落叶松为基材的木榫旋转焊接性能及机理研究

选取国产落叶松为木榫旋转焊接基材,对其抗拉拔性能及反应机理进行研究。通过对基材上不同预钻孔/木榫直径比抗拉拔试验,以及木榫直接敲入方式的抗拉拔的对比试验,研究了各因素对焊接性能的影响,并将其结果与欧洲云杉基材进行比较。通过FTIR对落叶松焊接基材情况下木榫及焊接界面进行了化学机理分析。结果表明,木榫旋转焊接落叶松基材的抗拉拔强度与弹性阶段刚度均明显高于欧洲云杉基材;不同预钻孔径对落叶松基材的抗拉拔强度影响不大,但对欧洲云杉影响较大;木榫旋转焊接能够极大提高木榫与基材连接节点的抗拉拔强度,其中落叶松基材提高了416%,而欧洲云杉仅提高了177%。FTIR表明木榫旋转焊接过程中纤维素、半纤维素、木质素发生热解与熔融,冷却后形成高强度的焊接界面。     

竹榫旋转焊接工艺参数及机理探究

[目的]木榫旋转焊接是木结构、家具中的一种新型绿色连接技术,国内外对于竹榫旋转焊接研究较少,其最佳焊接工艺参数未知,竹榫、木榫旋转焊接之间的差异也有待研究.[方法]使用毛竹榫旋转焊接云杉基材,通过测试焊接形成的连接节点的抗拉拔性能,探究竹榫旋转焊接较优的工艺参数.选取基材预钻孔与竹榫直径比值(孔径比)、竹榫转速、竹榫含...     

CuCl_2处理对木榫焊接性能的影响

选取国产落叶松作为木榫旋转焊接基材,采用CuCl_2浸渍桦木木榫,分析浸渍处理对焊接性能。结果表明,1)CuCl_2处理组试件和未处理组试件平均抗拉拔力分别为4 988N和4 027N,说明浸渍木榫能够有效提高焊接试件抗拉拔力;2)对木质素等熔融物质在焊接界面的分布情况进行观测分析,发现在CuCl_2处理试件界面分布较均匀,而在未处理试件界面有熔融物质缺失和富积区域;3)采用FTIR对未处理木榫与界面、CuCl_2处理木榫与界面的对比分析,发现木质素、半纤维素等在焊接过程中均发生了热解,CuCl_2处理试件的木质素芳香环发生了少量热解,而未处理试件木质素侧链发生热解后,芳香环相对比较稳定并通过-CH_2-发生了单元间缩合;4)CuCl_2处理和焊接过程均能提升相对结晶度,未处理木榫相对结晶度为19.2%,CuCl_2处理木榫、未处理界面和CuCl_2处理界面的相对结晶度分别高于未处理木榫12.5%、75%和51%。     

焊接时间和氯化铜处理对木榫焊接性能的影响机制

选取国产落叶松作为木榫旋转焊接基材,采用氯化铜浸渍桦木木榫,分析焊接时间和氯化铜处理对焊接性能的影响机制。结果表明:1)未处理试验组焊接时间3s的试件抗拉拔力平均值分别高于5s和7s试件28.33%、87.12%;氯化铜浸渍处理试验组焊接时间3s的试件抗拉拔力平均值分别高于5s和7s试件61.06%、130.49%;同样的焊接时间条件下,氯化铜浸渍处理试验组焊接时间3s比未处理试验组高68.28%,焊接时间5s高34.08%,焊接时间7s高36.62%。2)未处理试验组不同焊接时间界面最高温度和深度之间均符合线性关系,氯化铜浸渍处理试验组焊接界面最高温度低于未处理焊接界面。3)采用FTIR对未处理木榫与界面、氯化铜浸渍处理木榫与界面的对比分析,发现桦木圆棒榫在经过氯化铜浸渍处理后可能发生了半纤维素和纤维素的酸水解,半纤维素、无定型物质等在焊接过程中均发生了热解,同时有大量物质氧化形成C-O和C=O,随着焊接时间的延长,木材组分的热解程度增加。木榫旋转焊接的机理是焊接过程中半纤维素和无定型物质热解熔融并包覆纤维形成焊接界面层。氯化铜浸渍处理的增强机制为氯化铜浸渍处理可能引起半纤维素和纤维素的酸水解,促进焊接过程中木材组分的解聚、热解形成熔融物质。     

