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)

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)

主要介紹了塑料旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù)的原理及過程、焊接設(shè)備、工藝參數(shù)、焊接性、接頭設(shè)計、特點及應(yīng)用，并對塑料旋轉(zhuǎn)焊接常見問題進行分析及處理。

旋轉(zhuǎn)焊接 飛邊 溢料槽 接頭設(shè)計

旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù)是一門成熟、簡單的塑料焊接技術(shù)。該技術(shù)通過旋轉(zhuǎn)運動在外加壓力下將2個工件焊接在一起。旋轉(zhuǎn)焊是需要高強度、密封圓形接頭塑料件的首選焊接方法。它非常適合于連接大大小小的塑料件及各式各樣的熱塑性樹脂。密封性是旋轉(zhuǎn)焊最受歡迎的特點[1-2]。

1 旋轉(zhuǎn)焊接原理及過程

圖1是旋轉(zhuǎn)焊接原理簡圖。

如圖1所示，旋轉(zhuǎn)焊接原理是一個工件高速旋轉(zhuǎn)并緊壓另一固定工件，在2個工件間產(chǎn)生摩擦熱，使配合面得以熔化。旋轉(zhuǎn)停止后，壓力保持到熔化材料凝固形成永久連接。旋轉(zhuǎn)焊接過程分為4個不同階段。

1) 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) 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。

3) 熔融材料產(chǎn)生的速度等于材料作為飛邊移開的速度。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)。

4) 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。

2 旋轉(zhuǎn)焊接設(shè)備

旋轉(zhuǎn)焊設(shè)備可以是簡單的車床或改進鉆床，也可以是專用旋轉(zhuǎn)焊機。旋轉(zhuǎn)焊機有需手工裝卸的市售單軸旋轉(zhuǎn)焊機,有自動裝卸工件設(shè)備的多軸旋轉(zhuǎn)焊機可滿足大量生產(chǎn)要求。在原始旋轉(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。這減少了凝固過程中的熔體剪切，允許2個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，而伺服驅(qū)動線性軸最適合更難或更精確的應(yīng)用。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。它由氣動馬達和飛輪(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。

3 旋轉(zhuǎn)焊工藝參數(shù)

旋轉(zhuǎn)焊接焊縫可通過馬達每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(r/min)、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特定材料和接頭設(shè)計的最佳工藝參數(shù)。焊接時間從零點幾秒到20 s。冷卻時間在0.5 s內(nèi)。典型的完整加工時間是2 s。工件上的軸向壓力范圍從1.0～6.9 MPa。常用的旋轉(zhuǎn)速度為200～16 000 r/min。發(fā)黏溫度可用作確定工件所需轉(zhuǎn)速的指南。表1是可旋轉(zhuǎn)焊接的大多數(shù)熱塑性材料的發(fā)黏溫度。直徑25.4 mm的未填充聚乙烯零件可在1000 r/min的旋轉(zhuǎn)速度下達到137.8 ℃的發(fā)黏溫度。隨著零件中惰性填料含量的增加，所需轉(zhuǎn)速也相應(yīng)增加。轉(zhuǎn)速增加的作用類似于壓力增加。

4 各種塑料的旋轉(zhuǎn)焊接性

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。旋轉(zhuǎn)焊接易滑脫的塑料如聚甲醛或超高相對分子質(zhì)量聚乙烯稍有困難。

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。與其他摩擦焊方法一樣，高熔點材料需要更高的能量輸入，因而也需更長的焊接時間。添加劑如硅酮和其他潤滑劑會降低材料的摩擦系數(shù)，使焊接變得困難。增強塑料焊接難易程度通常與未增強塑料一樣。如果填料降低摩擦系數(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，就質(zhì)量分數(shù)大于30%的填料而言，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)是影響一致性和焊縫可重復(fù)性的2個因素。旋轉(zhuǎn)焊比超聲波焊更寬容污物，也較少受到吸濕性聚合物的影響(盡管重要用途仍需特殊處理)。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)焊沒有影響或影響很小。

