IMG-LOGO
IMG-BLOG

جوشکاری چوب

دسته :

جوشکاری چوب: جایگزینی چالش برانگیز برای چسباندن معمول چوب

 

نویسندگان : JEAN MICHEL LEBAN1 , ANTONIO PIZZI2 , MILENA PROPERZI3 , FREDERIC PICHELIN3 , PIERRE GELHAYE1 & CHRISTOPHE ROSE4

چکیده
یافته های اخیر در مورد راهی جدید برای اتصال دو قطعه چوب توسط جوشکاری چوب ، که به صورت مکانیکی ایجاد شده است خبر می دهد . چشم انداز چالش برانگیزی برای تولید محصولات چوبی سازگار با محیط زیست ، به عنوان مثال بدون چسب. این فرآیند به تازگی در صنعت چوب استفاده می شود، که با توجه به خواص مکانیکی چوب و پارامترهای جوشکاری با دوحالت جوشکاری ارتعاشی خطی و مستقیم ارائه شده است .این نوع جوشکاری (اصطکاکی چرخشی) برای تمام گونه های مختلف چوب مورد آزمایش قرار گرفت که در مطلوبترین حالت خود مقاومت درجه ساختاری چوب را بهمراه داشت .تراکم پیوند حاصله با استفاده از میانگین نقشه های چگالی برای چوب های راش ، صنوبر و کاج با این روش موفقیت آمیز بوده است ، که می تواند آینده صنعت مبلمان را به میزان قابل توجهی تغییر دهد . اهداف این مقاله ارائه نتایج اصلی بدست آمده تاکنون و پیشنهاد مناطق تحقیقاتی مختلف مورد نیاز است که این روش جدید اتصال چوب جامد را بهبود ببخشد.

واژه های کلیدی: آناتومی چوب ، پیوند چوب ، تراکم چوب ، جوشکاری چوب

مقدمه

تقریبا در تمام زمینه هایی که چوب دخیل است یک ماده ساختمانی لازم است که قطعات را بهم متصل کنید ، استفاده از اتصالات مکانیکی و یا استفاده از چسب های کم و بیش سازگار با محیط زیست . در تجزیه تحلیل چرخه زندگی  و مقایسه محصولات چوبی با محصولات با متریال های دیگر ضروریات تکنولوژی تاثیر می گذارد و این خوب نیست، به همین خاطر یافته های اخیر در رابطه با جوشکاری چوب یک راه جدیدی را باز میکند که چشم اندازی چالش برانگیز برای تولید محصولات چوبی سازگار با محیط زیست می باشد ، به عنوان مثال  بدون چسب .

روش

جوشکاری اصطکاکی روشی است که در آن گرما ایجاد می شود که در حین  ذوب شدن مواد به فشار هم نیاز است و البته همراه با ارتعاش (لرزاندن دوقطعه با سرعت نسبت به هم ).  گرما
تولید شده توسط اصطکاک حاصل در چند ثانیه ، مواد را ذوب می کند سپس لرزش متوقف شده و قطعات تحت هم نگه داشته می شوند فشار تا زمان ایجاد پیوند جامد برای مواد ترموپلاستیک ، چنین پیوندهایی دائمی هستند.فناوری دامنه و فرکانس ،  فشار حرکت و مدت زمان تحت فشار نگه داشتن پارامترهای اصلی جوشکاری هستند که در این امر دخیلند .این پارامتر ها به طور کلی به هم وابسته هستند . در این آزمایشخاصیت جوشکاری وبرنامه صنعتی آن کشورآلمان پیشگام بود و به همه نشان داد که میتوان روی چوب جامد این روش را استفاده کرد ، و بعد آنها سوئیس و فرانسه با جدیدت بیشتری در حال کار روی این زمینه هستند .تحقیقات اخیر با هدف بررسی جوشکاری چرخشی وخطی صورت گرفته با در نظرگرفتن تنوع ساختار تشریحی (آناتومیک) در انواع چوب هاست .نتایج بلقوه نشان دهنده این موضوع میباشد که جوشکاری چوب مزایای بیشتری نسبت دیگراتصالات رایج مصرفی ماندد چسب ، پیچ و رولپلاک دارد حتی در چوبهای دارای روکش لمینت یا قطعات مختلف مبلمان یا اجزای سازنده داخلی مبل ها ، در حالتی که اتصالات رایج در مفاصل خارجی یا مقاومت در برابر آب بسیار ضعیف هستند که می توان آنها را فقط برای فضاهای داخلی استفاده کرد .