毛竹销（钉）的高速旋转摩擦焊接性能研究

选取毛竹销钉替代木榫在1 500 r/min的情况下与榉木基材进行旋转摩擦焊接，对其抗拉强度和焊接机理进行研究。重点研究不同形状的预钻孔和不同榫径与孔径比值下的竹销钉焊接抗拉拔强度，并将其与木榫焊接和PVAc胶接的抗拉强度进行对比。结果表明:1）当采用恒定直径孔10/9、10/8、10/7、10/6 4种榫径/孔径比的焊接强度均高于PVAc胶接强度，但低于木荷榫和榉木榫的焊接强度，其中10/8的榫径/孔径比的焊接强度相对最高，达到了5.54 MPa；2）当采用渐变直径孔，竹销钉的焊接强度得到明显提高。其中10/8-6的榫径/渐变孔径比值取得了最高的焊接强度，达到6.42 MPa，比10/8比值的强度提高了15.6%，超过了木荷榫的焊接强度，但不及榉木榫的焊接强度；通过对竹销钉的焊接界面温度进行监测，发现焊接界面能在2 s内达到300℃以上的峰值高温，且维持了一定的高温时间（通常约2～3 s），随后随着竹销停止旋转摩擦，温度逐步下降；不同的榫径与孔径比值下，焊接界面的升温速率、峰值温度和高温持续的时间不同，它们是产生强度差异的主要原因；SEM观察结果显示，竹销旋转摩擦焊接界面由竹销或基材中的胞间层物质软化、熔化和流动并与作为增强材料的竹纤维包裹，形成了犹如“钢筋水泥土”结构般的致密、连续和坚固的焊接界面；FTIR分析结果表明，摩擦产生的高温会导致竹销中半纤维素发生一定程度的降解，纤维素的降级十分有限，木质素发生一定程度的缩合反应，木质素的含量相对提高。试验结果表明，将竹销钉代替木榫用于木材的旋转摩擦焊接是可行的。     

盐分对CFRP加固胶合木顺纹抗剪强度的影响

结果表明:横纹粘贴CFRP加固胶合木的抗剪强度较顺纹粘贴方式高;3种浓度的盐溶液处理横纹粘贴CFRP加固试件均降低了试件的抗剪强度;4%溶液处理的试件顺纹抗剪强度最大;相同浓度的盐环境处理条件下,随着周期的延长,试件的抗剪强度趋于稳定.     

一种速生材榫接合节点增强方法

提出了一种基于硬木镶嵌的速生材榫接合节点增强方法。以速生杨木椭圆榫接合的T型构件为例,在杨木横向构件榫孔处嵌入材质较硬的榉木,并通过榉木椭圆插入榫将其与杨木竖向构件接合。首先,通过创新的测量方式对榉木在杨木横向构件中镶嵌的最佳配合参量进行了研究;然后,对榉木椭圆插入榫与杨木竖向构件接合的最佳配合参量进行了研究;最后,保持榫接合构件尺寸不变,采用最佳配合参量进行组装,探讨了榉木以不同纹理方向镶嵌时对椭圆榫接合节点抗拔力的影响,并将其与未经镶嵌的杨木整体式椭圆榫接合T型构件以及榉木整体式椭圆榫接合T型构件进行了对比分析。实验得出:榉木整体式椭圆榫接合(Ⅳ型节点)抗拔力为5 027 n,榉木顺纹镶嵌椭圆插入榫接合(Ⅲ型节点)抗拔力为4 242 n,榉木横纹镶嵌椭圆插入榫接合(Ⅱ型节点)抗拔力为3 775 n,杨木整体式椭圆榫接合(Ⅰ型节点)抗拔力为3 123 n,也就是抗拔力Ⅳ型节点>Ⅲ型节点>Ⅱ型节点>Ⅰ型节点。由实验结果可以得出如下结论:Ⅲ型节点的抗拔力比Ⅱ型节点提高了约12.4%,说明榉木镶嵌的纹理方向对节点强度有明显影响,且顺纹进行镶嵌效果更佳;Ⅲ型节点的抗拔力比Ⅰ型节点提高了约35.8%(约为1 119 n),说明在速生材榫接合构件中以顺纹方向嵌入硬质木材可以大幅增加节点抗拔力,进而为速生材直接应用于实木榫接合家具中提供了新方法。      

