塑料旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù)

張勝玉

（廣州市特種設(shè)備行業(yè)協(xié)會，廣東 廣州 510380）

0 前言

旋轉(zhuǎn)焊是一門簡單、經(jīng)濟的摩擦焊技術(shù)。它是需要高強度、密封圓形接頭塑料件的首選焊接方法，適合于連接大大小小的塑料件及各式各樣的熱塑性樹脂。

1 旋轉(zhuǎn)焊原理及過程

旋轉(zhuǎn)焊的原理，如圖1所示。它是一個工件高速旋轉(zhuǎn)并緊壓另一固定工件，在兩工件間產(chǎn)生摩擦熱，配合面得以熔化并融合在一起。旋轉(zhuǎn)停止后，壓力保持到熔化材料凝固形成永久連接。

圖1 旋轉(zhuǎn)焊原理簡圖

焊接前兩工件分別置于上下夾具中，上夾具下降，上下工件接觸。焊接過程中兩工件在壓力下旋轉(zhuǎn)摩擦發(fā)熱，工件界面熔化并融合在一起。焊接后焊縫在壓力下充分凝固，上夾具上升，移走工件。

旋轉(zhuǎn)焊接過程可分為4個階段。

（1）第1階段：兩固體表面之間通過旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生熱量，界面區(qū)域升溫至結(jié)晶性塑料的熔點或非結(jié)晶性塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

（2）第2階段：界面材料開始熔化。隨著熔液厚度增加，部分熔融材料作為飛邊擠出接頭。

（2）第3階段：熔融材料產(chǎn)生的速率等于材料作為飛邊移開的速率。一旦到達該階段，通過摩擦或制動裝置停止驅(qū)動頭旋轉(zhuǎn)。1～3階段的時間為0.5～2.0s。

（4）第4階段：驅(qū)動頭停止旋轉(zhuǎn)，工件在預(yù)置壓力下結(jié)合在一起以確保熔液表面之間的緊密接觸。接頭冷卻形成永久連接。第4階段時間是1.0～2.0s。

2 旋轉(zhuǎn)焊工藝參數(shù)

焊縫可通過轉(zhuǎn)速、焊接壓力、焊接時間、冷卻時間和保持壓力來控制。通常進行樣品評估以確定材料和接頭設(shè)計的最佳工藝參數(shù)。焊接時間從零點幾秒到20s，冷卻時間在0.5s內(nèi)，工件上的軸向壓力1.0～6.9MPa。轉(zhuǎn)速為200～16 000r／min。表1為常用熱塑性塑料的發(fā)黏溫度。發(fā)黏溫度可用于確定工件所需轉(zhuǎn)速。直徑25.4mm 的未填充聚乙烯零件在1 000r／min的轉(zhuǎn)速下達到發(fā)黏溫度137.8 ℃。隨著零件中惰性填料含量的增加，轉(zhuǎn)速也應(yīng)增加。轉(zhuǎn)速增加產(chǎn)生的作用類似于壓力的增加。

2.1 慣性旋轉(zhuǎn)焊參數(shù)

2.1.1 圓周速度

接頭處圓周速度應(yīng)盡可能不低于10m／s。對于直徑小的工件，圓周速度偶爾可在5～10m／s之間。一般圓周速度愈大，效果愈好。高轉(zhuǎn)速也有利于飛輪的保養(yǎng)，因為速度愈大，既定尺寸待焊零件所需的飛輪的質(zhì)量愈輕。

2.1.2 轉(zhuǎn)速與驅(qū)動頭質(zhì)量

在驅(qū)動頭與塑料工件接觸前，焊接能量儲存于旋轉(zhuǎn)飛輪中。通過改變轉(zhuǎn)速或驅(qū)動頭質(zhì)量，焊接能量發(fā)生變化。轉(zhuǎn)速一般為2 500～4 000r／min，旋轉(zhuǎn)頭質(zhì)量一般為1～4kg。

2.1.3 起轉(zhuǎn)時間

起轉(zhuǎn)時間是指驅(qū)動頭達到最大轉(zhuǎn)速的時間。經(jīng)過部分起轉(zhuǎn)時間焊頭與工件接觸，不改變驅(qū)動頭的質(zhì)量就能改變至接頭的能量輸入。

