CN105735559A - 一种集成材木梁及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成材木梁及其制备方法，属于现代木结构建筑材料领域。其由层叠的集成材木梁单元(8)组成，所述集成材木梁单元包括木条或层板，所述相邻木条或层板之间通过摩擦焊接带(7)实现纵向接长，所述摩擦焊接带位于相邻木条或层板端部之间。本发明通过振动往复摩擦焊接解决了集成材木梁单元接长耗费时间长、工序复杂、加工效率较低的问题，且胶合强度完全满足要求；使得集成材木梁不再需要铣齿、涂胶、加压和指接胶合，提高集成材生产效率同时也实现了零污染、绿色环保。
Description
技术领域
本发明涉及现代木结构建筑材料，具体涉及一种集成材木梁及其制备方法。
背景技术
集成材，是将短而窄的数层或几十层厚度为10-50mm的木板材或小方材按照纤维平行方向，在长度、宽度和厚度方向用胶粘剂胶合而成的木质材料，是目前国内外市场上较流行的一种木质产品，它与木质工字梁、单板层积材同为三种主要的工程成材产品，广泛用于建筑、家具和装修行业。随着国内外需求的逐年增加，近十几年来我国集成材生产发展迅速，产量不断增加，质量不断提高，得到了广泛应用。
通常制造集成材的原材料以间伐材、小径材和木材加工剩余物等为主。集成材在长度方向上需要纵向接长以满足使用要求。集成材的单元接长技术是集成材制造工艺的关键技术，利用单元接长技术可以将锯材中的节子、腐朽等缺陷去掉，可以实现短材长用、劣材优用，提高木材利用率，并且将层板拼接成集成材设计的长度。
目前木材纵向接长的方式主要有对接、斜接、指接。对接生产工艺简单，但产品强度性能较差，胶合效率低，不适合于结构用材。斜接是把端而加工成斜面的胶合方法，斜面越长，胶合强度越大，但需要加压涂胶。指接的强度性能接近斜接的强度性能，但工艺技术要求比较高，工艺复杂。这三种方法全部需要涂胶加压才能胶合，且胶合时间长达数小时或数十小时。这降低了集成材的制造效率，延长了集成材的生产周期。
焊接技术在以金属和塑料为主的热塑性材料领域中已取得了很大的发展，这些材料经焊接后，可有效改善产品尺寸、形状和性能。木材是一种高分子材料，主要由纤维素、半纤维素和木质素等组成。木材焊接技术是指木基材料在一定外力作用和无胶粘剂的前提下，通过摩擦生热使得木质素和半纤维素等聚合物熔融打结后形成稳定的缠结网络，冷却后实现有效焊接的一项技术。如[周晓剑，Antonio，Pizzi，杜官本，木材焊接技术(无胶胶合)的研究进展，《中国胶粘剂》,2014(6):47-53，以及张海洋，展平毛竹线性振动摩擦焊接胶合技术的研究，《南京林业大学》,2014]。国外木材振动摩擦焊技术研究比较多，但其主要针对不同树种、不同木质材料，以及木材的径切面和弦切面等的焊接工艺参数进行研究，较少涉及木材的纵向端面焊接研究，仅有的端面焊接成功案例都采用高密度的木材树种，对于低密度的木材端部焊接成功的情况非常少。国内张海洋研究了毛竹的竹青面、竹黄面和端面的线性振动摩擦焊接工艺，因竹材自身结构(含有维管束)和密度较大，可获得了较高的竹材表面和端面焊接强度。目前国内还未见将振动摩擦焊接技术应用于低密度木材的端面焊接，更没有将这一技术应用于集成材的纵向接长工艺。据现有的研究报导，最佳线性焊接振动频率为100～150赫兹时能取得有效的焊接强度。本发明的线性焊接振动频率较低，只需15～25赫兹即可实现有效焊接，且能达到令人满意的焊接强度。
现代木结构建筑材料领域，尤其是木梁制造尤为重要，力学性能往往决定了木梁的承重等一系列技术参数；中国专利申请号：200910073226.3，发明名称：不饱和聚酯粘接玻纤增强木梁及其实施方法，公布了玻璃纤维增强木梁主要由胶合木梁和玻璃纤维布组成,通过在木梁底部局部利用不饱和聚酯树脂粘贴玻璃纤维布对其进行增强。尽管本发明通过局部增强的方式解决既有结构因连接部位阻碍而难以增强和木材材质缺陷引起的木质复合材料性能较差的问题，同时利用不饱和聚酯树脂粘接玻璃纤维增强省去了胶黏剂的成本并可以粘接较多层数的玻璃纤维布以达到较高的增强强度；但其指接等过程仍然使用乳白胶等材料，胶合时间长。