جوشکاری ارتعاشی خطی 

نمونه های چوبی که باید با هم متصل شوند ابتدا با فشار 1.33مگاپاسکال در تماس قرار میگیرند و با یک حرکت رفت و برگشتی خطی (اصطلاحا مالشی)، نمونه ها با دامنه جابجایی حداکثر 3 میلیمتر با فرکانس 100 هرتز ارتعاش داده میشوند در این آزمایش از دستگاه جوش برانسون استفاده شده بودکه دستگاه جوش معمول فلزات است و نمونه ها دو قطعه در ابعاد 150/20/15 میلی متر بودند ، آنها با هم جوش داده شدند و با هم یک اتصال 150/20 در 2 میلی متر و فقط در عرض چند ثانه به اتصال هم جوشی رسیدند ، روند لرزش متوقف شد ولی فشار وارده برای چند ثانیه بیشتر ادامه داشت تا انجماد پیوند برقرار شد . نمونه های جوش داده شده به مدت 1 هفته در دمای 208 درجه سانتیگراد حفظ شدند با رطوبت نسبی 60% قبل از آزمایش مکانیکی .

جوشکاری اصطکاکی چرخشی 

در این روش ازدو قطعه چوب که به صفحات فیکس شده اند استفاده شد با چوب صنوبر ، چرخش واره به چوب ها  1200 دقیقه بر دور بود و وقتی همچوشی و پیوند حاصل شد چرخش متوقف شد ولی دوقطعه تحت فشار برای چند ثانیه باقی ماندند تا انجماد اتفاق بیوفتد .لازم به ذکر ست در این آزمایش  از قطعات صنوبر استفاده شد با این تفوت که هردو قطعه فبل از آزمایش با مته 10 سوراخ شدند و یک قطعه ناخنی شکل از چوب راش وارد آنها شد و بعد آزمایش انجام شد که ماحصل آن اتصال قوی بود .

خواص مکانیکی پیوند 

مقاومتهای کششی متوسط پیوندهای بدست آمده ، در فرآیند ارتعاش خطی بین 10 و11 MPa بود و در زمان جوشکاری 3 ثانیه به دست آمد.

