Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie
  • STRONA GŁÓWNA
  • Aktualności
    Nowa technologia produkcji drzwi samolotów pasażerskich

    Nowa technologia produkcji drzwi samolotów pasażerskich

    superjammer najsilniejsze ramię robota

    Najsilniejsze ramię robota

    chwytak z taśmy mierniczej

    Chwytak z taśmy mierniczej

    Nowy stop miedzi do zastosowań wysokotemperaturowych

    Nowy stop miedzi do zastosowań wysokotemperaturowych

    Cyklokopter BlackBird

    Cyklokopter BlackBird w powietrzu

    GFG Peralta S

    Retrofuturystyczne perełki motoryzacji

    Nowa technologia recyklingu włókien węglowych

    Nowa technologia recyklingu włókien węglowych

    podwodne górnictwo

    Wojna celna i minerały na dnie morza

    Robot na gaz

    Robot na gaz

  • Artykuły
    • Wszystkie artykuły
    • Analizy, symulacje
    • Badania, analizy
    • Części maszyn i urządzeń
    • Historia
    • Inne
    • Konstrukcje
    • Maszyny i urządzenia
    • Materiały
    • Projektowanie
    • Rozwiązania
    • Technologie
    Przenośnik rolkowy

    Automatyzacja transportu wewnętrznego

    Pierścienie Ustalające Smalley Spirolox

    Pierścienie ustalające Smalley Spirolox

    badanie materiałowe polimerów na potrzeby MES

    Badania materiałowe i modelowanie polimerów na potrzeby symulacji MES

    Wywrotnica czołowa o ruchu kontrolowanym

    Historia jednego patentu – czyli dlaczego warto znać teorię

    separator do docierania wałków

    Docieranie otworów i powierzchni walcowych

    Honowanie na standardowych centrach obróbczych

    Honowanie na standardowych centrach obróbczych

    mantra-ford ms80 1969

    Spór o aerodynamikę: skrzydła w Formule 1

    Efektywność i optymalizacja technologii

    Efektywność i optymalizacja technologii

    Resztkowa poduszka tworzywa w procesie wtrysku

    Resztkowa poduszka tworzywa w procesie wtrysku

    Nadsmarowność przełom w tribologii

    Nadsmarowność – przełom w tribologii?

    obróbka wykończająca honowanie

    Obróbka wykończająca: honowanie

    Prognozowanie wyboczenia wskutek odkształceń termicznych

    Prognozowanie wyboczenia wskutek odkształceń termicznych

    Wybrane aspekty produktywnego skrawania na wieloosiowych obrabiarkach CNC

    Wybrane aspekty produktywnego skrawania na wieloosiowych obrabiarkach CNC; cz. 7

    pamar axial engine

    Osiowe silniki wewnętrznego spalania

    Analiza i synteza w projektowaniu obrabiarek

    Analiza i synteza w projektowaniu obrabiarek

    Wybrane tematy:

    • robotyzacja
    • spawanie
    • obróbka skrawaniem
    • MES
    • klejenie
    • tworzywa sztuczne
    • motoryzacja
    • CAD
    • polskie projekty
    • lotnictwo
    • druk 3D
    • silniki
    • formy wtryskowe
    • budowa maszyn
    • technologie łączenia
    • obliczenia
    • kompozyty
    • ceramika techniczna
    • Analizy, symulacje
    • Badania, analizy
    • Technologie
    • Maszyny i urządzenia
    • Części maszyn i urządzeń
    • Konstrukcje
    • Rozwiązania
    • Projektowanie
    • Materiały
    • Historia
    • Inne
  • Czasopismo
    • O czasopiśmie
    • Jak zakupić
    • Archiwum
      • Archiwum 2025
      • Archiwum 2024
      • Archiwum 2023
      • Archiwum 2022
      • Archiwum 2021
      • Archiwum 2020
      • Archiwum 2019
      • Archiwum 2018
      • Archiwum 2017
      • Archiwum 2016
      • Archiwum 2015
      • Archiwum 2014
      • Archiwum 2013
      • Archiwum 2012
      • Archiwum 2011
      • Archiwum 2010
      • Archiwum 2009
      • Archiwum 2008
      • Archiwum 2007
  • Kontakt
  • ­
Nie znaleziono
Zobacz wszystkie wyniki
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie
  • STRONA GŁÓWNA
  • Aktualności
    Nowa technologia produkcji drzwi samolotów pasażerskich

