Anders Grönlund
HF-limning av
lamellkonstruktioner
Mtek
8911049
p
I N S T I T U T E T F O R T R A T E K N I S K F O R S K N I N GAnders Grönlund
HF-limning av lamellkonstruktioner
TräteknikCentrum, Rapport P 8911049
Nyckelord
glued laminated construation glueline
gluing
heat resistance
high frequency gluing
I N N E H Å L L S F Ö R T E C K N I N G
S i d
FÖRORD 3 SAMMANFATTNING 4
1. BAKGRUND OCH SYFTE 5 2. KONTROLL AV LIMF0GHÄLLFA5THET 5 2.1 Testmetoder 5 2.2 Limning av p r o v m a t e r i a l 7 2.3 R e s u l t a t av uppvärmnings-/uttorkningsförsök 7 2.4 R e s u l t a t av vridningsförsök 9 2.5 Kommentarer t i l l limfogkontrollförsök 10 2.6 Uppvärmning - u t t o r k n i n g , fortsättningsförsök 10 2.7 Kommentarer t i l l fortsättningsförsök 11
3. INVERKANDE FAKTORER VID HF-LIMNING 11 3.1 T e o r i för uppvärmning med HF-värme 11 3.2 R e s u l t a t av laboratorieförsök - kommentarer 13 3.2.1 Trämaterialets inverkan 15 3.2.2 Limmets i n v e r k a n 20 3.2.3 överslag mellan p r e s s p l a t t o r n a 25 4. SLUTORD 28 5. LITTERATUR 28
FÖRORD
P r o j e k t e t HF-limning av l a m e l l k o n s t r u k t i o n e r har v a r i t e t t d e l k o l l e k t i v t p r o j e k t mellan Casco, E l p h i a c ( H e a t e c ) , T a r k e t t och Trätek.
Jag v i l l tacka a l l berörd personal i dessa företag för p o s i t i v t bemötande och god s a m a r b e t s v i l l i g h e t .
SAMMANFATTNING
Snabb uppvärmning av m a t e r i a l som har dålig värmeledningsförmåga, som t ex trä, kan åstadkommas genom d i e l e k t r i s k värmning.
D i e l e k t r i s k värmning har den unika egenskapen a t t värmen genereras i n u t i m a t e r i a l e t . Det behövs således ingen t i d för värmeledning från ytan ooh i n t i l l nentrum av m a t e r i a l e t . Denna form av uppvärmning u t n y t t j a s b l a v i d HF-uppvärmning (HF = högfrekvent ström) i samband med l i m n i n g av trä. Vid a l l l i m n i n g önskar man åstadkomma en l i m f o g som med s t o r säkerhet är l i k a s t a r k som det omgivande m a t e r i a l e t .
S y f t e t med föreliggande p r o j e k t har v a r i t a t t genom s t u d i e r av o l i k a i n v e r -kande f a k t o r e r v i d HF-limning öka proressäkerheten. Dessutom har e t t par o l i k a metoder för i o k e förstörande l i m f o g s k o n t r o l l undersökts.
De v i k t i g a s t e kunskaperna från denna undersökning kan sammanfattas på föl-jande sätt:
1. K o n t r o l l av l i m f o g a r n a i de färdiga l a m e l l k o n s t r u k t i o n e r n a kan utföras genom a t t t o r k a ytorna så a t t e v e n t u e l l t dåligt limmade stavar lossnar i limförbandet ooh böjer upp från den i övrigt släta y t a n . Metoden torde i första hand vara i n t r e s s a n t för en utökad s t i c k p r o v s k o n t r o l l , men kan möjligen även användas för en a l I k o n t r o l l .
2. Det är myoket v i k t i g t a t t hålla träets f u k t k v o t v i d limningen över oa
6 %. I annat f a l l kan värmeupptagningen d r a s t i s k t försämras.
3. När limfogen är p a r a l l e l l med e l e k t r o d e r n a kan man i n t e påverka limmets t e m p e r a t u r s t e g r i n g i någon nämnvärd o m f a t t n i n g , genom a t t förändra l i m -mets d i e l e k t r i s k a egenskaper, t ex genom s a l t i n b l a n d n i n g .
4. För a t t r a d i k a l t förkorta härdtiden krävs a t t man övergår t i l l l i m f o g -uppvärmning.
5. överslag mellan e l e k t r o d e r n a kan undvikas genom a t t minska fältstyr-kan. För a t t kunna behålla samma avgivna e f f e k t t i l l trämaterialet, måste man donk kompensera med a t t höja frekvensen, v i l k e t i s i n t u r l e -der t i l l a t t man får en något ojämnare värmefördelning över p l a t t a n s y t a .
1. BAKGRUND OCH SYFTE
Snabh uppvärmning av i s o l e r a n d e m a t e r i a l med k o n v e n t i o n e l l a metoder medför s t o r a svårigheter. D e t t a b e r o r på a t t den värme som tillförs m a t e r i a l e t s y t a genom strålning, konvektion e l l e r l e d n i n g , måste ledas i n från y t a n t i l l m a t e r i a l e t s m i t t . För t ex trä, som är en dålig värmeledare t a r denna process jämförelsevis lång t i d .
D i e l e k t r i s k värmning h a r den unika egenskapen a t t värmen genereras i n u t i m a t e r i a l e t ögonblickligen. Det behövs således ingen t i d för värmeledning. Denna form av d i e l e k t r i s k uppvärmning u t n y t t j a s b l a v i d HF-uppvärmning i samband med l i m n i n g av trä.
HF-uppvärmning v i d l i m n i n g har använts a l l t sedan s l u t e t av 1 9 3 0 - t a l e t . Den dokumenterade kunskapen om o l i k a f a k t o r e r s inverkan v i d HF-limning är dock r e l a t i v t begränsad.
Det primära målet v i d a l l l i m n i n g är a t t åstadkomma en l i m f o g som är minst l i k a s t a r k som omgivande m a t e r i a l . Detta är mycket v i k t i g t , eftersom e t t l i m n i n g s f e l som upptäcks först i en färdig sammansatt p r o d u k t , b l i r mycket d y r b a r t a t t åtgärda.
