射频焊接耦合电热-机械模拟：ETPU珠粒泡沫多物理场方法及实验验证

这篇研究通过多物理场耦合模拟方法，创新性地建立了射频（RF）焊接膨胀热塑性聚氨酯（ETPU）珠粒泡沫的电热-机械联合模型。研究采用COMSOL Multiphysics平台，整合温度依赖性介电与力学特性，精准预测了焊接温度场分布（验证误差<8 K）和界面融合质量，揭示了表面冷却效应是限制焊接强度的关键因素（机械性能模拟偏差<13%）。该数字孪生模型为轻量化泡沫材料的节能制造提供了虚拟优化工具。

　　

1 引言

珠粒泡沫作为由预膨胀聚合物颗粒构成的热塑性多孔材料，其独特的分步发泡-成型工艺可精确调控密度与力学性能。传统蒸汽箱成型（SCM）存在能耗高的问题，而射频（RF）焊接通过27.12 MHz电磁场介电加热（专利Kurtz GmbH, 2017），实现了ETPU珠粒的体加热和直接工艺反馈。该过程涉及电磁场-热传导-力学响应的多尺度耦合，需借助有限元法（FEM）求解非线性麦克斯韦方程（式1）和热传导方程（式2），其中介电常数ε_r和热导率k随温度显著变化。

2 实验方法

采用密度183 kg/m³、直径7.46 mm的ETPU珠粒（BASF Infinergy 32-100 U10），通过RF阻抗分析仪和差示扫描量热法（DSC）测定温度依赖性介电/热性能。焊接实验使用Wave Foamer C设备，PTFE模具内嵌光纤传感器监测温度（采样率10 Hz），最终样品密度控制在276 kg/m³。力学测试通过数字图像相关技术（DIC）分析拉伸破坏行为，SCM参比样显示珠粒内部破坏应力为基准值。

3 模型构建

COMSOL 6.3建立的三维模型包含铝电极（5 mm）、PTFE模具（20 mm）和泡沫板（200×200×10 mm³）。电热模块采用283,296个网格单元，局部加密至1.3-2.0 mm以捕捉表面温度梯度（图2）。机械模块通过Neper软件对珠粒进行Voronoi镶嵌，界面强度依据局部最高温度设定：140-170°C区间线性关联熔融焓积分，>170°C达到本体材料强度。

4 结果与讨论

电热模拟显示核心区温度比表面高20 K（图5），与实测功率曲线误差<5%（图6）。传感器热惯性导致峰值温度延迟10 s（图8），修正后模拟与实测最大温差仅7.3 K（图9）。力学模拟成功复现表面裂纹萌生过程（图11）：30 s焊接样因边缘未熔合出现应力集中，而60 s样裂纹减少且拉伸强度提升37%。值得注意的是，均质120°C焊接即可达到RF焊接最高参数（核心温度>180°C）的力学性能（图14），证实表面冷却是性能瓶颈。

5 结论

该研究建立的数字孪生框架实现了RF焊接过程的多物理场精准预测，揭示表面散热导致的温度梯度是限制ETPU珠粒融合的主因。模型对拉伸强度的预测误差<13%，未来可扩展至其他泡沫材料（如EPP/EPS）并整合结晶动力学模型。PTFE模具的周期性温升（ΔT≈50 K）提示需优化冷却系统以缩短周期，为绿色制造提供理论支撑。