張勝玉

（廣州市特種設(shè)備行業(yè)協(xié)會(huì)，廣東 廣州510380）

0 前言

高頻焊（radio frequency welding），也稱介電焊（dielectric welding），是一種利用極性塑料在高頻電場(chǎng)作用下的介質(zhì)滯后損耗產(chǎn)生內(nèi)部發(fā)熱進(jìn)行焊接的方法。在快速交變電場(chǎng)中，極性基團(tuán)試圖與電場(chǎng)方向取向一致造成分子間摩擦和發(fā)熱。高頻焊具有焊接速率快、易于自動(dòng)化、焊縫強(qiáng)度高、外觀質(zhì)量優(yōu)、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于焊接塑料薄膜和薄板。高頻焊最常用于焊接PVC塑料，如醫(yī)療行業(yè)的靜脈滴注袋、包裝行業(yè)的透明塑料罩等。隨著塑料工業(yè)和加工技術(shù)的不斷發(fā)展，高頻焊在醫(yī)療、汽車、包裝、文具等行業(yè)獲得了愈來愈廣泛的應(yīng)用。

1 高頻焊原理

具有一定偶極矩（通常0.5德拜以上）的聚合物在高頻電場(chǎng)的作用下，極性分子按照與電場(chǎng)相反的方向排列，產(chǎn)生取向極化（偶極極化dipole polarization），即分子中的正電荷轉(zhuǎn)向負(fù)極，負(fù)電荷轉(zhuǎn)向正極。如電場(chǎng)方向發(fā)生改變，則電荷的移動(dòng)方向也隨之改變。當(dāng)外加電場(chǎng)頻率增加時(shí)，取向極化會(huì)滯后于電場(chǎng)變化而有相位差產(chǎn)生。相位滯后（phase lag）表明：完成偶極取向極化時(shí)需要克服分子作用所產(chǎn)生的阻力，而克服阻力需要消耗能量。這種能量的消耗，通常以一部分電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為熱能的形式放出。在高頻電場(chǎng)中偶極的頻繁取向使分子鏈頻繁振動(dòng)摩擦，塑料內(nèi)部發(fā)熱升溫直至熔融，在焊具電極壓力作用下相互結(jié)合在一起。高頻焊原理示意圖，如圖1所示。

圖1 高頻焊原理示意圖

高頻焊接時(shí)所消耗的能量（即塑料內(nèi)部所產(chǎn)生的熱量）不僅與塑料的體積有關(guān)，也與塑料在電場(chǎng)中的極化程度有關(guān)，可用式（1）表示：

式中：P為焊接時(shí)消耗的能量密度，W／cm3；E為材料中的電場(chǎng)強(qiáng)度，V／cm；f為電場(chǎng)頻率，Hz；ε為介電常數(shù)，系以絕緣材料為介質(zhì)與以真空為介質(zhì)制成同尺寸電容器的電容之比；δ為介質(zhì)損耗角，系對(duì)電介質(zhì)施加交流電壓，介質(zhì)內(nèi)部流過的電流相量與電壓相量之間的夾角的余角；tanδ為介電損耗角正切；εtanδ為介電損耗系數(shù)。

介電損耗（介質(zhì)損耗）：置于交流電場(chǎng)中的介質(zhì)，以內(nèi)部發(fā)熱形式表現(xiàn)出來的能量損耗。

ε和tanδ都是反映材料極化能力，表征塑料介電性能的物理量，其中介電常數(shù)表示在單位電場(chǎng)中，單位體積內(nèi)積蓄的靜電能量。它表征電介質(zhì)極化，并儲(chǔ)存電荷的能力，是綜合反映電介質(zhì)極化行為的宏觀物理量。

介電損耗角正切又稱介質(zhì)損耗角正切，是指電介質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)單位體積中，將電能轉(zhuǎn)化為熱能（以發(fā)熱形式）而消耗的能量；是表征電介質(zhì)材料在施加電場(chǎng)后介質(zhì)損耗的物理量。其物理意義是每個(gè)周期內(nèi)介質(zhì)損耗的能量與其貯存能量之比。

