23 października 2017


Kontunuując publikację z ostatniego, majowego wydania Projektowania i Konstrukcji Inżynierskich, omawiającą zasady spawania laserowego tworzyw sztucznych, przedstawiamy drugą część artykułu Williama Cawley’a, w tłumaczeniu Marka Bernaciaka (red.)

William H. Cawley

Źródło promieniowania laserowego i system optyczny
W spawaniu tworzyw sztucznych stosowane są trzy źródła promieniowania laserowego. Są to lasery diodowe, neodymowe Nd:YAG i światłowodowe. Lasery diodowe działają w zakresie od 800 do 1000 nm; lasery neodymowe Nd:YAG działają w zakresie 1064 nm a lasery światłowodowe działają w zakresie od 1070 do 1100 nm. Zaletą laserów diodowych są niskie koszty, niewielki rozmiar i duża wydajność energii. Lasery neodymowe Nd:YAG są większe, ale charakteryzują się lepszą jakością wiązki laserowej niż w przypadku laserów diodowych. Lasery światłowodowe produkują mniejsze wiązki, ale mogą produkować większą gęstość energii przy mniejszej mocy lasera. W spawaniu tworzyw sztucznych stosowane są cztery systemy optyczne. W spawarkach konturowych pojedyncza wiązka jest stosowana do śledzenia obszaru spawania. Z grubsza jest ona analogiczna do spawarki metalu, gdzie wysokoenergetyczny łuk jest prowadzony wzdłuż zgrzeiny. Przy spawaniu symultanicznym, energia z lasera jest podzielona na odcinki i kierowana do segmentów obszaru spawania. Przegroda lasera jest otwarta, zalewając całą część energią lasera przez określony czas. Przy spawaniu skanującymi (kwazi-symultanicznym) wiązka laserowa jest odbijana od ruchomych zwierciadeł i kierowana na punkt na linii spawania. Wiązka jest w sposób powtarzalny przesuwana wzdłuż zgrzeiny z dużą prędkością. To powoduje przyrost temperatury na całym spawanym obszarze. Przy spawaniu w osłonie, seria diod jest wykorzystywana do produkcji ciągłego pasma energii laserowej. Część jest przesuwana pod pasmem światła, które spawa całą powierzchnię części. Osiągalna wytrzymałość spawów tworzyw sztucznych będzie różna, w zależności od polimeru. Aby ocenić wytrzymałość spawu, należy wziąć pod uwagę gęstość energii zastosowanej do wykonania spawu. Ilość energii laserowej, jakiej poddawana jest spoina będzie uzależniona od mocy lasera użytego do spawania, średnicy wiązki laserowej i prędkości, z jaką wykonywane jest spawanie. Jeżeli moc lasera zostanie zwiększona, energia dostępna na spawie również wzrośnie. Istnieje również możliwość zwiększenia dostępnej energii poprzez zmniejszenie wielkości wiązki. Jeżeli 50 W mocy lasera rozejdzie się po wiązce o średnicy 4 mm, energia na jednostkę powierzchni wyniesie mniej, niż gdyby te same 50 W mocy rozeszło się po wiązce o średnicy 2 mm. Podobnie można zwiększać energię poprzez zmniejszanie prędkości zgrzewarki. Aby zapewnić zgodność, ilość energii dostępnej do spawania jest wyrażana jako gęstość energii lasera. Gęstość energii jest równoważna z mocą lasera podzieloną przez średnicę wiązki oraz prędkość spawania. Typowa gęstość energii lasera jest pokazana w równaniu 3.
wzor

(równanie 3)
Poznanie systemów laserowych jest konieczne przy rozważaniu spawania laserem podczerwieni. Wybór systemu optycznego często jest uzależniony od szerokości części. Diodowe spawanie konturowe jest preferowane do szerszych linii i bardziej złożonych geometrii. Lasery neodymowe Nd:YAG i światłowodowe są preferowane do linii o mniejszej szerokości (1mm lub mniej). Lasery światłowodowe są niezbędne do bardzo cienkich linii, na przykład w zastosowaniach mikroprzepływowych. W przypadku laserów diodowych i neodymowych Nd:YAG moc powinna mieścić się w zakresie od 30 W do 150 W dla większości zastosowań. W przypadku laserów światłowodowych, mniejsze poziomy energii są bardziej odpowiednie, gdyż w tym systemie średnica wiązki jest znacznie mniejsza. Parametry procesu mają znaczenie krytyczne dla optymalizacji procesu. Wykres gęstości energii i wytrzymałości na rozciąganie pokazuje, jak można zoptymalizować spawanie. Przy niższej energii dochodzi jedynie do przywierania. Przy wyższej energii dochodzi do rozkładu. Należy zrozumieć znaczenie przegrzania części i ich chłodzenia. Przegrzanie części może powodować wypaczanie lub powstawanie bąbli podczas spawania. Użycie rozpraszaczy ciepła oraz płyt chłodzących może okazać się cenne. Rozpraszacz ciepła jest to płyta metalowa, która może być stosowana do absorpcji ciepła ze spawanych części. Zapobiega to stopieniu na wylot lub przegrzaniu dolnej powierzchni części. Korzystne może być również gwałtowne schłodzenie dolnej części. Odkryliśmy, że zmniejsza to ryzyko wypaczania cienkich części i wpływa na poprawę wyglądu niektórych spoin. Zrozumienie procesów spawania laserowego jest istotnym czynnikiem rozwoju tej techniki łączenia trwałego. Brak należytej uwagi uwagi na konstrukcję części może prowadzić do powstawania połączeń złej jakości lub generowania wysokich kosztów narzędzi. Bardzo istotna jest odpowiednia współpraca części. Wybór optymalnego systemu optycznego, dostosowanego do danej części także jest istotnym czynnikiem. Podobnie jak właściwe formowanie. Użytkownik końcowy powinien współpracować z formierzem i optymalizować obszary spawane, aby usunąć nierówności
i uniknąć wypaczania części w tych miejscach.