塑料感應(yīng)焊接技術(shù)

1、塑料感應(yīng)焊接技術(shù)Plastic induction welding technology張勝玉 ( 廣州市特種設(shè)備行業(yè)協(xié)會，廣東 廣州 510380) 摘要 ：感應(yīng)焊接是一門簡單、快捷、可靠的塑料焊接技術(shù)。該技術(shù)是通過感應(yīng)加熱向設(shè)計(jì)接頭精確輸出能量，接頭處的 植入材料選擇吸收能量、 熔化和流動以填滿接頭。塑料感應(yīng)焊接商業(yè)應(yīng)用已有三十多年歷史， 在焊接壓力容器和其它高要求 零件（需高強(qiáng)度和外形美觀的結(jié)構(gòu)、 密封接頭）方面獲得了持續(xù)成功。感應(yīng)焊最初之所以大受歡迎是因?yàn)樗行У亟鉀Q了低 表面能聚合物如聚丙烯和聚乙烯的焊接問題， 過去的十年里其使用范圍已擴(kuò)展到覆蓋全系列工程塑料及難以用其它方法焊接 的

2、高填充復(fù)合物。本文論及感應(yīng)焊接原理及過程 、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 、最新進(jìn)展。 關(guān)鍵詞 ：感應(yīng)焊接 ；工作線圈 ；植入物 ；電磁材料 ；渦流加熱 ；磁帶損耗加熱 中圖分類號 ：TQ320.674 文章編號 ：1009-797X(2014)22-0017-10 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ：B大多數(shù)塑料焊接方法如超聲波焊 、振動焊 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 （ impla

3、nt induction welding ），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 ，最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 。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 ，然后對植入物施加 一個(gè)由高頻電 源（ 210 MHz ）產(chǎn)生的交變磁場， 作者簡介 ：張勝 玉（1970-

4、 ），男 ，高級工程師 ，畢業(yè) 于上海交通大學(xué)材料科學(xué)及工程系焊接專業(yè) ，工學(xué)學(xué)士 ，已 發(fā)表論文 1 0 余篇 ，其中 塑料激光焊接在第三屆華中地 區(qū)科學(xué)技術(shù)推廣大會榮獲二等獎 ，攪動摩擦焊原理及應(yīng)用 被中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會評為一等獎 ，研究方向?yàn)樗芰霞?復(fù)合材料焊接，焊接新技術(shù)新工藝。 收稿日期 ：2014-08-04 2014年 第40卷17橡塑技術(shù)與裝備（塑料版）CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT(Plastic edition)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)壓力下將兩零件熔合在一起形 成持久焊縫

5、。 電磁材料 （導(dǎo)電材料或鐵磁材料）置于交 變磁場中時(shí)會出現(xiàn)感應(yīng)加熱 。感應(yīng)焊接有兩種 加熱機(jī)理 ：焦耳加熱（渦流加熱，見圖 1 ）和磁 滯加熱 。感應(yīng)加熱是由渦流和磁滯損耗產(chǎn)生的 ，兩者的相對大小取決于磁場作用下材料的磁性 。 在導(dǎo)電非磁性材料 （如鋁粉）中只出現(xiàn)渦流加 熱 ；在非導(dǎo)電的鐵磁性材料 （如陶瓷鐵氧體） 中只發(fā)生磁滯損耗加熱 。在導(dǎo)電磁性材料 （如 鐵基鐵磁材料）中 ，磁滯損耗加熱和渦流加熱 都起很大作用 。加熱速度由焊接界面處植入物 的磁導(dǎo)率或磁化率決定 。磁滯損耗的大小由圖 2 中包圍的面積來描述 ，磁滯回線包圍的面積 與轉(zhuǎn)化為熱量的能量成正比 。需要高頻 （ 210 MHz

6、 ）進(jìn)行有效加熱的原因是即使具有最佳磁 性的磁感受體 ，單個(gè)磁滯回線 （磁滯循環(huán)）產(chǎn) 生的發(fā)熱量也是極小的（溫升約 0.003 ）。磁滯損耗 （ hysteresis loss ）是指鐵磁材料 在磁化過程中由磁滯現(xiàn)象引起的能量損耗 。磁 性體的磁化存在著明顯的不可逆性 （如圖 2 所示 ），當(dāng)鐵磁體被磁化到飽和狀態(tài)后 ，若將磁場 強(qiáng)度 H 由最大值逐漸減小時(shí) ，其磁感應(yīng)強(qiáng)度 B不是循原來的途徑返回 ，而是沿著比原來的途 徑稍高的一段曲線而減小 ，當(dāng) H =0 時(shí)， B 并不 等于零，即磁性體中 B 的變化滯后于 H 的變化。 磁性物質(zhì)都具有保留其磁性的傾向 ，磁感應(yīng)強(qiáng) 度 B 的變化總是滯后于

