郁志勇，王希靖，朱福良

（蘭州理工大學有色金屬先進加工與再利用省部共建國家重點實驗室，甘肅蘭州730050）

ABS塑料加壓感應焊接工藝

郁志勇，王希靖，朱福良

（蘭州理工大學有色金屬先進加工與再利用省部共建國家重點實驗室，甘肅蘭州730050）

針對2 mm厚的ABS塑料板進行加壓感應焊接可焊性試驗，觀察分析成形較好的試件橫截面形貌，并測試其力學性能。研究表明：塑料板采取搭接方式能夠?qū)崿F(xiàn)良好的連接；最優(yōu)工藝參數(shù)為加熱電流800 A，加熱時間10 s，保溫時間4 s，保溫電流300 A。獲得的焊接接頭的最大抗拉剪載荷可達2.70 kN；點焊接頭有三種斷裂模式。斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)、遠離焊縫處以及焊縫處。

ABS塑料；感應焊接；力學性能

0 前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，輕量化成為汽車工業(yè)的重大挑戰(zhàn)。塑料具有質(zhì)量輕、設計空間大、制造成本低、性能優(yōu)異、功能廣泛[1]等優(yōu)點，是汽車輕量化工業(yè)中的理想材料。熱塑性塑料ABS一直在汽車部件的生產(chǎn)中起著重要作用，如何使其實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的連接來滿足制品使用性能的要求，同時還要操作簡單便成為一個關鍵性的問題。除了粘接[2-4]手段外，焊接技術也已得到越來越廣泛的重視[5]。由于焊接時要求塑料能熔化并迅速的冷卻進而將鋁合金表面和塑料表面連接在一起，因此只有熱塑性塑料才適合于采用焊接方法。

傳統(tǒng)的粘接工藝有諸多的缺點：①必須使用粘接劑才能實現(xiàn)兩種材料的連接；②對粘接面的清潔度要求很高；③固化時間長；④在粘接過程中烘箱和熱壓器等設備是必需的。

當某些情況出現(xiàn)，如工件或接頭樣式復雜、零件設計限制、設備可達性的原因，常用的塑料焊接方法如超聲波焊、高頻焊接、摩擦焊等不能用[6]，這時可以考慮感應焊，其原理是通過高頻磁場對植入的感應物加熱，使塑料熔化和填充待焊表面而形成持久的結(jié)合。在此選用2 mm厚的ABS塑料進行焊接試驗，以期獲得良好的接頭，為推廣高分子材料

感應焊接領域的廣泛應用提供理論指導。

1 試驗方法及試驗設備

試驗材料選用ABS塑料和5系Al-Mg合金薄片。ABS板材厚度2 mm，尺寸40 mm×150 mm（長×寬），表1為ABS的一些基本性能。焊接前用無水乙醇處理其表面并干燥。鋁合金薄片厚度0.2 mm，尺寸35 mm×40 mm（長×寬），用砂紙打去其正反兩面的保護膜和氧化膜。試驗采用的搭接形式如圖1所示。

表1 ABS塑料板的基本性能Tab.1Property of ABS plastic

圖1 搭接試樣示意Fig.1Lap joint sample

焊接時，將鋁合金板置于兩塊塑料板中間，使用夾具夾緊工件，焊接過程中處于高頻交變磁場中的鋁合金由于感應電流產(chǎn)熱，然后熱傳導至塑料板，使得塑料搭接位置發(fā)生熔化，并且在壓力下熔化狀態(tài)的塑料連接在一起，從而完成整個焊接過程。

采用正交試驗法，在LK-25型高頻感應焊機上完成焊接，所選用的因素水平見表2。焊接前每組試樣的預加緊壓力為8.4 kN，在焊接過程中持續(xù)增加壓力，直到最大壓力9.24 kN。分析工藝參數(shù)對焊接接頭成形的影響，對成形及連接質(zhì)量情況較好的試樣進行力學性能測試和斷裂方式研究，同時采用掃描電鏡觀察分析點焊接頭的橫截面形貌。

表2 正交試驗因素與水平Tab.2Parameters and standard of orthogonal experiment

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 工藝參數(shù)優(yōu)化

正交試驗結(jié)果如表3所示。當工藝參數(shù)選擇不合理時，試樣抗拉伸剪載荷為1.43 kN；當工藝參數(shù)匹配合理時，試樣的抗拉伸剪載荷為2.60 kN。