För a t t nedbringa k v a l i t e t s k o s t n a d e r n a t i l l en minimal nivå f i n n s d e t i p r i n c i p två vägar a t t gå, nämligen:
1. Icke förstörande k o n t r o l l av limfogarnas hållfasthet. 2. öka processäkerhet.
S y f t e t med föreliggande p r o j e k t har v a r i t a t t undersöka två o l i k a metoder för icke förstörande k o n t r o l l av l i m f o g a r n a i l a m e l l k o n s t r u k t i o n e r , samt genom s t u d i e r av o l i k a inverkande f a k t o r e r öka processäkerheten v i d HF-l i m n i n g av HF-l a m e HF-l HF-l k o n s t r u k t i o n e r .
2. KONTROLL AV LIMFOGHÄLLFASTHET 2.1 Testmetoder
Två o l i k a metoder för k o n t i n u e r l i g a l l k o n t r o l l av parkettbrädor har t e s t a t s .
Metod 1 bygger på a t t man t o r k a r u t p a r k e t t s t a v a r n a s y t a . Genom u t t o r k -ningen strävar p a r k e t t s t a v a r n a s överytor a t t antaga en konkav form. De sta-var som är dåligt limmade kommer då a t t lossna från m e l l a n m a t e r i a l e t och höja s i g över omkringliggande s t a v a r , e t t s k upphopp erhålls.
Rent p r a k t i s k t har v i utfört u t t o r k n i n g e n genom a t t placera två IR-ramper, på tillsammans 1800 W, 20 cm från ytan på den parkettbräda som ska t o r k a s , se f i g u r 1 . Värmningen h a r s k e t t under 3 m i n u t e r . På denna t i d h a r v i kommit upp i en y t t e m p e r a t u r på 130150 "C. E v e n t u e l l a upphopp av p a r k e t t s t a -var har k o n t r o l l e r a t s e f t e r 1 , 2 r e s p e k t i v e 3 m i n u t e r s uppvärmning, samt dessutom 2 minuter e f t e r uppvärmningstidens s l u t .
I R - r a m p e r
P a r k e t t b r ä d a
F i g u r 1. U t t o r k n i n g av parkettbrädor med två IR-ramper.
Metod 2 bygger på a t t v r i d a parkettbrädorna. Genom denna v r i d n i n g får man en påkänning på l i m f o g a r n a . Med rätt anpassad v r i d n i n g kommer de fogar som är dåligt limmade a t t b r i s t a onh motsvarande s t a v a t t höja s i g över
omkringliggande s t a v a r .
Rent p r a k t i s k t har v i utfört v r i d n i n g genom a t t skinka parkettbrädorna ge-nom två v a l s p a r , som är v r i d n a i förhållande t i l l varandra, se f i g u r 2. Av-ståndet mellan valsparen var 500 mm. Parkettbrädorna har u t s a t t s för både vänster- onh högervridning. Detta har v i åstadkommit genom a t t ändra på valsparens inbördes v r i d n i n g . V i d försöken har v i sunnessivt ökat v r i d -ningen från 10 mm/500 mm upp t i l l i v i s s a f a l l 30 mm/500 mm.
2.2 Limning av p r o v m a t e r i a l
Som p r o v m a t e r i a l limmades e t t a n t a l p r o v s k i v o r bestående av bokstav, mel-l a n m a t e r i a mel-l m a t t o r av gran samt granfanér. Lim C a s c o r i t 1203 användes med härdare 2559. Normal limmängd v a r 125 g/m^ och normal härdarmängd 14 g/m2. Provskivornas s t o r l e k var u r s p r u n g l i g e n f y r a s t a v a r i bredd och två s t a v a r i längd, d v s 220 x 810 mm.
Med denna y t a kom v i upp i e t t maximalt t r y c k i limfogen på n o m i n e l l t 10 kp/cm2 (i MPa). Förmodligen var det v e r k l i g a p r e s s t r y c k e t lägre p g a deformationer i p r e s s p l a t t a n . Detta p r e s s t r y c k användes för försöks-grupp 1-4.
E f t e r a t t ha b r u t i t upp v i s s a f o g a r , insåg v i a t t p r e s s t r y c k e t i de första f y r a grupperna hade v a r i t för lågt. Det nominella p r e s s t r y c k e t ökades sedan t i l l 14 kp/cm2 (1,4 MPa) genom a t t minska l i m y t a n för försöksgrupp 5-10. I försöksgrupp 1-4 har o l i k a l i m f e l s i m u l e r a t s , se t a b e l l 1 . I försöks-grupp 6-10 har framför a l l t o l i k a härdarsystem t e s t a t s , se t a b e l l 1 . 2.3 R e s u l t a t av uppvärmnings-Zuttorkningsförsök
I t a b e l l 1 redovisas r e s u l t a t e n av uppvärmnings-Zuttorkningsförsöken grupp-v i s . A t t a n t a l e t p r o grupp-v s k i grupp-v o r grupp-v a r i e r a r mellan grupperna beror på a t t grupp-v i s s a p r o v s k i v o r togs i bruk för a t t k o n t r o l l e r a l i m f o g a r n a genom spjälkprov d i -r e k t e f t e -r limningen.
Av t a b e l l I framgår a t t uppvärmningsprovet gav många upphopp inom försöks-grupp 1-4. S p e c i e l l t gäller d e t t a försöks-grupp 2 och 3, där l i m saknas på v i s s a d e l a r av stavarna.
L i m n i n g s r e s u l t a t e t för dessa grupper är dock överlag mycket dåligt, förmod-l i g e n främst beroende på e t t för förmod-lågt p r e s s t r y c k . När p r e s s t r y c k e t ökades, grupp 5-10, blev l i m n i n g s r e s u l t a t e t överlag mycket bättre.
A t t utifrån dessa försök k l a s s i f i c e r a de o l i k a härdarna är dock v a n s k l i g t . Därtill än a n t a l e t p r o v s k i v o r i v a r j e grupp alltför l i t e t .
För a t t få e t t mera e n s a r t a t p r o v m a t e r i a l för prov av de två l i m k o n t r o l l -metoderna, har även e t t a n t a l p r o v s k i v o r ur T a r k e t t s p r o d u k t i o n t e s t a t s , grupp 11-13. En d e l av p r o v s k i v o r n a hade av personal på T a r k e t t bedömts vara bvara limmade, medan en d e l av p r o v s k i v o r n a bedömts vavara något sämre l i m -made .