很硬的工件(如聚碳酸酯或乙縮醛)需大轉(zhuǎn)矩使塑料開始熔化。一般說來，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)焊的較低轉(zhuǎn)速會限制某些軟塑料的接頭強度(與材料和應(yīng)用有關(guān))；而慣性旋轉(zhuǎn)焊轉(zhuǎn)速較高，通常能提高低硬度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。

就具有不同熔點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黏合，接頭強度會較低，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，產(chǎn)生機械結(jié)合。旋轉(zhuǎn)焊工件不必要具有超聲波焊接時的化學(xué)相似性。就材料相容性來說，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0.2 MPa的壓力，這種接頭超聲波焊接是難以實現(xiàn)的。

5 旋轉(zhuǎn)焊接接頭設(shè)計

焊接接頭設(shè)計是旋轉(zhuǎn)焊接塑料零件的關(guān)鍵因素。應(yīng)確保獲得所期望的美觀外形和焊縫強度。好的接頭焊接區(qū)域應(yīng)大于工件的典型壁面，必須提供足夠的工件間對齊。待焊工件必須有圓軸(如球體、圓柱、盤、環(huán))和驅(qū)動零件部分使上部能旋轉(zhuǎn)。典型的旋轉(zhuǎn)焊接接頭設(shè)計如圖2～6所示。

如圖2(a)所示，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控的場合。為去除可見區(qū)域的焊接飛邊，可增加溢料槽。如圖2(b)所示。

圖6所示為幾種包含零件對齊、自動定心、溢料槽和延長焊接區(qū)域的榫槽接頭設(shè)計。圖6(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。圖6(b)所示的接頭設(shè)計中2個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。考慮到可能過焊，最好是比所需空間稍大一點。圖6(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)焊接特點

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、不用考慮環(huán)境因素。旋轉(zhuǎn)焊比其他連接方法熔化和移動的材料多3倍，非常適合于產(chǎn)生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，冷卻時間短，非常適合于自動化流水線(多頭自動裝置每分鐘可焊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1 100 mm)，對長而高的工件，旋轉(zhuǎn)焊優(yōu)于超聲波遠場焊(尤其在工件是波狀外形或有開口、伸出部分或者材料是半結(jié)晶性塑料時)。工件本身可以是任何形狀，只要所需焊接的配合面是圓形即可。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、表面速度更高，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)焊工件之一必須能相對另一個自由旋轉(zhuǎn)。如果焊機沒有辦法停止旋轉(zhuǎn)于精確位置，焊后需特定取向的工件不適宜旋轉(zhuǎn)焊。

7 旋轉(zhuǎn)焊接應(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。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。其他典型應(yīng)用包括桅冠燈、聚乙烯浮球、化油器浮子、止回閥、油漆罐蓋、滅火器、吹塑聚乙烯瓶、化妝品容器、飲料杯、保溫杯、隔熱碗、注射器、水罐等。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)焊也是一種流行的大批量產(chǎn)品(如包裝和玩具)焊接方法。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)焊接常見問題分析與處理

表2為旋轉(zhuǎn)焊接常見問題分析與處理方法。

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。

旋轉(zhuǎn)焊成功焊接所必需的因素包括工件旋轉(zhuǎn)速度的確定以及工件旋轉(zhuǎn)時驅(qū)動器的適當(dāng)壓力。

旋轉(zhuǎn)焊具有簡便、高質(zhì)量、能焊材料廣、生產(chǎn)率很高及密封性能好等優(yōu)點，可焊接大斷面、焊縫不需引入外加材料的塑料，是需要高強度、密封圓形接頭塑料件的首選焊接方法。影響旋轉(zhuǎn)焊焊接因素主要包括工件旋轉(zhuǎn)速度的確定以及工件旋轉(zhuǎn)時驅(qū)動器的適當(dāng)壓力。

以前的旋轉(zhuǎn)焊機較簡陋，對速度、作用力或位移控制較少?，F(xiàn)今的旋轉(zhuǎn)焊機已能使用傳感器、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、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)焊接在各行各業(yè)的各種塑料圓形接頭中發(fā)揮了愈加重要的作用。

[1] 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.

