塑料感应焊接技术

张胜玉

(广州市特种设备行业协会，广东 广州，510380)

塑料感应焊接技术

张胜玉

(广州市特种设备行业协会，广东 广州，510380)

主要介绍了塑料感应焊接技术原理及过程、植入物、焊接设备、工艺参数、焊接性、接头设计、特点、应用和最新进展，总结了塑料感应焊接技术的优缺点，并提出了塑料感应焊接的优化方案。

感应焊接 工作线圈 植入物 优化

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，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[1-2]。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(如汽车工业)，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(2～10 MHz)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，在适当压力下将零件熔合在一起形成持久焊缝。

感应焊接过程分为4个阶段,如图1所示。

2 感应焊接植入物

植入物，有时称作电磁感受体/电磁材料、磁感受体/铁磁材料、感受材料/复合物、黏合剂，是感应焊接过程中的加热元件(发热体)。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，黏合剂可以是含有0.5%～0.6%体积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黏合剂如环氧树脂。在连接热固性塑料如片状模塑料时，黏合剂基体包围电磁材料。热量直接在黏合剂中产生，提供快速固化。在环氧树脂的固化过程中胶凝时间可缩短至30 s。

黏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、注射成型制品等可供选用(见图2)。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。

3 感应焊接设备

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、夹具或器具。如图3所示。

4 感应焊接工艺参数

感应焊接不如其他焊接方法(如振动焊)对工艺参数敏感。感应焊接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。

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。典型的感应功率范围为1～5 kW。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1 s。

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

同其他焊接方法相比，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：各种等级的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、尼龙、聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、苯乙烯-丙烯腈共聚物(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、木材或其他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。填料质量分数高达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、尼龙12、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)和其他非金属母材。这时，黏合剂充当热熔性胶黏剂。

6 感应焊接接头设计

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、对试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生产件的工业化生产过程进行验证。典型的焊接接头设计如图4～图5所示。

图4(a)的平面-平面接头是最简单的设计，用于连续焊接作业或焊合线较长的零件。该接头仅产生结构焊缝，可用于热成型件、板件、点焊等。植入物可用圆的、扁平的或带状型材。

榫槽接头适用性最广，能获得最高强度焊缝。植入物密闭在接头中，能够产生气密封接和耐压密封及外形美观的焊缝。普通榫槽接头如图5(a)所示，植入物用圆型材。高压榫槽接头如图5(b)所示，用于大型模制件的长剪切接头，植入物用片材或带材。

图5(c)的阶式接头能适应较大的零件收缩变化，产生高压密封接头。该设计利用小型圆柱形模制件中的有限剪切高度空间。植入物可用1.27 mm厚的片材或带材。

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25 mm的特殊反射线圈。但反射线圈需要开发，成本更贵，工作效率不及贴身线圈。图6阐明了上述原则。

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、填满收缩或下凹表面。金属丝或金属薄片位于其中的感应焊接接头应尽可能设计成剪切接头而不是剥离或对接接头。在焊接薄板材料时，由于电磁材料的添加会造成厚度增加。增加量是微不足道的，取决于电磁材料的厚度和焊接过程中作用于接头的压力。

不同的接头设计需要不同形状的电磁材料。榫槽接头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。

图6(a)原接头不可取。改进设计可取，形状更规则。图6(b)原设计接头形状不规则使线圈制作和操作困难。

7 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1～30 s，如聚乙烯接头的感应焊只需3 s。自动焊接设备焊接速度可达每分钟150个零件。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。感应焊的另一主要优点是能够沿接头移动线圈以形成连续的焊缝。感应焊其他优点包括：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、黏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需附加装配作业。此外植入物保留在接头区域中，直接影响接头强度。

(1)3台进口沉降过滤式离心机，设计处理能力35 t/h，实际处理能力仅为12 t/h。2台国产沉降过滤式离心机，设计处理能力30 t/h。

8 感应焊接应用

1) 包装行业。感应焊用量最大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)。其他应用还有：化妆盒(聚乙烯与聚丙烯的焊接)、涂塑金属盖与塑料瓶封接。

