塑料感应焊接技术

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，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，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。
感应焊接过程分为四个阶段：
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；
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；
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；
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。

2.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。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效率。对于同种材料制成的热塑性零件的焊接，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。

3.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。的感应焊机使用的是能精确控制功率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。
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。
（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。
简单的线圈设计是单匝线圈，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效率。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。

4.感应焊工艺参数
感应焊不如其他焊接方法（如振动焊）对工艺参数敏感。感应焊的主要工艺参数是：功率、焊接时间、焊接压力、冷却时间。
焊接时间是影响焊缝强度主要的因素，其次是功率。同时间和功率相比，压力对强度影响很小。在功率和压力不变的情况下，焊缝强度与加热时间成正比。
典型的感应功率范围为1~5kW。较大零件或较长接头的零件需较高的功率输出。功率输出也随接头与线圈之间耦合距离的增加而增加。
焊接时间取决于电磁填料的种类与颗粒大小、热塑性基体中密闭的电磁填料的横截面积、功率输出、频率和工件尺寸。这些参数针对每一特定用途进行调整。
焊接压力确保植入物在接头内部的均匀分布。冷却时间随用途而变化，可能少于1s。
感应焊接过程中的其它重要因素包括：零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.各种塑料的感应焊接性
同其它焊接方法相比，感应焊较少依赖于待焊材料的性能。可焊接所有热塑性塑料（无论是结晶性还是非结晶性塑料）。能焊接高性能和难焊树脂。容易焊接的热塑性塑料包括：各种等级的ABS、尼龙、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认为难焊的材料如乙缩醛、改性聚苯醚、聚碳酸酯。
某些异种材料或含有玻璃、滑石、矿物质、木材或其它填料的热塑性塑料均可焊接。感应焊可连接某些异种材料如高填充热塑性塑料以及软弹性体与硬质塑料。还可用于连接热塑性材料与非热塑性材料如纸。在焊接异种热塑性塑料时，含有铁磁性颗粒的热塑性基体由两种待焊材料的混合物组成。在焊接含填料材料时，植入材料中的热塑性树脂含量可以提高以补偿零件中的填料含量，在焊接过程中产生更大量的熔体，形成更高强度的接头。填料含量高达65%的增强塑料已能成功焊接。交联低密度和高密度聚乙烯可用普通的低密度或高密度基体材料进行焊接。感应焊能焊接玻璃和碳纤维增强的热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。感应焊也可用于连接热固性塑料（如片状模塑料）和其它非金属母材。这时，粘合剂充当热熔性胶粘剂（hotmeltadhesive）。

6.感应焊接特点
由于感应加热只发生在界面处，热量不必从外源或经由母材传至所需位置，所以焊接速度很快。焊接时间一般为1~30s，如聚乙烯接头的感应焊可以只花短短的3s时间。自动焊接设备焊接速度可达每分钟150个零件。因为热量只在需要的地方产生，在零件主体中不产生热应力。由于位于接头界面处的电磁材料熔化时，在压力下流入空隙和不平整表面，可形成废品率接近于零的可靠焊缝。所以感应焊对零件尺寸和几何形状限制少，焊接表面可以相当不规则及形状比较复杂（如复杂形状的三维接头）,能够适应不平整调节安装。感应焊适宜于长焊缝，能焊接大型零件（可一次焊接长达6.1m的熔合线），还可同时焊接多个小型零件（商业应用的线圈已可同时焊接20条单独的焊缝）。感应焊的另一优点是能够沿接头移动线圈以形成连续的焊缝。为了加工复杂的结构,可以用机器人控制线圈。如果需要，焊后零件可以用同样的设备打开以修补缺陷焊缝或打开组件用于内部修理或者回收。感应焊能够形成所有热塑性塑料及某些热固性塑料（如SMC）的结构密封或气密焊缝，尤其适用于焊接高熔点塑料如现代工程塑料（典型的例子是许多汽车发动机罩零件）。某些不能用其他方法焊接的不相容材料（不论其熔化温度如何）能够用感应焊连接。同粘接和铆接接头相比感应焊获得的接头强度高出许多。感应焊其它优点包括：零件热损伤、变形和过量软化较少、熔化材料从结合线处挤出较少、可实现密封、容易通过调节电源功率进行控制、母材不需预处理、粘合剂保存期限不受限制等。
感应焊的主要缺点是感应焊设备昂贵、植入物的额外费用可能很高、工作线圈的优化配置成本以及将植入物置于接头处的附加装配作业。此外植入物保留在接头区域之中，直接影响接头强度。