فرآیندهای درگیر
هنگامی که این روش بر روی چوب جامد اعمال می شود ، چندین فرآیندهای فیزیکی ، شیمیایی و مکانیکی با هم درگیرهستند ،فشرده سازی عرضی از چوبی که به طور همزمان گرم می شود در حالی که سرعت چاشنی کار است و جابجایی ارتعاشی اعمال می شود . کاهش میزان رطوبت چوب ، کاهش محتوا در ضریب اصطکاک و اصلاح شیمیایی ساختار چوب در هنگام گرم کردن و همینطورانجماد مفصل ذوب شده همه اتفاقاتی هستند که در ازمایش رخ میدهد . جوشکاری یا پیوندی که اتفاق می افتد احتمالا به طور عمده توسط ذوب شدن و انجماد پروتونین (به عنوان مثال لیگنین در دیواره سلول در حالت طبیعی خود) و تا حدی توسط درهم تنیدگی فیزیکی الیاف به هم پیوسته بین آنها است که موجب جوشکاری مستقیم سلول ها میشود . protolignin: به طور قابل توجهی گرمانرم، سفت و سخت و متمرکز در لایه میانی و ترکیبی از سلول های چوبی است .
اثر آناتومی چوب
در طی فرآیند اصطکاک ، فشار وارد شده الیاف را در جهت عرضی فشرده می کند. درابتدا دیواره های سلول به طور یکنواخت خم می شوند و سپس بسیار به سرعت ، سقوط پلاستیکی عرضی به داخل در امتداد طول نمونه ها گسترش می یابد که منجر به تراکم چوب می شود .مکانیسم تغییر شکل فشاری بسیار وابسته به آناتومی چوب و خصوصیات تشریحی هستند (نوع سلولها (نای ، عروق ، اشعه و غیره) و اندازه لومن و دیواره سلول آنها) . تراکم پیوند حاصل توسط میکرودانسیتومتری اشعه ایکس استفاده شد و توموگرافی نشان می دهد نقشه های چگالی  و نمونه هایی با ساختارهای مختلف آناتومیکی چوب برای سه پیوند به دست آمده است . عرض و خط پیوند برای گونه های مختلف متفاوت است مثلا خط پیوند در چوب راش مستقیم و نازک است یا چوب بلوط متخلخل به شکل مفصل انگشت است .

باتوجه به تنوع شناخته شده در چوب ها آزمایشات فراوانی باید صورت گیرد تاحصول اطمینان از کاربردی بودن این روش در صنعت ایجاد شود ، واینکه این روش به صورت گسترده میتواند اعمال شود .نتایج آنها به دست آمده توسط تجزیه و تحلیل تشدید مغناطیسی هسته ای نشان می دهد که مقدار مشخصی از دمتوکسیلاسیون لیگنین در طی جوشکاری ، رخ داده است و نسبت کربوهیدرات های آمورف به نظر می رسد در هنگام جوشکاری کمی افزایش می یابد.واکنش تراکم خودکار لیگنین بر روی حلقه معطر آن اتفاق افتاده است به نظر می رسد در حین جوشکاری تولید شده اند و با استفاده از هسته های معطر لیگنین ، خود پلیمریزه شده یا واکنش نشان داده اند یا هر دو .  برخی از استیل شدن همی سلولزها در حین جوشکاری ، رخ داده است که اسید استیک آزاد می کند که احتمالاً در بروز واکنشهای قبلی نقش دارد.اگرچه نتایج نشان می دهد که برخی از واکنش های متراکم سازی و / یا پیوند متقابل که شامل لیگنین و فورفورال است ، رخ می دهد اما به نظر نمی رسد حد محدود مفصل را توجیه کند مقاومت پیوند 10 MPa در جریان چوب بدست آمده است جوشکاری در این واکنش ها مطمئناً سهیم است  و میتواند عامل باشد ،اما بعید است علت اصلی باشد . از نتایج بدست آمده تاکنون ، این احتمال میرود که در آینده نزدیک این فناوری مورد توجه گسترده ای قرار گیرد و در طیف گسترده ای از برنامه های تولیدی استفاده شود به عنوان یک جایگزین اکولوژیکی برای چسب یا میخ و اتصالات در حال حاضر آزمایشات بر روی نمونه های کوچک انجام شده است و در آینده نزدیک آزمایشات روی نمونه های بزرگتر باید انجام شود یا آزمایش روی نمونه های لمینت شده و همینطور تحقیق روی این زمینه ها ضروری میشود . باید به تاثیر عوامل متفاوت در چوب مانند گونه ،ترکم حقه ، زاویه دانه ، سرعت رشد و غیره توجه داشت ،و همینطور پارامتر های جوشکاری مانند دامنه و فرکانس حرکت ، فشار اصطکاک و مدت تحت فشار نگه داشتن در پیوند انجام شده تعریف می شوند و از اهمیت ویژه ای برخوردارند .یکی از اهداف اصلی کار آینده توضیح مکانیسم های چسبندگی در سطح مولکولی به عنوان یک نتیجه از فرآیندهای ترمومکانیکی و شیمیایی درگیر در فرآیند جوشکاری چوب باید باشد .و چالش بعدی مقاوت این فرآیند در برابر آب خواهد بود .اگر این روش موفقیت آمیز باشد کمک  بزرگی به استفاده بهینه تر از چوب میشود و همینطورمسبب ارتقا سطح جنگلها خواهد بود.