Några p r o v s k i v o r testades först med l a c k . Endast e t t upphopp kunde därvid n o t e r a s , se t a b e l l 1, grupp 11.
Eftersom lacken h i n d r a r y t u t t o r k n i n g av stavarna, hyvlades l a c k s k i k t e t b o r t på e t t a n t a l p r o v s k i v o r .
Y t u t t o r k n i n g av de p r o v s k i v o r som bedömts vara bra limmade gav i n g e t upp-hopp, medan upphopp kunde noteras på 25 % av de p r o v s k i v o r som bedömts vara av sämre l i m n i n g s k v a l i t e t .
TABELL 1. R e s u l t a t av uppvärmnings- onh uttorkningsförsök,
Försöks- Prov- Antal Andel s k i - A n t a l Försöksförutsättningar
grupp s k i v a prov- vor med
upp-s k i v o r upphopp hopp nr nr {%) 1 6-10 5 100 9 "Normalt limmat" 2 11-15 5 100 23 Lim saknas tvärs v i s s a s t a v a r 3 16-20 5 100 23 längs " 4 21-25 5 100 5 L i t e l i m , na 90 g/m^
5
26-30 4 50 2 "Normalt limmat" 6 31-35 3 0 0 Dubbel mängd härdare, 28 g/m^ 7 36-40 4 50 3 Myrsyra härdare 8 41-45 4 25 1 Härdare E-020457-1 9 46-48 2 50 1 " E-020457-1, dubbel mängd 10 49-51 3 0 0 Primat m e l l a n m a t e r i a l11 8 12 1 T a r k e t t "sämre limmade" med lank
12 16 25 5 " " " utan "
2.4 R e s u l t a t av vridningsförsök
I t a b e l l 2 redovisas r e s u l t a t e n p r o v s k i v a för p r o v s k i v a . TABELL 2. R e s u l t a t av vridningsförsök.
Försöks- Prov- V r i d n i n g m m / 5 0 0 mm
Försöksför-grupp s k i v a 10/500 20/500 30/500
utsätt-Andel Antal Andel Antal Andel Antal ningar
s k i v o r upp- s k i v o r upp- s k i v o r
upp-med hopp med hopp med hopp
upphopp upphopp upphopp
nr nr (%) (%) (%) 1 6-10 0 0 100 11 "Normalt" 1 immat 2 11-15 0 0 100 20 Lim saknas tvärs v i s s a stavar 3 16-20 0 0 100 19 Lim saknas längs v i s s a s t a v a r 4 21-25 0 0 100 14 L i t e l i m 11 0 0 25 2 T a r k e t t "sämre" med laok 12 A 37 4 87 14 T a r k e t t "sämre" utan lank 12 B 0 0 0 0 87 21 T a r k e t t "sämre" utan laok 13 A 12 1 12 1 T a r k e t t "bra" utan laok 13 B 25 2 25 2 100 26 T a r k e t t "bra" utan laok 14 0 0 71 9 100 52 T a r k e t t "bra" med laok Av t a b e l l 2 framgår a t t v i d en v r i d n i n g på 10 mm/500 mm är a n t a l e t upphopp myoket l i t e t . De upphopp som s k e t t beror i de f l e s t a f a l l e n på " o l y o k l i g a omständigheter", nämligen a t t en stavskarv exakt sammanfaller med en skarv i m e l l a n m a t e r i a l e t . Detta fenomen är ookså en av metodens s t o r a svagheter.
10
Ett mycket svårförklarat r e s u l t a t är den s t o r a s k i l l n a d e n mellan försöks-grupp 12 A och 12 B r e s p e k t i v e 13 A och 13 B. Den enda s k i l l n a d e n mellan A-och B-grupperna är a t t de har p r o v a t s v i d o l i k a tillfällen. Om det är någon l i t e n f u k t k v o t s s k i l I n a d mellan provningstillfällena som påverkat r e s u l t a t e t e l l e r någon annan f a k t o r , är svårt a t t v e t a .
Av t a b e l l 2 kan man dra en försiktig s l u t s a t s a t t en lämplig v i n k e l s k i l l n a d mellan de två valsparen l i g g e r i s t o r l e k s o r d n i n g e n 15-25 mm v i d e t t avstånd mellan valsparen på 500 mm.
2.5 Kommentarer t i l l limfogkontrollförsök
De båda metoderna avslöjar l i m n i n g s f e l , när l i m n i n g e n är r i k t i g t dålig. En nackdel med bägge metoderna är a t t endast l i m f e l i stavarnas k a n t e r kan avslöjas. När det gäller vridningsmetoden är d e t endast f e l i närheten av stavarnas kortändar som avslöjas.
Av de provade metoderna är vridningsmetoden förmodligen k l a r t lättast a t t genomföra i p r a k t i s k d r i f t . Denna metod har dock nackdelen a t t d e t är svårt att utföra v r i d n i n g närmast parkettbrädornas kortändar. Dessutom har metoden det t i d i g a r e nämnda problemet, när skarvar i s l i t s k i k t e t och m e l l a n -m a t e r i a l e t sa-m-manfaller. Bägge dessa proble-m kan dock -möjligen be-mästras genom a t t u t n y t t j a noten och sponten t i l l a t t hålla f a s t och s t y r a p a r k e t t -brädorna under vridningsförloppet.
2.6 Uppvärmning - u t t o r k n i n g , fortsättningsförsök
E f t e r de inledande uppvärmnings- r e s p e k t i v e vridningsförsöken bedömdes upp-värmningsmetoden vara mest i n t r e s s a n t a t t gå v i d a r e med.
Det bestämdes därför a t t man hos T a r k e t t s k u l l e limma e t t a n t a l s k i v o r med k o n s t g j o r d a l i m n i n g s f e l . Felen har framför a l l t bestått i a t t v i s s a s t a v a r har g j o r t s tunnare än normalt.
144 s t , 900 mm långa s k i v o r har u t s a t t s för ytuppvärmning som på t i d i g a r e b e s k r i v e t sätt. E f t e r uppvärmning har s a m t l i g a upphoppade s t a v a r spjälkats l o s s . Dessutom har minst en slumpmässigt u t v a l d s t a v på v a r j e s k i v a med upphopp, spjälkats l o s s . R e s u l t a t e n av dessa försök v i s a r a t t :
30 % av a n t a l e t s k i v o r hade s t a v a r som hoppade upp v i d uppvärmningen. Av t o t a l t 54 upphopp berodde 51 på k o n s t g j o r d a f e l och 3 på " v a n l i g a " l i m n i n g s f e l .
