塑料門窗焊接設備及參數優化

龐仁斌?高振華

摘 要：塑料門窗因其節能等優勢進入高速發展時期，也成為國家重點推廣的方向和領域。焊接工藝是塑料門窗的加工過程中一個重要的環節，焊接質量和效率直接影響到塑料門窗的質量。而焊接質量的優劣又和焊接設備息息相關?，F有技術門窗的焊接工藝中，焊接定位、跑料問題時有發生。為此，為了提高門窗焊接質量，推動塑窗行業的良好發展，對焊機進行深入研究是非常有必要的。

關鍵詞：塑料門窗;焊接設備;參數優化

近幾年，塑料門窗作為一種新型的門窗材料，具有環保節能、隔音、保溫等優點，因而發展非常迅速，塑料門窗的成型主要包括型材切割、焊接和清角，而焊接的質量直接影響到門窗成品的質量，因此，筆者在塑料門窗加工設備研發方面有多年的經驗，對塑料門窗焊接設備及加工過程進行了研究，并對焊機的優化做出分析。

1 焊機構成及發展現狀

塑料門窗焊接設備一般包括機架和焊接機頭，焊接機頭又包括定位機構、加熱機構、壓緊機構和進給機構。焊接機頭在工作時，機頭移動到需要加工的型材尺寸位置，型材通過定位板進行定位，壓緊機構一次壓緊，上加熱板和下加熱板移動到未融化型材，融化完型材后加熱板后退，移動壓緊機構二次壓緊，直到型材連接完成。

塑料門窗焊接設備現狀大致分為三個層次：一是單機設備，人工操作。用于精度要求不高的小批量門窗加工;二是有簡單數控裝置的半自動加工流水線，用于小型工程的加工;三是規模較大數控程度高的加工生產線，自動化、數字化程度高，智能化程度高。事實上，塑料門窗焊接較為領先的技術主要分布在德國、意大利等國家。如德國斯杜茨公司、德國歐鵬公司、德國耶魯公司、意大利飛慕公司及意大利意美吉公司，均可實現自動化和柔性化，精密程度也較高。

我國的塑料門窗加工設備起步較晚，但隨著現代工業的快速發展，塑料門窗的優越性越來越突出，適用范圍也越來越廣。因此，我國對于塑料門窗焊接的研究也發展十分迅速，西安理工大學的劉可峰^[1]通過對PVC型材焊接過程的分析，建立了設備的溫度控制模型，并實現了熱熔焊接的狀態監測。浙江大學楊闖、北京大學王勇^[2]等人也分別對60系列塑料門窗的導熱系數分析和應力場和溫度場仿真模擬等方面做出深入研究。但是目前，還沒有比較成熟的塑料門窗焊接參數手冊。在實際操作中，容易出現一些因素導致焊接強度問題。

2 焊接缺陷及影響因素

塑料門窗焊接缺陷主要有以下幾種：1）焊接角破壞力達不到要求;2）焊角清角后出現不規則細小裂紋;3）沿著焊口的內角向外延伸。其影響因素主要有以下三點[3-4]：

2.1 焊接工藝條件

焊接過程的本質其實就是熱熔連接，需要連接的加工面熔融后連接起來，就再加上一定的壓力保持一段時間，冷卻后型材的兩個端面就被連接在一起了。焊接的環境條件是車間的環境溫度不得低于15°C、無粉塵飛揚。因為環境溫度較低時會產生因焊接溫差大，熱量集中產生熱應力，使材料顯脆性，容易產生開裂。型材必須要在車間存放24h以上，以保證溫度適應。設備應安裝在空氣對流較小的地方，避免冷空氣直接和型材、焊接接觸。

2.2 焊接設備的機械調試

在塑料門窗焊接時， 除下料尺寸需預留一定長度即設計余量外（一般設計值雙邊為 6mm， 單邊為 3mm）， 同時還需按程序對焊機定位間隙與限位措施進行設定與調整。使焊接實際熔融量（即消耗量）與設計余量相適應， 以保證門窗成型后的幾何尺寸精度。如型材定位間隙、焊接熔融間隙和對接擠壓間隙等的設定，以及前后限位板的調整、機頭下壓鉗水平度的調整等，均會影響焊接精度。

