振動摩擦焊接機——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、振動摩擦焊接、激光焊接、熱板焊接和紅外焊接等。

振動摩擦焊接機適合于焊縫處在一個大平面、相容性熱塑性材料的焊接機，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復性的連續生產過程，其過程類似于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：1、熔融料不暴露在空氣中，因此沒有氧化降解的風險。2、對材料透明度、壁厚和焊接位置高度基本無要求，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，熱影響區域小，因此過熱導致材料退化可能性要小得多。4、無法焊接低剛度模量熱塑性塑料，如TPC。5、熔點差異大的材料無法焊接。

工藝過程：1、經濟，生產節拍快。2、設備相對簡單。3、適合大規模生產。4、通過換模，可以生產多種產品。5、在焊接過程中幾乎沒有煙霧。6、產品在焊接過程中會受到振動，敏感零部件可能被損壞。7、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：1、焊接后焊縫周邊有溢料，如果溢料不可接受，可以設計擋料槽避免溢料可見。2、焊接過程中會產生粉塵顆粒，影響零件內部清潔度。3、零件的翹曲可能會影響焊接效果。4、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，角度應小于15°；沿著與振動垂直方向，角度應小于40°。

振動摩擦焊接機基本原理

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。在振動停止后，熔融塑料層固化，并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于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，熔融速率等于向外流動速率（穩態）。只要達到這一階段，熔融層的厚度就會變得恒定。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。

在振動停止后，熔體冷卻并開始凝固，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。