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影响PVC门窗焊接质量的因素分析
塑料门窗焊的接质量会直接影响PVC门窗的加工和组装质量,本文主要从型材质量、型材下料准确性、预热、焊接工艺参数、及焊缝清理等五个方面的因素分析了对PVC门窗焊接质量的影响.
作者单位：
盘锦市产品质量监督检验所
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加工条件对型材焊角强度的影响
导读：加工条件对型材焊角强度的影响，型材的焊角强度是关系门窗使用性能的重要方面，将型材的焊角强度作为指标要求纳入标准，关于影响型材焊角强度的因素的研究多有报导，已知型材的生产加工条件(主要是型材塑化度)和焊接加工条件(焊接温度、加热时间、焊，但这些研究多为将型材生产条件与焊接条件分开研究，这两个因素对型材焊角强度的影响是不分开的，型材塑化度和焊接条件哪个是影响型材焊角强度的主要因素？应如何控制这两种 加工条件对型材焊角强度的影响
型材的焊角强度是关系门窗使用性能的重要方面，GB/TX的报批稿中，将型材的焊角强度作为指标要求纳入标准，要求焊角的应力不小于35Mpa。关于影响型材焊角强度的因素的研究多有报导，已知型材的生产加工条件(主要是型材塑化度)和焊接加工条件(焊接温度、加热时间、焊接时间和进给压力)都对型材焊角强度有很大影响，但这些研究多为将型材生产条件与焊接条件分开研究，而在实际生产中，这两个因素对型材焊角强度的影响是不分开的。那么，型材塑化度和焊接条件哪个是影响型材焊角强度的主要因素？应如何控制这两种条件以获得较大的焊角强度？本文拟通过将这两种因素同时安排进一组正交试验，摸索二者对焊角强度的影响规律，寻找一种提高型材焊角强度的方法。
试验部分 原材料 PVC SG型 CPE 135A 稀土稳定剂 其它
试验配方(单位：份) PVC、100，CPE、8.5，稀土稳定剂、3.1，ACR－201、1.6，CaCO、5，TiO2、5。
型材挤出设定加工条件及型材部分性能
加工条件试验号 机身加工温度℃
一区 二区 三区 176
螺杆 过渡区 1＃
熔体温度℃ 3
潍坊亚星化学 潍坊亚星化学 汕头高科达 市售 型材性能★
塑化度% 加热后状态 180
★注：熔体温度及型材塑化度均为用DSC法测得，取其平均值。
型材试样制备及检测
按1.2配方配料，热混至125℃，再冷混至45℃，放料。混好的物料放置一天后，在Φ35/75锥形双螺杆挤出机上挤出75纱扇型材。型材在室温下放置一天后，用单点焊机进行焊接试验。 焊接试样在室温下放置20小时后，测焊角强度。型材塑化度用DSC法测量。
1、型材挤出条件
2、型材焊接条件
将表1中型材塑化度及四个焊接参数(焊接温度、加热时间、焊接时间、进给压力)作考察因素排入L18(1×3)正交表中，表中右边两列不安排考察因素，各试验条件见表2：
型材焊接试验条件及结果
各位级之和
极差 R=最大值―最小值
型材塑化度%
焊接温度℃
18个试样焊角强度总和：26320
进给压力MPa
结果与分析
焊角强度结果及数据处理
焊角强度结果如表2所示。计算各因素各位级焊角强度之和、各因素极差，结果见表2。
12＃试验的焊角强度最高(1927N)，为最好条件：
型材塑化度
９＃和13＃则分别为第二、三好条件。
由各因素的最好位级组成的条件为可能好配合条件：
型材塑化度
但考虑到型材塑化度在70％左右时型材的综合性能最好，最有实际研究价值，如塑化度太低(60％)型材塑化不好，加热后状态有气泡，塑化度过高(80％)则物理机械性能下降，型材发脆，所以，下一步的试验应以塑化度为70％的型材样品为主；实际生产中焊接时间37Ｓ稍嫌长，且 31Ｓ的焊接时间与37Ｓ的焊接时间对焊角强度的影响相当，所以下一步可取焊接时间为31Ｓ。
