振动摩擦焊接机——原理

振动摩擦焊接机——原理

典型塑料零件的连接方法有螺丝连接、搭扣、压装、胶水粘合和焊接。焊接是永久连接塑料零件的有效方法。塑料焊接工艺多种多样，有超声波焊接、振动摩擦焊接、激光焊接、热板焊接和红外焊接等。

振动摩擦焊接机适合于焊缝处在一个大平面、相容性热塑性材料的焊接机，能够实现高强度、承压大和高密封的焊接性能，是一种非常精确和高重复性的连续生产过程，其过程类似于将两个手掌互相压紧、来回移动产生热量。

优点和限制条件：

从材料方面：1、熔融料不暴露在空气中，因此没有氧化降解的风险。2、对材料透明度、壁厚和焊接位置高度基本无要求，不像激光焊接或者超声波焊接受以上因素限制。3、热量集中在焊缝位置，热影响区域小，因此过热导致材料退化可能性要小得多。4、无法焊接低刚度模量热塑性塑料，如TPC。5、熔点差异大的材料无法焊接。

工艺过程：1、经济，生产节拍快。2、设备相对简单。3、适合大规模生产。4、通过换模，可以生产多种产品。5、在焊接过程中几乎没有烟雾。6、产品在焊接过程中会受到振动，敏感零部件可能被损坏。7、因为焊接压力和横向力较大，所以不适合焊接尺寸较小的产品。

外观及形状要求：1、焊接后焊缝周边有溢料，如果溢料不可接受，可以设计挡料槽避免溢料可见。2、焊接过程中会产生粉尘颗粒，影响零件内部清洁度。3、零件的翘曲可能会影响焊接效果。4、非常适合焊缝区域几乎平坦的零件。如果是曲面焊接，要求沿着振动方向，角度应小于15°；沿着与振动垂直方向，角度应小于40°。

振动摩擦焊接机基本原理

两个塑料部件在一定的压力、振幅和频率下，相互接触摩擦。因摩擦产生热量，使得材料在焊缝界面处熔化。在压力下，熔融塑料从焊缝区域流出形成溢料，见图1。在振动停止后，熔融塑料层固化，并产生一个坚固的接头。

图1 焊接过程示意图

振动摩擦焊接过程可分为四个不同的阶段，分别是固体摩擦阶段、固液相变阶段、稳态流动阶段和冷却阶段，见图2。

图2 振动摩擦焊接的4个阶段

在固体摩擦阶段，两个零件表面相互摩擦产生热量。材料表层被加热达到熔点。热量产生的快慢取决于材料摩擦性能和焊接参数（频率、振幅和压力）。

在固液相变阶段，此时材料的加热方式由表面摩擦生热，转变为熔融状态下的层与层之间的剪应力加热。此时，熔融层厚度不断增大。但随着熔融层深度加大，加热能力逐渐减少。

在稳态熔体流动阶段，熔融速率等于向外流动速率（稳态）。只要达到这一阶段，熔融层的厚度就会变得恒定。直到达到设定的焊接深度，振动停止。

图3 焊缝区域熔体流动剖面示意图

图3显示了焊接区域熔体流动速率分布曲线。在中心流动速率最大，边缘流动速率最小。流动速率在厚度上呈现抛物线分布特点。

在振动停止后，熔体冷却并开始凝固，进入冷却阶段。焊缝在静态压力下凝固，从而使零件永久地结合在一起。

为了保证整个焊接区域均匀加热，从而保证均匀的焊接性能。应注意在整个焊接过程中，上下零件在焊缝区域要充分接触。充分接触可以通过改善零件尺寸精度、结构优化和治具设计来保证。