中密度纤维板和红松磨削过程材料去除机理的研究

目的磨削作为一项木质材料精加工技术，研究木质材料磨削过程中的材料去除行为对提高磨削效率和加工表面质量具有重要意义。方法本研究设计了木质材料单磨粒磨削实验平台，采用横向划擦法，利用扫描电镜和3D轮廓仪考察了单磨粒在中密度纤维板(MDF)和红松(Pinus koraiensis)表面形成的划擦痕迹形貌，并测定了相关特征参数，分析了最大磨削深度、沟壑面积对隆起比的影响，并根据磨粒与试件接触过程中磨削力、综合摩擦系数的变化情况，研究磨粒引起的材料变形。定义λ为划擦方向与木材纹理方向之间的夹角。结果与金属磨削过程不同，中密度纤维板和红松划擦时形成的隆起区域很小。红松横纹划擦时(λ = 90°)，被磨粒切刃横向割断的木材在试件表面形成断茬，局部接触区域发生压溃式切削。红松顺纹划擦时(λ = 0°)，隆起比集中在0~0.05，而中密度纤维板的隆起比呈现高度离散。在对红松进行横纹划擦时，法向磨削力F_n和切向磨削力F_t均呈剧烈振荡，而在中密度纤维板和红松顺纹划擦过程中，F_n和F_t都近似符合正态分布，并且随着磨粒切入试件深度的不断增加，F_n和F_t均随之增大，最大值出现在最大切入深度处附近。就中密度纤维板而言，F_n大于F_t，而红松顺纹划擦时F_t略大于F_n。无论是中密度纤维板还是红松顺纹划擦时，磨粒切入试件形成沟壑后半段的综合摩擦系数略大于初期。结论红松磨削过程中，其内部的孔隙(如轴向管胞、解剖学上的植物内部腔洞等)分布和木材纹理方向对材料的变形流动、加工表面质量有着重要影响。中密度纤维板较红松而言，在磨削痕迹两侧产生较多的塑性隆起，隆起比随磨削深度、沟壑面积变化呈现高度离散。在磨粒切入试件过程中，磨粒所受的综合摩擦力是逐渐增大的。      

木材焊接理论研究及技术进展

介绍了木材焊接技术的研究进展,包括焊接原理、两种焊接形式分类、影响参数、焊接过程中的化学变化、焊接理论模型研究以及焊接技术的应用等。在焊接形式分类中分别介绍了平面的摩擦焊接和木榫旋转焊接过程及伴随的温度变化。在影响参数中综述了树种、纹理、焊接速度以及一些特殊处理方法对焊接性能的影响,其中树种和基材纹理方向对平面摩擦焊接性能的影响甚大,树种和木榫转速是影响木榫旋转焊接性能重要参数。在焊接过程化学组分的变化中,着重阐释了木素分解产生的游离酚以及糖类热解产物是粘结性能良好的主要原因,说明耐水性的由来和焊接产生的气体组分。对焊接理论模型的研究较少,尚未获得准确率较高的模型。最后,结合木材焊接技术的优、缺点及研究现状,提出其在现代木结构建筑中替代钉连接,以及古建加固和修复、名贵木材的无胶连接等方面的应用设想。     

