基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的PVC地板布焊接工藝優(yōu)化

沈鶴飛，趙民，滕全全，韓曉輝，鄭自芹，王浩，徐智寶

摘 要：通過正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)PVC地板布熱風(fēng)焊焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分析了不同焊接工藝參數(shù)對(duì)PVC焊接接頭拉伸強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭拉伸強(qiáng)度影響排序：焊接機(jī)溫度刻度>新/舊機(jī)>是否加蓋>焊接機(jī)速度刻度>風(fēng)量檔位。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的得到的最優(yōu)工藝參數(shù)為：焊接機(jī)溫度刻度4.5，焊接機(jī)速度刻度2.5，風(fēng)量檔位3，不加蓋，新焊接機(jī)，最優(yōu)工藝參數(shù)下得到焊接接頭拉伸強(qiáng)度均值為6.55 MPa，為母材強(qiáng)度的81.8%。對(duì)焊接接頭的3種斷裂模式分析表明，熔合線的粘接強(qiáng)度決定了為PVC地板布焊接接頭的拉伸強(qiáng)度，表面熔合質(zhì)量與根部熔合質(zhì)量直接影響相應(yīng)的斷裂模式與拉伸強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：工藝參數(shù);正交試驗(yàn); PVC地板布;拉伸強(qiáng)度;熱風(fēng)焊

中圖分類號(hào)：TQ320 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）12-0007-05

Optimization of Welding Process of PVC Floor Cloth Based on Orthogonal Test Design

Shen Hefei1， Zhao Min1， Teng Quanquan2， Han Xiaohui1， Zheng Ziqin2， Wang Hao1， Xu Zhibao2

（1. CRRC QINGDAO SIFANG Co.， Ltd.， Qingdao 266111，China ; 2. Yantai Branch Corporation Co.， Ltd.， 52 Institute of China North Industries Group， Yantai 264003， China）

Abstract：Orthogonal design test is adopted to optimize the hot air welding process parameters of PVC floor cloth， and the influence of different welding process parameters on tensile strength of PVC welded joint is analyzed. The results show that influence from large to small is： welding machine temperature scale， new or old machine， cap or not， welding machine speed scale， air volume gear. The optimal process parameters obtained by orthogonal test design are： welding machine temperature scale 4.5， welding machine speed scale 2.5， air volume gear 3， uncapped， new welding machine. Under the optimal process parameters， the average tensile strength value of welded joints is 6.55 MPa， which is 81.8% of the strength of base material. The analysis of three fracture modes of welded joint shows that the bonding strength of fusion line determines the tensile strength of welded joint for PVC floor cloth， and the surface fusion quality and root fusion quality directly affect the corresponding fracture mode and tensile strength.

Key words：process parameters;orthogonal test;PVC floor cloth;tensile strength;hot air welding

0 引言

PVC一般指聚氯乙烯，PVC地板布常用于軌道交通車輛的室內(nèi)裝飾，不但具有美觀、環(huán)保、易清理等特點(diǎn)，還具有良好的踩踏舒適性、耐用性、隔水性等良好性能[1]。由于車輛內(nèi)空間及地板布原材尺寸限制等因素，無法使用整張PVC地板布進(jìn)行鋪裝軌道車輛，因此，常常使用多幅地板布進(jìn)行拼裝焊接;軌道車輛PVC地板布焊接方式多采用熱風(fēng)焊[2]，即使用PVC焊條或其他膠粘劑填充相鄰兩塊地板布之間的縫隙，使其連接起來。這不僅要求對(duì)接地板布有良好的外觀，還需要保證其不會(huì)出現(xiàn)根部未焊透、粘接不牢、焊條脫落、焊線開裂、邊緣燙焦等質(zhì)量問題[3-4]。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度很大程度上反映了其焊接質(zhì)量，焊接工藝參數(shù)直接影響焊接質(zhì)量，如焊接機(jī)溫度檔位、焊接機(jī)速度檔位、風(fēng)量、是否加蓋等[4]。

