Aderarea lemnului cu sudare prin frecare Rezumat. La Catedra de Construcii din lemn din Institutul Federal de Tehnologie din Lausanne Elvetia (EPFL), testele au fost efectuate pentru alturarea pieselor de lemn in lucru cu sudare prin frecare faranici un depozit suplimentar de sudare. Ar putea fi stabilit c acest tip de tehnologie, care este folosit n principal pentru materiale termopla-stice i metal, poate fi aplicat, de asemenea si lemnului. Testele au fost efectuate pentru a determina influena parametrilor de procesare ca presiunea de sudare, frecvena i amplitudinea momentului asupra procesului de sudare i de aportul de energie la interfa. n plus, rezistena legaturii a fost examinata. Dezvoltarea rezistenei la forfecare n timpul solidificrii interfeei, precum i rezistena la forfecare dup realizarea solidificarii complete a interfeei a fost obiectivul examinrii.. n plus, microstructura legaturii sudate a fost studiata pentru a descoperi modul n care forme de lemn descompus termicpot realiza legtura ntre piesele sudate.

1 Introducere Aceasta lucrare, se ocupa cu posibilitatea de a adera buci de lemn fr orice material suplimentar folosind tehnologia de sudare prin frecare. Sutthoff et al. (1996) a fcut primele ncercri de aderare a lemnului printr-un mijloc de presiune i cldur de frecare n Germania. Din anul 2000, IBOIS este cercetarea i de-ministerelor referitoare la aceasta metoda de conectare lemn (Gliniorz iNatterer 2000, Gliniorz et al. 2001). Realizarea de lemnpentru-lemn conexiuni prin intermediul cldur de frecare, fr nici osuplimentare Materialul este un proces inovativ cu potenial ridicat pentrudezvol-tarea. Ori este necesar pentru a finaliza o obligaiune suntmai scurte mult de un minut. Nr pregtirea suprafeelor sudate este obligatoriu doar n absenta rou. Intrarea de schimbri de energie frecare a lemnului n suprafeele fel nct ele sunt "topite" mpreun pentru a forma o singura entitate. componente din lemn, n principal lignina, celuloz i polyoses,sunt polimerice sintetice ca termoplastic sunt. Pariul Diferena-se gndicele dou este c polimeri lemn sunt descompuse termic i schimba prin reacii chimice n timpul procesului de sudare, n timp ce materiale termoplastice rmn aceleai n ceea ce privete lor chimice compoziie. Un dezavantaj al conexiunilor lipite este de lung de timp ne-puin cald pentru vindecarea a adezivilor. n mod normal, lipiteconexiunile necesita mai multe ore de presare. timp scurt desudare n timpul sudarea prin frecare a lemnului ar putea duce la o mai bun eficien cu privire la timpul necesar pentru a fabrica conexiunile.

Fenomenul de topire lemn este nc nou. Nu exist datebibliografice-geografice ar putea fi gsite cu privire la topire delemn coroborat cu tratament termic. Reaciile chimice au loc ca urmare a tratamentului termic sunt ne-cunoscute.Parametrii care influeneaz sunt, pe de o parte, asetrile aparatului cum ar fi presiunea de sudura, frecvena irecunotina Ampli a micrii, i pe de alt parte, parametrii de materialul (specii de lemn, orientarea inelelor anuale, umiditate, densitatea i mrimea). forta de frecare, sudare dis-de plasare perpendicular pe interfaa i progresia temperatura au fost msurate pentru a evalua influena acestor parametri. Rezistena dup o solidificarea complet a stratului deinterfa-financiare a fost evaluat prin teste de tensiune de forfecare. Examene de microstructura s dea o indicaie n care mod adezivi-Sion ntreprile sudate are loc.

2 experimentale

aparat de sudura (de tip Fischer ZMT 2) utilizate pentru experimentare a fost proiectat anterior pentru sudare de materiale termoplastice. parametrii de presiune de sudare, frecvena imagnitudinea-Ampli de micare de frecare, precum i deplasareade sudur poate fi reglat pe aceast main. O micare circular, pe orizontal se aplic (aa cum este descrisde cercuri pe suprafaa de specimen superior n Fig. 1). Acest micare garanteaz o for constant i viteza n timpul ntregul proces de sudare, deoarece direcia de deplasare contrar rmne acelai cu sudarea prin frecare liniar (n timpulliniar sudarea prin frecare viteza i fora sunt oscilant i-chan Gingdirecia i astfel, nu sunt constante). Schimbri brute pot afecta masa topit. sfritul procesului de sudare este stabilit prin realizarea de o cilindree de sudare presetate perpendicular pe interfaa. Pe de o parte aceast deplasare este compus din compresie aspecimenului pe de alt parte, o scurtare apare n urmare a descompunerii termice a materialului la cldur afectat zona.