References
Ganne-Chedeville, C., Pizzi, A., Thomas, A., Leban, J. M., Bocquet, J.-F., Depres, A. & Mansouri, H. R. (2005).
Parameter interactions, two-block welding and the wood nail concept in wood dowels welding. Journal of Adhesion Science and Technology , 19 , 1157/1174.
Gfeller, B., Zanetti, M., Properzi, M., Pizzi, A., Pichelin, F.,Lehmann, M. & Delmotte, L. (2003). Wood bonding by vibrational welding. Journal of Adhesion Science and Technol-ogy , 17 , 1573/1589.
Gfeller, B., Properzi, M., Zanetti, M., Pizzi, A., Pichelin, F., Lehmann, M. & Delmotte, L. (2004a). Wood bonding by mechanically-induced in situ welding of polymeric structural wood constituents. Journal of Applied Polymer Science , 92 , 243/251.
Gfeller, B., Pizzi, A., Zanetti, M., Properzi, M., Pichelin, F., Lehmann, M. & Delmotte, L. (2004b). Solid wood joints by in situ welding of structural wood constituents. Holz- forschung , 58,45/52.
Gibson, J. J. & Ashby, M. F. (1988). Cellular solids, structure and properties . Oxford: Pergamon Press.
Gliniorz, K. U., Mohr, S., Natterer, J. & Navi, P. (2001). Wood welding. Proceedings of the First International Conference of the European Society of Wood Mechanics (pp. 571/574).
Lausanne: EPFL Press.
Kanazawa, F., Pizzi, A., Properzi, M., Delmotte, L. & Pichelin, F. (2005). Parameters influencing wood-dowel welding by high speed rotation. Journal of Adhesion Science and Technology , 19 , 1025/1038.
Leban, J. M., Pizzi, A., Wieland, S., Zanetti, M., Properzi, M. & Pichelin, F. (2004). X-ray microdensitometry analysis of vibration-welded wood. Journal of Adhesion Science and Technology , 18 , 673/685.
Panshin, A. J. & De Zeeuw, C. (1964). Text book of wood technology (Vol. 1). London: McGraw-Hill.
Pizzi, A., Leban, J. M., Kanazawa, H., Properzi, M. & Pichelin, F. (2004a). Wood dowels bonding by high speed rotation welding. Journal of Adhesion Science and Technology , 18 , 1263/1278.
Pizzi, A., Properzi, M., Leban, J. M., Zanetti, M. & Pichelin, F.(2004b). Mechanically induced wood welding. MaderasCiencia y Tecnologia , 5 , 101/106.
Properzi, M., Leban, J. M., Pizzi, A., Wieland, S., Pichelin, F. &Lehmann, M. (2005). Influence of grain direction in vibra-tional wood welding. Holzforschung , 59 (1), 23/27.
Stamm, B., Natterer, J. & Navi, P. (2005). Joining wood byfriction welding. Holz als Roh und Werkstoff , 63 , 313/320.Suthoff, B., Schaaf, A., Hentschel, H. & Franz, U. (1996).German Patent No. DE 196 20 273 C2. http://publikatio-nen.dpma.de/TWI Technology (2005). World Centre for material joining technology. www.twi.co.uk
Wieland, S., Shi, B. Z., Pizzi, A., Properzi, M., Stampanoni, M.,Abela, R., et al. (2005). Vibration welding of wood: X-ray tomography, additives, radical concentration. Forest Product Journal , 55,84/87

با تشکر از همراهی شما

 ترجمه : آزاده مینایی