塑料感应焊接技术

塑塑料料感感应应焊焊接接技技术术PPllaassttiiciiinnnddduuuccctttiiiooonnn张胜玉(广州市特种设备行业协会，广东广州510380)摘要：感应焊接是一门简单、快捷、可靠的塑料焊接技术。该技术是通过感应加热向设计接头精确输出能量，接头处的植入材料选择吸收能量、熔化和流动以填满接头。塑料感应焊接商业应用已有三十多年历史，在焊接压力容器和其它高要求零件（需高强度和外形美观的结构、密封接头）方面获得了持续成功。感应焊最初之所以大受欢迎是因为它有效地解决了低表面能聚合物如聚丙烯和聚乙烯的焊接问题，过去的十年里其使用范围已扩展到覆盖全系列工程塑料及难以用其它方法焊接的高填充复合物。本文论及感应焊接原理及过程、植入物、焊接设备、工艺参数、焊接性、接头设计、特点、应用、最新进展。关键词：感应焊接；工作线圈；植入物；电磁材料；涡流加热；磁带损耗加热中图分类号：TQ320.674文章编号：1009-797X(2014)22-0017-10文献标识码：B大多数塑料焊接方法如超声波焊、振动焊等在结合面处不需外加材料。但在某些情况下由于工件或接头复杂、零件限制和设备可达性的原因，这些方法不能用。这时须考虑采用外加材料的方法，感应焊就是其中之一。感应焊，又叫感应植入焊（implantinductionwelding），是通过高频磁场感应加热植入材料熔化和填充待焊表面而形成持久结合的一种焊接方法。塑料感应焊接商业应用已有三十多年历史，最广泛用于焊接难焊材料如聚烯烃等。感应焊也可用于填充或玻纤增强聚合物及某些异种塑料的焊接。随着高强度和承载用途的工程塑料（增强塑料）使用量的显著增长（如汽车业），感应焊接正成为基础设计和制造方法至关重要的一环。1感应焊接原理及过程感应焊接的基本原理是电磁材料（植入物）预先置于待焊零件界面处，然后对植入物施加一个由高频电源（2~10MHz）产生的交变磁场，作者简介：张胜玉（1970-），男，高级工程师，毕业于上海交通大学材料科学及工程系焊接专业，工学学士，已发表论文10余篇，其中《塑料激光焊接》在第三届华中地区科学技术推广大会荣获二等奖，《搅动摩擦焊原理及应用》被中国高科技产业化研究会评为一等奖，研究方向为塑料及复合材料焊接，焊接新技术新工艺。收稿日期：2014-08-042014年第40卷·17·橡塑技术与装备（塑料版）CHINARUBBER/PLASTICSTECHNOLOGYANDEQUIPMENT(Plasticedition)电磁材料在交变磁场作用下发热，熔化待焊零件表面，在适当压力下将两零件熔合在一起形成持久焊缝。电磁材料（导电材料或铁磁材料）置于交变磁场中时会出现感应加热。感应焊接有两种加热机理：焦耳加热（涡流加热，见图1）和磁滞加热。感应加热是由涡流和磁滞损耗产生的，两者的相对大小取决于磁场作用下材料的磁性。在导电非磁性材料（如铝粉）中只出现涡流加热；在非导电的铁磁性材料（如陶瓷铁氧体）中只发生磁滞损耗加热。在导电磁性材料（如铁基铁磁材料）中，磁滞损耗加热和涡流加热都起很大作用。加热速度由焊接界面处植入物的磁导率或磁化率决定。磁滞损耗的大小由图2中包围的面积来描述，磁滞回线包围的面积与转化为热量的能量成正比。需要高频（2~10MHz）进行有效加热的原因是即使具有最佳磁性的磁感受体，单个磁滞回线（磁滞循环）产生的发热量也是极小的（温升约0.003℃）。磁滞损耗（hysteresisloss）是指铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。磁性体的磁化存在着明显的不可逆性（如图2所示），当铁磁体被磁化到饱和状态后，若将磁场强度H由最大值逐渐减小时，其磁感应强度B不是循原来的途径返回，而是沿着比原来的途径稍高的一段曲线而减小，当H=0时，B并不等于零，即磁性体中B的变化滞后于H的变化。磁性物质都具有保留其磁性的倾向，磁感应强度B的变化总是滞后于磁场强度H的变化，这种现象就是磁滞现象。