表3 正交試驗結(jié)果Tab.3Results of orthogonal experiment

從極差R分析中可見，保溫電流對試驗結(jié)果影響最大，加熱時間的影響次之。這是由于高頻感應加熱速度快，同時在集膚效應中感應電流的大小影響的是加熱深度。焊接完成后的保溫電流可以使感應物保持一定溫度，有助于塑料在感應物表面潤濕。此外還可發(fā)現(xiàn)最優(yōu)組合為A3B2C3D3。最優(yōu)焊接工藝參數(shù)下的拉伸曲線如圖2所示，最大抗拉伸剪載荷為2.70 kN。

圖2 最優(yōu)參數(shù)下的拉伸曲線Fig.2Under the optimal parameters of tensile curve

2.2 接頭成形情況分析

在焊接過程中，觀察到當感應電流過低時，感應物在15 s內(nèi)很難被加熱，導致無法焊接；當感應電流過高時，感應物迅速被加熱融化，ABS板受熱大量分解導致沒有足夠的塑料來形成接頭。同時，在加熱過程中如果不持續(xù)加壓，鋁片在感應磁場的影響下會發(fā)生滑移，并帶出部分熔融的塑料從焊縫的間隙中噴射而出，如圖3a所示。鋁片偏移和塑料飛濺的

結(jié)果就是接頭質(zhì)量明顯下降，這是因為鋁片偏移后，塑料板之間出現(xiàn)明顯空隙沒有足夠的塑料去填充，形成接頭內(nèi)部的空洞。基于此，在焊接過程中應當持續(xù)增加壓力，直到最大壓力。偏移和飛濺的現(xiàn)象得到明顯好轉(zhuǎn)，焊接得到的試樣如圖3b所示。ABS塑料在高于270℃時便會分解成碳氫化合物和CO2、CO等氣體，當產(chǎn)生氣體過快沒能及時溢出時，在過小的空間內(nèi)氣體一次性噴發(fā)，帶出熔融的塑料形成飛濺，同時會出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象，如圖3c所示。當焊接中產(chǎn)生的感應熱使少量的塑料分子在達到熔融態(tài)后發(fā)生分解，產(chǎn)生的氣泡被鋁合金板阻礙，被熔融的塑料包覆住不發(fā)生溢出時，可以得到良好的接頭。

圖3 試樣宏觀形貌Fig.3Macrostructure of joint

2.3 接頭微觀形貌及分析

對得到的接頭橫截面進行噴金處理后，在掃描電鏡下觀察分析，發(fā)現(xiàn)在鋁合金板和塑料板的界面結(jié)合相對良好，沒有出現(xiàn)過大縫隙而且在鋁合金邊緣出現(xiàn)了輕微的再固化現(xiàn)象，如圖4a所示。在感應焊接過程中，塑料板與鋁合金板接觸部分經(jīng)歷了熔化后再凝固的過程，之后形成的一個很窄的區(qū)域即再固化層。這是由于鋁合金板材上產(chǎn)生的感應熱傳遞到塑料板上的溫度到達熔點時，塑料板局部熔化，熔融態(tài)的塑料與塑化了的鋁合金板邊緣在壓力作用下，不僅有機械連接，還出現(xiàn)了浸潤現(xiàn)象，加熱停止后，熔融態(tài)塑料很快凝固，其附著力使得塑料粘附在了鋁合金板兩側(cè)，而沒有鋁合金板的塑料之間相互凝固，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)的連接。所謂浸潤現(xiàn)象，就是在熱量和氣泡產(chǎn)生的壓力作用下壓入到鋁板邊緣的塑料分子有向周圍擴展趨勢的現(xiàn)象，同時發(fā)現(xiàn)在再固化層和鋁合金板邊緣界面上呈片狀交錯，說明實現(xiàn)了機械連接，見圖4b。對圖4b進行線掃描，其中有最高波峰的曲線為Al元素，有次高波峰的曲線為C元素，在4～5 μm距離內(nèi)，Al元素曲線與C元素曲線相交，該處應當為再固化層，曲線也反映了浸潤現(xiàn)象和少量擴散現(xiàn)象的存在，見圖4c。對圖4b進行面掃描分析，發(fā)現(xiàn)固化層中以碳元素居多（見圖4d），并且C元素擴散到了鋁合金板邊緣。鋁元素相對少量的存在固化層中，見圖4e。