2.1 Pregtirea i dimensiunea exemplarelor Exemplare pentru testarea forfecare traciune au fost compuse din dou buci de lemn cu dimensiuni de 110 50 10 mm. Dou piese au fost sudate mpreun la o suprafa de 50 50 mm2 dup cum se arat n Fig. 1. n timpul procesului de sudare modelul superior este freca-Bing pe modelul mai mic, care este ataat. Molid (Picea abies) i fag (Fagus sylvatica) au fost utilizate pentru teste. Suprafeele de panouri au fost planificate, pentru a obine proprieti constant de suprafa. Din motive de homo-geneity, toate probele au fost folosite fara defecte vizibile. nainte de testare, exemplarele au fost depozitate sub control con-diiile (293 K, 65% umiditate a aerului relativ) ntr-o camer climatice. Coninutul de umiditate medie a probelor a fost 12,8% pentru Norvegia molid probe i 12,2% pentru fag. Densitatea de Eantioanele uscate medie de 0.41 g/cm3 pentru Norvegia i molid 0.69 g/cm3 de fag. 2.2 Influena presiune normal i frecvena de sudare pe generarea de cldur generarea de cldur prin energiei de frecare este necesar pentru modificarea din lemn masiv aproape de interfaa ntr-o "topit" de stat i pentru realizarea unei obligaiuni. O anumit temperatur este necesar pentru a ajunge la "topirea" de stat. profile de temperatur au fost luate prin patru termocupluri, care au fost instalate prin orificiile situate sub SPE-cimen i plasate n zona afectat de cldur. Simultan, fora de frecare a fost msurat n biaxial

o direcie orizontal n timpul procesului de sudare cu fora ntregul traductoare. O variatie a fortei de frecare apare ca o funcie de timp i temperatura n timpul alteratie termica a interfeei. Influenele de frecven i parametrii de sudare sub presiune wel-ding asupra procesului de sudare, forta de frecare i progresia de temperatur au fost examinate. Aceti parametri sunt n legtur cu rata de producere a energiei termice n funcie de relaiile Follo-aripa. Tensiunea de forfecare la interfaa datorit Coulomb este dat de: = PN (1) n cazul n care este coeficientul de frecare i PN este sudura presiune normal la interfaa. Rata de generare de cldur pe ciclu pe suprafa (q) poate fi calculat prin q = v (2) unde v este viteza de micare de frecare. Prin utilizarea Ec. 1, ecuaia. 2 devine: q = PNv (3) cu v = 2af (4) unde a este amplitudinea micrii circulare i f este sudare de frecven. n conformitate cu aceste corelaii genurile-

TION de cldur depinde de presiunea normal, coeficientul de frecare, frecvena de sudare, precum i amplitudinea micare circular a. Variaiile de presiune i frecven n conformitate cu tabelul 1 au fost alese pentru a nelege influena asupra nclzire du-inelprocesului de sudare: Pentru fiecare variaie, cinci teste au fost efectuate. orientare n aplicare a inelelor anuale pentru aceste examene a fost verticale interfa cu o deviere de 20 . 2.3 ncercri mecanice de rezisten la forfecare 2.3.1 Testarea efectuate imediat dup procesul de sudare Pentru a evalua procesul de solidificare ca o funcie detemperatur-ratur i de timp, teste

de forfecare tensiune au fostefectuate. Cinci serii probelor de testare cte zece au fost sudate si testate la diferiteti-MES la scurt timp dup ncheierea procesului de sudare. Pentrutoate serie de teste, aceleai setri de instalare de sudare au fost remeninut. orientarea inelelor anuale a exemplarelor a fost perpendicular ( 20 ) la interfaa. rezistena la forfecare a fost evaluate cu un aparat special conceput pentru a msura planul tulpina. Deoarece acest aparat este manuale, graficul de vitez nu a putut fi inut exact uniform n intervalul toat fora. Figura 2 arat aparatul cu componentele sale principale. Tabelul 2 prezint un rezumat al parametrilor de sudare, utilizatepentru forfecare de testare:

2.3.2 Testele efectuate dup o solidificarea complet a interfeei Rezistena la forfecare a probelor sudate (vindecat i con-ionaten conformitate cu umiditatea aerului de 65%, temperatur de 293K pentru 21-24 de zile) a fost testat cu o Zwick 1495 main universalte-Sting cu o vitez a graficului de 0,05 mm / s. forfecare teste de tensiune au fost efectuate de-a lungul direcielongitudinal n aplicare a probelor paralel cu direcia de Fi din lemn-Brs conform EN 302-1. Fiecare serie de teste a fostcompus

din 15 probe. Suduri defecte nu au putut fi luate n ac-conta.Parametrii de sudare sunt aceleai ca i prezentate n Tabelul 2. 2.4 Examene de microstructurii a afectat zona de cldur Diferite mecanisme de adeziune sunt susceptibile de a opera nacest un fel de metod de conectare. Factori cum ar fi presiunea de sudura, forele de deformare, temperatura i umiditatea din probele sunt de semnifi-mare importan pentru schimbri structurale la interfaa n timpulmicrii frictio-nal. Examinrile microscopic a zonei afectate de cldur i regiunile adiacente din lemn termic schimbat i neschimbate,re-pectiv, pune n lumin pe structura de comune i obligaiuni. Studiile arat modul n care materialul comun creeaz contactpentru zonele nvecinate. descompunerea termic a celulei structura de lemn poate fi considerat ca o funcie de distana la sursa de energie, caldura afectat zona. Probele de testare au fost luate dintr-un cut transversale perpendicular pe fibre direcie. Ei au fost integrate n rasina epoxidica. suprafata a fost lustruite de hartie abraziva (5 microni) i respectate de ctreconfocal microscopie. 3 Rezultate i discuii 3.1 Temperatura i coeficientul de de frecare n timpul procesului de sudare Examinrile a artat c fora de frecare trece prin diferite faze caracteristice n timpul procesului de sudare, care

sunt marcate de puncte reprezentative. Prin intermediul acestor puncte de caracteristic, procesul poate fi mprit n diferite ase fazele de frecare i lubrifiere dat n Fig. 3. Faza I: n timpul fazei iniiale I a procesului de sudare, dou piese sunt aduse n contact sub o anumit presiune (punctul S). Asperitile de suprafa sunt netezite, deoarece de frecare limit. Suprafata relativ aspr duce la o cretere agresiv a temperaturii la nceput. La aproximativ 393 K, graficul arata o pauz, care este pe de o parte cauzate de vaporizarea de umiditate, cuprinse n eantion (12,8%). Pe de alt parte, lustruire a sur-feele cauzate de micarea de frecare duce la o scdere din coeficientul de frecare. Etapa II: Aceast faz (ntre E1 i I) arat o constant co-eficient de frecare. Prin urmare, creterea temperaturii este aproape liniar. Etapa III: Etapa III ncepe cu o cretere agresiv a fora de frecare (punctul I), nsoite de un fum incipiente generaie. n timpul acestei faze, suprafeele ncepe s descompunere pune datorit cldurii frecare, la o temperatur de apro-tely 593 K. fora de frecare crete continuu i ajunge la un vrf la punctul P. cretere se datoreaz termice descompunere poziia suprafeelor. Se presupune c alunecare frecare se schimba la lubrifierea timpul fazei III. Etapa IV: Realizarea de temperatura maxima de 693 - 713 K n faza IV duce la un echilibru de temperatur-ratur precum i fora de frecare (E2). Etapa V: caracteristic a Etapa V este echilibrul din fora de frecare meninut pn la finalizarea micare de frecare (ntre E2 i F). Acest echilibru se bazeaz pe generarea de energie termic prin frecare echilibrat de "topit", celulele descompuse lemn i fumul cald expulzat din interfata. Posibil lemn ajunge la o anumit stare de tranziie de faz, care conduce la un echilibru de energie i, prin urmare, un echilibru de cldur. Potrivit Shafizadeh i Rowell (1984) evaporarea levoglucosan i piroliza volatile pro-conducte, avnd loc ntr-un interval de temperatur ntre 573 i 773 K, este foarte endoterm. Astfel, cldura de eva-porationduce la un efect de rcire. Acest fenomen ap-pere a firesponsabile pentru echilibrul de temperatura maximum deaproximativ 693 - 713 K n timpul de sudare din lemn, de asemenea. Valorile msurate temperatura difer

