振动摩擦焊接原理和焊缝设计（上）

本文系统介绍了塑料振动摩擦焊接原理，内容分为上、中、下三个部分。第一部分是概述、工艺过程和过程参数；第二部分是材料、零件和焊缝设计；第三部分是测试和应用案例。

1 概述

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，旋转摩擦焊接，振动摩擦焊接，激光焊接，热气焊接，热板焊接和红外焊接等。

振动摩擦焊接非常适合于焊缝处在一个大平面、相容性热塑性材料的焊接，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

工艺过程

外观及形状要求

空气导管

2 振动摩擦焊接工艺

2.1 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。

2.2 工艺参数

振动摩擦焊接通常用于大型零件焊接。对于较小的零件，可以实现一次多件（2-4件），实现更经济快速的焊接。下图的进气歧管是典型的振动摩擦焊接案例。

图4 进气歧管

振动摩擦焊接最重要的工艺参数是频率，振幅，压力，时间和焊接深度。优化焊接参数，可实现非常高的焊接强度。不过，焊接参数的设置取决于材料种类、几何形状和清洁度等要求。

频率

振动摩擦焊有两种工作频率，一种是高频振动模式200-240Hz，另一种是低频振动模式80-120Hz。选择哪一种频率取决于上模具重量和高度。频率对焊缝质量无显著影响。

振幅

对于高频工作模式（如240Hz），输出振幅（峰值到峰值）0.5-1.8mm。对于低频工作模式（如100Hz），输出振幅2-4mm，见图5。通常，当零件之间的间隙限制在小于1.5mm时，使用高频振动。振幅越大，焊接时间越短，不过清洁度会变差。

图5 振幅和频率曲线（蓝色代表高幅低频，红色代表低幅高频）

焊接压力

可调整范围区间大，从0.5到20 MPa。常用范围0.5-2.0 MPa。较高压力能减少焊接时间。

值得注意的是，焊缝压力过大，会导致大量熔体流出焊缝区域，熔体层下方的了冷态塑料进行粘接形成冷焊缝，大大减少焊接强度。

一般来说，焊缝强度对振动频率和振幅不是非常敏感。对于含有玻璃纤维的材料，应尽可能限制或减少熔体流动。因为熔体的横向流动，会导致玻纤排布方向发生改变，减少焊缝的焊接强度。高粘度材料能承受较高的焊接压力。但较高的压力会增加第一阶段（固态摩擦阶段）的粉尘数量。

焊接时间

振动摩擦焊接过程有两种控制方式：时间控制和深度控制。一般常用焊接深度控制方式。

焊接深度

决定焊缝强度最重要的因素是焊接深度。当焊接深度超过一个临界阀值，即达到第三阶段（稳态流动阶段）的最小深度，焊接强度就能够达到母体材料强度。

当焊接深度小于这个临界阀值时，焊接强度减少。焊接深度大于这个临界阀值时，对于同种塑料之间的焊接，不会增大焊接强度。对于不同塑料之间的焊接，却可以增大焊接强度。

只要达到这个临界阀值，焊接强度对焊接频率和振幅大小不敏感。当处于恒定阀值（高于临界阀值）时，压力增大，焊接强度降低。

上述的建议可以作为参数设置的起点。精确的参数设定还与材料种类、几何形状、强度要求、密封要求和清洁度要求相关。

下面是典型的参数设定：

焊接压力：1.4MPa（200psi）

频率：240Hz

振幅：1.8mm

焊缝深度：1.5mm

时间：3.5s

保压时间：0.5倍的焊接时间

(未完待续)

来源：GeeSonics极克超声