張勝玉

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

塑料感應(yīng)焊接技術(shù)

張勝玉

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

主要介紹了塑料感應(yīng)焊接技術(shù)原理及過程、植入物、焊接設(shè)備、工藝參數(shù)、焊接性、接頭設(shè)計(jì)、特點(diǎn)、應(yīng)用和最新進(jìn)展，總結(jié)了塑料感應(yīng)焊接技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了塑料感應(yīng)焊接的優(yōu)化方案。

感應(yīng)焊接 工作線圈 植入物 優(yōu)化

大多數(shù)塑料焊接方法如超聲波焊、振動(dòng)焊等在結(jié)合面處不需外加材料。但在某些情況下由于工件或接頭復(fù)雜、零件限制和設(shè)備可達(dá)性的原因，這些方法不能用。這時(shí)須考慮采用外加材料的方法，感應(yīng)焊就是其中之一。感應(yīng)焊，又叫感應(yīng)植入焊，是通過高頻磁場感應(yīng)加熱植入材料熔化和填充待焊表面而形成持久結(jié)合的一種焊接方法。塑料感應(yīng)焊接商業(yè)應(yīng)用已有三十多年歷史，廣泛用于焊接難焊材料如聚烯烴等。感應(yīng)焊也可用于填充或玻纖增強(qiáng)聚合物及某些異種塑料的焊接[1-2]。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(如汽車工業(yè))，感應(yīng)焊接正成為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和制造方法至關(guān)重要的一環(huán)。

1 感應(yīng)焊接原理及過程

感應(yīng)焊接的基本原理是電磁材料(植入物)預(yù)先置于待焊零件界面處，然后對(duì)植入物施加一個(gè)由高頻電源(2～10 MHz)產(chǎn)生的交變磁場，電磁材料在交變磁場作用下發(fā)熱，熔化待焊零件表面，在適當(dāng)壓力下將零件熔合在一起形成持久焊縫。

感應(yīng)焊接過程分為4個(gè)階段,如圖1所示。

2 感應(yīng)焊接植入物

植入物，有時(shí)稱作電磁感受體/電磁材料、磁感受體/鐵磁材料、感受材料/復(fù)合物、黏合劑，是感應(yīng)焊接過程中的加熱元件(發(fā)熱體)。為了連接熱塑性塑料，這些電磁材料(金屬網(wǎng)或者不同類型、顆粒大小和濃度的鐵磁粉末)密閉在與待焊塑料相容的熱塑塑料基體中。植入物通常針對(duì)特定用途生產(chǎn)以確保與待焊材料相容和達(dá)到最大效率。對(duì)于同種材料制成的熱塑性零件的焊接，基體通常與零件材料相同，在熔體流動(dòng)方面是相配的。例如，在焊接聚乙烯時(shí)，黏合劑可以是含有0.5%～0.6%體積分?jǐn)?shù)磁性氧化鐵粉末的聚乙烯樹脂。對(duì)于異種材料，使用的基體是兩種熱塑性塑料的混合物。感應(yīng)焊設(shè)備供應(yīng)商也提供焊接異種材料的專利化合物。

電磁感應(yīng)方法也用于快速固化熱固性黏合劑如環(huán)氧樹脂。在連接熱固性塑料如片狀模塑料時(shí)，黏合劑基體包圍電磁材料。熱量直接在黏合劑中產(chǎn)生，提供快速固化。在環(huán)氧樹脂的固化過程中膠凝時(shí)間可縮短至30 s。

黏合劑通常形成匹配接頭設(shè)計(jì)的外形。從裝配角度來說，模切預(yù)型件(如墊片)應(yīng)用最簡便，但根據(jù)待焊零件的大小和形狀及感應(yīng)線圈的位置，有各種形狀的植入物如片材、帶材、線束、擠塑型材、注射成型制品等可供選用(見圖2)。通過夾物模壓、雙色模塑、共擠壓或共注射將植入材料與待焊零件之一直接合為一體也是一種可行的途徑。

