，焊接板上木纖維的線性定向呈現(xiàn)相似于在熱對(duì)接焊接中的結(jié)果，但木纖維定向在超聲波焊接中要比在熱對(duì)接焊接中的顯著得多，這歸因于短時(shí)間內(nèi)的高能量投入和焊接加工使用的測(cè)試樣本的生產(chǎn)環(huán)境。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(cè)試樣本焊接區(qū)域的zui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(cè)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(duì)與纖維成分含量則沒有關(guān)聯(lián)。
　　
　　振動(dòng)焊接
　　
　　項(xiàng)目中研究的第三種焊接方法是線性振動(dòng)焊接。測(cè)試中采用的焊接生產(chǎn)線由德國(guó)黑彭海姆KLNUltraschall公司，振動(dòng)頻率260Hz，zui大焊接表面區(qū)域30,000mm2，zui大焊接壓力31.4kN，用以來評(píng)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(duì)不同樣本進(jìn)行短時(shí)拉力測(cè)試，得出了焊接環(huán)境對(duì)實(shí)際焊縫品質(zhì)的影響。進(jìn)行完這些焊接測(cè)試，再將焊縫再一次放在顯微鏡下進(jìn)行檢測(cè)，得出木質(zhì)部分的纖維定向和纖維長(zhǎng)度分布，從而對(duì)木纖維對(duì)強(qiáng)度的影響得出結(jié)論。
　　
　　對(duì)PVC基WPC產(chǎn)品（木質(zhì)含量50%，C結(jié)構(gòu)）采用線性振動(dòng)焊接，得到的焊接系數(shù)約為0.42。由于只有超出常規(guī)尺寸振動(dòng)焊接組件才能夠用于研究，因此它還必須能夠通過采用更合適尺寸的振動(dòng)焊接組件，得到拉力強(qiáng)度的相應(yīng)增強(qiáng)。通過調(diào)整焊接和合模壓力，進(jìn)一步開拓出振動(dòng)焊接的巨大潛力。在顯微鏡下獲得的影像可以看出，進(jìn)行振動(dòng)焊接后，焊接板上的纖維呈現(xiàn)角度適當(dāng)?shù)木€性定向，從而導(dǎo)致了對(duì)基底材料的拉力強(qiáng)度相對(duì)減少。
　　
　　結(jié)語(yǔ)與綜述
　　
　　這項(xiàng)研究采用WPC型材和產(chǎn)品進(jìn)行熱對(duì)接焊接、超聲波焊接和振動(dòng)焊接測(cè)試，測(cè)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)的專業(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(duì)接焊接的焊接系數(shù)高達(dá)0.8，超聲波焊接0.7。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(duì)型材構(gòu)造的特性依賴度較高，因?yàn)闊o(wú)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(cè)。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。