    Nowa technologia produkcji drzwi samolotów pasażerskich

    superjammer najsilniejsze ramię robota

    Najsilniejsze ramię robota

    chwytak z taśmy mierniczej

    Chwytak z taśmy mierniczej

    Nowy stop miedzi do zastosowań wysokotemperaturowych

    Nowy stop miedzi do zastosowań wysokotemperaturowych

    Cyklokopter BlackBird

    Cyklokopter BlackBird w powietrzu

    GFG Peralta S

    Retrofuturystyczne perełki motoryzacji

    Nowa technologia recyklingu włókien węglowych

    Nowa technologia recyklingu włókien węglowych

    podwodne górnictwo

    Wojna celna i minerały na dnie morza

    Robot na gaz

    Robot na gaz

  • Artykuły
    • Wszystkie artykuły
    • Analizy, symulacje
    • Badania, analizy
    • Części maszyn i urządzeń
    • Historia
    • Inne
    • Konstrukcje
    • Maszyny i urządzenia
    • Materiały
    • Projektowanie
    • Rozwiązania
    • Technologie
    Przenośnik rolkowy

    Automatyzacja transportu wewnętrznego

    Pierścienie Ustalające Smalley Spirolox

    Pierścienie ustalające Smalley Spirolox

    badanie materiałowe polimerów na potrzeby MES

    Badania materiałowe i modelowanie polimerów na potrzeby symulacji MES

    Wywrotnica czołowa o ruchu kontrolowanym

    Historia jednego patentu – czyli dlaczego warto znać teorię

    separator do docierania wałków

    Docieranie otworów i powierzchni walcowych

    Honowanie na standardowych centrach obróbczych

    Honowanie na standardowych centrach obróbczych

    mantra-ford ms80 1969

    Spór o aerodynamikę: skrzydła w Formule 1

    Efektywność i optymalizacja technologii

    Efektywność i optymalizacja technologii

    Resztkowa poduszka tworzywa w procesie wtrysku

    Resztkowa poduszka tworzywa w procesie wtrysku

    Nadsmarowność przełom w tribologii

    Nadsmarowność – przełom w tribologii?

    obróbka wykończająca honowanie

    Obróbka wykończająca: honowanie

    Prognozowanie wyboczenia wskutek odkształceń termicznych

    Prognozowanie wyboczenia wskutek odkształceń termicznych

    Wybrane aspekty produktywnego skrawania na wieloosiowych obrabiarkach CNC

    Wybrane aspekty produktywnego skrawania na wieloosiowych obrabiarkach CNC; cz. 7

    pamar axial engine

    Osiowe silniki wewnętrznego spalania

    Analiza i synteza w projektowaniu obrabiarek

    Analiza i synteza w projektowaniu obrabiarek

    Wybrane tematy:

    • robotyzacja
    • spawanie
    • obróbka skrawaniem
    • MES
    • klejenie
    • tworzywa sztuczne
    • motoryzacja
    • CAD
    • polskie projekty
    • lotnictwo
    • druk 3D
    • silniki
    • formy wtryskowe
    • budowa maszyn
    • technologie łączenia
    • obliczenia
    • kompozyty
    • ceramika techniczna
    • Analizy, symulacje
    • Badania, analizy
    • Technologie
    • Maszyny i urządzenia
    • Części maszyn i urządzeń
    • Konstrukcje
    • Rozwiązania
    • Projektowanie
    • Materiały
    • Historia
    • Inne
  • Czasopismo
    • O czasopiśmie
    • Jak zakupić
    • Archiwum
      • Archiwum 2025
      • Archiwum 2024
      • Archiwum 2023
      • Archiwum 2022
      • Archiwum 2021
      • Archiwum 2020
      • Archiwum 2019
      • Archiwum 2018
      • Archiwum 2017
      • Archiwum 2016
      • Archiwum 2015
      • Archiwum 2014
      • Archiwum 2013
      • Archiwum 2012
      • Archiwum 2011
      • Archiwum 2010
      • Archiwum 2009
      • Archiwum 2008
      • Archiwum 2007
  • Kontakt
  • ­
Nie znaleziono
Zobacz wszystkie wyniki
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie
Nie znaleziono
Zobacz wszystkie wyniki
https-nlx-dmgmori-com

Spawanie laserowe tworzyw sztucznych do wyrobu elementów konstrukcyjnych; cz. II

­ William H. Cawley
06.04.2011
A A
Spawanie Laserowe Tworzyw Sztucznych Detal

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 na równaniu 3.

gęstość energii lasera wzór

(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.

Wytrzymałość spoin

Jak zostało to omówione wcześniej, spawalność żywic jest uzależniona od kilku czynników. Należą do nich:

  • obecność dodatków nieorganicznych – sadza, duże ilości dwutlenku tytanu;
  • duży odsetek wypełniaczy w grubych częściach;
  • polimery półkrystaliczne w grubych częściach;
  • metal na złączu – może powodować spalenie;
  • odmienne tworzywa sztuczne– części wzajemnie nierozpuszczalne;
  • duża różnica temperatur topnienia;
  • tworzywa sztuczne o niskim, krytycznym progu palenia, takie jak poliwęglany.

Przestrzenie powietrza na spawach muszą zostać wyeliminowane na spawach. Należy unikać powierzchni wystawionych na działanie lasera, podczas spawania przy dużej gęstości energii. Wytrzymałość spoin, jaka jest osiągalna dla różnych polimerów, zależy od podstawowego składu i konstrukcji spawanej części. Rezultat spawania nie jest zgodny ze standardową regułą praktyczną stosowaną przy spawaniu metalu. To znaczy, że spoina zazwyczaj nie ma większej wytrzymałości niż materiał wyjściowy. Badania przeprowadzone na różnych tworzywach sztucznych, które zostały połączone spoiną doczołową, wskazują wytrzymałość względną, jaką można uzyskać dla tych tworzyw [5]. W badaniu tym wydajność spawania została zdefiniowana jako współczynnik wytrzymałości spoiny próbki spawanej laserowo i materiału wyjściowego (równanie 4).

wydajność spawania laserowego tworzyw sztucznych

(równanie 4)

Wytrzymałość materiału wyjściowego określono na podstawie kart produktów tworzyw sztucznych. Tworzywa zostały podzielone na trzy grupy w zależności od ich zdolności do przekazywania energii podczerwieni przy 940 nm.

  • ABS, acetal, polietylen wysokiej gęstości, nylon 6/6 oraz polietylen o ultra wysokiej masie molekularnej charakteryzują się niską przepuszczalnością (mniej niż 3%).
Spawanie Laserowe Tworzyw Sztucznych przepuszczalność materiałów
Rys. 5 Materiały przepuszczalne w wielkości mniej niż 3%
  • Polipropylen, polipropylen niskiej gęstości oraz PVDF charakteryzują się dobrą przepuszczalnością (20 – 50%).
Spawanie Laserowe Tworzyw Sztucznych przepuszczalność materiałów
Rys. 6 Materiały przepuszczalne w 20-50%
  • Poliwęglan, PEI, PETG, PMMA, polisufon oraz sztywne PVC charakteryzują się wysoką przepuszczalnością (>80%).
Spawanie Laserowe Tworzyw Sztucznych przepuszczalność materiałów
Rys. 7 Materiały przepuszczalne w wielkości powyżej 80%

