張勝玉

（廣州市特種設(shè)備行業(yè)協(xié)會(huì)，510380，廣東廣州）

前言

旋轉(zhuǎn)焊是一門簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的摩擦焊技術(shù)。它是需要高強(qiáng)度、密封圓形接頭塑料件的首選焊接方法，非常適合于連接大大小小的塑料件及各式各樣的熱塑性樹脂。

1.旋轉(zhuǎn)焊原理及過程

如圖1所示，旋轉(zhuǎn)焊原理是一個(gè)工件高速旋轉(zhuǎn)并緊壓另一固定工件，在兩工件間產(chǎn)生摩擦熱，配合面得以熔化。旋轉(zhuǎn)停止后，壓力保持到熔化材料凝固而形成永久連接。

焊前，兩工件分別置于上下夾具中，上夾具下降，上下工件接觸。焊接過程中兩工件在壓力下旋轉(zhuǎn)摩擦發(fā)熱，工件界面熔化和熔合在一起。焊后，焊縫在壓力下充分凝固，上夾具上升，移走工件。

圖1 旋轉(zhuǎn)焊原理簡(jiǎn)圖

旋轉(zhuǎn)焊接過程可細(xì)分為四個(gè)不同階段。

第1階段：兩固體表面之間通過旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生熱量，界面區(qū)域升溫至結(jié)晶性塑料的熔點(diǎn)或非結(jié)晶性塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

第2階段：界面材料開始熔化。隨著熔液厚度增加，部分熔融材料作為飛邊擠出接頭。

第3階段：熔融材料產(chǎn)生的速度等于材料作為飛邊移開的速度。一旦到達(dá)該階段，通過摩擦或制動(dòng)裝置停止驅(qū)動(dòng)頭旋轉(zhuǎn)。1-3階段典型的時(shí)間是0.5-2秒。

第4階段：驅(qū)動(dòng)頭停止旋轉(zhuǎn)，工件在預(yù)置壓力下結(jié)合在一起以確保熔液表面之間的緊密接觸。接頭冷卻形成永久連接。第4階段典型時(shí)間是1-2秒。

2.旋轉(zhuǎn)焊工藝參數(shù)

工件愈大，所需旋轉(zhuǎn)工件的電機(jī)也愈大（因?yàn)樾韪筠D(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)工件和獲得足夠的摩擦）。直徑25.4mm到381mm的工件可用1/4到3馬力的電機(jī)旋轉(zhuǎn)焊接。焊縫可通過電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)、待焊工件上的壓力、旋轉(zhuǎn)和焊接過程中壓力作用的時(shí)間、冷卻時(shí)間和壓力來控制。商用旋轉(zhuǎn)焊機(jī)速度范圍為200-16000rpm。焊接時(shí)間從零點(diǎn)幾秒到20秒。冷卻時(shí)間在0.5秒內(nèi)。典型的完整加工時(shí)間是2秒。工件上的軸向壓力范圍從1MPa到6.9MPa。通常進(jìn)行樣品評(píng)估以確定特定材料和接頭設(shè)計(jì)的最佳工藝參數(shù)。

表1顯示了可旋轉(zhuǎn)焊接的大多數(shù)熱塑性塑料的發(fā)粘溫度。該數(shù)據(jù)并不僅限于旋轉(zhuǎn)焊，對(duì)所有形式的熱熔焊都是有用的。發(fā)粘溫度可用作確定工件所需rpm的指南。常用的旋轉(zhuǎn)速度為200-14000rpm。直徑25.4mm的未填充聚乙烯零件可在1000rpm的旋轉(zhuǎn)速度下達(dá)到137.8℃的發(fā)粘溫度。隨著零件中惰性填料含量的增加，所需轉(zhuǎn)速也得增加。轉(zhuǎn)速增加的作用類似于壓力增加。

表1 常用塑料的發(fā)粘溫度

2.1 慣性旋轉(zhuǎn)焊參數(shù)

圓周速度

接頭處圓周速度應(yīng)盡可能不低于10m/s。對(duì)于小直徑工件圓周速度偶爾在5到10m/s之間。一般說來，圓周速度愈高，結(jié)果愈佳。高轉(zhuǎn)速也有利于飛輪，因?yàn)樗俣扔?，既定尺寸待焊零件所需的飛輪質(zhì)量愈輕。

