CN105500474B - 一种胶合木及其生产方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种胶合木及其生产方法与应用，属于现代木结构建材领域。胶合木，包括层叠胶合木条/层板和圆木榫；圆木榫通过沿层叠胶合木条或层板的厚度方向上孔和焊接带，与层叠胶合木条连接成一体；其制备步骤为：依次按照常规胶合木制造工艺对木质层板或木条进行干燥、截断、去除缺陷、四面刨光、涂胶和组坯；加压；预钻孔；旋转摩擦焊接；卸压制备得到胶合木。本发明利用高速旋转圆木榫来进行胶合梁的生产在降低了胶合木的生产成本的同时，也是纯绿色无污染且可持续发展的胶合木生产技术，提高了胶合梁的剪切强度，提高了胶合梁的刚度和强度等力学性能，同时也提高了胶合梁的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及现代木结构建筑材料，具体涉及一种胶合木及其生产方法与应用。
背景技术
胶合木通常指的是层板胶合木或集成材(Glued Laminated Timber，简称Glulam)，它是将数层或几十层厚度为10-50mm的木板层级胶合而成，是一种高效利用木材的产品。用胶合木组成桁架、拱、框架以及梁柱等通称为胶合木结构。胶合木梁是胶合木结构中最重要的承重构件之一。但是这种结构的胶合梁在承受弯矩时其承载力收到胶合梁两端的剪切强度的影响，很多时候其极限荷载破坏也都最先发生了胶合梁量的剪切破坏。
通常，胶合木的胶合质量对其力学性能影响极大，胶层的胶合质量与胶合木梁的力学性能成正相关性。而胶层的胶合质量与胶粘剂的种类、胶合和加压工艺等密切相关。制造胶合木一般采用冷压固化的胶黏剂，如单组份聚氨酯胶、间苯二酚树脂胶等，且需要利用专门的胶合加压设备。为了保证良好的胶合效果，胶合木的加压时间通常比较长，一般为2-48小时，加压完成后还要再将其放置在室温环境中养生数天。利用现有技术生产胶合梁存在着生产周期长、生产效率低、压机等设备利用率低、高性能结构胶黏剂的成本高等缺点，而且生产出的普通胶合梁很容易发生剪切破坏，降低了胶合梁的力学性能。
现有的圆木榫连接方式主要是应用于家具结构制造中，又分为胶合连接和过盈配合连接两种方式。而在胶合圆木榫连接中，需要用到聚醋酸乙烯酯脂等胶黏剂，其不但增加了成本而且固化时间相对较长，影响了成品的生产效率。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有技术生产胶合木周期较长，生产成本高，生产设备利用效率低且产品力学性能较差等问题，本发明提供一种胶合木及其生产方法与应用，解决了现有胶合木加压时间长，制造效率低以及胶合木抗剪强度低的核心问题。
2、技术方案
发明原理：在加压状态下利用旋转摩擦焊接技术将一定数量的圆木榫快速焊接到胶合木中，利用圆木榫表面与胶合梁之间的焊接接合带和外加压力共同作用下快速对胶合木进行加压胶合。获得胶合木加压时间短，制造效率高以及胶合木抗剪强度增强的效果。
一种胶合木，包括层叠胶合木条/层板和圆木榫；所述圆木榫通过沿层叠胶合木条或层板的厚度方向上孔和焊接带，与层叠胶合木条连接成一体。
优选的，所述层叠胶合木条或层板为纵向接长的层叠胶合木条或层板，所述圆木榫为横向沿着层叠胶合木条或层板厚度，单排或者若干排的通过高速旋转摩擦焊接与层叠胶合木条或层板连接成一体的圆木榫。
一种胶合木的生产方法，其步骤为：
(1)按照常规胶合木制造工艺对木质层板或木条进行干燥、截断、去除缺陷、四面刨光、涂胶和组坯；
(2)加压：将涂胶、组坯好的层板或木条放入加压夹紧装置进行加压得到胶合木半成品；
(3)预钻孔：对正上打孔槽钢的孔中心，在胶合木半成品预钻孔，预钻孔的直径比实际最终孔的直径小1-2mm，孔深贯穿胶合木半成品厚度方向；
(4)旋转摩擦焊接：预钻孔后，卸下钻头，再装夹木质圆木榫，在预钻孔内旋转摩擦焊接木质圆木榫，当木质圆木榫旋转完全贯穿整个胶合木半成品厚度时，按下手电钻上的急停按钮，木质圆木榫立即停止旋转，停顿2-3秒钟之后圆木榫旋转摩擦焊接完成；