磁感应强度B与磁场强度H之间呈现磁滞回线关系。经一次循环，每单位体积铁芯中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能，磁滞损耗的大小取决于所用材料的磁滞回线。涡流损耗（eddycurrentloss）导体处在随时间变化的磁场中时，导体内感生的电流导致的能量损耗，叫做涡流损耗。在导体内部形成的一圈圈闭合的电流线，称为涡流。由于电流的热效应（通过I2R加热），涡流会使导体发热，消耗能量。如果导体的电阻率小，则产生的涡流很强，发热量就很大。涡流损耗的大小与磁场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导率和电导率等因素有关。如图3所示，感应焊接过程分为四个阶段：第一阶段：放置植入物。通过手工或者使用自动装置将植入物放在接合处，如图3a。图1感应焊涡流加热图2典型的磁滞回线图3感应焊接过程·18·第40卷第22期张胜玉·塑料感应焊接技术第二阶段：施压。将零件放入与气缸相连的夹具中对零件施压，或者通过将感应线圈嵌入其中的聚四氟乙烯或陶瓷块对零件加压，如图3b。第三阶段：感应加热。电源作用于感应线圈（工作线圈），产生加热植入物的电磁场，通过热传导依次加热和熔化周围的热塑性塑料。由于随着离工作线圈的距离的增加，电磁场呈指数衰减，所以接头应尽可能靠近线圈以便最大限度加热植入物。在加热过程中，植入物流动填补零件之间的间隙，如图3c。第四阶段：零件的冷却和拆卸。在达到预定焊接时间之后，切断电源，零件在压力下冷却至预设时间。然后移走焊接组件，循环重复进行，如图3d。热塑性零件的焊接，基体通常与零件材料相同，在熔体流动方面是相配的。例如，在焊接聚乙烯时，粘合剂可以是含有0.5%~0.6%体积百分数磁性氧化铁粉末的聚乙烯树脂。对于异种材料，使用的基体是两种热塑性塑料的混合物。感应焊设备供应商也提供焊接异种材料的专利化合物。电磁感应方法也用于快速固化热固性粘合剂如环氧树脂。在连接热固性塑料如片状模塑料时，粘合剂基体包围电磁材料。热量直接在粘合剂中产生，提供快速固化。在环氧树脂的固化过程中胶凝时间可短至30s。粘合剂通常形成匹配接头设计的外形。从装配角度来说，模切预型件（die-cutpreform）如垫片应用最简便，但根据待焊零件的大小和形状及感应线圈的位置，有各种形状的植入物如片材、带材、线束、挤塑型材、注塑成型制品等（见图4）可供选用。通过夹物模压（insertmolding）、双色模塑（two-colormolding）、共挤压（co-extrusion）或共注射（co-injection）将植入材料与待焊零件之一直接合为一体也是一种可行的途径。感应焊接植入物植入物（implant），有时称作电磁感受体/电磁材料（electromagneticsusceptor/material）、磁感受体/铁磁材料（magneticsusceptor/ferromagneticmaterial）、感受材料/复合物（susceptormaterial/compound）、粘合剂（binder/bondingagent），是感应焊接过程中的加热元件（发热体）。颗粒填料或者丝或网状植入物用于提供热源。感应加热使用的粘合剂由填满金属粒子或氧化铁的热塑性树脂组成。粘合剂在感应磁场中熔化并形成粘合接头。填料材料可以是简单的铁磁材料如金属铁或不锈钢，也可以是提供更精确温度控制的陶瓷铁氧体材料。最常用的填料是非常细小的微米级铁磁粉末。填料的种类和数量影响能量吸收，因而影响结合线处的发热量。电磁材料通常得专门配制以便固化时内部放热量较少。否则接头会过热，粘合剂会热降解。为了连接热塑性塑料，这些电磁材料（金属网或者不同类型、颗粒大小和浓度的铁磁粉末）密闭在与待焊塑料相容的热塑塑料基体中。植入物通常针对特定用途生产以确保与待焊材料相容和达到最大效率。对于同种材料制成的2图4各种形状的植入物感应焊接设备焊接装置可以是整合机器人材料搬运的高度自动化的多站装置或手工装卸零件的单站装置。