3 感應(yīng)焊接設(shè)備

典型的感應(yīng)焊機(jī)由5部分組成：感應(yīng)發(fā)生器、工作線圈(感應(yīng)線圈)、熱交換器、壓力機(jī)、夾具或器具。如圖3所示。

4 感應(yīng)焊接工藝參數(shù)

感應(yīng)焊接不如其他焊接方法(如振動(dòng)焊)對(duì)工藝參數(shù)敏感。感應(yīng)焊接的主要工藝參數(shù)是功率、焊接時(shí)間、焊接壓力、冷卻時(shí)間。

焊接時(shí)間是影響焊縫強(qiáng)度最主要的因素，其次是功率。同時(shí)間和功率相比，壓力對(duì)強(qiáng)度影響很小。在功率和壓力不變的情況下，焊縫強(qiáng)度與加熱時(shí)間成正比。

焊接時(shí)間取決于電磁填料的種類與顆粒大小、熱塑性基體中密閉的電磁填料的橫截面積、功率輸出、頻率和工件尺寸。這些參數(shù)針對(duì)每一特定用途進(jìn)行調(diào)整。典型的感應(yīng)功率范圍為1～5 kW。較大零件或較長接頭的零件需較高的功率輸出。功率輸出也隨接頭與線圈之間耦合距離的增加而增加。

焊接壓力確保植入物在接頭內(nèi)部的均勻分布。冷卻時(shí)間隨用途而變化，可能少于1 s。

感應(yīng)焊接過程中的其他重要因素包括：零件和工作線圈的設(shè)計(jì)、磁場頻率(感應(yīng)焊工作頻率根據(jù)加熱元件的成分進(jìn)行選擇)、電磁材料的種類等。

5 各種塑料的感應(yīng)焊接性

同其他焊接方法相比，感應(yīng)焊較少依賴于待焊材料的性能?？珊附铀袩崴苄运芰?無論是結(jié)晶性還是非結(jié)晶性塑料)，能焊接高性能和難焊樹脂。容易焊接的熱塑性塑料包括：各種等級(jí)的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、尼龍、聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)、聚氯乙烯、丙烯酸，以及那些通常認(rèn)為難焊的材料如乙縮醛、改性聚苯醚、聚碳酸酯。

某些異種材料或含有玻璃、滑石、礦物質(zhì)、木材或其他填料的熱塑性塑料均可焊接。感應(yīng)焊可連接某些異種材料如高填充熱塑性塑料以及軟彈性體與硬質(zhì)塑料。還可用于連接熱塑性材料與非熱塑性材料(如紙)。在焊接異種熱塑性塑料時(shí)，含有鐵磁性顆粒的熱塑性基體由兩種待焊材料的混合物組成。在焊接含填料材料時(shí)，植入材料中的熱塑性樹脂含量可以提高以補(bǔ)償零件中的填料含量，在焊接過程中產(chǎn)生更大量的熔體，形成更高強(qiáng)度的接頭。填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)65%的增強(qiáng)塑料已能成功焊接。交聯(lián)低密度和高密度聚乙烯可用普通的低密度或高密度基體材料進(jìn)行焊接。感應(yīng)焊能焊接玻璃和碳纖維增強(qiáng)的熱塑性塑料如聚苯硫醚、尼龍12、聚丙烯。例如40%玻璃填充的聚丙烯很容易焊接。感應(yīng)焊也可用于連接熱固性塑料(如片狀模塑料)和其他非金屬母材。這時(shí)，黏合劑充當(dāng)熱熔性膠黏劑。

6 感應(yīng)焊接接頭設(shè)計(jì)