本文以PVC地板布焊接接頭為研究對(duì)象設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)[5-6]，對(duì)兩臺(tái)不同的焊接機(jī)（新/舊）的各焊接工藝參數(shù)（焊接機(jī)溫度檔位、焊接機(jī)速度檔位、風(fēng)量、是否加蓋）對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究，確定了最佳的焊接施工工藝參數(shù);通過對(duì)焊接接頭的斷裂分析，提出了進(jìn)一步提高PVC地板布焊接接頭焊接質(zhì)量的措施。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料及方法

試驗(yàn)原材料選擇用厚為2.5 mm的PVC地板布及其配套的PVC焊條（直徑3.5 mm）;使用Leister型地板布開槽機(jī)和焊接機(jī)，設(shè)定的開槽深度為地板布厚度的三分之二，坡口形狀為梯形;將開槽后的地板布表面進(jìn)行清理，設(shè)定好焊接機(jī)的溫度檔位、速度檔位和距離等參數(shù)導(dǎo)入PVC焊條對(duì)地板布的槽口進(jìn)行焊接，焊接完成后待冷卻，切除多余焊條。

不同焊接工藝下的焊接接頭拉伸試驗(yàn)取樣制備與檢測方法參照HG/T 4282—2011《塑料焊接試樣拉伸檢測方法》中的規(guī)定執(zhí)行;采用CMT4303電子拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行檢測，采用OLYMPUS SZX10型體視顯微鏡和Axio Observer.A1m型金相顯微鏡對(duì)焊接接頭橫截面形貌進(jìn)行觀察。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

PVC地板布熱風(fēng)焊焊接工藝參數(shù)主要包括焊接機(jī)溫度檔位、焊接機(jī)速度檔位、風(fēng)量檔位、是否加蓋及焊接機(jī)新（舊）等，焊接機(jī)溫度對(duì)焊接接頭質(zhì)量影響最為明顯，而是否加蓋、風(fēng)量檔位等對(duì)其影響不是很大;為找到合理的焊接工藝參數(shù)與水平，采用混合水平正交設(shè)計(jì)表，5個(gè)因素分別為焊接機(jī)溫度（A）、焊接機(jī)速度（B）、風(fēng)量（C）、是否加蓋（D）和焊接機(jī)新/舊（E）。因素A取4個(gè)水平，因素B～因素E各取2個(gè)水平;正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)混合水平——正交設(shè)計(jì)表如表1所示;混合水平——因素-水平表如表2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交設(shè)計(jì)表中確定的工藝參數(shù)及水平進(jìn)行PVC地板布焊接，焊后取拉伸試樣后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測試焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，以確定最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)。表3為以焊接接頭抗拉強(qiáng)度為響應(yīng)量的極差分析表，根據(jù)各個(gè)水平下的抗拉強(qiáng)度平均值的差值算出各個(gè)影響因素極差R，極差大小反映該因素對(duì)指標(biāo)的影響程度。由表3可看出，對(duì)PVC地板布焊接接頭抗拉強(qiáng)度影響大小依次排序?yàn)椋汉附訖C(jī)溫度刻度（A）、新/舊焊接機(jī)（E）、是否加蓋（D）、焊接機(jī)速度刻度（B）、風(fēng)量檔位（C），得到的最佳焊接工藝參數(shù)組合為A3B2C1D1E1，即焊接機(jī)溫度刻度4.5、焊接機(jī)速度刻度2.5、風(fēng)量檔位3、不加蓋和新焊接機(jī)。