(5)卸压：卸掉油压，取下加压夹紧装置上胶合木半成品上的加压槽钢，取出胶合木半成品，锯截木质圆木榫多余长度制备得到胶合木。
优选的，在步骤(2)中所述加压夹紧装置施加压力为0.5-1.5MPa。
优选的，在步骤(3)中，所述孔在沿着胶合木半成品长度方向上中心间距为100-400mm，孔在沿着胶合木半成品宽度方向上的中心间距为20-40mm，钻头转速2000-3000转/分钟。
优选的，在步骤(3)中，所述预钻孔的直径比圆木榫的直径小1-2mm。
优选的，在步骤(4)中，所述木质圆木榫为直径为10-16mm，长于胶合木半成品厚度20-50mm的木质圆木榫。
优选的，在步骤(5)中，所述旋转摩擦焊接转速2000-3000转/分钟。
优选的，在步骤(5)中，当木质圆木榫旋转完全贯穿整个胶合木半成品厚度时，圆木榫立即停止旋转，停顿2-3秒钟之后，圆木榫旋转摩擦焊接完成。
所述制备方法，还包括步骤(6)胶合养生：将步骤(5)制备得到的胶合木放置在室温中5-10天，利用焊接圆木榫对木梁各层板的抗拔力和锚固力继续给胶合木加压，胶合和养生。
一种胶合木应用于现代木结构，可作为胶合木梁建筑材料应用。
3、有益效果
(1)通过高速旋转焊接技术，解决了圆木榫与胶合梁半成本之间的胶合成本高时间长的问题，将这种圆木榫连接的方式应用于了结构材的生产中，同时利用旋转摩擦焊接的方式使得圆木榫与基材之间产生良好的结合，不但生产效率较高，而且也从结构上提高了结构材的物理力学性能，除此之外其也是一种可持续、无污染环保绿色低成本的圆木榫连接方式，而且胶合强度完全满足要求。
(2)由于沿胶合梁半成品厚度方向排列的焊接胶合的圆木榫的加入起到了保持胶合梁受压的作用，使得胶合梁组坯后的加压保压时间得以大大缩短，降低了单个胶合梁生产过程中对压机的占用时间，提高压机的使用效率，同时提高生产线的生产效率，真正实现连续化的胶合梁生产。
(3)厚度方向排列的单排或者多排焊接圆木榫与层叠的木板形成了一种新型的框架式的胶合梁结构，提高了胶合梁的抗剪切能力，也就提高了胶合梁的抗弯的强度和刚度，整体提高了胶合梁的使用性能。
(4)利用高速旋转圆木榫来进行胶合梁的生产在降低了胶合木的生产成本的同时，也是一种纯绿色无污染且可持续发展的胶合木生产技术，除此之外由于横向圆木榫的加入不仅提高了胶合梁的剪切强度，提高了胶合梁的刚度和强度等力学性能，同时也提高了胶合梁的稳定性。
附图说明
图1是胶合木梁加压系统及打圆木榫示意图，图中1-圆木榫，2-圆木榫电钻夹头，3-加压夹紧装置，4-打孔槽钢，5-胶合梁半成品，6-下垫硬木板，7-下垫钢板；
图2是圆木榫旋转摩擦焊接工艺示意图，图中1-圆木榫，5-胶合梁半成品，9-预钻孔；
图3是焊接圆木榫和焊接带，图中1-圆木榫，10-焊接带，12-纵向层叠胶合层板；
图4胶合木的结构示意图，图中1-圆木榫，12-纵向层叠胶合层板；
图5制备方法的流程示意图。
具体实施方式
实施例1：
制备厚度为90mm，层数5层的胶合木梁：
在按照常规胶合木制造工艺对木质层板(杉木)进行干燥、截断、去除缺陷、四面刨光、涂胶(间苯二酚胶)、组坯等工序后，按照本发明技术方案进行下面工艺步骤，如图5所示：
(1)加压：如图1所示，将组坯好的层叠木质层板放入加压夹紧装置，通过打孔槽钢4、下垫硬木板6、下垫钢板7和加压夹紧装置3定位，并施加压力0.8MPa，制得胶合木半成品；
(2)预钻孔：用手电钻钻头2对正上打孔槽钢4的孔中心，在胶合木半成品5厚度方向上预钻孔9，预钻孔9在沿着胶合木半成品长度方向上中心间距为120mm，预钻孔9在沿着胶合木梁宽度方向上的中心间距为30mm，钻头转速2600转/分钟，预钻孔的直径10mm，比实际最终孔的直径小2mm，预钻孔9深贯穿胶合木半成品厚度方向；
(3)旋转摩擦焊接：如图2所示，预钻孔后，卸下钻头，再装夹直径为12mm，长度为120mm的木质圆木榫1，在预钻孔9内旋转焊接圆木榫1，旋转摩擦焊接转速2600转/分钟，当木质圆木榫旋转完全贯穿整个胶合木半成品5厚度时，按下手电钻上的急停按钮，木质圆木榫1立即停止旋转，停顿3秒钟之后圆木榫旋转摩擦焊接完成；
