毛竹銷(釘)的高速旋轉摩擦焊接性能研究

李素瑕，張海洋，程良松,鞠澤輝，盧曉寧*

(1.南京林業大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；2.中南林業科技大學 家具與藝術設計學院，湖南 長沙 410004)

木材摩擦焊接是一種高效、環保的無膠膠合技術，它分為線性振動摩擦焊接和木榫旋轉摩擦焊接2大類。其中木榫旋轉摩擦焊接因其機械強度高、操作簡便、加工成本低等優點具有較強的推廣優勢，在我國已受到了越來越多人的關注。其原理是：高速旋轉的木榫在外力作用下快速插入到已經預鉆好孔的木質基材內(基材孔徑小于榫徑)，由于摩擦生熱導致木材中以木質素和半纖維素為主的的聚合物發生軟化、熔融和流動，當到達預定的深度立即停止摩擦運動，此后熔融的聚合物迅速冷卻、固化，并與纖維素形成膠質纏結網絡，從而在木榫與孔壁之間形成良好的焊接膠合界面，通常只需要3～5 s即可完成[1-7]。它不需要借助任何石化膠粘劑，真正意義上實現了木材與木材的無膠膠合。A.Pizzi等通過研究證明了木榫旋轉摩擦焊接技術可以通過合理的焊接工藝獲得與PVAc(聚醋酸乙烯酯乳液)膠合相當甚至更高的接合強度，指出該技術可以廣泛應用于家具裝配、室內裝修、建筑結構、木質工藝品的制作等領域[1-8]。

中國是“世界竹業大國”，竹林面積是世界竹林總面積的1/3，其中毛竹林面積占中國竹林總面積的74%[9]。竹材也是一種天然可再生的高分子材料，竹材的化學成分與木材類似，主要由纖維素、半纖維素和木質素等組成，毛竹中大約含有22%～28%的木質素、20%～26%的半纖維素、40%～60%的纖維素[9-10]。根據木材摩擦焊接原理，竹材也完全可以實現有效的摩擦焊接。張海洋等[11-12]研究了展平毛竹的線性振動摩擦焊接性能，指出通過合理的焊接工藝，可以獲得大約6.2～7.2 MPa的平均焊接強度；J.B.Hu等[13]利用線性振動摩擦技術將竹材與木材進行層積復合，其焊接帶的平均拉伸強度值達到了相關家具工業標準和木材工業標準。到目前為止，竹材的旋轉摩擦焊接工藝還沒有開展研究，竹材具有較高的強重比和優良的力學性能，毛竹銷釘跟木榫一樣，也常用于木家具、竹制品或其他木質工藝品的裝配，因此，將竹銷釘代替木榫進行旋轉摩擦焊接應用到家具、室內、木結構建筑或其他木制品的裝配中具有一定的現實意義。

國內外大量研究結果顯示，木榫與基材孔的相對直徑比(或直徑差)是優化焊接強度的關鍵參數[1-7]。孔徑較小、榫徑較大時，能夠增大孔壁側向壓力，木榫可為界面層提供更多的焊接材料。A.Pizzi等[1]、F.Kanazawa等[6]和G.Rodriguez等[7]證明了木榫直徑與預鉆孔徑比為10/8時(即榫徑/孔徑=1.25)能獲得最高的焊接拉伸強度。竹材雖然也是木質纖維素材料，但其物理、化學性能與木材還是有較大的區別。為了獲得較好的竹銷釘與木材的焊接效果，有必要尋找竹銷直徑與基材孔徑的最佳比值，以及探索竹材旋轉摩擦焊接膠合機理。通過重點分析竹銷釘與櫸木基材在不同榫徑與孔徑比值下的焊接強度、溫度變化和物理化學反應機理，探索最佳的焊接效果和最優的榫徑與孔徑比。同時將竹銷釘的旋轉焊接強度與木荷榫、櫸木榫的焊接強度，以及PVAc膠接強度進行對比。