中国专利申请号：201410818162.6，发明名称：一种内藏式预应力木梁，公开了一种内藏式预应力木梁，包括木梁、预应力筋、转向装置和锚固装置；本发明通过引入预应力部件，实现力学性能的提高，但是其结构较为复杂，制造工艺程序较多。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对现有技术生产集成材木梁指接加工复杂，胶合时间长，生产成本高等问题，本发明提供一种集成材木梁及其制备方法，解决了现有集成材木梁接长工序复杂，胶合时间长，纵向端面焊接，制造效率低的关键技术问题。
2.技术方案
发明原理：将两块集成材木梁单元端部对齐后，在一定的压力、振幅和频率等作用下实现高速往复摩擦运动，数十秒钟之内，摩擦产生的热量熔融了木材内部的部分聚合物(以木质素和半纤维素为主)，当摩擦运动停止后，熔融的聚合物迅速冷却固化形成胶质层，产生焊接带，从而实现集成材木梁单元的线性接长。这一方法可大大缩短集成材木梁单元接长加工和胶合固化时间，提高集成材制造效率。
一种集成材木梁，由层叠的集成材木梁单元组成，所述集成材木梁单元包括木条或层板，所述相邻木条或层板之间通过摩擦焊接带实现纵向接长，所述摩擦焊接带位于相邻木条或层板端部之间。
一种集成材木梁的生产方法，其步骤为：
(1)按照常规集成材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；
(2)层板或木条端部切削：将层板或木条两个端部切削成适合摩擦焊接的焊接面；如90度端面、75度斜面或单肩搭口造型；
(3)往复振动焊接接长：将两块层板或木条的端部相互对齐放入振动焊接机夹头内夹紧，其中一块层板或木条固定不动，另一块层板或木条做往复振动，振动机频率为18～22赫兹，振动幅度为2～4mm，两块层板或木条焊接面施加的压力为0.8～1.2兆帕，使两块层板或木条的端部接触紧密并高速往复运动，使得两块层板或木条的端部迅速摩擦升温，30～50秒钟之后，停止摩擦，后得到接长后的集成材木梁单元；
(4)后续工序按照常规集成材制造工艺进行，配板、涂胶、加压胶合、养生、后期处理。
3.有益效果
(1)通过振动往复摩擦焊接技术，解决了集成材木梁单元接长耗费时间长、工序复杂、加工效率较低的问题，且胶合强度完全满足要求；
(2)由于集成材层板单元采用振动往复摩擦焊接技术，使得集成材的单元能在数秒钟之内完成接长，使得集成材不再需要铣齿、涂胶、加压和指接胶合，提高集成材生产效率；
(3)木材高速振动往复摩擦焊接技术实现的集成材单元接长，加工速度快，生产效率较高，是一种可持续、零污染、绿色环保、低成本的集成材单元接长技术。
附图说明
图1(a)为实施例1集成材木梁单元相邻层板端部90度端面焊接示意图；
图1(b)为实施例2集成材木梁单元相邻层板端部75度斜面焊接示意图；
图1(c)为实施例3集成材木梁单元相邻层板单肩搭口焊接示意图；图中：1-集成材木梁单元、2-摩擦焊接带。
图2为实施例1中90度端面线性振动往复摩擦焊接原理简图，图中：1固定层板、2往复振动层板、3加压方向、4振动方向、5焊接面。
图3为实施例2中75度斜面线性振动往复摩擦焊接原理简图，图中：1固定层板、2往复振动层板、3加压方向、4振动方向、5焊接面。
图4为实施例3中单肩搭口端面线性振动往复摩擦焊接原理简图，图中：1固定层板、2往复振动层板、3加压方向、4振动方向、5焊接面。
图5是集成材木梁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层的集成材木梁：
在按照常规集成材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)端部切削：组成集成材木梁单元的层板端部在前面的截断工序已经切削成了90度的端面形状作为焊接面，如图1(a)所示。
