塑料旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù)（下）

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)（下）

張勝玉

（廣州市特種設(shè)備行業(yè)協(xié)會）

（上接《塑料包裝》2016年第1期）

5．旋轉(zhuǎn)焊接頭設(shè)計(jì)

接頭設(shè)計(jì)是旋轉(zhuǎn)焊塑料零件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。應(yīng)確保獲得所期望的的美觀外形和焊縫強(qiáng)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)（如圖2、3）。

圖2 驅(qū)動零件

圖3 自調(diào)整的自動化驅(qū)動零件

如圖4所示，對接接頭是最簡單的接頭設(shè)計(jì)，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)域零件壁厚加厚以獲得更大的接頭強(qiáng)度和零件剛性（如圖5）。為去除可見區(qū)域的焊接飛邊，可增加溢料槽。

圖4 簡單對接接頭

圖5 焊縫區(qū)厚壁對接接頭

如圖6所示為飛邊位置可控的兩種簡單的對接接頭設(shè)計(jì)。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。因而出現(xiàn)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(jì)的焊接區(qū)域只占整個工件壁厚的一半。如果焊接強(qiáng)度是100%母材強(qiáng)度，那么接頭強(qiáng)度只有母材強(qiáng)度的50%。

圖6 簡單對接接頭外部（左邊）和內(nèi)部（右邊）溢料槽設(shè)計(jì)

圖7 簡單剪切接頭設(shè)計(jì)

圖8 帶法蘭的剪切接頭設(shè)計(jì)

圖9 尼龍剪切接頭設(shè)計(jì)

在如圖10所示的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)

如圖11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(jì)。圖（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倍壁厚以確保獲得足夠的接頭強(qiáng)度?？商砑蛹訌?qiáng)筋到工件壁以提高剛度。圖（b）所示的接頭設(shè)計(jì)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，最好是比必需空間稍大一點(diǎn)。圖（c）是側(cè)緣設(shè)計(jì)，飛邊貯存在槽中，接合面隱藏在側(cè)緣下。

圖11 榫槽接頭設(shè)計(jì)：（a）基本接頭，

如圖12所示為典型的旋轉(zhuǎn)焊件接頭設(shè)計(jì)實(shí)例，有些提供不止一個熔化表面。圖（a）-（d）所示的榫槽設(shè)計(jì)提供良好的零件對齊和比簡單對接接頭更大的接觸表面積，因而最常用。圖（e）尤其適用于座或蓋的焊合。

圖12 旋轉(zhuǎn)焊件典型接頭設(shè)計(jì)

6．旋轉(zhuǎn)焊特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)焊的優(yōu)點(diǎn)是簡便、能量效率高、質(zhì)量好（可獲得比母材自身強(qiáng)度高的密封接頭）、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，多頭自動裝置焊接簡單的圓形接頭可達(dá)到每分鐘300個零件的生產(chǎn)速度）、焊縫不引入外加材料、不用考慮環(huán)境因素。旋轉(zhuǎn)焊可焊接大斷面，對長而高的工件，旋轉(zhuǎn)焊優(yōu)于超聲波遠(yuǎn)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）。理論上旋轉(zhuǎn)焊工件最大尺寸不受限制?，F(xiàn)已焊接的最大直徑工件為1100mm。工件本身可以是任何形狀，只要所需焊接的配合面是圓形的即可。旋轉(zhuǎn)焊基本費(fèi)用比其它焊接方法低。所需基礎(chǔ)設(shè)備比較便宜，但輔助設(shè)備如夾具、送料裝置、卸料裝置可能抬高系統(tǒng)成本。依工件形狀和大小而定，將工件固定在旋轉(zhuǎn)電機(jī)上的夾具可能比較復(fù)雜。由于旋轉(zhuǎn)焊運(yùn)用的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因而限于有圓形結(jié)合面的工件。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)。突起部或限制旋轉(zhuǎn)的其它偏心組件會妨礙旋轉(zhuǎn)焊的使用。如果焊機(jī)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(jìn)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(jī)彎管、冰箱濾水器、果汁與蘇打冷飲機(jī)分路器。其它典型應(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(jī)、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(bǔ)。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，如通風(fēng)管與吹塑燃料箱的連接、油位計(jì)與透明聚碳酸酯觀測孔同聚甲醛托架的焊接及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)焊常見問題分析與處理

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)焊用摩擦力提供界面處的熔化熱。摩擦熱熔化表面并不加熱或損傷接頭以外的區(qū)域。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。

旋轉(zhuǎn)焊工件前，必須考慮以下三條：a）材料種類及開始發(fā)粘的溫度；b）工件直徑；c）要形成多少飛邊及如何處理飛邊。

旋轉(zhuǎn)焊組件的基本設(shè)計(jì)依據(jù)是工件之一在焊接面內(nèi)必須能相對另一工件自由旋轉(zhuǎn)。突起部或限制旋轉(zhuǎn)的其它偏心組件會妨礙旋轉(zhuǎn)焊的使用。旋轉(zhuǎn)焊設(shè)計(jì)必須提供良好的零件對齊。壁厚也很重要。薄壁在焊接過程中會彎曲并有效減少相對運(yùn)動和壓力。

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、工件旋轉(zhuǎn)時驅(qū)動器的適當(dāng)壓力。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)動旋轉(zhuǎn)部分。

旋轉(zhuǎn)焊的優(yōu)點(diǎn)是簡便、高質(zhì)量、能焊材料廣、生產(chǎn)率很高、可焊接大斷面、可獲得比母材自身強(qiáng)度高的密封接頭。焊縫不引入外加材料，不用考慮環(huán)境因素。由于旋轉(zhuǎn)焊運(yùn)用的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因而限于有圓形結(jié)合面的工件。

旋轉(zhuǎn)焊比其它連接方法熔化和移動的材料多三倍，因而非常適合于產(chǎn)生耐壓密封接頭。密封性能是旋轉(zhuǎn)焊廣受歡迎的最重要特點(diǎn)。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。

以前的旋轉(zhuǎn)焊機(jī)較簡陋，對速度、作用力或位移控制較少。現(xiàn)今的旋轉(zhuǎn)焊機(jī)已能使用傳感器、伺服電機(jī)、微處理器對旋轉(zhuǎn)焊接過程進(jìn)行極好的控制，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(jī)程序使工件停在特定的位置。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，旋轉(zhuǎn)焊接在各行各業(yè)（如汽車、器械、醫(yī)療、日用消費(fèi)品等行業(yè)）的各種塑料圓形接頭中發(fā)揮了愈加重要的作用。

［1］中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會．焊接手冊第2卷：材料的焊接（第3版）［M］．北京：機(jī)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．塑料焊接在汽車工業(yè)上的應(yīng)用［J］．塑料，2004，33（6）：89～94．

［4］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．

（完）