3、趋势图：
展望试验条件及结果
从各因素位级和及各因素极差来看，对型材焊角强度影响程度大小依次为：
焊接温度＞加热时间＞型材塑化度＞焊接时间＞进给压力
其中本试验条件范围内，型材塑化度、进给压力两考查因素有最佳位级出现，型材塑化度以75％左右、进给压力以0.20Mpa为最佳；焊接温度和加热时间的位级有可能取偏，可再取更高的焊接温度试验，考虑到实际生产中的生产效率加热时间取35Ｓ较为合理，不再做延长时间试验；焊接时间的位级虽也取偏，但第二、三位级的结果非常接近，第二个位级(31S)无论从实际生产还是实验结果看都可认为是最合理位级。
结合实际工作及实验结果，为考查焊接温度继续升高是否对焊角强度有利，将固定加热时间定为35Ｓ、焊接时间定为31Ｓ、进给压力定为0.20Mpa，调整焊接温度为275℃，各型材样品的焊角强度结果见表3。
由表3可见：其中22号试验在6个样品中焊角强度仍为最高，但稍低于12＃焊接条件的值(1927Ｎ)。①在展望试验条件下，不同塑化度的型材的焊角强度差距幅度减小，整体焊角强度水平提高，型材塑化度对焊角强度的影响减小，即展望试验条件对型材的塑化度情况适应性强，可适用于较宽的塑化度范围；②塑化度为70％的型材的焊角强度仍为最高，可见其可焊性较好；③第22号试验虽在此条件下为最好的试样，但低于其在265℃时(第12、９号试验)的焊角强度， 说明275℃的焊接温度偏高，焊接温度在265℃上下比较合适。
试验结果分析
1、由以上试验得知：塑化度约为70％、熔体温度约在190～197℃范围内的型材焊接性能较好，能在较宽的焊接条件范围内保持有较高的焊角强度。这可能是因为PVC塑化度在约70％时，PVC的初级粒子基本被破坏，制品的抗冲击性能和拉伸性能等达到最佳平衡，综合性最好，可以保证型材有较高的焊角强度。试验中还发现，塑化度为60％的型材加热后状态不合格，而塑化度为80％的型材在锯切时易崩裂。因此，型材生产应严格控制加工条件，将PVC的塑化度控制在70％左右，则既有利于保证型材的物理机械性能，又有利于其焊接性能。
2、由表2、表3结果可知：适当提高温度或／和延长加热时间有利于型材焊角强度的提高。这可能是由于提高温度和延长加热时间都有利于接触焊板型材的充分熔融，提高PVC分子的活性，可使更多的PVC分子发生相互缠绕，有利于两块型材的粘合，使焊角结合更牢固，从而焊角强度更高。
3、由趋势图可明显看出：焊接时间在大于31Ｓ后对焊角强度的提高不明显。由于两块型材在抽掉焊板后在一定压力下对接，熔融的型材开始冷却，当接缝处熔融的型材从200℃以上冷却到PVC的玻璃化温度(约80℃)时，PVC转变成坚硬的玻璃态，压力已对型材的粘合基本不起作用。所以，延长焊接时间也不会提高焊角强度。
４、进给压力有一最佳取值。进给压力是两块型材对接时要保持的必要压紧力，太小不利于焊缝接合处熔融PVC分子的接触和扩散，太大易把大部分熔融的PVC挤出焊缝。留下熔体温度较低、未充分熔融、流动性差的PVC，不利于PVC分子的扩散。只有合适大小的压力才能保证接缝处两块型材PVC分子良好的接触和相互扩散，提高焊接质量。
?型材塑化度控制在60～80％范围内时，型材具有较好的可焊性，其中以70％左右为最佳。
?在保证不煳料的情况下，焊接温度较高(265℃)、加热时间较长(35S)有利于焊角强度的提 高和稳定。
?焊接时间有一最合理取值(本实验中为31S)，大于此值对焊角强度提高帮助不大。
?进给压力有一最佳值，太大或太小对焊角强度都不利。
?焊接条件对焊角强度的影响超过型材塑化度对焊角强度的影响。对型材焊角强度影响程度大小依次为：
焊接温度＞加热时间＞型材塑化度＞焊接时间＞进给压力
