塑料旋转焊接技术（上）

张胜玉

（广州市特种设备行业协会）

塑料焊接技术连载（三）

塑料旋转焊接技术（上）

张胜玉

（广州市特种设备行业协会）

旋转焊是一门成熟、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两工件焊接在一起。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。本文概述了旋转焊接技术的诸多方面，如原理及过程、工艺参数、焊接设备、接头设计、焊接性、特点、应用、常见问题分析及处理。

旋转焊 摩擦焊 飞边 溢料槽 接头设计 圆形接头 每分钟转数

前言

旋转焊是一门简单、经济的摩擦焊技术。它是需要高强度、密封圆形接头塑料件的首选焊接方法，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。

1．旋转焊原理及过程

如图1所示，旋转焊原理是一个工件高速旋转并紧压另一固定工件，在两工件间产生摩擦热，配合面得以熔化。旋转停止后，压力保持到熔化材料凝固而形成永久连接。

焊前，两工件分别置于上下夹具中，上夹具下降，上下工件接触。焊接过程中两工件在压力下旋转摩擦发热，工件界面熔化和熔合在一起。焊后，焊缝在压力下充分凝固，上夹具上升，移走工件。

旋转焊接过程可细分为四个不同阶段。

图1旋转焊原理简图

第1阶段：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。

第2阶段：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。

第3阶段：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。1－3阶段典型的时间是0．5－2秒。

第4阶段：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。第4阶段典型时间是1－2秒。

2．旋转焊工艺参数

工件愈大，所需旋转工件的电机也愈大（因为需更大转矩旋转工件和获得足够的摩擦）。直径25．4mm到381mm的工件可用1／4到3马力的电机旋转焊接。焊缝可通过电机每分钟转数（rpm）、待焊工件上的压力、旋转和焊接过程中压力作用的时间、冷却时间和压力来控制。商用旋转焊机速度范围为200－16000rpm。焊接时间从零点几秒到20秒。冷却时间在0．5秒内。典型的完整加工时间是2秒。工件上的轴向压力范围从1MPa到6．9MPa。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。

表1显示了可旋转焊接的大多数热塑性塑料的发粘温度。该数据并不仅限于旋转焊，对所有形式的热熔焊都是有用的。发粘温度可用作确定工件所需rpm的指南。常用的旋转速度为200－14000rpm。直径25．4mm的未填充聚乙烯零件可在1000rpm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，所需转速也得增加。转速增加的作用类似于压力增加。

表1 常用塑料的发粘温度

惯性旋转焊参数

圆周速度

接头处圆周速度应尽可能不低于10m／s。对于小直径工件圆周速度偶尔在5到10m／s之间。一般说来，圆周速度愈高，结果愈佳。高转速也有利于飞轮，因为速度愈高，既定尺寸待焊零件所需的飞轮质量愈轻。

旋转速度与质量

在驱动头与塑料工件接触之前，焊接能量首先储存于旋转飞轮之中。能量值通过改变旋转速度或驱动头质量发生改变。旋转速度一般在2500到4000rpm之间，旋转头质量一般为1－4kg。

起转时间（起动时间）

起转时间是指驱动头达到最大旋转速度的时间。经过部分起转时间焊头与工件接触，不改变驱动头的质量就能改变至接头的能量输入。

焊接压力

塑料熔化所需的热量是由旋转体的能量产生的。在接合面挤压在一起时，摩擦使飞轮在1秒内停下。对于熔化温度范围较窄的塑料如乙缩醛，在发生接触后飞轮旋转不应该超过1到2转。如果工件之间压力过低，飞轮旋转时间过长，在塑料凝固时会发生剪断，产生弱焊缝或泄漏焊缝。对于凝固较慢的非结晶性塑料，焊接压力影响不是很大。对于所有塑料来说，最好采用比绝对必要更高的压力，因为在任何情况下不会造成焊缝质量变差。焊接压力一般为2到4．8MPa。

保压时间

一旦材料熔化，重新凝固需花时间，所以保持压力一段时间至关重要。保压时间取决于特定的材料，最好通过试验确定。对于聚甲醛，保压时间约0．5－1秒，而非结晶性塑料保压时间要长一些。

直接驱动旋转焊参数

旋转速度或表面线速度

在直接驱动旋转焊中，一个工件相对于固定工件定速旋转。所需的旋转速度取决于材料和用途。每种材料都有产生摩擦和发热的最佳界面线速度。例如，如果接头处所需的线速度是2 m／s，对于直径40mm的工件，旋转速度必定是：

60s×2 m／s／0．04m×π＝955rpm

对于大直径工件，旋转速度必须降低以获得最佳的接头处线速度。通常，接头处线速度在0．2到2m／s之间。最佳值通过试验确定。

对于固定的旋转速度（每分钟转数rpm），表面线速度随焊接接头直径的增加而增加。对于固定焊接接头直径，表面线速度随电动机rpm的增加而增加。因而小直径工件通常需要比同种材料的大直径工件更多的rpm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。如果速度过高，接头中过多的热量会造成材料降解或粘度降低导致材料流出接头。适当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。某些材料如聚氯乙烯在大范围值内容易焊接，而另外一些材料范围较窄。

加压速度（轴向速度）

加压速度影响被焊工件之间产生摩擦热所需的接触压力值。加压速度愈快，发热速度愈快。不同于磨削，加压速度（与表面线速度一起）必须足够高以产生界面处熔化，但不能太高以免损坏工件。在需要更大转矩保持恒定的旋转速度时，太大的加压速度还会造成旋转电机停转。

双伺服旋转焊机可在两种不同的加压速度模式下运转。不选择转矩恒定，焊接过程中加压速度恒定。选择转矩恒定，加压速度可变以保持转矩恒定。后一种情况类似于气动压力机操作（加压速度是既定气压和旋转速度条件下熔化速度的产物）。最佳加压速度的选择取决于工件材料和接头形状及表面线速度。初始试验范围为0．5－2．0mm／s。

焊接压力

焊接压力通常最小。两工件接触时施加压力愈大，组件阻力矩愈大。

焊接时间

焊接时间是工件之间保持旋转的时间。焊接时间愈长，界面处发热量愈大。与振动焊一样，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继续旋转没有更多的好处。依材料和接头直径而定，焊接时间范围从2到10秒。最佳焊接时间通过试验确定。

焊接位移或焊接深度

如果需要预定的材料位移（如两配合面必须齐平时），焊接过程可以通过位移控制，即一达到所需位移旋转头即停止。与按时间焊接一样，在达到稳态时会获得最佳质量的焊缝。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。焊接接头一般是为特定的焊接熔深设计的。原则上，焊缝足够深以产生强固的密封组件。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及可能产生工件变形。由于焊接深度影响接头强度和产生的飞边量，适当设计焊接接头同时满足这两个要求至关重要。推荐引入溢料槽以产生可接受外观而不减弱强度。

（未完待续：见本刊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