表1 常用熱塑性塑料的發(fā)黏溫度

2.1.4 焊接壓力

塑料熔化所需的熱量是由旋轉(zhuǎn)體的能量產(chǎn)生的。在接合面擠壓在一起時，摩擦使飛輪在1s內(nèi)停止。對于熔化溫度范圍較窄的塑料，如乙縮醛，在發(fā)生接觸后飛輪旋轉(zhuǎn)不應(yīng)超過1～2轉(zhuǎn)。如果工件之間壓力過低，飛輪旋轉(zhuǎn)時間過長，在塑料凝固時會發(fā)生剪斷，產(chǎn)生弱焊縫或泄漏焊縫。對于凝固較慢的非結(jié)晶性塑料，焊接壓力影響不大。對于所有塑料來說，最好采用高于必需的壓力，這樣在任何情況下不會造成焊縫質(zhì)量變差。焊接壓力一般為2.0～4.8MPa。

2.1.5 保壓時間

一旦材料熔化，重新凝固需花費時間，所以保持壓力一段時間至關(guān)重要。保壓時間取決于材料性質(zhì)，可通過試驗確定。對于聚甲醛，保壓時間約0.5～1.0s；而非結(jié)晶性塑料，保壓時間需長一些。

2.2 直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)焊參數(shù)

2.2.1 轉(zhuǎn)速或表面線速度

在直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)焊中，一個工件相對于固定工件定速旋轉(zhuǎn)。所需的轉(zhuǎn)速取決于材料和用途。每種材料都有產(chǎn)生摩擦和發(fā)熱的最佳界面線速度。如果接頭處所需的線速度是2 m／s，對于直徑40 mm 的工件，轉(zhuǎn)速為955r／min。

對于直徑大的工件，轉(zhuǎn)速必須降低以獲得最佳的接頭處線速度。通常接頭處線速度為0.2～2.0 m／s。最佳值可通過試驗確定。

直徑小的工件通常需要比同種材料的直徑大的工件更高的轉(zhuǎn)速，以達到相同的表面線速度。如果表面線速度太低，不會產(chǎn)生充足的熱量引起足夠的熔化。如果線速度過高，接頭中過多的熱量會造成材料降解或黏度降低，導(dǎo)致材料流出接頭。表面線速度的選擇在很大程度上取決于被焊工件的材料和接頭形狀。

2.2.2 加壓速率（軸向速度）

加壓速率影響被焊工件之間產(chǎn)生摩擦熱所需的接觸壓力。加壓速率愈快，發(fā)熱速率愈快。不同于磨削，加壓速率必須足夠大以產(chǎn)生界面處熔化，但不能太高以免損壞工件。在需要更大轉(zhuǎn)矩以保持恒定的轉(zhuǎn)速時，加壓速率太大還會引起旋轉(zhuǎn)電機停轉(zhuǎn)。

2.2.3 焊接壓力

焊接壓力通常最小。兩工件接觸時施加壓力愈大，組件阻力矩愈大。

2.2.4 焊接時間

焊接時間愈長，界面處發(fā)熱量愈大。與振動焊一樣，存在一個材料位移速度隨時間線性增加的穩(wěn)態(tài)階段。在達到穩(wěn)態(tài)階段后，驅(qū)動頭無需繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)材料和接頭直徑，焊接時間為2～10s。最佳焊接時間可通過試驗確定。

2.2.5 焊接位移或焊接深度

如果需要預(yù)定的材料位移，焊接過程可以通過位移控制，即一達到所需位移，旋轉(zhuǎn)頭就停止。與按時間焊接一樣，在達到穩(wěn)態(tài)時會獲得最佳質(zhì)量的焊縫。這可通過在焊機底座和驅(qū)動頭之間放置一個位移傳感器，并監(jiān)控位移隨時間的變化來確定。焊接深度的確定與應(yīng)用密切相關(guān)。焊接接頭一般為特定的焊接熔深設(shè)計的。焊縫足夠深，焊接強度高。但深度過大會形成飛邊，導(dǎo)致增強填料的拔出和焊接面鏈間鍵的重新排列，造成弱的軸向焊接接頭，并可能產(chǎn)生工件變形。

3 旋轉(zhuǎn)焊設(shè)備

旋轉(zhuǎn)焊設(shè)備可以是簡單的車床或改進的鉆床，也可以是專用旋轉(zhuǎn)焊機。旋轉(zhuǎn)焊機有手工裝卸的單軸旋轉(zhuǎn)焊機，以及具有自動裝卸工件設(shè)備的多軸旋轉(zhuǎn)焊機。在原始的旋轉(zhuǎn)焊接裝置中，轉(zhuǎn)動是由電動或氣動馬達產(chǎn)生，能量儲存于飛輪中。一旦能量耗盡，轉(zhuǎn)動就停止。在新式裝置中，轉(zhuǎn)動由伺服電機產(chǎn)生，允許較快加速及近乎瞬時斷開。這減少凝固過程中的熔體剪切，允許兩零件最終定位于幾分之一度內(nèi)。