2 高頻焊接過程

高頻介質(zhì)加熱是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。在焊接循環(huán)過程中介質(zhì)材料溫度升高，與此同時(shí)由于材料的黏性降低，上下焊具電極之間的距離也減小。隨著兩電極之間距離減小，負(fù)載（簡(jiǎn)單地說就是塑料薄膜為介電材料，電極充當(dāng)上下電容板的電容器）中的電功率吸收以及熱吸收隨之變化。此外，材料損耗角和介電常數(shù)隨著溫度升高非線性增加。其結(jié)果電介質(zhì)吸收更多的能量。這種效應(yīng)稱為熱散逸（thermal runaway）。在加熱過程中兩電極的溫度均低于受熱材料本身。在批量生產(chǎn)中，為防止起弧和保持焊接過程穩(wěn)定性，兩電極必須冷卻。這完全不同于普通的塑料薄膜加熱方法，如熱板焊。

自動(dòng)功率調(diào)節(jié)的單相高頻焊過程的典型焊接循環(huán)時(shí)序圖，如圖2所示。

圖2 焊接循環(huán)時(shí)序圖

焊接過程由連續(xù)的三個(gè)階段組成：

起始階段 壓力機(jī)施壓，高頻電源接通，可變電容置于焊前值?？刂葡到y(tǒng)只控制可變電容器的極板位置。兩焊具之間的介電材料處于全壓力負(fù)荷下，開始低強(qiáng)度受熱。此階段處于圖2中的T0與T1之間。

加熱階段 在初始延遲（圖2中t0）之后，控制系統(tǒng)從電容器極板位置控制切換到陽極電流（板極電流）控制。加熱強(qiáng)度一直增加到陽極電流設(shè)定值。塑料溫度上升到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，塑料從固體域轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w域。由于過量材料流動(dòng)，上下電極之間的距離減小。此階段位于圖2中的T1與T2之間。

凝固階段 高頻加熱源關(guān)閉，壓力機(jī)繼續(xù)加壓，塑料溫度開始降低。隨著塑料從流體域轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w域，焊縫外形成型。在預(yù)定的延時(shí)之后，壓力機(jī)松開，焊接過程結(jié)束。

塑料來自高頻電源的能量輸入由陽極電流曲線下的面積確定（假設(shè)電壓恒定）。可以用陽極電流對(duì)時(shí)間的積分來計(jì)算。

3 高頻焊接設(shè)備

高頻焊接設(shè)備一般包括高頻發(fā)生器、控制裝置、壓力機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)裝置、焊具電極等。

3.1 高頻發(fā)生器

高頻發(fā)生器通常提供的功率為1kW～25 kW。報(bào)需功率根據(jù)焊接面積、零件厚度及待焊材料的介電性能而定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，焊接0.5mm厚的兩片PVC薄膜所需的功率約為25W／cm2。對(duì)于更薄的薄膜由于傳給焊具電極的熱量更多，所需功率呈指數(shù)級(jí)增加。電源中的固態(tài)整流器將輸入交流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷麟?，然后振蕩器將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏航涣麟?。高頻焊的頻率為13MHz～120MHz，最常用的是27.12MHz。

3.2 控制系統(tǒng)

為了控制所有的焊接參數(shù)，現(xiàn)代高頻焊機(jī)有一個(gè)控制系統(tǒng)，能夠通過改變可變電容器的電容來調(diào)節(jié)傳遞給負(fù)載的功率。操作者可以通過控制面板調(diào)節(jié)如下工藝參數(shù)：

（1）焊具夾緊力（通常通過氣動(dòng)或液壓裝置加壓）；（2）限制兩焊具電極之間最小間距的隔離片（spacers）或固定擋塊（fixed stops）；（3）板極電流初始值（可變電容極板起始位置）；（4）焊接過程中的最終板極電流（隨可變電容而變化）；（5）調(diào)節(jié)過程中可變電容極板的速度；（6）焊前時(shí)間；（7）焊接時(shí)間；（8）焊后冷卻時(shí)間。

控制系統(tǒng)確保焊機(jī)能啟動(dòng)、停止和有效運(yùn)作。焊機(jī)控制系統(tǒng)包括簡(jiǎn)單的機(jī)械控制和大型自動(dòng)化焊機(jī)的復(fù)雜電氣系統(tǒng)。后者通常包含軟件控制裝置，如微處理器和可編程控制器。這些裝置能夠使操作參數(shù)精確實(shí)施，并具有良好的可重現(xiàn)性。