旋轉(zhuǎn)速度與質(zhì)量

在驅(qū)動(dòng)頭與塑料工件接觸之前，焊接能量首先儲(chǔ)存于旋轉(zhuǎn)飛輪之中。能量值通過改變旋轉(zhuǎn)速度或驅(qū)動(dòng)頭質(zhì)量發(fā)生改變。旋轉(zhuǎn)速度一般在2500到4000rpm之間，旋轉(zhuǎn)頭質(zhì)量一般為1-4kg。

起轉(zhuǎn)時(shí)間（起動(dòng)時(shí)間）

起轉(zhuǎn)時(shí)間是指驅(qū)動(dòng)頭達(dá)到最大旋轉(zhuǎn)速度的時(shí)間。經(jīng)過部分起轉(zhuǎn)時(shí)間焊頭與工件接觸，不改變驅(qū)動(dòng)頭的質(zhì)量就能改變至接頭的能量輸入。

焊接壓力

塑料熔化所需的熱量是由旋轉(zhuǎn)體的能量產(chǎn)生的。在接合面擠壓在一起時(shí)，摩擦使飛輪在1秒內(nèi)停下。對(duì)于熔化溫度范圍較窄的塑料如乙縮醛，在發(fā)生接觸后飛輪旋轉(zhuǎn)不應(yīng)該超過1到2轉(zhuǎn)。如果工件之間壓力過低，飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)間過長(zhǎng)，在塑料凝固時(shí)會(huì)發(fā)生剪斷，產(chǎn)生弱焊縫或泄漏焊縫。對(duì)于凝固較慢的非結(jié)晶性塑料，焊接壓力影響不是很大。對(duì)于所有塑料來說，最好采用比絕對(duì)必要更高的壓力，因?yàn)樵谌魏吻闆r下不會(huì)造成焊縫質(zhì)量變差。焊接壓力一般為2到4.8MPa。

保壓時(shí)間

一旦材料熔化，重新凝固需花時(shí)間，所以保持壓力一段時(shí)間至關(guān)重要。保壓時(shí)間取決于特定的材料，最好通過試驗(yàn)確定。對(duì)于聚甲醛，保壓時(shí)間約0.5-1秒，而非結(jié)晶性塑料保壓時(shí)間要長(zhǎng)一些。

2.2 直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)焊參數(shù)

旋轉(zhuǎn)速度或表面線速度

在直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)焊中，一個(gè)工件相對(duì)于固定工件定速旋轉(zhuǎn)。所需的旋轉(zhuǎn)速度取決于材料和用途。每種材料都有產(chǎn)生摩擦和發(fā)熱的最佳界面線速度。例如，如果接頭處所需的線速度是2 m/s，對(duì)于直徑40mm的工件，旋轉(zhuǎn)速度必定是：

60s×2 m/s／0.04m×π=955rpm

對(duì)于大直徑工件，旋轉(zhuǎn)速度必須降低以獲得最佳的接頭處線速度。通常，接頭處線速度在0.2到2m/s之間。最佳值通過試驗(yàn)確定。

對(duì)于固定的旋轉(zhuǎn)速度(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)rpm)，表面線速度隨焊接接頭直徑的增加而增加。對(duì)于固定焊接接頭直徑，表面線速度隨電動(dòng)機(jī)rpm的增加而增加。因而小直徑工件通常需要比同種材料的大直徑工件更多的rpm以達(dá)到相同的表面線速度。如果表面線速度太低，不會(huì)產(chǎn)生充足的熱量引起足夠的熔化。如果速度過高，接頭中過多的熱量會(huì)造成材料降解或粘度降低導(dǎo)致材料流出接頭。適當(dāng)表面線速度的選擇在很大程度上取決于被焊工件的材料和接頭形狀。某些材料如聚氯乙烯在大范圍值內(nèi)容易焊接，而另外一些材料范圍較窄。

加壓速度（軸向速度）

加壓速度影響被焊工件之間產(chǎn)生摩擦熱所需的接觸壓力值。加壓速度愈快，發(fā)熱速度愈快。不同于磨削，加壓速度（與表面線速度一起）必須足夠高以產(chǎn)生界面處熔化，但不能太高以免損壞工件。在需要更大轉(zhuǎn)矩保持恒定的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，太大的加壓速度還會(huì)造成旋轉(zhuǎn)電機(jī)停轉(zhuǎn)。

