振動摩擦焊接原理和焊縫設計(上)

本文系統介紹了塑料振動摩擦焊接原理，內容分為上、中、下三個部分。第一部分是概述、工藝過程和過程參數；第二部分是材料、零件和焊縫設計；第三部分是測試和應用案例。

1 概述

典型塑料零件的連接方法有螺絲連接、搭扣、壓裝、膠水粘合和焊接。焊接是永久連接塑料零件的有效方法。塑料焊接工藝多種多樣，有超聲波焊接，旋轉摩擦焊接，振動摩擦焊接，雷射焊接，熱氣焊接，熱板焊接和紅外焊接等。

振動摩擦焊接非常適合於焊縫處在一個大平面、相容性熱塑性材料的焊接，能夠實現高強度、承壓大和高密封的焊接性能，是一種非常精確和高重複性的連續生產過程。其過程類似於將兩個手掌互相壓緊、來回移動產生熱量。

優點和限制條件：

從材料方面

熔融料不暴露在空氣中，因此沒有氧化降解的風險。對材料透明度、壁厚和焊接位置高度基本無要求，不像雷射焊接或者超聲波焊接受以上因素限制。熱量集中在焊縫位置，熱影響區域小，因此過熱導致材料退化可能性要小得多。無法焊接低剛度模量熱塑性塑料，如TPC。熔點差異大的材料無法焊接。工藝過程

經濟，生產節拍快。設備相對簡單。適合大規模生產。通過換模，可以生產多種產品。在焊接過程中幾乎沒有煙霧。產品在焊接過程中會受到振動，敏感零部件可能被損壞。因為焊接壓力和橫向力較大，所以不適合焊接尺寸較小的產品。外觀及形狀要求

焊接後焊縫周邊有溢料，如果溢料不可接受，可以設計擋料槽避免溢料可見。焊接過程中會產生粉塵顆粒，影響零件內部清潔度。零件的翹曲可能會影響焊接效果。非常適合焊縫區域幾乎平坦的零件。如果是曲面焊接，要求沿著振動方向，角度應小於15°；沿著與振動垂直方向，角度應小於40°。

空氣導管

2 振動摩擦焊接工藝

2.1 基本原理

兩個塑料部件在一定的壓力、振幅和頻率下，相互接觸摩擦。因摩擦產生熱量，使得材料在焊縫界面處熔化。在壓力下，熔融塑料從焊縫區域流出形成溢料，見圖1。在振動停止後，熔融塑料層固化，並產生一個堅固的接頭。

圖1 焊接過程示意圖

振動摩擦焊接過程可分為四個不同的階段，分別是固體摩擦階段、固液相變階段、穩態流動階段和冷卻階段，見圖2。

圖2 振動摩擦焊接的4個階段

在固體摩擦階段，兩個零件表面相互摩擦產生熱量。材料表層被加熱達到熔點。熱量產生的快慢取決於材料摩擦性能和焊接參數（頻率、振幅和壓力）。

在固液相變階段，此時材料的加熱方式由表面摩擦生熱，轉變為熔融狀態下的層與層之間的剪應力加熱。此時，熔融層厚度不斷增大。但隨著熔融層深度加大，加熱能力逐漸減少。

在穩態熔體流動階段，熔融速率等於向外流動速率（穩態）。只要達到這一階段，熔融層的厚度就會變得恆定。直到達到設定的焊接深度，振動停止。

圖3 焊縫區域熔體流動剖面示意圖

圖3顯示了焊接區域熔體流動速率分布曲線。在中心流動速率最大，邊緣流動速率最小。流動速率在厚度上呈現拋物線分布特點。

在振動停止後，熔體冷卻並開始凝固，進入冷卻階段。焊縫在靜態壓力下凝固，從而使零件永久地結合在一起。

為了保證整個焊接區域均勻加熱，從而保證均勻的焊接性能。應注意在整個焊接過程中，上下零件在焊縫區域要充分接觸。充分接觸可以通過改善零件尺寸精度、結構優化和治具設計來保證。

2.2 工藝參數

振動摩擦焊接通常用於大型零件焊接。對於較小的零件，可以實現一次多件（2-4件），實現更經濟快速的焊接。下圖的進氣歧管是典型的振動摩擦焊接案例。

圖4 進氣歧管

振動摩擦焊接最重要的工藝參數是頻率，振幅，壓力，時間和焊接深度。優化焊接參數，可實現非常高的焊接強度。不過，焊接參數的設置取決於材料種類、幾何形狀和清潔度等要求。

頻率

振動摩擦焊有兩種工作頻率，一種是高頻振動模式200-240Hz，另一中是低頻振動模式80-120Hz。選擇哪一種頻率取決於上模具重量和高度。頻率對焊縫質量無顯著影響。

振幅

對於高頻工作模式（如240Hz），輸出振幅（峰值到峰值）0.5-1.8mm。對於低頻工作模式（如100Hz），輸出振幅2-4mm，見圖5。通常，當零件之間的間隙限制在小於1.5mm時，使用高頻振動。振幅越大，焊接時間越短，不過清潔度會變差。

圖5 振幅和頻率曲線

焊接壓力

可調整範圍區間大，從0.5到20 MPa。常用範圍0.5-2.0 MPa。較高壓力能減少焊接時間。

值得注意的是，焊縫壓力過大，會導致大量熔體流出焊縫區域，熔體層下方的了冷態塑料進行粘接形成冷焊縫，大大減少焊接強度。

一般來說，焊縫強度對振動頻率和振幅不是非常敏感。對於含有玻璃纖維的材料，應儘可能限制或減少熔體流動。因為熔體的橫向流動，會導致玻纖排布方向發生改變，減少焊縫的焊接強度。高粘度材料能承受較高的焊接壓力。但較高的壓力會增加第一階段（固態摩擦階段）的粉塵數量。

焊接時間

振動摩擦焊接過程有兩種控制方式：時間控制和深度控制。一般常用焊接深度控制方式。

焊接深度

決定焊縫強度最重要的因素是焊接深度。當焊接深度超過一個臨界閥值，即達到第三階段（穩態流動階段）的最小深度，焊接強度就能夠達到母體材料強度。

當焊接深度小於這個臨界閥值時，焊接強度減少。焊接深度大於這個臨界閥值時，對於同種塑料之間的焊接，不會增大焊接強度。對於不同塑料之間的焊接，卻可以增大焊接強度。

只要達到這個臨界閥值，焊接強度對焊接頻率和振幅大小不敏感。當處於恆定閥值（高於臨界閥值）時，壓力增大，焊接強度降低。

上述的建議可以作為參數設置的起點。精確的參數設定還與材料種類、幾何形狀、強度要求、密封要求和清潔度要求相關。

下面是典型的參數設定：

焊接壓力：1.4MPa（200psi）

頻率：240Hz

振幅：1.8mm

焊縫深度：1.5mm

時間：3.5s

保壓時間：0.5倍的焊接時間

(未完待續)