焊接接頭抗拉強(qiáng)度均值隨不同焊接工藝水平的變化趨勢(shì)如圖1所示。由圖1（a）可看出，隨著焊接機(jī)溫度刻度的增大，其抗拉強(qiáng)度現(xiàn)增大后降低，當(dāng)位于4.5溫度刻度時(shí)，抗拉強(qiáng)度均值出現(xiàn)最大值。這是由于焊接機(jī)溫度刻度直接影響焊接機(jī)出風(fēng)口的出風(fēng)溫度，溫度過高或過低，可能會(huì)導(dǎo)致表面燙焦、虛焊或根部未熔透等焊接質(zhì)量缺陷，從而導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低;從焊接機(jī)速度刻度和風(fēng)量檔位對(duì)抗拉強(qiáng)度均值的影響看，焊接機(jī)速度刻度和風(fēng)量檔位的提高，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度提高。焊接風(fēng)量間接影響焊接速度;而焊接速度影響焊條和PVC母材接觸時(shí)間、能量累計(jì)時(shí)間和冷卻時(shí)間[1]。在較大的出風(fēng)量（3風(fēng)量檔位）的同時(shí)選擇較快的焊接速度（2.5），能夠使得焊條充分熔化填充到縫隙中并與母材充分接觸，從而得到較好的焊接質(zhì)量;從焊接機(jī)的新/舊和焊接過程中是否加蓋的影響規(guī)律看，不加蓋的新焊機(jī)焊接接頭質(zhì)量好于加蓋的舊焊接機(jī)。

3.2 最優(yōu)焊接工藝參數(shù)驗(yàn)證

采用正交試驗(yàn)篩選出來的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)對(duì)PVC地板布進(jìn)行工藝驗(yàn)證，PVC母材與焊接接頭拉伸強(qiáng)度柱狀圖如圖2所示。由圖2可看出，焊后焊接接頭拉伸強(qiáng)度均值為6.55 MPa，可以達(dá)到母材強(qiáng)度（均值8.00 MPa）的81.8%;焊接接頭拉伸強(qiáng)度顯著提高，說明使用正交試驗(yàn)優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)是可靠的。

3.3 焊接接頭斷裂分析

PVC地板布在不同焊接工藝參數(shù)下的焊接接頭拉伸斷裂后的側(cè)面宏觀照片，其有3種起裂模式：（1）根部熔合線起裂;（2）兩側(cè)熔合線同時(shí)起裂;（3）表面熔合線起裂。從圖3中可看出，焊接接頭拉伸試樣斷裂均位于熔合線。因此，熔合線是PVC地板布焊接接頭的薄弱區(qū)域，即焊接接頭的強(qiáng)度取決于焊料與母材的粘接強(qiáng)度。

圖4為不同斷裂模式下典型焊接接頭的宏觀形貌。由圖4（a）可見，在根部熔合線處起裂時(shí)，焊接接頭宏觀形貌上呈現(xiàn)根部未熔透現(xiàn)象，該位置受應(yīng)力集中影響導(dǎo)致根部未熔透處為裂紋起裂的敏感區(qū)域，當(dāng)試樣受拉伸載荷作用下根部未熔透處最先起裂，隨著載荷繼續(xù)增大，裂紋沿著焊接接頭最薄弱的區(qū)域（熔合線）開始逐漸撕裂至完全斷裂，表面熔合線處為最后斷裂位置。如圖4（b）所示，當(dāng)根部熔合線和表面熔合線的粘接強(qiáng)度均粘接良好且無缺陷，在拉伸過程中，在焊縫的表面熔合線和根部熔合線兩處同時(shí)起裂，并逐漸扯裂至中心處斷裂。如圖4（c）所示，當(dāng)焊機(jī)出風(fēng)口溫度過高時(shí)，導(dǎo)致焊條熔融溫度過高，焊條完全填充滿焊縫根部，而出現(xiàn)焊條“咬邊”表面熔合線處燙焦的現(xiàn)象，位于表面熔合線燙焦處，母材與焊條粘接強(qiáng)度低;因此表面熔合線燙焦處為裂紋起始的敏感區(qū)域，并沿熔合線逐漸撕裂至焊縫根部。

熔合線是PVC地板布焊接接頭的薄弱區(qū)域，即PVC焊接接頭熔合線處母材與焊條的粘接強(qiáng)度決定著焊接接頭的拉伸強(qiáng)度，而熔合線處的缺陷是影響粘接強(qiáng)度的重要因素。圖5為焊接接頭熔合界線處良好的焊接接頭微觀形貌，由圖5可看到其根部填充完滿且無未熔合和虛接的現(xiàn)象，表面處也無燙焦導(dǎo)致的開裂和氣孔等。而當(dāng)焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)或施工控制不準(zhǔn)確導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)焊接缺陷，如圖6所示。當(dāng)焊接溫度過低會(huì)導(dǎo)致表面熔合線處出現(xiàn)未熔合或根部未熔合，如圖6（a）、（b）所示;當(dāng)焊接溫度過高或焊接速度過低，會(huì)出現(xiàn)虛接、熱氣化孔洞或燙焦等，如圖6（c）、（d）所示。

