23 października 2017


W ciągu ostatnich lat zastosowanie laserów podczerwieni do spawania tworzyw sztucznych stało się komercyjnie akceptowaną metodą łączenia trwałego. W tym opracowaniu omówimy zasady spawania laserowego tworzyw sztucznych oraz aktualne trendy panujace w tej dziedzinie. Ponadto ocenimy wykorzystanie i ograniczenia różnych tworzyw sztucznych przy spawaniu laserowym. Mamy nadzieję, że zapoznają się Państwo z tą techniką na tyle, aby ocenić jej potencjalne wykorzystanie w konkretnych zastosowaniach.

William H. Cawley

rys.-1_sSpawanie laserowe tworzyw sztucznych jest to proces łączenia termoplastów. Lasery diodowe i neodymowe Nd: YAG są stosowane do spawania tworzyw sztucznych od kilku lat. Ostatnio, w tej dziedzinie, coraz większego znaczenia nabiera zastosowanie laserów światłowodowych. Wszystkie z tych laserów opierają się na spawaniu penetracyjnym (rys. 1). W procesie tym promieniowanie laserowe przechodzi przez “przezroczystą dla promieniowania laserowego” górną warstwę i jest wchłaniane przez “absorpcyjną” warstwę dolną. Wchłonięte promieniowanie jest przekształcane w ciepło na połączeniu obu warstw. Ciepło jest przewodzone z powierzchni do górnego i dolnego poziomu, powodując topnienie materiału, jego przepływ i utworzenie spoiny. Tworzywa termoplastyczne zasadniczo przepuszczają światło z zakresu energii podczerwieni; dlatego też proces spawania przepuszczającego wymaga zastosowania dodatków, aby zwiększyć zdolność danego tworzywa sztucznego do absorpcji podczerwieni. W wielu zastosowaniach spawania laserowego absorberem energii podczerwieni jest sadza. System ten działa dobrze, ponieważ sadza jest niedroga i pochłania energię o dowolnej długości fali. Niestety, powoduje zabarwienie na ciemno – części, na jakich jest zastosowana, co jest niepożądane w zastosowaniach wymagających przezroczystych lub jasnych komponentów. Drugim sposobem na zwiększenie absorpcji podczerwieni w tworzywach sztucznych jest dodanie do tworzywa absorbera organicznego. System umożliwiający spawanie przezroczystych lub nieprzezroczystych tworzyw sztucznych został opracowany przez TWI Ltd. wspólnie z Gentex Corporation.

clearweld

Proces ten wykorzystuje organiczne absorbery bliskiej podczerwieni jako powłoki na polimerach lub jako dodatki do żywic. Są one sprzedawane pod nazwą handlową Clearweld. Absorbery organiczne mogą być stosowane bezpośrednio na tworzywo podczas wytłaczania i formowania. Absorber jest dobierany w taki sposób, aby jego maksymalna absorpcja długości fali była dopasowana do długości fali lasera używanego przy danym zastosowaniu. W momencie, gdy tworzywo zawiera absorber, proces spawania jest podobny, jak w przypadku zastosowania sadzy. Jednakże zastosowanie absorberów podczerwieni zapewnia większą elastyczność jeżeli chodzi o kolory. Ideałem jest, gdy dodatki charakteryzują się wysoką absorpcją zakresu podczerwieni bliskiej i niską absorpcją w zakresie widzialnym widma elektromagnetycznego.
Tak, jak w przypadku spawania z użyciem sadzy, jedna z części służy jako rozpraszacz ciepła, podczas gdy druga część przenosi energię lasera. Absorbery mogą być również zawarte w cienkich foliach. Takie folie mogą zostać umieszczone pomiędzy dwoma podłożami i zastosowane do tworzenia spoiny spawalniczej po wystawieniu na działalnie lasera podczerwieni. Materiał może zostać również wprasowany w inne części. Tę samą zasadę można zastosować do wyciskania współbieżnego rur, tak aby zewnętrzna warstwa rury łączyła się z urządzeniem wtórnym, jak przy spawaniu rur pośrednich do końcówek typu luer. Absorber może również być stosowany jako powłoka powierzchni jednej z części na strefie przejściowej spoiny. Powłoka absorbuje energię lasera i przekształca ją w energię cieplną. Pozwala to na połączenie się tworzywa po obu stronach powierzchni i utworzenie spoiny. Zabarwienie powłoki jest rozproszone podczas reakcji, w ten sposób pozwalając na powstanie przejrzystej spoiny spawalniczej. Jak się okazuje, zdolność absorbera do przekształcenia światła podczerwonego w ciepło zostaje wytracona, a wszelka dodatkowa energia podczerwona jest przekazywana przez dolną warstwę. Skutkuje to stosunkowo niewielką strefą wpływu ciepła w okolicy spawu. Zastosowanie powłoki pozwala również na jednoczesne spawanie materiałów składających się z wielu warstw. Spawanie laserowe zyskało na znaczeniu w ciągu ostatnich lat wraz z rozwojem technologii. Doug Smock wskazał ostatnio cztery czynniki zwiększonego zainteresowania spawaniem laserowym jako metodą łączenia tworzyw sztucznych [1]. Pierwszy jest taki, że główne firmy produkujące żywicę rozszerzają ofertę materiałów do spawania laserowego tworzyw sztucznych w kolorze czarnym lub innym. Drugi, to zwiększenie poziomu wygody dla inżynierów. Trzeci, to rozwiązanie trudnych procesów sądowych związanych z kwestiami patentowymi w Europie. I czwarty – nowa technologia sprzętu dająca nowe możliwości w zakresie spawania.