一种气体保护木材摩擦焊接装置及方法
【专利摘要】一种气体保护木材摩擦焊接装置及方法，涉及一种木材摩擦焊接装置及方法。该装置包括木材摩擦焊接设备、真空泵、装有保护气体的气瓶和密闭腔体；木材摩擦焊接设备放置在密闭腔体内，密闭腔体分别与真空泵和气体瓶相连。将保护气体通入密闭腔体，排除密闭腔体内的空气，在通入保护气体的情况下进行摩擦焊接，或对密闭腔体进行抽真空处理，在真空或负压状态下进行摩擦焊接。本发明可有效缓解焊接界面炭化程度，提高焊接界面强度，实现焊接界面的耐水性功能；负压能够使焊接界面产生的水蒸气和挥发性气体压力抵消，有利于焊接界面的粘结，特别适用于大断面木材间的摩擦焊接。
【专利说明】
一种气体保护木材摩擦焊接装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种木材摩擦焊接装置及方法，特别涉及一种气体保护木材摩擦焊接装置及方法，属于木材加工技术领域。
【背景技术】
[0002]摩擦焊接技术是一种优质、精密、高效、节能的焊接技术，日益得到重视和广泛应用。木材摩擦焊接是一种不需任何胶黏剂，通过机械摩擦实现木材粘结的技术。木材摩擦焊接可应用于木材结构部件、家具和精细木工制品中，取代了化工合成的胶粘剂，且焊接过程只需几秒钟。木材工业引入摩擦焊接技术，能够减少环境污染，显著提高经济效益。
[0003]1996年，Sutthoff等人第一次通过压力和摩擦热，实现木板之间的粘结(德国专利，DE 19620273C2)。从2000年开始，法国国立亨利.波安加乐一南锡第一大学(University Henri Poincarg)和瑞士洛桑联邦理工学院(Swiss Federal Institute ofTechnology in Lausanne)的研究人员开始研究木材摩擦焊接。此外，澳大利亚、美国和英国等的研究人员也开展了相关研究。目前，主要的木材焊接技术包括振动摩擦焊接、超声波焊接、旋转摩擦焊接和线性焊接，这些焊接技术主要通过温度、压力、振动速度的改变将木材瞬间焊接到一起。
[0004]木材摩擦焊接过程中，在摩擦力产生的能量作用下，木材的主要化学成分木质素、纤维素和半纤维素发生熔化、凝固，形成焊接界面，实现木-木之间粘结。在摩擦焊接过程中，界面发生炭化，造成木材内部的结合力减弱，同时增加了界面对水分的敏感性，导致焊接界面的强度降低，现有技术存在以下问题:
[0005](I)木材摩擦焊接界面高温降解后，细胞壁中的木质素、纤维素和半纤维素三种主要成分发生降解，氢键、C-O键、C-C键断裂，半纤维素转变为热稳定的、含碳量高的芳香族结构，木质素聚酚的结构芳香化，纤维素转变为芳香族结构，发生炭化，造成木材内部的结合力减弱，木材焊接界面的粘结强度降低。
[0006](2)焊接界面炭化物的存在，增加了对水分的敏感性，木材炭化物与木材材料间的吸水性存在较大差异，吸收水分后界面应力较大，易出现裂纹等缺陷，显著降低了界面的粘结强度。
[0007]目前，为了降低水分对焊接界面强度的影响，主要是通过改变摩擦焊接工艺，改善焊接界面摩擦学特性，进而改善焊接界面强度。同时，大断面木材的摩擦焊接过程中，焊接界面中心易发生焊接不良，而边缘焊接质量良好，也是木材摩擦焊接存在的技术瓶颈。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是为了克服木材焊接界面对水分敏感和大断面焊接界面中心强度低的技术难题，提出一种气体保护木材摩擦焊接装置及方法。
[0009]本发明的技术方案如下:
[0010]—种气体保护木材摩擦焊接装置，该装置包括木材摩擦焊接设备、真空栗、装有保护气体的气瓶和密闭腔体;所述的木材摩擦焊接设备放置在密闭腔体内，真空栗和装有保护气体的气瓶分别通过真空阀门和气体阀门与密闭腔体相连，在密闭腔体上方安装有空气释放阀门和气压表。
[0011]本发明提供的一种气体保护木材摩擦焊接方法，其特征在于该方法按如下步骤进行:
[0012]I)打开空气释放阀门和气体阀门，关闭真空阀门，然后在密闭腔体内通入气体瓶中的保护气体；
[0013]2)在通入保护气体的情况下进行气体保护木材摩擦焊接。
[0014]本发明提供的另一种气体保护木材摩擦焊接方法，其特征在于该方法按如下步骤进行:
[0015]I)关闭气体阀门和空气释放阀门，打开真空阀门，利用真空栗对密闭腔体进行抽真空处理，当气压表的相对真空度小于-0.06MPa时，关闭真空阀门；
[0016]2)打开气体阀门，通入气体瓶中的保护气体，直至密闭腔体内全部充满保护气体，在真空情况下进行气体保护木材摩擦焊接。
[0017]3)焊接结束，打开空气释放阀门8释放保护气体及水蒸气和挥发性气体。
[0018]本发明提供的又一种气体保护木材摩擦焊接方法，其特征在于该方法按如下步骤进行:
[0019]I)关闭气体阀门和空气释放阀门，打开真空阀门，利用真空栗对密闭腔体进行抽真空处理，当气压表的相对真空度小于-0.06MPa时，关闭真空阀门；
[0020]2)打开气体阀门，通入气体瓶中的保护气体，当气压表的相对真空度小于-
0.02MPa时，关闭气体阀门，进行负压下气体保护木材摩擦焊接；
[0021]3)焊接结束，打开空气释放阀门8释放保护气体及水蒸气和挥发性气体。
[0022]本发明的上述技术方案中，所述的保护气体优选采用N2、C02或Ar。
[0023]本发明具有以下优点及突出性的技术效果:①木材气体保护摩擦焊接，可有效降低焊接界面木质素、纤维素和半纤维素等成分的降解速度，从而降低焊接界面炭化程度，在提高焊接界面强度的同时，达到提高焊接界面的耐水性。②通过抽真空处理，在一定真空度下通入保护气体，能够使被焊木材内部孔道以及焊接界面充满保护气体，进一步降低焊接界面木质素、纤维素和半纤维素等成分的降解速度，从而降低焊接界面炭化程度，进一步提高焊接界面强度和耐水性。③木材摩擦焊接过程中，由于水蒸气和高温降解引起的挥发性气体等影响界面粘结质量和结合强度，水蒸气和挥发性气体增加了界面气压，尺寸越大，气压越大，导致界面中心易出现裂纹，焊接界面结合强度降低。木材气体保护负压摩擦焊接过程中，焊接界面的负压能够抵消摩擦界面水蒸气和高温降解引起的挥发性气体产生的气压，有利于焊接界面中心的粘结，因此，特别适用于大断面木材间的摩擦焊接。
【附图说明】
[0024]图1是本发明提供的实施例的流程示意图。
[0025]图中:1-木材摩擦焊接设备;2-真空栗;3-密闭腔体;4-气压表;5-真空阀门；6_气体阀门；7-气体瓶;8-空气释放阀门。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
[0027]图1为本发明提供的一种气体保护木材摩擦焊接装置的结构原理示意图，该装置包括木材摩擦焊接设备1、真空栗2、装有保护气体的气瓶7和密闭腔体3;所述的木材摩擦焊接设备I放置在密闭腔体3内，真空栗2和装有保护气体的气瓶7分别通过真空阀门5和气体阀门6与密闭腔体3相连，在密闭腔体3上方安装有空气释放阀门8和气压表4。所述的保护气体优选采用N2、C02或Ar。
[0028]采用本发明所述的气体保护木材摩擦焊接装置，可以进行以下三种不同的气体保护木材摩擦焊接方法，