綜上所述，從焊接接頭外觀狀態(tài)或微觀形貌上可以大致判斷出地板布焊接接頭的拉伸斷裂模式與拉伸強(qiáng)度大小，PVC地板布焊接接頭拉伸時(shí)裂紋起裂位于試樣表面熔合線或根部熔合線，表面熔合線處的粘接強(qiáng)度與根部熔合線處的粘接強(qiáng)度關(guān)系決定了其斷裂模式和拉伸強(qiáng)度。

當(dāng)PVC地板布焊接接頭出現(xiàn)根部未熔合或虛焊情況而表面熔合狀態(tài)良好的情況時(shí)，則表面熔合線的粘接強(qiáng)度高于根部熔合線粘接強(qiáng)度，焊接接頭受拉伸載荷作用，裂紋優(yōu)先從根部熔合線處萌生并逐漸撕裂;當(dāng)焊接接頭出現(xiàn)表面未熔合、表面燙焦導(dǎo)致的熔合線孔洞而根部熔合良好的情況時(shí)，則表面熔合線的粘接強(qiáng)度低于根部熔合線，焊接接頭從表面熔合線處起裂。當(dāng)焊接工藝參數(shù)匹配良好，使得表面熔合與根部熔合均良好，根部熔合線與表面熔合線粘接強(qiáng)度大致相等，焊接接頭則從兩側(cè)熔合線起裂。

從根部熔合線起裂和表面熔合線起裂兩種斷裂模式下的焊接接頭的拉伸強(qiáng)度均低于兩側(cè)熔合線起裂模式下的焊接接頭強(qiáng)度。因此，尋找最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)，既能保證焊條與PVC地板布間隙填充飽滿無空隙，即根部熔合線處有較好的粘接強(qiáng)度，又要避免焊機(jī)出風(fēng)口溫度過高導(dǎo)致焊條與母材熔合線處出現(xiàn)燙焦，即表面熔合線有較好的粘接強(qiáng)度，是提高PVC地板布焊接接頭焊接質(zhì)量和強(qiáng)度的決定性因素。

4 結(jié)語

（1）通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析了不同水平下焊接工藝參數(shù)對(duì)PVC地板布焊接接頭拉伸強(qiáng)度的影響規(guī)律，得出了焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭拉伸強(qiáng)度的影響主次依次排序：焊接機(jī)溫度刻度（A）、新/舊焊接機(jī)（B）、是否加蓋（C）、焊接機(jī)速度刻度（D）、風(fēng)量檔位（E），獲得了最佳的焊接工藝匹配為：A3B2C1D1E1。

（2）PVC地板布焊接接頭拉伸斷裂位置均位于母材與焊條接觸界面的熔合線處，即熔合線是PVC地板布焊接接頭薄弱區(qū)域;焊接接頭的強(qiáng)度取決于焊條與母材的粘接強(qiáng)度;PVC地板布焊接接頭在拉伸斷裂時(shí)裂紋起裂又分為根部熔合線起裂、兩側(cè)熔合線同時(shí)起裂和表面熔合線起裂3種斷裂模式;焊接接頭表面熔合質(zhì)量與根部熔合質(zhì)量之間的關(guān)系決定了其斷裂模式與拉伸強(qiáng)度。

（3）PVC地板布焊接工藝參數(shù)之間互相匹配調(diào)節(jié)才能獲得最優(yōu)的焊接質(zhì)量，即調(diào)節(jié)工藝參數(shù)以提高表面和根部粘接強(qiáng)度，同時(shí)降低表面和根部熔合線處的焊接缺陷是未來進(jìn)一步提高PVC地板布焊接質(zhì)量的發(fā)展方向。

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