1 材料與方法

1.1 材料準備

1.1.1 竹銷或木榫準備 毛竹(Phyllostachyspubescens)銷釘的產地為江西婺源，由江西順天竹制品廠提供，氣干密度約為0.68 g/cm3。竹釘表面光滑，尺寸分別為Φ10×100 mm2(60個)和Φ9×100 mm2(10個)。為了便于竹銷順利插入基材內部，將竹銷兩端倒角45°，干燥至含水率3%～5%待焊接。木荷榫因其價格低、強度高，是目前家具工業最常用木榫之一。櫸木榫是經研究發現具有最高旋轉摩擦焊接強度的木榫之一。因此將二者的焊接強度作為竹銷釘焊接強度的對照組。木荷(Schimasuperba)圓榫和櫸木(Fagussylvatica)圓榫的數量均為10個，其尺寸和形狀與竹銷釘一致。木荷榫的氣干密度約為0.68 g/cm3，櫸木榫氣干密度約0.72 g/cm3，焊接前均干燥至含水率3%～5%。

1.1.2 基材準備 櫸木基材為市場購買的進口歐洲紅櫸木，氣干密度約0.72 g/cm3，鋸解成尺寸為50×50×20 mm3(長×寬×厚)的基材塊(共90個)，含水率為10%～12%。

1.2 試件制備

1.2.1 焊接試件的制備 焊接試件分為竹銷與櫸木基材焊接，木荷榫與櫸木基材焊接，櫸木榫與櫸木基材焊接3種。如圖1所示，利用臺鉆將高速旋轉的竹銷釘或木榫插入已經預鉆好孔的櫸木基材中，待竹銷或木榫插入到基材底部立即停止旋轉，整個制作過程只需要3～5 s即可完成。焊接設備為西湖牌臺銑鉆床，型號ZXJ7016。竹銷或木榫的旋轉速度都控制在1 500 r/min。因櫸木基材的材質較硬，插入阻力較大，手動插入速度較慢，為200～300 mm/min?；闹械念A鉆孔有2種：一種是恒定孔徑，直徑分別為10、9、8、7 mm和6 mm；另一種是漸變孔徑，孔徑從Φ8 mm至Φ6 mm從上至下逐漸變小。將80個焊接好的試件在環境溫度為20～25℃，相對濕度為60%～80%的室內環境放置14 d達到平衡含水率后再進行力學測試。

圖1 木榫或竹銷的旋轉焊接示意圖

1.2.2 膠接試件的制備 將涂膠后的毛竹竹銷(Φ10 mm)插入已涂膠的櫸木基材孔(Φ10 mm)中，放置在環境溫度為20℃～25℃，相對濕度為60%～80%的室內，7 d后待膠層完全固化進行力學測試。共制作了10個涂膠試件，作為焊接強度的對照組。膠種為家具工業最常用的聚醋酸乙烯酯乳液PVAc，俗稱乳白膠，pH值為6.7，固體含量為48.2%，粘度為0.63 Pa· s?？偼磕z量為150～200 g/cm2。

1.3 試驗方法

1.3.1 力學性能檢測 采用萬能力學試驗機對所有焊接試件和涂膠試件進行拉伸抗拔力測試，力學機型號為UTM5105，最大試驗力10 kN，測試標準參照GB/T 14018-2009《木材握釘力試驗方法》，測試時下方竹銷釘固定不動，以2 mm/min的加載速度向上拉拔木質基材，直至基材完全拔出時停止測試，即可測出最大的抗拉拔力。再按照下式計算拉伸抗拔強度[7]:

(1)

式中，σk——拉伸抗拔強度(MPa)；Fmax——拉伸抗拔力(N)；S——焊接帶面積(mm2)；R——預鉆孔頂部半徑(mm)；r——預鉆孔底部半徑(mm)(當預鉆孔為恒定孔徑時，r=R)；h——預鉆孔的深度，等同于基材的厚度(mm)。