旋轉(zhuǎn)焊機是臺式機，縱向安裝有一個垂直于工裝座的線性傳動裝置。線性傳動裝置可以是氣缸或伺服驅(qū)動滾珠絲杠。氣缸適合于絕大多數(shù)應(yīng)用場合，而伺服驅(qū)動線性軸適合于更精確的應(yīng)用場合。伺服軸可精確控制推桿的垂直速度，并確保焊接循環(huán)過程中軸向壓力恒定。

驅(qū)動頭是旋轉(zhuǎn)工件的裝置，與推桿端部相連。驅(qū)動頭由氣動馬達和飛輪（慣性焊機）、動態(tài)制動的直接驅(qū)動電機或伺服電機來驅(qū)動。

4 各種塑料的旋轉(zhuǎn)焊接性能

幾乎所有熱塑性塑料（非結(jié)晶性或結(jié)晶性塑料）都可以旋轉(zhuǎn)焊接［1－3］。泡沫塑料樹脂、可注射成型含氟聚合物、熱塑性彈性體、熱塑性橡膠（TPR）、聚氨酯（嵌套材料）、聚砜、離聚物、聚碳酸酯與丙烯酸、丙烯酸與ABS等均可焊接。旋轉(zhuǎn)焊接易滑脫的塑料，如聚甲醛或超高相對分子質(zhì)量的聚乙烯比較困難。表2列出了常用熱塑性塑料的焊接性。

旋轉(zhuǎn)焊比超聲波焊更容易焊接半結(jié)晶性塑料及更易于遠場焊接。與其它摩擦焊方法一樣，高熔點材料需要輸入更高能量，因而焊接時間更長。添加劑，如硅酮和其它潤滑劑會降低材料的摩擦因數(shù)，使焊接變得困難。增強塑料焊接難易程度與未增強塑料的相同。如果填料降低摩擦因數(shù)，有時必須增加焊接壓力以減少有效焊接時間。填料對焊縫強度也有影響。例如：質(zhì)量分數(shù)高于30%的填料，界面處可用于焊接的聚合物量減少，焊縫強度會降低。而且，由于纖維增強物不跨過接合線，所能得到的最大焊縫強度是未增強樹脂的強度。因此，必須通過增加焊縫面積來加以補償。填料和表面污物，如脫模劑是影響焊縫和可重復(fù)性的兩個因素。旋轉(zhuǎn)焊比超聲波焊對污物的寬容度更高，也較少受到吸濕性聚合物的影響。含水量可能引起氣泡的生成，導(dǎo)致焊縫強度降低。顏料對旋轉(zhuǎn)焊的影響很小。

表2 常用熱塑性塑料的旋轉(zhuǎn)焊接性

硬度高的工件，如聚碳酸酯或乙縮醛需大的轉(zhuǎn)矩使塑料開始熔化。一般旋轉(zhuǎn)焊接軟塑料大工件比硬塑料工件容易。直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)焊轉(zhuǎn)速較低會限制某些軟塑料的接頭強度；而慣性旋轉(zhuǎn)焊轉(zhuǎn)速較高，通常能提高硬度低的材料，如聚乙烯和聚丙烯的接頭強度，所以更適合于較軟塑料。

就不同熔點的異種材料的焊接而言，熔點相差愈大，焊接愈困難。有可能只在表面形成機械粘合（mechanical adhesion），接頭強度較低。這時可能需要特殊的接頭型面和使用很高的焊接壓力。通過設(shè)計下部凹陷的焊接接頭，低熔點的聚合物流入下部凹陷（undercut），產(chǎn)生機械結(jié)合（mechanical union）。旋轉(zhuǎn)焊工件無需具有超聲波焊接時的化學(xué)相似性。就材料相容性而言，旋轉(zhuǎn)焊更類似于振動焊。聚乙烯與聚丙烯旋轉(zhuǎn)焊密封機械接頭能經(jīng)受0.2MPa的壓力。這種接頭超聲波焊接是難以實現(xiàn)的。

