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旋轉焊接技術是一門成熟、簡單的塑料焊接技術。該技術通過旋轉運動在外加壓力下將2個工件焊接在一起。旋轉焊是需要高強度、密封圓形接頭塑料件的焊接方法。它非常適合于連接大大小小的塑料件及各式各樣的熱塑性樹脂。密封性時旋轉焊接受歡迎的特點。
旋轉焊接原理及過程
上圖所示，旋轉焊接原理是一個工件高速旋轉并緊壓另一固定工件，在2個工件間產生摩擦熱，使配合面得以熔化。旋轉停止后，壓力保持到熔化材料凝固形成連接。旋轉焊接過程分為4個不同階段。
1.兩固體表面之間通過旋轉摩擦產生熱量，界面區(qū)域升溫至結晶性塑料的熔點或非結晶性塑料的玻璃化轉變溫度。
2.界面材料開始熔化，隨著溶液厚度增加，部分熔融材料作為飛邊擠出接頭。
3.熔融材料產生的速度等于材料作為飛邊移開的速度。一旦到達該階段，通過摩擦或制動裝置停止驅動頭旋轉。
4.驅動頭停止旋轉，工件在預制壓力下結合在一起以確保溶液表面之間的緊密接觸。接頭冷卻形成連接。
旋轉焊接設備
旋轉焊機是臺式機，縱向安裝有一個垂直于工裝座的線性傳動裝置。線性傳動裝置可以是氣缸或伺服驅動滾珠絲杠。氣缸適合于絕大多數應用，而伺服驅動線性軸適合更難或更精確的應用。伺服軸可精確控制推桿的垂直速度并確保焊接循環(huán)過程中軸向壓力恒定。
驅動頭是旋轉工件的裝置，與推桿端部相連。它由氣動馬達和飛輪（慣性焊機）動態(tài)制動的直接驅動電機或伺服電機來驅動。
旋轉工藝參數
旋轉焊接焊縫可通過馬達每分鐘轉數（r/min）、焊接壓力、焊接時間、冷卻時間和保持壓力來控制。通常進行樣品評估以確定特定材料和接頭設計的佳工藝參數。焊接時間從0-20s。冷卻時間在0.5s內。典型的完整加工時間是2s。工件的軸向壓力范圍從1.0-6.9MPa。常用的選擇速度為200-16000r/min。發(fā)粘溫度可用作確定工件所需轉速的指南。直徑25.4mm的未填充聚乙烯零件可在1000r/min的旋轉速度下達到137.8℃的發(fā)粘溫度。隨著零件中惰性填料含量的增加，所需轉速也相應增加。轉速增加的作用類似于壓力增加。
1)轉速或表面線速度
在直接驅動旋轉焊接中，一個工件相對于固定工件定速旋轉。所需的轉速取決于材料和用途，每種材料都有產生摩擦和發(fā)熱的佳界面線速度。如果接頭處所需的線速度是2m/s，對于直徑40mm的工件，轉速為955r/min。
對于直徑大的工件，轉速必須降低已獲得佳的接頭處線速度。通常接頭處線速度為0.2-2.0m/s。佳值可通過試驗確定。
直徑小的工件通常需要比同種材料的直徑大的工件更高的轉速，以達到相同的表面線速度。如果表面線速度太低，不會產生充足的熱量引起足夠的熔化。如果線速度過高，接頭中過多的熱量會造成材料降解或黏度降低，導致材料流出接頭。表面線速度的選擇在很大程度上取決于被焊工件的材料和接頭形狀。
2)加壓速率（軸向速度）
加壓速率影響被焊工件之間產生摩擦所需的接觸壓力。加壓速率越快，發(fā)熱速率越快。不統一磨削，加壓速率必須足夠大以產生界面處熔化，但不能太高以免損壞工件。在需要更大轉矩以保持很定的轉速時，加壓速率臺達還會引起旋轉電機停轉。
3)焊接壓力
焊接壓力通常小。兩工件接觸時施加壓力越大，組件阻力矩越大。
4)焊接時間
焊接時間越長，界面處發(fā)熱量越大。與振動焊接一樣，存在一個材料位移速度隨時間線性增加的穩(wěn)態(tài)階段。在達到穩(wěn)態(tài)階段后，驅動頭無需繼續(xù)旋轉。根據材料和接頭直徑，焊接時間為2-10s。佳焊接時間可以通過試驗確定。