胶合竹植筋深度及直径对抗拔性能的影响

采用胶合竹梁、双组份环氧树脂胶黏剂,不同直径和长度的公制螺纹杆,进行胶合竹顺纹双端植筋拉伸试件制备及测试,初步分析研究了植入深度和植筋杆直径2个因素对胶合植筋强度和破坏模式的影响。抗拉试验破坏模式主要为植筋杆的拔出破坏和螺纹杆的韧性断裂破坏2种模式,其中植筋杆的拔出破坏位于胶合竹/胶黏剂界面;胶合竹顺纹双端植筋的破坏载荷及名义剪切强度随螺纹杆直径和植入深度增加而增大;胶合竹基材较胶合木基材渗透性差,植筋杆受力不能很好地传递到竹材内部,是影响抗拔载荷主要因素之一。     

抚育间伐对人工林红松木材材质的影响

对间伐与未间伐人工林红松（Pinus koraisensis)木材材质进行系统测定、统计分析，结果表明：间伐对木材材质有很大的影响，间伐林的管胞长度、管胞直径、纤丝角、生长速率、生长轮宽度、顺纹抗压和抗拉强度、抗劈力和冲击韧性大于未间伐林；间伐林木材晚材率、生长轮密度、壁厚、壁腔比、抗弯强度和局部抗压强度小于未间伐林。其中管胞直径、生长轮宽度、壁厚、壁腔比、抗变强度、顺纹抗压和抗拉强度、横纹局部抗压强度的差异达到显著水平，表明间伐能显著地提高木材力学性能。采用综合坐标法，对间伐与未间伐人工林红松木材材质进行评定，其材质的综合性能和纸浆材性能未间伐林好于间伐林，建筑材料性能间伐林好于未间伐林。     

不同坡位人工林赤松物理力学性质的比较

对延吉市帽儿山坡下和坡中的人工林赤松(Pinus densiflora)的物理力学性质差异进行研究.结果表明:坡下人工林赤松的弦向、径向和体积干缩率比坡中小;抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗拉和抗压强度、横纹弦向和径向抗压强度,坡中材高于坡下材;气干密度、弦向和径向抗剪强度、弦向和径向抗劈力,均坡下材高于坡中材;坡下和坡中人工林赤松的气干密度、径向和体积干缩率、顺纹抗压强度、横纹弦向和径向抗压强度、弦向和径向抗剪强度差异达0.01显著水平,抗弯强度、抗弯弹性模量、弦向抗劈力差异达0.05显著水平,弦向干缩率、顺纹抗拉强度、径向抗劈力无显著差异.     

冷压成型工艺及取材部位对结构用重组竹力学性能的影响

为了对比“热压”和“冷压-热固化”两种工艺重组竹的材料强度等级,并探明“冷压-热固化”制备工艺对重组竹方材表、芯层材力学性能的影响,以及为丰富方材二次加工切割板材的应用场景和提高力学性能稳定性提供试验分析基础,设计并开展了两种工艺重组竹的力学性能试验。试验采用了抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、横纹全部抗压比例极限、横纹局部抗压比例极限等7个指标,420个试件。结果表明：热压成型重组竹除抗弯弹性模量和顺纹抗拉强度相对较低外,其他力学性能均明显优于冷压-热固化工艺制备的重组竹,且两种工艺制备成型的重组竹的强度等级均达到10E-90f;冷压成型-热固化重组竹表、芯层材试件的顺纹抗拉、抗压强度和横纹比例极限应力具有极显著性差异,下表层顺纹抗压强度和横纹抗压比例极限应力低于芯层和上表层,而其顺纹抗拉强度高于后两者;冷压成型-热固化工艺重组竹的横纹全部抗压比例极限应力在厚度方向上变异最大,变异系数为20.9%,顺纹抗拉强度变异系数为10.61%。冷压重组竹方材力学性能在厚度方向上较大的变异性由板坯胶黏剂分布不均、固化分层和受热不均导致。     

