振动摩擦焊接原理工艺分析
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 震动摩擦焊接原理
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，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
熔融料不暴露在空气中，因此没有氧化降解的风险。
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。
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。
无法焊接低刚度模量热塑性塑料，如TPC。
熔点差异大的材料无法焊接。
工艺过程
经济，生产节拍快。
设备相对简单。
适合大规模生产。
通过换模，可以生产多种产品。
在焊接过程中几乎没有烟雾。
产品在焊接过程中会受到振动，敏感零部件可能被损坏。
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
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。
焊接过程中会产生粉尘颗粒，影响零件内部清洁度。
零件的翘曲可能会影响焊接效果。
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°。
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。
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。
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。
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，另一中是低频振动模式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。
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
3 材料
3.1 热塑性塑料
热塑性塑料是由单体重复连接形成的长链分子组成，其一个重要特性是加热软化和熔化，冷却凝固和硬化。当同种材料的两个塑料零件焊接时，分子链扩散到界面上，相互缠绕形成化学键，见图1。
塑料连接来自分子链扩散和化学键形成。该原理适用于热塑性材料的所有焊接技术。
图1 焊接过程中的分子链扩散和缠绕结合热塑性塑料的热传导率低，使得材料熔融后的冷却速率足够低，从而形成强化学键。与金属焊接大大不同，金属热传导率高，热量很快传递出去。
几乎所有的热塑性材料都可以采用振动摩擦焊接，包括结晶，无定形、填充、发泡和增强型塑料。无定形塑料如PC，比半结晶更容易焊接。该工艺不适合于非常柔软的材料如TPC。热固性塑料不能焊接，因为其分子链已经发生化学交联，无法扩散。
3.2 材料种类和组成
材料的类型和添加剂对焊接性能有显著影响。
材料类型影响焊接强度，见图2。图中列出了PA6 GF30，PA46 GF30，PA66 GF30，PPA GF30振动摩擦焊接强度对比。
材料粘度影响焊接强度。较高粘度能够促进熔融状态下的材料分子快速扩散和缠绕结合。
玻璃纤维，详见下一节。
添加剂。一些添加剂会影响结晶速率。例如，炭黑色粉加速结晶，而黑色染料减缓结晶过程。一般来说，结晶速率慢有助于提高焊接质量，因为其允许在更多的时间里进行分子链化学连接。
含水量。放置了长时间的塑料含水量会增加。导致焊接后焊缝区域形成气泡，减少焊接强度。 因此为了避免气泡的形成，在焊接前需要对零件进行干燥处理。
3.3 玻纤增强型材料
含玻璃纤维的塑料与纯树脂塑料的焊接行为相似。不过，含玻纤塑料的焊接需要更多时间，才能进入稳态流动阶段。对于含30%玻纤塑料，其焊接强度明显低于本体强度。为什么会发生这种情况？是因为摩擦振动引起玻璃纤维排布方向发生了改变。
由于施加压力，熔融材料被横向挤压出来，玻璃纤维也参与了流动。在焊接结束后，玻璃纤维排列方向发生变化，垂直于拉伸方向。这种不利的排列方向是导致焊接强度降低的原因。也导致焊缝处断裂。
图3对比了焊接件和非焊接件的断口电镜扫描，试验棒材料PA6 GF30。焊接件断口位置在焊缝区域。这些电镜扫描照片表明，焊接件的焊缝区域纤维取向主要在断裂的平面上；而非焊接件的纤维取向是垂直于断裂平面，导致大量的纤维拔出，从而产生较高的强度。因此焊缝不像本体材料那么坚固，它接近未填充PA6的性能。
图3 焊接件和非焊接件的断口电镜扫描3.4 材料的焊接相容性
由于分子链在界面上的扩散是形成强键的必要条件，所以熔融材料的分子流动性，以及焊缝两侧分子之间的相容性很重要。一般情况下，焊接的两个零件建议使用相同或者类似的材料。
然而，只要材料具有一定程度的相容性，不同材料的焊接仍然是可能的。
例如，PA6、PA 66和PA 46在熔融状态下是可混合的，PBT和PET在熔化温度以上也是可混合的。PC与PET仅部分可混合，因为两者之间发生相容的化学反应（酯交换）。表1列出了不同聚合物材料焊接的相容性，其中+代表可焊接。
振动摩擦焊接材料熔接性能表
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