為補(bǔ)償材料厚度變化，電流探測(cè)器監(jiān)測(cè)焊接循環(huán)過程中的電流。當(dāng)最佳電流快速達(dá)到時(shí)，電流探測(cè)器終止循環(huán)，防止出現(xiàn)過焊或燒焦。如最佳電流沒有達(dá)到，探測(cè)器會(huì)延長焊接循環(huán)，防止出現(xiàn)欠焊。

3.3 壓力機(jī)

壓力機(jī)在加熱過程中施加壓力以避免或最小化塑料分開的可能性。壓力機(jī)通常由一個(gè)固定壓板和一個(gè)移動(dòng)壓板組成。氣動(dòng)壓力機(jī)使用最普遍。大型設(shè)備或大型焊接零件需用到達(dá)50噸的液壓機(jī)。在加壓過程中，壓力機(jī)向下移動(dòng)上壓板，向零件接合部分施加壓力和保持循環(huán)壓力。通常有一個(gè)壓力調(diào)節(jié)器限定用于壓力機(jī)的最大壓力。

3.4 轉(zhuǎn)運(yùn)裝置

轉(zhuǎn)運(yùn)裝置將待焊零件轉(zhuǎn)運(yùn)至壓力機(jī)處，將其定位于電極下方適當(dāng)位置，焊接后移走它們。轉(zhuǎn)運(yùn)裝置可以是旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)或往復(fù)移動(dòng)工作臺(tái)。軌道裝置用于零件太大無法使用固定焊機(jī)的場(chǎng)合（如游泳池內(nèi)襯、防水布等）。在軌道裝置中待焊零件夾緊固定，而焊接壓力機(jī)沿著軌道重復(fù)施焊。

3.5 焊具電極

焊具電極通常是由導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、容易機(jī)加工的材料，如紫銅、青銅、黃銅制成，厚度一般為2～4 mm，安裝在鋁工具板上，而鋁工具板與壓板栓接。相同的高度、剛性結(jié)構(gòu)以及平行安裝在焊機(jī)上對(duì)保證高質(zhì)量焊縫至關(guān)重要。

電極可以根據(jù)使用要求機(jī)加工成特定的形狀。最簡(jiǎn)單的焊具，如圖3所示。上電極是一個(gè)匹配待焊零件幾何形狀的金屬凸起，下電極是一塊金屬平板。這種焊具容易加工和維修，但有兩個(gè)主要的缺點(diǎn)：一是邊緣效應(yīng)。在上電極區(qū)域以外電場(chǎng)邊緣產(chǎn)生熔化。二是零件適用性受平直電極所限。

圖3 凸起-平直電極橫截面

圖4 凸起-凸起電極橫截面

在注重外觀或不允許用平直電極的情況下，下電極可以有一個(gè)如圖4所示的凸起。這種電極界定的電場(chǎng)范圍更佳，很少產(chǎn)生邊緣現(xiàn)象，可形成外形更加清晰的焊縫。不過上下電極的對(duì)齊非常關(guān)鍵。凸起電極可由實(shí)心金屬板機(jī)加工而成。更常用的是由普通的電極型面彎制而成。市售電極型面均已鉆孔便于與壓板相連，備有各種表面加工形狀出售：平直的、滾花的、切縫型面的、壓合的等。應(yīng)當(dāng)指出的是，盡管很多型面具有復(fù)雜的幾何形狀，但都不包含能夠集中電場(chǎng)、促進(jìn)起弧或局部加熱的尖角。只有在同時(shí)進(jìn)行焊接和切割塑料的情況下才特意設(shè)計(jì)出尖角。

焊具電極作用：

（1）向塑料提供高頻電能；（2）傳遞機(jī)械壓力使熔化塑料熔合在一起；（3）使焊縫冷卻，決定焊縫的形狀和尺寸。

3.6 隔熱層材料

隔熱層材料布置，如圖5所示。隔熱層材料必須具有高的介電強(qiáng)度和低的介電損耗系數(shù)。通常是酚醛層壓板、青殼紙、聚酯膜、聚四氟乙烯膜等。使用隔熱層（緩沖）材料是為了防止起弧，以及使介質(zhì)材料至下電極的熱損失降至最少。

圖5 隔熱層材料布置圖

4 高頻焊接參數(shù)