木材摩擦焊接技术的研究进展

木材摩擦焊接是一种具有发展前景的无胶胶合技术,为深化对木材焊接技术的认识,介绍了木材摩擦焊接技术的研究进展,探讨了焊接技术的发展方向。介绍了焊接原理、焊接效果、焊接影响因素及焊接性能改善的研究现状,讨论了摩擦焊接过程中温度与时间的函数模型,综述了焊接理论的有限元模型及焊接接头破坏机制的研究,结合木材焊接的特点及研究现状,提出了未来研究的设想。结果表明,除了木材种类、纹理方向、含水率及添加剂等共同影响因素外,对于不同的焊接方式,焊接效果的影响因素不尽相同,线性摩擦焊接的主要影响因素有施加压力、焊接频率和振幅、焊接时间、保压压力及保压时间等,旋转摩擦焊接的主要影响因素有木榫旋转速率、给进角度与速率、圆木榫直径与预留钻孔孔径的比值等。焊接界面的部分材料在水中会发生溶解,防水性能的缺陷限制了摩擦焊接技术在室外构件中的应用,焊接前的预处理能有效提高耐水性,部分添加剂的使用能起到改善焊接性能的作用。焊接传热模型有助于了解焊接过程发生的物理化学变化,有限元模型有助于从力学角度分析焊接构件的破坏机制。木材焊接技术可能向着结构构件工业化生产的方向发展,深入了解焊接构件的破坏机制、通过成熟工艺改善焊接效果、制造出便于工业化生产的焊接设备将会是未来研究的重点。     

激光测距方法测量结构材的顺纹抗拉弹性模量

该文以经过120 d、温度90℃条件下窑干干燥处理的56根日本柳杉人工林结构材(110 mm×55 mm×2 500 mm)作为测试试件,介绍了一种利用激光测距系统测量顺纹抗拉弹性模量的方法. 首先将试件含水率调至15%,在抗拉试验开始前采用纵向基频振动方法 (FFT) 得到试件的动态弹性模量(Efr),再利用由激光测距仪、数据采集器和计算机处理系统组成的激光测距系统,测定了顺纹抗拉弹性模量（Et）,最后破坏试件完成顺纹抗拉强度（σt）的测定. 对Efr、Et和σt相互关系的比较分析表明,Et的平均值比FFT方法得到的Efr的平均值小78% (0.63　GPa);Et与Efr具有很好的相关性,相关系数R为0971,在0.001水平上呈显著相关;Et和σt的相关系数R为0727,也在0.001水平上呈显著相关. 足尺试件的顺纹抗拉测试结果表明,激光测距方法可以准确地测量结构材在顺纹受拉时发生的拉伸变形,从而得到可靠的抗拉弹性模量试验结果.       

家具用定向刨花板的连接力学性能

利用力学加载的试验方法,测试板材在不同孔径比(α)情况下的极限抗拉拔力。根据定向刨花板与偏心连接件胀栓的连接配合关系,研究孔径比(α)对不同密度定向刨花板(OSB)、中密度纤维板(MDF)和普通刨花板(PB)之间极限抗拉拔强度的影响。结果表明,在导向孔径从小变大的过程中,试件的极限抗拔力会随着孔径比α值的增大而逐步增大,在达到各自某一个最大值后呈现逐步下降的趋势,定向刨花板的最大极限抗拔力出现在α值为0.91~0.93之间;当孔径比α值在0.91附近时,MDF、PB、OSB 3种人造板材的极限抗拔力都处在相对较高的水平,极限抗拔力的大小顺序为OSBⅡ、OSBⅠ、PB、MDF。在此阶段,OSBⅡ板材的极限抗拔力明显高于其他3种人造板材的极限抗拔力;在同等公称尺寸的情况下,人造板材密度越高,内结合强度越强,随之极限抗拔力则越高,结构越牢固。对于定向刨花板,OSBⅡ的极限抗拔力高于OSBⅠ,同时各项性能也明显优于常用的刨花板和中密度纤维板。     