雙伺服旋轉(zhuǎn)焊機(jī)可在兩種不同的加壓速度模式下運(yùn)轉(zhuǎn)。不選擇轉(zhuǎn)矩恒定，焊接過程中加壓速度恒定。選擇轉(zhuǎn)矩恒定，加壓速度可變以保持轉(zhuǎn)矩恒定。后一種情況類似于氣動(dòng)壓力機(jī)操作（加壓速度是既定氣壓和旋轉(zhuǎn)速度條件下熔化速度的產(chǎn)物）。最佳加壓速度的選擇取決于工件材料和接頭形狀及表面線速度。初始試驗(yàn)范圍為0.5-2.0mm/s。

焊接壓力

焊接壓力通常最小。兩工件接觸時(shí)施加壓力愈大，組件阻力矩愈大。

焊接時(shí)間

焊接時(shí)間是工件之間保持旋轉(zhuǎn)的時(shí)間。焊接時(shí)間愈長(zhǎng)，界面處發(fā)熱量愈大。與振動(dòng)焊一樣，存在一個(gè)材料位移速度隨時(shí)間線性增加的穩(wěn)態(tài)階段。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)階段后驅(qū)動(dòng)頭繼續(xù)旋轉(zhuǎn)沒有更多的好處。依材料和接頭直徑而定，焊接時(shí)間范圍從2到10秒。最佳焊接時(shí)間通過試驗(yàn)確定。

焊接位移或焊接深度

如果需要預(yù)定的材料位移（如兩配合面必須齊平時(shí)），焊接過程可以通過位移控制，即一達(dá)到所需位移旋轉(zhuǎn)頭即停止。與按時(shí)間焊接一樣，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)會(huì)獲得最佳質(zhì)量的焊縫。這可通過在焊機(jī)底座和驅(qū)動(dòng)頭之間放置一個(gè)位移傳感器并監(jiān)控位移隨時(shí)間的變化來確定。焊接深度的確定與應(yīng)用密切相關(guān)。焊接接頭一般是為特定的焊接熔深設(shè)計(jì)的。原則上，焊縫足夠深以產(chǎn)生強(qiáng)固的密封組件。但深度過大會(huì)形成飛邊、導(dǎo)致增強(qiáng)填料的拔出和焊接面鏈間鍵的重新排列，造成弱的軸向焊接接頭及可能產(chǎn)生工件變形。由于焊接深度影響接頭強(qiáng)度和產(chǎn)生的飛邊量，適當(dāng)設(shè)計(jì)焊接接頭同時(shí)滿足這兩個(gè)要求至關(guān)重要。推薦引入溢料槽以產(chǎn)生可接受外觀而不減弱強(qiáng)度。

3.旋轉(zhuǎn)焊接設(shè)備

旋轉(zhuǎn)焊設(shè)備可以是簡(jiǎn)單的車床或改進(jìn)鉆床，也可以是專用旋轉(zhuǎn)焊機(jī)。旋轉(zhuǎn)焊機(jī)有需手工裝卸的市售單軸旋轉(zhuǎn)焊機(jī)。具自動(dòng)裝卸工件設(shè)備的多軸旋轉(zhuǎn)焊機(jī)可滿足大量生產(chǎn)要求。在原始旋轉(zhuǎn)焊接裝置中，轉(zhuǎn)動(dòng)是由電動(dòng)或氣動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)生，能量?jī)?chǔ)存于飛輪中。一旦能量耗盡，轉(zhuǎn)動(dòng)停止。在新式裝置中，轉(zhuǎn)動(dòng)由伺服電機(jī)產(chǎn)生，允許較快加速及近乎瞬時(shí)斷開。這減少凝固過程中的熔體剪切，允許兩零件最終定位于幾分之一度內(nèi)。

旋轉(zhuǎn)焊機(jī)是臺(tái)式機(jī)，縱向安裝有一個(gè)垂直于工裝座的線性傳動(dòng)裝置。線性傳動(dòng)裝置可以是氣缸或伺服驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠。氣缸適合于絕大多數(shù)應(yīng)用，而伺服驅(qū)動(dòng)線性軸最適合更難或更精確的應(yīng)用。伺服軸可精確控制推桿的垂直速度并確保焊接循環(huán)過程中軸向壓力恒定。