高頻焊接參數(shù)：功率、電壓、焊接深度、壓力、加熱時(shí)間、冷卻時(shí)間、壓板溫度等。

高頻焊對(duì)工藝條件非常敏感。外加電壓、電極間距與局部夾緊壓力是高頻焊形成牢固、均勻焊縫的3個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)。這些參數(shù)的任何變化都會(huì)引起焊接性能的顯著變化。在焊接區(qū)域所有位置保持相同的工藝條件是產(chǎn)生均勻焊縫的關(guān)鍵。

4.1 功率

形成焊縫所需的功率取決于很多因素：

（1）材料種類 損耗系數(shù)愈大，功率要求愈低；（2）材料厚度 材料愈厚，功率要求愈低（由于熱損失減少）；（3）焊接面積 焊接面積愈大，功率要求愈高；（4）加熱時(shí)間 加熱時(shí)間愈短，功率要求愈高；（5）焊縫長度 焊縫愈長，功率要求愈高（長而窄的焊縫所需的功率大于同樣面積的短而寬的焊縫）；（6）隔熱層材料 使用隔熱層材料，通常會(huì)造成功率要求降低（由于熱損失減少）。

一般每千瓦高頻電源焊接的面積在10～30 cm2之間。

介質(zhì)加熱單位體積（W／m3）塑料所需功率Pv（塑料至焊具電極的熱損失考慮在內(nèi)）可用式（3）計(jì)算：

式中：k為介質(zhì)的熱導(dǎo)率，W／m·℃；ΔT為必需的介質(zhì)溫升；d為施壓電極之間介質(zhì)材料的原始厚度；t為加熱時(shí)間，s；ρ為介質(zhì)的密度，kg／m3；c為介質(zhì)的比熱，J／kg·℃。

函數(shù)f是一個(gè)三次多項(xiàng)式：

x定義為：

0.1 ≤x≤10時(shí)，Pv公式有效。

4.2 電壓

電壓愈高，電場(chǎng)愈強(qiáng)，相應(yīng)的焊接速率愈快。但電壓過高有可能擊穿塑料。合適的電壓應(yīng)根據(jù)電極間距、待焊材料的介電常數(shù)和擊穿值來確定。發(fā)熱量反比于電極間距的平方。因此，如果接頭太厚，將不能有效焊接。高頻焊接典型厚度從0.5 mm到1.9mm。

4.3 焊接深度

焊接深度控制焊接過程中焊具陷入零件的深度。在平縫焊接時(shí)，焊接深度更為重要。

4.4 壓力

夾緊壓力不僅影響電極間距，而且有助于熔化和焊接。焊接壓力應(yīng)足以使得焊具陷入零件達(dá)到所需的焊接深度。較高的壓力會(huì)造成焊接時(shí)間縮短。但壓力過高造成飛邊或熔體破壞。應(yīng)避免壓力過高，對(duì)撕縫焊接尤其重要。

4.5 加熱時(shí)間

加熱時(shí)間是指高頻電源作用的時(shí)間。最佳加熱時(shí)間由監(jiān)控加熱階段的功率來確定。一旦功率達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)或者開始下降，表明焊縫處的溫度不再升高，應(yīng)關(guān)閉電源。

4.6 冷卻時(shí)間

冷卻時(shí)間是指高頻電源關(guān)閉后零件在壓力下保持的時(shí)間。由于電極通常是冷運(yùn)作，冷卻時(shí)間相當(dāng)短（通常約為焊接時(shí)間的20%）。然而，在生產(chǎn)過程中冷卻時(shí)間可能需要增加，因?yàn)楹妇唠姌O隨時(shí)間的推移而發(fā)熱。

4.7 壓板溫度

由于生產(chǎn)過程中焊具溫度逐步上升，會(huì)造成冷卻時(shí)間增加。對(duì)壓板溫度進(jìn)行恒溫控制會(huì)在整個(gè)生產(chǎn)過程中保持恒定的冷卻時(shí)間。由于熱損失降低，對(duì)于一定的功率而言，允許焊接的面積會(huì)增大。在高負(fù)載率或高生產(chǎn)速率的情況下，壓板固定裝置可以水冷以防止熱量積聚和使循環(huán)時(shí)間減至最少。在焊接熔化或加工溫度比較明顯的結(jié)晶性塑料時(shí)，有時(shí)需用電加熱器稍微加熱壓板固定裝置，使循環(huán)時(shí)間減至最少。