5)焊接位移或焊接深度
如果需要預定的材料位移，焊接過程可以通過位移控制，即一道所需位移，旋轉頭就停止。與按時間焊接一樣，在達到穩(wěn)態(tài)時會獲得佳質量的焊縫。這可通過在焊機底座和驅動頭之間放置一個位移傳感器，并監(jiān)控位移隨時間的變化來確定。焊接深度的確定與應用密切相關。焊接頭一般為特定的焊接熔深設計的。焊縫足夠深，焊接強度高。但深度過大會形成飛邊，導致增強填料的拔出和焊接面鏈間鍵的重新排列，造成弱的軸向焊接接頭，并可能產生工件變形。
各種塑料的選擇焊接性能
幾乎所有熱性塑料（非結晶性或結晶性塑料）都可以旋轉焊接。泡沫塑料樹脂、可注射成型含氟聚合物、熱塑性彈性體、熱塑性橡膠（TPR）、聚氨酯（嵌套材料）、聚砜、離聚物、聚碳酸酯與丙烯酸、丙烯酸與ABS等均可焊接。旋轉焊接易滑脫的塑料，如聚甲醛或超高相對分子質量的聚乙烯比較困難。
下表列出了常用熱塑性塑料的焊接性。
| 材料 | 焊接性 | |
| 非結晶性塑料 | ABS | 容易-容易 |
| ABS/聚碳酸酯合金 | 容易 | |
| 丙烯酸 | 容易 | |
| 丙烯酸類多元聚合物 | 容易 | |
| 丁苯 | 容易-容易 | |
| 苯醚基樹脂 | 容易 | |
| 聚酰胺酰亞胺 | 容易-中等 | |
| 聚芳酯 | 容易 | |
| 聚碳酸酯 | 容易-容易 | |
| 聚醚酰亞胺 | 容易 | |
| 聚醚砜 | 容易-容易 | |
| 聚苯乙烯（通用） | 容易-容易 | |
| 聚苯乙烯（橡膠改性） | 容易 | |
| 聚砜 | 容易 | |
| 聚氯乙烯（硬質） | 容易-容易 | |
| SAN-NAS-ASA | 容易-容易 | |
| 聚對苯二甲酸丁二醇酯/聚碳酸酯合金 | 容易 | |
| 半結晶性塑料 | 乙縮醛 | 容易-中等 |
| 纖維素塑料 | 容易 | |
| 含氟聚合物 | 中等-較難 | |
| 液晶聚合物 | 容易-中等 | |
| 尼龍 | 容易-容易 | |
| 熱塑性聚酯 | 容易 | |
| 聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET） | 容易-中等 | |
| 聚對苯二甲酸乙二醇酯（PBT） | 容易 | |
| 聚醚醚酮（PEEK） | 中等 | |
| 聚乙烯 | 中等 | |
| 聚苯硫醚 | 容易 | |
| 聚丙烯 | 容易 |
旋轉焊接比超聲波焊接更容易焊接半結晶性塑料及更易于遠場焊接。與其他摩擦焊接方法一樣，高熔點材料需要輸入更高能量，因而焊接時間更長。添加劑，如硅酮和其他潤滑劑會降低材料的摩擦因素，使焊接變得困難。增強塑料焊接難易程度與未增強塑料的相同。如果填料降低摩擦因素，有時必須增強焊接壓力以減少有效焊接時間。填料對焊縫強度也有影響。例如：質量分數高于30%的填料，界面處可用于焊接的聚合物量減少，焊縫強度會降低。而且，由于纖維增強物不跨過結合線，所能得到的焊縫強度是未增強樹脂的強度。因此，必須通過增加焊縫面積來加以補償。填料和表面污物，如脫模劑是影響焊縫和可重復性的兩個因素。旋轉焊接比超聲波焊接對污物的寬容度要高，也較少受到吸濕性聚合物額影響。含水量可能引起氣泡的生產，導致焊縫強度降低。顏料對旋轉焊接的影響很小。
硬度高的工件，如聚碳酸酯或乙縮醛需大的轉矩使塑料開始熔化。一般旋轉焊接軟塑料大工件比硬塑料工件容易。直接驅動旋轉焊接轉速較低會限制某些軟塑料的接頭強度；而慣性旋轉焊接轉速較高，通常能提高硬度低的材料，如聚乙烯和聚丙烯的接頭強度，所以更適合于較軟塑料。