Wytrzymałość spoin tych materiałów, po spawaniu laserowym z zastosowaniem spawu doczołowego, podano na rysunkach 5, 6 i 7. Dla większości części wyniki spawania były dobre, gdyż większość tworzyw osiągnęła wartość ok. 75% wytrzymałości materiału wyjściowego lub większą. Trzy materiały miały stosunkowo niską wytrzymałość spoiny w stosunku do wytrzymałości materiałów wyjściowych. Były to:

  • Polietylen o ultra wysokiej masie molekularnej – 0,47
  • Nylon 6/6 – 0,45
  • Polieteroimid (PEI) – 0,31

Jak wskazuje jego nazwa – polietylen o ultra wysokiej masie molekularnej posiada bardzo wysoką masę molekularną oraz wysoką lepkość stopu. Jest to materiał absorpcyjny, który generuje bardzo skupiony obszar topnienia. Skutkuje to małą ilością stopionego tworzywa oraz niewystarczającym przepływem molekuł pomiędzy podłożami. Nylon 6/6 ma wysoką temperaturę topnienia (Tm = 260 °C). Wymaga to dużej gęstości energii w celu stopienia tworzywa. Jednakże zdolność osiągnięcia wysokiego poziomu energii na powierzchni łączenia jest hamowana przez niski przepływ energii podczerwieni (1,6%). Możliwym rozwiązaniem jest zwiększenie koncentracji użytego absorbentu. Polieteroimid (PEI) ma wysoką temperaturę przechodzenia w szkło (Tg = 216 °C) i dlatego wymaga dużej gęstości energii, aby utworzyć spoinę. Jednakże podstawa spala się przy energii o dużej gęstości.

Podsumowanie

Generalnie, wymagania materiałowe do spawania laserowego są podobne jak w przypadku innych technik spawania. Materiały muszą być termoplastyczne, ale nie termoutwardzalne. Ponieważ polimery z natury nie absorbują energii laserów podczerwieni, to aby umożliwić spawanie laserowe konieczne jest dodanie absorbera. Organiczne materiały absorpcyjne wymagają większej energii niż większość materiałów sadzowych. Uzależnione to jest od stężenia sadzy w porównaniu ze stężeniem absorbera organicznego w danej części. Niektóre tworzywa sztuczne są podatne na spalenie, z uwagi na rozkład wzbudzany laserowo. Jest to wynikiem osiągnięcia progowej gęstości energii, w jakiej tworzywo zmienia się z wysokoprzewodzącego w wysokoabsorpcyjne. Może to być problemem w przypadku poliwęglanów, polieteroimidu i polisulfonu. Konstrukcja złącza i części może mieć wpływ na wynik spawania. Powierzchnia na połączeniu oraz wszelkie powierzchnie wystawione na działanie lasera, takie jak np. powierzchnia podłoża przewodzącego, powinny być wolne od materiałów absorbujących promieniowanie laserowe, takich jak cząsteczki brudu i przypadkowe ślady tuszu. Preferowane są powierzchnie gładkie. Powierzchnie matowe mogą być spawane, ale nieregularność powierzchni może skutkować obniżoną trwałością spoiny. Powierzchnie spawane powinny być równoległe do siebie, aby zapewnić dokładną styczność. Gładkość powierzchni może wpływać na spawanie. Dopasowanie dwóch podkładów może być istotne w zależności od polimeru podkładowego oraz stopnia (wskaźnik szybkości płynięcia). Może on wpływać na siłę zamocowania, jaką należy zastosować na częściach i wymaga wyższej gęstości energii, aby spowodować stopienie większej ilości materiału. Może również wpływać na konfigurację używanego lasera. Spawanie symultaniczne i kwazi-symultaniczne może pokonać kilka problemów związanych z tolerancją.

