双伺服热板焊接技术的工艺论证

 王少伟 ,张丽乾 ,田生权 ,伍先水 ,陈温游 ,刘永生

温州市润新机械制造有限公司，温州，325000

摘要：水处理系统用多功能控制阀“润新阀”（以下简称控制阀），是一种采用工程塑料为主要原材料，经注塑、热板焊接、机加工、装配的加工工艺完成。大阀由于零件大、结构复杂，无法通过注塑模具一次成型，需要将两个或两个以上的零部件结合在一起。若采用密封件、紧固件连接的方式，成本高、加工效率低。所以热板焊接成为首选的工艺，两个工件经过加工保证平面度，然后进行加热，达到材料的熔化状态，再施加一定的压力来达到互相焊接效果，确保密封性能和连接强度。自2012年公司开始使用热板焊接工艺，使用期间出过多次不合格问题，强度爆破，循环测试达不到工艺要求。本文着重总结伺服焊接机（特殊工序）的工艺过程及应用。

关键词：润新阀；热板焊接；连接强度；伺服热板焊接机；温度控制分析；热熔层控制；固化层控制

引言

    温州市润新机械制造有限公司自主研发的陶瓷硬密封的水处理系统用多功能控制阀“润新阀”，采用端面密封专利技术，将各流道需要的功能集成在端面密封片上，有两片（或两片以上）带有多个通孔或盲孔且具有极高平面度的陶瓷片与复合材料片平面相贴合，呈平面圆周布置。动片按程序进行同一中心旋转，从而实现各工位控制水流的功能。凭借其高性价比、质量好、很少维修，广泛在家用、商用、工业用水处理系统中应用，大型号、大流量的控制阀也越来越受到青睐。但大的控制阀零件大、结构复杂，无法通过注塑模具一次成型，需要将两个或两个以上的零部件结合在一起。公司经长期的摸索、工艺验证，将热板焊接工艺成功的应用到控制阀生产制造过程。

1双伺服热板焊接机

    热板焊接技术应用广泛，原理上讲，加热到一定温度能熔融而又不会分解的聚合物都可以用热板焊接工艺来焊接，适合于较大面积焊接面的塑料件的焊接，以及较软的复合材料；

一般用平面电热板将需焊接的两平面熔融软化后，迅速移去电热板，合并两平面并加力至材料冷却，粘结牢固。这种焊接装置简单，但操作前，必须确定热板温度，加热时间，加热压力，切换时间，焊接压力及冷却时间等参数，各参数的取值及如何保证各参数的稳定性，还有诸多问题；

1)熔融的树脂会沾附到电热板上且不易清理，时间长了碳化形成杂质影响粘接强度；

2)实际热板表面各处的温度与理想温度是有差别的，温度的取值，如何保证电热板温度恒定及其均衡；

3)需要严格控制热熔层厚度和固化厚度；保证适当的熔融量；

4)控制好热熔时间和冷却时间；

图1：焊接过程示意图

1加热阶段，电热板对焊接位置进行加热           2.热板退回              3. 压紧密封阶段

                                 

2电热板的清理

   将益君在中国高新技术论坛，关于热板焊接材料及工艺中说到，热板焊接的优点：塑料焊接可产生粘合稳固的接缝，其机械特性接近母体材料；但也有弊端:不能高速焊接，不能同时焊接多个部件，在生产时废气会对环境产生污染，焊接过程不够清洁和稳定，容易带入杂质，在粘合部件时，易造成焊接不稳定，达不到高密封的效果，且焊接面不光滑，即焊接面清洁至关重要。

    老工艺是产品直接接触电热板，每做完一只产品，要用刮刀清理沾附到电热板的树脂，不但耗时还有烫伤安全隐患，也没办法清理干净，长时间受热形成碳化物，产生废气也很多。

    新工艺采用热熔布与电热板隔断，产品不直接接触电热板，滚筒式设计自动转位，每焊完一只产品后热熔布自动转位将沾附在上面的树脂带走，如此循环保证了电热板的清洁，理论上是没有沾附树脂的可能性，融化树脂没有长时间受热，产生的废气少了很多,不用人工清理更安全，熔化树脂沾附电热板的问题得到了很好的解决。

3电热板温度控制与取值

     实际电热板各处的温度是有差别的，在加热的过程中由于能量的传递，受季节变化，环境温度湿度等影响，从（图2）可以看出电热板内部温度远高于表面实际温度，中间位置（点5）温度高于4周温度，作用于产品的温度且还要底，热板与焊件接触的加热面温度不可能达到理论设置温度，但可以空制在一定的波动范围；设备设置温度为320度，通过4月-11月实测温度100笔数据分析得出（图2），得出实际温度在280±30℃范围；从最近27批次5949只产品，23次爆破实验，24次循环实验的结果焊接处完好，温度取值区间较大，对产品影响较小，证明实际温度控制在280±30度范围是可行的。

