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振动摩擦焊接技术 |
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作者：必能信超声（上海）有限公司 张祖幸 毛振平 |
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振动摩擦焊接技术自20世纪70年代诞生以来，以其焊接强度高、节约成本等优良特性得到了人们的认可，目前已成为许多领域塑料产品的首选焊接工艺，例如汽车领域的发动机进气歧管、中控台及电控装置等。
振动摩擦焊接简介
1.振动摩擦焊接的原理
1799 年，英国化学家即后来的首任皇家研究院院长戴维(Davy)在维持冰点的真空中容器中进行摩擦的实验中发现，即使是两块冰相互摩擦也有些冰熔化成水。戴维因此认为这是摩擦引起物体微粒振动继而生热的结果。这一发现后来发展成为物理学的一个重要理论：摩擦引起振动而产生热量。而振动摩擦焊接正是源自该理论。
振动摩擦焊接根据振动轨迹可以分为：线性振动摩擦焊接以及轨道式振动摩擦焊接。线性振动摩擦塑料焊接基于振动生热的原理，通过对两件塑料焊接工件施加一定的压力(F），使塑料工件的焊接面(A)紧贴在一起，同时使两塑料焊接工件中的一件工件相对另一固定工件以一定的位移或振幅做往复运动(a)。通过振动摩擦(FR)而产生热量达到塑料焊接所要求的熔融温度，从而最终完成塑料工件的焊接。焊接后，两塑料工件便被紧密地固化在一起而成为一个紧密的结合体。
图1 线性振动摩擦焊接的原理
轨道式振动摩擦焊接是一种利用摩擦热能焊接的方法。在进行轨道式振动摩擦焊接时，上部的工件以固定的速度进行轨道运动（向各个方向的圆周运动），运动所产生的热能可使两个塑料件的焊接部分达到熔点。一旦塑料开始熔化，该种运动立刻停止，两个工件的焊接部分就会发生凝固，从而牢牢地连接在一起。由于小的夹持力可使工件产生最小程度的变形，因此直径在10in（254mm）以内的工件适合采用该种焊接方法。
2.振动摩擦焊接的发展历史
作为振动摩擦焊接技术的开拓先锋，必能信超声有限公司（以下简称“必能信”）的技术进展代表了振动摩擦焊接技术的发展历程。1973年，杜邦公司首次利用振动摩擦焊接工艺制作汽车碳罐；1974年，必能信获得商业化应用振动摩擦焊接技术的许可；1976年，必能信制造了第一台电磁振动摩擦设备；1978年，必能信第一台振动摩擦焊接机被用于福特汽车公司的碳罐产品的焊接应用；1986年，必能信成功开发了大型振动摩擦焊接机，运用于汽车仪表盘的焊接生产；1991年，必能信成功开发了第一台双振动头的振动摩擦焊接机，以满足大型汽车仪表盘的焊接要求；1997年，必能信开发了更高效的M系列振动摩擦焊接机，满足了汽车的空气进气歧管系统的高效生产要求；2006年，集成多达6个振动头的M系列焊接设备由必能信投放市场；2008年必能信推出数字量的振动头控制技术。
图2 必能信专利的振动头的结构示意图
必能信的振动摩擦焊接设备
根据焊接材料特性、焊接工件尺寸、焊接区域、模具重量和焊接时间的不同，必能信可为客户提供20款以上的焊接设备来满足其不同塑料焊接的设计和应用。必能信振动摩擦焊接机所具有的特点包括：深度焊接控制 （包括绝对深度和相对深度）；可调时间控制；可调压力控制；可调振幅控制；所有调节具备“+/-”、“高-低”限制保护。
必能信振动摩擦焊接机的技术创新主要体现在以下几个方面：
1.特殊设计的设备机架
设备机架的设计经过了有限元软件的分析优化，故而采用一定形状的钢管焊接制成。该机架具有足够的强度和刚度。除设备的电气控制，其他所有机械零件如台面、液压及气动元件等，都被安装在设备机架上。
由于振动摩擦焊接机工作时机架需承受一定的冲击，因此机架安装脚采用带橡皮缓冲并可调节高度的结构来保证机器正常工作并降低运行时的噪声。
为确保机架长时间的良好工作状况，机架除采用经有限元分析优化的设计外，还经过了机架加速度的测量和机架临界点的应力测试验证。
2.必能信专利的振动头
必能信专利的振动头的工作原理如下：由振动电源控制左右两边的电磁线圈产生交互式的磁力作用在振动头上。振动头中的弹性零件控制共振的特性，并保证振动过程中上模具原位绝对中心和抵消垂直焊接压力。
由于采用了独特的振动电源驱动并控制振动头的振动，必能信的振动摩擦焊接设备实现了振动头振动频率与机械共振频率的一致性，从而可以获得更优的能量转化率。
3.工作台面
台面上预先放置下模具，待模具中放入焊接塑料工件后，由台面驱动系统上升台面与安装在振动头上的上模合模夹紧。在台面的两边安装有导向柱机构，使得工作台面只能垂直移动，并靠额外增加的重量限制它在振动摩擦焊接时的水平移动。此外，工作台面还可预装模具快速夹紧装置，以使用户在多品种生产时能够高效换模。
4.驱动系统
