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.
(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).
(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%).
- Polipropylen, polipropylen niskiej gęstości oraz PVDF charakteryzują się dobrą przepuszczalnością (20 – 50%).
- Poliwęglan, PEI, PETG, PMMA, polisufon oraz sztywne PVC charakteryzują się wysoką przepuszczalnością (>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.
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
