CN106564195A - 一种塑料合件旋转焊接参数的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种塑料合件旋转焊接参数的设计方法，具体步骤为：S1，运用正交回归实验设计对旋转转速N、熔接压力p、旋转圈数R三个焊接参数与对应摩擦面温度θ的关系进行实验设计，获取焊接参数与摩擦面温度θ的预测模型；S2，获取塑料合件的材料熔点；S3，将预测模型与材料熔点结合，保证预测模型的摩擦面温度θ在材料熔点范围内，建立焊接参数与材料熔点的耦合模型；S4，运用耦合模型并结合实际需求完成焊接参数的选择。按照以上步骤可以得到焊接质量优良的旋转焊接件，同时，可以缩小加工工艺参数组合的选择范围，减少试验次数，节省时间，焊接质量高，为焊接系统的自动化提供了技术支持。

Description

一种塑料合件旋转焊接参数的设计方法
技术领域
本发明涉及旋转焊接加工技术领域，尤其涉及一种塑料合件旋转焊接参数的设计方法。
背景技术
旋转焊属于摩擦焊的范畴，塑料旋转焊与金属的摩擦焊类似。在旋转焊过程中，待焊零件在轴向力作用下，相对高速旋转摩擦，产生的摩擦热引起塑料加热和熔化。在相对运动停止后，熔化的塑料在压力焊缝处逐步凝固。旋转焊接过程可分为4个阶段：(1)第1阶段，两固体表面之间通过旋转摩擦产生热量，界面区域升温至结晶性塑料的熔点或非结晶性塑料的玻璃化转变温度；(2)第2阶段，界面材料开始熔化。随着熔液厚度增加，部分熔融材料作为飞边挤出接头；(3)第3阶段，熔融材料产生的速率等于材料作为飞边移开的速率。一旦到达该阶段，通过摩擦或制动装置停止驱动头旋转。1-3阶段的时间为0.5-2.0s；(4)第4阶段，驱动头停止旋转，工件在预置压力下结合在一起以确保熔液表面之间的紧密接触。接头冷却形成永久连接。第4阶段时间是1.0-2.0s。
在塑料旋转焊接过程中，焊接参数的选取是影响焊接质量至关重要的一部分，其随着塑料的种类、焊接机的规格以及产品的结构不同而不同。传统旋转焊接参数的确定方法是通过试错法对焊接参数进行不断的调试，直到调试出符合焊接要求的产品，该方法虽然直接，但是费时费力，同时也会对资源造成极大的浪费，此方法并不可取。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种塑料合件旋转焊接参数的设计方法。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术措施：
一种塑料合件旋转焊接参数的设计方法，包括以下步骤：S1，运用正交回归实验设计对旋转转速N、熔接压力p、旋转圈数R三个焊接参数与对应摩擦面温度θ的关系进行实验设计，获取焊接参数与摩擦面温度θ的预测模型；S2，获取塑料合件的材料熔点；S3，将预测模型与材料熔点结合，保证预测模型的摩擦面温度θ在材料熔点范围内，建立焊接参数与材料熔点的耦合模型；S4，运用耦合模型并结合实际需求完成焊接参数的选择。
本发明还可以通过以下技术措施进一步完善：
作为进一步改进，所述预测模型为：θ＝β0+β1N+β2p+β3R+β4Np+β5NR+β6pR+β7N2+β8p2+β9R2。
作为进一步改进，采用二次正交回归实验设计对所述旋转转速N、所述熔接压力p、所述旋转圈数R三个焊接参数与对应所述摩擦面温度θ的关系进行实验设计。
作为进一步改进，所述实验在塑料旋转焊接机上进行。
作为进一步改进，所述旋转转速N的范围为1000-3000r/min，所述熔接压力p的范围为0-6MPa，所述旋转圈数R的范围为12-28。
作为进一步改进，在步骤S2中，通过DSC实验，获取所述塑料合件的材料熔点。
作为进一步改进，所述旋转焊接参数的耦合模型为：
θ1≤β0+β1N+β2p+β3R+β4Np+β5NR+β6pR+β7N2+β8p2+β9R2≤θ2，其中，θ1为最低熔融点，θ2为最高熔融点。
作为进一步改进，在步骤S4中，运用耦合模型并结合焊缝所能承受的压强完成焊接参数的选择。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
通过正交回归试验设计方法建立摩擦面温度预测模型，采用差示扫描量热法(简称DSC)实验获取材料熔点，再以旋转摩擦焊接机确定了焊接参数的耦合模型，并依此进行旋转焊接参数设计。该方法可以得到焊接质量优良的旋转焊接件，同时可以缩小加工工艺参数组合的选择范围，减少试验次数，节省时间，焊接质量高，为焊接系统的自动化提供了技术支持。
