浅析塑料感应焊接技术

作者:张胜玉 文章来源:广州市特种设备行业协会 点击数:25 发布时间:2014-10-24
感应焊接是一门简单,快捷且可靠的塑料焊接技术,其商业应用已有三十多年的历史,在焊接压力容器和其他高要求零件(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.

感应焊接是一门简单、快捷且可靠的塑料焊接技术,其商业应用已有三十多年的历史,在焊接压力容器和其他高要求零件(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。感应焊接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他方法焊接的高填充复合物。本文从感应焊接的原理及过程、植入物、焊接设备、工艺参数以及焊接性、接头设计、特点、应用和最新进展等方面对该技术进行了解析。

大多数塑料焊接方法如超声波焊接、振动焊接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等原因,这些方法不能被采用。这时须考虑采用外加材料的方法,感应焊接就是其中之一。感应焊接,又叫感应植入焊接,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。感应焊接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使用量的显著增长,感应焊接已逐渐成为基础设计和制造方法至关重要的一环。

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:涡流加热和磁滞加热。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;而在导电磁性材料(如铁基铁磁材料)中,磁滞损耗加热和涡流加热都将发挥加热作用。加热速度由焊接界面处植入物的磁导率或磁化率决定。磁滞损耗的大小则用文中典型的磁滞回线图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。由于即使具有最佳磁性的磁感受体,其在单个磁滞回线(磁滞循环)产生的发热量极小(温升约0.003℃),所以需要采用高频电源(2~10MHz)进行有效加热。

感应焊接过程分为4个阶段:第一阶段为放置植入物,即通过手工或者使用自动装置将植入物放在接合处;第二阶段为施压,即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;第三阶段为感应加热,即电源作用于感应线圈,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地加热植入物,在加热过程中,植入物流动填补零件之间的间隙;第四阶段为零件的冷却和拆卸,即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。

感应焊接植入物

植入物有时称作电磁感受体?/电磁材料、粘合剂,是感应焊接过程中的加热元件。粘合剂由填满填料的树脂组成。颗粒填料或者丝或网状植入物用于提供热源。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(金属网或者不同类型、颗粒大小和浓度的铁磁粉末)的种类和数量影响能量吸收,进而影响结合线处的发热量。电磁材料通常要专门配制以便固化时内部放热量较少,否则接头过热,粘合剂会热降解。

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。而对于异种材料,使用的基体则是两种热塑性塑料的混合物。感应焊接设备供应商也提供焊接异种材料的专利复合物。

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、挤塑型材和注塑成型制品等可供选用。通过夹物模压、双色模塑、共挤压或共注射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。

感应焊接设备

焊接装置可以是集成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。匹配网络可远距离放置或者移动以满足各种不同工业要求。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5部分组成:感应发生器、工作线圈(感应线圈)、热交换器、压力机以及夹具或器具。

感应焊接工艺参数

感应焊接对工艺参数的敏感度不如其他焊接方法(如振动焊接)。感应焊接的主要工艺参数为:功率、焊接时间、焊接压力和冷却时间。其中,焊接时间是影响焊缝强度最主要的因素,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。冷却时间则随用途而变化,可能少于1s。

感应焊接过程中的其他重要因素包括:零件和工作线圈的设计、磁场频率(感应焊接工作频率根据加热元件的成分进行选择)以及电磁材料的种类等。

各种塑料的感应焊接性

同其他焊接方法相比,感应焊接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),以及高性能和难焊树脂。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,从而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。感应焊接也可用于连接热固性塑料(如片状模塑料)和其他非金属母材。这时,粘合剂充当热熔性胶粘剂。各种热塑性塑料的感应焊接相容性详见表。

感应焊接接头设计

感应焊接接头设计是开发新应用的高交互过程。典型的设计流程包括材料相容性初步试验、概念布局与建立三维实体模型、对实验室压制机中的原型零件进行设计验证以及对生产工装中的生产件的工业化生产过程进行验证。典型的接头设计包括:平面-平面接头、平面-凹槽接头、榫槽接头和阶式接头。

适当的接头形状和尺寸是感应焊接零件设计的重要考虑事项。接头形状和高频线圈空间布置之间的相互关系决定能量从高频线圈传递至接头处电磁材料的总效率。结合线应相对于外壁均匀布置。这一点对于保证耦合距离(即工作线圈与结合线之间的距离)恒定必不可少。接头本身应尽可能规则,最好是环状或圆柱形的。不规则形状的接头需要更复杂和更昂贵的工作线圈且难于均匀加热。接合线应尽可能靠近线圈。应避免采用阻碍工作线圈靠近接合线的外部突缘、突出部或其他不规则物。可以采用使耦合距离可能达25mm的特殊反射线圈。但反射线圈需要开发,成本较昂贵,工作效率不及贴身线圈。

