一項研究展開了對高填充纖維增強木塑復合材料（WPC）可焊性的深入細致分析，研究試驗中采用了三種不同的焊接方法，得出結(jié)論，復合板材的纖維定向及其實際成分含量構(gòu)成都對焊縫強度產(chǎn)生至關重要的影響，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域方面推陳出新。
　　
　　在WPC材料連接技術(shù)領域，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)和相關指南，來指導WPC材料的可復制焊接，這是因為至今仍未出臺針對焊縫質(zhì)量的指導方針或要求標準。
　　
　　德國維爾茨堡的德國塑料研究中心（SKZ–DasKunststoff-Zentrum）贊助項目的其中一部分，是對適用于所有WPC產(chǎn)品的不同焊接方法加以深入細致研究和分析，現(xiàn)已得出研究結(jié)論。同時，鑒于世界范圍都缺少參數(shù)的標準化研究，該項目也對焊接參數(shù)的影響進行了分析。研究對象是市場現(xiàn)有WPC組件（型材和注塑）的熱對接焊接、超聲波焊接和振動焊接技術(shù)。
　　
　　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。WPC超聲波焊接的研究分析中采用的是DVS測試樣本，樣本由特殊的設備來注塑生產(chǎn)，分為含和不含WPC注塑能源導向（energydirector）的類型。專為這個項目所制造的注塑模具也能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)一體化DVS測試樣本，從而幫助更準確的界定基底材料的超聲波焊接系數(shù)。
　　
　　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*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WPC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zui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)包括PTFE涂層和氣動合模組件的傳統(tǒng)熱焊接設備，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。此外，該系統(tǒng)還裝配了強度和軌跡傳感器，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提升WPC產(chǎn)品焊縫強度的影響，在調(diào)換步驟中，與基底材料匹配的薄膜會自動插入進焊接板。由此得到的焊接樣本隨后對其機械短時特性進行整體測試，從而得出不同焊接參數(shù)下的焊縫強度。在項目進行的過程中，對焊接樣本進行了顯微鏡分析，研究木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)和定向?qū)缚p強度的影響。
　　
　　由于系統(tǒng)研究和焊接參數(shù)的適應變化的積極作用，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0.75。圖3舉例展示了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zui高焊接系數(shù)是定向時長15秒，加熱時長90秒，焊接壓力0.25MPa。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。
　　
　　從這里可以看出，材料結(jié)構(gòu)對WPC型材可焊性起到至關重要的影響作用。純木質(zhì)成分或者塑料基底無法達到預期的焊接性能，例如，無法實現(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，型材結(jié)構(gòu)也對可焊性和焊縫強度有著重要影響，這一點從下表中的PVC基型材的試驗結(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，從而導致了焊縫強度的降低。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，焊接剪力會對木纖維形成機械損壞，纖維的機械損壞雖然無法*避免，但是能夠通過選擇適當?shù)暮附訅毫Χ鴮崿F(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)域在顯微鏡下則無法識別。
　　
　　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備，根據(jù)DINENISO4892方法2過濾去除輻射（無窗戶玻璃）。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方面的評估。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%，并且產(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響了焊縫強度，雖然在焊縫強度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)測試上得以體現(xiàn)。材料特性的這些變化都相對集中地發(fā)生在試驗開始zui初約190小時內(nèi)，隨后氣候變化持續(xù)到1000小時，則沒有觀察到進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%）的材料和焊縫強度方面的變化。與此同時，市場現(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的意義。研究中采用德國迪岑巴赫BransonUltraschall有限責任公司出品的2000X焊接設備，將能量導向（energydirectors）注塑DVS測試樣本半模與同樣的無能量導向注塑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%至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zui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。圖表7顯示了研究對象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測試樣本的拉力強度在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接焊接中的顯著得多，這歸因于短時間內(nèi)的高能量投入和焊接加工使用的測試樣本的生產(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)合作用導致了在DVS測試樣本焊接區(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聯(lián)。
　　
　　振動焊接
　　
　　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KLNUltraschall公司，振動頻率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，得出了焊接環(huán)境對實際焊縫品質(zhì)的影響。進行完這些焊接測試，再將焊縫再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。
　　
　　對PVC基WPC產(chǎn)品（木質(zhì)含量50%，C結(jié)構(gòu)）采用線性振動焊接，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焊接組件，得到拉力強度的相應增強。通過調(diào)整焊接和合模壓力，進一步開拓出振動焊接的巨大潛力。在顯微鏡下獲得的影像可以看出，進行振動焊接后，焊接板上的纖維呈現(xiàn)角度適當?shù)木€性定向，從而導致了對基底材料的拉力強度相對減少。
　　
　　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)的專業(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)高達0.8，超聲波焊接0.7。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，因而應該通過更深入細致的研究將其開發(fā)應用。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、汽車等適用新領域和新產(chǎn)品。