塑料旋转焊接技术应用

旋转焊接技术是一门成熟、简单的塑料焊接技术。该技术通过旋转运动在外加压力下将2个工件焊接在一起。旋转焊是需要高强度、密封圆形接头塑料件的焊接方法。它非常适合于连接大大小小的塑料件及各式各样的热塑性树脂。密封性时旋转焊接受欢迎的特点。

旋转焊接原理及过程

上图所示，旋转焊接原理是一个工件高速旋转并紧压另一固定工件，在2个工件间产生摩擦热，使配合面得以熔化。旋转停止后，压力保持到熔化材料凝固形成连接。旋转焊接过程分为4个不同阶段。

1.两固体表面之间通过旋转摩擦产生热量，界面区域升温至结晶性塑料的熔点或非结晶性塑料的玻璃化转变温度。

2.界面材料开始熔化，随着溶液厚度增加，部分熔融材料作为飞边挤出接头。

3.熔融材料产生的速度等于材料作为飞边移开的速度。一旦到达该阶段，通过摩擦或制动装置停止驱动头旋转。

4.驱动头停止旋转，工件在预制压力下结合在一起以确保溶液表面之间的紧密接触。接头冷却形成连接。

旋转焊接设备

旋转焊机是台式机，纵向安装有一个垂直于工装座的线性传动装置。线性传动装置可以是气缸或伺服驱动滚珠丝杠。气缸适合于绝大多数应用，而伺服驱动线性轴适合更难或更精确的应用。伺服轴可精确控制推杆的垂直速度并确保焊接循环过程中轴向压力恒定。

驱动头是旋转工件的装置，与推杆端部相连。它由气动马达和飞轮（惯性焊机）动态制动的直接驱动电机或伺服电机来驱动。

旋转工艺参数

旋转焊接焊缝可通过马达每分钟转数（r/min）、焊接压力、焊接时间、冷却时间和保持压力来控制。通常进行样品评估以确定特定材料和接头设计的佳工艺参数。焊接时间从0-20s。冷却时间在0.5s内。典型的完整加工时间是2s。工件的轴向压力范围从1.0-6.9MPa。常用的选择速度为200-16000r/min。发粘温度可用作确定工件所需转速的指南。直径25.4mm的未填充聚乙烯零件可在1000r/min的旋转速度下达到137.8℃的发粘温度。随着零件中惰性填料含量的增加，所需转速也相应增加。转速增加的作用类似于压力增加。

1)转速或表面线速度
在直接驱动旋转焊接中，一个工件相对于固定工件定速旋转。所需的转速取决于材料和用途，每种材料都有产生摩擦和发热的佳界面线速度。如果接头处所需的线速度是2m/s，对于直径40mm的工件，转速为955r/min。
对于直径大的工件，转速必须降低已获得佳的接头处线速度。通常接头处线速度为0.2-2.0m/s。佳值可通过试验确定。
直径小的工件通常需要比同种材料的直径大的工件更高的转速，以达到相同的表面线速度。如果表面线速度太低，不会产生充足的热量引起足够的熔化。如果线速度过高，接头中过多的热量会造成材料降解或黏度降低，导致材料流出接头。表面线速度的选择在很大程度上取决于被焊工件的材料和接头形状。

2)加压速率（轴向速度）
加压速率影响被焊工件之间产生摩擦所需的接触压力。加压速率越快，发热速率越快。不统一磨削，加压速率必须足够大以产生界面处熔化，但不能太高以免损坏工件。在需要更大转矩以保持很定的转速时，加压速率台达还会引起旋转电机停转。

3)焊接压力
焊接压力通常小。两工件接触时施加压力越大，组件阻力矩越大。

4)焊接时间
焊接时间越长，界面处发热量越大。与振动焊接一样，存在一个材料位移速度随时间线性增加的稳态阶段。在达到稳态阶段后，驱动头无需继续旋转。根据材料和接头直径，焊接时间为2-10s。佳焊接时间可以通过试验确定。

5)焊接位移或焊接深度
如果需要预定的材料位移，焊接过程可以通过位移控制，即一道所需位移，旋转头就停止。与按时间焊接一样，在达到稳态时会获得佳质量的焊缝。这可通过在焊机底座和驱动头之间放置一个位移传感器，并监控位移随时间的变化来确定。焊接深度的确定与应用密切相关。焊接头一般为特定的焊接熔深设计的。焊缝足够深，焊接强度高。但深度过大会形成飞边，导致增强填料的拔出和焊接面链间键的重新排列，造成弱的轴向焊接接头，并可能产生工件变形。