7、磁場強(qiáng)度 H 的變化 ，這 種現(xiàn)象就是磁滯現(xiàn)象 。磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 與磁場強(qiáng) 度 H 之間呈現(xiàn)磁滯回線關(guān)系 。經(jīng)一次循環(huán) ，每 單位體積鐵芯中的磁滯損耗等于磁滯回線的面 積 。這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能 ，磁滯損耗的大小 取決于所用材料的磁滯回線。 渦流損耗（ eddy current loss ）導(dǎo)體處在隨時(shí)間變化的磁場中時(shí) ， 導(dǎo)體內(nèi) 感生的電流導(dǎo)致的能量損耗 ，叫做渦流損耗 。 在導(dǎo)體內(nèi)部形成的一圈圈閉合的電流線 ，稱為 渦流 。由于電流的熱效應(yīng) （通過 I 2 R 加熱 ），渦 流會使導(dǎo)體發(fā)熱 ，消耗能量 。如果導(dǎo)體的電阻 率小 ，則產(chǎn)生的渦流很強(qiáng) ，發(fā)熱量就很大 。渦 流損耗的大小與磁場的變

8、化方式 、導(dǎo)體的運(yùn)動 、 導(dǎo)體的幾何形狀 、導(dǎo)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率等因 素有關(guān)。 如圖 3 所示，感應(yīng)焊接過程分為四個(gè)階段 ： 第一階段 ：放置植入物 。通過手工或者使 用自動裝置將植入物放在接合處，如圖 3a 。圖 1感應(yīng)焊渦流加熱圖 2典型的磁滯回線圖 3 感應(yīng)焊接過程18第40卷 第22期張勝玉塑料感應(yīng)焊接技術(shù) 第二階段 ：施 壓 。將零件放入與氣缸相連 的夾具中對零件施壓 ，或者通過將感應(yīng)線圈嵌 入其中的聚四氟乙烯或陶瓷塊對零件加壓 ，如 圖 3b 。第三階段 ：感應(yīng)加熱 。電源作用于感應(yīng)線 圈 （工作線圈 ），產(chǎn)生加熱植入物的電磁場 ，通 過熱傳導(dǎo)依次加熱和熔化周圍的熱塑性塑料 。 由

9、于隨著離工作線圈的距離的增加 ，電磁場呈 指數(shù)衰減 ，所以接頭應(yīng)盡可能靠近線圈以便最 大限度加熱植入物 。在加熱過程中 ，植入物流 動填補(bǔ)零件之間的間隙，如圖 3c 。第四階段 ：零件的冷卻和拆卸 。在達(dá)到預(yù) 定焊接時(shí)間之后 ，切斷電源 ，零件在壓力下冷 卻至預(yù)設(shè)時(shí)間 。然后移走焊接組件 ，循環(huán)重復(fù) 進(jìn)行，如圖 3d 。熱塑性零件的焊接 ，基體通常與零件材料相同 ，在熔體流動方面是相配的 。例如 ，在焊接聚乙 烯 時(shí) ，粘合劑可以是含有 0.5%0.6% 體積百 分?jǐn)?shù)磁性氧化鐵粉末的聚乙烯樹脂 。對于異種 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

10、 化合物。 電磁感應(yīng)方法也用于快速固化熱固性粘合 劑如環(huán)氧樹脂 。在連接熱固性塑料如片狀模塑 料時(shí) ，粘合劑基體包圍電磁材料 。熱量直接在 粘合劑中產(chǎn)生 ，提供快速固化 。在環(huán)氧樹脂的 固化過程中膠凝時(shí)間可短至 30 s 。粘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 （ die - cut preform ）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 、注塑 成型制品等 （見圖 4 ）可供選用 。通過夾物模 壓（ insert molding ）、 雙 色 模 塑 （ two -

11、color molding ）、共擠壓 （ co - extrusion ）或共注射 （ co - injection ）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。 感應(yīng)焊接植入物 植 入 物 （ implant ）， 有 時(shí) 稱 作 電 磁 感 受 體 / 電 磁 材 料 （ electromagnetic susceptor/ material ）、 磁 感 受 體 / 鐵 磁 材 料 （ magnetic susceptor/ ferromagnetic material ）、 感 受 材 料 / 復(fù)合物（ susceptor material / compound ）、

