張勝玉

（廣州市特種設(shè)備行業(yè)協(xié)會）

塑料焊接技術(shù)連載（二）

塑料感應(yīng)焊接技術(shù)（下）

張勝玉

（廣州市特種設(shè)備行業(yè)協(xié)會）

（上接《塑料包裝》2015年第4期）

6 ．感應(yīng)焊接接頭設(shè)計

接頭設(shè)計是開發(fā)新應(yīng)用的高交互過程。典型的設(shè)計流程包括材料相容性初步試驗(yàn)、概念布局與建立三維實(shí)體模型、對實(shí)驗(yàn)室壓制機(jī)中的原型零件進(jìn)行設(shè)計驗(yàn)證以及對生產(chǎn)工裝中的生產(chǎn)件的工業(yè)化生產(chǎn)過程進(jìn)行驗(yàn)證。典型的接頭設(shè)計如圖7-11所示。

平面-平面接頭

這是最簡單的設(shè)計，用于連續(xù)焊接作業(yè)或焊合線較長的零件。該接頭僅產(chǎn)生結(jié)構(gòu)焊縫，可用于熱成型件、板件、點(diǎn)焊等。植入物可用圓的、扁平的或帶狀型材。

圖7 平面-平面接頭

圖8 平面-凹槽接頭

平面-凹槽接頭

平面-凹槽接頭確保焊縫的精確定位和植入物的密封。用于植入材料需自動伸進(jìn)結(jié)合面的場合。它能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)焊縫和有限密封焊縫，可用于平直零件裝配、圓盤、壓力密封等。植入物可用圓的、扁平的或帶狀型材。

榫槽接頭

榫槽接頭適用性最廣，能獲得最高強(qiáng)度焊縫。植入物密閉在接頭中，能夠產(chǎn)生氣密封接和耐壓密封及外形美觀的焊縫。榫槽剪切接頭是使用最廣的接頭設(shè)計。該設(shè)計適用性好，具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）具定位功能2）接頭預(yù)接合，組裝簡便3）物理止動（physical stop）保障連接件的相對位置4）植入物在接頭內(nèi)定向流動5）由于最終接頭強(qiáng)度隨界面結(jié)合面積而變化，榫槽剪切接頭一個很大的優(yōu)點(diǎn)是能在薄壁接頭內(nèi)提供較大的界面結(jié)合面積。普通的榫槽接頭如圖9所示，植入物用圓型材。高壓榫槽接頭如圖10所示，用于大型模制件的長剪切接頭，植入物用片材或帶材。

階式接頭

階式接頭能適應(yīng)較大的零件收縮變化，產(chǎn)生高壓密封接頭。該設(shè)計利用小型圓柱形模制件中的有限剪切高度空間。植入物可用1．27mm厚的片材或帶材。

適當(dāng)?shù)慕宇^形狀和尺寸是感應(yīng)焊接零件設(shè)計的重要考慮事項。接頭形狀和高頻線圈空間布置之間的相互關(guān)系決定能量從高頻線圈傳遞至接頭處電磁材料的總效率。結(jié)合線應(yīng)相對于外壁均勻布置。這一點(diǎn)對于保證耦合距離（即工作線圈與結(jié)合線之間的距離）恒定必不可少。接頭本身應(yīng)盡可能規(guī)則，最好是環(huán)狀或圓柱形的。不規(guī)則形狀的接頭需要更復(fù)雜和更昂貴的工作線圈且難于均勻加熱。接合線應(yīng)盡可能靠近線圈。應(yīng)避免采用阻礙工作線圈靠近接合線的外部突緣、突出部或其它不規(guī)則物?？梢圆捎檬柜詈暇嚯x可能達(dá)25mm的特殊反射線圈。但反射線圈需要開發(fā)，成本更貴，工作效率不及貼身線圈。圖12闡明了上述原則。

圖9 普通榫槽接頭 圖10 高壓榫槽接頭

圖11 階式接頭

接頭設(shè)計應(yīng)考慮熔化電磁材料的流動。熔化電磁材料會沿著最小阻力的路徑流動并按設(shè)計填滿空隙或者填滿收縮或下凹表面。接頭應(yīng)盡可能設(shè)計成剪切接頭而不是剝離或?qū)咏宇^（見圖13）。在焊接薄板材料時，由于電磁材料的添加會造成厚度增加。增加量是微不足道的，取決于電磁材料的厚度和焊接過程中作用于接頭的壓力。

