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塑料的感应焊接工艺研究
LANZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
毕业设计（论文）
题目塑料的感应焊接工艺研究
学生姓名常海东
学号10850227
专业班级焊接2班
指导教师王希靖
学院材料学院
答辩日期2015/6/15
摘要
随着塑料制品的应用越来越广,如何连接该材料使之满足制品使用性能的要求,并且要求连接操作简单已成为一个关键性问题。
除了机械紧固和粘接等连接手段,焊接技术在工业界、研究界也已得到越来越广泛的重视。
由于焊接时要求塑料能熔化和迅速冷却而将两塑料表面连接在一起,因而只有热塑性塑料制品才适合于用焊接方法连接。
本文采用高频感应焊接连接塑料，实质是通过高频感应热加热铝片，通过其产生的热量使塑料（ABS）熔融并达到连接的目的。
以搭接方式焊接塑料，通过进行正交实验，选取较优的工艺参数为加热电流800A，加热时间5s，保温电流300A，保温时间4s，最后，对其较优参数下的对接头进行力学性能进行验证，在较优参数下得到的搭接焊缝最大载荷可达到2.60kN，焊接接头的断裂形式有两种。
关键词：
ABS，高频感应焊，工艺优化
ABSTRACT
Plasticproductsmorewidely,howtoconnectthematerialsoastomeetproductperformancerequirements,andrequiresimpleoperationhasbecomeacriticalissue.Inadditiontomechanicalfasteningandbondingconnectionmeans,weldingtechnologyintheindustry,theresearchcommunityhasbeenmorewidelyappreciated.Duetotherequirementswhenweldingplasticmeltsandrapidlycoolingthetwoplasticsurfacesareconnectedtogether,sothatonlythethermoplasticarticleissuitableinconnectionwithwelding.
Inthispaper,ahighfrequencyinductionweldedconnectionsplastics,inessence,byhigh-frequencyinductionheatingaluminumheat,heatgeneratedbytheplastic（ABS）ismeltedandthepurposeoftheconnection.Anoverlapweldingplastics,byorthogonalexperiment,selecttheoptimumprocessparametersfortheheatingcurrent800A,heatingtime5s,insulationcurrent300A,holdingtime4s,finally,itsoptimumparametersofthejointmechanicalpropertiesverify,lapweldstensilestrengthatoptimumparametersobtainedreach2.60kN,,therearetwofractureformsofweldedjoints.
KEYWORDS:
ABS,highfrequencyinduction,weldingprocessoptimization
目录
摘要I
ABSTRACTII
一、绪言1
1.1塑料焊接的必要性1
1.2塑料的感应焊接在国内外的研究现状1
1.2.1感应焊接电源的国内研究现状1
1.2.2感应焊接电源的国内研究现状2
1.2.3感应焊接加热感应器的发展现状3
1.2.4塑料焊接其他焊接方法的研究现状4
1.3感应焊的简介5
1.3.1感应焊接的基本原理与发展5
1.3.2感应焊接的物理机理5
1.4感应加热的简介7
1.4.1感应加热线圈简介7
1.4.2感应加热的方式8
1.4.3感应加热的四个效应8
1.4.4感应加热的透热深度9
1.4.5感应加热的优点9
1.4.6感应加热的缺点11
1.5课题研究目的和内容11
1.5.1本课题的研究目的11