附图说明
附图1是本发明一种塑料合件旋转焊接参数的设计方法的流程图。
附图2是本发明一种塑料合件旋转焊接参数的设计方法的材料熔融点示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
请参照图1至图2，一种塑料合件旋转焊接参数的设计方法，包括以下步骤：S1，运用正交回归实验设计对旋转转速N、熔接压力p、旋转圈数R三个焊接参数与对应摩擦面温度θ的关系进行实验设计，获取焊接参数与摩擦面温度θ的预测模型；S2，获取塑料合件的材料熔点；S3，将预测模型与材料熔点结合，保证预测模型的摩擦面温度θ在材料熔点范围内，建立焊接参数与材料熔点的耦合模型；S4，运用耦合模型并结合实际需求完成焊接参数的选择。
本发明通过正交回归试验设计方法建立摩擦面温度预测模型，采用DSC实验获取材料熔点，再以旋转摩擦焊接机确定了焊接参数的耦合模型，并依此进行旋转焊接参数设计。该方法可以得到焊接质量优良的旋转焊接件，同时可以缩小加工工艺参数组合的选择范围，减少试验次数，节省时间，焊接质量高，为焊接系统的自动化提供了技术支持。
根据旋转焊接原理：在旋转焊过程中，待焊零件在轴向力作用下，相对高速旋转摩擦，产生的摩擦热引起塑料加热和熔化，并在压力的作用下使熔化的部分互相渗透、凝固形成焊缝。为得到性能优良的焊缝，第一步就要保证两塑料合件在旋转焊接过程中摩擦面的充分熔化。
基于以上考虑，为保证塑料合件在旋转焊接过程中摩擦面的充分熔化，首先，选取旋转焊接参数中对所述摩擦面温度θ影响最大的所述旋转转速、所述熔接压力、所述旋转圈数三个参数，应用正交回归分析建立参数与所述摩擦面温度θ参数的所述预测模型，实施例中，所述参数与所述摩擦面温度θ的预测模型为：
θ＝β0+β1N+β2p+β3R+β4Np+β5NR+β6pR+β7N2+β8p2+β9R2。其中，θ为摩擦面温度，N为旋转转速，p为熔接压力，R为旋转圈数。
实施例中，通过DSC实验，获取所述塑料合件的材料熔点。这样，通过进行DSC实验，可以获得所述塑料合件的熔融范围[θ1，θ2]。通过建立焊接参数与材料熔点的所述耦合模型，所述耦合模型为：
θ1≤β0+β1N+β2p+β3R+β4Np+β5NR+β6pR+β7N2+β8p2+β9R2≤θ2，其中，θ1为最低熔融点，θ2为最高熔融点。
实施例中，采用二次正交回归实验设计对所述旋转转速N、所述熔接压力p、所述旋转圈数R三个焊接参数与对应所述摩擦面温度θ的关系进行实验设计。
实施例中，所述实验在长荣EGP-3P塑料旋转焊接机上进行，在其他条件不变的情况下，机台操作面板上影响摩擦面温度θ的可调整工艺参数包括所述旋转转速N、所述熔接压力p和所述旋转圈数R。所述旋转转速N的范围为1000-3000r/min，所述熔接压力p的范围为0-6MPa，所述旋转圈数R的范围为12-28。
为了解决不同量纲的变量在实验设计和分析研究时带来的影响，进行编码变换，将自变量的变化范围转换为[-1，1]，同时通过正交变化消除因素间干扰，所用编码表达式如下：
Zoj＝(Z1j-Z2j)/2
Δj＝(Z2j-Zoj)/r
Xij＝(Zij-Zoj)/Δj
其中，Zoj为零水平，Z2j为上水平，Z1j为下水平，Δj为间隔，Xij为水平量，查表得r＝1.215。编码后的因素水平如表1所示(表中Δ是因素的间隔)：
表1
选取合适正交表，将编码水平按表2所示进行排列进行实验，找到不同参数下的摩擦面温度θ。表2为摩擦面温度θ二次回归正交组合实验数据表：
表2
依照表2中顺序，按照方法测量摩擦面温度θ并将获得的响应值分别填入对应的表格中。对表2中的实验数据进行处理，可得回归方程，进一步将编码空间转换到自然空间，整理后得到所述旋转转速N、所述熔接压力p和所述旋转圈数R对摩擦面温度θ的二阶响应曲面模型为：
θ＝225.0934+0.017N+75.5056p+17.5449R+0.0004Np+0.0003NR-
1.1974.pR+8.4980×10-7N2-5.0102p2-0.2525R2