高頻焊接參數(shù)因塑料種類、厚度而異。文獻(xiàn)［4］中高頻焊接（0.4±0.1）mm 厚的夾織物的PVC汽車遮陽簾的焊接參數(shù)如下：焊接功率5.0 kW，焊接時(shí)間2.2s，焊接壓力0.5MPa，冷卻時(shí)間2.0s，冷卻壓力0.5MPa，破斷拉力在70～90N之間。

5 高頻焊接頭形式

依據(jù)不同形狀的電極，高頻焊可以焊接不同形式的焊接接頭，包括平縫焊，如圖6所示；撕縫焊如圖7所示；以及平縫與撕縫組合焊，如圖8所示。

圖6 平縫焊

圖7 撕縫焊

圖8 平縫與撕縫組合焊

在平縫焊接過程中使用平底焊具。這種焊接用于生產(chǎn)褶皺，也可通過機(jī)加工焊具表面，形成圖案焊縫。

在撕縫焊接過程中，使用極鋒利的刃形焊具產(chǎn)生焊后能撕開的很薄的焊縫，使焊接部分能與周圍材料分開。在這種用途中，必須有隔熱層置于焊接零件下方，防止焊具接觸下壓板或下電極，以免產(chǎn)生電弧和弄鈍焊具。由于在電場(chǎng)作用時(shí)不允許兩電極接觸（即便是在切割邊緣），焊后通常有少量材料殘留于焊趾處，操作者必須沿著焊縫截面撕開零件。

撕縫焊的問題之一是由于焊縫寬度窄，接頭完整性不高。因此，為產(chǎn)生不需另外切割作業(yè)就可輕易分離的高強(qiáng)度焊縫，電極可以設(shè)計(jì)成在焊縫邊緣產(chǎn)生一個(gè)撕縫的形式。這可以通過在離平底焊具短距離處放置一個(gè)刃形焊具來實(shí)現(xiàn)。

6 各種塑料的高頻焊接性

適于高頻焊的塑料必須具有如下性能：

（1）高的介電損耗；（2）高的介電常數(shù)；（3）高的介電擊穿值。

一般當(dāng)材料的tanδ≥0.005或εtanδ≥0.01時(shí)，可取得良好的高頻焊效果。

非極性聚合物具有低介電常數(shù)（ε約為2）和低介電損耗（小于10-4）；極性聚合物具有較高的介電常數(shù)和介電損耗。表1是常見聚合物的介電常數(shù)（60Hz）和介電損耗角正切。

適用于高頻焊的塑料包括聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氯乙烯（PVDC）、聚氨酯（PU）、熱塑性聚酯、尼龍、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、乙酸纖維素、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚丙烯酸酯、聚氨基甲酸乙酯、有機(jī)玻璃（PMMA）等。

表1 聚合物的介電常數(shù)（60Hz）和介電損耗角正切

高頻焊通常用于焊接軟塑料，如熱塑性聚氨酯（PU）彈性體，不用于焊接高溫?zé)崴苄运芰稀Ｍǔ２贿m合高頻焊的塑料有聚四氟乙烯（PTFE）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）、乙縮醛及高熔點(diǎn)的硬質(zhì)塑料等。標(biāo)準(zhǔn)級(jí)的聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）不可焊，但特級(jí)的PE、PP可焊。

高頻焊只適用于焊接分子結(jié)構(gòu)中具有極性基團(tuán)（polar groups）的塑料。非極性塑料也可焊接，但需要在接頭界面處植入傳導(dǎo)性的復(fù)合材料?？梢栽诜菢O性塑料高密度聚乙烯（HDPE）接頭界面處植入聚苯胺（PANI）進(jìn)行焊接。

由于高頻焊是依靠極性分子在交變電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱來實(shí)現(xiàn)焊接的，母材中的導(dǎo)電物質(zhì)對(duì)電磁場(chǎng)有屏蔽作用，因而它不能用于焊接導(dǎo)電纖維（如碳纖維）增強(qiáng)的熱塑性樹脂基復(fù)合材料。

7 高頻焊的特點(diǎn)