Vid spjälkningen av i c k e upphoppade s t a v a r h i t t a d e s t r e små k o n s t j o r d a f e l .
Trährottsprocenten på de i c k e upphoppade stavarna bedömdes t i l l 90 ^ i genomsnitt.
1 1
2.7 Kommentarer t i l l fortsättningsförsök
På basis av de erhållna r e s u l t a t e n bedömer v i a t t den provade uppvärmnings-metoden är r e l a t i v t lovande.
En i n t r e s s a n t i a k t t a g e l s e är a t t i e t t f l e r t a l f a l l har v i fått upphopp på s t a v a r , där de k o n s t g j o r d a f e l e n har uppträtt endast på e t t l i t e t område längs ena långsidan av staven. Det är således i n t e enbart f e l i närheten av stavarnas kortändar som kan d e t e k t e r a s .
Att man i n t e kan upptänka a l l a f e l , kan d e l v i s förklaras av a t t vissa närliggande stavar t r y n k e r så hårt mot varandra i s i d l e d , a t t b r a limmade s t a -var kan låsa en dåligt limmad s t a v , så a t t i n g e t upphopp äger rum.
3. INVERKANDE FAKTORER VID HF-LIMNING 3.1 T e o r i för uppvärmning med HF-värme
Vid uppvärmning av e t t m a t e r i a l med högfrekvent ström (HF) utgör det mate-r i a l som s k a l l vämate-rmas e t t d i e l e k t mate-r i k u m i en kondensatomate-r. Den upptagna vämate-r- vär-men bestäms av följande samband:
P = _ x Y + — 2 x 7 T x f x e n x e t a n 6 ( 1 ) d2 d2 där P = Tillförd e f f e k t i W/m^ U = Spänning mellan k o n d e n s a t o r p l a t t o r n a i V d = Avstånd mellan k o n d e n s a t o r p l a t t o r n a i m Y = M a t e r i a l e t s k o n d u k t i v i t e t m f = Frekvens 1/s eg = D i e l e k t r i n i t e t s k o n s t a n t e n för vakuum = (1/36 x -rr) x 10"^ F/m e = M a t e r i a l e t s r e l a t i v a d i e l e k t r i n i t e t s k o n s t a n t tan 6 = M a t e r i a l e t s förlustfaktor
Ekvation ( 1 ) kan omformas t i l l :
P = F2 X 2-TT X f X e g X k ( 2 )
där E = Fältstyrkan i V/m
X
k = Förlustkonstant = + e x tan6 2 X TT X f X eO
Som framgår av e k v a t i o n ( 2 ) kan man öka den upptagna värmeeffekten på i p r i n n i p t r e o l i k a sätt, nämligen:
1. ökning av fältstyrkan. 2. Höjning av frekvensen.
12
Av e k v a t i o n ( 2 ) framgår a t t fältstyrkan har en mycket k r a f t i g i n v e r k a n på den tillförda e f f e k t e n . Hur hög fältstyrka man kan tillåta begränsas dock av r i s k e n för överslag mellan p l a t t o r n a , överslag innebär a t t man har en d i r e k t ström mellan de två e l e k t r o d e r n a .
Grönlund / I / har i e t t separat arbete bestämt v i d v i l k e n fältstyrka r i s k för överslag uppkommer när l i m f o g a r n a är vinkelräta mot e l e k t r o d e r n a . D e t t a f a l l motsvaras tämligen väl av d e t f a l l man har med p a r a l l e l l a l i m f o g a r , men med l i m r i n n i n g v i d kanterna. Resultaten av dessa försök redovisas i t a b e l l 3.
Som framgår av t a b e l l 3 börjar överslag a t t uppträda mera f r e k v e n t v i d en fältstyrka på 130 V/mm, både för karbamidlimmet och PVAc-limmet. Eftersom överslag, t i l l synes, uppträder r e l a t i v t slumpmässigt bör man v i d p r a k t i s k d r i f t lägga s i g v i d en lägre fältstyrka för a t t ha en v i s s marginal mot överslag. Fältstyrkan för p r a k t i s k d r i f t bör för de i t a b e l l 3 redovisade l i m t y p e r n a läggas på 80-100 V/mm. TABELL 3. överslagsförsök för o l i k a l i m t y p e r Limtyp Fält-s t y r k a V/mm A n t a l prov A n t a l över-s l a g Karbamidlim 1206 + härdare 2749 85 10 0 99 10 0 i i _ 113 20 0 i i _ 134 20 6 i i _ 158 10 4 Karbamidlim 1206 + härdare 2749 + 1 % k o k s a l t 85 10 0 99 20 1 i i _ 113 20 6 PVAc-lim Cascol 3338 85 10 0 i i _ 99 10 0 M _ 113 10 1 M _ 134 10 3 En i n t r e s s a n t d e t a l j i t a b e l l 3 är a t t en k o k s a l t i n b l a n d n i n g på 1 % sänker nivån för överslag med ca 30 V/mm. D e t t a betyder a t t en s a l t i n b l a n d n i n g för a t t öka limmets förlustkonstant, i n t e självklart får avsedd e f f e k t . Om man t ex måste sänka fältstyrkan från 100 V/mm t i l l 70 V/mm v i d en s a l t i n b l a n d -n i -n g , måste s a l t e t medföra a t t förlustko-nsta-nte-n k i e k v a t i o -n ( 2 ) mi-nst fördubblas för a t t s a l t e t s k a l l öka den p r a k t i s k a värmeupptagningsförmågan. Den tillförda e f f e k t e n t i l l trämaterial är i s t o r t s e t t d i r e k t p r o p o r t i o -n e l l mot frekve-nse-n. Ma-n ka-n dock i -n t e höja frekve-nse-n hur som h e l s t p g a
13 att i p r i n o i p endast två f r e k v e n s e r är tillåtna av T e l e v e r k e t p g a r i s k e n för störningar på r a d i o - ooh T V - t r a f i k e n . Dessa f r e k v e n s e r är 13,56 MHz ooh 27,12 MHz. Man kan dook få dispens för andra f r e k v e n s e r om man kan v i s a a t t man l y o k a t s skärma u t r u s t n i n g e n så väl a t t den i n t e stör r a d i o - ooh TV-sändningarna.