1.3.2 焊接溫度監測 采用快速響應K型熱電偶，每隔0.01 s采集孔深為5、10 mm和15 mm處的竹銷與櫸木焊接界面溫度。具體做法如圖2：在基材側面鉆3個直徑2 mm的通孔直達基材孔壁，將3根熱電偶采集線分別放入孔內，并使其溫度感應頭大約伸出孔壁0.1～0.2 mm，以便其直接采集竹銷在旋轉摩擦過程中摩擦界面的溫度變化，為了防止感應頭在竹銷旋轉的過程中與竹銷發生纏結，可采用高粘性膠紙帶將熱電偶采集線固定在基材表面。

圖2 焊接區域的溫度采集示意圖

1.3.3 掃描電子顯微鏡(SEM)觀測 試件為已進行拉伸抗拔力測試且焊接強度較高的竹銷焊接區域，樣品尺寸為10 mm(長)×2 mm(寬)×2 mm(厚)，烘干至絕干狀態，在其表面金屬化處理后抽真空，采用Hitachi TM-3000掃描電子顯微鏡進行觀測。

1.3.4 傅里葉紅外光譜(FTIR)分析 將已進行拉伸抗拔測試過且焊接強度較高的竹銷焊接部位和竹銷未焊接部位即原竹(control)進行刮粉采樣，采用VERTEX 80紅外光譜儀對該2組樣品進行FTIR測試，樣品量為1 mg，測試范圍為4 000～400 cm-1，測試所得的數據采用Origin Pro 10.1軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 焊接強度分析

由表1可知，對于竹銷釘旋轉摩擦焊接來說，隨著榫徑/孔徑比值的增大，焊接強度基本呈現先升高后下降的趨勢，其中10/8(1.25)的榫徑/孔徑比值獲得的焊接強度最高，達到了5.54 MPa。但是，對比木榫旋轉焊接(Control 1和Control 2)和PVAc膠接效果，發現4種不同的榫徑與孔徑比值獲得的竹銷釘焊接強度雖高于其PVAc涂膠強度，卻低于木荷榫與櫸木，櫸木榫與櫸木的焊接強?？梢姳驹囼炛械闹皲N釘與櫸木的旋轉焊接效果不如木榫焊接。

表1 竹銷釘焊接、木榫焊接與竹銷釘膠接的拉伸抗拔強度對比(基于每組10個試件的平均值)

因此，為了提高竹銷釘與櫸木的旋轉摩擦焊接強度，將櫸木基材中的預鉆孔由原來的恒定孔徑改為漸變孔徑，孔的頂部為8 mm、底部為6 mm，由上到下逐漸變小，竹銷釘的直徑也采用10 mm和9 mm 2種，以對比2種不同榫徑與漸變孔徑比值下的竹銷釘焊接強度，試驗結果見表2。由表2可知，當采用漸變孔徑后，榫徑為10 mm與孔徑為8～6 mm的E組竹銷釘的焊接強度得到了明顯提高，其平均拉伸強度提升至6.42 MPa,比恒定孔組中具有最好焊接效果的B組的強度(5.54 MPa)高出15.9%，也高于木荷榫的焊接強度(6.12 MPa)。