1.5.2课题的内容11
二、实验材料、材料的准备、设备及方法11
2.1实验材料11
2.1.1工件材料11
2.1.2ABS塑料的性能12
2.1.35系Al-Mg合金的性能13
2.1.4工件的准备14
2.2实验设备14
2.2.1焊接设备14
2.2.2焊接夹具15
2.3.正交实验设计的概述16
2.4感应焊焊接接头设计18
2.5焊缝温度场的测量20
2.6焊接工艺参数对感应焊接接头的影响21
2.7预设定正交试验参数21
2.8检验方法22
2.8.1力学性能实验—拉伸试验22
2.8.2微观观察22
2.9小结23
三、焊接过程及结果分析23
3.1实验现象及宏观观察结果23
3.2感应焊接过程温度变化情况24
3.3焊接缺陷及原因分析26
3.4微观观察实验27
3.5拉伸实验28
3.5.1拉伸实验参数28
3.5.2焊接接头拉伸断口位置分析28
3.5.3拉伸结果记录及分析29
3.6正交实验30
3.6.1正交实验处理过程30
3.6.2正交实验处理结果31
3.7所得较优焊接工艺参数验证实验32
3.8小结33
四、结论33
参考文献35
英文原文36
英文译文46
致谢56
一、绪言
1.1塑料焊接的必要性
ABS树脂是五大合成树脂之一，其抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优良，还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点，容易涂装、着色，还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工，广泛应用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等工业领域，是一种用途极广的热塑性工程塑料。
塑料ABS树脂是目前产量最大，应用最广泛的聚合物，它将PB，PAN，PS的各种性能有机地统一起来，兼具韧，硬，刚相均衡的优良力学性能。
实现ABS塑料的焊接可以使其广泛运用在各个领域。
感应焊可以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（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。
因此，研究其焊接方法和连接机理对实际生产有重要意义。
1.2塑料的感应焊接在国内外的研究现状
1.2.1感应焊接电源的国内研究现状
目前，国内外（尤其是国内）对于感应焊接的研究重点是在对电源电路和加热设备的研究上面。
19世纪初人们就发现了电磁感应现象以及焦耳效应，知道处于交变磁场中的导体内会产生涡流从而引起导体发热，但是，长期以来人们视这种发热为能量损耗，并为保护电气设备和提高效率而想方设法的减少这种损耗能量的发热，直到19世纪末才开始开发和利用这种加热方式进行有目的的加热、熔炼、淬火、焊接、热处理等，随着应用范围的扩大，出现了各式各样的感应加热设备。
1890年瑞典技术人员研制了第一台感应熔炼炉—开槽式有芯加热炉，1916年美国人研制了闭槽有芯炉，主要作用于有色金属的冶炼等领域，从此感应加热技术逐渐进入了实用化的阶段。
20世纪电力电子器件以及新型技术的飞速发展，极大地促进了感应加热技术的发展。
1957年，美国研制出的晶闸管，这作为电力电子器件的里程碑，标志着现代电力电子技术的开始，也引发了感应加热技术的革命。
1966年，瑞士和西德首先利用晶闸管研制出感应加热装置，从此感应加热技术开始进入飞速发展时期，这也是感应加热技术走向高频化的开始。
20世纪80年代后期，电力电子器件再一次得到快速发展，GTO、MOSFET、IGBT、MCT及SIT等功率器件相继出现，感应加热装置也逐渐从晶闸管式向这些新器件方向发展。
目前比较常用的功率开关器件是IGBT和MOSFET，IGBT主要用于较大的功率场合，而MOSFET主要用于较高频率的场合。
目前，国外已经可以采用IGBT将感应加热设备做到功率超过1000kW，频率超过50kHz。
而MOSFET比较适用于高频场合，一般应用在几千瓦的中小功率场合，频率可达到500kHz以上，甚至到几兆赫兹。
然而国外也有推出大功率的采用MOSFET作为功率开关管的感应加热装置，比如目前美国研制的2000kW/400kHz的装置。
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最小或者不加热；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。
