Laserové svařování polymerů - Laser welding of polymers

Laserové svařování polymerů je sada metod používaných ke spojení polymerní komponenty pomocí a laser. Laserové záření může být generováno CO₂ lasery Nd: YAG lasers, Diode lasers and Fiber lasers.^[1] Když laser narazí na povrch plastů, může se odrazit, absorbovat nebo proniknout přes tloušťku součásti. Laserové svařování plastů je založeno na absorpci energie laserového záření, které lze posílit přísadami a plnivy. Techniky laserového svařování, které byly vyvinuty, zahrnují přímé laserové svařování, laserové vyhřívání povrchu, pomocí transmisního laserového svařování a svařování mezi fólií. Vzhledem k vysokým rychlostem spojování, nízkým zbytkovým napětím a vynikajícímu vzhledu svaru byly postupy laserového svařování široce používány pro automobilové a lékařské aplikace.

Laserové zdroje

Mezi typy laserů používaných při svařování polymerů patří CO₂ lasery, Nd: YAG lasery, diodové lasery a vláknové lasery. CO₂ lasery se většinou používají ke svařování tenkých vrstev a tenkých plastů kvůli vysokým koeficientům absorpce energie většiny plastů. Nd: YAG lasery a diodové lasery produkují záření krátkých vlnových délek, které prochází několika milimetry nepigmentovaného polymeru.^[2] Používají se v technikách svařování transmisním laserem.

Lasery na oxid uhličitý

Lasery na oxid uhličitý mají vlnovou délku 10,6 μm, která je rychle absorbována většinou polymerů. Vzhledem k koeficientům absorpce vysoké energie je zpracování plastů pomocí CO₂ lze provést rychle při nízkých výkonech laseru Tento typ laseru lze použít k přímému svařování polymerů nebo řezání. Avšak pronikání CO₂ laser je menší než 0,5 mm a je většinou použitelný pro svařování tenkých vrstev a ohřev povrchu. Protože paprsek nemůže být přenášen silikonovým vláknem, paprsek je obvykle dodáván zrcadly.^[3]

Nd: YAG lasery

Nd: YAG lasery mají vlnovou délku v rozmezí 0,8 - 1,1 μm, přičemž nejběžnější je 1064 nm. Tyto lasery poskytují vysokou kvalitu paprsku, což umožňuje malé velikosti bodů. Tento typ paprsku může být dodáván prostřednictvím optického kabelu.^[3]

Diodové lasery

Vlnová délka diodové lasery je typicky v rozsahu vlnových délek 780 - 980 nm.^[2] Ve srovnání s laserem Nd: YAG a CO₂ laser, diodový laser má nejvyšší výhodu v energetické účinnosti. Vysokoenergetická světelná vlna může proniknout do tloušťky několika milimetrů semikrystalický plasty a dále v nepigmentovaných amorfních plastech.^[2] Diodové lasery mohou být buď dodávány vlákny, nebo lokální v místě svaru. Relativně malá velikost umožňuje sestavení polí pro větší otisky nohou.

Vláknový laser

Vláknové lasery obvykle vykazují vlnové délky v rozmezí od 1 000 do 2 100 nm.^[3] Rozšířený rozsah vlnových délek umožnil vývoj svařování přímým přenosem bez dalších absorpčních přísad.^[4]

Zařízení

Nastavení zařízení se může značně lišit v designu a složitosti. Ve většině strojů je však zahrnuto 5 komponent: generátor / napájecí zdroj, ovládací rozhraní, akční člen, spodní přípravek a horní přípravek.