就不同熔點的異種材料的焊接而言，熔點相差越大、焊接越困難。有可能只在表面形成機械粘合，接頭強度較低。這時可能需要特殊的接頭型面和使用很高的焊接壓力。通過設計下部凹陷的焊接接頭，低熔點的聚合物流入下部凹陷，產生機械結合。旋轉焊接工件無需具有超聲波焊接時的化學相似性。就材料相容性而言，旋轉焊接更類似于振動焊接。聚乙烯與聚丙烯旋轉焊接密封機械接頭能經受0.2MPa的壓力。這種接頭超聲波焊接時難以實現的。
旋轉焊接頭的設計
焊接頭設計時旋轉焊接塑料零件設計的關鍵因素。接頭焊接區(qū)域應大于工件的典型壁面，工件間必須對準。待焊工件必須由圓軸，如球體、圓柱、盤、環(huán)等和驅動部分，便于旋轉，如下圖
下圖1為簡單對接接頭，對接接頭是簡單的接頭設計，僅用于終零件中焊接飛邊可接受的場合。在某些情況下，在焊接區(qū)域增加零件壁厚已獲得更大的接頭強度和零件剛性（下圖2），為去除可見區(qū)域的焊接飛邊，可增加溢料槽。
下圖為飛邊位置可控的兩種簡單的對接接頭設計。左側顯示飛邊控制在焊接零件內部，上工件的內臺階高于下工件的外臺階，因而熔化時，內臺階首先熔化，材料轉移到工件內部。在足夠的材料熔化后，上下工件的外臺階發(fā)生接觸，但不會焊接在一起。該設計的焊接區(qū)域只占工件壁厚的一半。如果焊接強度是100%的母材強度，那么接頭強度只有母材強度的50%。
下圖為簡單剪切接頭設計；
下圖為帶法蘭的剪切接頭設計；
下圖為尼龍剪切接頭設計。
下圖為工件自動定心的簡單對接接頭設計。使用斜槽或錐形面焊前定位工件及在焊接過程中自動定心工件。這些特殊接頭設計增加界面處焊接表面積，降低對該區(qū)域更厚壁面的要求。這些設計并不包含溢料槽。
下圖為幾種包含零件對準、自動定心、溢料槽和延遲焊接區(qū)域的接頭設計。圖a是簡單的形式，不包含溢料槽，但邊緣有一個非標流入的小凹口。飛邊與工件外表面齊平，且憨厚可見。焊前工件之間間隙約為0.1倍的壁厚。為防止焊接過程中自鎖，角度b不應小于30°，焊接面總長度c+d應≥2.5倍的壁厚，以確保獲得足夠的接頭強度�？商砑蛹訌娊畹焦ぜ谝蕴岣邉偠�。在圖b所示的接頭設計中，兩工件都有一個模塑的溢料槽。在工件焊接時結合線可見，但飛邊不可見。溢料槽的尺寸必須足以容納從焊接界面擠出的塑料。考慮到可能過焊，是比必需的空間稍大。圖c是側緣設計，飛邊在槽中，結合面隱藏在側緣下。
旋轉焊接特點
旋轉焊接的優(yōu)點是簡便、能量效率高、質量好、成本低、能焊接的材料光（適用于絕大多數熱塑性塑料及某些異種塑料）、生產率很高（大部分工件的焊接時間只有幾秒）、焊縫不引入外加材料，無需考慮環(huán)境因素等。旋轉焊接非常適用于獲得比母材自身強度高的耐壓密封接頭。由于加熱局限于焊接界面，很少產生過熱，冷卻時間又短，非常適合于自動化流水線，多頭自動裝置每分鐘可焊接300個零件。旋轉焊接可焊接大斷面（現已焊接的直徑工件為1100mm），對長而高的工件，旋轉焊接優(yōu)于超聲波遠場焊。工件可以是任何形式，只要所需焊接的配合面試圓形的即可。優(yōu)于界面處發(fā)熱量取決于相對表面速度，圓形零件外緣直徑更大，表面速度更大，因而溫度更高。這回造成溫差，在接頭中產生內應力。為減輕這種影響，有空心截面和薄壁的接頭更可取。旋轉焊接工件必須能相對另一個工件自由旋轉。如果焊機無法停止旋轉于精確位置，則焊后需特定取向的工件不適宜旋轉焊接。
旋轉焊接應用