Spawanie Laserowe Tworzyw Sztucznych
Tab. 1

W tabeli 1 przedstawiono niektóre z bardziej popularnych tworzyw sztucznych, jakie można spawać laserowo. Tworzywa wymienione w pierwszej kolumnie mogą być spawane ze sobą. Dodatkowo niektóre z nich można spawać z innymi tworzywami. W kolumnie środkowej wskazano te tworzywa, w przypadku których można uzyskać stosunkowo mocną spoinę. W ostatniej kolumnie wskazano tworzywa, które stworzą spoinę, jednakże wytrzymałość spoiny w przypadku materiałów wymienionych w tej kolumnie będzie stosunkowo słaba.

William H. Cawley
GENTEX Corporation

tłumaczenie: [Marek Bernaciak]
AMB Technic

Bibliografia:

[4] Kocheny, SA., Zybko, J.: Three Approaches in Utilizing High Power Diode Laser to Join Thermoplastics, SPE ANTEC Proceedings, 2002,1: 1115-1119

[5] Woosman, N., Cawley, W., and Verespy, J.: Achievable Weld Strengths using the Clearweld Process, Society of Plastic Engineers Topical Conference, 2004.

artykuł pochodzi z wydania 6 (33) czerwiec 2010

Czytaj dalej
Tagi: laserspawanietworzywa sztuczne

Powiązane artykuły

Resztkowa poduszka tworzywa w procesie wtrysku
Technologie

Resztkowa poduszka tworzywa w procesie wtrysku

Wpływ technik spawania na strukturę metalograficzną spoiny
Technologie

Wpływ technik spawania na strukturę metalograficzną spoiny

Spawanie Metodą MAG
Technologie

Dobór materiałów dodatkowych do metod ręcznego spawania stali

Inżynieria Compoundingu Tworzyw Sztucznych
Materiały

Inżynieria compoundingu tworzyw sztucznych

badanie materiałowe polimerów na potrzeby MES
Analizy, symulacje

Badania materiałowe i modelowanie polimerów na potrzeby symulacji MES

Klejenie Tworzyw Sztucznych
Technologie

Klejenie tworzyw sztucznych

najnowsze-wydanie_03-04_2025

Item Innovation Days

Tematyka:

aluminium automatyzacja budowa maszyn CAD cięcie CNC diagnostyka druk 3D energetyka formy wtryskowe innowacje inżynieria materiałowa klejenie kompozyty laser lotnictwo maszyny rolnicze mechanizm MES modelowanie montaż motocykle motoryzacja obliczenia obrabiarki obróbka plastyczna obróbka skrawaniem polskie projekty pomiary programy przemysł kosmiczny przemysł morski przemysł zbrojeniowy robot robotyzacja silniki spawanie stal technologie łączenia tribologia tworzywa sztuczne wynalazki wywiad zgrzewanie łożyska
http-alphatechnology-com-pl-o-nas
https-metaltop-pl
FORMY WTRYSKOWE Integracja Konstrukcji i Technologii Ebook
https-nlx-dmgmori-com
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie
  • O czasopiśmie
  • Polityka prywatności
  • Kontakt

© ITER 2007-2025

Nie znaleziono
Zobacz wszystkie wyniki
  • STRONA GŁÓWNA
  • Aktualności
  • Artykuły
    • Analizy, symulacje
    • Badania, analizy
    • Technologie
    • Maszyny i urządzenia
    • Części maszyn i urządzeń
    • Konstrukcje
    • Rozwiązania
    • Projektowanie
    • Materiały
    • Historia
    • Inne
  • Czasopismo
    • O czasopiśmie
    • Jak zakupić
    • Archiwum
      • Archiwum 2025
      • Archiwum 2024
      • Archiwum 2023
      • Archiwum 2022
      • Archiwum 2021
      • Archiwum 2020
      • Archiwum 2019
      • Archiwum 2018
      • Archiwum 2017
      • Archiwum 2016
      • Archiwum 2015
      • Archiwum 2014
      • Archiwum 2013
      • Archiwum 2012
      • Archiwum 2011
      • Archiwum 2010
      • Archiwum 2009
      • Archiwum 2008
      • Archiwum 2007
  • Kontakt
  • ­

© ITER 2007-2025