n mod clar de cele menionate de ctre Gfeller et al. (2004) n legtur cu sudarea prin frecare liniare din lemn (443 la 493 K). Etapa VI: Aceast faz corespunde la rcirea specimen i de solidificare a "topit" material la interfa. Acest proces duce la finalizarea conexiune. progresia de atat temperatura cat si coeficientul de frecare-TIONdin fig. 3 este tipic pentru sudare de lemn de molid. Fag arat un comportament similar ca funcie de timp de sudare. Cu toate acestea, creterea temperaturii la nceputul pro-cesuleste mult mai rapid de fag, comparativ cu molid. Acest lucru esten toate probabilitatea ca un rezultat al proprietile de suprafa diferite.

Figura 4 prezint evoluia temperaturii la diferite distane la interfaa n timpul procesului. Datorit bun

proprieti izolante din lemn, lemn matrice la o distan de 2,2 mm de la interfaa nu atinge mai mult de 385 K. Acest este de aproximativ o ptrime din temperaturii interfeei. Prin urmare, de cldur rmne concentrat n jurul interfaa acolo unde este nevoie. Nu pierderi mai mari de energie s apar. Structura de lemn, adiacente zonei afectate de caldura este nu fac obiectul unor modificri structurale majore n consecin de mare temperaturi. Prin intermediul retard i nlimea vrfuri de temperatur msurat de termocupluri diferite conducere i de stocare de cldur poate fi urmri. 3.1.1 Influena sudare pressure1 Figura 5 arat evoluia coeficientului de frecare la valori diferite de presiune. Pentru fiecare opiune de presiune, o serie de cinci eantioane fost sudate. Gradieni de diferite au fost msurate medie. Presiunea de sudare are o influen distincte pe timp wel-ding. Se poate observa c n momentul de sudura scade cu un augmentare de presiune (cu o deplasare vertical presetate ca un criteriu de oprire). Acest efect este valabil pentru toate fazele.Sudare presiune de 0,31 MPa sa dovedit a fi prea mic pentru a ajunge la o sudur satisfctoare. Toate testele din aceast serie a trebuit s se ncheie nainte de realizarea de deplasare prestabilite, dup un timp prestabilit wel-Ding de 40 de secunde a fost atins. Acest timp de sudare maxim a fost prestabilite pentru a evita daune la masina. Aparent, o anumit presiune n combinaie cu frecven este necesar pentru a genera de cldur care este necesar s se modifice n interfaa favorizat cale i, astfel, ajunge la o conexiune satisfacatoare. Aceast observaie a fost fcute n timpul sudarea prin frecare a metalelor (Vairis i Frost 2000) ca bine. Temperaturile maxime atinse la interfaa, pentru toate teste, au fost aproape identice cu valori cuprinse ntre 693 i 713 K. Valoarea coeficientului de frecare n timpul decre Etapa V-ases cu creterea presiunii. Acest comportament ar putea fi un rezultat 1 Conform tabelul 1 de o schimbare de temperatura sau ca urmare a variaiei de presiune PN nici-mal. Ca temperatura ramane aproape constanta pentru teste diferite se presupune c presiunea n cretere duce la o scdere coeficient de frecare (vscozitate). Se presupune c un efect de forfecare subiere (non-newtonian comportament), are loc n timpul strii de lubrifiere, cum este comune pentru ali compui polimerice.