驅(qū)動(dòng)頭是旋轉(zhuǎn)工件的裝置，與推桿端部相連。它由氣動(dòng)馬達(dá)和飛輪（慣性焊機(jī)）、動(dòng)態(tài)制動(dòng)的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)或伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。

對(duì)于慣性焊機(jī)，驅(qū)動(dòng)頭必須裝上配合件。在旋轉(zhuǎn)開始前驅(qū)動(dòng)頭不可能接觸工件。在循環(huán)開始時(shí)，氣動(dòng)馬達(dá)開始旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)頭。達(dá)到目標(biāo)速度時(shí)，馬達(dá)氣源切斷，驅(qū)動(dòng)頭下降。飛輪慣性使驅(qū)動(dòng)頭繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。在兩工件一起受壓時(shí)，摩擦產(chǎn)生足夠的熱量熔化塑料。摩擦也充作飛輪制動(dòng)器，最終使其停下。此時(shí)熔化材料混合在一起形成焊縫。工件上的壓力保持短時(shí)間使塑料凝固。

如果驅(qū)動(dòng)頭直接由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，過程基本相同。唯一的差別是制動(dòng)器停止驅(qū)動(dòng)頭而不是靠工件間的摩擦。同氣動(dòng)馬達(dá)相比，電動(dòng)機(jī)提供更大的轉(zhuǎn)矩（對(duì)焊接大型工件非常重要）和對(duì)過程更大程度的控制。在整個(gè)焊接過程中可保持速度和轉(zhuǎn)矩不變。使用電動(dòng)機(jī)可使驅(qū)動(dòng)頭在旋轉(zhuǎn)前接觸上部工件。驅(qū)動(dòng)頭可下降、拾起工件、上升、開始旋轉(zhuǎn)和再下降返回形成焊縫。這有利于旋轉(zhuǎn)焊機(jī)與旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)或自動(dòng)裝配系統(tǒng)中的平板架輸送裝置結(jié)合使用?；蛘?，驅(qū)動(dòng)頭可接觸上部工件，然后開始旋轉(zhuǎn)。這對(duì)于上部工件中有類似彈簧的內(nèi)部零件或者工件組裝成問題的應(yīng)用情況非常重要。靜態(tài)啟動(dòng)另一優(yōu)點(diǎn)是焊工更容易在焊前檢驗(yàn)組件的總高度（作為質(zhì)量管理檢驗(yàn)的一部分）。

電動(dòng)機(jī)優(yōu)于氣動(dòng)馬達(dá)，伺服電機(jī)提供對(duì)驅(qū)動(dòng)頭的最后控制。伺服電機(jī)可維持焊接期間的特定速度。工件一接觸可觸發(fā)驅(qū)動(dòng)頭開始旋轉(zhuǎn)，然后焊至特定的熔降距離。伺服電機(jī)可將工件停在特定位置（誤差在±1°）。這對(duì)于對(duì)齊工件上的裝飾部分或確保輸入噴嘴每次指向同一方向至關(guān)重要。伺服電機(jī)速度范圍從250到5000rpm,慣性焊機(jī)的速度可達(dá)到14000rpm。大直徑工件比小直徑工件所需的速度小。對(duì)于大型工件，電動(dòng)機(jī)可配備減速箱以速度換轉(zhuǎn)矩。

4.各種塑料的旋轉(zhuǎn)焊焊接性

不論其原始模制或成型過程如何，幾乎所有熱塑性塑料都可以旋轉(zhuǎn)焊接。聚苯乙烯、ABS、丙烯酸、聚碳酸酯和其它非結(jié)晶性塑料都可焊。結(jié)晶性塑料如尼龍、乙縮醛、聚乙烯、聚丙烯、熱塑性聚酯均可焊。其它適用材料包括聚氯乙烯、泡沫樹脂、可注射成型含氟聚合物、熱塑性彈性體、熱塑性橡膠（TPR）、聚氨酯（嵌套材料）、聚砜、離聚物、聚碳酸酯與丙烯酸、丙烯酸與ABS等。旋轉(zhuǎn)焊接易滑脫的塑料如聚甲醛(Delrin)或超高分子量聚乙烯有困難。表2列出了大多數(shù)常用熱塑性塑料的焊接性。