1.2.2感应焊接电源的国内研究现状
我国感应加热技术的真正应用始于20世纪50年代后期，当时是从前苏联引入，主要应用在汽车生产行业，并从60年代末开始自行研制晶闸管中频感应电源，到目前为止已经逐渐在一定范围内形成了系列化的产品，并有比较广阔的市场前景。
国内生产高频感应电源的厂家绝大部分仍采用电子管振荡器组成主电路，电子管振荡器型感应加热电源电路中需要特别的输入升压变压器，并且开关管导通损耗比较大，电源整体效率比较低，大约只有60％-70％。
天津高频设备厂和天津大学1996年联合研制开发出75kW/200kHz的SIT感应加热电源，SIT感应加热电源有了突破性的发展。
截至目前，国内的SIT感应加热电源功率可以达到300kW，频率可以达到200kHz～300kHz。
八十年代末期，浙江大学就已经开始着力于半导体高频感应加热电源的研究，1996年研制出20kW/300kHz，功率开关管采用MOSFET的高频感应加热电源，已经被成功的应用于小型刀具表面热处理以及飞机涡轮叶片的热应力考核试验中。
总体来说，国内高频感应加热电源与国外存在着一定的差距，现在正朝着MOSFET和IGBT高频感应加热电源取代电子管高频电源的方向发展，国内感应加热技术在淬火工艺设备制造中的应用也在不断扩大，设备的产品种类也在不断增多，原来只能依靠进口的设备，也逐渐被国产装备所替代，在为国家节省外汇的同时，也使国内相关企业得到了快速发展。
目前感应加热设备制造业主要应用在汽车制造业，而在今后现代冶金工业等领域也将对感应加热有较大需求量。
1.2.3感应焊接加热感应器的发展现状
随着感应加热技术的普及和广泛应用，用于感应加热的工件的形状也越来越多，总得看来按照工件的截面形状可以将工件分为圆形、多边形（矩形、方形等、空心圆柱形和变截面形（异形）等。
由于工件一般是要放进感应器内部进行加热的，所以我们要根据不同截面的工件设计适合其加热使用的感应器，这就导致了一个问题，即一个感应器不能用于加热所有的工件；而且考虑到加热效率的问题，工件和感应器的间隙应该保持足够小，因此，感应器结构设计的是否合理直接决定了加热温度的分布，同时对感应加设备的功率能否充分发挥也起到了很大的影响。
由于一种感应器只能加热一种一定类型的工件，所以感应器的设计必须具有针对性。
例如：
线材、管材和棒材一般都用纵向磁场加热的方法（螺旋形感应器或者矩形感应器）；板材、带材和焊缝的加热一般都用横向磁场[1]加热的方法；对于一些只需要加热局部（如端部）的工件，可以使用矩形感应线圈进行热处理。
目前常见的感应器主要有螺旋形感应器、缝状感应器、扁圆形感应器、异型感应器、有导磁体的感应器以及用来加热板材和带材的横向感应器等。
1.2.4塑料焊接其他焊接方法的研究现状
ABS等复合材料以其优良的比强度、比刚度、吸波隐身性成为快速发展的新兴材料之一,在航空航天领域得到了广泛应用[2]。
热塑性树脂基复合材料具有可焊性,它利用了热塑性树脂可以二次熔融的特点,加热熔融连接界面,使树脂分子扩散完成连接.连接界面与基体材料有良好的相容性。
熔融连接技术没有引入新的材料,连接件的应力分布比机械铆接更均匀,不会产生应力集中,焊接工艺时间短,便于实现自动化[3,4].目前,最具潜力的焊接方法主要有超声波焊接,感应焊,电阻焊和线性振动焊。
由于这些方法可对焊接表面进行均匀加热,而不加热基体,因此,可以克服连续纤维增强复合材料表面树脂黏度极高,流动铺展慢等困难。
电阻焊的缺点是在焊接接头引入了额外的物质降低了接头的疲劳性能和电气性能的均匀性,材料的耐腐蚀性下降.在焊接前,需要在焊件表面作模压粘结绝热树脂层的焊前处理处理,大大增加了工艺的复杂性和成本[5]。
目前的研究方向是如何增大焊接面积。
超声波焊接采用高频率机械波（20-120kHz）连接热塑性复合材料。
超声波焊接时需要注意的关键问题是在焊接过程中始终保持连续熔融液膜的存在。
熔膜在时间和空间上的连续性决定了焊接接头的质量。
超声波焊接的优点是焊接时间很短、接头强度高、并且焊前不需要复杂的表面处理,焊后接头处纤维结构破坏最小。
超声波焊接的缺点是富树脂层和传递声波的导能条制作困难,一次焊接面积小,接头量不稳定,并且过大的振幅会切断复合材料中的纤维。
线性振动焊可以用来焊接热塑性复合材料。
线性振动焊接时,待连接工件叠放在一起,用压力压紧,其中一个工件固定,另一个工件在焊机的带动下在平行于焊接面的方向振动,其频率为100-240HZ,振幅为几百微米到几毫米,压力值与超声焊相同。
