塑料旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù)（上）

張勝玉

（廣州市特種設(shè)備行業(yè)協(xié)會）

塑料焊接技術(shù)連載（三）

塑料旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù)（上）

張勝玉

（廣州市特種設(shè)備行業(yè)協(xié)會）

旋轉(zhuǎn)焊是一門成熟、簡單的塑料焊接技術(shù)。該技術(shù)通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動在外加壓力下將兩工件焊接在一起。旋轉(zhuǎn)焊是需要高強(qiáng)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(diǎn)。本文概述了旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù)的諸多方面，如原理及過程、工藝參數(shù)、焊接設(shè)備、接頭設(shè)計(jì)、焊接性、特點(diǎn)、應(yīng)用、常見問題分析及處理。

旋轉(zhuǎn)焊 摩擦焊 飛邊 溢料槽 接頭設(shè)計(jì) 圓形接頭 每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)

前言

旋轉(zhuǎn)焊是一門簡單、經(jīng)濟(jì)的摩擦焊技術(shù)。它是需要高強(qiáng)度、密封圓形接頭塑料件的首選焊接方法，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。

1．旋轉(zhuǎn)焊原理及過程

如圖1所示，旋轉(zhuǎn)焊原理是一個(gè)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。旋轉(zhuǎn)停止后，壓力保持到熔化材料凝固而形成永久連接。

焊前，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，工件界面熔化和熔合在一起。焊后，焊縫在壓力下充分凝固，上夾具上升，移走工件。

旋轉(zhuǎn)焊接過程可細(xì)分為四個(gè)不同階段。

圖1旋轉(zhuǎn)焊原理簡圖

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(diǎn)或非結(jié)晶性塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

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。

第3階段：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(dá)該階段，通過摩擦或制動裝置停止驅(qū)動頭旋轉(zhuǎn)。1－3階段典型的時(shí)間是0．5－2秒。

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階段典型時(shí)間是1－2秒。

2．旋轉(zhuǎn)焊工藝參數(shù)

工件愈大，所需旋轉(zhuǎn)工件的電機(jī)也愈大（因?yàn)樾韪筠D(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)工件和獲得足夠的摩擦）。直徑25．4mm到381mm的工件可用1／4到3馬力的電機(jī)旋轉(zhuǎn)焊接。焊縫可通過電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（rpm）、待焊工件上的壓力、旋轉(zhuǎn)和焊接過程中壓力作用的時(shí)間、冷卻時(shí)間和壓力來控制。商用旋轉(zhuǎn)焊機(jī)速度范圍為200－16000rpm。焊接時(shí)間從零點(diǎn)幾秒到20秒。冷卻時(shí)間在0．5秒內(nèi)。典型的完整加工時(shí)間是2秒。工件上的軸向壓力范圍從1MPa到6．9MPa。通常進(jìn)行樣品評估以確定特定材料和接頭設(shè)計(jì)的最佳工藝參數(shù)。

表1顯示了可旋轉(zhuǎn)焊接的大多數(shù)熱塑性塑料的發(fā)粘溫度。該數(shù)據(jù)并不僅限于旋轉(zhuǎn)焊，對所有形式的熱熔焊都是有用的。發(fā)粘溫度可用作確定工件所需rpm的指南。常用的旋轉(zhuǎn)速度為200－14000rpm。直徑25．4mm的未填充聚乙烯零件可在1000rpm的旋轉(zhuǎn)速度下達(dá)到137．8℃的發(fā)粘溫度。隨著零件中惰性填料含量的增加，所需轉(zhuǎn)速也得增加。轉(zhuǎn)速增加的作用類似于壓力增加。

表1 常用塑料的發(fā)粘溫度

慣性旋轉(zhuǎn)焊參數(shù)

圓周速度

接頭處圓周速度應(yīng)盡可能不低于10m／s。對于小直徑工件圓周速度偶爾在5到10m／s之間。一般說來，圓周速度愈高，結(jié)果愈佳。高轉(zhuǎn)速也有利于飛輪，因?yàn)樗俣扔?，既定尺寸待焊零件所需的飛輪質(zhì)量愈輕。

旋轉(zhuǎn)速度與質(zhì)量

在驅(qū)動頭與塑料工件接觸之前，焊接能量首先儲存于旋轉(zhuǎn)飛輪之中。能量值通過改變旋轉(zhuǎn)速度或驅(qū)動頭質(zhì)量發(fā)生改變。旋轉(zhuǎn)速度一般在2500到4000rpm之間，旋轉(zhuǎn)頭質(zhì)量一般為1－4kg。

起轉(zhuǎn)時(shí)間（起動時(shí)間）

起轉(zhuǎn)時(shí)間是指驅(qū)動頭達(dá)到最大旋轉(zhuǎn)速度的時(shí)間。經(jīng)過部分起轉(zhuǎn)時(shí)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。

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(shí)，摩擦使飛輪在1秒內(nèi)停下。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)該超過1到2轉(zhuǎn)。如果工件之間壓力過低，飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)間過長，在塑料凝固時(shí)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，焊接壓力影響不是很大。對于所有塑料來說，最好采用比絕對必要更高的壓力，因?yàn)樵谌魏吻闆r下不會造成焊縫質(zhì)量變差。焊接壓力一般為2到4．8MPa。