表2 漸變孔徑的竹銷釘與櫸木基材拉伸抗拔強度

通過觀察焊接溢出物、竹銷焊接后的形狀特征(圖3)，以及結合2.2溫度-時間變化曲線來分析(圖4)，可以從中發現各組焊接強度存在差異的原因。

由圖3可以看出，隨著榫徑/孔徑比值的增大，焊接熔融物質的顏色由淺變深，溢出的量也由少變多，竹銷釘焊接部位的直徑尖削度逐漸增大，這都說明竹銷釘在基材孔中的摩擦阻力越來越大，摩擦時間越來越長，銷釘的磨損量逐漸增多。其原因是竹銷和櫸木的密度都較大，材性也較硬，當銷釘與孔采用過盈配合時，過盈量≥2 mm時，竹銷插入櫸木基材孔的摩擦阻力會明顯增大，增大的摩擦阻力一方面延長摩擦時間，加劇竹銷的磨削和損耗，導致竹銷釘尖削化程度增大，降低了銷釘焊接部位的膠合面積；另一方面過大的摩擦力還會迅速提高摩擦界面的溫度，延長高溫的持續時間(圖4-B，C，D)，熔融物質容易發生碳化，因此焊接強度不升反降。當過盈量<2 mm時，又因摩擦力不足和竹銷釘的下行速度過快、摩擦時間過短，導致摩擦產生的熔融材料不足(圖3-A)，胞間物質的熔融時間和高溫反應時間不長(圖4-A)等不利于產生良好焊接效果的情況出現。由圖3可知，當改用漸變孔徑時，焊接熔融物的顏色較淺，溢出的量較少，幾乎全都保留在了焊接界面，竹銷釘焊接部位的尖削度明顯沒有C、D組大，與B組相當，略大于A組(A組的尖削度幾乎為零)。由此可知，E、F組的焊接強度高于其他組的原因有二：一是漸變的孔徑與直徑逐漸削尖的竹銷釘在基材孔的各個深度能夠始終保持較為理想的摩擦力，致使熔融物質能夠保留在焊接界面，焊接溫度不會過高也不過低，摩擦時間不會過長或過短，有利于產生良好的焊接接頭。二是因竹銷釘的直徑尖削度較小，可以形成較大的有效膠合面積，進一步提高了抗拔力。

2.2 焊接溫度監測結果分析

焊接溫度與焊接時間也是影響旋轉摩擦焊接效果的重要因素之一[1-7,14-17]。A.Pizzi等認為，焊接高溫的維持時間越長，則在焊接界面處燃燒木材并產生較低強度焊接接頭的幾率就會越大[1,15]。為了進一步了解竹銷釘在各種榫徑與孔徑比下的焊接強度產生差異的原因，有必要監測各種比值下的焊接界面溫度隨時間的變化情況，監測結果見圖4和表3。

從圖4、表3來看，由于各組的銷釘與孔的比值不同，銷釘與孔壁比之間的摩擦力不同，致使各組在焊接過程中的溫度變化曲線有所不同，這些不同點主要集中在以下3點：1)各組到達峰值溫度的速率不同；2)各組峰值溫度大小不同；3)各組超過150℃(木質素熔融溫度)的高溫持續時間不同。它們是影響焊接效果的關鍵因素，可以進一步解釋A～F各組焊接強度存在差異的原因。

由圖4-A可知，當榫孔直徑比為10/9(1.11)時，約在1 s之內，位于孔深5、10 mm和15 mm的3個溫度監測點幾乎同步且迅速升至峰值溫度(分別為354、280.3、304.1℃，表3)，但是，3個測量點的超過150℃的高溫持續時間大約為1～1.5 s。這驗證了2.1 所分析的該組試件強度較低的原因。

圖3 A～F各組焊接熔融物質溢出量和竹銷焊接部位的形狀(A～D為恒定孔徑，E、F為漸變孔徑)

圖4 竹銷釘與櫸木基材旋轉焊接溫度-時間變化

由圖4-B溫度曲線可知，當榫徑與孔徑比為10/8(1.25)時，在5、10 mm和15 mm處的3個監測點幾乎都同時到達最高溫度值，依次是，236.2℃、327.9℃和165.0℃(表4-B)，并且在孔的上部和中部大約維持了較長2.5 s的高溫時間。由此可知，由于較大的過盈量，能夠使得孔壁的上、中部(0～15 mm深)獲得較大的摩擦力，達到較高的摩擦溫度和較長的摩擦時間，可促使竹銷與基材的胞間質成分(主要是木質素)在熔融的過程中發生較為充分的理化反應，摩擦出較多的流動熔融材料，從而能產生較厚的焊接膠層(圖3(c)-B)，獲得較好的焊接效果，但在孔的下部(15～20 mm深)，由于前階段竹銷釘的磨損較大，竹銷直徑損失較大，其與孔壁的摩擦力顯得不夠，導致焊接溫度較低，達到木質素熔融的溫度的時間非常短，從而降低了整體的焊接強度。因此該組的焊接效果比A組好，但不甚理想。