2.3焊接工藝參數

焊接質量和焊接強度取決于電熱板的溫度、熔融時間、熔融壓力、焊接時間及焊接壓力。加熱溫度、加熱時間、接觸壓力、壓鉗壓力、對接壓力是型材斷面加熱過程的主要參數。再歸納一下就是溫度、壓力、時間三個主要參數，它對焊接質量起著關鍵的作用，掌握好三個參數的量值和三者之間的匹配關系，是決定焊接質量的關鍵。

3 焊接設備參數優化

如上所述，在焊接加工過程中，焊接參數的對焊接的質量和強度有著十分重要的影響。因此，對焊接接頭進行仿真分析，并得到優化后的參數。具體研究內容包括以下內容：

3.1 對焊接過程中進行有限元熱力學分析

焊接過程主要包括定位、加熱融化、過渡和對接擠壓四個階段。上下壓鉗壓緊型材完成定位;在加熱融化階段，焊板逐漸加熱至超過型材的熔點，從而加熱型材至熔融狀態，加熱時間由加熱準備、加熱延時、過渡和對接擠壓四個過程組成。對接擠壓則是指兩個熔融狀態的端面從開始接觸，到整體卸壓的過程。在此基礎上，繪制焊接過程中的加熱曲線，橫坐標為焊接時間，縱坐標為壓力或行程。而后使用三維建模軟件進行建模，并利用熱-力耦合分析軟件對其進行熱-力耦合分析^[5]。

3.2 選取最優焊接參數

焊接加熱溫度、熔融時間、型材塑化度、型材壓力都是影響焊接質量的重要因素。正交實驗設計是一種科學的優化方法。本文使用正交實驗，進行多組實驗，可以對各影響因素進行分析，從而可以從足夠數量的試驗組中選出具有代表性的數據點，并建立正交數據表。得到最適合塑料門窗焊接強度的影響因素。并綜合建模和實驗進行驗證。

3.3 篩選最優壓鉗溫度

壓鉗溫度也是影響塑料門窗焊接質量的重要因素之一，由于壓鉗溫度受環境溫度影響較大，相比而言，寒冷地區的塑料門窗焊接質量波動較大。因此，針對寒冷地區生產廠家使用的焊機設備，將增加保溫裝置，以避免壓鉗溫度的波動對焊接質量的影響^[6]。

4 塑料門窗焊接設備發展方向

焊接塑料門窗加工過程中技術性較強的一道工序。角強度、外形幾何尺寸公差、對角線公差、平面度公差等重要指標都和焊接有直接關系。焊機機械調試與工藝控制兩方面都是重要的保證因素。隨著技術發展，工藝控制將發揮越來越重要的作用。提高工藝控制的精密度和自動化程度都將是塑料門窗焊機設備的發展方向。

5 結語

本文分析了焊接設備的基本現狀以及在實際焊接工況存在的一些問題，結合公司焊接機出現的的技術問題引伸出對塑窗焊接機焊接過程的熱力學分析以及對焊接工藝參數的優化，并取得了較為滿意的結論。

參考文獻：

[1]劉可峰.熱熔對接焊控制系統的研制[D].西安：西安理工大學，2010.

[2]王勇.熔化焊焊接接頭的溫度場和應力數值模擬[D].北京：北京交通大學，2009.

[3]張慧貞.影響彩色塑料門窗焊接質量的因素及控制措施[J].工程塑料應用，2004（9），27-28.

[4]吳兆生.塑料門窗焊角出現缺陷的避免和預防[J]，天津建材，2013，3：14-16.

[5]劉瑞江.張業旺等.正交實驗設計和分析方法研究[D].江蘇：江蘇大學，2010.

[6]胡濱.塑鋼材料焊接的工藝參數優化及其焊接裝備的優化設計 [D].湖北：長江大學，2017.

作者簡介：龐仁斌 （1979.8.14-），男，漢族，籍貫：山東省濟南市商河縣，中專，研究方向：門窗加工設備的研發與制造。