表2 常用熱塑性塑料的旋轉(zhuǎn)焊接性

對(duì)于半結(jié)晶性塑料，旋轉(zhuǎn)焊比超聲波焊更容易連接。旋轉(zhuǎn)焊也比超聲波焊更易于遠(yuǎn)場(chǎng)焊接。與其它摩擦焊方法一樣，高熔點(diǎn)材料需要更高的能量輸入，因而也需更長(zhǎng)的焊接時(shí)間。添加劑如硅酮和其它潤(rùn)滑劑會(huì)降低材料的摩擦系數(shù)，使焊接變得困難。增強(qiáng)塑料焊接難易程度通常與未增強(qiáng)塑料一樣。如果填料降低摩擦系數(shù)，有時(shí)必須增加焊接壓力以減少有效焊接時(shí)間。填料對(duì)焊縫強(qiáng)度也有影響。例如，就高百分比（＞30%）填料來說，界面處可用于焊接的聚合物量減少，焊縫強(qiáng)度會(huì)降低。而且，由于纖維增強(qiáng)物不跨過接合線，所能得到的最大焊縫強(qiáng)度是未增強(qiáng)樹脂的強(qiáng)度。因此必須通過增加焊縫面積來加以補(bǔ)償。填料和表面污物（如脫模劑）是影響一致性和焊縫可重復(fù)性的兩個(gè)因素。旋轉(zhuǎn)焊比超聲波焊對(duì)污物更寬容。旋轉(zhuǎn)焊也較少受到吸濕性聚合物的影響（盡管重要用途仍需特殊處理）。含水量可能引起氣泡的生成，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度降低。顏料對(duì)旋轉(zhuǎn)焊沒有影響或影響很小。

就具有不同熔點(diǎn)的異種材料的焊接而言，熔點(diǎn)相差愈大，焊接愈困難。有可能只在表面形成機(jī)械粘合（mechanical adhesion），接頭強(qiáng)度會(huì)較低，這時(shí)可能需要特殊的接頭型面和使用很高的焊接壓力。通過設(shè)計(jì)下部凹陷的焊接接頭，低熔點(diǎn)的聚合物流入下部凹陷（undercut），產(chǎn)生機(jī)械結(jié)合(mechanical union)。旋轉(zhuǎn)焊工件不必要具有超聲波焊接時(shí)的化學(xué)相似性。就材料相容性來說，旋轉(zhuǎn)焊更類似于振動(dòng)焊。聚乙烯與聚丙烯旋轉(zhuǎn)焊密封機(jī)械接頭能經(jīng)受0.2MPa的壓力，這種接頭超聲波焊接是能以實(shí)現(xiàn)的。

很硬的工件（如聚碳酸酯或乙縮醛）需大轉(zhuǎn)矩使塑料開始熔化。一般說來，旋轉(zhuǎn)焊接軟塑料制成的大工件比硬塑料制成的容易。除了少數(shù)例外（如含氟聚合物），塑料愈軟，摩擦系數(shù)愈高。由于以下三個(gè)原因，慣性旋轉(zhuǎn)焊接軟塑料難度會(huì)增加：1）高摩擦系數(shù)產(chǎn)生的大減速造成飛輪不能通過摩擦產(chǎn)生熱量。大量的能量被零件變形吸收，結(jié)合面之間不出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如果增加動(dòng)能，更可能損傷工件而不是改善焊接規(guī)范。有時(shí)通過噴涂潤(rùn)滑劑（如硅酮脫模劑）到接頭表面解決這個(gè)問題是可能的。這樣可大大降低開始時(shí)的摩擦系數(shù)，出現(xiàn)正常的旋轉(zhuǎn)。另一方面，單位壓力很高，潤(rùn)滑劑快速擠出，摩擦增加，材料熔化。2）對(duì)摩擦系數(shù)很低的軟塑料來說，需很高的單位壓力以便在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生足夠的熱量。大多數(shù)工件承受如此高壓力會(huì)永久變形，迄今為止還沒有可靠的辦法在這些材料之間形成滿意的旋轉(zhuǎn)焊接頭。3）軟塑料零件難以夾持、不易驅(qū)動(dòng)。高扭矩常常會(huì)造成不能解決的問題，尤其是因?yàn)閹缀醪豢赡苡谬X冠夾持。

5.旋轉(zhuǎn)焊接頭設(shè)計(jì)