不同的接頭設(shè)計需要不同形狀的電磁材料。榫槽接頭在凹槽處放置模壓墊圈或擠壓線束，而平面-平面接頭需在兩表面之間放置帶材或擠壓線束。

圖12 感應(yīng)焊接頭設(shè)計準(zhǔn)則。

（a）原接頭不可達(dá)。改進(jìn)設(shè)計可達(dá)，形狀更規(guī)則。（b）原設(shè)計接頭形狀不規(guī)則使線圈制作和操作困難。

圖13 金屬絲或金屬薄片位于其中的感應(yīng)焊接頭設(shè)計成產(chǎn)生剪切應(yīng)力而不是剝離應(yīng)力

7 ．感應(yīng)焊接特點(diǎn)

由于感應(yīng)加熱只發(fā)生在界面處，熱量不必從外源或經(jīng)由母材傳至所需位置，所以焊接速度很快。焊接時間一般為1秒到30秒，如聚乙烯接頭的感應(yīng)焊可以只花短短的3秒鐘時間。自動焊接設(shè)備焊接速度可達(dá)每分鐘150個零件。因?yàn)闊崃恐辉谛枰牡胤疆a(chǎn)生，在零件主體中不產(chǎn)生熱應(yīng)力。由于位于接頭界面處的電磁材料熔化時，在壓力下流入空隙和不平整表面，可形成廢品率接近于零的可靠焊縫。所以感應(yīng)焊對零件尺寸和幾何形狀限制少，焊接表面可以相當(dāng)不規(guī)則及形狀比較復(fù)雜（如復(fù)雜形狀的三維接頭），能夠適應(yīng)不平整調(diào)節(jié)安裝。感應(yīng)焊適宜于長焊縫，能焊接大型零件（可一次焊接長達(dá)6．1m的熔合線），還可同時焊接多個小型零件（商業(yè)應(yīng)用的線圈已可同時焊接20條單獨(dú)的焊縫）。感應(yīng)焊的另一優(yōu)點(diǎn)是能夠沿接頭移動線圈以形成連續(xù)的焊縫。為了加工復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可以用機(jī)器人控制線圈。如果需要，焊后零件可以用同樣的設(shè)備打開以修補(bǔ)缺陷焊縫或打開組件用于內(nèi)部修理或者回收。感應(yīng)焊能夠形成所有熱塑性塑料及某些熱固性塑料（如SMC）的結(jié)構(gòu)密封或氣密焊縫，尤其適用于焊接高熔點(diǎn)塑料如現(xiàn)代工程塑料（典型的例子是許多汽車發(fā)動機(jī)罩零件）。某些不能用其他方法焊接的不相容材料（不論其熔化溫度如何）能夠用感應(yīng)焊連接。同粘接和鉚接接頭相比感應(yīng)焊獲得的接頭強(qiáng)度高出許多。感應(yīng)焊其它優(yōu)點(diǎn)包括：零件熱損傷、變形和過量軟化較少、熔化材料從結(jié)合線處擠出較少、可實(shí)現(xiàn)密封、容易通過調(diào)節(jié)電源功率進(jìn)行控制、母材不需預(yù)處理、粘合劑保存期限不受限制等。

感應(yīng)焊的主要缺點(diǎn)是感應(yīng)焊設(shè)備昂貴、植入物的額外費(fèi)用可能很高、工作線圈的優(yōu)化配置成本以及將植入物置于接頭處的附加裝配作業(yè)。此外植入物保留在接頭區(qū)域之中，直接影響接頭強(qiáng)度。

8 ．感應(yīng)焊接應(yīng)用

感應(yīng)焊用量最大的是無菌飲料盒的密封（盒壁中的鋁箔層通過感應(yīng)加熱熔化和密封低密度聚乙烯外層）。包裝行業(yè)其它應(yīng)用還有：化妝盒（聚乙烯與聚丙烯的焊接）、涂塑金屬蓋與塑料瓶的封接