圖4-C和圖4-D的溫度曲線基本相似，即在焊接的初始階段(0～5 mm深)，2組到達峰值溫度的時間延長，超過了2 s，高溫的持續時間也更長，其中C組的高溫持續時間達到了3 s，D組超過了4 s，同時各組的峰值溫度也都超過了300℃。但在焊接的中、后階段(10～20 mm孔深處)高溫的持續時間明顯縮短，峰值溫度也明顯下降，尤其是D組15 mm深處的峰值溫度降至107.1℃，此時已達不到木質素熔融的溫度，所有焊接整體效果不佳。

由圖4-E可知，對于采用榫徑/孔徑為10 mm/8～6 mm漸變孔徑配合的E組試件，其能在5，10 mm和15 mm 3個深度都能達到較高的峰值溫度(分別是292.5℃、251.1℃和178.6℃)和保持較長的高溫時間(分別是約3、2 s和1 s)。由此可知，該組試件的焊接界面在孔深上、中、下3個部位都能達到理想的摩擦力、摩擦溫度和反應時間，這有利于竹材與木材中的胞間質能在較長的時間里和在高溫下充分軟化、熔融、流動，和包覆竹材或木材纖維，發生較長時間的物理化學反應，最終取得理想的焊接效果。

由圖4-F可知，F組的溫度變化曲線與A組有些相似，但由于F組是漸變孔，隨著孔深的增加，銷釘與孔壁的摩擦力越來越大，因而在孔的中部、下部能夠達到285℃以上的焊接溫度和持續較長的高溫時間(大約2 s)，從而形成比A組更好的焊接效果。但由于竹銷在孔深的上部摩擦不夠，因而其強度不如E組，與B組相當。

表3 孔深分別為5,10,15 mm處的焊接峰值溫度

2.2 焊接界面掃描電鏡(SEM)觀察

通過對力學拉伸破壞后的焊接試件進行仔細觀察，如圖5(a)，發現大多數從基材孔中拔出來的竹銷釘的焊接帶表面露出了原竹的淺色溝槽，許多深色的焊接竹纖維從焊接界面被撕裂和撕扯下來粘附在櫸木基材孔壁上。掃描電鏡觀察結果顯示(圖5(b)、圖5(c)、圖5(d))，竹銷在經過旋轉摩擦后，其表層的焊接竹纖維幾乎全部被掀起并橫向纏繞在竹銷表面，這些橫向纏繞的竹纖維和包覆、填充其間的胞間層熔融物質，形成了猶如“鋼筋水泥土”般結構的致密、連續和堅固的焊接界面。

2.3 焊接界面紅外光譜 (FTIR)分析

波數1 740 cm-1附近的吸收峰屬于半纖維素中的乙酰基和其他羧酸中羰基(C=O)吸收波段[18-22]，由圖6(a)可以看出，竹銷焊接區域上的物質在1 740 cm-1的吸收峰大于非焊接區域(即原竹)的吸收峰。這說明了在竹銷旋轉摩擦焊接過程中，1 740 cm-1周圍發生了半纖維素的C=O伸縮振動?？梢姡捎谀Σ廉a生的高溫會導致竹材中的半纖維素發生降解，這種竹材降解的過程與其他的竹材或木材熱解過程在半纖維素的降解有類似之處[11,18]。

木質素苯環上發生的結構變化可由波數1 605、1 512、1 460、1 426、1 327、1 244 cm-1和1 618 cm-1等特征峰來描述。波數1 605 cm-1處是木質素芳香骨架結構的振動，1 512 cm-1為木質素芳香核振動的吸收峰，1 426 cm-1為木質素芳香環上C-H平面彎曲振動的吸收峰，1 327 cm-1為木質素紫丁香振動的吸收峰[18-21]，1 244 cm-1為C-O木質素酚醚鍵的特征吸收峰[11,18-24]。由圖6(a)可見，竹銷焊接界面物質在1 605、1 512、1 426、1 460、1 244 cm-1和1 618 cm-1的吸收峰相較于竹銷的非焊接區域都有增強，這說明了竹銷焊接區域上的木質素的含量有所提高，其原因可能是竹銷中半纖維素的降解使得半纖維素的含量減少，而木質素的相對含量得到提高。1 618 cm-1為木質素芳香核伸縮振動或者C=O伸縮振動的吸收峰，由于摩擦高溫而導致該吸收峰出現，說明木質素芳香環的數量增多，其原因可能是摩擦焊接升溫過程中的木質素發生了縮合反應[24]。

