一种木榫旋转摩擦焊接抗拔承载力预测方法

摘要

本发明公开一种木榫旋转摩擦焊接抗拔承载力预测方法，所述高速旋转诱导木榫摩擦焊接抗拔承载力为，其具体表示为公式，本发明为现代木结构建筑与实木家具制造领域中木结构构件连接采用木榫旋转焊接技术提供了精确地计算方法，很好的解决了长久以来该项技术缺乏多因子预测焊接节点抗拔强度计算的理论依据这个重要问题，更便于将该项创新技术更加广泛的应用于木结构产品的加工制作中。

说明书

技术领域

本发明涉及现代木结构建筑与实木家具制造领域，具体涉及木结构木榫旋转摩擦焊接抗拔承载力确定方法。

背景技术

木材焊接技术是一种新型的木材连接技术，即通过专业的焊接设备将高速旋转的木榫快速插入有预留孔的木质基材中，通过木榫与木质基材预留孔壁之间的高速旋转摩擦升温，使得木榫与木质基材中的半纤维素和木质素分解，产生有胶粘作用的熔融物质，从而将木榫和木质基材连接到一起。当前，现代木结构建筑领域木构件的连接方式主要采用钉连接和螺栓连接，而实木家具领域多将榫卯结构和胶粘剂等作为连接方式。木榫摩擦焊接技术相比于这些连接方式具有特殊的性能，其中包括:(1)新技术使得木结构连接部位能够保留木材天然色泽，避免了金属连接件和胶合粘结对原有木结构产品表面的破坏； (2)焊接方式吸收了木结构自攻螺钉的安装方式，通过同样的安装设备能够在2s至10s完成一个产品的焊接，相比于榫卯结构连接具有更便于节点的加工和安装；(3)焊接节点的力学性能高于木质基材，焊接接头强度与PVAc粘合剂强度相当，能够有效替代粘合剂的连接方式；(4)新技术能够实现全生命周期的绿色环保可回收利用，焊接过程不产生任何对环境有害物质，采用木榫焊接便于再次回收利用。因此，综上所述，木榫旋转摩擦焊接技术能够有效减少在现代木结构建筑与实木家具制造领域对金属和石化产品的过度使用，大幅度提高生产率并降低生产成本，成为金属连接件、榫卯结构以及粘结剂等连接方式的有效替代方案。

木材主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，木质素在高温条件下能够发生软化，产生类似热塑性胶粘剂的作用。木材焊接技术是利用两个界面之间的摩擦产生热量，引起木质素等具有热塑性性质的物质发生软化、熔融，在界面层对纤维进行包覆之后，再冷却固化形成具有一定强度的焊接节点。应用木榫摩擦焊接技术作为木结构构件的连接方式，主要包含两种形式：(1)木榫直接贯穿两块木质基材；(2) 木榫贯穿一块木质基材并且在另一块木质基材中仅达到一定深度而不贯穿。作为新型的木材连接技术，摩擦焊接节点的抗拔性能一直作为研究多因素对连接节点强度影响的重要衡量指标，自1997年木材的旋转焊接和振动焊接技术被提出以来，经过20多年不断探索与研究，影响木榫旋转摩擦焊接抗拔性能因素主要包括焊接温度、焊接界面的预处理方式、木榫的旋转速率、插入速率、木榫采用的树种种类、木榫直径、焊接深度、钻孔方向、木质基材与木榫的平衡含水率之差以及木榫与木质基材预留孔的直径之差等。尽管多年来国内外学者围绕着木榫旋转摩擦焊接技术已经展开了大量的试验与理论研究，但是已发表的研究成果多数只是研究出单一影响因子对焊接接头强度的作用机理，而对于多因子综合作用机理以及焊接接头的强度确定方法依然是亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种木榫旋转摩擦焊接抗拔承载力预测方法，为现代木结构建筑与实木家具制造领域中木结构构件连接采用木榫旋转焊接技术提供了精确地计算方法，很好的解决了长久以来该项技术缺乏多因子预测焊接节点抗拔强度计算的理论依据这个重要问题，更便于将该项创新技术更加广泛的应用于木结构产品的加工制作中。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种木榫旋转摩擦焊接抗拔承载力预测方法，依据多元线性回归方法，则所述高速旋转诱导木榫摩擦焊接抗拔承载力为F

F

其中：

F

d–木质基材预钻孔直径，mm；

L

ρ–木质基材所采用的树种气干密度，kg/m

A、B、C、D–待定系数。

上述木榫旋转摩擦焊接抗拔承载力预测方法，根据权利要求1所述的木榫旋转摩擦焊接抗拔承载力预测方法，其特征在于：所述A、 B、C、D待定系数的确定，通过对公式(1)两边分别去对数，将公式(1)的幂函数形式转化为包含A、B、C、D四个待定系数的线性等式即公式(2)。

上述木榫旋转摩擦焊接抗拔承载力预测方法，依据表1所收集的试验数据进行线性拟合，能够分别确定A、B、C、D四个待定系数的具体数值，即A＝9.827×10

上述木榫旋转摩擦焊接抗拔承载力预测方法，其特征在于：所述木质基材预钻孔直径d为7.67mm～9.5mm，有效焊接深度L

采用上述技术方案，本发明有以下优点：

本发明无论是在焊接垂直木纹方向还是顺纹方向都能够很好的预测焊接节点的抗拔承载力的大小。本发明能够为现代木结构建筑与实木家具制造领域中木结构构件连接采用木榫旋转焊接技术提供了精确地计算方法，很好的解决了长久以来该项技术缺乏多因子预测焊接节点抗拔强度计算的理论依据这个重要问题，更便于将该项创新技术更加广泛的应用于木结构产品的加工制作中。

