Зварювання металу і полімерних матеріалів нині є звичним явищем. Важко собі уявити, що хтось не чув про такі речі. Але коли йдеться про зварювання деревини, то, навпаки, важко знайти того, хто хоча б щось про це чув. Проте за кордоном вже досить давно проводяться дослідження, пов’язані із зварюванням деревини.
Деревина – це природний, екологічно чистий матеріал для виготовлення меблів, столярно-будівельних та інших виробів. Уже багато років під час виготовлення виробів з деревини використовують велику кількість хімічних речовин, зокрема клеїв, щоб одержати із малогабаритних заготовок великогабаритні (склеювання по довжині, ширині і товщині) і забезпечити надійне з’єднання деталей. Так, європейські компанії за один рік використовують близько 3 млн. тонн синтетичних клеїв для виробництва дерев’яних меблів. Це завдає збитків не тільки екосистемі в Європі, а й у цілому світі. Тому вже протягом тривалого часу вчені працюють над створенням методу з’єднання деревини без використання хімічних речовин, а саме – зварювання.
В університеті міста Берн (Швейцарія) з 1993 року група вчених розробляє метод з’єднання деревини без клеїв, використовуючи для цього методи контактного зварювання металів і клеєві властивості компонентів деревини, в першу чергу – лігніну.
Клеєві властивості деревини вже застосовують для її склеювання, наприклад при виробництві ДВП мокрим способом, коли не використовують синтетичних смол. Ще одним прикладом склеювання деревини без клеїв є виробництво пелет і паливних брикетів. Клейкою речовиною тут є лігнін, який виділяється із стінок клітин деревини під дією високого тиску і температури. Але з’єднання, одержане таким методом, не настільки міцне, щоб його можна було використовувати в конструкційних матеріалах.
Ученим згаданого університету вдалося вирішити проблему недостатньої міцності склеювання деревини лігніном за допомогою методу, який нагадує зварювання. Його основними перевагами є короткий час склеювання (зварювання), екологічність і незначні виробничі витрати. Порівняно новим методом у цій сфері є технологія лінійного зварювання за допомогою вібрації. За словами дослідників, у найближчому майбутньому цей метод можна буде використовувати в промислових масштабах.
Використання технології зварювання деревини має на меті значно зменшити забруднення навколишнього середовища токсичними речовинами, які виділяються в процесі виробництва й експлуатації клеїв.
Суть процесу зварювання
Деревина – це не тільки тверда рослинна маса, а ще й хімічна сировина із макромолекулярною структурою. До її складу входять різні речовини, зокрема лігнін, які при підвищенні температури, наприклад внаслідок лінійного тертя, переходять у рідкий стан. Якщо дві заготовки із деревини під час утворення рідкої фази стиснути між собою з певним зусиллям, то після охолодження отримаємо міцне з’єднання.
Увесь процес зварювання відбувається за декілька секунд, а отримані таким методом деталі на відміну від склеювання можна одразу піддавати механічній обробці.
Призначені для склеювання дерев’яні заготовки вкладають у спеціальну касету і разом із нею стискають між плитами преса. До одного із боків касети підєднують вібратор, який забезпечує зворотно-поступальне мікропереміщення однієї заготовки щодо іншої. У результаті тертя в пограничних шарах у місцях контакту акумулюється теплова енергія, під дією якої лігнін розплавляється. Після цього вібрацію припиняють і стискають заготовки. Завдяки тому, що теплова енергія передається вглиб деревини, температура лігніну швидко зменшується, і як наслідок, – він затвердіває формуючи клеєний шар. У міру затвердіння лігніну підвищується границя міцності клеєвого шару на зсув, яка в ідеальному випадку повинна дорівнювати границі міцності на зсув самої деревини.
Протягом декількох секунд температура в зоні тертя коливається в діапазоні від 180 до 230˚С, але дуже швидко температура клеєного шару і температура деревини зрівнюються. Вже нині за допомогою лінійного зварювання тертям можна досягти міцності, необхідної для промислового використання згідно із EN-204 10.
Головною проблемою цього методу, яка висуває високі вимоги до якості і точності обробки заготовок, є неповний контакт сусідніх поверхонь під час тертя. При використанні для зварювання деталей із кривизною чи неякісно обробленої деревини тертя відбуватиметься лише на незначних ділянках поверхні, що призводить до приклеювання тільки в певних точках, а не по всій площині. Внаслідок цього міцність з’єднання буде незадовільною.
У процесі формування зварного з’єднання фізичні властивості деревини зазнають певних змін, тому зараз вчені проводять дослідження, метою яких є вивчення впливу на процес зварювання і кінцевий результат температури, тиску й енергії вібрації. У результаті цих досліджень будуть визначені оптимальні режими процесу зварювання деревини.
