塑料旋转焊接技术

张胜玉

(广州市特种设备行业协会，广东 广州,510380)

塑料旋转焊接技术

张胜玉

(广州市特种设备行业协会，广东 广州,510380)

主要介绍了塑料旋转焊接技术的原理及过程、焊接设备、工艺参数、焊接性、接头设计、特点及应用，并对塑料旋转焊接常见问题进行分析及处理。

旋转焊接 飞边 溢料槽 接头设计

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首选焊接方法。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。密封性是旋转焊最受欢迎的特点[1-2]。

1 旋转焊接原理及过程

图1是旋转焊接原理简图。

如图1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永久连接。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。随着熔液厚度增加，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，工件在预置压力下结合在一起以确保熔液表面之间的紧密接触。接头冷却形成永久连接。

2 旋转焊接设备

旋转焊设备可以是简单的车床或改进钻床，也可以是专用旋转焊机。旋转焊机有需手工装卸的市售单轴旋转焊机,有自动装卸工件设备的多轴旋转焊机可满足大量生产要求。在原始旋转焊接装置中，转动是由电动或气动马达产生，能量储存于飞轮中。一旦能量耗尽，转动停止。在新式装置中，转动由伺服电机产生，允许较快加速及近乎瞬时断开。这减少了凝固过程中的熔体剪切，允许2个零件最终定位于几分之一度内。

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，而伺服驱动线性轴最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。

3 旋转焊工艺参数

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最佳工艺参数。焊接时间从零点几秒到20 s。冷却时间在0.5 s内。典型的完整加工时间是2 s。工件上的轴向压力范围从1.0～6.9 MPa。常用的旋转速度为200～16 000 r/min。发黏温度可用作确定工件所需转速的指南。表1是可旋转焊接的大多数热塑性材料的发黏温度。直径25.4 mm的未填充聚乙烯零件可在1000 r/min的旋转速度下达到137.8 ℃的发黏温度。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。

4 各种塑料的旋转焊接性

几乎所有热塑性塑料(非结晶性或结晶性塑料)都可以旋转焊接。旋转焊接易滑脱的塑料如聚甲醛或超高相对分子质量聚乙烯稍有困难。

旋转焊比超声波焊更容易焊接半结晶性塑料及更易于远场焊接。与其他摩擦焊方法一样，高熔点材料需要更高的能量输入，因而也需更长的焊接时间。添加剂如硅酮和其他润滑剂会降低材料的摩擦系数，使焊接变得困难。增强塑料焊接难易程度通常与未增强塑料一样。如果填料降低摩擦系数，有时必须增加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，就质量分数大于30%的填料而言，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接合线，所能得到的最大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)是影响一致性和焊缝可重复性的2个因素。旋转焊比超声波焊更宽容污物，也较少受到吸湿性聚合物的影响(尽管重要用途仍需特殊处理)。含水量可能引起气泡的生成，导致焊缝强度降低。颜料对旋转焊没有影响或影响很小。

很硬的工件(如聚碳酸酯或乙缩醛)需大转矩使塑料开始熔化。一般说来，旋转焊接软塑料大工件比硬塑料工件容易。直接驱动旋转焊的较低转速会限制某些软塑料的接头强度(与材料和应用有关)；而惯性旋转焊转速较高，通常能提高低硬度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。

就具有不同熔点异种材料的焊接而言，熔点相差愈大，焊接愈困难。有可能只在表面形成机械黏合，接头强度会较低，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。旋转焊工件不必要具有超声波焊接时的化学相似性。就材料相容性来说，旋转焊更类似于振动焊。聚乙烯与聚丙烯旋转焊密封机械接头能经受0.2 MPa的压力，这种接头超声波焊接是难以实现的。

5 旋转焊接接头设计

焊接接头设计是旋转焊接塑料零件的关键因素。应确保获得所期望的美观外形和焊缝强度。好的接头焊接区域应大于工件的典型壁面，必须提供足够的工件间对齐。待焊工件必须有圆轴(如球体、圆柱、盘、环)和驱动零件部分使上部能旋转。典型的旋转焊接接头设计如图2～6所示。

如图2(a)所示，对接接头是最简单的接头设计，仅用于最终零件中焊接飞边可控的场合。为去除可见区域的焊接飞边，可增加溢料槽。如图2(b)所示。

图6所示为几种包含零件对齐、自动定心、溢料槽和延长焊接区域的榫槽接头设计。图6(a)是最简单的形式，不包含溢料槽但边缘有一个飞边流入的小凹口。飞边与工件外表面齐平且焊后可见。图6(b)所示的接头设计中2个工件都有一个模塑的溢料槽，在工件焊接时接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，最好是比所需空间稍大一点。图6(c)是侧缘设计，飞边贮存在槽中，接合面隐藏在侧缘下。

