塑料感應(yīng)焊接技術(shù)（上）

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)（上）

張勝玉

（廣州市特種設(shè)備行業(yè)協(xié)會(huì)）

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(dòng)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。

感應(yīng)焊接工作線圈 植入物 電磁材料 渦流加熱 磁滯損耗加熱

前言

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（implant 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(duì)植入物施加一個(gè)由高頻電源（2-10MHz）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)壓力下將兩零件熔合在一起形成持久焊縫。

電磁材料（導(dǎo)電材料或鐵磁材料）置于交變磁場中時(shí)會(huì)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(duì)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（2-10MHz）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I2R加熱），渦流會(huì)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化方式、導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)、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)。

圖1 感應(yīng)焊渦流加熱

圖2 典型的磁滯回線

如圖3所示，感應(yīng)焊接過程分為四個(gè)階段：

圖3 感應(yīng)焊接過程

第一階段：放置植入物。通過手工或者使用自動(dòng)裝置將植入物放在接合處。

第二階段：施壓。將零件放入與氣缸相連的夾具中對(duì)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(duì)零件加壓。

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(dòng)填補(bǔ)零件之間的間隙。

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。

2 ．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）、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(jí)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(huì)過熱，粘合劑會(huì)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)，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(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。

圖4 各種形狀的植入物

圖5 感應(yīng)焊機(jī)簡圖

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秒。

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（insertmolding）、雙色模塑（two-colormolding）、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。

（未完待續(xù)：見本刊2015年第4期）

Induction W elding Technique for Plastics

Zhang Shengyu
（Guangzhou Association for Special Equipment，）

Induction welding is a simple，rapid and reliable welding technique for thermoplastics．This technique uses induction heating to provide ameans of precise delivery of energy to a designed joint in which an implantmaterial selectively absorbs energy，melts and flows to fill the joint．Induction welding of thermoplastics has been in commercial use for over thirty years and enjoyed continuing success in welding pressure vessels and other highly demanding components that require robust structural，hermetic，and aesthetically pleasing joints．First popularized for its effective solution for joining low surface energy polymers such as polypropylene and polyethylene，its use has broadened over the past decade to include the full range of engineering thermoplastics and highly filled compounds that are difficult to join by othermethods．This article deals with principle and processes，implant，welding equipment，process parameters，weldability，joint design，characteristics，applications，recent advances of the technique．

Induction welding work coil implant electromagnetic material eddy current heating hysteresis loss heating