[0029]第一种焊接方法的工作过程是:
[0030]如图1所示，把待焊木材固定到气体保护摩擦焊接设备I上，打开空气释放阀门8，同时，打开气体阀门6，向密闭腔体3内通入气体瓶7中的保护气体，进行气体保护木材摩擦焊接。摩擦焊接过程中，可以一直通入保护气体，也可以停止通入保护气体。
[0031 ]第二种焊接方法的工作过程是:
[0032]首先关闭气体阀门6和空气释放阀门8，打开真空阀门5，利用真空栗2对密闭腔体
(3)进行抽真空处理，当气压表4的相对真空度小于-0.06MPa时，关闭真空阀门5，然后打开气体阀门6，通入气体瓶7中的保护气体，直至密闭腔体3内全部充满保护气体，在真空情况下开始进行气体保护木材摩擦焊接;焊接结束，打开空气释放阀门8释放保护气体以及水蒸气和挥发性气体。
[0033]第三种焊接方法的工作过程是:
[0034]首先关闭气体阀门6和空气释放阀门8，然后打开真空阀门5，利用真空栗2对密闭腔体3进行抽真空处理，当气压表4的相对真空度小于-0.06MPa时，关闭真空阀门5;再打开气体阀门6，通入气体瓶7中的保护气体，当气压表4的相对真空度小于-0.02MPa时，关闭气体阀门6，进行负压下气体保护木材摩擦焊接。焊接结束，打开空气释放阀门8释放保护气体及水蒸气和挥发性气体。
【主权项】
1.一种气体保护木材摩擦焊接装置，该装置包括木材摩擦焊接设备(I)、真空栗(2)、装有保护气体的气瓶(7)和密闭腔体(3);所述的木材摩擦焊接设备(I)放置在密闭腔体(3)内，真空栗(2)和装有保护气体的气瓶(7)分别通过真空阀门(5)和气体阀门(6)与密闭腔体(3)相连，在密闭腔体(3)上方安装有空气释放阀门(8)和气压表(4)。2.采用如权利要求1所述装置的一种气体保护木材摩擦焊接方法，其特征在于该方法按如下步骤进行: 1)打开空气释放阀门(8)和气体阀门(6)，关闭真空阀门(5)，然后在密闭腔体(3)内通入气体瓶(7)中的保护气体； 2)在通入保护气体的情况下进行气体保护木材摩擦焊接。3.采用如权利要求1所述装置的一种气体保护木材摩擦焊接方法，其特征在于该方法按如下步骤进行: 1)关闭气体阀门(6)和空气释放阀门(8)，打开真空阀门(5)，利用真空栗(2)对密闭腔体(3)进行抽真空处理，当气压表(4)的相对真空度小于-0.06MPa时，关闭真空阀门(5); 2)打开气体阀门(6)，通入气体瓶(7)中的保护气体，直至密闭腔体(3)内全部充满保护气体，在真空情况下进行气体保护木材摩擦焊接； 3)焊接结束，打开空气释放阀门(8)，释放保护气体以及水蒸气和挥发性气体。4.采用如权利要求1所述装置的一种气体保护木材摩擦焊接方法，其特征在于该方法按如下步骤进行: 1)关闭气体阀门(6)和空气释放阀门(8)，打开真空阀门(5)，利用真空栗(2)对密闭腔体(3)进行抽真空处理，当气压表(4)的相对真空度小于-0.06MPa时，关闭真空阀门(5); 2)打开气体阀门(6)，通入气体瓶(7)中的保护气体，当气压表(4)的相对真空度小于-0.02MPa时，关闭气体阀门(6)，进行负压下气体保护木材摩擦焊接； 3)焊接结束，打开空气释放阀门8释放保护气体及水蒸气和挥发性气体。5.如权利要求2?4任一权利要求所述的一种气体保护木材摩擦焊接方法，其特征在于，所述的保护气体采用N2、C02或Ar。
【文档编号】B27M1/00GK105855690SQ201610423994
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】田煜, 尹维, 鲁鸿宇, 陶大帅, 孟永钢
【申请人】清华大学