接頭設(shè)計(jì)是旋轉(zhuǎn)焊塑料零件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。應(yīng)確保獲得所期望的的美觀外形和焊縫強(qiáng)度。好的接頭焊接區(qū)域應(yīng)大于工件的典型壁面，必須提供足夠的工件間對(duì)齊。待焊工件必須有圓軸（如球體、圓柱、盤、環(huán)）和驅(qū)動(dòng)零件部分使上部能旋轉(zhuǎn)（如圖2、3）。

圖2 驅(qū)動(dòng)零件

圖3 自調(diào)整的自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)零件

圖4 簡(jiǎn)單對(duì)接接頭

如圖4所示，對(duì)接接頭是最簡(jiǎn)單的接頭設(shè)計(jì)，僅用于最終零件中焊接飛邊可接受的場(chǎng)合。在某些情況下，在焊接區(qū)域零件壁厚加厚以獲得更大的接頭強(qiáng)度和零件剛性（如圖5）。為去除可見區(qū)域的焊接飛邊，可增加溢料槽。

如圖6所示為飛邊位置可控的兩種簡(jiǎn)單的對(duì)接接頭設(shè)計(jì)。左側(cè)顯示飛邊控制在焊接零件內(nèi)部。上工件的內(nèi)臺(tái)階高于下工件的外臺(tái)階。因而出現(xiàn)熔化時(shí)，內(nèi)臺(tái)階首先熔化，材料轉(zhuǎn)移到工件內(nèi)部。在足夠的材料熔化后，上下工件的外臺(tái)階發(fā)生接觸，但不會(huì)焊接在一起。該設(shè)計(jì)的焊接區(qū)域只占整個(gè)工件壁厚的一半。如果焊接強(qiáng)度是100%母材強(qiáng)度，那么接頭強(qiáng)度只有母材強(qiáng)度的50%。

圖5 焊縫區(qū)厚壁對(duì)接接頭

圖6 簡(jiǎn)單對(duì)接接頭外部（左邊）和內(nèi)部（右邊）溢料槽設(shè)計(jì)

圖7 簡(jiǎn)單剪切接頭設(shè)計(jì)

圖7為簡(jiǎn)單剪切接頭設(shè)計(jì)；圖8為帶法蘭的剪切接頭設(shè)計(jì)；圖9為尼龍剪切接頭設(shè)計(jì)。

圖8 帶法蘭的剪切接頭設(shè)計(jì)

圖9 尼龍剪切接頭設(shè)計(jì)

在如圖10所示的設(shè)計(jì)中，使用斜槽或錐形面焊前定位工件及在焊接過程中自動(dòng)定心工件。這些特殊接頭設(shè)計(jì)增加界面處焊接表面積，降低對(duì)該區(qū)域更厚壁面的要求。這些設(shè)計(jì)并不包含溢料槽。

圖10 工件自動(dòng)定心的簡(jiǎn)單對(duì)接接頭設(shè)計(jì)

如圖11所示為幾種包含零件對(duì)齊、自動(dòng)定心、溢料槽和延長(zhǎng)焊接區(qū)域的榫槽接頭設(shè)計(jì)。圖（a）是最簡(jiǎn)單的形式，不包含溢料槽但邊緣有一個(gè)飛邊流入的小凹口。飛邊與工件外表面齊平且焊后可見。焊前工件之間間隙約為0.1倍壁厚。為防止焊接過程中自鎖，角度b不應(yīng)小于30°。焊接面總長(zhǎng)度c+d應(yīng)大于等于2.5倍壁厚以確保獲得足夠的接頭強(qiáng)度?？商砑蛹訌?qiáng)筋到工件壁以提高剛度。圖(b)所示的接頭設(shè)計(jì)中兩工件都有一個(gè)模塑的溢料槽。在工件焊接時(shí)接合線可見但飛邊不可見。溢料槽的尺寸必須足以容納從焊接界面擠出的塑料。考慮到可能過焊，最好是比必需空間稍大一點(diǎn)。圖(c)是側(cè)緣設(shè)計(jì)，飛邊貯存在槽中，接合面隱藏在側(cè)緣下。