Generátor / napájecí zdroj

Tato součást transformuje přijaté napětí a frekvenci na odpovídající napětí, proud a frekvenci do laserového zdroje. Diodový laser a vláknový laser jsou dva nejčastěji používané systémy pro laserové svařování.^[1]

Ovládací rozhraní

Řídicí rozhraní je rozhraní mezi operátorem a strojem pro monitorování provozu systému. Je konstruován logickými obvody, aby operátorům zasílal informace o stavu stroje a svařovacích parametrech.^[1] V závislosti na různých laserových režimech bude ovládací rozhraní měnit parametry, které lze měnit.^[5]

Pohon

Tato součást je lis aktivovaný pneumatickou a elektrickou energií.^[1] Stlačuje díl v horním upínači tak, aby se dotýkal komponent ve spodním upínači a během svařovacích procesů působil předem stanoveným zatížením.^[5] K pohonům jsou přidány ovládací prvky posunutí, které přesně sledují pohyby.^[1]

Dolní přípravek

Dolní přípravek je jigová struktura, která lokalizuje spodní část kloubu.^[5] Poskytuje umístění a zarovnání, která zajišťují svařování součástí s malými tolerancemi.

Horní přípravek

Horní přípravek je nejsložitější a nejdůležitější součástí celého systému. V této součástce je generován laserový paprsek, který ohřívá svařovací součásti. Konstrukce horního svítidla se často liší od laserových zdrojů a režimů ohřevu. Například když laser YAG nebo a diodový laser se používá jako zdroj tepla, optická vlákna jsou často zaměstnáni k zajištění mobility. Svařovací část se však nemůže pohybovat.^[5]

Laserová interakce s polymery

Mezi laserovým zářením a plasty mohou nastat tři typy interakcí: odraz, absorpce a přenos. Rozsah individuální interakce závisí na vlastnostech materiálů, vlnové délce laseru, intenzitě laseru a rychlosti paprsku.^[3]

Odraz

Odražená a přenášená energie

Odraz dopadajícího laserového záření je obvykle u většiny polymerů řádově 5 až 10%, což je ve srovnání s absorpcí a přenosem málo.^[6] Podíl odrazu (R) lze určit následující rovnicí,

${ displaystyle R = { frac {(n-m) ^ {2}} {(n + m) ^ {2}}}}$

kde ${ displaystyle n}$ je index lomu plastů a ${ displaystyle m}$ je index lomu vzduchu (~ 1).^[5]

Přenos

Přenos laserové energie prostřednictvím určitých polymerů umožňuje procesy, jako je například přenosové svařování. Když laserový paprsek prochází rozhraními mezi různými médii, laserový paprsek je lomený pokud cesta není kolmý na povrch. Tento efekt je třeba vzít v úvahu, když laser prochází vícevrstvou, aby se dostal do oblasti kloubu.^[4]

K vnitřnímu rozptylu dochází, když laser prochází tloušťkou v semikrystalických plastech, kde krystalická a amorfní fáze mají odlišný index lomu. K rozptylu může dojít také v krystalických a amorfních plastech se zesílením, jako je skleněné vlákno a některá barviva a přísady.^[1] Při transmisním laserovém svařování může tento účinek snížit efektivní energii laserového záření směrem k oblasti kloubu a omezit tloušťku komponent.^[5]

Vstřebávání

Laserová absorpce může nastat na povrchu plastů nebo během přenosu tloušťkou. Množství laserové energie absorbované polymerem je funkcí vlnové délky laseru, absorpční schopnosti polymeru, krystalinity polymeru a přísad (tj. Kompozitních výztuh, pigmentů atd.).^[1] Absorpce na povrchu má dva možné způsoby, fotolytický a pyrolytický. Fotolytický proces probíhá při záření o krátké vlnové délce (méně než 350 nm nebo ultrafialový (UV)), když foton energie je dostatečná k rozbití chemických vazeb. Pyrolytický proces probíhá při záření s dlouhou vlnovou délkou (větší než 0,35 µm). Tento proces se týká generování tepla, které lze použít pro svařovací a řezací účely.^[3]

Distribuce tepla v laserem svařovaném polymeru je diktována Bouger – Lambertův zákon absorpce.^[6]

I (z) = I (z = 0) e^Kz

kde I (z) je intenzita laseru v určité hloubce z, I (z = 0) je intenzita laseru na povrchu, K je absorpční konstanta.^[6]

Účinek přísad

Polymery mají často přidané sekundární prvky z různých důvodů (tj. Pevnost, barva, absorpce atd.). Tyto prvky mohou mít zásadní vliv na interakci laseru s polymerní složkou. Níže jsou popsány některé běžné přísady a jejich účinek na laserové svařování.