(2)高速往复振动摩擦焊接接长：将两块层板的端部相互对齐放入振动焊接机夹头内夹紧，其中一块层板固定不动为固定层板1，另一块层板做往复振动为往复振动层板2，设置振动机频率为18赫兹，加压压力为1.2兆帕，如图2所示加压方向3进行加压，振动幅度为4mm，如图2所示振动方向4进行振动，使两块层板的端部的焊接面5接触紧密，并实现高速往复运动，如图2所示，使得两块层板的端部迅速摩擦升温，50秒钟之后，停止摩擦，得到接长后的集成材木梁单元。
(3)涂胶：将集成材木梁单元双面涂胶，胶种为酚醛改性间苯二酚胶，涂胶量单面为200g/cm2。
(4)组坯：将集成材木梁单元按照常规集成材制造方法进行组坯。
(5)加压胶合：将组好的涂胶集成材木梁在放入冷压机进行冷压胶合。室温为25～30℃，加压单位压力为1.0MPa，加压胶合时间为12小时。
(6)养生、后期处理：将集成材木梁放置在室温中7天后，再进行后期处理，以备力学测试。
制备得到的集成材木梁，由层叠的集成材木梁单元8组成，集成材木梁单元包括木条或层板相邻层板之间通过摩擦焊接带7实现纵向接长，所述摩擦焊接带7位于相邻层板端部之间；摩擦焊接带7为90度端面造型。将上述胶合木梁成品，作为现代木结构中胶合木梁应用，参照GB/T17657-2013《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达到国家标准，如表1。
表1试验结果
另一方面，本实施例集成材木梁单元焊接接长只需50秒。而采用涂白乳胶指接胶合的集成材的层板通常需要24小时后才能固化进入下一道工序。
实施例2：
制备厚度为160mm，层数8层的集成材木梁：
在按照常规集成材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)端部斜切：将集成材层板单元的端部斜切成75度，即角A为75度，如图1(b)所示。
(2)高速往复振动摩擦焊接接长：将两块层板的端部相互对齐放入振动焊接机夹头内夹紧，其中一块层板固定不动为固定层板1，另一块层板做往复振动为往复振动层板2，设置振动机频率为22赫兹，加压压力为1.0兆帕，如图3所示加压方向3进行加压，振动幅度为2mm，如图2所示振动方向4进行振动，使两块层板的端部的焊接面5接触紧密，并实现高速往复运动，如图3所示，使得两块层板的端部迅速摩擦升温，30秒钟之后，停止摩擦，得到接长后的集成材木梁单元。
(3)涂胶：将集成材木梁单元双面涂胶，胶种为酚醛改性间苯二酚胶，涂胶量单面为200g/cm2。
(4)组坯：将集成材木梁单元按照常规集成材制造方法进行组坯。
(5)加压胶合：将组好的集成材木梁在放入冷压机进行冷压胶合。室温为25～30℃。加压单位压力为1.0MPa，加压胶合时间为12小时。
(6)养生、后期处理：将集成材木梁放置在室温中7天后，再进行后期处理，以备力学测试。
制得的集成材木梁，由层叠的集成材木梁单元8组成，集成材木梁单元包括层板，相邻层板之间通过摩擦焊接带7实现纵向接长，所述摩擦焊接带7位于相邻层板端部之间；所述摩擦焊接带7为75度斜面造型。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/T17657-2013《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达到国家标准，如表2。
表2试验结果
另一方面，本实施例木质层板单元焊接接长只需30秒。而采用涂白乳胶指接胶合的集成材通常需要24小时后才能固化进入下一道工序。
实施例3：
制备厚度为120mm，层数6层的集成材木梁：
在按照常规集成材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)端部斜切：将集成材层板单元的端部切削成单肩搭口形状，如图1(c)所示；