附图说明

图1为本发明木榫与木质基材焊接过程示意图。

图2为本发明木榫与木质基材焊接后抗拔试验的受力示意图。

图3是图2中木榫与焊接层结合的A-A剖面图。

其中，1为木榫，2为预钻孔，D为木质基材，3为焊接层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及试验更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明图1为木榫即木榫高速旋转快速插入木质基材的预钻孔，通过木榫与木质基材预留孔壁之间的高速旋转摩擦升温，使得木榫与木质基材中的半纤维素和木质素分解，产生有胶粘作用的熔融物质，经过冷却后形成图2的焊接层，从而将木榫和木质基材连接到一起。

一种木榫旋转摩擦焊接抗拔承载力预测方法是基于以下4个基本假设：(1)焊接设备的转速、外加压力和按压时间都已经到达最优化程度；(2)构成焊接层的物质为均匀的和稳定的硬质化合物；(3) 只考虑平行与垂直于木纹的两个焊接方向，而忽略其他焊接方向对节点性能影响；(4)忽略木质基座的尺寸效应对焊接节点的性能影响。

一种木榫旋转摩擦焊接抗拔承载力预测方法，将木质基材预钻孔直径d，有效焊接深度L

F

其中：

F

d–木质基材预钻孔直径d，mm；

L

ρ–木质基材所采用的树种气干密度，kg/m

A、B、C、D–待定系数。

依据国内外的研究成果，在建立承载力计算公式时需要忽略其他因子对焊接节点抗拔承载力的影响，针对上述预测公式的形式需要定义以下4个假设：(1)在整个焊接过程中焊接参数(包括焊接设备的转速、外加压力和按压时间)都已经到达最优化程度；(2)构成焊接层的物质为均匀的和稳定的硬质化合物；(3)只考虑平行与垂直于木纹的两个焊接方向，而忽略其他焊接方向对节点性能影响；(4) 忽略木质基座的尺寸效应对焊接节点的性能影响。

在木榫旋转摩擦焊接抗拔承载力预测方法中，四个待定系统A、 B、C、D的确定方法如下，本申请发明人基于国内外已发表的学术研究成果，汇总了659项试验研究结果，依据不同的影响因素将其划分为20组代表性数据结果(表1)，其中焊接方向垂直于木质基材木纹方向17组，平行与木质基材木纹方向3组，研究数据包含了木质基材预钻孔直径d为7.67mm～9.5mm，有效焊接深度L

首先，通过对公式(1)等号两端进行对数化处理，则基于多参数的线性表达式可以表示为公式(2)；

其次，通过SPSS和Excel对收集的焊接方向与木质基材木纹角度为90°的17组数据带入到公式(2)，完成线性回归分析计算，确定 A、B、C、D四个待定系数的大小；

其中：

A＝9.827×10

决定系数R

上述木榫旋转摩擦焊接抗拔承载力预测方法，对公式(2)等式两边分别取幂函数并对公式(2)进行整理，得到拟合木质基材预钻孔直径d、有效焊接深度L

为了进一步验证公式(3)对预测结果的有效性，将收集的焊接方向与木质基材木纹角度为90°的8组数据带入到公式3中，得到垂直于木纹方向焊接节点抗拔承载力预测值与试验值的误差(表2)，最小偏差值为0.615％，最大为14.442％，平均误差为5.557％，预测结果良好。同时将另外3组焊接方向平行于木质基材木纹方向的数据结果作为测试目标，其预测值与试验值之间的误差(表3)，最小偏差为 0.28％，最大为14.36％，平均误差为5.53％，预测结果良好。从对公式(3)的验证结果可知，基于表1所收集的代表性试验数据结果与线性回归分析方法所建立的数学模型，无论是在焊接垂直木纹方向还是顺纹方向都能够很好的预测焊接节点的抗拔承载力的大小。新的计算公式能够为现代木结构建筑与实木家具制造领域中木结构构件连接采用木榫旋转焊接技术提供了精确地计算方法，很好的解决了长久以来该项技术缺乏多因子预测焊接节点抗拔强度计算的理论依据这个重要问题，更便于将该项创新技术更加广泛的应用于木结构产品的加工制作中。

表1基于不同参考文献收集的试验数据

A-1组取自(Xudong Zhu 2017)and A-2/3组取自(Jirong Zhang 2017)

B组取自(Zupcic et al.2014)

C组取自(Belleville et al.2013)

D组取自(C.Ganne-Chedeville and Mansouri 2012)

表2焊接垂直于木质基材木纹方向试验值与计算值对比结果

表3焊接平行于木质基材木纹方向试验值与计算值对比结果

本发明参考文献如下：

[1]Belleville B,Stevanovic T,Pizzi A,Cloutier A,Blanchet P.两种北美硬木的木榫的最佳焊接参数的确定方法.焊接科学与技术,2013,27:566-576.

[2]C.Ganne-Chedeville AP,A.Thomas,J.M.Leban,J.-F.Bocquet,A.,MansouriDH.两段式焊接中的参数相互作用和木榫焊接中的木钉概念.焊接科学与技术.2012；19:1157-74.

[3]Jirong Zhang YG,Lin Xu,Xiangya Luo,Xudong Zhu.木榫旋转焊接落叶松的性能与机理.西北林业大学学报.2017；32:229-34.

[4]Xudong Zhu SY,Ying Gao,Jirong Zhang,Chun Ni,Xiangya Luo.焊接深度和CuCl2预处理销对木榫焊接的影响.木材科学.2017；63:445-54.

[5]Zupcic I,Vlaovic Z,Domljan D,Grbac I.各种木材和截面对木榫焊接接头强度的影响.木材工业.2014；65:121-7.

本发明的技术方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。