(4)卸压：卸掉油压，取下木梁上的加压槽钢，取出胶合木半成品，锯截圆木榫多余长度，制的胶合木成品。
(5)胶合养生：将胶合木成品放置在室温中7天，利用焊接圆木榫对木梁各层板的抗拔力和锚固力继胶合木成品加压，胶合、养生。
制备得到的胶合木成品，如图3和4所示，包括层叠胶合层板12和圆木榫1；圆木榫1通过沿层叠胶合层板的厚度方向上孔和焊接带10，与层叠胶合层板12连接成一体。其中层叠胶合层板12为纵向接长的层叠胶合层板，所述圆木榫1为横向沿着层叠胶合层板12厚度，双排的通过高速旋转摩擦焊接与层叠胶合木层板连接成一体的圆木榫1。
将上述胶合木成品，作为现代木结构中胶合木梁应用，参照GB/T 17657-2013《木结构试验方法标准》，对胶合木梁胶合质量和抗弯弹性模量进行测试。试验结果表明，采用本发明技术压制的胶合木梁的剪切强度、木破率和抗弯弹性模量都高于普通胶合的胶合木梁，如表1。
表1 试验结果
| 胶合木梁胶合方式 | 剪切强度(MPa) | 木破率(％) | 抗弯弹性模量(MPa) |
| 普通胶合 | 4.9 | 98 | 6664 |
| 普通胶合+旋转摩擦焊接 | 6.45 | 100 | 8025 |
另一方面，本实施例中共计钻孔34个，总钻孔时间为102秒，整个加压操作时间仅为30分钟。而采用间苯二酚胶胶合的该胶合木梁的加压时间为3-4小时。
综述所述，本发明技术不仅能明显降低胶合木梁加压时间，还能提高胶合木梁的力学性能，尤其是剪切强度和抗弯弹性模量。
实施例2：
制备厚度为84mm，宽度60mm，层数5层的龙脑香-杉木复合胶合木梁。
按照常规胶合木梁制造工艺对木质层板进行干燥、截断、去除缺陷、四面刨光、涂胶等工序后，按照本发明技术方案进行下面工艺步骤：
(1)组坯：采用龙脑香-杉木-龙脑香复合组坯，上、下表板为12mm厚的龙脑香板材，芯层为三层杉木，厚度各为20mm。
(2)加压：将组坯好的涂胶复合木梁整体放入加压夹紧装置，施加压力1.5MPa。
(3)预钻孔：用手电钻钻头对正上加压槽钢的孔中心，在复合木梁上预钻孔，孔在沿着复合木梁长度方向上中心间距为400mm，孔距离复合木梁宽度方向上的侧边距离为40mm，由于复合木梁总宽为60mm，故采用单排钻孔；钻头转速3000转/分钟，预钻孔的直径14mm，孔深贯穿胶合木梁厚度方向。
(4)旋转摩擦焊接：预钻孔后，卸下钻头，再装夹直径为16mm，长度为134mm的圆木榫，在预钻孔内旋转焊接圆木榫，旋转摩擦焊接转速3000转/分钟，当圆木榫旋转完全贯穿整个复合木梁厚度时，按下手电钻上的急停按钮，圆木榫立即停止旋转，停顿2秒钟之后木榫旋转摩擦焊接完成。
(5)卸压：卸掉油压，取下复合木梁上的加压槽钢，取出复合木梁，锯截圆木榫多余长度。
(6)胶合养生：将复合胶合木梁放置在室温中7天，利用焊接圆木榫对木梁各层板的抗拔力和锚固力继续给木梁加压，胶合、养生。
参照GB/T 17657-2013《木结构试验方法标准》，对复合胶合木梁的胶合质量和抗弯弹性模量进行测试。试验结果表明，采用本发明技术压制的复合胶合木梁的剪切强度、木破率和抗弯弹性模量都高于普通胶合的胶合木梁，如表2。
表2 试验结果
| 胶合木梁胶合方式 | 剪切强度(MPa) | 木破率(％) | 抗弯弹性模量(MPa) |
| 普通胶合 | 4.9 | 98 | 6664 |
| 复合胶合+旋转摩擦焊接 | 6.58 | 100 | 11252 |
另一方面，本实施例中共计钻孔18个，总钻孔时间为54秒，整个加压操作时间15分钟。而普通采用苯酚改性间苯二酚胶胶合的该胶合木梁的加压时间通常为2-3小时。
综述所述，本发明技术不仅能明显降低复合胶合木梁加压时间，还能提高复合胶合木梁的力学性能，尤其是剪切强度和抗弯弹性模量。
实施例3：
厚度为126mm，层数7层的胶合木梁。
按照常规胶合木梁制造工艺对木质层板进行干燥、截断、去除缺陷、四面刨光、涂胶、组坯等工序后，按照本发明技术方案进行下面工艺步骤：
(1)加压：将组坯好的涂胶木梁放入加压夹紧装置，施加压力0.5MPa。
