振動(dòng)摩擦焊接機(jī)——原理

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、振動(dòng)摩擦焊接、激光焊接、熱板焊接和紅外焊接等。

振動(dòng)摩擦焊接機(jī)適合于焊縫處在一個(gè)大平面、相容性熱塑性材料的焊接機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)高強(qiáng)度、承壓大和高密封的焊接性能，是一種非常精確和高重復(fù)性的連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，其過(guò)程類(lèi)似于將兩個(gè)手掌互相壓緊、來(lái)回移動(dòng)產(chǎn)生熱量。

優(yōu)點(diǎn)和限制條件：

從材料方面：1、熔融料不暴露在空氣中，因此沒(méi)有氧化降解的風(fēng)險(xiǎn)。2、對(duì)材料透明度、壁厚和焊接位置高度基本無(wú)要求，不像激光焊接或者超聲波焊接受以上因素限制。3、熱量集中在焊縫位置，熱影響區(qū)域小，因此過(guò)熱導(dǎo)致材料退化可能性要小得多。4、無(wú)法焊接低剛度模量熱塑性塑料，如TPC。5、熔點(diǎn)差異大的材料無(wú)法焊接。

工藝過(guò)程：1、經(jīng)濟(jì)，生產(chǎn)節(jié)拍快。2、設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單。3、適合大規(guī)模生產(chǎn)。4、通過(guò)換模，可以生產(chǎn)多種產(chǎn)品。5、在焊接過(guò)程中幾乎沒(méi)有煙霧。6、產(chǎn)品在焊接過(guò)程中會(huì)受到振動(dòng)，敏感零部件可能被損壞。7、因?yàn)楹附訅毫蜋M向力較大，所以不適合焊接尺寸較小的產(chǎn)品。

外觀及形狀要求：1、焊接后焊縫周邊有溢料，如果溢料不可接受，可以設(shè)計(jì)擋料槽避免溢料可見(jiàn)。2、焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生粉塵顆粒，影響零件內(nèi)部清潔度。3、零件的翹曲可能會(huì)影響焊接效果。4、非常適合焊縫區(qū)域幾乎平坦的零件。如果是曲面焊接，要求沿著振動(dòng)方向，角度應(yīng)小于15°；沿著與振動(dòng)垂直方向，角度應(yīng)小于40°。

振動(dòng)摩擦焊接機(jī)基本原理

兩個(gè)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(chǎn)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(qū)域流出形成溢料，見(jiàn)圖1。在振動(dòng)停止后，熔融塑料層固化，并產(chǎn)生一個(gè)堅(jiān)固的接頭。

圖1 焊接過(guò)程示意圖

振動(dòng)摩擦焊接過(guò)程可分為四個(gè)不同的階段，分別是固體摩擦階段、固液相變階段、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段和冷卻階段，見(jiàn)圖2。

圖2 振動(dòng)摩擦焊接的4個(gè)階段

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

在固液相變階段，此時(shí)材料的加熱方式由表面摩擦生熱，轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)下的層與層之間的剪應(yīng)力加熱。此時(shí)，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(wěn)態(tài)熔體流動(dòng)階段，熔融速率等于向外流動(dòng)速率（穩(wěn)態(tài)）。只要達(dá)到這一階段，熔融層的厚度就會(huì)變得恒定。直到達(dá)到設(shè)定的焊接深度，振動(dòng)停止。

圖3 焊縫區(qū)域熔體流動(dòng)剖面示意圖

圖3顯示了焊接區(qū)域熔體流動(dòng)速率分布曲線(xiàn)。在中心流動(dòng)速率最大，邊緣流動(dòng)速率最小。流動(dòng)速率在厚度上呈現(xiàn)拋物線(xiàn)分布特點(diǎn)。

在振動(dòng)停止后，熔體冷卻并開(kāi)始凝固，進(jìn)入冷卻階段。焊縫在靜態(tài)壓力下凝固，從而使零件永久地結(jié)合在一起。

為了保證整個(gè)焊接區(qū)域均勻加熱，從而保證均勻的焊接性能。應(yīng)注意在整個(gè)焊接過(guò)程中，上下零件在焊縫區(qū)域要充分接觸。充分接觸可以通過(guò)改善零件尺寸精度、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和治具設(shè)計(jì)來(lái)保證。