焊接面上的摩擦和剪切应力产生的热量使树脂熔化并相互混合,消除原始的宏观焊接界面形成接头。
线性振动焊的优点是焊接时间短,通常为1-5s。
可高速度地装配大型复杂线性制件而且加工器具简单,可连续加工多个制件,可加工几乎所有的热塑性材料。
尽管存在毛边现象和纤维移位,但是接头强度仍然较高,焊接PEEK层状复合材料,其搭接剪切强度可达3919MPa。
线性振动焊的缺点是不适合于焊接非平面焊接面的焊件,在焊接时界面处的纤维发生较大的扭曲和移位。
另外一点是,能够提供频率、振幅和压力实时控制的焊机通常价格都比较昂贵。
1.3感应焊的简介
1.3.1感应焊接的基本原理与发展
感应焊接这种先进焊接技术被广泛的应用到工业领域是始于20世纪初期，由于其加热过程具有加热速度快，被加热物料内部发热效率高，加热产品受保护好，物料受热均匀，对环境污染小，容易实现生产的机械化等一系列的优点，从而得到了广泛的应用和较快的发展。
感应加热焊接技术迄今为止已经广泛的应用在了国民经济的各个领域，如金属的焊接和热处理以及半导体器件的热加工工艺等方方面面。
1.3.2感应焊接的物理机理
如图1所示，根据初级线圈中的电流变化，可以在临近的闭合次级线圈中产生感应电流，这是米迦勒·法拉第创立的现代感应加热电源的理论基础。
对金属工件加热，其原理是在被加热金属工件外绕上一组感应线圈。
当线圈中通过一定频率的交流电时，会产生相同频率的交变磁通，交变磁通在金属工件内产生感应电势，继而产生感应电流，生成热量，从而实现了对工件的加热[6-7]。
当电流通过线圈时，线圈的周围会形成磁场。
尤其是当通过的是高频率的交流电，线圈所形成的就是交替变化的磁场。
当被加热工件被放到交变磁场中间时，磁场的磁力线会分割工件，同时在其中形成感应电动势，接着在工件内部形成涡流使工件发热，涡流的方向相反于电流的方向。
假设工件外包裹的线圈匝数是N1，接入大小为i1，频率为f的交流电，同时假设待加热的工件的等效线圈为N，其内部磁通大小设为φ，根据MichaelFaraday电磁感应定律，线圈N1包裹的导电工件上形成的感应电动势为e，可得
（1.1）
若φ是按照正弦规律变化，可以假设φ=φmsinωt，根据式子1.1可以得到
图1-1感应焊接电源原理图
Fig.1-1Schematicofinductionweldingpower
（1.2）
则感应电动势e的有效值为
（1.3）
因加工工件自身存在一定阻值的电阻，当感应电动势引起的涡流流过工件的时候，引起它的发热，根据Joul-Lenz定律可得
（1.4）
式中
Q—加工工件的总热量
I2—流过工件的涡流大小
R—阻碍涡流变化的电阻
t—开通时间
从式子1.2中可知，涡流和流过线圈的电流的频率是相等的。
由于电流在高频下所引起的趋肤效应，加工工件的涡流发布不平均，可得电流的大小如下
（1.5）
式中
i0—工件表面的电流密度
χ—电流透入工件的深度
β—电流分布带带宽
定义电流分布带的宽度β为涡流密度下降到表面电流密度的1/e，约为36.8%的深度，得
（1.6）
式中
ρ—工件电阻率
μr—工件的相对导磁率
f—电流的频率，单位是赫兹
工件吸收功率与透入深度有关，在电流透入深度β内，其吸收的功率大小为总的功率的86.5%，所以β是工程实际中选择铜质的管材材料的一个重要的参数指标。
它的功率密度分布状态可通过实际设计频率大小和线圈参数得到。
1.4感应加热的简介
1.4.1感应加热线圈简介
交变电流的线圈产生的交变磁场在工件上感应出的涡流所产生的焦耳热对工件进行加热，常见的感应焊接加热头如下图所示，第一种是环形线圈可用于加热杆件的对接焊缝，第二种平板型的接头用来加热平面焊件，本次实验所用的是第二种感应焊接接头。
图1-2感应焊接环形接头图1-3感应焊接平面接头
1.4.2感应加热的方式
感应加热是利用感应电流来使工件加热的。
在工业应用中，采用的感应加热方式有两种，一种是有铁芯的感应加热方式，这时被加热的材料相当于次级线圈;另一种是无铁芯的感应加热方式，这时被加热材料相当于芯棒。
由于感应电流有趋肤效应，交变电流的频率越高，趋肤效应越显著，材料的受热层越薄）因而采用感应加热时，要根据加热的目的，要求，被加热物体的材料和尺寸，选择适当的频率。
感应加热的电源按频率可分为工频，中频和高频三种。
工频即50Hz的电源，可直接从供电网中取得，不需要特殊的频率变换装置）。
中频是50Hz-10000Hz的频率。