5 旋轉(zhuǎn)焊接頭的設(shè)計

接頭設(shè)計是旋轉(zhuǎn)焊塑料零件設(shè)計的關(guān)鍵因素。接頭焊接區(qū)域應(yīng)大于工件的典型壁面，工件間必須對準(zhǔn)。待焊工件必須有圓軸，如球體、圓柱、盤、環(huán)等和驅(qū)動部分，便于旋轉(zhuǎn)，如圖2、3所示。

圖2 驅(qū)動零件

圖3 自調(diào)整的自動化驅(qū)動零件

圖4為簡單對接接頭。對接接頭是最簡單的接頭設(shè)計，僅用于最終零件中焊接飛邊可接受的場合。在某些情況下，在焊接區(qū)域增加零件壁厚以獲得更大的接頭強度和零件剛性，如圖5所示。為去除可見區(qū)域的焊接飛邊，可增加溢料槽。

圖6為飛邊位置可控的兩種簡單的對接接頭設(shè)計。在圖6中：左側(cè)顯示飛邊控制在焊接零件內(nèi)部，上工件的內(nèi)臺階高于下工件的外臺階，因而熔化時，內(nèi)臺階首先熔化，材料轉(zhuǎn)移到工件內(nèi)部。在足夠的材料熔化后，上下工件的外臺階發(fā)生接觸，但不會焊接在一起。該設(shè)計的焊接區(qū)域只占整個工件壁厚的一半。如果焊接強度是100%的母材強度，那么接頭強度只有母材強度的50%。

圖4 簡單對接接頭

圖5 焊縫區(qū)厚壁對接接頭

圖6 簡單對接接頭外部（左邊）和內(nèi)部（右邊）溢料槽設(shè)計

圖7為簡單剪切接頭設(shè)計；圖8為帶法蘭的剪切接頭設(shè)計；圖9為尼龍剪切接頭設(shè)計。圖7、8、9中T 為零件的壁厚。

圖7 簡單剪切接頭設(shè)計

圖8 帶法蘭的剪切接頭設(shè)計

圖9 尼龍剪切接頭設(shè)計

圖10為工件自動定心的簡單對接接頭設(shè)計。在圖10中：使用斜槽或錐形面焊前定位工件及在焊接過程中自動定心工件。這些特殊接頭設(shè)計增加界面處焊接表面積，降低對該區(qū)域更厚壁面的要求。這些設(shè)計并不包含溢料槽。

圖10 工件自動定心的簡單對接接頭設(shè)計

圖11 榫槽接頭設(shè)計

圖11為幾種包含零件對準(zhǔn)、自動定心、溢料槽和延長焊接區(qū)域的榫槽接頭設(shè)計。圖11（a）是最簡單的形式，不包含溢料槽，但邊緣有一個飛邊流入的小凹口。飛邊與工件外表面齊平，且焊后可見。焊前工件之間間隙約為0.1倍的壁厚。為防止焊接過程中自鎖，角度b不應(yīng)小于30°，焊接面總長度c＋d 應(yīng)大于等于2.5倍的壁厚，以確保獲得足夠的接頭強度?？商砑蛹訌娊畹焦ぜ谝蕴岣邉偠取Ｔ趫D11（b）所示的接頭設(shè)計中，兩工件都有一個模塑的溢料槽。在工件焊接時接合線可見，但飛邊不可見。溢料槽的尺寸必須足以容納從焊接界面擠出的塑料?？紤]到可能過焊，最好是比必需的空間稍大。圖11（c）是側(cè)緣設(shè)計，飛邊貯存在槽中，接合面隱藏在側(cè)緣下。

6 旋轉(zhuǎn)焊特點

旋轉(zhuǎn)焊的優(yōu)點是簡便、能量效率高、質(zhì)量好、成本低、能焊接的材料廣（適用于絕大多數(shù)熱塑性塑料及某些異種塑料）、生產(chǎn)率很高（大部分工件的焊接時間只有幾秒）、焊縫不引入外加材料，無須考慮環(huán)境因素等。旋轉(zhuǎn)焊非常適合于獲得比母材自身強度高的耐壓密封接頭。由于加熱局限于焊接界面，很少產(chǎn)生過熱，冷卻時間又短，非常適合于自動化流水線，多頭自動裝置每分鐘可焊接300 個零件。旋轉(zhuǎn)焊可焊接大斷面（現(xiàn)已焊接的最大直徑工件為1 100mm），對長而高的工件，旋轉(zhuǎn)焊優(yōu)于超聲波遠場焊。工件可以是任何形狀，只要所需焊接的配合面是圓形的即可。由于界面處發(fā)熱量取決于相對表面速度，圓形零件外緣直徑更大，表面速度更大，因而溫度更高。這會造成溫差，在接頭中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。為減輕這種影響，有空心截面和薄壁的接頭更可取。旋轉(zhuǎn)焊工件必須能相對另一個工件自由旋轉(zhuǎn)。如果焊機無法停止旋轉(zhuǎn)于精確位置，則焊后需特定取向的工件不適宜旋轉(zhuǎn)焊接。