圖11 榫槽接頭設(shè)計(jì)：(a)基本接頭，(b)溢料槽接頭，(c)帶側(cè)緣接頭

如圖12所示為典型的旋轉(zhuǎn)焊件接頭設(shè)計(jì)實(shí)例，有些提供不止一個(gè)熔化表面。圖(a)-(d)所示的榫槽設(shè)計(jì)提供良好的零件對(duì)齊和比簡(jiǎn)單對(duì)接接頭更大的接觸表面積，因而最常用。圖(e)尤其適用于座或蓋的焊合。

圖12 旋轉(zhuǎn)焊件典型接頭設(shè)計(jì)

6.旋轉(zhuǎn)焊特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)焊的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便、能量效率高、質(zhì)量好（可獲得比母材自身強(qiáng)度高的密封接頭）、能焊材料廣（適用于絕大多數(shù)熱塑性塑料及某些異種塑料）、生產(chǎn)率很高（大部分工件的焊接時(shí)間只有幾秒，多頭自動(dòng)裝置焊接簡(jiǎn)單的圓形接頭可達(dá)到每分鐘300個(gè)零件的生產(chǎn)速度）、焊縫不引入外加材料、不用考慮環(huán)境因素。旋轉(zhuǎn)焊可焊接大斷面，對(duì)長(zhǎng)而高的工件，旋轉(zhuǎn)焊優(yōu)于超聲波遠(yuǎn)場(chǎng)焊（尤其在工件是波狀外形或有開口、伸出部分或者材料是半結(jié)晶性塑料時(shí)）。理論上旋轉(zhuǎn)焊工件最大尺寸不受限制。現(xiàn)已焊接的最大直徑工件為1100mm。工件本身可以是任何形狀，只要所需焊接的配合面是圓形的即可。旋轉(zhuǎn)焊資本費(fèi)用比其它焊接方法低。所需基礎(chǔ)設(shè)備比較便宜，但輔助設(shè)備如夾具、送料裝置、卸料裝置可能抬高系統(tǒng)成本。依工件形狀和大小而定，將工件固定在旋轉(zhuǎn)電機(jī)上的夾具可能比較復(fù)雜。由于旋轉(zhuǎn)焊運(yùn)用的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因而限于有圓形結(jié)合面的工件。由于界面處發(fā)熱量取決于相對(duì)表面速度，圓形零件外緣直徑更大、表面速度更高，因而溫度更高。這會(huì)造成溫差，在接頭中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。為減輕這種影響，有空心截面和薄壁的接頭更可取。旋轉(zhuǎn)焊工件之一必須能相對(duì)另一個(gè)自由旋轉(zhuǎn)。突起部或限制旋轉(zhuǎn)的其它偏心組件會(huì)妨礙旋轉(zhuǎn)焊的使用。如果焊機(jī)沒有辦法停止旋轉(zhuǎn)于精確位置，焊后需特定取向的工件不適宜旋轉(zhuǎn)焊。

7.旋轉(zhuǎn)焊應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)焊最早用于制造充液羅盤。汽車行業(yè)應(yīng)用包括罐、瓶、閥、燈、過濾器、濾杯（濾罩）、空氣導(dǎo)管、加油管、彎頭與歧管的焊接、擠壓管材與燃油濾清器模制件的連接、三都平軟管與聚丙烯進(jìn)氣管的焊接。器械行業(yè)應(yīng)用包括：閥門、偏流器、真空吸塵器罩、洗衣機(jī)彎管、冰箱濾水器、果汁與蘇打冷飲機(jī)分路器。其它典型應(yīng)用包括：桅冠燈、深水浮標(biāo)、聚乙烯浮球、浮筒、化油器浮子、止回閥、彈出式灌水栓、油漆罐蓋、噴霧罐、氣霧瓶、傳動(dòng)軸、蓄氣筒、滅火器、吹塑聚乙烯瓶、化妝品容器、丁烷打火機(jī)、飲料杯、保溫杯、隔熱碗、注射器、水罐等。旋轉(zhuǎn)焊還用于塑料管道（如聚乙烯管或聚氯乙烯管）的焊接與修補(bǔ)。旋轉(zhuǎn)焊也是一種流行的大批量產(chǎn)品（如包裝和玩具）焊接方法。旋轉(zhuǎn)焊可用于結(jié)構(gòu)件的組裝，如通風(fēng)管與吹塑燃料箱的連接、油位計(jì)與透明聚碳酸酯觀測(cè)孔同聚甲醛托架的焊接及容器頂部和底部的焊接，還可用于螺柱與塑料零件的連接。