旋轉焊接早用于制造充液羅盤。汽車行業(yè)應用包括：灌、瓶、閥、燈、過濾器、濾杯（濾罩）、空氣導管、加油管、彎頭的焊接、擠壓棺材與燃油濾清器模制件的連接、三都平軟管與聚丙烯進氣管的焊接等。器械行業(yè)應用包括：閥門、偏流器、真空吸塵器罩、洗衣機彎管、冰箱濾水器、果汁與蘇打冷飲機分路器等焊接。其他應用包括：深水浮標、聚乙烯浮球、浮筒、化油器浮子、止回閥、彈出式灌水栓、油漆罐蓋、噴霧罐、氣霧瓶、傳動軸、蓄氣筒、滅火器、吹塑聚乙烯瓶、化妝品容器、丁烷打火機、飲料杯、保溫杯、隔熱碗、注射器、水罐等焊接。旋轉焊接還用于塑料管道，如聚乙烯管或聚氯乙烯管的焊接與修補。旋轉焊接可用于結構件的組裝，如容器頂部和底部的焊接，還可用于螺柱與塑料零件的連接。
旋轉焊接故障處理（下表）
| 問題 | 現象 | 可能原因 | 解決方法 |
| 過焊 | 焊接飛邊過多 | 焊接時間過長或焊接長度過長 | 減少焊接時間或長度 |
| 焊件尺寸太小 | 溢料槽設計不當 | 評估和糾正溢料槽設計 | |
| 欠焊 | 焊縫強度低 | 焊接時間或焊接長度過短 | 增加焊接時間或焊接長度 |
| 焊件尺寸太大 | 摩擦因數較低，材料難以焊接 | 去除脫模劑，清楚結合面油污或更換材料 | |
| 焊接接頭不均勻或不一致 | 焊接飛邊過多 焊縫強度低 泄露試驗時破壞 使用過程中零件失效 |
零件彎曲 | 檢查零件尺寸 |
| 焊件接觸面不平 | 檢查成型工藝條件 | ||
| 夾具和工件不平行 | 必要時調整夾具 檢查工裝 |
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| 夾具中工件錯位 | 改變工件或工裝尺寸 調整由型腔產生的零件公差 |
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| 夾具支撐不足 | 檢查焊接過程中工件移動情況 在工件中配備旋轉驅動零件 |
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| 焊接過程中工件壁彎曲 | 重新設計帶加強筋的工件 | ||
| 填料過多或不均勻分布 | 降低填料量 調整工藝條件確保填料均勻分布 |
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| 工件中有水分 | 防止焊前模塑成型后吸收水分 焊前烘干工件 |
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| 工件終方向與預計方向不同 | 工件定位不準 | 減速太慢 | 盡快減速 |
| 上升速度過快 | 減速以降低所需扭矩 | ||
| 參數整定欠佳 | 確認并正確輸入工具慣性 | ||
| 夾具沒有加緊工件 | 確保工裝不允許過量竄動 |
旋轉焊接時一種用于組裝圓形結合面塑料工件的摩擦焊接方法。它通過摩擦力提供界面處的熔化熱。焊接過程中施加足夠的壓力擠出少量的樹脂飛邊及過量氣泡。
工件旋轉焊接前，必須考慮一下方面：1)材料種類及開始發(fā)粘的溫度；2)工件直徑；3)飛邊產生的量及飛邊的處理。
旋轉焊接成功焊接額因素：工件旋轉速度的確定，工件旋轉時驅動器適當的壓力。接頭焊接區(qū)域應大于工件的典型壁面，工件間必須對準。待焊工件必須由圓軸和驅動部分，便于旋轉。
旋轉焊接的優(yōu)點：簡便、質量高、能焊接材料廣、生產率高、可焊接大斷面、焊縫不引入外加材料。密封性能是旋轉焊接的重要特點。但旋轉焊接限于有圓形結合面的工件。
以前的旋轉焊機較簡陋，對速度、作用力或位移控制精度較低�，F金的旋轉焊機已使用傳感器、伺服電機、微處理器對旋轉焊接過程進行很好的控制：可預先確定速度、加速度、減速度、位移、焊接時間和保壓時間，還可編制焊機程序，使工件停在特定的位置。隨著現代科技的進步，旋轉焊接在各種塑料圓形接頭中發(fā)揮了越來越重要的作用。