各种塑料的选择焊接性能
几乎所有热性塑料（非结晶性或结晶性塑料）都可以旋转焊接。泡沫塑料树脂、可注射成型含氟聚合物、热塑性弹性体、热塑性橡胶（TPR）、聚氨酯（嵌套材料）、聚砜、离聚物、聚碳酸酯与丙烯酸、丙烯酸与ABS等均可焊接。旋转焊接易滑脱的塑料，如聚甲醛或超高相对分子质量的聚乙烯比较困难。
下表列出了常用热塑性塑料的焊接性。

旋转焊接比超声波焊接更容易焊接半结晶性塑料及更易于远场焊接。与其他摩擦焊接方法一样，高熔点材料需要输入更高能量，因而焊接时间更长。添加剂，如硅酮和其他润滑剂会降低材料的摩擦因素，使焊接变得困难。增强塑料焊接难易程度与未增强塑料的相同。如果填料降低摩擦因素，有时必须增强焊接压力以减少有效焊接时间。填料对焊缝强度也有影响。例如：质量分数高于30%的填料，界面处可用于焊接的聚合物量减少，焊缝强度会降低。而且，由于纤维增强物不跨过结合线，所能得到的焊缝强度是未增强树脂的强度。因此，必须通过增加焊缝面积来加以补偿。填料和表面污物，如脱模剂是影响焊缝和可重复性的两个因素。旋转焊接比超声波焊接对污物的宽容度要高，也较少受到吸湿性聚合物额影响。含水量可能引起气泡的生产，导致焊缝强度降低。颜料对旋转焊接的影响很小。

硬度高的工件，如聚碳酸酯或乙缩醛需大的转矩使塑料开始熔化。一般旋转焊接软塑料大工件比硬塑料工件容易。直接驱动旋转焊接转速较低会限制某些软塑料的接头强度；而惯性旋转焊接转速较高，通常能提高硬度低的材料，如聚乙烯和聚丙烯的接头强度，所以更适合于较软塑料。

就不同熔点的异种材料的焊接而言，熔点相差越大、焊接越困难。有可能只在表面形成机械粘合，接头强度较低。这时可能需要特殊的接头型面和使用很高的焊接压力。通过设计下部凹陷的焊接接头，低熔点的聚合物流入下部凹陷，产生机械结合。旋转焊接工件无需具有超声波焊接时的化学相似性。就材料相容性而言，旋转焊接更类似于振动焊接。聚乙烯与聚丙烯旋转焊接密封机械接头能经受0.2MPa的压力。这种接头超声波焊接时难以实现的。

旋转焊接头的设计
焊接头设计时旋转焊接塑料零件设计的关键因素。接头焊接区域应大于工件的典型壁面，工件间必须对准。待焊工件必须由圆轴，如球体、圆柱、盘、环等和驱动部分，便于旋转，如下图

下图1为简单对接接头，对接接头是简单的接头设计，仅用于终零件中焊接飞边可接受的场合。在某些情况下，在焊接区域增加零件壁厚已获得更大的接头强度和零件刚性（下图2），为去除可见区域的焊接飞边，可增加溢料槽。

下图为飞边位置可控的两种简单的对接接头设计。左侧显示飞边控制在焊接零件内部，上工件的内台阶高于下工件的外台阶，因而熔化时，内台阶首先熔化，材料转移到工件内部。在足够的材料熔化后，上下工件的外台阶发生接触，但不会焊接在一起。该设计的焊接区域只占工件壁厚的一半。如果焊接强度是100%的母材强度，那么接头强度只有母材强度的50%。

下图为简单剪切接头设计；

下图为带法兰的剪切接头设计；

下图为尼龙剪切接头设计。

下图为工件自动定心的简单对接接头设计。使用斜槽或锥形面焊前定位工件及在焊接过程中自动定心工件。这些特殊接头设计增加界面处焊接表面积，降低对该区域更厚壁面的要求。这些设计并不包含溢料槽。