Den andra orsaken t i l l a t t man i n t e kan höja frekvensen hur myoket som h e l s t , är r i s k e n för ojämn uppvärmning v i d s t o r a p r e s s p l a t t o r . E n l i g t Gefahrt / 2 / har man följande samband med beteckningar e n l i g t f i g u r 3.
U v = U max cos (27r (3)
där 'max - Maximal spänning som uppträder längst b o r t från t i l l -ledningspunkten
Spänningen på avståndet x från den p l a t s där maximala spänningen uppträder
R e l a t i v a d i e l e k t r i c i t e t s k o n s t a n t e n Frekvensen
L j u s h a s t i g h e t e n
Av e k v a t i o n ( 3 ) framgår a t t när frekvensen ökar, så b l i r Ux mindre. Det be-tyder a t t s k i l l n a d e n mellan maximala spänningen och spänningen på andra ställen på p r e s s p l a t t a n ökar. Det betyder a t t man får en ojämnare uppvärm-ning v i d högre frekvenser.
n
1 ] 11 j 111 j 1111111 j 1
K
a
I^ | ' l i N i l ^ l l l i
Figur 3. Spänningsfördelning för en p l a t t k o n d e n s a t o r med s t o r utsträckning ( G e f a h r t ) .
14
Den t r e d j e f a k t o r n som påverkar uppvärmningsförloppet är e n l i g t e k v a t i o n (2) förlustkonstanten, vars s t o r l e k i s i n t u r är mycket beroende av en mänd andra parametrar.
För trä kan första termen i förlustkonstanten försummas eftersom k o n d u k t i -v i t e t e n för trä är mycket låg. I d e t t a f a l l gäller det således a t t ha kän-nedom om e och tanö. Dessa m a t e r i a l k o n s t a n t e r är beroende av i v a r t f a l l följande parametrar:
D e n s i t e t Fuktkvot Frekvens Temperatur.
Under e t t uppvärmningsförlopp v i d limhärdning förändras dessutom frekvens, f u k t k v o t och temperatur, v i l k e t är en k o m p l i k a t i o n . För t o r r t trä ( « 1 4 % f u k t k v o t ) är dock förändringarna r e l a t i v t s e t t så små a t t man v i d limhärd-ningsförlopp kan försumma inverkan av dessa parametrar. För s n i c k e r i t o r r f u r u l i g g e r förlustkonstanten k = e • t a n 6 f a O , l . För f u k t i g t trä, t ex närmast l i m f o g e n , kan förlustkonstanten vara 5-10 gånger större.
För limmet är b i l d e n om möjligt ännu mera komplicerad. Förutom de ovan upp-räknade f a k t o r e r n a som gäller för trä, i n v e r k a r även limmets härdningsgrad mycket k r a f t i g t på förlustkonstanten. För l i m är k o n d u k t i v i t e t e n så hög a t t den i n t e kan försummas. A t t i l i t t e r a t u r e n h i t t a r e l e v a n t a data på de o l i k a m a t e r i a l k o n s t a n t e r n a som ingår i förlustkonstanten är h e l t omöjligt. A t t genom försök fastlägga e c^^h tan6, kräver mycket omfattande försök och k v a l i f i c e r a d försöksutrustning. I många f a l l kan d e t dock vara f u l l t t i l l -räckligt a t t få en k v a l i t a t i v b i l d över hur o l i k a parametrar i n v e r k a r på uppvärmningsförlöppet.
I f a l l e t med l i m n i n g av f l e r a s k i k t som är p a r a l l e l l a med e l e k t r o d e r n a en-l i g t f i g u r 4, är d e t i n t e sjäen-lvken-lart a t t en ökning av fören-lustkonstanten medför a t t värmeutvecklingen i m a t e r i a l e t ökar. Det är nämligen så a t t om man i en f l e r s k i k t s k o n s t r u k t i o n ökar förlustkonstanten endast i e t t s k i k t , t ex l i m s k i k t e t , kommer spänningsfallet över d e t t a s k i k t a t t minska så a t t n e t t o e f f e k t e n av denna förändring b l i r a t t värmeutvecklingen i d e t t a s k i k t minskar medan värmeutvecklingen i övriga s k i k t , med oförändrad förlust-konstant, kommer a t t öka. Detta gäller om spänningen mellan e l e k t r o d e r n a , U^p^ i f i g u r 4, hålls k o n s t a n t . Om man ökar förlustkonstanten för s a m t l i g a e l l e r större delen av samtliga s k i k t , kommer dock den t o t a l a värmeutveck-l i n g e n a t t öka.
15
F i g u r 4. F l e r s k i k t s k o n s t r u k t i o n mellan två e l e k t r o d p l a t t o r .
3.2 R e s u l t a t av laboratorieförsök - kommentarer
Vi har i en rad försök mätt hur t e m p e r a t u r s t e g r i n g , anodström, gallerström, e f f e k t och spänning påverkas av o l i k a parametrar, som t ex f u k t k v o t , d e n s i -t e -t , ma-terialmängd, -t i d och limme-ts sammansä-t-tning.
3.2.1 Trämaterialets i n v e r k a n
Fuktkvotens i n v e r k a n har undersökts genom a t t värma åtta högar med 10 s t e k p a r k e t t s t a v a r i v a r j e . Värmeavgång från stavarna har förhindrats genom a t t omge v a r j e stavhög med f r i g o l i t på f y r a s i d o r ( s i d o r n a mot e l e k t r o d e r n a e j i s o l e r a d e ) . Temperaturmätning har utförts e f t e r HF-tidens s l u t , i för-borrade hål i t r e av s t a v a r n a . Dessa mätstavar har l e g a t m i t t i högarna. HF-tid v i d s a m t l i g a försök v a r 1,2 minuter.
16 ^ Temperatur-s t e g r i n g (°C) 75 50 25 F u k t -k v o t (%: 10 15 20 F i g u r 5. Temperaturstegringen i e k p a r k e t t s t a v a r som f u n k t i o n av f u k t k v o -ten v i d konstant spänning över p a r k e t t s t a v e n .