高頻焊設(shè)備簡(jiǎn)單、緊湊，僅需電源和壓縮空氣。焊接速率快（循環(huán)時(shí)間從不到1s至5s），能量效率高，不需專門的接頭設(shè)計(jì)，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，能夠同時(shí)焊接多層材料。焊縫外觀優(yōu)良，可重復(fù)性好。焊縫強(qiáng)度可以達(dá)到或超過母材強(qiáng)度。因焊件與溫度不高的金屬電極接觸，不會(huì)產(chǎn)生焊件黏附電極的現(xiàn)象。

高頻焊接一般尺寸的塑料產(chǎn)品及結(jié)構(gòu)時(shí)，電磁能可以穿過整個(gè)焊件。因?yàn)闊崃渴窃诮橘|(zhì)材料的內(nèi)部產(chǎn)生的，所以電介質(zhì)加熱是一種體積加熱（volumetric heating）方法。這種介質(zhì)加熱能夠均勻加熱透物體，因而能形成均勻焊縫。由于能量轉(zhuǎn)化發(fā)生在整個(gè)被加熱的材料中，能量損失和溫度梯度降至最小。

高頻焊限于焊接塑料薄板或薄膜（依據(jù)材料和用途的不同，厚度通常為0.03～1.90mm）。這是因?yàn)楦哳l焊需產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，而強(qiáng)電場(chǎng)只有在焊具電極靠得很近（通常為0.03～1.90mm）時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。如果焊具電極之間間距過大，電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)太低而不能有效加熱和熔化塑料。

8 高頻焊的應(yīng)用

高頻焊通常用于封接文具用品中的PVC塑料薄片和薄膜，如活頁夾、支票簿封皮、信用卡卡套、書皮、拉鏈袋等。

高頻焊其它應(yīng)用：

醫(yī)療用品 結(jié)腸瘺袋、血袋、腹膜透析袋、靜脈注射袋、氣囊、一次性衣物等。

可充氣物品 （在海灘、游泳池等使用）浮水氣球、充氣床墊、充水床墊、充氣輪椅墊、救生衣、充氣皮筏、血壓表套袖等。

汽車行業(yè) 車墊、安全氣囊、儀表盤罩、座位、內(nèi)面板、（車輛駕駛室擋風(fēng)玻璃上的）防曬板、遮陽簾等。

包裝行業(yè) 罩板包裝（硬底上有凸起透明罩的物品包裝）、屏蔽袋（防靜電保護(hù)袋）、媒體包裝、零售硬包裝、食品包裝無菌封接等。

大件物品 塑料篷布、帳篷、游泳池內(nèi)襯等。

9 高頻焊進(jìn)展

以前高頻焊限于焊接具有較高介電損耗系數(shù)的極性材料。但近些年已開發(fā)能夠用于焊接非極性材料的添加物。這些添加物或以薄膜形式局部添加到接合面或以添加劑的形式摻入到基體材料中。對(duì)于介電損耗系數(shù)小的塑料，可以采用介電損耗系數(shù)大的材料將電極包覆，或者使被焊材料夾在損耗系數(shù)大的材料之間進(jìn)行焊接。玻璃紙、纖維素、醋酸纖維以及一些乙烯基材料等都是合適的覆層材料。覆層材料的厚度通常為0.05～0.15mm。

PVC是高頻焊最常用的塑料。近年來，由于公眾對(duì)PVC塑料中鄰苯二甲酸鹽塑化劑有損健康的擔(dān)心，無PVC和無鄰苯二甲酸鹽的產(chǎn)品日益受到消費(fèi)者、環(huán)保組織、醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)等青睞。美國Genesis塑料焊接公司開發(fā)了一項(xiàng)稱之為eco Genesis的專利技術(shù)，可以高頻焊接無公害、生態(tài)友好的非極性材料而無需另外添加材料。eco Genesis是一種栓接于現(xiàn)有焊機(jī)上的裝置，使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，不需借助涂層（coatings）、熱封添加物（heat seal additives）、黏合劑（adhesives）或其它昂貴的處理，能有效地、經(jīng)濟(jì)地焊接低介電損耗系數(shù)的薄膜、共聚物薄膜和纖維織物，能夠焊接以前不可焊的聚乙烯、聚丙烯、生物塑料等。eco Genesis可以附加到任何常規(guī)的高頻焊機(jī)上（不論其大?。?，與更換工具一樣容易。