总之，控制好型材的焊接条件是提高型材焊角强度，稳定型材焊接质量的有效方法之一。
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一、检验标准
塑料门窗的检验标准正确的方法应该是按照GB/T《门、窗用未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材》的中6.10项的检验方法、JG/T140-2005《未增塑聚氯乙烯（PVC-U）塑料窗》和JG/T180-2005《未增塑聚氯乙烯（PVC-U）塑料门》中的检验方法和要求进行。有些门窗厂家把型材拿过来，用钳子掰，用榔头敲，用脚踹等方法来检测材料的好坏，从而来判断型材的焊角和冷冲是否合格，虽然表面上能做简单的对比，但这是不科学的。比方说你拿一块型材用脚踹不破，只能反映出这个材料韧性比较好，但你不敢保证它的焊角是合格的；反过来，你能踹破的型材不能证明它的焊角指标不好。也就是说，检验一种好的材料，不能靠单项来判定，要综合起来，让其各项指标达到最佳状态。二、配方组分及配比对其影响本章节因篇幅关系不能讲解太细，下面只是一些纲领：1、生产门窗用塑料异型材的PVC树脂一般选用SG-5型，同时尽量采用乙烯法悬浮工艺生产的。这可以保证其批次质量也就是各项指标的稳定。2、稳定剂在整个配方系统中对型材质量起了关键性的作用，质量批次的稳定性和添加量的多少都会影响物料的塑化时间的长短和物料热分解温度的高低。稳定剂中的相应滑剂的平衡是反映稳定剂质量优劣的重要标准。
稳定剂添加份数过高会推迟物料在料筒的塑化时间和拉高挤出温度，那么就势必意味着物料在出口模时塑化程度还达不到要求，这时型材的脆性很大，对焊接性能会造成很大影响。
稳定剂的添加份数过低会缩短物料的塑化时间和降低挤出温度，就意味着物料在出口模时过塑化，低分子的物质会分解，型材发泡，整个力学性能降低。3、CPE在配方体系中其主要作用是抗冲击和提高型材表面光洁度的作用，但添加比例的多少除影响抗冲击强度和尺寸变化率之外，也影响着型材的焊接强度，这里关系到整个配方中韧性指标和刚性指标的平衡问题。添加比例一般在8-15份，低于8份或高于15份都是不正常的。
抗冲ACR的原理与CPE在形成分子框架结构上有所区别，严格意义上讲PVC/ACR共混体系要比PVC/CPE共混体系在抗冲击方面要优越的多。4、加工型ACR的主要作用是提高物料的塑化，表面上是与稳定剂相互矛盾，实质上是绝然不同的两个概念：稳定剂是防止物料的降解；ACR是促进物料分子间溶体的相融性。有些现象：象既加大稳定剂的量又加大ACR的用量，虽然能从表面上解决一些所谓的实际问题，但在整个配方设计中是不正确的。ACR的用量要根据你整个的工艺路线和设备的塑化能力来定。在整个的型材生产过程中最关键的因素也就是人们经常说的塑化。塑化程度的高低直接影响着型材的所有指标。5、碳酸钙一般要选用活化轻质的，其用量是影响整个型材力学性能的第二大因素。
试验证明适当添加高品质的纳米钙在某种程度上会提高型材的焊接性能。6、润滑剂的选用是与稳定剂的搭配分不开的，从某种意义上讲，润滑剂也是稳定剂。整个配方体系的合理与否关键是润滑平衡，是其与稳定剂的协同效用。特别是外润滑剂过量时会直接影响型材的焊角强度。7、着色剂不会对型材的力学性能造成影响。
那么，从整个的配方设计来看关键的因素是原料批次的稳定和合理的配比。一个配方的优劣其实就是一个润滑系统的平衡。一旦润滑系统失衡就会直接影响到型材的力学性能。三、混料工艺的影响1、倒料顺序以及投放料的时间会影响干混料的质量，按顺序投放的与一次性投入的，在助剂的选用和用量上是有区别的。2、热混温度和冷混温度的设定对物料的凝胶化过程和干混料的疏松程度是有影响的。3、物料混合后的熟化过程一般需要要24小时，才能保证干混料的分子颗粒的相对稳定。