8.旋轉(zhuǎn)焊常見問題分析與處理

問題 現(xiàn)象 可能原因 推薦解決辦法過焊焊接飛邊過多 焊接時(shí)間過長(zhǎng)或焊接長(zhǎng)度過大 減少焊接時(shí)間或長(zhǎng)度焊件尺寸太小 溢料槽設(shè)計(jì)不當(dāng) 評(píng)估和糾正溢料槽設(shè)計(jì)欠焊焊縫強(qiáng)度低 焊接時(shí)間或焊接長(zhǎng)度過短 增加焊接時(shí)間或焊接長(zhǎng)度焊件尺寸太大 由于摩擦系數(shù)較低，材料難以焊接 去除脫模劑，清除結(jié)合面油污考慮更換材料（避免聚四氟乙烯）

9.結(jié)語

旋轉(zhuǎn)焊是一種用于組裝圓形結(jié)合面塑料工件的摩擦焊接方法。旋轉(zhuǎn)焊用摩擦力提供界面處的熔化熱。摩擦熱熔化表面并不加熱或損傷接頭以外的區(qū)域。焊接過程中施加足夠的壓力擠出少量的樹脂飛邊及過量氣泡。

旋轉(zhuǎn)焊工件前，必須考慮以下三條：a)材料種類及開始發(fā)粘的溫度;b)工件直徑;c)要形成多少飛邊及如何處理飛邊。

旋轉(zhuǎn)焊組件的基本設(shè)計(jì)依據(jù)是工件之一在焊接面內(nèi)必須能相對(duì)另一工件自由旋轉(zhuǎn)。突起部或限制旋轉(zhuǎn)的其它偏心組件會(huì)妨礙旋轉(zhuǎn)焊的使用。旋轉(zhuǎn)焊設(shè)計(jì)必須提供良好的零件對(duì)齊。壁厚也很重要。薄壁在焊接過程中會(huì)彎曲并有效減少相對(duì)運(yùn)動(dòng)和壓力。

旋轉(zhuǎn)焊成功焊接所必需的因素包括：工件旋轉(zhuǎn)速度的確定、工件旋轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)器的適當(dāng)壓力。好的接頭焊接區(qū)域應(yīng)大于工件的典型壁面，必須提供足夠的工件間對(duì)齊。待焊工件必須有圓軸（如球體、圓柱、盤、環(huán)）和驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)部分。

旋轉(zhuǎn)焊的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便、高質(zhì)量、能焊材料廣、生產(chǎn)率很高、可焊接大斷面、可獲得比母材自身強(qiáng)度高的密封接頭。焊縫不引入外加材料，不用考慮環(huán)境因素。由于旋轉(zhuǎn)焊運(yùn)用的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因而限于有圓形結(jié)合面的工件。

旋轉(zhuǎn)焊比其它連接方法熔化和移動(dòng)的材料多三倍，因而非常適合于產(chǎn)生耐壓密封接頭。密封性能是旋轉(zhuǎn)焊廣受歡迎的最重要特點(diǎn)。由于加熱局限于焊接界面，很少產(chǎn)生過熱，冷卻時(shí)間短，非常適合于自動(dòng)化流水線。

以前的旋轉(zhuǎn)焊機(jī)較簡(jiǎn)陋，對(duì)速度、作用力或位移控制較少?，F(xiàn)今的旋轉(zhuǎn)焊機(jī)已能使用傳感器、伺服電機(jī)、微處理器對(duì)旋轉(zhuǎn)焊接過程進(jìn)行極好的控制，可預(yù)先確定速度、加速度、減速度、位移、焊接時(shí)間和保壓時(shí)間，還可編制焊機(jī)程序使工件停在特定的位置。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，旋轉(zhuǎn)焊接在各行各業(yè)（如汽車、器械、醫(yī)療、日用消費(fèi)品等行業(yè)）的各種塑料圓形接頭中發(fā)揮了愈加重要的作用。

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)第2卷：材料的焊接（第3版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008，1155~1179.

[2]張勝玉.塑料旋轉(zhuǎn)焊[J].國(guó)外塑料，2000，（4）：31~33.

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[4]張勝玉.熱塑性復(fù)合材料及其焊接[J].纖維復(fù)合材料，2000，（4）：45~48.