焊接接頭設(shè)計(jì)是開發(fā)新應(yīng)用的高交互過程。典型的設(shè)計(jì)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(duì)試驗(yàn)室壓制機(jī)中的原型零件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證以及對(duì)生產(chǎn)工裝中生產(chǎn)件的工業(yè)化生產(chǎn)過程進(jìn)行驗(yàn)證。典型的焊接接頭設(shè)計(jì)如圖4～圖5所示。

圖4(a)的平面-平面接頭是最簡單的設(shè)計(jì)，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。

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。普通榫槽接頭如圖5(a)所示，植入物用圓型材。高壓榫槽接頭如圖5(b)所示，用于大型模制件的長剪切接頭，植入物用片材或帶材。

圖5(c)的階式接頭能適應(yīng)較大的零件收縮變化，產(chǎn)生高壓密封接頭。該設(shè)計(jì)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1.27 mm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(jì)的重要考慮事項(xiàng)。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(duì)于外壁均勻布置。這一點(diǎn)對(duì)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、突出部或其他不規(guī)則物?？梢圆捎檬柜詈暇嚯x可能達(dá)25 mm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6闡明了上述原則。

接頭設(shè)計(jì)應(yīng)考慮熔化電磁材料的流動(dòng)。熔化電磁材料會(huì)沿著最小阻力的路徑流動(dòng)并按設(shè)計(jì)填滿空隙、填滿收縮或下凹表面。金屬絲或金屬薄片位于其中的感應(yīng)焊接接頭應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成剪切接頭而不是剝離或?qū)咏宇^。在焊接薄板材料時(shí)，由于電磁材料的添加會(huì)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(jì)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6(a)原接頭不可取。改進(jìn)設(shè)計(jì)可取，形狀更規(guī)則。圖6(b)原設(shè)計(jì)接頭形狀不規(guī)則使線圈制作和操作困難。

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(shí)間一般為1～30 s，如聚乙烯接頭的感應(yīng)焊只需3 s。自動(dòng)焊接設(shè)備焊接速度可達(dá)每分鐘150個(gè)零件。由于位于接頭界面處的電磁材料熔化時(shí)，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(duì)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。感應(yīng)焊的另一主要優(yōu)點(diǎn)是能夠沿接頭移動(dòng)線圈以形成連續(xù)的焊縫。感應(yīng)焊其他優(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、黏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需附加裝配作業(yè)。此外植入物保留在接頭區(qū)域中，直接影響接頭強(qiáng)度。

(1)3臺(tái)進(jìn)口沉降過濾式離心機(jī)，設(shè)計(jì)處理能力35 t/h，實(shí)際處理能力僅為12 t/h。2臺(tái)國產(chǎn)沉降過濾式離心機(jī)，設(shè)計(jì)處理能力30 t/h。

8 感應(yīng)焊接應(yīng)用

1) 包裝行業(yè)。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)。其他應(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封接。

2) 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、玻璃填充的尼龍6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(dòng)力轉(zhuǎn)向儲(chǔ)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、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯熱塑性聚酯兩部分保險(xiǎn)杠、聚碳酸酯汽車保險(xiǎn)杠、汽車儀表板、汽車防撞箱形零部件、片狀模塑料的焊接。

3) 醫(yī)療設(shè)備。聚碳酸酯血液氧合器、動(dòng)脈濾器零件。

4) 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。

5) 電子工業(yè)。聚碳酸酯結(jié)構(gòu)泡沫計(jì)算機(jī)控制臺(tái)。

6) 其他應(yīng)用。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

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，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。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(shí)在夾具中受壓下產(chǎn)生移動(dòng)。電源可同焊件一起移動(dòng)或者工件從固定高頻電源旁邊經(jīng)過。感應(yīng)焊變成了動(dòng)態(tài)過程。新型固態(tài)高頻發(fā)生器完成了從靜態(tài)到動(dòng)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(jì)過程控制、接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)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)焊快捷、可靠，克服了其他一些連接方法固有的一些缺點(diǎn)。感應(yīng)焊對(duì)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(jì)成均勻的電磁場。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(duì)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(shí)需要特別考慮。在接頭附近和磁場中的任何金屬也會(huì)發(fā)熱。如果這種情況無法避免，需專門設(shè)計(jì)工作線圈。感應(yīng)加熱線圈應(yīng)盡可能靠近接頭。對(duì)于復(fù)雜設(shè)計(jì)，線圈輪廓可與接頭相符。