以上三点对物料在下道工序挤出过程是否稳定起了决定性的作用。四、挤出工艺的影响1、挤出工艺的设定1.1
温度的设定要根据设备、配方、模具特性来进行。原则上是在保证物料塑化的前提下，尽量采用比较低的温度，机筒一般在160℃—180℃之间，模头设定在180℃—200℃之间。1.2
挤出速度和喂料速度的配比是在整个挤出过程中保证物料充分塑化的关键，一般在排气口部位观察物料的饱和度以充满螺杆容腔的2/3—3/4为最佳状态，这时才能保证物料在螺筒里运动过程中形成压缩、摩擦和剪切，使物料达到塑化的要求。2、
主机真空度的要求：主机真空度能否启用也是与物料的塑化程度和在容腔里的饱和程度有很大关系的。一般在排气口观察能达到上述要求且物料呈湿雪状或豆渣状为最佳，这时物料中的一些低分子物质水分、氯化氢和分子量特别低的物质形成的水气才能通过真空强制排出。如果主型材在真空度低于－0.06Mpa时，会导致物了中残余的低分子物质阻碍了分子结构的稳固性，型材的力学性能会严重下降，特别是抗冲会比较差，焊角强度会特别低。3、 机头压力的要求：机头压力的显示高低与主螺杆电机电流的的数值是相对应的，主机电流越大，机头压力也越高；主机电流的大小来源于物料的塑化状态和饱和程度，一般主机显示电流达到额定电流的60%—80%比较合适，也就是说螺杆转矩在60%—80%。这时才能保证型材的密实度，也就保证了型材的力学性能。4、过高的冷却速率（过低的冷却水温），也会对型材的力学性能造成影响。从整个的挤出环节来看，塑化是贯穿这个过程的关键。那么，并不是表明完全塑化的物料其型材的理化性能指标是最佳的。实验证明物料在达到60%—70%的塑化状态下各项指标是最佳的（相对平衡），实验还证明：如果低于这个状态，冷冲会不合格，焊角强度会有所提高；如果高于这个状态，冷冲会达标，而焊角强度会有所下降。也就是说，无论是配方设计还是基础工艺的设定，都要根据实际情况做到统筹兼顾，使其每项指标达到标准要求。五、模具和型材断面的影响1、模具的影响也是不容忽视的，高压缩比的模具和比较长的平直段在赋予型材高光洁度的同时，保证了它的密实度。2、型材的断面结构和壁厚对型材的焊角强度影响很大，不同壁厚和不同规格的型材有不同的数值要求和不同的计算方法。3、GB/T《门、窗用未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材》的中6.10项的检验方法显示的是型材的受压弯曲应力，实质上是计算公式中Fc的值。这要根据型材的e值和惯性矩进行换算后才能得出型材的可焊性。比如：以60平开框为例
惯性矩：IX=168282mm，IY=297782mm
值：35.43mm
受压弯曲应力：Fc=1900N
实测数据：ΔFc=2458N
则此型材的可焊性计算所得为：45Mpa这与老标准中的检测方式是有区别的，而且显示的数值所表达的意义都不一样，老标准中的检测方法检测的只是型材角强度，要6000N以上才能达到要求。新标准中的检测方法检测的是型材的受压弯曲应力数值只在2000N以上。这就很容易造成有些人的混淆和误解。六、门窗焊接过程中的影响1、焊接工艺参数的影响
塑料焊接的基本原理是热熔融状态下的大分子在焊接压力的作用下相互扩散，产生范德华力，从而紧密地粘接在一起。
不同厂家的型材在同一台设备上焊接所需要设置的参数是不一样的，同挤出工艺一样，不同配方的型材、不同截面的型材将有自己独有一套焊接工艺参数，都应经过焊角强度测试来最终确认。一般的型材：焊接温度在260℃—280℃之间；加热时间在28S左右；焊接时间为30S左右。以焊口均匀外翻，微微泛黄为最佳。