Posily

K polymerním materiálům se přidávají různá vlákna, aby se vytvořily kompozity s vyšší pevností. Některé typické vláknité materiály zahrnují: sklenka, uhlíkové vlákno, dřevo atd. Když laserový paprsek interaguje s těmito materiály, může se rozptýlit nebo absorbovat, což změní optické vlastnosti od vlastností základního polymeru. Při svařování laserovým přenosem může průhledný materiál s výztuží více absorbovat nebo zředit energetický paprsek, což ovlivňuje kvalitu svaru.^[6] Vysoký obsah skleněných vláken zvyšuje rozptyl v plastech a zvyšuje vstup laserové energie pro svařování určité tloušťky.^[2]

Barviva

Barviva (pigmenty ) se přidávají do polymerů z různých důvodů, včetně estetických a funkčních požadavků (například optika). Určité barevné přísady, jako např oxid titaničitý, může mít negativní dopad na laserovou svařitelnost polymeru. Oxid titaničitý poskytuje polymerům bílé zbarvení, ale také rozptyluje laserovou energii, což ztěžuje svařování. Další barevná přísada, saze, je velmi účinný absorbér energie a často se přidává k vytváření svarů. Řízením koncentrace sazí absorbujícím polymerem je možné řídit efektivní oblast laserového svaru.^[7]

Konfigurace laserových aplikací

Energii laserového paprsku lze dodávat do požadovaných oblastí prostřednictvím různých konfigurací. Mezi čtyři nejběžnější přístupy patří: konturové topení, simultánní topení, kvazi-simultánní topení a maskované topení.

Obrysový ohřev

V technice ohřevu kontury (laserové skenování nebo laserové přemisťování) prochází laserový paprsek pevné dimenze požadovanou oblastí a vytváří souvislý svarový šev.^[8]^[7] Laserový zdroj je manipulován galvanickým zrcadlem nebo robotickým systémem, aby skenoval vysokou rychlostí.^[5] Výhodou ohřevu kontury je to, že svar lze provádět pomocí jediného laserového zdroje, který lze přeprogramovat pro různé aplikace; v důsledku lokalizované oblasti ohřevu však může dojít k nerovnoměrnému kontaktu mezi svařovacími součástmi a tvorbě svarových dutin.^[5] Mezi důležité parametry této techniky patří: vlnová délka laseru, výkon laseru, rychlost otáčení a vlastnosti polymeru.^[8]

Současné vytápění

Při simultánním zahřívání se k ozařování celé oblasti svaru používá paprsková skvrna vhodné velikosti bez nutnosti relativního pohybu mezi obrobkem a laserovým zdrojem. Pro vytvoření svaru s velkou plochou lze kombinovat více laserových zdrojů, aby se vybraná oblast roztavila současně. Tento přístup lze použít jako náhradu ultrazvukové svařování v případě svařovacích komponent citlivých na vibrace. Mezi klíčové parametry zpracování pro tento přístup patří: vlnová délka laseru, výkon laseru, doba ohřevu, upínací tlak, doba chlazení a vlastnosti polymeru.^[3]^[8]

Kvazi-simultánní vytápění (QSLW)

Konfigurace laserového ohřevu

Při kvazi-simultánním ohřevu se pracovní plocha ozařuje pomocí skenovacích zrcadel. Zrcadla rychle rastrují laserový paprsek po celé pracovní ploše a vytvářejí současně roztavenou oblast. Mezi důležité parametry této techniky patří: vlnová délka laseru, výkon laseru, doba ohřevu, doba chlazení, vlastnosti polymeru.^[8]