另外，成功的感應(yīng)焊接方案需要優(yōu)化以下3個(gè)重要方面。

a) 零件應(yīng)用設(shè)計(jì)、接頭設(shè)計(jì)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)崴苄运芰系暮附印⒏卟ＡШ吭鰪?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(jì)與集成。包括：易控制較寬范圍功率輸出裝置的高頻發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集的動(dòng)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(shí)焊接多條焊縫等。

[1] 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.

[2] 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.

汽車用含消費(fèi)后的PP復(fù)合物

據(jù)“www.ptonline.com”報(bào)道，北歐化工公司(在美國新澤西州)最近推出了消費(fèi)后聚丙烯廢料(PCR)和聚丙烯組成的聚丙烯復(fù)合物， 主要用于汽車的內(nèi)飾件、外飾件和發(fā)動(dòng)機(jī)外罩。推出的3個(gè)新Daplen牌號(hào)聚丙烯復(fù)合物，據(jù)報(bào)道與純聚丙烯相比，有好的加工性能、材料特性和低的成本效益。

牌號(hào)ME225SY，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的PCR、質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的滑石粉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%聚丙烯，主要用于汽車內(nèi)飾件，如車門和行李箱包層等。

牌號(hào)MD250SY，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%PCR、質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%滑石粉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%聚丙烯，主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩和外飾件，如保險(xiǎn)杠部件等。

牌號(hào)MD325SY，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%PCR、質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%滑石粉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%聚丙烯，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩和外飾件。

聚烯烴用的膠黏劑

據(jù)“www.ptonline.com”報(bào)道，北卡羅來納州達(dá)勒姆Skigrip公司開發(fā)出一種新型膠黏劑，可應(yīng)用到低表面能熱塑性塑料中，如聚丙烯和聚乙烯中。這2組分丙烯酸系膠黏劑PPX5應(yīng)用結(jié)果顯示，不需要對(duì)聚烯烴材料進(jìn)行表面處理，在潮濕的環(huán)境中PPX5具有優(yōu)異的抗水性。并在室溫下固化，能有效粘結(jié)聚烯烴料。

大多數(shù)膠黏劑不能粘合聚烯烴材料，這種膠黏劑能有效粘結(jié)聚烯烴，不需要對(duì)聚烯烴之間進(jìn)行機(jī)械裝配、熱/振動(dòng)焊接或溶劑焊接。這灰白色黏合劑可以粘合不同的塑料(聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯)、纖維增強(qiáng)塑料。添加PPX5后，熱塑性塑料之間的剪切強(qiáng)度可達(dá)3.425～5.999 MPa, 聚乙烯與金屬間剪切強(qiáng)度達(dá)3.425～6.481 MPa。

(以上由中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司南京研究院

嚴(yán)淑芬供稿)

Induction Welding Technique for Plastics

Zhang Shengyu

(Guangzhou Association for Special Equipment,Guangzhou， Guangdong，510380)

The principle and processes,implantation materials, welding equipment, process parameters, weldability, joint design, characteristics, applications and recent advances of the induction welding technique for plastics are introduced, and the advantage and disadvantage of the technology are summarized, and the optimization scheme of induction welding is putforward.

induction welding; work coil; implantation materials; optimization

2014-08-05;修改稿收到日期:2014-10-27。

張勝玉(1970—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗芰霞皬?fù)合材料焊接和焊接新技術(shù)新工藝。E-mail:zhangshengyu88@163.com。