接头设计应考虑熔化电磁材料的流动。熔化电磁材料会沿着最小阻力的路径流动并按设计填满空隙或者填满收缩或下凹表面。接头应尽可能设计成剪切接头而不是剥离或对接接头。不同的接头设计需要不同形状的电磁材料,例如,榫槽接头需在凹槽处放置模压垫圈或挤压线束,而平面-平面接头需在两表面之间放置带材或挤压线束。

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接时间仅为3s。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,所以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,所以感应焊接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, 能够适应不平整调节安装。感应焊接适宜于长焊缝,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)。感应焊接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。感应焊接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,都能够用感应焊接连接。

同粘接和铆接接头相比,感应焊接获得的接头强度更强。感应焊接的其他优点还包括: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。

感应焊接的主要缺点为:设备昂贵;植入物的额外费用可能很高。此外,植入物保留在接头区域之中,直接影响接头强度。

感应焊接应用

在包装领域中,感应焊接在无菌饮料盒的密封中的应用量最大。除此之外的其他应用还包括:化妆盒、涂塑金属盖与塑料瓶的封接。

在汽车领域,感应焊接则被用于对40%玻璃纤维毡增强聚丙烯复合材料制成的旅行车货厢地板和座椅靠背、玻璃填充的PA6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、山都平/聚丙烯材料连接的方向盘气囊袋以及汽车尾灯、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和片状模塑料(SMC)的焊接。

感应焊接在医疗设备领域的应用有聚碳酸酯血液氧合器和动脉滤器零件;在家用器具领域的应用有蒸汽熨斗、洗碗机喷射水臂、聚丙烯水壶和30%玻纤增强聚丙烯反渗透水箱;在电子工业领域的应用有聚碳酸酯结构泡沫计算机控制台。其他的应用还包括: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以及高密度聚乙烯螺纹管件与吹塑圆筒的焊接等。

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公司已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。

以前的高频电源输出是一个静态过程——在很多方面类似其他塑料焊接方法如超声波焊接和热板焊接等,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,使得感应焊接变成了动态过程。因此,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。

感应焊接的最新进展集中于通过持续改进植入电磁材料的性能、焊接设备、统计过程控制和接头优化设计等方面来最优化增强塑料复合材料接头的力学性能。感应焊接最广泛用于聚烯烃,最近在承载或高强度应用的工程塑料如尼龙6中的使用量也在日益增加。例如,汽车工业开始广泛采用玻纤增强尼龙基塑料,安全、耐用要求是最优先考虑的问题,感应焊接技术以其在重载、承载汽车塑料件的设计中的成功应用向汽车工程界证明了其优良的实用性、适用性和独特的能力。

结语

感应焊接快捷、可靠,克服了其他一些连接方法固有的一些缺点。感应焊接对零件尺寸和几何形状限制少,唯一的要求是感应线圈需设计成能施加均匀的电磁场。感应焊接在焊接大型或不规则形状零件时优势明显。即使在表面不平整或零件之间公差较大的情况下,电磁材料依然能填满结合面处的模制不平整或空隙以确保实现良好连接。感应焊接的废品率很低,即便出现缺陷焊缝,还可通过将已焊件置于电磁场中重熔进行脱焊和重焊。感应焊接加热仅发生在电磁嵌件接触的地方,母材主体保持室温从而避免了降解或变形的发生。感应焊接对温度和湿度变化不敏感,较少依赖于待焊材料的性能,如颜色或熔化温度。感应焊接能够形成所有热塑性塑料及某些热固性塑料的结构密封或气密焊缝,能产生可靠性好、强度高的耐压密封接头,如医疗设备应用。组件中含有金属零件时需特别考虑,因为在接头附近和磁场中的任何金属也会发热。如果这种情况无法避免,需专门设计工作线圈。感应加热线圈应尽可能靠近接头。对于复杂设计,线圈轮廓可与接头相符。

感应焊塑料零件的最佳力学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以及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3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、机械固定另外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和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,以及改善加热效率、预制件形状和熔化特性的高性能感受体粒子。

3.设备设计与集成,包括:具有易控制较宽范围功率输出装置的高频发生器、具有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及同时焊接多条焊缝等。

感应焊接能焊接全系列工程塑料及难以用其他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使用量的显著增长,感应焊接正成为基础设计和制造方法中至关重要的一环。

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