12、 粘合劑 （ binder/bonding agent ），是感應(yīng)焊接 過程中的加熱元件 （發(fā)熱體 ）。顆粒填料或者絲 或網(wǎng)狀植入物用于提供熱源 。感應(yīng)加熱使用的 粘合劑由填滿金屬粒子或氧化鐵的熱塑性樹脂 組成 。粘合劑在感應(yīng)磁場中熔化并形成粘合接 頭 。填料材料可以是簡單的鐵磁材料如金屬鐵 或不銹鋼 ，也可以是提供更精確溫度控制的陶 瓷鐵氧體材料 。最常用的填料是非常細(xì)小的微 米級鐵磁粉末 。填料的種類和數(shù)量影響能量吸 收 ，因而影響結(jié)合線處的發(fā)熱量 。電磁材料通 常得專門配制以便固化時(shí)內(nèi)部放熱量較少 。否 則接頭會過熱，粘合劑會熱降解。 為了連接熱塑性塑料 ，這些電磁材料 （金 屬網(wǎng)或者不

13、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 。對于同種材料制成的 2圖 4 各種形狀的植入物感應(yīng)焊接設(shè)備 焊接裝置可以是整合機(jī)器人材料搬運(yùn)的高 度自動化的多站裝置或手工裝卸零件的單站裝 置 。最新的感應(yīng)焊機(jī)使用的是能精確控制功率 32014年 第40卷19橡塑技術(shù)與裝備（塑料版）CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT(Plastic edition)級的固態(tài)功率發(fā)生器如金屬氧化物半導(dǎo)體場效 應(yīng)晶體管 。在這種類型的發(fā)生器中 ，磁場頻率 是由發(fā)

14、生器電路決定的 ，因而需要匹配網(wǎng)絡(luò)使 發(fā)生器輸出阻抗與工作線圈阻抗匹配 。匹配網(wǎng) 絡(luò)是可遠(yuǎn)距離放置或者移動以滿足各種不同工 業(yè)要求的關(guān)鍵組成部分 。固態(tài)裝置的控制電路 比普通的振蕩管發(fā)生器復(fù)雜得多 ，但是它能提 供復(fù)雜精確的功率輸出控制。 如圖 5 所示 ，典型的感應(yīng)焊機(jī)由五部分造成： 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。 在一起 。一個(gè)器具通常是固定的而另一個(gè)是可 動的 。因?yàn)楣ぷ骶€圈附近存在金屬導(dǎo)體會降低 磁場強(qiáng)度 ，所以器具是由非導(dǎo)電材料如酚醛樹 脂或環(huán)氧樹脂制成。 （ 5 ）工作線圈（感應(yīng)線圈） 工作線圈的作用是提供繞過接頭的磁場。它 必須與感應(yīng)發(fā)生器

15、的功率輸出相配 ，其設(shè)計(jì)必 須降低高頻時(shí)起弧或過載的傾向 。工作線圈的 設(shè)計(jì)和布置對于獲得高強(qiáng)度焊縫和過程高效率 至關(guān)重要 。工作線圈應(yīng)符合零件外形 ，可以為 每個(gè)零件量身定做。線圈與接頭之間的距 離（耦 合距離）應(yīng)盡可能小 （原則上小于 1.6 mm ）。 短的耦合距離絕對必要 ，因?yàn)楦鶕?jù)平方反比定 律 ，來自于磁場中用于發(fā)熱的能量與離線圈距 離的平方成反比 。感應(yīng)線圈能適應(yīng)三維接頭 ，可焊長達(dá) 6.1 m 的接頭 。還可在線圈中心放置 銅反射器以便將磁場集中在接頭區(qū)域內(nèi) 。反射 器（ reflector ） / 反 射 線 圈 （ reflection coil ） 是使磁力線指向結(jié)合線處

16、的未激勵(lì)線圈 （ non -ener gized coil ）。線圈可由銅管 、薄板或機(jī)加工塊制成 。所有 線圈都是水冷的 。管線圈可以是方的 、圓的或矩 形的 ，常規(guī)尺寸是 3.2 mm 、 4.8 mm 、 6.4 mm 、 9.5 mm 。由于 3.2 mm 線圈中的狹窄水流會造 成過熱，所以 3.2 mm 線圈僅用于不受輕微過熱 影響的短加熱循環(huán)和小型零件 。在獲得最佳耦 合距離方面 ，方管優(yōu)于圓管 。銅薄 板（ 1.6 mm 厚） 用于加熱 127508 mm 或 25.42 030 mm 的大 型零件和密封大的表面積及不規(guī)則的平面形狀。 最簡單的線圈設(shè)計(jì)是單匝線圈 （如圖 6a ）