汽車工業(yè)：由40%玻璃纖維氈增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料組成的旅行車貨廂地板和座椅靠背、玻璃填充的PA6注塑進(jìn)氣諧振器、30-33%玻璃纖維增強(qiáng)的尼龍6散熱器溢流箱、動力轉(zhuǎn)向儲液罐、三都平（熱塑性橡膠）／聚丙烯材料連接的方向盤氣囊袋、汽車尾燈、PBT熱塑性聚酯兩部分保險杠、聚碳酸酯汽車保險杠、汽車儀表板、汽車防撞箱形零部件、片狀模塑料（SMC）的焊接。

醫(yī)療設(shè)備：聚碳酸酯血液氧合器、動脈濾器零件

家用器具：蒸汽熨斗、洗碗機(jī)噴射水臂、聚丙烯水壺、30%玻纖增強(qiáng)聚丙烯反滲透水箱

電子工業(yè)：聚碳酸酯結(jié)構(gòu)泡沫計算機(jī)控制臺

其它應(yīng)用還有：玻璃纖維氈聚丙烯復(fù)合防風(fēng)門、交聯(lián)聚乙烯管的連接、金屬格柵與揚(yáng)聲器前部的焊接、高密度聚乙烯割草機(jī)護(hù)罩及燃料箱的焊接、高密度聚乙烯螺紋管件與吹塑圓筒的焊接等。

9 ．感應(yīng)焊接進(jìn)展

以前，非智能振蕩管高頻發(fā)生器反饋能力有限。現(xiàn)今美國Emabond公司開發(fā)出了帶易控制功率輸出裝置的新型固態(tài)高頻發(fā)生器，它能夠提供焊接過程控制和反饋并能精確控制作用于結(jié)合線處的能量。新型高頻發(fā)生器和功率輸出裝置采用復(fù)雜的高頻轉(zhuǎn)換技術(shù)提高客戶產(chǎn)品設(shè)計能力和過程控制能力。高頻發(fā)生器可編程，控制器提供自診斷和對焊接過程的多種控制能力。該新型高頻發(fā)生器已獲得FCC（美國聯(lián)邦通信委員會）和CE（歐盟）的批準(zhǔn)。優(yōu)點(diǎn)包括：精確控制結(jié)合線處的能量（包括功率級直線上升或功率脈沖調(diào)制）；對在焊接過程中靠近或留存在結(jié)合線內(nèi)的非塑料零件如金屬和精密電子元件加熱量最小或者不加熱；允許點(diǎn)焊和連續(xù)掃描結(jié)合線的移動電源程序包；更寬的總功率范圍；降低總成本。

以前的高頻電源輸出是一個靜態(tài)過程——在很多方面類似其它塑料焊接方法如超聲波焊和熱板焊等，在通過摩擦或外部熱源施加能量時工件通常在夾具中保持固定。易控制功率輸出裝置的出現(xiàn)允許工件在高頻能量均勻作用時在夾具中受壓下產(chǎn)生移動。電源可同焊件一起移動或者工件從固定高頻電源旁邊經(jīng)過。感應(yīng)焊變成了動態(tài)過程。新型固態(tài)高頻發(fā)生器完成了從靜態(tài)到動態(tài)焊接過程的提升。

感應(yīng)焊最新進(jìn)展集中于通過持續(xù)改進(jìn)植入電磁材料的性能、焊接設(shè)備、統(tǒng)計過程控制、接頭優(yōu)化設(shè)計等方面來最優(yōu)化增強(qiáng)塑料復(fù)合材料接頭的機(jī)械性能。感應(yīng)焊最廣泛用于聚烯烴，最近在承載或高強(qiáng)度應(yīng)用的工程塑料如尼龍6中使用量日益增加。汽車工業(yè)廣泛采用了玻纖增強(qiáng)尼龍基塑料，安全、耐用要求是最優(yōu)先考慮的問題。感應(yīng)焊技術(shù)在重載、承載汽車塑料件的設(shè)計中向汽車工程界證明了其有效性、適用性和獨(dú)特的能力。

