振动摩擦焊接原理和焊缝设计（上)

　　1 概述

　　典型塑料零件的连接方法有螺丝连接、搭扣、压装、胶水粘合和焊接。焊接是永久连接塑料零件的有效方法。塑料焊接工艺多种多样，有超声波焊接，旋转摩擦焊接，振动摩擦焊接，激光焊接，热气焊接，热板焊接和红外焊接等。

　　振动摩擦焊接非常适合于焊缝处在一个大平面、相容性热塑性材料的焊接，能够实现高强度、承压大和高密封的焊接性能，是一种非常精确和高重复性的连续生产过程。其过程类似于将两个手掌互相压紧、来回移动产生热量。

　　优点和限制条件：从材料方面

　　熔融料不暴露在空气中，因此没有氧化降解的风险。

　　对材料透明度、壁厚和焊接位置高度基本无要求，不像激光焊接或者超声波焊接受以上因素限制。

　　热量集中在焊缝位置，热影响区域小，因此过热导致材料退化可能性要小得多。

　　无法焊接低刚度模量热塑性塑料，如TPC。

　　熔点差异大的材料无法焊接。

　　工艺过程

　　经济，生产节拍快。

　　设备相对简单。

　　适合大规模生产。

　　通过换模，可以生产多种产品。

　　在焊接过程中几乎没有烟雾。

　　产品在焊接过程中会受到振动，敏感零部件可能被损坏。

　　因为焊接压力和横向力较大，所以不适合焊接尺寸较小的产品。

　　外观及形状要求

　　焊接后焊缝周边有溢料，如果溢料不可接受，可以设计挡料槽避免溢料可见。

　　焊接过程中会产生粉尘颗粒，影响零件内部清洁度。

　　零件的翘曲可能会影响焊接效果。

　　非常适合焊缝区域几乎平坦的零件。如果是曲面焊接，要求沿着振动方向，角度应小于15°;沿着与振动垂直方向，角度应小于40°。

　　空气导管

　　2 振动摩擦焊接工艺

　　2.1 基本原理两个塑料部件在一定的压力、振幅和频率下，相互接触摩擦。因摩擦产生热量，使得材料在焊缝界面处熔化。在压力下，熔融塑料从焊缝区域流出形成溢料，见图1。在振动停止后，熔融塑料层固化，并产生一个坚固的接头。

　　图1 焊接过程示意图。

　　振动摩擦焊接过程可分为四个不同的阶段，分别是固体摩擦阶段、固液相变阶段、稳态流动阶段和冷却阶段，见图2。

　　图2 振动摩擦焊接的4个阶段

　　在固体摩擦阶段，两个零件表面相互摩擦产生热量。材料表层被加热达到熔点。热量产生的快慢取决于材料摩擦性能和焊接参数(频率、振幅和压力)。

　　在固液相变阶段，此时材料的加热方式由表面摩擦生热，转变为熔融状态下的层与层之间的剪应力加热。此时，熔融层厚度不断增大。但随着熔融层深度加大，加热能力逐渐减少。

　　在稳态熔体流动阶段，熔融速率等于向外流动速率(稳态)。只要达到这一阶段，熔融层的厚度就会变得恒定。直到达到设定的焊接深度，振动停止。

　　图3 焊缝区域熔体流动剖面示意图

　　图3显示了焊接区域熔体流动速率分布曲线。在中心流动速率最大，边缘流动速率最小。流动速率在厚度上呈现抛物线分布特点。

　　在振动停止后，熔体冷却并开始凝固，进入冷却阶段。焊缝在静态压力下凝固，从而使零件永久地结合在一起。

　　为了保证整个焊接区域均匀加热，从而保证均匀的焊接性能。应注意在整个焊接过程中，上下零件在焊缝区域要充分接触。充分接触可以通过改善零件尺寸精度、结构优化和治具设计来保证。

　　2,2工艺参数

　　振动摩擦焊接通常用于大型零件焊接。对于较小的零件，可以实现一次多件(2-4件)，实现更经济快速的焊接。下图的进气歧管是典型的振动摩擦焊接案例。

　　图4进气歧管

　　振动摩擦焊接最重要的工艺参数是频率，振幅，压力，时间和焊接深度。优化焊接参数，可实现非常高的焊接强度。不过，焊接参数的设置取决于材料种类、几何形状和清洁度等要求。

　　频率振动摩擦焊有两种工作频率，一种是高频振动模式200-240Hz，另一中是低频振动模式80-120Hz。选择哪一种频率取决于上模具重量和高度。频率对焊缝质量无显著影响。

　　振幅对于高频工作模式(如240Hz)，输出振幅(峰值到峰值)0.5-1.8mm。对于低频工作模式(如100Hz)，输出振幅2-4mm，见图5。通常，当零件之间的间隙限制在小于1.5mm时，使用高频振动。振幅越大，焊接时间越短，不过清洁度会变差。

　　图5 振幅和频率曲线(蓝色代表高幅低频，红色代表低幅高频)

　　焊接压力

　　可调整范围区间大，从0.5到20 MPa。常用范围0.5-2.0 MPa。较高压力能减少焊接时间。

　　值得注意的是，焊缝压力过大，会导致大量熔体流出焊缝区域，熔体层下方的了冷态塑料进行粘接形成冷焊缝，大大减少焊接强度。

　　一般来说，焊缝强度对振动频率和振幅不是非常敏感。对于含有玻璃纤维的材料，应尽可能限制或减少熔体流动。因为熔体的横向流动，会导致玻纤排布方向发生改变，减少焊缝的焊接强度。高粘度材料能承受较高的焊接压力。但较高的压力会增加第一阶段(固态摩擦阶段)的粉尘数量。

　　焊接时间振动摩擦焊接过程有两种控制方式：时间控制和深度控制。一般常用焊接深度控制方式。

　　焊接深度决定焊缝强度最重要的因素是焊接深度。当焊接深度超过一个临界阀值，即达到第三阶段(稳态流动阶段)的最小深度，焊接强度就能够达到母体材料强度。

　　当焊接深度小于这个临界阀值时，焊接强度减少。焊接深度大于这个临界阀值时，对于同种塑料之间的焊接，不会增大焊接强度。对于不同塑料之间的焊接，却可以增大焊接强度。

　　只要达到这个临界阀值，焊接强度对焊接频率和振幅大小不敏感。当处于恒定阀值(高于临界阀值)时，压力增大，焊接强度降低。

　　上述的建议可以作为参数设置的起点。精确的参数设定还与材料种类、几何形状、强度要求、密封要求和清洁度要求相关。

　　下面是典型的参数设定：

　　焊接压力：1.4MPa(200psi)

　　频率：240Hz

　　振幅：1.8mm

　　焊缝深度：1.5mm

　　时间：3.5s

　　保压时间：0.5倍的焊接时间