基于正交试验设计的PVC地板布焊接工艺优化

沈鹤飞，赵民，滕全全，韩晓辉，郑自芹，王浩，徐智宝

摘 要：通过正交设计试验对PVC地板布热风焊焊接工艺参数进行优化，分析了不同焊接工艺参数对PVC焊接接头拉伸强度的影响。结果表明：焊接工艺参数对焊接接头拉伸强度影响排序：焊接机温度刻度>新/旧机>是否加盖>焊接机速度刻度>风量档位。正交试验设计的得到的最优工艺参数为：焊接机温度刻度4.5，焊接机速度刻度2.5，风量档位3，不加盖，新焊接机，最优工艺参数下得到焊接接头拉伸强度均值为6.55 MPa，为母材强度的81.8%。对焊接接头的3种断裂模式分析表明，熔合线的粘接强度决定了为PVC地板布焊接接头的拉伸强度，表面熔合质量与根部熔合质量直接影响相应的断裂模式与拉伸强度。

关键词：工艺参数;正交试验; PVC地板布;拉伸强度;热风焊

中图分类号：TQ320 文献标识码：A     文章编号：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地板布常用于轨道交通车辆的室内装饰，不但具有美观、环保、易清理等特点，还具有良好的踩踏舒适性、耐用性、隔水性等良好性能[1]。由于车辆内空间及地板布原材尺寸限制等因素，无法使用整张PVC地板布进行铺装轨道车辆，因此，常常使用多幅地板布进行拼装焊接;轨道车辆PVC地板布焊接方式多采用热风焊[2]，即使用PVC焊条或其他胶粘剂填充相邻两块地板布之间的缝隙，使其连接起来。这不仅要求对接地板布有良好的外观，还需要保证其不会出现根部未焊透、粘接不牢、焊条脱落、焊线开裂、边缘烫焦等质量问题[3-4]。焊接接头的抗拉强度很大程度上反映了其焊接质量，焊接工艺参数直接影响焊接质量，如焊接机温度档位、焊接机速度档位、风量、是否加盖等[4]。

本文以PVC地板布焊接接头为研究对象设计正交试验[5-6]，对两台不同的焊接机（新/旧）的各焊接工艺参数（焊接机温度档位、焊接机速度档位、风量、是否加盖）对焊接接头抗拉强度的影响进行研究，确定了最佳的焊接施工工艺参数;通过对焊接接头的断裂分析，提出了进一步提高PVC地板布焊接接头焊接质量的措施。

1 试验设备、材料及方法

試验原材料选择用厚为2.5 mm的PVC地板布及其配套的PVC焊条（直径3.5 mm）;使用Leister型地板布开槽机和焊接机，设定的开槽深度为地板布厚度的三分之二，坡口形状为梯形;将开槽后的地板布表面进行清理，设定好焊接机的温度档位、速度档位和距离等参数导入PVC焊条对地板布的槽口进行焊接，焊接完成后待冷却，切除多余焊条。

不同焊接工艺下的焊接接头拉伸试验取样制备与检测方法参照HG/T 4282—2011《塑料焊接试样拉伸检测方法》中的规定执行;采用CMT4303电子拉伸试验机对焊接接头的拉伸强度进行检测，采用OLYMPUS SZX10型体视显微镜和Axio Observer.A1m型金相显微镜对焊接接头横截面形貌进行观察。

2 正交试验设计

PVC地板布热风焊焊接工艺参数主要包括焊接机温度档位、焊接机速度档位、风量档位、是否加盖及焊接机新（旧）等，焊接机温度对焊接接头质量影响最为明显，而是否加盖、风量档位等对其影响不是很大;为找到合理的焊接工艺参数与水平，采用混合水平正交设计表，5个因素分别为焊接机温度（A）、焊接机速度（B）、风量（C）、是否加盖（D）和焊接机新/旧（E）。因素A取4个水平，因素B～因素E各取2个水平;正交试验设计混合水平——正交设计表如表1所示;混合水平——因素-水平表如表2所示。