10 ．結(jié)語

感應(yīng)焊通過與待焊零件結(jié)合線密切相符的高頻線圈施加高頻能量。置于結(jié)合線處的電磁材料吸收的能量直接在結(jié)合面處提供集中、可控的局部加熱。埋入聚合物基體材料中的鐵磁性顆粒吸收的電磁輻射引起感受器顆?？焖偌訜?。從鐵磁性顆粒至聚合物基體材料的傳導(dǎo)熱造成植入材料的蠕流（creeping flow）。在適當(dāng)壓力下，植入材料填滿接頭空穴。在施加足夠的壓力完全壓緊結(jié)合面且消除空隙時，植入材料與母材表面之間在熱傳導(dǎo)作用下形成分子鍵。待焊零件在連接過程中承受適度夾緊力是為了保證電磁材料的充分流動和冷卻過程中零件的密封。

感應(yīng)焊快捷、可靠，克服了其它一些連接方法固有的一些缺點(diǎn)。感應(yīng)焊對零件尺寸和幾何形狀限制少，唯一的要求是感應(yīng)線圈設(shè)計成能施加均勻的電磁場。感應(yīng)焊接大型或不規(guī)則形狀零件優(yōu)勢明顯。即使在表面不平整或零件之間公差較大的情況下，電磁材料能填滿結(jié)合面處的模制不平整或空隙以確保實(shí)現(xiàn)良好連接。感應(yīng)焊廢品率很低，即便出現(xiàn)缺陷焊縫，還可通過將已焊件置于電磁場中重熔進(jìn)行脫焊和重焊。感應(yīng)焊加熱僅發(fā)生在電磁嵌件接觸的地方，母材主體保持室溫避免降解或變形。感應(yīng)焊對溫度和濕度變化不敏感，較少依賴于待焊材料的性能如顏色或熔化溫度。感應(yīng)焊能夠形成所有熱塑性塑料及某些熱固性塑料的結(jié)構(gòu)密封或氣密焊縫，能產(chǎn)生可靠性好、強(qiáng)度高的耐壓密封接頭（如醫(yī)療設(shè)備）。組件中含有金屬零件時需要特別考慮。在接頭附近和磁場中的任何金屬也會發(fā)熱。如果這種情況無法避免，需專門設(shè)計工作線圈。感應(yīng)加熱線圈應(yīng)盡可能靠近接頭。對于復(fù)雜設(shè)計，線圈輪廓可與接頭相符。

感應(yīng)焊塑料零件的最佳機(jī)械性能取決于很多因素，包括零件總體設(shè)計、適當(dāng)接頭形狀的選擇、工作線圈的設(shè)計、電磁植入材料的成分和特性、焊接工藝規(guī)范的選擇等。

成功的感應(yīng)焊接方案需要優(yōu)化以下三個重要方面：

a）零件應(yīng)用設(shè)計、接頭設(shè)計及材料選擇。包括：內(nèi)部金屬件的焊接、機(jī)械留存附加內(nèi)部零件于結(jié)構(gòu)接縫內(nèi)、高溫?zé)崴苄运芰系暮附?、高玻璃含量增?qiáng)塑料的焊接、不規(guī)則形狀的均勻焊接等。

b）植入材料配方、外形和組件插入。包括：能配置成預(yù)制件的較廣范圍的熱塑性塑料，改善加熱效率、預(yù)制件形狀和熔化特性的高性能感受體顆粒。

c）設(shè)備設(shè)計與集成。包括：具易控制較寬范圍功率輸出裝置的高頻發(fā)生器、具數(shù)據(jù)采集的動力過程控制、允許長的不規(guī)則結(jié)合線展開的軟高頻電纜、同時焊接多條焊縫等。

感應(yīng)焊能焊接全系列工程塑料及難以用其它方法焊接的高填充復(fù)合物。隨著高強(qiáng)度和承載用途的工程塑料（增強(qiáng)塑料）使用量的顯著增長，感應(yīng)焊接正成為基礎(chǔ)設(shè)計和制造方法至關(guān)重要的一環(huán)。

［1］中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會．焊接手冊第2卷：材料的焊接（第3版）［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008，1155～1179．

［2］張勝玉．塑料焊接在汽車工業(yè)上的應(yīng)用［J］．塑料，2004，33（6）：89～94．

［3］張勝玉．熱塑性復(fù)合材料及其焊接［J］．纖維復(fù)合材料，2000，（4）：45～48．

［4］Flavio Caretto．Studying the“induction welding”process applied to thermoplastic-matrix composites．Energia，Ambiente e Innovazione，no．6，p．103-111，2011．

（完）