一個(gè)還處于研制過程中的高頻焊應(yīng)用是集成電子設(shè)備的智能服裝（smart garments integrated electronics）。層疊電子設(shè)備的智能服裝分為三層：上、下層由塑料薄膜（紡織品）組成，起絕緣作用；中間層是印刷上電子電路和安裝有零部件的線路板。電子設(shè)備處于軟的高頻焊密封封殼內(nèi)，防止在維護(hù)、清洗或使用過程中進(jìn)水和遭受沖擊。電子電路可以處于焊接區(qū)內(nèi)，焊接過程中高頻電場(chǎng)并不對(duì)其造成損害。高頻焊智能服裝簡(jiǎn)便、快捷，但在使用和成本效益方面還需進(jìn)一步研究。

高頻焊通常產(chǎn)生二維的平面形狀，如注射袋。產(chǎn)生三維形狀的唯一方法是先將它們平面焊，然后通過填充或其它作業(yè)使其進(jìn)入三維狀態(tài)。這使得高頻焊的應(yīng)用范圍限于比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。大多數(shù)高頻焊具是在平面圖上設(shè)計(jì)的。這是其固有的缺點(diǎn)。因?yàn)楫?dāng)二維零件進(jìn)入三維空間時(shí)，可能出現(xiàn)如扭結(jié)、起皺及零件弱化等不良結(jié)果。最近美國Dielectrics公司開發(fā)了一種構(gòu)造專門焊具的方法，使得復(fù)雜的三維形狀，如向三個(gè)面彎曲的多圓弧曲線能夠以純粹的三維形狀進(jìn)行焊接。借助于機(jī)械軟件，多個(gè)小的“平面”焊縫可以沿著三維樣條曲線進(jìn)行焊接。這項(xiàng)技術(shù)與成型和切割工具結(jié)合能夠用于構(gòu)造出包括側(cè)向分型和反轉(zhuǎn)曲線在內(nèi)的復(fù)雜三維形狀。借助三維CAD程序和FEA（有限元分析），仍然可以按照高頻焊具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出配對(duì)的焊具表面。通過設(shè)計(jì)，三維焊具在恒壓下壓緊材料，形成極好的焊縫強(qiáng)度和外觀質(zhì)量。不過，直到最近三維高頻焊還沒有得到充分發(fā)展，能夠一步構(gòu)造的幾何形狀依然有限。

近年來已開發(fā)出監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA system）用于臨床應(yīng)用PVC袋的高頻焊過程中。基于焊接循環(huán)中電壓的在線采集與理想焊接曲線的統(tǒng)計(jì)比較，可以實(shí)時(shí)消除潛在的不良品。

其它進(jìn)展方面包括焊機(jī)設(shè)計(jì)中的電源自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)焊接循環(huán)過程中由于熔化而引起兩電極之間間距改變時(shí)，能夠追蹤焊接循環(huán)過程的電阻變化。另外，還開發(fā)了焊具電極的自動(dòng)快速轉(zhuǎn)換等。

10 結(jié)語

高頻焊是一種利用極性塑料在高頻電場(chǎng)作用下的介質(zhì)滯后損耗產(chǎn)生內(nèi)部發(fā)熱進(jìn)行焊接的方法。由于高頻焊加熱不同于其它焊接方法，如熱板焊、熱氣焊（熱量傳遞方向是從外向內(nèi)），它是由內(nèi)向外發(fā)熱，因而焊接速率很快。此外，高頻焊還具有容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、焊縫強(qiáng)度高、外觀質(zhì)量好、可重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于焊接塑料薄膜和薄板。近年來隨著新型塑料（通常不能有效加熱）的不斷出現(xiàn)和對(duì)無公害塑料的要求愈來愈高，高頻焊技術(shù)得到了很大的發(fā)展。在新型應(yīng)用（智能服裝）、新型焊具設(shè)計(jì)（三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀）、焊接質(zhì)量實(shí)時(shí)控制等方面，高頻焊接技術(shù)也都取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。不過，為了滿足塑料工業(yè)不斷增長的需求，高頻焊接技術(shù)還有待于人們進(jìn)一步探索和研究。

［1］ 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)第2卷：材料的焊接［M］.2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：904-925.

［2］ 張勝玉.塑料高頻焊［J］.國外塑料，1999（4）：24-27.

［3］ 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.

［4］ MITELEA I，VARZARU N，BORDEASU I，et al.The high frequency welding aptitude of thermoplastic polymers［J］.Material Plastics，2009，46（1）：101.