3 试验结果与分析

3.1 正交试验结果

根据正交设计表中确定的工艺参数及水平进行PVC地板布焊接，焊后取拉伸试样后进行拉伸试验测试焊接接头的抗拉强度，以确定最优的焊接工艺参数。表3为以焊接接头抗拉强度为响应量的极差分析表，根据各个水平下的抗拉强度平均值的差值算出各个影响因素极差R，极差大小反映该因素对指标的影响程度。由表3可看出，对PVC地板布焊接接头抗拉强度影响大小依次排序为：焊接机温度刻度（A）、新/旧焊接机（E）、是否加盖（D）、焊接机速度刻度（B）、风量档位（C），得到的最佳焊接工艺参数组合为A3B2C1D1E1，即焊接机温度刻度4.5、焊接机速度刻度2.5、风量档位3、不加盖和新焊接机。

焊接接头抗拉强度均值随不同焊接工艺水平的变化趋势如图1所示。由图1（a）可看出，随着焊接机温度刻度的增大，其抗拉强度现增大后降低，当位于4.5温度刻度时，抗拉强度均值出现最大值。这是由于焊接机温度刻度直接影响焊接机出风口的出风温度，温度过高或过低，可能会导致表面烫焦、虚焊或根部未熔透等焊接质量缺陷，从而导致抗拉强度降低;从焊接机速度刻度和风量档位对抗拉强度均值的影响看，焊接机速度刻度和风量档位的提高，焊接接头的抗拉强度提高。焊接风量间接影响焊接速度;而焊接速度影响焊条和PVC母材接触时间、能量累计时间和冷却时间[1]。在较大的出风量（3风量档位）的同时选择较快的焊接速度（2.5），能够使得焊条充分熔化填充到缝隙中并与母材充分接触，从而得到较好的焊接质量;从焊接机的新/旧和焊接过程中是否加盖的影响规律看，不加盖的新焊机焊接接头质量好于加盖的旧焊接机。

3.2 最优焊接工艺参数验证

采用正交试验筛选出来的最优焊接工艺参数对PVC地板布进行工艺验证，PVC母材与焊接接头拉伸强度柱状图如图2所示。由图2可看出，焊后焊接接头拉伸强度均值为6.55 MPa，可以达到母材强度（均值8.00 MPa）的81.8%;焊接接头拉伸强度显著提高，说明使用正交试验优化后的焊接工艺参数是可靠的。

3.3 焊接接头断裂分析

PVC地板布在不同焊接工艺参数下的焊接接头拉伸断裂后的侧面宏观照片，其有3种起裂模式：（1）根部熔合线起裂;（2）两侧熔合线同时起裂;（3）表面熔合线起裂。从图3中可看出，焊接接头拉伸试样断裂均位于熔合線。因此，熔合线是PVC地板布焊接接头的薄弱区域，即焊接接头的强度取决于焊料与母材的粘接强度。

图4为不同断裂模式下典型焊接接头的宏观形貌。由图4（a）可见，在根部熔合线处起裂时，焊接接头宏观形貌上呈现根部未熔透现象，该位置受应力集中影响导致根部未熔透处为裂纹起裂的敏感区域，当试样受拉伸载荷作用下根部未熔透处最先起裂，随着载荷继续增大，裂纹沿着焊接接头最薄弱的区域（熔合线）开始逐渐撕裂至完全断裂，表面熔合线处为最后断裂位置。如图4（b）所示，当根部熔合线和表面熔合线的粘接强度均粘接良好且无缺陷，在拉伸过程中，在焊缝的表面熔合线和根部熔合线两处同时起裂，并逐渐扯裂至中心处断裂。如图4（c）所示，当焊机出风口温度过高时，导致焊条熔融温度过高，焊条完全填充满焊缝根部，而出现焊条“咬边”表面熔合线处烫焦的现象，位于表面熔合线烫焦处，母材与焊条粘接强度低;因此表面熔合线烫焦处为裂纹起始的敏感区域，并沿熔合线逐渐撕裂至焊缝根部。

熔合线是PVC地板布焊接接头的薄弱区域，即PVC焊接接头熔合线处母材与焊条的粘接强度决定着焊接接头的拉伸强度，而熔合线处的缺陷是影响粘接强度的重要因素。图5为焊接接头熔合界线处良好的焊接接头微观形貌，由图5可看到其根部填充完满且无未熔合和虚接的现象，表面处也无烫焦导致的开裂和气孔等。而当焊接工艺参数选择不当或施工控制不准确导致焊接接头出现焊接缺陷，如图6所示。当焊接温度过低会导致表面熔合线处出现未熔合或根部未熔合，如图6（a）、（b）所示;当焊接温度过高或焊接速度过低，会出现虚接、热气化孔洞或烫焦等，如图6（c）、（d）所示。