I f i g u r 5 v i s a s t e m p e r a t u r s t e g r i n g e n som f u n k t i o n av f u k t k v o t e n . Vad man lägger märke t i l l är den k r a f t i g a t e m p e r a t u r s t e g r i n g e n när f u k t k v o t e n ökar över 15-16 %. Denna k r a f t i g a t e m p e r a t u r s t e g r i n g beror s a n n o l i k t främst på en k r a f t i g ökning av förlustkonstanten k.
E t t i d e t t a sammanhang i n t r e s s a n t a r e fenomen, som man kan utläsa ur f i g u r 5, är den d r a s t i s k a sänkningen av t e m p e r a t u r s t e g r i n g e n v i d en f u k t -k v o t på ca 5-6 %, Så t ex är t e m p e r a t u r s t e g r i n g e n v i d f u -k t -k v o t e n 3 % endast ca hälften av t e m p e r a t u r s t e g r i n g e n v i d 6 % f u k t k v o t .
17
I f i g u r 6 v i s a s anodström ooh spänning som f u n k t i o n av f u k t k v o t e n . Anod-strÖmskurvan h a r exakt samma förlopp som t e m p e r a t u r s t e g r i n g s k u r v a n i f i g u r 5. I d e t t a sammanhang bör det även påpekas a t t effektkurvan i samt-l i g a f a samt-l samt-l har samma församt-lopp som anodströmskurvan. Av f i g u r 6 framgår också a t t spänningen s j u n k e r svagt med ökad f u k t k v o t . Observera dook a t t föränd-ringen av spänningen är tämligen m a r g i n e l l .
Anodström Spänning (kV 2,0 f 1.5 t 1,0 4 Spänni Anodström
f
4,5f
4.0 f 3,5 F u k t k v o t (%) ^ 5 10 15 20 F i g u r 6. Anodström ooh spänning som f u n k t i o n av f u k t k v o t e n . I f i g u r 7 v i s a s anodström ooh t e m p e r a t u r s t e g r i n g som f u n k t i o n av d e n s i t e -ten. Som framgår har manen maximal t e m p e r a t u r s t e g r i n g v i d en d e n s i t e t på oa 0,7. Anodströmmen uppvisar dook en myoket svag ökning med ökad d e n s i t e t . Fuktkvoten hölls i d e t t a f a l l k o n s t a n t .18 ^ Temperatur-s t e g r i n g (°C 20
4-15 + Anodström (A) Anodström " f 1,1 + 1,0 -.0,9 Temperatur D e n s i t e t 0,60 0,70 0,80
Figur 7. Anodström ooh t e m p e r a t u r s t e g r i n g som f u n k t i o n av d e n s i t e t e n I f i g u r 8 v i s a s t e m p e r a t u r s t e g r i n g ooh anodström som f u n k t i o n av mängden m a t e r i a l i pressen. Försöken har utförts på spånskivor. Mängden har ökats genom a t t lägga f l e r ooh f l e r spånskivor på varandra mellan e l e k t r o d e r n a . Temperaturstegringen är e t t medelvärde av t e m p e r a t u r s t e g r i n g e n i översta ooh m i t t e r s t a spånskivan.
Av f i g u r 8 framgår a t t t e m p e r a t u r s t e g r i n g e n a v t a r tämligen linjärt med ökad mängd medan anodströmmen verkar vara tämligen oheroende av mängden m a t e r i a l i pressen.
19 Temperatur-s t e g r i n g i°C 30 20
4-Anodström ^ (A) Anodström r e m p e r a t u r — —O 1,8 1.7 1,6 10 20 30 V i k t ( k g ) 40 50
F i g u r 8. Temperaturstegring och anodström som f u n k t i o n av m'angden m a t e r i a l i pressen. H F - t i d 2 m i n u t e r .
I f i g u r 9 v i s a s t e m p e r a t u r s t e g r i n g e n som f u n k t i o n av HF-tiden. Av f i g u r e n framgår a t t t e m p e r a t u r s t e g r i n g e n per t i d s e n h e t är något större i början av uppvärmningsperioden än senare. Hela förloppet kan dock b e t r a k t a s som täm-l i g e n täm-linjärt.
Även av f i g u r 9 framgår den k r a f t i g a s k i l l n a d e n i uppvärmning mellan mate-r i a l med f u k t k v o t e n 1,2 % och 5 %.
20 A Temperatur-s t e g r i n g (°C) 100 + 50 F u k t k v o t 9.5% D e n s i t e t 0,68 F u k t k v o t 5% D e n s i t e t 0,68 ^ F u k t k v o t 1,2% D e n s i t e t 0,68 HF-tid (min) 1 2 3 4
F i g u r 9. Temperaturstegring som f u n k t i o n av HF-tiden v i d o l i k a f u k t k v o t e r . 3.2.2 Limmets inverkan
Limmets inverkan på temperaturhöjningen har undersökts i en r a d försök. S i m u l e r i n g av l i m f o g a r p a r a l l e l l a med e l e k t r o d e n har g j o r t s genom a t t fräsa en fördjupning i en 45 mm t j o c k p o l y e t e n p l a s t s k i v a , se f i g u r 10. För a t t minska värmeförlusterna från limmet har fördjupningen innehållande limmet, täckts med en f r i g o l i t s k i v a .
F r i g o l i t E t e n p ] a s t
F i g u r 10. Anordning för s i m u l e r i n g av l i m f o g a r p a r a l l e l l a med e l e k t r o -derna.
21 I f i g u r 11 visas o l i k a kombinationer av UF-limmet C a s c o r i t 1203 och härda-ren 2559 samt t i l l s a t s av v a n l i g t k o k s a l t . Som framgår av f i g u r e n är det enbart blandningar med l i m och härdare som ger någon märkbar höjning av temperaturen. A t t höja förlustkonstanten genom a t t blanda i n s a l t , ger som framgår av f i g u r 1 1 , ingen höjning av uppvärmningen. Detta beror på a t t den förväntade t e m p e r a t u r s t e g r i n g e n äts upp p g a a t t när man ökar förlustkon-s t a n t e n i limmet minförlustkon-skar förlustkon-spänningförlustkon-sfallet Över limmet.