保壓時(shí)間

一旦材料熔化，重新凝固需花時(shí)間，所以保持壓力一段時(shí)間至關(guān)重要。保壓時(shí)間取決于特定的材料，最好通過試驗(yàn)確定。對于聚甲醛，保壓時(shí)間約0．5－1秒，而非結(jié)晶性塑料保壓時(shí)間要長一些。

直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)焊參數(shù)

旋轉(zhuǎn)速度或表面線速度

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

60s×2 m／s／0．04m×π＝955rpm

對于大直徑工件，旋轉(zhuǎn)速度必須降低以獲得最佳的接頭處線速度。通常，接頭處線速度在0．2到2m／s之間。最佳值通過試驗(yàn)確定。

對于固定的旋轉(zhuǎn)速度（每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)rpm），表面線速度隨焊接接頭直徑的增加而增加。對于固定焊接接頭直徑，表面線速度隨電動機(jī)rpm的增加而增加。因而小直徑工件通常需要比同種材料的大直徑工件更多的rpm以達(dá)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。如果速度過高，接頭中過多的熱量會造成材料降解或粘度降低導(dǎo)致材料流出接頭。適當(dāng)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。某些材料如聚氯乙烯在大范圍值內(nèi)容易焊接，而另外一些材料范圍較窄。

加壓速度（軸向速度）

加壓速度影響被焊工件之間產(chǎn)生摩擦熱所需的接觸壓力值。加壓速度愈快，發(fā)熱速度愈快。不同于磨削，加壓速度（與表面線速度一起）必須足夠高以產(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)矩保持恒定的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，太大的加壓速度還會造成旋轉(zhuǎn)電機(jī)停轉(zhuǎn)。

雙伺服旋轉(zhuǎn)焊機(jī)可在兩種不同的加壓速度模式下運(yùn)轉(zhuǎn)。不選擇轉(zhuǎn)矩恒定，焊接過程中加壓速度恒定。選擇轉(zhuǎn)矩恒定，加壓速度可變以保持轉(zhuǎn)矩恒定。后一種情況類似于氣動壓力機(jī)操作（加壓速度是既定氣壓和旋轉(zhuǎn)速度條件下熔化速度的產(chǎn)物）。最佳加壓速度的選擇取決于工件材料和接頭形狀及表面線速度。初始試驗(yàn)范圍為0．5－2．0mm／s。

焊接壓力

焊接壓力通常最小。兩工件接觸時(shí)施加壓力愈大，組件阻力矩愈大。

焊接時(shí)間

焊接時(shí)間是工件之間保持旋轉(zhuǎn)的時(shí)間。焊接時(shí)間愈長，界面處發(fā)熱量愈大。與振動焊一樣，存在一個(gè)材料位移速度隨時(shí)間線性增加的穩(wěn)態(tài)階段。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)階段后驅(qū)動頭繼續(xù)旋轉(zhuǎn)沒有更多的好處。依材料和接頭直徑而定，焊接時(shí)間范圍從2到10秒。最佳焊接時(shí)間通過試驗(yàn)確定。

焊接位移或焊接深度

如果需要預(yù)定的材料位移（如兩配合面必須齊平時(shí)），焊接過程可以通過位移控制，即一達(dá)到所需位移旋轉(zhuǎn)頭即停止。與按時(shí)間焊接一樣，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)會獲得最佳質(zhì)量的焊縫。這可通過在焊機(jī)底座和驅(qū)動頭之間放置一個(gè)位移傳感器并監(jiān)控位移隨時(shí)間的變化來確定。焊接深度的確定與應(yīng)用密切相關(guān)。焊接接頭一般是為特定的焊接熔深設(shè)計(jì)的。原則上，焊縫足夠深以產(chǎn)生強(qiáng)固的密封組件。但深度過大會形成飛邊、導(dǎo)致增強(qiáng)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及可能產(chǎn)生工件變形。由于焊接深度影響接頭強(qiáng)度和產(chǎn)生的飛邊量，適當(dāng)設(shè)計(jì)焊接接頭同時(shí)滿足這兩個(gè)要求至關(guān)重要。推薦引入溢料槽以產(chǎn)生可接受外觀而不減弱強(qiáng)度。

（未完待續(xù)：見本刊2016年第1期）

Spin Welding Technique for Plastics

Zhang Shengyu
（Guangzhou Association for Special Equipment，510380，GuangzhouGuangdong）

Spin welding is a mature and uncomplicated technique for welding thermoplastic parts that utilizes a circular spinning motion，in conjunction with applied pressure，to weld two parts together．It is the preferred technique for thermoplastic parts with a circular axis joint which have high bond strength／hermetic requirements．It’s ideal for large and small part plastic assembly as well as a wide range of thermoplastic resins．Hermetic sealing capability is central to the popularity of spin welding．This article presents a review of a number of aspects，e．g．principle and processes，process parameters，welding equipment，joint design，weldability，characteristics，applications，common problems and troubleshooting，of the technique．

Spin welding friction welding flash flash trap joint design circular joint rpm