3.1.2 Influena sudare frequency2 Influena de o variaie de frecven asupra procesului de sudare a fost evaluat de progresie de coeficientul de frecare ca bine. Figura 6 arat coeficientul de frecare n funcie de timp pentru diferite frecvene al micrii circulare. Ilustreaz diferite curbe de dependen a procesului de wel-ding cu privire la frecvena n fiecare faz a procesului.

n timpul fazelor II-V, coeficientul de frecare scade cu o cretere a frecvenei. n Faza II acest comportament este Proba-Bly datorit mai repede alunecare pe suprafete. Posibilitatea de asperitile suprafeei obtinerea blocat este redus din cauza mai mare viteza. n faza V creterea temperaturii cu un cretere a frecvenei. Acest lucru conduce la o vscozitate mai mic de "topit" material i, prin urmare, o scdere de frecare vigoare. Spre deosebire de variaia de presiune, perioada de timppentru a ajunge la aceast stare, precum i ori intreaga de sudura, nu sunt depinde de setrile de frecven utilizate. Acest lucru este uimitor deoarece energia de intrare pentru a crete cu o interfan-cutelor de frecven i cu privire la acest cont de cldurgeneraie ar trebui s creasc. ori de sudare ar trebui pentru acest motiv,decre-ASE ca a avut loc o cretere a presiunii de sudare. Pe de alt parte, conduce descresctoare coeficientul de frecare,apar-inel cu o frecven n cretere, la o scdere a energiei de frecare. Acest rezultat efect ntr-o prelungire a timpului de sudare i compenseaz creterea frecvenei cu privire la energie de intrare.

energia produs folosind o frecven de sudare de 80 Hz a fost prea mic pentru a obine o sudur n timpul specificat.Evident, o limit anumit energie trebuie s fie aplicat pentru a obine unlemn pentru a-conexiunelemn. n caz contrar, nu sudur poate fiformat. Vairis i Frost (2000) a descoperit un comportament similar pentru sudarede metal. 3.2 Rezultatele forfecare traciune testing3 3.2.1 n timpul de solidificare Figura 7 afieaz rezistena la forfecare msurat imediat AF-terncetarea procesului de sudare (inclusiv 30 secunde de solidificare la o presiune de racire de 1,59 N/mm2) n momenteFollo-aripa: 10 s, 30 s, 1 min, 5 min, si 15 min. Pentru fiecare dat pas, zece eantioane au fost testate. Temperatura la interfaa scade n aceast perioad de la peste 673 K n timpul procesului de wel-ding la mai puin de 313 K dup cincisprezece minute.Deja

dup 60 s, temperatura interfaa este mai mic dect 373 K.Tabelul 3 arat rezultatele testului cu deviaia standard. Imediat dup sudare, articulaiilor arat deja un forfecare concentraie de aproximativ 2 MPa. n perioada urmtoare deminute FIF-teen, tulpina crete la aproximativ 2.6MPa. Cde-monstrates c tulpina forfecare obinut imediat sudare AFteratinge deja circa 77% din valoarea dup minute FIFteen. Datoritanizotropiei i neomogenitate a lemn, valorile msurate arata o imprastiere marcat. Ca

comun prezinta deja rezistenta la forfecare a 2 MPa imediat AF-terde sudura, o sudur continu din mai multe straturi de lemn pe fiecare, fr nici o pauz ntre etapele de sudare este posibil (de forfecare maxim n timpul sudrii aproximativ 0,5 MPa). Figura 8 arat un cuboid constnd din optalternative-rea straturi de lemn de molid si fag. Suprafeele au fost taiate si macinata. Dimensiunile cuboidului sunt reprezentate 6.3 4.5 9.1cm3. Mai multe specii de lemn au fost examinate n ceea ce privete sudabilitii. Imbinari sudate ar putea fi realizat pentru ntreaga cantitate de lemn testate specii. Acestea sunt molid, zada, mesteacan, stejar, si fag. 3.2.2 Dup solidificarea Fora de forfecare maxim atins de lemn de fag a fost 4.2MPa. Lemn de molid ar putea fi ncrcat la o for maxim de forfecare 3.3 MPa. Tabelul 4 indic valorile medii i maxime deviaia standard pentru seria celor dou ncercri de fag iNorvegia molid. forele de forfecare arata o dispersie puternic datoritANIsotropy i neomogenitate din materialul lemnos. n majoritatea de teste, ruptura are loc ntre stratul de interfaciale i structurii celulare. Rezistena la forfecare a articulatiei despreeste o treime din fora de forfecare lemn natural.