(2)高速往复振动摩擦焊接接长：将两块层板的端部相互对齐放入振动焊接机夹头内夹紧，其中一块层板固定不动，另一块层板做往复振动，设置振动机频率为20赫兹，加压压力为0.8兆帕，振动幅度为3mm，使两块层板的端部接触紧密，并实现高速往复运动，如图4所示，使得两块层板的端部迅速摩擦升温，40秒钟之后，停止摩擦，得到接长后的集成材木梁单元。
(3)涂胶：将集成材木梁单元双面涂胶，胶种为酚醛改性间苯二酚胶，涂胶量单面为200g/cm2。
(4)组坯：将集成材木梁单元按照常规集成材制造方法进行组坯。
(5)加压胶合：将组好的集成材木梁在放入冷压机进行冷压胶合。室温为25～30℃。加压单位压力为1.0MPa，加压胶合时间为12小时。
(6)养生、后期处理：将集成材木梁单元放置在室温中7天后，再进行后期处理，以备力学测试。
制备得到的集成材木梁，由层叠的集成材木梁单元8组成，集成材木梁单元包括层板，所述相邻层板之间通过摩擦焊接带7实现纵向接长，所述摩擦焊接带7位于相邻层板端部之间。所述摩擦焊接带7为单肩搭口造型。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/T17657-2013《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达到国家标准，如表2。
表2试验结果
另一方面，本实施例木质层板单元焊接接长只需40秒。而采用涂白乳胶指接胶合的集成材通常需要24小时后才能固化进入下一道工序。
实施例4
制备方法同实施例2，不同在于集成材层板单元包括木条(杉木)，制备得到的集成材木梁，由层叠的集成材木梁单元组成，所述集成材木梁单元包括木条，相邻木条之间通过摩擦焊接带实现纵向接长，所述摩擦焊接带位于相邻木条端部之间。所述摩擦焊接带为75度斜面造型。
综述所述，本发明能明显降低集成材层板单元胶合时间，还能提高集成材层板单元的接长效率，从而提高整个集成材的制造效率。
Claims (8)
1.一种集成材木梁，由层叠的集成材木梁单元(8)组成，其特征在于，所述集成材木梁单元(8)包括木条或层板，所述相邻木条或层板之间通过摩擦焊接带(7)实现纵向接长，所述摩擦焊接带位于相邻木条或层板端部之间。
2.根据权利要求1所述的集成材木梁，其特征在于，所述摩擦焊接带(7)为90度端面、75度斜面或单肩搭口造型。
3.一种集成材木梁的生产方法，其步骤为：
(1)按照常规集成材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；
(2)层板或木条端部切削：将层板或木条两个端部切削成适合摩擦焊接的焊接面；
(3)往复振动焊接接长：将两块层板或木条的端部相互对齐放入振动焊接机夹头内夹紧，其中一块层板或木条固定不动，另一块层板或木条做往复振动，振动机频率为18～22赫兹，振动幅度为2～4mm，两块层板或木条焊接面施加的压力为0.8～1.2兆帕，两块层板或木条的端部接触紧密并高速往复运动，使得两块层板或木条的端部迅速摩擦升温，30～50秒钟之后，停止摩擦，后得到接长后的集成材木梁单元；
(4)后续工序按照常规集成材制造工艺进行，涂胶、组坯、加压胶合、养生和后期处理。
4.根据权利要求3所述的集成材木梁的生产方法，其特征在于，所述摩擦焊接的焊接面为90度端面、75度斜面或单肩搭口造型。
5.根据权利要求3所述的集成材木梁的生产方法，其特征在于，所述振动机频率为20赫兹，加压压力为1.2兆帕，振动幅度为3mm。
6.根据权利要求3所述的集成材木梁的生产方法，其特征在于，所述涂胶为将集成材木梁单元双面涂胶，胶种为酚醛改性间苯二酚胶，涂胶量单面为200g/cm2。
7.根据权利要求3所述的集成材木梁的生产方法，其特征在于，所述加压胶合为将组好的涂胶集成材木梁在放入冷压机进行冷压胶合，室温为25～30℃。加压单位压力为1.0MPa，加压胶合时间为12小时。
8.根据权利要求3所述的集成材木梁的生产方法，其特征在于，所述养生为将集成材木梁放置在室温中7天。
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