常用的中频频率为500Hz，1000Hz，2500Hz，4000Hz，8000Hz[8]。
1.4.3感应加热的四个效应
感应加热过程中一般有四大效应[9]：
（1）趋肤效应：
当直流电通过导电体时，由于未产生电磁感应效应使得导体截面上呈现出均等的电流分布，电流密度没有差别。
不过，当高频交变电流通过导电体时，由于感应作用使得导体内部电流分布不均匀，越靠近导体表面，流过电流的密度越大，而导电体深层的电流密度较小。
这种高频交变电流的趋表现象被称为电流的集肤效应。
（2）邻近效应：
两个通过交变电流的导体彼此相距很近时，则每个导体内的电流由于电磁感应的作用将重新分布：
当流过导体的电流方向相反时，两个相邻导体内侧电流密度较外侧更高；同理当当流过导体的电流方向相同时，则两个导体相背的一面电流密度将会更大。
这种电流重新分布并偏向一侧的特性叫邻近效应。
（3）当感应器与工件间的距离相同，在工件尖角处的加热强度远较其它光滑部位强烈，往往会造成过热，这种现象称为尖角效应。
（4）圆环效应：
当交变电流通过环形导体时，电流在导体横截面上的分布将发生变化，此时电流仅仅集中在圆环的内侧，这种现象叫做圆环效应。
1.4.4感应加热的透热深度
当高频交变电流通过导体时，由于集肤效应的影响，电流只在导体表面层通过，这样便会出现电流密度从导体表面向导体中心处逐渐衰减，当导体某一处深度的电流密度是其表面电流密度的1时，该深度就定义为电流的穿透深度，用符号△表示。
穿透深度△由下式1.7确定：
（1.7）
式中，
f—交变电流的频率（Hz）；
r—相对磁导率；
—导体的电阻率（cm）。
从式子中可以看出，导体的穿透深度与导体的电阻率的平方根成正比，与交变电流的频率及相对磁导率的平方根成反比。
在实际工程应用中，一般被加热的导体确定后，只需要控制交变电流的频率就可以控制导体的加热深度，电流频率越高，穿透深度越小，集肤效应越明显[10]。
1.4.5感应加热的优点
（1）较高的加热效率，速度快
由于在感应加热过程中，热能直接在工件内部产生，而且热散失很少，这样感应加热的热效率被很大程度的提高，一般感应加热的热效率都可以达到80％左右；而且省去了一个中间过程—热渗透，相比而言感应加热速度要比氧乙炔焰快得多。
（2）成本低
电能是感应加热的能量来源，电能特点是清洁无污染、价格低廉、使用方便等，感应加热比氧气乙炔省去了运输、储存等中间过程，可以节省很大的支出。
但是感应加热也需要一些辅助设备，例如水泵、产生循环水用的水池和输送管道等等，不过这些设备是一次性的投入，可循环利用的。
（3）便于控制、精度高
感应加热主要是对加热设备的功率和频率进行控制达到加热的效果。
不过这些参数转变成电信号很方便再与微机进行接口，可以十分方便的控制。
在“集肤效应”存在的情况下，想要对加热深度比较准确的控制，可以控制加热频率，但是氧乙炔焰加热方式很难做到如此准确的控制。
而且，感应加热升温速度非常快，这样便减少了热量向工件表面向周围空气的能量辐射，可以减少能量损耗，极大的提高了加热的速度。
（4）安全性高
感应加热是通过电磁感应使工件内产生的是感应电流，感应电流并不会造成人体伤害[11]。
经过多年的科学实验和实践研究，大量设备保护方面的工作已经做得很完善，例如对电源安全性采用了过流保护，还可以做到断水保护。
在对周围敏感设施方面，采用了电磁屏蔽等保护措施，因此设备的安全性有了很大的提高。
（5）较好的工作环境
感应加热工作环境清洁、噪音小，不需要现场工作人员进行近距离接触工件即可控制，彻底改变了以前传统热处理行业工作人员在火焰式加热环境中烟熏火烤的工作环境。
（6）避免或减少界面脆性化合物的形成，焊接接头力学性能优异
由于感应加热速度快"能量集中"冷却时间短，获得的奥氏体晶粒细，所以感应加热的工件具有非常好的金相组织用于异种金属焊接则因加热时间极短可以减少界面脆性化合物的形成，能够有效地提高焊接接头的力学性能!
（7）实现复杂界面的焊接
感应器加热头可以根据不同工件的加热需要设计成相应的形状，而极短的加热时间能够实现局部加热，加热区温度迅速建立，温度过渡区较窄，这样感应器能够沿着复杂界面移动从而实现复杂界面的焊接。
另外，高频感应加热焊接还具有节能"可重现性"易于自动化生产等优点!
不足之处是加热温度不易准确控制，且产生的电磁场对人体危害较大。
1.4.6感应加热的缺点
感应焊接加热的主要缺点是感应焊设备昂贵、植入物的
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