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圆棒榫,木材旋转焊接技术

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提到焊接,你能想起什么呢?

火心四溅?高温高热?闪瞎了眼?

不管你想到什么,反正你不大可能想到我们的家具,更不会与木材联系在一起。为什么?因为你会觉得焊接木头,那不是“火上浇油”的事嘛,谁让咱们钟爱的木材最惧怕高温和火啊。

嗯!你说的没错,要是真如传统焊接技术似的拿着焊枪在两块木头之间吱吱的喷火,恐怕得打119报火警了。

不过,我们今天要说的焊接确实是应用于木制品的连接,但不同于常见铁器焊接需要超高热源的导入。到底是什么神秘的技术呢?不要着急,本文讲给大家介绍的就是:

“圆棒榫旋转木材焊接技术”

现在的木制品连接方法不好吗?

当然不是!实木家具的生产与装配技术发展至今,已趋于成熟和稳定,但仍然有值得改善的空间和余地。

传统的榫卯接合生产工艺复杂、木材损失严重;金属件连接中的金属件易出现锈斑或被腐蚀而影响到接合的强度;圆棒榫接合,在组装时须在榫孔内或榫上涂胶,因此存在胶液易污染非接合表面、生产和使用中有一定污染物质释放的情况。

而我们要说的圆棒榫旋转木材焊接技术是二十世纪末、二十一世纪初从欧洲发展起来的新技术,圆棒榫在预先钻好的圆榫孔中(孔径比圆棒榫的直径稍小)高速旋转,且不加任何胶粘剂或其它任何材料,而固定在钻好孔的木基材中或将基材相对固定,是一种瞬间接合、经济、环境友好、极具发展潜力的木材接合技术。

到底啥是圆棒榫旋转木材焊接?

如何给这种技术下定义呢?相关学者是这样描述的:不添加任何黏合剂,高速旋转的圆棒榫通过摩擦而致其与木基材在瞬间(2-4秒)接合并具有一定强度的连接技术,称之为圆棒榫旋转木材焊接。

圆棒榫旋转木材焊接示意图

划重点了,“高速旋转”、“摩擦”、“瞬间接合”无疑是该技术的特点,可还是不明白的是:为什么这样做就可以实现所谓的“焊接”呢?

原理是这样的:圆棒榫高速旋转进入榫孔,在接触界面间,圆棒榫和榫孔内壁摩擦而产生高温,木材纤维无定形区的高分子聚合物(主要是木质素,也有部分半纤维素)被软化、融化,而纤维形成缠结网,融合在融熔的木材高分子聚合物中,当圆棒榫停止转动后,冷却固化形成了焊接带而连接在一起。

焊接带的表观和微观结构

从上图可以看出焊接带的显微互相交织相连,当木材摩擦焊接完成后,在形成的“新界面”木质素和半纤维素(糠醛、木聚糖)发生聚合和交联化学反应,因此圆棒榫停止旋转运动后,为了保证一定的接合强度,还需保持一定瞬时的压力。

圆棒榫旋转焊接技术如何应用呢?

圆棒榫是家具工业中较常见的插入榫,板式家具部件之间的接合与定位、实木框架的接合均可通过圆棒榫将若干个部件组装在一起。

近年来,高速旋转圆棒榫木材焊接技术在欧洲已于家具部件直接和角部结合两类连接方式中展开应用研究,其结构强度、产品稳定性符合相关要求。

实木家具直接结合怎么用?

实木家具中的直接结合是最基本的装配方式之一,如果采用圆棒榫旋转焊接,结果如何一定是大家最为关心的问题。

研究人员选取斜接、搭接和鸠尾接三种家具部件直接结合方式,对圆棒榫旋转焊接体与圆棒榫胶接合体、钉接合体进行力学性能比较,研究结果认为圆棒榫旋转木材焊接较钉接有较好的强度和刚度、与圆棒榫胶接强度和刚度相当,可以在家具部件装配中应用。

不同角度和数量的斜接

不同角度和数量的搭接

不同角度的鸠尾接

实木家具角部结合怎么用?

角部结合也是家具结构中的重要部分,其主要有“L”型和“T”型两种连接方式。

性能好的“T”型连接可以提高家具角部结合强度,其强度和刚度对家具产品质量十分重要。

T型结构的力学性能测试

家具中的“L”型结合是家具外框连接的常用形式,由于这种结合中受力点在木材边部,“L”型连接部件的力学性能相对于“T”型结合差。

经实验表明,榫卯结合的“L”型部件通过一定数量的圆棒榫旋转焊接技术,连接过程中未添加任何物质,且其力学强度符合欧洲标准。

有没有典型的技术应用案例呢?

有的。随着圆棒榫旋转焊接技术的不断发展,在欧洲将其应用到家具生产装配中正如火如荼展开研究。

如著名荷兰建筑设计大师赫里特·里特费尔德设计的极简抽象派Z字型椅,用四块榉木板以间距为32mm圆棒榫,不添加任何物质、仅通过圆棒榫旋转焊接组装。

使用圆棒榫旋转焊接的Z字椅

使用圆棒榫旋转焊接的柜子

圆棒榫高速旋转摩擦焊接机

圆棒榫旋转焊接在国内有前景吗?

如果技术成熟且成本得到有效控制的话,这项连接技术应当是具有不错前景的。

首先,在国内家具业界时而爆料因有毒物质(如甲醛)释放而引起的纠纷,无任何物质添加的圆棒榫旋转木材焊接技术能满足国人对高质量家具生活品质的追求;

圆棒榫旋转木材焊接强度与木材树种有关,国外已在榉木、桉木等硬阔叶材中开展了研究、应用,国内中高档红木家具中应用这一技术也可行;

对于人造板中应用木材焊接技术,国外已对刨花板、中密度纤维板、胶合板、定向刨花板等开展研究,对于圆棒榫旋转木材焊接人造板家具可以进行尝试;

在家具生产企业,可以对32mm系列孔加工设备进行适当改进,通过圆棒榫旋转木材焊接技术来组装家也是可行的。

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