塑料门窗焊接设备及参数优化

庞仁斌?高振华

摘 要：塑料门窗因其节能等优势进入高速发展时期，也成为国家重点推广的方向和领域。焊接工艺是塑料门窗的加工过程中一个重要的环节，焊接质量和效率直接影响到塑料门窗的质量。而焊接质量的优劣又和焊接设备息息相关。现有技术门窗的焊接工艺中，焊接定位、跑料问题时有发生。为此，为了提高门窗焊接质量，推动塑窗行业的良好发展，对焊机进行深入研究是非常有必要的。

关键词：塑料门窗;焊接设备;参数优化

近几年，塑料门窗作为一种新型的门窗材料，具有环保节能、隔音、保温等优点，因而发展非常迅速，塑料门窗的成型主要包括型材切割、焊接和清角，而焊接的质量直接影响到门窗成品的质量，因此，笔者在塑料门窗加工设备研发方面有多年的经验，对塑料门窗焊接设备及加工过程进行了研究，并对焊机的优化做出分析。

1 焊机构成及发展现状

塑料门窗焊接设备一般包括机架和焊接机头，焊接机头又包括定位机构、加热机构、压紧机构和进给机构。焊接机头在工作时，机头移动到需要加工的型材尺寸位置，型材通过定位板进行定位，压紧机构一次压紧，上加热板和下加热板移动到未融化型材，融化完型材后加热板后退，移动压紧机构二次压紧，直到型材连接完成。

塑料门窗焊接设备现状大致分为三个层次：一是单机设备，人工操作。用于精度要求不高的小批量门窗加工;二是有简单数控装置的半自动加工流水线，用于小型工程的加工;三是规模较大数控程度高的加工生产线，自动化、数字化程度高，智能化程度高。事实上，塑料门窗焊接较为领先的技术主要分布在德国、意大利等国家。如德国斯杜茨公司、德国欧鹏公司、德国耶鲁公司、意大利飞慕公司及意大利意美吉公司，均可实现自动化和柔性化，精密程度也较高。

我国的塑料门窗加工设备起步较晚，但随着现代工业的快速发展，塑料门窗的优越性越来越突出，适用范围也越来越广。因此，我国对于塑料门窗焊接的研究也发展十分迅速，西安理工大学的刘可峰^[1]通过对PVC型材焊接过程的分析，建立了设备的温度控制模型，并实现了热熔焊接的状态监测。浙江大学杨闯、北京大学王勇^[2]等人也分别对60系列塑料门窗的导热系数分析和应力场和温度场仿真模拟等方面做出深入研究。但是目前，还没有比较成熟的塑料门窗焊接参数手册。在实际操作中，容易出现一些因素导致焊接强度问题。

2 焊接缺陷及影响因素

塑料门窗焊接缺陷主要有以下几种：1）焊接角破坏力达不到要求;2）焊角清角后出现不规则细小裂纹;3）沿着焊口的内角向外延伸。其影响因素主要有以下三点[3-4]：

2.1 焊接工艺条件

焊接过程的本质其实就是热熔连接，需要连接的加工面熔融后连接起来，就再加上一定的压力保持一段时间，冷却后型材的两个端面就被连接在一起了。焊接的环境条件是车间的环境温度不得低于15°C、无粉尘飞扬。因为环境温度较低时会产生因焊接温差大，热量集中产生热应力，使材料显脆性，容易产生开裂。型材必须要在车间存放24h以上，以保证温度适应。设备应安装在空气对流较小的地方，避免冷空气直接和型材、焊接接触。

2.2 焊接设备的机械调试

在塑料门窗焊接时， 除下料尺寸需预留一定长度即设计余量外（一般设计值双边为 6mm， 单边为 3mm）， 同时还需按程序对焊机定位间隙与限位措施进行设定与调整。使焊接实际熔融量（即消耗量）与设计余量相适应， 以保证门窗成型后的几何尺寸精度。如型材定位间隙、焊接熔融间隙和对接挤压间隙等的设定，以及前后限位板的调整、机头下压钳水平度的调整等，均会影响焊接精度。