最新的感应焊机使用的是能精确控制功率32014年第40卷·19·橡塑技术与装备（塑料版）CHINARUBBER/PLASTICSTECHNOLOGYANDEQUIPMENT(Plasticedition)级的固态功率发生器如金属氧化物半导体场效应晶体管。在这种类型的发生器中，磁场频率是由发生器电路决定的，因而需要匹配网络使发生器输出阻抗与工作线圈阻抗匹配。匹配网络是可远距离放置或者移动以满足各种不同工业要求的关键组成部分。固态装置的控制电路比普通的振荡管发生器复杂得多，但是它能提供复杂精确的功率输出控制。如图5所示，典型的感应焊机由五部分造成：感应发生器、工作线圈（感应线圈）、热交换器、压力机、夹具或器具。在一起。一个器具通常是固定的而另一个是可动的。因为工作线圈附近存在金属导体会降低磁场强度，所以器具是由非导电材料如酚醛树脂或环氧树脂制成。（5）工作线圈（感应线圈）工作线圈的作用是提供绕过接头的磁场。它必须与感应发生器的功率输出相配，其设计必须降低高频时起弧或过载的倾向。工作线圈的设计和布置对于获得高强度焊缝和过程高效率至关重要。工作线圈应符合零件外形，可以为每个零件量身定做。线圈与接头之间的距离（耦合距离）应尽可能小（原则上小于1.6mm）。短的耦合距离绝对必要，因为根据平方反比定律，来自于磁场中用于发热的能量与离线圈距离的平方成反比。感应线圈能适应三维接头，可焊长达6.1m的接头。还可在线圈中心放置铜反射器以便将磁场集中在接头区域内。反射器（reflector）/反射线圈（reflectioncoil）是使磁力线指向结合线处的未激励线圈（non-energizedcoil）。线圈可由铜管、薄板或机加工块制成。所有线圈都是水冷的。管线圈可以是方的、圆的或矩形的，常规尺寸是3.2mm、4.8mm、6.4mm、9.5mm。由于3.2mm线圈中的狭窄水流会造成过热，所以3.2mm线圈仅用于不受轻微过热影响的短加热循环和小型零件。在获得最佳耦合距离方面，方管优于圆管。铜薄板（1.6mm厚）用于加热127×508mm或25.4×2030mm的大型零件和密封大的表面积及不规则的平面形状。最简单的线圈设计是单匝线圈（如图6a），磁场集中在线圈内径周围。在线圈引线端形成较弱场强，这个问题可通过使用反射器减轻。单匝线圈所需空间比其它设计少。多匝线圈（如图6b）消除了单匝线圈的弱磁场强度。依据接头外形的不同，多匝线圈可以是焊接圆形容器的圆柱形或螺旋形，或者是矩形、方形或不规则形状。因为最大磁场强度在线圈内，接头应置于线圈中心。在待焊零件尺寸大于等于152mm时有必要使用反射器以获得最大效率。图5感应焊机简图（1）感应发生器依据使用情况，感应发生器将50Hz或60Hz的电源转变为功率一般为1~5kW的高频（2~10MHz）电源。加感线圈（负载工作线圈）的阻抗匹配发生器的输出阻抗以确保一致有效的系统运作。这称之为线圈调谐。（2）热交换器在焊接循环过程中，很高的电流流过感应线圈。为防止过热，水在线圈中循环流动，通过热交换器冷却。热交换器通常与发生器连成一体。（3）压力机在焊接过程中施压装置通常是与气缸或液压缸相连的压头。（4）夹具夹具或定位器具在焊接过程中将零件组合·20·第40卷第22期张胜玉·塑料感应焊接技术线圈的匝数取决于焊缝的总表面积。多匝线圈的长度不应大于线圈直径的3~4倍。盘圈形线圈（如图6c）用于加热较大平面面积，它们是由在水平面盘绕管材至预定直径而制成。发夹式线圈（如图6d）是挤压在一起的单匝线圈，匝间耦合距离等于零件厚度。随着耦合距离的减少，磁场更加集中。发夹式线圈可以形成不规则形状，用于连接长的平直薄板或玻璃纤维毡复合材料制成的结构件的周边封接。对于大型零件如管道或导管，或者接近结合线受限的零件，可以采用拆分线圈（如图6e）。这些线圈可以打开便于零件拆卸。件和工作线圈的设计、磁场频率（感应焊工作频率根据加热元件的成分进行选择）、电磁材料的种类等。5各种塑料的