塑料感应焊接技术(中)

张胜玉

(广州市特种设备行业协会)

(上接《塑料包装》2015年第3期)

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。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。

如图5(见上期)所示，典型的感应焊机由五部分组成: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。

感应发生器

依据使用情况，感应发生器将50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。

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。

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。

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。

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)。短的耦合距离绝对必要，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(reflection coil)是使磁力线指向结合线处的未激励线圈(non－energized coil)。

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。在获得最佳耦合距离方面，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。

最简单的线圈设计是单匝线圈(图6a)，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(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。因为最大磁场强度在线圈内，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最大效率。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三到四倍。盘圈形线圈(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(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(图6e)。这些线圈可以打开便于零件拆卸。

图6 常用感应焊工作线圈设计

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。冷却时间随用途而变化，可能少于1秒。

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(hot melt adhesive)。表1显示了各种热塑性塑料的感应焊接相容性。

(未完待续:见本刊2015年第5期)