(2)预钻孔：用手电钻钻头对正上加压槽钢的孔中心，在胶合木梁上准备预钻孔。因梁高7层，梁厚较大，故分两次钻孔。第一次从胶合梁的上表面钻孔，孔深90mm，孔在沿着胶合木梁长度方向上中心间距为100mm，孔中心距胶合木梁宽度方向上的左、右侧边分别为30mm和50mm(梁宽80mm)，共钻18个孔；第二次钻孔前将木梁卸压后翻转过来，底面朝上，即在木梁的下表面钻孔，孔深仍为90mm，孔在沿着胶合木梁长度方向上中心间距为100mm，孔中心距胶合木梁宽度方向上的左、右侧边分别为50mm和30mm，共钻17个孔。钻头转速2000转/分钟，预钻孔的直径10mm，比实际最终孔的直径小2mm；
(3)旋转摩擦焊接：预钻孔后，卸下钻头，再装夹直径为10mm，长度为110mm的圆木榫，在预钻孔内旋转焊接圆木榫，旋转摩擦焊接转速2000转/分钟，当圆木榫旋转达到预定的深度时，按下手电钻上的急停按钮，圆木榫立即停止旋转，停顿3秒钟之后木榫旋转摩擦焊接完成。
(4)卸压：卸掉油压，取下木梁上的加压槽钢，取出木梁，锯截圆木榫多余长度。
(5)胶合养生：将胶合木梁放置在室温中7天，利用焊接圆木榫对木梁各层板的抗拔力和锚固力继续给木梁加压，胶合、养生。
参照GB/T 17657-2013《木结构试验方法标准》，对胶合木梁胶合质量和抗弯弹性模量进行测试。试验结果表明，采用本发明技术压制的胶合木梁的剪切强度、木破率和抗弯弹性模量都高于普通胶合的胶合木梁，如表3。
表3 试验结果
| 胶合木梁胶合方式 | 剪切强度(MPa) | 木破率(％) | 抗弯弹性模量(MPa) |
| 普通胶合 | 5.1 | 100 | 6840 |
| 普通胶合+旋转摩擦焊接 | 6.47 | 100 | 8695 |
另一方面，本实施例中共计钻孔35个，总钻孔时间为105秒，整个加压操作时间30分钟。而普通采用苯酚改性间苯二酚胶胶合的该胶合木梁的加压时间通常为2-3小时。
综述所述，本发明技术不仅能明显降低胶合木梁加压时间，还能提高胶合木梁的力学性能，尤其是剪切强度和抗弯弹性模量。
Claims (4)
1.一种胶合木的生产方法，其步骤为：
(1)按照常规胶合木制造工艺对木质层板或木条进行干燥、截断、去除缺陷、四面刨光、涂胶和组坯；
(2)加压：将涂胶、组坯好的层板或木条放入加压夹紧装置进行加压得到胶合木半成品；
(3)预钻孔：对正上打孔槽钢的孔中心，在胶合木半成品预钻孔，预钻孔的直径比实际最终孔的直径小1-2mm，所述孔在沿着胶合木半成品长度方向上中心间距为100-400mm，孔在沿着胶合木半成品宽度方向上的中心间距为20-40mm；
(4)旋转摩擦焊接：预钻孔后，卸下钻头，再装夹圆木榫，在预钻孔内旋转摩擦焊接圆木榫，钻头转速2000-3000转/分钟，当圆木榫旋转完全贯穿整个胶合木半成品厚度时，圆木榫立即停止旋转，停顿2-3秒钟之后，木榫旋转摩擦焊接完成；
(5)卸压：卸掉油压，取下加压夹紧装置上胶合木半成品上的加压槽钢，取出胶合木半成品，锯截圆木榫多余长度；
(6)将步骤(5)制备得到的胶合木放置在室温中5-10天，利用焊接圆木榫对木梁各层板的抗拔力和锚固力继续给胶合木加压，胶合和养生。
2.根据权利要求1所述的胶合木的生产方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述加压夹紧装置施加压力为0.5-1.5MPa。
3.根据权利要求1所述的胶合木的生产方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述预钻孔的直径比圆木榫的直径小1-2mm，孔深贯穿胶合木半成品厚度方向。
4.根据权利要求1所述的胶合木的生产方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述圆木榫为直径为10-16mm，长于胶合木半成品厚度20-50mm的圆木榫。
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