17、， 磁場集中在線圈內(nèi)徑周圍 。在線圈引線端形成 較弱場強(qiáng) ，這個(gè)問題可通過使用反射器減輕 。 單匝線圈所需空間比其它設(shè)計(jì) 少 。多匝線圈 （如圖 6b ）消除了單匝線圈的弱磁場強(qiáng)度 。依 據(jù)接頭外形的不同 ， 多匝線圈可以是焊接圓形 容器的圓柱形或螺旋形 ，或者是矩形 、方形或 不規(guī)則形狀 。因?yàn)樽畲蟠艌鰪?qiáng)度在線圈內(nèi) ，接 頭應(yīng)置于線圈中心 。在待焊零件尺寸大于等于 152 mm 時(shí)有必要使用反射器以獲得最大效率 。圖 5感應(yīng)焊機(jī)簡圖（ 1 ）感應(yīng)發(fā)生器 依據(jù)使用情況 ，感應(yīng)發(fā)生器將 50 Hz 或 60 Hz 的電源轉(zhuǎn)變?yōu)楣β室话銥?15 kW 的高頻 （ 210 MHz ） 電源。加感線圈

18、 （負(fù)載工作線圈） 的阻抗匹配發(fā)生器的輸出阻抗以確保一致有效 的系統(tǒng)運(yùn)作。這稱之為線圈調(diào)諧。 （ 2 ）熱交換器 在焊接循環(huán)過程中 ，很高的電流流過感應(yīng) 線圈 。為防止過熱 ，水在線圈中循環(huán)流動 ，通 過熱交換器冷卻 。熱交換器通常與發(fā)生器連成 一體。 （ 3 ）壓力機(jī) 在焊接過程中施壓裝置通常是與氣缸或液 壓缸相連的壓頭。 （ 4 ）夾具 夾具或定位器具在焊接過程中將零件組合 20第40卷 第22期張勝玉塑料感應(yīng)焊接技術(shù) 線圈的匝數(shù)取決于焊縫的總表面積 。多匝線圈 的長度不應(yīng)大于線圈直徑的 34 倍 。盤圈形線 圈 （如圖 6c ）用于加熱較大平面面積 ，它們是 由在水平面盤繞管材至預(yù)定直徑

19、而制成 。發(fā)夾 式線圈 （如圖 6d ）是擠壓在一起的單匝線圈 ， 匝間耦合距離等于零件厚度 。隨著耦合距離的 減少 ，磁場更加集中 。發(fā)夾式線圈可以形成不 規(guī)則形狀 ，用于連接長的平直薄板或玻璃纖維 氈復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)件的周邊封接 。對于大 型零件如管道或?qū)Ч?，或者接近結(jié)合線受限的 零件， 可以采用拆分線圈（如圖 6e ）。這些線圈 可以打開便于零件拆卸。 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 同其它焊接方法相比 ，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

20、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 ：各種等級的 ABS 、 尼龍、 聚酯、 聚丙烯、 聚乙烯、 聚苯乙烯 、 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) 、 木材或其它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

21、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 。填料含量高達(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 、 PA12 、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） 和其它非金屬母材 。這時(shí) ，粘合劑充當(dāng)熱熔性 膠粘劑 （ hot melt adhesive ）。表 1 顯示了各種 熱塑性塑料的感應(yīng)焊接相容性。 圖 6 常用感應(yīng)焊工作線圈設(shè)計(jì)感應(yīng)焊工藝參數(shù) 感應(yīng)焊不如其他焊接方法 （如振動焊）對 工藝

22、參數(shù)敏感 。感應(yīng)焊的主要工藝參數(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。 典型的感應(yīng)功率范圍為 15 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)針對每 一特定用途進(jìn)行調(diào)整。 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

23、s 。感應(yīng)焊接過程中的其它重要因素包括 ：零4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 62014年 第40卷21橡塑技術(shù)與裝備（塑料版）CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT(Plastic edition)表 1 各種熱塑性塑料的感應(yīng)焊接相容性聚碳 酸 酯聚苯 乙 烯聚氯 乙 烯離聚物 ( Surlyn )聚苯醚 ( Noryl )聚砜共聚 酯苯乙