下图为几种包含零件对准、自动定心、溢料槽和延迟焊接区域的接头设计。图a是简单的形式，不包含溢料槽，但边缘有一个非标流入的小凹口。飞边与工件外表面齐平，且憨厚可见。焊前工件之间间隙约为0.1倍的壁厚。为防止焊接过程中自锁，角度b不应小于30°，焊接面总长度c+d应≥2.5倍的壁厚，以确保获得足够的接头强度。可添加加强筋到工件壁以提高刚度。在图b所示的接头设计中，两工件都有一个模塑的溢料槽。在工件焊接时结合线可见，但飞边不可见。溢料槽的尺寸必须足以容纳从焊接界面挤出的塑料。考虑到可能过焊，是比必需的空间稍大。图c是侧缘设计，飞边在槽中，结合面隐藏在侧缘下。

旋转焊接特点
旋转焊接的优点是简便、能量效率高、质量好、成本低、能焊接的材料光（适用于绝大多数热塑性塑料及某些异种塑料）、生产率很高（大部分工件的焊接时间只有几秒）、焊缝不引入外加材料，无需考虑环境因素等。旋转焊接非常适用于获得比母材自身强度高的耐压密封接头。由于加热局限于焊接界面，很少产生过热，冷却时间又短，非常适合于自动化流水线，多头自动装置每分钟可焊接300个零件。旋转焊接可焊接大断面（现已焊接的直径工件为1100mm），对长而高的工件，旋转焊接优于超声波远场焊。工件可以是任何形式，只要所需焊接的配合面试圆形的即可。优于界面处发热量取决于相对表面速度，圆形零件外缘直径更大，表面速度更大，因而温度更高。这回造成温差，在接头中产生内应力。为减轻这种影响，有空心截面和薄壁的接头更可取。旋转焊接工件必须能相对另一个工件自由旋转。如果焊机无法停止旋转于精确位置，则焊后需特定取向的工件不适宜旋转焊接。

旋转焊接应用
旋转焊接早用于制造充液罗盘。汽车行业应用包括：灌、瓶、阀、灯、过滤器、滤杯（滤罩）、空气导管、加油管、弯头的焊接、挤压棺材与燃油滤清器模制件的连接、三都平软管与聚丙烯进气管的焊接等。器械行业应用包括：阀门、偏流器、真空吸尘器罩、洗衣机弯管、冰箱滤水器、果汁与苏打冷饮机分路器等焊接。其他应用包括：深水浮标、聚乙烯浮球、浮筒、化油器浮子、止回阀、弹出式灌水栓、油漆罐盖、喷雾罐、气雾瓶、传动轴、蓄气筒、灭火器、吹塑聚乙烯瓶、化妆品容器、丁烷打火机、饮料杯、保温杯、隔热碗、注射器、水罐等焊接。旋转焊接还用于塑料管道，如聚乙烯管或聚氯乙烯管的焊接与修补。旋转焊接可用于结构件的组装，如容器顶部和底部的焊接，还可用于螺柱与塑料零件的连接。

旋转焊接故障处理（下表）

旋转焊接时一种用于组装圆形结合面塑料工件的摩擦焊接方法。它通过摩擦力提供界面处的熔化热。焊接过程中施加足够的压力挤出少量的树脂飞边及过量气泡。

工件旋转焊接前，必须考虑一下方面：1)材料种类及开始发粘的温度；2)工件直径；3)飞边产生的量及飞边的处理。

旋转焊接成功焊接额因素：工件旋转速度的确定，工件旋转时驱动器适当的压力。接头焊接区域应大于工件的典型壁面，工件间必须对准。待焊工件必须由圆轴和驱动部分，便于旋转。

旋转焊接的优点：简便、质量高、能焊接材料广、生产率高、可焊接大断面、焊缝不引入外加材料。密封性能是旋转焊接的重要特点。但旋转焊接限于有圆形结合面的工件。

以前的旋转焊机较简陋，对速度、作用力或位移控制精度较低。现金的旋转焊机已使用传感器、伺服电机、微处理器对旋转焊接过程进行很好的控制：可预先确定速度、加速度、减速度、位移、焊接时间和保压时间，还可编制焊机程序，使工件停在特定的位置。随着现代科技的进步，旋转焊接在各种塑料圆形接头中发挥了越来越重要的作用。