综上所述，从焊接接头外观状态或微观形貌上可以大致判断出地板布焊接接头的拉伸断裂模式与拉伸强度大小，PVC地板布焊接接头拉伸时裂纹起裂位于试样表面熔合线或根部熔合线，表面熔合线处的粘接强度与根部熔合线处的粘接强度关系决定了其断裂模式和拉伸强度。

当PVC地板布焊接接头出现根部未熔合或虚焊情况而表面熔合状态良好的情况时，则表面熔合线的粘接强度高于根部熔合线粘接强度，焊接接头受拉伸载荷作用，裂纹优先从根部熔合线处萌生并逐渐撕裂;当焊接接头出现表面未熔合、表面烫焦导致的熔合线孔洞而根部熔合良好的情况时，则表面熔合线的粘接强度低于根部熔合线，焊接接头从表面熔合线处起裂。当焊接工艺参数匹配良好，使得表面熔合与根部熔合均良好，根部熔合线与表面熔合线粘接强度大致相等，焊接接头则从两侧熔合线起裂。

从根部熔合线起裂和表面熔合线起裂两种断裂模式下的焊接接头的拉伸强度均低于两侧熔合线起裂模式下的焊接接头强度。因此，寻找最优的焊接工艺参数，既能保证焊条与PVC地板布间隙填充饱满无空隙，即根部熔合线处有较好的粘接强度，又要避免焊机出风口温度过高导致焊条与母材熔合线处出现烫焦，即表面熔合线有较好的粘接强度，是提高PVC地板布焊接接头焊接质量和强度的决定性因素。

4 结语

（1）通过正交试验设计，分析了不同水平下焊接工艺参数对PVC地板布焊接接头拉伸强度的影响规律，得出了焊接工艺参数对焊接接头拉伸强度的影响主次依次排序：焊接机温度刻度（A）、新/旧焊接机（B）、是否加盖（C）、焊接机速度刻度（D）、风量档位（E），获得了最佳的焊接工艺匹配为：A3B2C1D1E1。

（2）PVC地板布焊接接头拉伸断裂位置均位于母材与焊条接触界面的熔合线处，即熔合线是PVC地板布焊接接头薄弱区域;焊接接头的强度取决于焊条与母材的粘接强度;PVC地板布焊接接头在拉伸断裂时裂纹起裂又分为根部熔合线起裂、两侧熔合线同时起裂和表面熔合线起裂3种断裂模式;焊接接头表面熔合质量与根部熔合质量之间的关系决定了其断裂模式与拉伸强度。

（3）PVC地板布焊接工艺参数之间互相匹配调节才能获得最优的焊接质量，即调节工艺参数以提高表面和根部粘接强度，同时降低表面和根部熔合线处的焊接缺陷是未来进一步提高PVC地板布焊接质量的发展方向。

参考文献

[1]陆瑜翀，王华南，陈 淼，等. 地板布粘接用胶粘剂施工性探讨[J]. 粘接，2019，40（03）：47-49.

[2]黃正龙. 地板布无缝拼接技术在地铁车辆的应用[J].企业科技与发展，2017（07）：66-69.

[3]李 丽，李善文，武传田，等. CRH2型动车组地板布检修工艺探讨[J]. 铁道车辆，2017，55（10）：42-44.

[4]LIN C B，WU L C，CHOU Y C. Effect of solvent and cosolvent on friction welding properties between part of PMMA with PVC[J]. Journal of Materials Science，2003，38（12）：2 563-2 570.

[5]李晓雷，包春连，凌钦才. 单官能化改性环氧树脂及其在UV固化胶粘剂中的应用[J]. 粘接，2019，40（05）：139-143.

[6]熊 然，韩 冬，胡春海，等. 基于正交试验的2219铝合金电子束焊接工艺参数优化[J]. 热加工工艺，2013， 42（9）：217-219.