Maskované topení

Maskované zahřívání je proces skenování laserové čáry oblastí s maskou, která zajišťuje, že při průchodu laseru lze zahřát pouze vybrané oblasti.^[3]^[5] Masky mohou být vyrobeny z laserem řezané oceli nebo jiných materiálů, které účinně blokují laserové záření. Tento přístup je schopen vytvářet svary v malém měřítku na součástech se složitou geometrií.^[3] Mezi klíčové parametry zpracování pro tento přístup patří: vlnová délka laseru, výkon laseru, doba ohřevu, upínací tlak, doba chlazení a vlastnosti polymeru.^[7]^[8]

Laserové svařovací techniky

V závislosti na různých interakcích mezi laserem a termoplasty byly pro spojování plastů vyvinuty čtyři různé techniky laserového svařování. CO₂ lasery mají dobrou povrchovou absorpci pro většinu termoplastů, proto se používají pro přímé laserové svařování a laserové vyhřívání povrchů. Přenosové laserové svařování a svařování mezilehlým filmem vyžadují hluboký průnik laserového paprsku, proto jsou pro tyto techniky nejběžnějším zdrojem lasery YAG a diodové lasery.

Přímé laserové svařování

Přímé laserové svařování polymerů

Podobně jako u laserového svařování kovů se při přímém laserovém svařování povrch polymeru zahřívá, aby se vytvořila tavná zóna, která spojuje dvě složky dohromady. Tento přístup lze použít k vytvoření tupých spojů a břišních spojů s úplnou penetrací. Pro tento proces se používají laserové vlnové délky mezi 2 a 10,6 μm kvůli jejich vysoké absorpci v polymerech.^[3]

Laserové povrchové vytápění

Laserové vyhřívání povrchu je podobné jako bezdotykové svařování pomocí horkých desek, kdy jsou mezi komponenty umístěna zrcadla, která vytvářejí roztavenou povrchovou vrstvu. Doba expozice je obvykle mezi 2–10 s.^[5] Poté se zrcadlo zatáhne a komponenty se přitlačí k sobě a vytvoří spoj. Parametry procesu pro ohřev laserového povrchu zahrnují laserový výstup, vlnovou délku, dobu ohřevu, dobu výměny a kovací tlak a čas.^[5]

Přenosovým laserovým svařováním (TTLW)

Schéma transmisního laserového svařování polymerů

Pomocí transmisního laserového svařování polymerů je způsob vytvoření spoje na rozhraní mezi dvěma polymerními složkami s různými průhlednostmi vůči laserovým vlnovým délkám. Horní složka je transparentní pro vlnovou délku laseru mezi 0,8 um až 1,05 um a spodní složka je buď neprůhledná, nebo je upravena přidáním barviv, která podporují absorpci laserového záření. Typickým barvivem jsou saze, které absorbují většinu elektromagnetické vlnové délky.^[5] Když je kloub ozařován laserem, prochází průhledná vrstva světlem s minimální ztrátou, zatímco neprůhledná vrstva absorbuje energii laseru a zahřívá se.^[8]

Tyto dvě součásti jsou drženy spodním přípravkem pro ovládání vyrovnání a do horní části je přidána malá upínací síla pro vytvoření těsného kontaktu. Potom se na rozhraní mezi dvěma složkami vytvoří vrstva taveniny, složená ze směsi dvou plastových materiálů.