2.3焊接工艺参数

焊接质量和焊接强度取决于电热板的温度、熔融时间、熔融压力、焊接时间及焊接压力。加热温度、加热时间、接触压力、压钳压力、对接压力是型材断面加热过程的主要参数。再归纳一下就是溫度、压力、时间三个主要参数，它对焊接质量起着关键的作用，掌握好三个参数的量值和三者之间的匹配关系，是决定焊接质量的关键。

3 焊接设备参数优化

如上所述，在焊接加工过程中，焊接参数的对焊接的质量和强度有着十分重要的影响。因此，对焊接接头进行仿真分析，并得到优化后的参数。具体研究内容包括以下内容：

3.1 对焊接过程中进行有限元热力学分析

焊接過程主要包括定位、加热融化、过渡和对接挤压四个阶段。上下压钳压紧型材完成定位;在加热融化阶段，焊板逐渐加热至超过型材的熔点，从而加热型材至熔融状态，加热时间由加热准备、加热延时、过渡和对接挤压四个过程组成。对接挤压则是指两个熔融状态的端面从开始接触，到整体卸压的过程。在此基础上，绘制焊接过程中的加热曲线，横坐标为焊接时间，纵坐标为压力或行程。而后使用三维建模软件进行建模，并利用热-力耦合分析软件对其进行热-力耦合分析^[5]。

3.2 选取最优焊接参数

焊接加热温度、熔融时间、型材塑化度、型材压力都是影响焊接质量的重要因素。正交实验设计是一种科学的优化方法。本文使用正交实验，进行多组实验，可以对各影响因素进行分析，从而可以从足够数量的试验组中选出具有代表性的数据点，并建立正交数据表。得到最适合塑料门窗焊接强度的影响因素。并综合建模和实验进行验证。

3.3 筛选最优压钳温度

压钳温度也是影响塑料门窗焊接质量的重要因素之一，由于压钳温度受环境温度影响较大，相比而言，寒冷地区的塑料门窗焊接质量波动较大。因此，针对寒冷地区生产厂家使用的焊机设备，将增加保温装置，以避免压钳温度的波动对焊接质量的影响^[6]。

4 塑料门窗焊接设备发展方向

焊接塑料门窗加工过程中技术性较强的一道工序。角强度、外形几何尺寸公差、对角线公差、平面度公差等重要指标都和焊接有直接关系。焊机机械调试与工艺控制两方面都是重要的保证因素。随着技术发展，工艺控制将发挥越来越重要的作用。提高工艺控制的精密度和自动化程度都将是塑料门窗焊机设备的发展方向。

5 结语

本文分析了焊接设备的基本现状以及在实际焊接工况存在的一些问题，结合公司焊接机出现的的技术问题引伸出对塑窗焊接机焊接过程的热力学分析以及对焊接工艺参数的优化，并取得了较为满意的结论。

参考文献：

[1]刘可峰.热熔对接焊控制系统的研制[D].西安：西安理工大学，2010.

[2]王勇.熔化焊焊接接头的温度场和应力数值模拟[D].北京：北京交通大学，2009.

[3]张慧贞.影响彩色塑料门窗焊接质量的因素及控制措施[J].工程塑料应用，2004（9），27-28.

[4]吴兆生.塑料门窗焊角出现缺陷的避免和预防[J]，天津建材，2013，3：14-16.

[5]刘瑞江.张业旺等.正交实验设计和分析方法研究[D].江苏：江苏大学，2010.

[6]胡滨.塑钢材料焊接的工艺参数优化及其焊接装备的优化设计 [D].湖北：长江大学，2017.

作者简介：庞仁斌 （1979.8.14-），男，汉族，籍贯：山东省济南市商河县，中专，研究方向：门窗加工设备的研发与制造。