据所得的温度、热流随时间变化的数据，运用OriginLab软件作出的DSC曲线图，并采用ICTA推荐的方法，运用OriginLab软件对DSC曲线进行分析，找出基线并寻出峰的位置，最后测出材料的熔融吸热蜂，如图2所示，图中B点是起始温度θi，C点是峰顶温度θP，D点是终止温度θp。其中，θi＝208℃，θP＝232℃，θp＝258℃。
当温度加热到208℃时，即B点的位置，DSC曲线的热流开始突变，作为吸热峰的起点，表明此时刻材料开始因熔化而吸热；接着DSC曲线迅速下降，当温度达到232℃时，出现吸热峰的极大值点，即C点的位置，此时材料完全开始熔化；随后DSC曲线上升，当温度达到257℃时，到达峰的外推终止点的D点位置，熔化逐渐终止。
将所述预测模型与所述材料熔点结合，保证所述预测模型的所述摩擦面温度θ在材料熔点范围内，建立焊接参数与材料熔点的所述耦合模型：
所述运用耦合模型并结合实际需求完成焊接参数的选择的步骤，实施例中，运用耦合模型并结合焊缝所能承受的压强完成焊接参数的选择。
为验证基于所述耦合模型的参数设计的有效性与正确性分别选取三组焊接参数组合在所述预测模型中达到熔点以上与三组焊接参数在熔点以下的焊接参数分别进行焊接，并进行高压试验，实验结果如表3所示：
表3
表3的实验数据可以得到结论：在焊接参数组合所确定的所述摩擦面温度θ理论值达到材料熔点以上的三组数据看出，焊缝所能承受的压强均在14MPa以上，完全超过标准规定；而在焊接参数组合所确定的摩擦面温度理论值未达到材料熔点的三组数据其焊缝所能承受压强在6MPa以下，结果远远小于前面三组。由此可以看出，基于回归正交参数设计是有效的。
综上所述，通过正交回归试验设计方法建立摩擦面温度预测模型，采用DSC实验获取材料熔点，再以旋转摩擦焊接机确定了焊接参数的耦合模型，并依此进行旋转焊接参数设计。该方法可以得到焊接质量优良的旋转焊接件，同时可以缩小加工工艺参数组合的选择范围，减少试验次数，节省时间，提高焊接质量，为焊接系统的自动化提供了技术支持。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种塑料合件旋转焊接参数的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，运用正交回归实验设计对旋转转速N、熔接压力p、旋转圈数R三个焊接参数与对应摩擦面温度θ的关系进行实验设计，获取焊接参数与摩擦面温度θ的预测模型；
S2，获取塑料合件的材料熔点；
S3，将预测模型与材料熔点结合，保证预测模型的摩擦面温度θ在材料熔点范围内，建立焊接参数与材料熔点的耦合模型；
S4，运用耦合模型并结合实际需求完成焊接参数的选择。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述预测模型为：θ＝β0+β1N+β2p+β3R+β4Np+β5NR+β6pR+β7N2+β8p2+β9R2。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，采用二次正交回归实验设计对所述旋转转速N、所述熔接压力p、所述旋转圈数R三个焊接参数与对应所述摩擦面温度θ的关系进行实验设计。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述实验在塑料旋转焊接机上进行。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述旋转转速N的范围为1000-3000r/min，所述熔接压力p的范围为0-6MPa，所述旋转圈数R的范围为12-28。
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在步骤S2中，通过DSC实验，获取所述塑料合件的材料熔点。
7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述旋转焊接参数的耦合模型为：θ1≤β0+β1N+β2p+β3R+β4Np+β5NR+β6pR+β7N2+β8p2+β9R2≤θ2，其中，θ1为最低熔融点，θ2为最高熔融点。
8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在步骤S4中，运用耦合模型并结合焊缝所能承受的压强完成焊接参数的选择。
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