塑料感應(yīng)焊接技術(shù)(中)

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3期)

3.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(dòng)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級(jí)的固態(tài)功率發(fā)生器如金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在這種類型的發(fā)生器中，磁場(chǎng)頻率是由發(fā)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(dòng)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(見上期)所示，典型的感應(yīng)焊機(jī)由五部分組成: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。

感應(yīng)發(fā)生器

依據(jù)使用情況，感應(yīng)發(fā)生器將50或60Hz的電源轉(zhuǎn)變?yōu)楣β室话銥?－5kW的高頻(2－10MHz)電源。加感線圈(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。

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(dòng)，通過熱交換器冷卻。熱交換器通常與發(fā)生器連成一體。

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。

夾具

夾具或定位器具在焊接過程中將零件組合在一起。一個(gè)器具通常是固定的而另一個(gè)是可動(dòng)的。因?yàn)楣ぷ骶€圈附近存在金屬導(dǎo)體會(huì)降低磁場(chǎng)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。

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(chǎng)。它必須與感應(yīng)發(fā)生器的功率輸出相配，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(duì)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1.6mm)。短的耦合距離絕對(duì)必要，因?yàn)楦鶕?jù)平方反比定律，來自于磁場(chǎng)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(zhǎng)達(dá)6.1m的接頭。還可在線圈中心放置銅反射器以便將磁場(chǎng)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)合線處的未激勵(lì)線圈(non－energized 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 3.2mm、4.8mm、6.4mm、9.5mm。由于3.2mm線圈中的狹窄水流會(huì)造成過熱，所以3.2mm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(1.6mm厚)用于加熱127×508mm或25.4×2030mm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(jiǎn)單的線圈設(shè)計(jì)是單匝線圈(圖6a)，磁場(chǎng)集中在線圈內(nèi)徑周圍。在線圈引線端形成較弱場(chǎng)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(圖6b)消除了單匝線圈的弱磁場(chǎng)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?chǎng)強(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152mm時(shí)有必要使用反射器以獲得最大效率。線圈的匝數(shù)取決于焊縫的總表面積。多匝線圈的長(zhǎng)度不應(yīng)大于線圈直徑的三到四倍。盤圈形線圈(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)定直徑而制成。發(fā)夾式線圈(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(chǎng)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(zhǎng)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(duì)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(圖6e)。這些線圈可以打開便于零件拆卸。

圖6 常用感應(yīng)焊工作線圈設(shè)計(jì)

4.感應(yīng)焊工藝參數(shù)

感應(yīng)焊不如其他焊接方法(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。

典型的感應(yīng)功率范圍為1－5kW。較大零件或較長(zhǎng)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(duì)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秒。

感應(yīng)焊接過程中的其它重要因素包括:零件和工作線圈的設(shè)計(jì)、磁場(chǎng)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。

(未完待續(xù):見本刊2015年第5期)