塑?木插接节点的配合特性及参数优化

目的塑料与木材的插接连接是塑料椅类家具中一种常见的节点形式,对节点的配合参量进行优化设计能够有效地提高节点接合强度,从而提升产品的可靠性。方法以PP塑料与榉木圆榫接合构件为例,选择塑料件壁厚、接合长度、过盈配合量为考察因素,以抗拔强度与抗弯强度为评价指标,采用3因素3水平的Box-Behnken响应面设计法,建立接合强度与配合参数之间的数学模型,通过方差分析各因素的显著性及交互作用,同时通过求解拟合方程获得节点的最优配合参量。并在此基础上对过盈、胶合和木螺丝3种不同装配方式的构件节点抗拔力进行对比分析。结果3个因素均对节点的抗拔强度有显著影响,但只有塑料件壁厚和接合长度这两个因素对节点的抗弯强度有显著影响,与过盈配合量无关。直径为40 mm的圆榫塑?木插接节点的最优配合参数为:塑料件壁厚3.2 mm,接合长度50 mm,过盈配合量0.15 mm,对此参数节点进行力学性能试验可获得极限抗拔力2 139.3 N及弯曲载荷1 306.4 N。3种不同装配方式的构件节点抗拔力分别为:过盈装配（Ⅰ型节点）966.5 N < 胶合装配（Ⅱ型节点）1 251.4 N < 木螺丝装配（Ⅲ型节点）1 607.6 N。结论塑?木插接节点的配合参数可以通过响应面法优化设计以获得最佳力学性能,在实际应用中各设计因素在设计域内靠近上限取值较易获得最大接合强度,此外采用木螺丝的装配方式能够大大提高节点的抗拔强度。      

不同林分密度人工林赤松物理力学性质的比较

对延吉市帽儿山不同林分密度的人工林赤松(Pinus densiflora)的物理力学性质差异进行研究.结果表明:2个不同林分密度材绝干密度平均值相同;弦向、径向和纵向干缩率,林分密度相对低的林分人工林赤松大于林分密度相对高的林分人工林赤松;抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗拉和抗压强度、横纹弦向和径向抗压强度,林分密度相对低的林分人工林赤松要高于林分密度相对高的林分人工林赤松;弦面和径面抗剪强度,林分密度相对低的林分人工林赤松低于林分密度相对高的林分人工林赤松;2个不同林分密度人工林赤松的径向干缩率、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、横纹弦向和径向抗压强度差异达0.01显著水平,抗弯强度差异达0.05显著水平,绝干密度、弦向干缩率、纵向干缩率、顺纹抗拉强度无显著差异.     

高含水率木竹集成材刨切薄木(竹)表面粗糙度的测定与分析

将新采伐的小径级杉木Cunninghamia lanceolata,马尾松Pinus massoniana,樟树Cinnamomum camphora(复合用)和毛竹Phyllostachys edulis(含水率均在纤维饱和点以上)制成具有一定规格尺寸、高含水率的集成木(竹)方材,经刨切加工得到薄木(竹),再气干至含水率15%左右,通过触针法对未作砂光处理的薄木(竹)正面表面粗糙度进行测定。结果表明:刨切薄木表面粗糙度值的大小与材质、纹理方向及指榫显著相关(P0.05),刨切薄竹与竹节无明显相关,与白梧桐Triplochitin scleroxylon,紫椴Tilia amurensis科技木刨切薄木相比,差异不显著(P0.05),可满足各类基材贴面的质量要求。     

软化处理对桉木刨切单板质量的影响

为改善刨切厚单板质量,减少水热处理时间,采用带实时喷蒸加热功能的刨切试验装置,在冷水浸泡、冷水浸泡再喷蒸加热、水煮软化和水煮软化再喷蒸加热4种条件下对桉木进行刨切试验,刨切厚度为1~6 mm。结果表明:单板表面粗糙度为4.29~14.30μm,随刨切厚度的增加而增加,其中横纹方向表面粗糙度大于顺纹方向,但都能满足GB/T 13010—2006的要求;单板背面裂隙度在刨切厚度为2~6 mm时变化幅度不大。相对于未喷蒸加热的情况,采用实时喷蒸加热刨切的单板横纹表面粗糙度、顺纹表面粗糙度和背面裂隙度的最大降低百分率分别为11.55%、23.12%和28.06%,表明采用实时喷蒸加热处理对改善单板质量效果明显;其中,在水煮软化再喷蒸加热的条件下,刨切单板表面粗糙度和背面裂隙度最小。