3.3 Microstructura comune Figura 9 prezint o zon de comune, vizualizate cu un confocal scanarea cu laser-microscop. Cum se poate observa n imagine B, structura celulei de lemn estecompletely distrus la interfaa. Materialul seamn cu un dens mas amorf care conin fragmente de celule din lemn. CA-vities acelulelor s-au prbuit i sunt inexistente. Celulele n regiunile adiacente la interfata sunt densificat de aciunetermomecanice, iar peretii celulelor s-au prbuit ca urmare a influenei termice i forele de presiune i forfecare. Efectele de distrugere celular la interfaa i regiunile adjoi-ningapar mult mai putin pe inelelor anuale de latewood. ziduri groase trziu de celule din lemn cu goluri mai mici, suntaproape intacte, cum se arat n imagine A. Celulele Springwood cu peretii celulari subtiri sunt mult mai sensibile i pot fi uor de distrus. Masa de descompus

lemnul este anexnd celulele adiacente lemn. Acest efect duce la o adeziune ntre materialul termic descompuse la interfa i regiunile mai mult sau mai puin neschimbat din lemn. grosimea stratului interfaciale variaz. Inelelor anuale unghiulare la

conduce la o structur interfa ondulate, care variaz n cauzning grosimea interfaciala (Fig. 10), cum se poate observa, precum i n imagini A i B. 4 Concluzii Sudarea prin frecare a lemnului, fr nici o suplimentare de sudaremate-tive este capabil de a forma conexiuni lemn-pentru-lemn. Caun rezultat forte de forfecare poate ajunge pn la 4 MPa (lemn de fag), caren-dicates posibila aplicare n industria mobilei i chiar n construcii din lemn. Metoda permite un sistem eficient deaderare de piese din lemn, fr cerina pentru un pre-tratament a suprafeelor conectate. Interfaa trece prin faze dife-rent n timpulprocesului de sudare. Suprafaa de schimbri de la solid la "topit". Acest lucru ar putea fi evaluate de ctre unmeasu-rement a fortei de frecare la interfaa. frecare vigoare

arat o cretere notabil la o temperatur de aproximativ 593 K. n acest moment ncepe generaie de fum i suprafeele ncepe s descompune ntr-un mod vizibil. Temperaturile maxime ajung valori de aproximativ 713 K. Realizarea maxim de temperaturconduce la o etap de echilibru (att pentru tempera-turii icoeficientul de frecare), care este meninut pn la ncetarea de micare de frecare. Tempe-ratures maxim au fost atinse pentru aproape toate testele efectuate. rcire a stratului interfaciale conduce la un anumit proces de rcire-presiune la o solidificare a "topit" de-termic compus celulede lemn la zona de caldura-afectate. Aceasta se datoreaz aceast solidificare a stratului de interfaciale care conexiuneaeste format. Timpul de sudare depinde de energia de intrare aplicat suprafee, care poate fi influenat de parametri cum ar fipresiunea, frecvena i amplitudinea micrii de frecare. influ-ences apresiunii de sudare i frecvena au fost evaluate de efectuarea de studii de parametru. O cretere de presiunenormal conduce la o reducere a timpului de sudura. n plus, n mod normal presiune influeneaz fora de frecare. Varierea frecvenei micrii de frecare a relevat c o anumit cantitate de energie este necesar pentru a convertisuprafeele pentru a ajunge la o sudur acceptabil. Potrivit forfecare ncercrile de traciune, efectuate imediat dup procesului de sudare, o tensiune de forfecare de aproximativ 2MPa poate fi app-a minit conexiunilor direct dup un timp de solidificare de 10 s. Astfel, componentele multistrat ar putea fi realizate de ctrecontinu sudare fr a afecta deja rosturi existente. rezistena la forfecare medie obinut dup o completsolidaritatea-dification a ajuns la comune pentru diferite valoriserie de teste de 2.1 MPa pentru lemn de molid i 3,2 MPa pentru lemn de fag. n timpul de sudare, celule adiacente conectate lemn suprafee prbuit datorit forelor de frecare. generare de cldur duce la o descompunere de componente diferite de lemn. strat interfaciale, care este responsabil pentru conectare, const de buci de lemn celulelor sol ncorporate ntr-o mas de"molzece" material. "topit" material este descompus termic compui din lemn. Stratul de interfaciale cuprinde adiacente celule care sunt comprimate i transformate, dar nc conectat la lemn matrice. Acest efect duce la o aderen ntre descompus termic material la interfaa, i mai mult

regiuni sau mai puin neschimbat de lemn i, prin urmare, la opermanent conexiune.