S k i l l n a d e n i t e m p e r a t u r s t e g r i n g mellan l i m utan och l i m med härdare, beror s a n n o l i k t på a t t reaktionsvärmen värmer upp limblandningen när härdare är t i l l s a t t . V i d e t t försök med härdning i rumstemperatur, utan HFvärme, v i sade det s i g a t t limtemperaturen ökade med ca 10 °C enbart p g a r e a k t i o n s värmen. A t t ökningen p g a reaktionsvärmen l i g g e r på ca 20 "C e n l i g t f i -gur 1 1 , kan förklaras av a t t man t r o t s a l l t har en v i s s uppvärmningseffekt från HF-aggregatet. Detta medför a t t man får en häftigare r e a k t i o n och snabbare t e m p e r a t u r s t e g r i n g .
I s a m t l i g a försök som v i s a s i f i g u r 11 har anodström, spänning och e f f e k t v a r i t l i k a . ^ Temperatur-s t e g r i n g (°C) ..04- 4C4-30 20 10' E n b a r t 1203+ l i m 1% 1203 s a l t 1203+ 1203+ 2559 härdare 2559+ 2559 1% s a l t " 2 °
F i g u r 11. Temperaturstegring för o l i k a kombinationer av l i m , härdare och s a l t , p a r a l l e l l l i m f o g . H F - t i d 2 minuter.
Det bör i d e t t a sammanhang också nämnas a t t försök med o l i k a f o g t j o c k l e k a r och o l i k a v i s k o s i t e t e r , i n t e h e l l e r har förändrat uppvärmningsförloppet på något märkbart sätt.
Limmets sammansättning verkar som synes i n t e ha påverkat uppvärmningsför-loppet när l i m f o g e n är p a r a l l e l l med e l e k t r o d e r n a .
22
För a t t få e t t jämförelsematerial har v i även utfört e t t a n t a l försök där limfogen har v a r i t vinkelrät mot e l e k t r o d e r n a . V i d dessa försök har limmet p l a c e r a t s i en s l i t s i en 45 mm t j o c k p o l y e t e n p l a s t s k i v a . HF-fältet har l e t t s i n i s l i t s e n med hjälp av en a l u m i n i u m p r o f i l , se f i g u r 12. A 1 - p r o f i ]
I / / / /
Al-p]åt P o ] y e t e n -p J a s tFigur 12. Anordning för uppvärmning av l i m vinkelrätt mot e l e k t r o d e r n a I f i g u r 13 v i s a s t e m p e r a t u r s t e g r i n g e n för o l i k a kombinationer av l i m , här-dare och s a l t , v i d vinkelrät l i m f o g . Vad man först kan k o n s t a t e r a är a t t jämfört med p a r a l l e l l l i m f o g är t e m p e r a t u r s t e g r i n g e n mycket högre. Detta t r o t s a t t limmängden i de bägge f a l l e n v a r i t ungefär l i k a . V i d vinkelrät fog var HF-tiden 1/12 så lång samt spänningen endast ca 1/3 av spänning v i d p a r a l l e l l f o g .
Detta v i s a r med a l l t y d l i g h e t hur mycket e f f e k t i v a r e vinkelrät f o g är än p a r a l l e l l l i m f o g .
Av f i g u r 13 framgår också a t t en i n b l a n d n i n g av s a l t förbättrar limmets energiupptagande förmåga v i d vinkelrät f o g , om fältstyrkan kan hållas kon-s t a n t med hänkon-syn t i l l r i kon-s k e n för överkon-slag.
23 /N Temperatur-s t e g r i n g (°C 100 50 E n b a r t 1 im 1203 1203+ 1% s a l t härdare 1203+ 2559 1203+ 2559+ -^1% s a l t F i g u r 13 Temperaturstegring för o l i k a b l a n d n i n g a r av l i m , h'ardare och
s a l t . Vinkelrät l i m f o g . H F - t i d 10 sekunder.
I f i g u r 14 A-D v i s a s anodströmskurvorna för de o l i k a f y r a grupperna. Av f i g u r 14 A, som v i s a r anodströmskurvan för enbart l i m C a s c o r i t 1203, fram-går a t t energiupptagningen ökar svagt under hela HF-tiden.
I f i g u r 14 B v i s a s anodströmskurvan för l i m 1203 + 1 % s a l t . Anodströmmen ökar mycket k r a f t i g t under de första 2 sekunderna. Därefter f a l l e r strömmen momentant, förmodligen beroende på a t t d i r e k t k o n t a k t e n med limmet förloras p g a a t t limmet kokar b o r t närmast den nedstickande flänsen.
Av f i g u r 14 C, som v i s a r l i m + härdare, kan man se a t t anodströmmen ökar under de f y r a första sekunderna, för a t t sedan a v t a , t r o l i g e n beroende på a t t limmet börjar härda u t .
24 /o sr F i g u r 14. A. Anodströmskurva för enbart l i m ( C a s c o r i t 1203). B. " " l i m + 1 % s a l t . C. " " " " härdare (2559). D. " " " " " + 1 % s a l t .
25 1 f i g u r 14 D v i s a s anodströmskurvan för l i m + härdare + 1 % s a l t . Dessa k u r v o r uppvisar e t t l i k a r t a t förlopp som kurvorna i f i g u r 14 B ( l i m + s a l t ) . Energiupptagningsförloppet är dock ännu häftigare i f i g u r 14 D ( l i m + härdare + s a l t ) , förmodligen beroende på en kombination av kokning och härdning.
Av f i g u r 14 kan man dra s l u t s a t s e n a t t om HF-tiden sänkts från 10 t i l l 2 sekunder, s k u l l e s k i l l n a d e n mellan l i m med och utan s a l t vara b e t y d l i g t större an vad som uppvisas i f i g u r 13.
3.2.3 överslag mellan p r e s s p l a t t o r n a
Huruvida överslag mellan e l e k t r o d e r n a uppkommer är, som t i d i g a r e nämnts, mycket s t a r k t beroende av fältstyrkan. I d e t p r a k t i s k a f a l l e t medför dock små l o k a l a fältstyrkeförändringar och förändringar i d i e l e k t r i t e t s e g e n s k a -per, som t ex l i m r i n n i n g a r , kåda, sår på p r e s s p l a t t a n o s v , a t t överslagsbenägenheten v e r k a r vara mer e l l e r mindre slumpartad v i d en y t l i g b e t r a k t -e l s -e . För a t t få -en b i l d öv-er öv-erslagsfr-ekv-ens och var öv-erslag-en uppträ-der, har v i under 700 d r i f t t i m m a r r e g i s t r e r a t a l l a överslag på T a r k e t t s D-press H F - I I . Under denna t i d r e g i s t r e r a d e s t o t a l t 322 överslag. R e l a t i v a frekvensen för var överslagen uppträdde framgår av f i g u r 15.