[2] 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.

汽車外飾件用的熱塑性彈性體復(fù)合物

據(jù)“www.ptonline.com”報道，3種熱塑性彈性體復(fù)合物具有優(yōu)異的加工性、抗紫外線穩(wěn)定性及完美外觀，其用在汽車的窗封裝和外觀部件如屏幕飾面和內(nèi)飾件密封件中，比用三元乙丙橡膠(EPDM)和聚氯乙烯(PVC)的輕。羅德島的波塔基特Teknor Apex公司在Fakuma展會推出這基于不同聚合物組成的這3種熱塑性彈性體復(fù)合物。

據(jù)報道，性能改善的熱塑性彈性體Sarlink 17100系列復(fù)合物，其低黏度配方是基于廣泛使用熱塑性彈性體sarlink4700系列上開發(fā)的。它們的高流動性和對加工條件變化的低靈敏度使它們有優(yōu)秀的表面性能和能精確復(fù)制復(fù)雜制件形狀。如同所有的熱塑性彈性體一樣，17100系列復(fù)合物在高溫下保持好的密封性，具有較好的耐油脂和溶劑性。

Sarlink ME-2500和ME-2600系列苯乙烯類嵌段共聚物(TPE-S)復(fù)合物表現(xiàn)出其超過那些通用熱塑性彈性體材料的性能，如更高的流動性、更好的抗紫外線穩(wěn)定性。而ME-2500復(fù)合物密度可與EPDM的相媲美，具有特別低的密度(0.93 g/cm3)，密度最小值為EPDM的1.1倍和PVC的1.2 倍。據(jù)說所有這些復(fù)合物具有寬的加工窗口，易著色，并有好的抗紫外線性，光澤度可以定義調(diào)整。

阻燃醫(yī)用熱塑性彈性體

據(jù)“www.ptonline.com”報道，俄亥俄州克利夫蘭Lubrizol公司響應(yīng)醫(yī)療保健設(shè)施復(fù)雜的電子設(shè)備用料巨大的增長需求，并滿足復(fù)雜電子設(shè)備原材料使火災(zāi)蔓延低風(fēng)險的要求，最近該公司推出帶有阻燃性能的醫(yī)用級Tecothane熱塑性彈性體。

該新型Tecothane阻燃熱塑性彈性體據(jù)說作為醫(yī)療設(shè)備用料比較理想，可與電子連接設(shè)備直接接觸，如用于觸摸屏顯示器、壓力傳感器、心電圖和傳感器電纜。在家庭保健和醫(yī)療應(yīng)用的一個特別重要的特征：越來越多電子產(chǎn)品的使用意味著設(shè)備短路的可能性增加，而新型Tecothane阻燃熱塑性彈性的使用降低了火災(zāi)蔓延的風(fēng)險。

(以上由中國石化揚子石油化工有限公司南京研究院

嚴(yán)淑芬供稿)

Spin Welding Technique for Plastics

Zhang Shengyu

(Guangzhou Association for Special Equipment, Guangzhou， Guangdong，510380)

The principle and processes, welding equipment, process parameters, weldability, joint design,characteristics and applications of spin welding technique for plastics are introduced. The common problems of the technique are analyzed and managed.

spin welding; flash; overflow trough; joint design

2014-09-09;修改稿收到日期:2015-05-18。

張勝玉(1970—)，男，高級工程師。研究方向為塑料及復(fù)合材料焊接和焊接新技術(shù)新工藝。E-mail:zhangshengyu88@163.com。