7 旋轉(zhuǎn)焊應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)焊最早用于制造充液羅盤。汽車行業(yè)應(yīng)用包括：罐、瓶、閥、燈、過濾器、濾杯（濾罩）、空氣導(dǎo)管、加油管、彎頭與歧管的焊接、擠壓管材與燃油濾清器模制件的連接、三都平軟管與聚丙烯進氣管的焊接等［4］。器械行業(yè)應(yīng)用包括：閥門、偏流器、真空吸塵器罩、洗衣機彎管、冰箱濾水器、果汁與蘇打冷飲機分路器等焊接。其它應(yīng)用包括：桅冠燈、深水浮標(biāo)、聚乙烯浮球、浮筒、化油器浮子、止回閥、彈出式灌水栓、油漆罐蓋、噴霧罐、氣霧瓶、傳動軸、蓄氣筒、滅火器、吹塑聚乙烯瓶、化妝品容器、丁烷打火機、飲料杯、保溫杯、隔熱碗、注射器、水罐等焊接。旋轉(zhuǎn)焊還用于塑料管道，如聚乙烯管或聚氯乙烯管的焊接與修補。旋轉(zhuǎn)焊可用于結(jié)構(gòu)件的組裝，如容器頂部和底部的焊接，還可用于螺柱與塑料零件的連接。

8 旋轉(zhuǎn)焊故障處理

旋轉(zhuǎn)焊常見故障分析與處理，如表3所示。

9 結(jié)語

旋轉(zhuǎn)焊是一種用于組裝圓形結(jié)合面塑料工件的摩擦焊接方法。它通過摩擦力提供界面處的熔化熱。焊接過程中施加足夠的壓力擠出少量的樹脂飛邊及過量氣泡。

工件旋轉(zhuǎn)焊前，必須考慮以下方面：（1）材料種類及開始發(fā)黏的溫度；（2）工件直徑；（3）飛邊產(chǎn)生的量及飛邊的處理。

表3 旋轉(zhuǎn)焊常見故障分析與處理

旋轉(zhuǎn)焊成功焊接的因素：工件旋轉(zhuǎn)速度的確定，工件旋轉(zhuǎn)時驅(qū)動器適當(dāng)?shù)膲毫Α＝宇^焊接區(qū)域應(yīng)大于工件的典型壁面，工件間必須對準(zhǔn)。待焊工件必須有圓軸和驅(qū)動部分，便于旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)焊的優(yōu)點：簡便、質(zhì)量高、能焊接材料廣、生產(chǎn)率高、可焊接大斷面、焊縫不引入外加材料。密封性能是旋轉(zhuǎn)焊的最重要特點。但旋轉(zhuǎn)焊限于有圓形結(jié)合面的工件。

以前的旋轉(zhuǎn)焊機較簡陋，對速度、作用力或位移控制精度較低。現(xiàn)今的旋轉(zhuǎn)焊機已使用傳感器、伺服電機、微處理器對旋轉(zhuǎn)焊接過程進行很好的控制：可預(yù)先確定速度、加速度、減速度、位移、焊接時間和保壓時間，還可編制焊機程序，使工件停在特定的位置。隨著現(xiàn)代科技的進步，旋轉(zhuǎn)焊接在各種塑料圓形接頭中發(fā)揮了越來越重要的作用。

［1］中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.材料的焊接［M］.3版∥焊接手冊：第2卷.北京：機械工業(yè)出版社，2008：1155－1179.

［2］張勝玉.塑料旋轉(zhuǎn)焊［J］.國外塑料，2000（4）：31－33.

［3］張勝玉.熱塑性復(fù)合材料及其焊接［J］.纖維復(fù)合材料，2000（4）：45－48.

［4］張勝玉.塑料焊接在汽車工業(yè)上的應(yīng)用［J］.塑料，2004，33（6）：89－94.