6 旋转焊接特点

旋转焊的优点是简便、能量效率高、质量好、成本低、能焊材料广(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、不用考虑环境因素。旋转焊比其他连接方法熔化和移动的材料多3倍，非常适合于产生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，冷却时间短，非常适合于自动化流水线(多头自动装置每分钟可焊300个零件)。旋转焊可焊接大断面(现已焊接的最大直径工件为1 100 mm)，对长而高的工件，旋转焊优于超声波远场焊(尤其在工件是波状外形或有开口、伸出部分或者材料是半结晶性塑料时)。工件本身可以是任何形状，只要所需焊接的配合面是圆形即可。由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、表面速度更高，因而温度更高。这会造成温差，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。旋转焊工件之一必须能相对另一个自由旋转。如果焊机没有办法停止旋转于精确位置，焊后需特定取向的工件不适宜旋转焊。

7 旋转焊接应用

旋转焊最早用于制造充液罗盘。汽车行业应用包括罐、瓶、阀、灯、过滤器、滤杯(滤罩)、空气导管、加油管、弯头与歧管的焊接、挤压管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。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。其他典型应用包括桅冠灯、聚乙烯浮球、化油器浮子、止回阀、油漆罐盖、灭火器、吹塑聚乙烯瓶、化妆品容器、饮料杯、保温杯、隔热碗、注射器、水罐等。旋转焊还用于塑料管道(如聚乙烯管或聚氯乙烯管)的焊接与修补。旋转焊也是一种流行的大批量产品(如包装和玩具)焊接方法。旋转焊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。

8 旋转焊接常见问题分析与处理

表2为旋转焊接常见问题分析与处理方法。

9 结语

旋转焊是一种用于组装圆形结合面塑料工件的摩擦焊接方法。

旋转焊成功焊接所必需的因素包括工件旋转速度的确定以及工件旋转时驱动器的适当压力。

旋转焊具有简便、高质量、能焊材料广、生产率很高及密封性能好等优点，可焊接大断面、焊缝不需引入外加材料的塑料，是需要高强度、密封圆形接头塑料件的首选焊接方法。影响旋转焊焊接因素主要包括工件旋转速度的确定以及工件旋转时驱动器的适当压力。

以前的旋转焊机较简陋，对速度、作用力或位移控制较少。现今的旋转焊机已能使用传感器、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、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，旋转焊接在各行各业的各种塑料圆形接头中发挥了愈加重要的作用。

[1] 张胜玉.塑料焊接在汽车工业上的应用[J]. 塑料,2004,33(6):89-94.

[2] 张胜玉.热塑性复合材料及其焊接[J].纤维复合材料，2000，(4)：45-48.

汽车外饰件用的热塑性弹性体复合物

据“www.ptonline.com”报道，3种热塑性弹性体复合物具有优异的加工性、抗紫外线稳定性及完美外观，其用在汽车的窗封装和外观部件如屏幕饰面和内饰件密封件中，比用三元乙丙橡胶(EPDM)和聚氯乙烯(PVC)的轻。罗德岛的波塔基特Teknor Apex公司在Fakuma展会推出这基于不同聚合物组成的这3种热塑性弹性体复合物。

据报道，性能改善的热塑性弹性体Sarlink 17100系列复合物，其低黏度配方是基于广泛使用热塑性弹性体sarlink4700系列上开发的。它们的高流动性和对加工条件变化的低灵敏度使它们有优秀的表面性能和能精确复制复杂制件形状。如同所有的热塑性弹性体一样，17100系列复合物在高温下保持好的密封性，具有较好的耐油脂和溶剂性。

Sarlink ME-2500和ME-2600系列苯乙烯类嵌段共聚物(TPE-S)复合物表现出其超过那些通用热塑性弹性体材料的性能，如更高的流动性、更好的抗紫外线稳定性。而ME-2500复合物密度可与EPDM的相媲美，具有特别低的密度(0.93 g/cm3)，密度最小值为EPDM的1.1倍和PVC的1.2 倍。据说所有这些复合物具有宽的加工窗口，易着色，并有好的抗紫外线性，光泽度可以定义调整。

阻燃医用热塑性弹性体

据“www.ptonline.com”报道，俄亥俄州克利夫兰Lubrizol公司响应医疗保健设施复杂的电子设备用料巨大的增长需求，并满足复杂电子设备原材料使火灾蔓延低风险的要求，最近该公司推出带有阻燃性能的医用级Tecothane热塑性弹性体。

该新型Tecothane阻燃热塑性弹性体据说作为医疗设备用料比较理想，可与电子连接设备直接接触，如用于触摸屏显示器、压力传感器、心电图和传感器电缆。在家庭保健和医疗应用的一个特别重要的特征：越来越多电子产品的使用意味着设备短路的可能性增加，而新型Tecothane阻燃热塑性弹性的使用降低了火灾蔓延的风险。

(以上由中国石化扬子石油化工有限公司南京研究院

严淑芬供稿)

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。

张胜玉(1970—)，男，高级工程师。研究方向为塑料及复合材料焊接和焊接新技术新工艺。E-mail:zhangshengyu88@163.com。