圖5 竹銷釘焊接界面表面SEM

纖維素的特征吸收峰為1 426、1 370、1 160 cm-1和1 057 cm-1。波數1 426 cm-1為纖維素中—CH2—彎曲振動吸收峰，1 370 cm-1為纖維素—CH3彎曲振動吸收峰，1 163 cm-1則是纖維素中吡喃糖C—O—C對稱伸縮振動吸收峰，1 057 cm-1為纖維素中環狀C—O—C不對稱伸縮振動或C—O伸縮振動吸收峰[11,18-23]。由圖6-(a)可知，相對原竹，焊接區域在1 426、1 370、1 163 cm-1和1 057 cm-1的吸收峰變化不顯著，說明纖維素的降解十分有限[11,18-23]。

3 420 cm-1為羥基O-H的伸縮振動，2 940 cm-1和2 860 cm-1分別為亞甲基(—CH2—)和甲基(—CH3—)基團中的C-H伸縮振動，由圖6(b)可以看出，竹銷在摩擦焊接之后3 420、2 940 cm-1和2 860 cm-1處的特征吸收峰增強了，這也進一步驗證了半纖維素的降解[11]。

3 結論與討論

將竹銷釘代替木榫用于木材的旋轉摩擦焊接是可行的，能夠獲得比白乳膠(PVAc)膠接更高的膠合強度。基材樹種的密度和硬度，以及榫徑與孔徑比是影響焊接效果的關鍵因素。由于櫸木基材密度較大，材質較硬，當采用恒定孔徑的預鉆孔進行焊接時，竹銷釘的焊接強度不如木荷榫和櫸木榫的旋轉焊接強度。通過改變預鉆孔的形狀，即改為漸變孔徑后，竹銷釘的焊接強度得到了明顯的提高，達到了6.42 MPa?？梢姡瑢⒅皲N代替木榫應用于木材旋轉摩擦焊接，對于密度較大的樹種基材，最好采用漸變直徑的預鉆孔以達到良好的焊接效果，榫徑與孔徑的比值以10/8～6為佳。

焊接溫度監測結果表面，竹銷旋轉摩擦焊接界面能夠在2 s內達到300℃以上的峰值高溫，且維持了約2～3 s的高溫時間，隨后隨著竹銷停止旋轉摩擦，溫度逐漸下降，這與木榫摩擦焊接溫度曲線相似。但不同的榫徑與孔徑比條件下，不同孔深的升溫速率、峰值溫度和高溫持續的時間不同，它們是產生強度差異的主要原因。

圖6 竹銷非焊接界面與焊接界面的FTIR圖譜

通過肉眼和SEM電鏡掃描觀測可以發現，由于摩擦產生的高溫促使竹材和木材的胞間層物質熔化和流動，將竹材纖維充分包裹，形成了猶如“鋼筋水泥土”結構般的致密、連續和堅固的焊接界面。

FTIR分析結果顯示，摩擦產生的高溫會導致竹銷中半纖維素發生一定程度的降解，從而提高了木質素的相對含量，摩擦產生的高溫促使木質素發生縮合反應，增加了木質素芳香環的數量，提高了膠合強度。

基材樹種、銷釘的旋轉速率、基材的紋理方向等是影響焊接強度的重要因素，后期可以通過嘗試改變這些參數(如使用中、低密度的基材、提高旋轉速率、改變紋理方向等)以探索更高的竹-木旋轉摩擦焊接強度。