2) 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、玻璃填充的尼龙6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、聚对苯二甲酸丁二酯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、片状模塑料的焊接。

3) 医疗设备。聚碳酸酯血液氧合器、动脉滤器零件。

4) 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。

5) 电子工业。聚碳酸酯结构泡沫计算机控制台。

6) 其他应用。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。

9 感应焊接进展

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，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。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、接头优化设计等方面来最优化增强塑料复合材料接头的机械性能。感应焊最广泛用于聚烯烃，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、耐用要求是最优先考虑的问题。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。

10 结语

感应焊快捷、可靠，克服了其他一些连接方法固有的一些缺点。感应焊对零件尺寸和几何形状限制少，唯一的要求是感应线圈设计成均匀的电磁场。感应焊接大型或不规则形状零件优势明显。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。感应焊加热仅发生在电磁嵌件接触的地方，母材主体保持室温避免降解或变形。感应焊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)。组件中含有金属零件时需要特别考虑。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。

另外，成功的感应焊接方案需要优化以下3个重要方面。

a) 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。

b) 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。

c) 设备设计与集成。包括：易控制较宽范围功率输出装置的高频发生器、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。

[1] 张胜玉.塑料焊接在汽车工业上的应用[J]. 塑料,2004,33(6):89-94.

[2] 张胜玉.热塑性复合材料及其焊接[J].纤维复合材料，2000，(4)：45-48.

汽车用含消费后的PP复合物

据“www.ptonline.com”报道，北欧化工公司(在美国新泽西州)最近推出了消费后聚丙烯废料(PCR)和聚丙烯组成的聚丙烯复合物， 主要用于汽车的内饰件、外饰件和发动机外罩。推出的3个新Daplen牌号聚丙烯复合物，据报道与纯聚丙烯相比，有好的加工性能、材料特性和低的成本效益。

牌号ME225SY，含质量分数25%的PCR、质量分数20%的滑石粉和质量分数55%聚丙烯，主要用于汽车内饰件，如车门和行李箱包层等。

牌号MD250SY，含质量分数50%PCR、质量分数20%滑石粉和质量分数30%聚丙烯，主要应用于发动机罩和外饰件，如保险杠部件等。

牌号MD325SY，含质量分数25%PCR、质量分数30%滑石粉和质量分数45%聚丙烯，主要用于发动机罩和外饰件。

聚烯烃用的胶黏剂

据“www.ptonline.com”报道，北卡罗来纳州达勒姆Skigrip公司开发出一种新型胶黏剂，可应用到低表面能热塑性塑料中，如聚丙烯和聚乙烯中。这2组分丙烯酸系胶黏剂PPX5应用结果显示，不需要对聚烯烃材料进行表面处理，在潮湿的环境中PPX5具有优异的抗水性。并在室温下固化，能有效粘结聚烯烃料。

大多数胶黏剂不能粘合聚烯烃材料，这种胶黏剂能有效粘结聚烯烃，不需要对聚烯烃之间进行机械装配、热/振动焊接或溶剂焊接。这灰白色黏合剂可以粘合不同的塑料(聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯)、纤维增强塑料。添加PPX5后，热塑性塑料之间的剪切强度可达3.425～5.999 MPa, 聚乙烯与金属间剪切强度达3.425～6.481 MPa。

(以上由中国石化扬子石油化工有限公司南京研究院

严淑芬供稿)

Induction Welding Technique for Plastics

Zhang Shengyu

(Guangzhou Association for Special Equipment,Guangzhou， Guangdong，510380)

The principle and processes,implantation materials, welding equipment, process parameters, weldability, joint design, characteristics, applications and recent advances of the induction welding technique for plastics are introduced, and the advantage and disadvantage of the technology are summarized, and the optimization scheme of induction welding is putforward.

induction welding; work coil; implantation materials; optimization

2014-08-05;修改稿收到日期:2014-10-27。

张胜玉(1970—)，男，高级工程师，研究方向为塑料及复合材料焊接和焊接新技术新工艺。E-mail:zhangshengyu88@163.com。