24、烯烯共 烴 聚物 類聚物） 苯乙烯共聚物 表示相容 頭設(shè)計(jì)有以下幾種 ：（ 1 ）平面 平面接頭（如圖 7 ）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。 （ 3 ）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) ：具定位功能 ；接頭預(yù)接合 ，組裝簡便 ；物理止動 （ physical stop ）保障 連接件的相對位置 ；植入物在接頭內(nèi)定向流 動 ；由于最終接頭強(qiáng)

25、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剪切接 頭，植入物用片材或帶材。 （ 4 ）階式接頭（如圖 11 ）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 圖 7 平面平面接頭這是最簡單的設(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。 （ 2 ）平面 凹槽接頭（如圖 8 ）平面 凹槽接頭確保焊縫的

26、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 圖 8平面 - 凹槽接頭22第40卷 第22期熱 熱塑性彈性體 乙 丙 纖維 尼龍 聚 聚 聚聚塑ABS 縮 烯 素塑 6.6 ， 丁 乙 丙 氨 SAN 性 醛 酸 料 11 ， 12 烯 烯 烯 酯 聚酯ABS 乙縮醛 丙烯酸 纖維素塑料 離聚物（ Surlyn ） 尼龍 6.6 ， 11 ， 12 聚丁烯 聚碳酸酯 聚乙烯 聚苯醚（ Noryl ） 聚丙烯 聚苯乙烯 聚砜 聚氯乙烯 聚氨酯 SAN （苯乙烯 / 丙烯晴共 熱塑性聚酯 熱塑性彈 共聚酯 性體 烯烴類 張勝玉塑料感應(yīng)焊接技術(shù) 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

27、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 。可以采 用使耦合距離可能達(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 12 闡明了上述原則。 接頭設(shè)計(jì)應(yīng)考慮熔化電磁材

28、料的流動 。熔 圖 9普通榫槽接頭圖 10 高壓榫槽接頭圖 12 感應(yīng)焊接頭設(shè)計(jì)準(zhǔn)則化電磁材料會沿著最小阻力的路徑流動并按設(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^ （見圖 13 ）。在焊接薄板材料時(shí) ，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(jì)需要不同形狀的電磁材料 。圖 11 階式接頭的有限剪切高度空間 。植入物可用 1.27 mm 厚的片材或帶材。 2014年 第40卷23橡塑技術(shù)與裝備（塑料版）CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOG

29、Y AND EQUIPMENT(Plastic edition)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

30、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。 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。 感應(yīng)焊接頭設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ：（ 1 ）原接頭不可達(dá) 。改進(jìn)設(shè)計(jì)可達(dá) ，形狀 更規(guī)則如圖 12 ( a ) 所示。 （ 2 ）原設(shè)計(jì)接頭形狀不規(guī)則使線圈制作和 操作困難如圖 12 ( b ) 所示。 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

31、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 PA 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(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 、動脈濾 器零件。 家用器具 ：蒸 汽熨 斗 、洗碗機(jī)噴

32、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。 其它應(yīng)用還有 ：玻璃纖維氈聚丙烯復(fù)合防 8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 130 s ，如聚乙烯接 頭的感應(yīng)焊可以只花短短的 3 s 時(shí)間。自動焊接 設(shè)備焊接速度可達(dá)每分鐘 150 個(gè)零件 。因?yàn)闊?量只在需要的地方產(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)焊對零 件尺寸和幾何形狀限制

33、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) 6.1 m 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 724第40卷 第22期張勝玉塑料感應(yīng)焊接技術(shù) 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 、

34、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。 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。 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?熱 。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

35、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(jì)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

36、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 10 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

37、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(jì)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 C E（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

38、。 以前的高頻電源輸出是一個(gè)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(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 。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(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

39、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 92014年 第40卷25橡塑技術(shù)與裝備（塑料版）CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT(Plastic edition)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 ：（ 1 ）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?、 高玻璃含量增強(qiáng)塑料的焊接 、

40、不規(guī)則形狀的均 勻焊接等。 （ 2 ）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。 （ 3 ）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。 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(jì)和制造方法至 關(guān)重要的一環(huán)。 參考文獻(xiàn) ：1 2 3 4 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 ，1 1551 179. 張勝玉 . 塑料焊接在汽車工業(yè)上的應(yīng)用 J. 塑料， 2004 ，33 ( 6 ) : 8994. 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 ）：4548. Flavio Caretto. Studying the “induction welding” process applied to thermoplastic-matrix composites. Ener gia,A