Existují čtyři různé režimy přenosu laserovým svařováním: skenovací režim, simultánní, kvazi-simultánní a ohřev masky.^[8]

Přenosovým laserovým svařováním lze dosáhnout mnoha výhod, jako je rychlá rychlost svařování, flexibilita, dobré kosmetické vlastnosti a nízké zbytkové napětí. Z hlediska zpracování lze laserové svařování provádět v předem smontovaných podmínkách, což snižuje potřebu složitých přípravků; tato metoda však není vhodná pro plasty s vysokou krystalinitou kvůli lomu a geometrickým omezením.^[5]

Svařování mezilehlých fólií

Svařování mezilehlých fólií je metoda spojování nekompatibilních plastových součástí pomocí mezilehlé fólie mezi nimi. Podobně jako u transmisního svařování prochází laserové záření průhlednými součástmi a taví mezivrstvy, aby vytvořily spoj.^[1] Tento film může být vyroben z neprůhledného termoplastu, rozpouštědla, viskózní kapalina nebo jiné látky, které se při vystavení laserové energii zahřívají. Kombinace mezilehlých filmů a látek podporujících adhezi je schopna spojit nekompatibilní termoplasty dohromady.^[1] Tenká vrstva poté generuje teplo potřebné k roztavení systému.^[8]

Aplikace

Klíč od zapalování vozu

Automobilové aplikace

Černé tělo klíčů od auta je svařeno technikou TTLW (Through Transmission Laser Welding), při které se laserové záření přenáší přes horní součást a vytváří spoj na rozhraní. K absorpci laserového záření jsou do spodní části klíčů od auta přidány saze. Černá barva horní části je vytvořena přidáním barviva, díky čemuž je součást černá, ale průhledná pro laserové záření.

Mezi další aplikace laserového svařování v automobilovém průmyslu patří zásobníky brzdové kapaliny a osvětlovací komponenty.^[8]

IV taška

Lékařské aplikace

Laserové svařování plastů se aplikuje na svařování zdravotnických prostředků, jako jsou IV vaky. Spoje s vysokou geometrickou složitostí lze vyrobit laserovým svařováním bez tvorby částic. To je zásadní pro bezpečnost pacientů, když se k výrobě IV vaků obsahujících krev používají techniky svařování. Kromě toho mohou záblesky generované během svařování způsobit krevní turbulence a zničit krevní planety. Dobrá kontrola nad výkonem laseru zabrání tvorbě blesku a chrání tak krevní buňky před poškozením.

Reference

^ ^A ^b ^C ^d ^E ^F ^G ^h ⁱ Tres, Paul A. (2017). „Techniky svařování plastů“. Navrhování plastových dílů pro montáž (osmé vydání). Mnichov: HANSER. str. 85–168. doi:10.3139/9781569906699.005. ISBN 978-1-56990-668-2.
^ ^A ^b ^C ^d A. Hilton, Paul; A. Jones, já; Kennish, Y (01.01.2003). Miyamoto, Isamu; Kobayashi, Kojiro F; Sugioka, Koji; Poprawe, Reinhart; Helvajian, Henry (eds.). "Přenosové laserové svařování plastů". Sborník SPIE. První mezinárodní sympozium o vysoce výkonném laserovém makroprocesoru. 4831: 44. Bibcode:2003SPIE.4831 ... 44H. doi:10.1117/12.486499.
^ ^A ^b ^C ^d ^E ^F ^G ^h ⁱ Troughton, Michael J. (2008). Příručka spojování plastů - praktický průvodce. Nakladatelství William Andrew.
^ ^A ^b Ruotsalainen, Saara; Laakso, Petri; Kujanpää, Veli (01.01.2015). „Laserové svařování transparentních polymerů pomocí kvazi-simultánní techniky posunu paprsku s nastavením“. Fyzikální procedury. 78: 272–284. Bibcode:2015PhPro..78..272R. doi:10.1016 / j.phpro.2015.11.038. ISSN 1875-3892.
^ ^A ^b ^C ^d ^E ^F ^G ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m Grewell, GA; Benatar, Avraham; Park, Joon (2003). Příručka pro svařování plastů a kompozitů. Mnichov: HANSER. str. 271–311.
^ ^A ^b ^C ^d Zaměstnanci PDL (1997). "Laserové svařování". Příručka pro spojování plastů. Knihovna návrhů plastů. 101–104. doi:10.1016 / B978-188420717-4.50015-4. ISBN 9781884207174.
^ ^A ^b ^C Acherjee, Bappa; Kuar, Arunanshu S .; Mitra, Souren; Misra, Dipten (01.04.2012). „Vliv sazí na teplotní pole a profil svaru při laserovém svařování polymerů: studie FEM“. Optika a laserová technologie. 44 (3): 514–521. Bibcode:2012OptLT..44..514A. doi:10.1016 / j.optlastec.2011.08.008. ISSN 0030-3992.
^ ^A ^b ^C ^d ^E ^F ^G ^h ⁱ Benatar, Avraham (2017). "Spojování plastů". Příručka Applied Plastics Engineering Handbook (druhé vydání). Knihovna návrhů plastů. str. 575–591. doi:10.1016 / B978-0-323-39040-8.00027-4. ISBN 9780323390408.

