張勝玉

（廣州市特種設(shè)備行業(yè)協(xié)會(huì)）

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(huì)）

（上接《塑料包裝》2015年第4期）

6 ．感應(yīng)焊接接頭設(shè)計(jì)

接頭設(shè)計(jì)是開發(fā)新應(yīng)用的高交互過(guò)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)實(shí)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)工裝中的生產(chǎn)件的工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。典型的接頭設(shè)計(jì)如圖7-11所示。

平面-平面接頭

這是最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，用于連續(xù)焊接作業(yè)或焊合線較長(zhǎng)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(dòng)伸進(jìn)結(jié)合面的場(chǎng)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(jì)。該設(shè)計(jì)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(jiǎn)便3）物理止動(dòng)（physical stop）保障連接件的相對(duì)位置4）植入物在接頭內(nèi)定向流動(dòng)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(gè)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(zhǎng)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(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1．27mm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(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、突出部或其它不規(guī)則物。可以采用使耦合距離可能達(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(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)填滿空隙或者填滿收縮或下凹表面。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^（見(jiàn)圖13）。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(guò)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12 感應(yīng)焊接頭設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

（a）原接頭不可達(dá)。改進(jìn)設(shè)計(jì)可達(dá)，形狀更規(guī)則。（b）原設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(shí)間。自動(dòng)焊接設(shè)備焊接速度可達(dá)每分鐘150個(gè)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(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(zhǎng)焊縫，能焊接大型零件（可一次焊接長(zhǎng)達(dá)6．1m的熔合線），還可同時(shí)焊接多個(gè)小型零件（商業(yè)應(yīng)用的線圈已可同時(shí)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(dòng)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(dòng)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(guò)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(guò)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(wú)菌飲料盒的密封（盒壁中的鋁箔層通過(guò)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(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、PBT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（SMC）的焊接。

醫(yī)療設(shè)備：聚碳酸酯血液氧合器、動(dòng)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(jì)算機(jī)控制臺(tái)

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(guó)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(guò)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(jì)能力和過(guò)程控制能力。高頻發(fā)生器可編程，控制器提供自診斷和對(duì)焊接過(guò)程的多種控制能力。該新型高頻發(fā)生器已獲得FCC（美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)）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(jí)直線上升或功率脈沖調(diào)制）；對(duì)在焊接過(guò)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(dòng)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(gè)靜態(tài)過(guò)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(guò)摩擦或外部熱源施加能量時(shí)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(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(guò)。感應(yīng)焊變成了動(dòng)態(tài)過(guò)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(guò)程的提升。

感應(yīng)焊最新進(jìn)展集中于通過(guò)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(guò)程控制、接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面來(lái)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(wèn)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(yǔ)

感應(yīng)焊通過(guò)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(shí)，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(guò)程中承受適度夾緊力是為了保證電磁材料的充分流動(dòng)和冷卻過(guò)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(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)成能施加均勻的電磁場(chǎng)。感應(yīng)焊接大型或不規(guī)則形狀零件優(yōu)勢(shì)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(guò)將已焊件置于電磁場(chǎng)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(chǎng)中的任何金屬也會(huì)發(fā)熱。如果這種情況無(wú)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。

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(jì)、適當(dāng)接頭形狀的選擇、工作線圈的設(shè)計(jì)、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(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?、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(jì)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(dòng)力過(guò)程控制、允許長(zhǎng)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。

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(zhǎng)，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］中國(guó)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（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）