圖4 接頭橫截面微觀形貌Fig.4Cross-section microscopic of joint

2.4 接頭斷裂方式

在測試感應焊接接頭抗拉剪性能的過程中，發(fā)現(xiàn)斷裂形式有三種情況：（1）第一種情況如圖5a所示，試樣斷口位置在焊接熱影響區(qū)。其原因是焊縫受熱使熱影響區(qū)的母材發(fā)生分解變薄，成為試樣的薄弱部分，在拉剪過程中應力集中嚴重，最后發(fā)生

斷裂，這也說明了接頭強度高于塑料板材強度，這種斷裂形式是主要斷裂形式。（2）第二種情況如圖5b所示，受拉的試樣斷口位置出現(xiàn)在遠離焊縫的母材處。這是由于制樣過程采取的是機械加工方式，邊緣存在小的缺口，拉伸時試樣沿缺口處斷開。（3）第三種情況如圖5c所示，受拉試樣斷口位置出現(xiàn)在焊縫區(qū)。導致這種形式出現(xiàn)的原因為加熱電流太小、加熱時間太短，鋁合金板傳遞給塑料板的熱不足以融化足夠的塑料，導致接頭未熔合，在較小的拉力下便出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象，這是一種明顯的缺陷應當避免。

圖5 接頭斷裂形式Fig.5Fracture mode of joint

3 結(jié)論

（1）利用加壓感應焊接方法，在選取適當工藝參數(shù)的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)ABS塑料之間的優(yōu)質(zhì)連接，獲得良好的焊接接頭。

（2）焊接接頭受感應加熱時間、加熱電流、保溫時間、保溫電流等因素的影響。考慮到高頻感應焊接的特性，當加熱電流過高時，可在短時間內(nèi)完成焊接過程，在焊接過程中持續(xù)加壓能夠提高接頭質(zhì)量。焊后的保溫時間有利于熔融態(tài)的塑料流動，更好的包覆鋁合金板，形成優(yōu)質(zhì)接頭。

（3）焊接過程中，在感應熱、傳導熱以及壓力的共同作用下，塑料板與鋁合金板之間除有機械連接外，還在連接界面上發(fā)生了浸潤現(xiàn)象，形成了再固化層。充當感應物的鋁合金板邊緣被塑料粘附。

（4）焊接接頭的斷裂方式有三種，在熱影響區(qū)斷裂的情況較多，接頭強度高于塑料板的強度。遠離焊縫處斷裂的情況較少。第三種斷裂方式直接在搭接位置，這是參數(shù)選擇問題，應當避免這種形式出現(xiàn)。

[1]李光耀，任廣英，劉少文，等.塑料在汽車工業(yè)上的應用及發(fā)展前景[J].橡塑裝備與技術，2005，31（2）：18-25.

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[4]Flock Dustin，Haberstroh Edmund，Bobzin Kirsten.Ultrasonic welding of hybrid metal-plastic componentswithflame spraying of adhesion layer[J].Journal of Plastics Technology，2011，25（5）：160-177.

[5]孟巖，潘建亮.汽車輕量化材料的應用[J].汽車與配件，2010，18（10）：24-27.

[6]張勝玉.塑料感應焊接技術[J].橡塑技術與裝備，2014，40（22）：17-26.

ABS plastic pressurized induction welding process

YU Zhiyong，WANG Xijing，ZHU Fuliang
（State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

The weldability tests on 2 mm sheet of ABS plate were carried out by induction welding with pressure.Observed and analyzed the well formed cross-section of the specimen morphology，and its mechanical properties were tested.The research found that a good connection could be obtained by the lap way of the plastic.The optimal parameters of welding were heating current of 800A，heating time of 10 s，soaking time of 4s，soaking current of 300 A.The tensile shear load of the welding joints reached 2.70 kN. The joints had three fracture modes.Fracture occurred in the heat affected zone，away from the seam and seam.

ABS plastic；induction welding；mechanical property

TG453

A

1001-2303（2016）10-0073-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.15

獻

郁志勇，王希靖，朱福良.ABS塑料加壓感應焊接工藝[J].電焊機，2016，46（10）：73-76.

2016-03-15；

2016-06-06

郁志勇（1987—），男，蘭州人，在讀碩士，主要從事釬焊方面的研究工作。