根据设备型号的不同，采用液压或气动系统进行工作台面的驱动，并在设备焊接运行中通过系统的闭环控制技术来精确控制焊接压力等参数。
5.隔音罩
由于独立封闭的罩壳单元和在操作处的垂直移动的移动门将振动摩擦设备完全罩住，因而可将设备运行时的噪声降低至85 dB(A)以下。此外，经过优化设计的隔音罩后方的设备维护门，为在大型振动摩擦焊接设备后门快速换模以进行多品种塑料焊接提供了方便。
6.设备控制系统
必能信不同型号的振动摩擦焊接设备均配备了可编程的PC (VC100) 或PLC带触摸屏控制，使设备用户能够方便设置、保存多组焊接应用参数以便于快速换线——在同一设备上实施多品种的高效生产。采用PC控制的振动摩擦焊接机还具有远程服务功能，可及时为设备用户提供技术支持服务。
振动摩擦焊接的典型应用
1. 线性振动摩擦焊接在汽车发动机进气歧管生产中的应用
进气歧管（Air Intake Manifold）是发动机最关键的部件之一，其功能是将前端总进气平均分配至发动机各缸室，并为各缸室提供充足而均匀的混合气，它对于发动机的动力性和油耗有着至关重要的影响。
传统进气歧管一般由铸铁或铝合金材料铸成，由于在进气歧管上安装有很多发动机进气和电喷系统，因而在制造这种结构复杂、弧度大的金属进气歧管时常常面临着制造工艺方面的困难，其成品率很难保证。
1990年，德国宝马公司开创了熔芯法生产塑料进气歧管技术，之后，塑料进气歧管以其重量轻、成本低及性能好等特点迅速取代了金属进气歧管，目前国内超过90%的发动机都配备了塑料进气歧管。时至今日，熔芯法由于存在成本高、能耗高及周期长的缺点，已基本被振动摩擦焊接工艺所取代。
由于进气歧管直接与发动机连接，工作环境恶劣，因此所用材料为耐高温、化学稳定性好的PA6或PA66材料，这些材料一般含有25%~35%的玻纤，以克服尼龙材料易吸水的缺点（吸水可导致收缩率增大及强度下降）。
塑料进气歧管的如下特征决定了振动摩擦焊接是其最理想的焊接工艺：采用的材料为尼龙加玻纤，该材料的熔点高，焊接需要较大压力；尺寸较大、形状复杂，超声波和激光焊接无法满足要求；焊接强度要求高，传统的热板焊接工艺因存在材料降解致使焊接强度不能满足要求。
必能信 M624H 线性振动摩擦焊接机是目前塑料进气歧管生产线使用最多的机型。此外，必能信于2010年新推出的M522H线性振动摩擦焊机，适合于焊接外形尺寸较小的塑料进气歧管，可在满足客户应用需求的同时，降低客户的一次性投入成本。
对于焊接进气歧管、助力转向罐之类的高压容器，线性振动摩擦焊接机的停振耗时这项指标非常关键。所谓停振耗时，是指在达到设定的焊接深度或焊接时间后焊接机的振动头从所设定的振幅（通常为单边0.9mm）降到零所需要的时间。这个时间越短则焊接强度越高，因为停振耗时长，会使原本已结合到一起的焊接区域重新撕裂，从而降低了焊接强度。必能信新一代Power Supplier ACT401系统现已装备全系列机型，该系统能提供短至5ms的停振耗时，已成为大部分发动机周边配套厂家的焊接机的必选装置。
2. 线性振动摩擦焊接在焊接中控台中的应用
传统的中控台装配通常采用螺丝锁紧，这种工艺不仅费时费力，而且需在外饰板注塑Boss柱，这样不仅易在外饰板可见面出现注塑缩痕而影响外观，而且无法消除注塑变形。另外，在中高端车型上，因需要将空调系统的冷热风通过中控台中的风管传导到后排乘客，传统工艺要在中控台中额外装配两根吹塑风管，这显然增加了一道工序。为了满足客户降低成本、改善质量的迫切需求，必能信推出了侧面焊接工艺，即同时将侧面的两个工件于一个焊接周期内焊接到同一个工件上，使之形成由3个工件组成的整体。无论从整体强度、表面质量，还是成本，相比原先的装配工艺都有了长足的进步。目前，该工艺已被绝大部分汽车配套厂家所采用。在必能信的线性振动摩擦焊接机中，适合于生产中控台的设备有M824H/L、M836H、M934L及M936L。根据不同的产品尺寸，适用的机型也会有所区别。其中，M934L是必能信于2010年新推出的产品，可令客户以更低的成本实现更多的应用。
3. 轨道式振动摩擦焊接在电子行业中的应用
在振动摩擦焊接领域，除了常规水平往复运动的线性振动摩擦设备外，必能信还推出了革命性的轨道式振动摩擦焊接机。塑件在进行轨道式振动焊接时，每个点围绕自身做圆周或者椭圆形轨迹的振动，而不是往复式线性振动。此革命性设备的研发成功，为电子行业带来了崭新的焊接工艺。
线性振动摩擦焊接由于焊接速度方向在不断变化，无法焊接内部预装了易被振坏的电子元件的工件。而轨道式振动摩擦焊接的焊接速度是恒定的，因而对于内部电子元件的冲击非常小，特别适合焊接预装了电子元件的工件，如ECU、ESC及ABS等汽车电控装置。(end)
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(10/23/2012) |
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