7.感应焊接应用
感应焊用量的是无菌饮料盒的密封（盒壁中的铝箔层通过感应加热熔化和密封低密度聚乙烯外层）。包装行业其它应用还有：化妆盒（聚乙烯与聚丙烯的焊接）、涂塑金属盖与塑料瓶的封接
汽车工业：由40%玻璃纤维毡增强聚丙烯复合材料组成的旅行车货厢地板和座椅靠背、玻璃填充的PA6注塑进气谐振器、30%~33%玻璃纤维增强的尼龙6散热器溢流箱、动力转向储液罐、三都平（热塑性橡胶）/聚丙烯材料连接的方向盘气囊袋、汽车尾灯、PBT热塑性聚酯两部分保险杠、聚碳酸酯汽车保险杠、汽车仪表板、汽车防撞箱形零部件、片状模塑料（SMC）的焊接。
医疗设备：聚碳酸酯血液氧合器、动脉滤器零件。
家用器具：蒸汽熨斗、洗碗机喷射水臂、聚丙烯水壶、30%玻纤增强聚丙烯反渗透水箱。
电子工业：聚碳酸酯结构泡沫计算机控制台。
其它应用还有：玻璃纤维毡聚丙烯复合防风门、交联聚乙烯管的连接、金属格栅与扬声器前部的焊接、高密度聚乙烯割草机护罩及燃料箱的焊接、高密度聚乙烯螺纹管件与吹塑圆筒的焊接等。

8.感应焊接进展
以前，非智能振荡管高频发生器反馈能力有限。现今美国Emabond公司开发出了带易控制功率输出装置的新型固态高频发生器，它能够提供焊接过程控制和反馈并能精确控制作用于结合线处的能量。新型高频发生器和功率输出装置采用复杂的高频转换技术提高客户产品设计能力和过程控制能力。高频发生器可编程，控制器提供自诊断和对焊接过程的多种控制能力。该新型高频发生器已获得FCC（美国联邦通信委员会）和CE（欧盟）的批准。优点包括：精确控制结合线处的能量（包括功率级直线上升或功率脉冲调制）；对在焊接过程中靠近或留存在结合线内的非塑料零件如金属和精密电子元件加热量小或者不加热；允许点焊和连续扫描结合线的移动电源程序包；更宽的总功率范围；降低总成本。
以前的高频电源输出是一个静态过程——在很多方面类似其它塑料焊接方法如超声波焊和热板焊等，在通过摩擦或外部热源施加能量时工件通常在夹具中保持固定。易控制功率输出装置的出现允许工件在高频能量均匀作用时在夹具中受压下产生移动。电源可同焊件一起移动或者工件从固定高频电源旁边经过。感应焊变成了动态过程。新型固态高频发生器完成了从静态到动态焊接过程的提升。
感应焊进展集中于通过持续改进植入电磁材料的性能、焊接设备、统计过程控制、接头优化设计等方面来化增强塑料复合材料接头的机械性能。感应焊广泛用于聚烯烃，近在承载或高强度应用的工程塑料如尼龙6中使用量日益增加。汽车工业广泛采用了玻纤增强尼龙基塑料，安全、耐用要求是先考虑的问题。感应焊技术在重载、承载汽车塑料件的设计中向汽车工程界证明了其有效性、适用性和独特的能力。

感应焊塑料零件的机械性能取决于很多因素，包括零件总体设计、适当接头形状的选择、工作线圈的设计、电磁植入材料的成分和特性、焊接工艺规范的选择等。
成功的感应焊接方案需要优化以下三个重要方面：
（1）零件应用设计、接头设计及材料选择。包括：内部金属件的焊接、机械留存附加内部零件于结构接缝内、高温热塑性塑料的焊接、高玻璃含量增强塑料的焊接、不规则形状的均匀焊接等。
（2）植入材料配方、外形和组件插入。包括：能配置成预制件的较广范围的热塑性塑料，改善加热效率、预制件形状和熔化特性的高性能感受体颗粒。
（3）设备设计与集成。包括：具易控制较宽范围功率输出装置的高频发生器、具数据采集的动力过程控制、允许长的不规则结合线展开的软高频电缆、同时焊接多条焊缝等。
感应焊能焊接全系列工程塑料及难以用其它方法焊接的高填充复合物。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，感应焊接正成为基础设计和制造方法至关重要的一环。