     上海科学技术文献“塑料性能使用手册”提到，ABS注射时的物料温度控制在210～240℃ ，高赖热型ABS为240～270℃，ABS还可以在320～380℃压延辊上压延成1.5mm的片料或在200～215℃ 时吹塑成型。

    表明 ABS可以在380℃以下进行加工的，我们局部最高温度315℃，还远低于 380℃，也证明是可取得。               

图2：电热板测温点

4固化层深度与温度范围取值的影响

    实验：取F98阀体为例，上下模热熔深度均为0.5mm，热熔时间23s，合模固化深度上下模各1.0mm，冷却固化时间30s，总压缩量3.0mm，以上参数不变，温度设置依次为300℃，320℃，340℃，然后再依次将固化深度设为0.4mm,0.7mm,1.0mm作比较，结果得出：

    标准要求：爆破2.5Mpa，保压3-5秒；循环0-0.75Mpa，循环30000次，循环1次≤5s；

设置温度	热熔时间	热熔深度	固化深度	爆破	循环	阀体型号
300℃	23s	0.5mm	1.0mm	合格	48700次停止	F98
320℃	23s	0.5mm	1.0mm	合格	38900次停止	F98
340℃	23s	0.5mm	1.0mm	合格	46500次停止	F98
320℃	23s	0.5mm	0.4mm	不合格	没做	F96
320℃	23s	0.5mm	0.7mm	不合格	没做	F96
320℃	23s	0.5mm	1.0mm	合格	30600次后阀体裂	F96

    从上表与（图2）数据分析，温度取值范围空间较大280±30，质量没有明显的差别（还待更多实验证明）；固化深度用0.4mm.0.7mm.1.0mm其他参数不变作比较，0.4mm.0.7mm 强度达不到工艺要求，1.0mm能达到爆破.循环要求，表明固化深度直接影响产品质量，从外观看热熔层厚度决定了加热卷边的高度和焊接后卷边的总高度； 目前工艺：上下模热熔深度均为0.5mm，上下模温度285℃±15热熔时间23S（根据焊接面大小而定），通过产品的传热软化层＜1mm，合模固化深度上下模各1mm，冷却固化时间30s，最终压缩总高度3mm，焊线卷边≈3mm X 5mm均匀比较美观，质量可控。

4月-11月实验结果

实验	批次	合格次	不合格次	原因
爆破	24	19	5	3次是4.16日工艺测试阶段； 2次阀体裂开
循环	23	12	11	均为阀体裂开

5结论

    为了验证以上各参数所确定的工艺条件适用性，必须了解材料的热学数据，并较准确的控制焊接中的温度范围.热熔.固化深度.时间等。从4月-11月27批次5949只产品，24次爆破实验，23次循环实验结果焊接处完好，证明目前的各焊接参数是可行稳定的；ABS

材料焊接温度取值范围较大，但控制在较小范围质量更稳定，因为热板焊接的前提条件是热熔，焊件焊接表面及其一定深度范围内的塑料至少必须加热至其热熔温度，形成熔融区，

根据实测温度来看，设备可以空制在30℃范围内，受环境其它因素影响，应当适当调整设置温度，保证实测温度280±15℃即可；从实验不合格结果看爆破2次，循环11次都为阀体本体裂开，得出在适宜的焊接参数条件下，焊接强度不低于母料强度。

与老的热板焊机作对比，为什么以前质量不稳定，原因有下几点：

1)温度控制并无差别，新老设备都能达到30℃以内。

2)热板的清理，老焊机要人工用刮刀清理，清理不干净，时间长形成碳化物；新焊机不存在碳化物影响。

3)固化深度，老设备用气缸控制，并无定位装置，受气压波动，无法精准控制固化深度，新设备用伺服控制，固化深度是很精准的。

4)阀体本身流痕问题，焊接会鼓包，F112阀体焊接面需要加工1mm才能焊接牢固。

5)综合来看，焊接质量主要因素在于固化深度，夹杂在焊接面的碳化物，阀体本身强度，温度等，各参数适宜的情况下，为保正质量，每批次做实验，周期较长不方便，根据经验判断，看卷边高度形状，来估计软化深度和加热程度，虽然能判断一些问题不够科学，为了更直观.更方便更快捷地控制好各参数，建议做一个控制模块，以记录的数据与理论做基础，操作人员将实测数据输入模块，能够直观看到温度曲线图，自动计算设置温度因调整值等其他功能，数据储存起来提供分析，减少操作人员频繁记录计算等等。

参考文献：

[1] 冯敏.现代水处理技术（第2版）[M].北京：化学工业出版社，2012:50-56.

[2] 伍孝荣，伍先水，杨润德，原海林.一种全自动水处理控制装置[P].中国，2007：ZL200720045551.5. 2015100232499.一种控制阀 F92/F97/F105/F116/F117/F130（再生时有硬水旁通的阀）.

[3] 刘朝福.注塑成型使用手册[M].北京：化学工业出版社，2015:45-47,66-67,135-140.