Som framgår av f i g u r 15 har över 90 % av överslagen s k e t t på e l e k t r o d e r n a s k o r t s i d o r . Eftersom t i l ledningen t i l l e l e k t r o d e r n a sker från bägge lång-s i d o r n a , kommer den höglång-sta fältlång-styrkan a t t uppträda m i t t på p r e lång-s lång-s p l a t t a n . A t t man har högre fältstyrka m i t t på e l e k t r o d e r n a än längs långsidorna, torde vara huvudorsaken t i l l den s t o r a andelen av överslag som ägde rum m i t t på k o r t s i d o r n a . ( L i m r i n n i n g i kanterna ökar n a t u r l i g t v i s även r i s k e n för överslag j u s t i kanterna på s k i v a n . )
26
39,8%
0,9%
3 • 1%, 51.9% O . 6%
Figur 15. R e l a t i v a frekvensen för överslag på o l i k a d e l a r av p r e s s p l a t t a n . För a t t minska r i s k e n för överslag höjde man generatorns a r b e t s f r e k v e n s från 13,56 MHz t i l l ca 23 MHz. För samma värmeeffekt t i l l skivan kunde man då sänka fältstyrkan med ca 30 % ned t i l l ca 60 V/mm, Genom denna åtgärd kunde överslagsfrekvensen i p r i n c i p nedbringas t i l l O %.
En ökning av frekvensen medför dock, som t i d i g a r e nämnts, r i s k för ojämn uppvärmning på o l i k a ställen på s k i v a n . V i har därför i en mindre mätserie mätt temperaturen på o l i k a ställen e n l i g t f i g u r 16, med ASEAs fibertermome-ter. Det bör påpekas a t t v i v i d d e t t a mättillfälle i n t e hade fullständig k o n t r o l l över d e n s i t e t och f u k t k v o t i de provkroppar i v i l k a mätsonden hade b o r r a t s i n . Mätresultaten bör därför t o l k a s med en v i s s försiktighet.
I f i g u r 16 v i s a s medeltemperaturen i o l i k a punkter på p r e s s p l a t t a n e f t e r 45 sek H F - t i d och 10 sek e f t e r p r e s s t i d . Som framgår av f i g u r 16 har man den högsta temperaturen m i t t på p l a t t a n . B o r t s e t t från den höga temperaturen m i t t på långsidan, följer temperaturmönstret i s t o r t s e t t d e t man t e o r e -t i s k -t kan förvän-ta s i g med hänsyn -t i l l sambande-t i e k v a -t i o n ( 3 ) . En u-tjäm- utjämning av t e m p e r a t u r s k i l l n a d e r n a kan möjligen göras genom a t t förändra e l e k -trodavståndet mellan o l i k a d e l a r av p r e s s p l a t t a n e l l e r genom a t t minska av-ståndet mellan t i l ledningspunkterna i tvärled.
27
Figur 16. P r e s s p l a t t a n sedd uppifrån med medeltemperaturer i s l i t s k i k t e t på o l i k a ställen e f t e r 45 sek H F - t i d och 10 sek e f t e r p r e s s t i d .
28
4. SLUTORD
Föreliggande undersökning har k l a r t v i s a t på HF-limningens m u l t i v a r i a b l a n a t u r . De s l u t s a t s e r man kan d r a av de genomförda försöken är därför mera av k v a l i t a t i v än av k v a n t i t a t i v n a t u r .
De v i k t i g a s t e lärdomarna kan i punktform sammanfattas på följande sätt: 1. K o n t r o l l av l i m f o g a r n a i de färdiga l a m e l l k o n s t r u k t i o n e r n a kan utföras
genom a t t värma ooh t o r k a u t y t o r n a , så a t t e v e n t u e l l t dåligt limmade stavar ger s i g t i l l känna genom a t t böja upp från den i övrigt släta y t a n . Metoden t o r d e i första hand vara i n t r e s s a n t för en utökad s t i c k -p r o v s k o n t r o l l , men kan möjligen även användas för en a l l k o n t r o l l . 2. Det är mycket v i k t i g t a t t hålla träets f u k t k v o t över ca 6 %, I annat
f a l l kan värmeupptagningen d r a s t i s k t försämras.
3. När limfogen är p a r a l l e l l med e l e k t r o d e r n a kan man i n t e påverka limmets t e m p e r a t u r s t e g r i n g i någon nämnvärd o m f a t t n i n g , genom a t t förändra l i m -mets d i e l e k t r i s k a egenskaper, t ex genom s a l t i n b l a n d n i n g .
4. För a t t r a d i k a l t snabba upp limhärdningen krävs a t t man övergår t i l l limfoguppvärmning.
5. överslag mellan e l e k t r o d e r n a kan undvikas genom a t t minska fältstyr-kan. För a t t kunna behålla samma avgiven e f f e k t t i l l trämaterialet, måste man dock kompensera med a t t höja frekvensen, v i l k e t i s i n t u r l e -der t i l l a t t man får en något ojämnare värmefördelning över p l a t t a n s yta.
5. LITTERATUR / I / Grönlund, A.:
Utbyte och p r o d u k t i o n s t e k n i k v i d trapetssågning Högskolan i Luleå, Teknisk Rapport 1987:03 T. /2/ Gefahrt, J.:
Hoohfrequenzerhitzung im Holz.
Detta digitala dokument skapades med anslag från
Stiftelsen Nils och Dorthi
Troédssons forskningsfond
Trätek
INSTITIITFT FOR TRÄTEKNISK FORSKNINGBox 5609, 114 86 STOCKHOLM Besöksadress: Drottning Kristinas väg 67 Telefon: 08-14 53 00
Telefax: 08-11 61 88 Huvudenhet med kansli
Asenvägen 9, 553 31 J Ö N K Ö P I N G Telefon: 036-12 60 41 Telefax: 036-16 87 98 Skeria 2, 931 87 SKELLEFTEÅ Besöksadress: Bockholmsvägen 1! Telefon: 0910-652 00 Telefax: 0910-652 65