焊接时前后压钳的压力以压住型材而不使其变形为原则。2、型材切割的影响　　型材切割时，如果进刀速度太快或型材摆放位置角度不当，会造成切割面凹凸不平或角度不正确，这样，在焊接时，焊缝面与焊板接触就有空隙，导致整个断面受热不均匀，塑料熔接不理想。　　型材切割面应光滑、平整、没有缺口现象。3、焊缝清理的影响
焊缝的清理有两种操作方式，即手工和机械。无论是哪种形式在对焊逢处的焊接量造成损伤，都会影响型材的焊接强度。4、塑料门窗焊接时应注意的几个问题　4.1 塑料型材应在门窗组装生产车间内放置24h以后，方可切割下料，进行焊接。下好的料段，必须在当日焊接完毕。　4.2 焊接操作时不能强制通风，生产车间温度不应低于12℃。　4.3 要经常检查焊机上的夹紧定位螺钉、加热定位螺钉和焊接定位螺钉是否有松动、变化，以确保定位正确；焊机的锁紧装置应能牢固地锁紧，以免被焊接的型材及夹持型材的底座发生位移，影响焊接质量。　4.5 应经常检查加热板表面温度与设备上仪表指示温度的差值，并掌握焊机上每块加热板表面温度变化的规律，特别要注意加热板表面温度随电源电压变化的规律，及时进行调整。　4.6 要严格控制操作工艺参数，掌握焊接程序，不允许随意焊接。　4.7 焊机加热到预定温度，恒温0.5h后，方可进行焊接。　4.8 经常清理黏附在焊布上的糊料、焊渣以免影响焊接质量，焊布一旦损坏，应及时更换，当加热板上带有油污时，待焊板冷却状态时用清洗剂洗去。　4.9 焊接后的门窗框、扇应竖立摆放，让刚刚焊接的角部在无负荷的状态下存放，为防止焊件型材扭曲变形，焊接处需在完全冷却后方可移动。　4.10用钢卷尺测量焊接件的长、宽度尺寸，检查配件的焊接精度，如发现问题应查找原因及时解决。七、安装过程的影响
安装过程中的搬运，吊装方式和门、窗框的安装规范都会造成门窗安装后期的不同程度的应力开裂。八、从焊缝开裂来分析造成其状态的原因本节我们以型材在检测试验时焊角的开裂状态来逆向推理造成这种现象的原因，哪种是正常的，哪种是不正常的；哪种是焊接时可以解决的，哪种是需要从配方上或挤出工艺上解决的。前提是型材的外观质量，几何尺寸均要达到标准要求。1. 沿焊缝开裂（如图1）观察开裂后焊缝表面的状态：1.1 如果焊口翻出量较小，颜色没有变化，你要看其溶接量是否合适，如果不是型材位移，可以适当提高焊接温度。如果从开裂痕迹看焊口光滑并能清晰看见焊布的条纹，你就要检查配方中外润滑剂是否过量。
(图3)1.2 如果焊口翻出量正常，颜色泛黄，你要适当降低焊接温度。1.3 如果焊口翻出量正常，颜色没有变化，翻边有发泡现象，你就要查型材挤出过程中是否主机真空过低。只要是沿焊缝开裂的焊角都是不正常的，这种情况下往往焊角强度特别低，即使这时焊角强度能达到标准要求，也不会高出许多，都会给门窗安装过程中造成质量隐患。2、沿焊缝边缘锯齿状开裂（如图2）2.1 如果焊角强度能达标的话，此属正常，也往往这个时候才能反映出型材焊角的真实数据。2.2 如果焊角强度达不到要求，这就要从配方或挤出工艺上查找原因。3、垂直于型材端面开裂（如图3）3.1 如果焊角强度能达标的话，此属正常，但这时型材的焊角强度特别大，势必其他指标会受影响，可以将配方或挤出工艺作一下微调。3.2 如果焊角强度达不到要求，这就要从配方或挤出工艺上查找原因。结论：
评价型材质量的好坏，要从其综合方面检测，要看其各项数据是否达到国家标准的质量要求，而不是仅凭一两个指标来判断。而且影响型材焊角强度的因素很多，有时也并不是型材本身或者焊接工艺的单方面的原因。出现问题时我们应该本着实事求是的科学的态度去对待分析，查出原因来共同解决，而不是武断或不理智的去处理。但愿这篇文章会对从事相关行业的朋友有所裨益，并希望得到同行业朋友的斧正。
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