[:2-1] A ^b ^C ^d ^E ^F ^G ^h ⁱ Tres, Paul A. (2017). „Techniky svařování plastů“. Navrhování plastových dílů pro montáž (osmé vydání). Mnichov: HANSER. str. 85–168. doi:10.3139/9781569906699.005. ISBN 978-1-56990-668-2.

[:6-2] A ^b ^C ^d A. Hilton, Paul; A. Jones, já; Kennish, Y (01.01.2003). Miyamoto, Isamu; Kobayashi, Kojiro F; Sugioka, Koji; Poprawe, Reinhart; Helvajian, Henry (eds.). "Přenosové laserové svařování plastů". Sborník SPIE. První mezinárodní sympozium o vysoce výkonném laserovém makroprocesoru. 4831: 44. Bibcode:2003SPIE.4831 ... 44H. doi:10.1117/12.486499.

[:1-3] A ^b ^C ^d ^E ^F ^G ^h ⁱ Troughton, Michael J. (2008). Příručka spojování plastů - praktický průvodce. Nakladatelství William Andrew.

[:7-4] A ^b Ruotsalainen, Saara; Laakso, Petri; Kujanpää, Veli (01.01.2015). „Laserové svařování transparentních polymerů pomocí kvazi-simultánní techniky posunu paprsku s nastavením“. Fyzikální procedury. 78: 272–284. Bibcode:2015PhPro..78..272R. doi:10.1016 / j.phpro.2015.11.038. ISSN 1875-3892.

[:32-5] A ^b ^C ^d ^E ^F ^G ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m Grewell, GA; Benatar, Avraham; Park, Joon (2003). Příručka pro svařování plastů a kompozitů. Mnichov: HANSER. str. 271–311.

[:0-6] A ^b ^C ^d Zaměstnanci PDL (1997). "Laserové svařování". Příručka pro spojování plastů. Knihovna návrhů plastů. 101–104. doi:10.1016 / B978-188420717-4.50015-4. ISBN 9781884207174.

[:4-7] A ^b ^C Acherjee, Bappa; Kuar, Arunanshu S .; Mitra, Souren; Misra, Dipten (01.04.2012). „Vliv sazí na teplotní pole a profil svaru při laserovém svařování polymerů: studie FEM“. Optika a laserová technologie. 44 (3): 514–521. Bibcode:2012OptLT..44..514A. doi:10.1016 / j.optlastec.2011.08.008. ISSN 0030-3992.

[:3-8] A ^b ^C ^d ^E ^F ^G ^h ⁱ Benatar, Avraham (2017). "Spojování plastů". Příručka Applied Plastics Engineering Handbook (druhé vydání). Knihovna návrhů plastů. str. 575–591. doi:10.1016 / B978-0-323-39040-8.00027-4. ISBN 9780323390408.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]