Лазерная сварка полимеров

Лазерная сварка полимеров — совокупность методов соединения полимерных компонентов с помощью лазера . Это может быть выполнено с использованием CO ₂ лазеров , лазеров Nd:YAG , диодных лазеров и волоконных лазеров . ^{[ 1 ]}

Когда лазер попадает на поверхность пластика, он может отражаться, поглощаться или проникать сквозь толщину детали. Лазерная сварка пластмасс основана на поглощении энергии лазерного излучения, которое может быть усилено добавками и наполнителями.

К методам лазерной сварки относятся:

Прямая лазерная сварка
Лазерный нагрев поверхности,
Трансмиссионная лазерная сварка
Сварка промежуточной пленки.

Благодаря высокой скорости соединения, низким остаточным напряжениям и превосходному внешнему виду сварных швов процессы лазерной сварки широко используются в автомобильной и медицинской промышленности.

Лазерные источники

Типы лазеров, используемых при сварке полимеров, включают CO ₂ -лазеры, Nd:YAG-лазеры, диодные лазеры и волоконные лазеры. CO ₂ -лазеры в основном применяются для сварки тонких пленок и тонких пластиков из-за высоких коэффициентов поглощения энергии большинства пластиков. Лазеры Nd:YAG и диодные лазеры производят коротковолновое излучение, которое проходит через несколько миллиметров непигментированного полимера. ^{[ 2 ]} Они используются в методах трансмиссионной лазерной сварки.

Углекислотные лазеры

Лазеры на углекислом газе имеют длину волны 10,6 мкм, которая быстро поглощается большинством полимеров. Благодаря высоким коэффициентам поглощения энергии обработка пластмасс с использованием CO ₂ может выполняться быстро при низкой мощности лазера. Этот тип лазера можно использовать при прямой сварке полимеров или резке. Однако проникающая способность CO ₂ -лазеров составляет менее 0,5 мм и в основном применима для сварки тонких пленок и нагрева поверхности. Поскольку луч не может передаваться по кремниевому волокну, луч обычно передается с помощью зеркал. ^{[ 3 ]}

Nd:YAG лазеры

Лазеры Nd:YAG имеют длину волны в диапазоне 0,9–1,1 мкм, наиболее распространенной является длина волны 1064 нм. Эти лазеры обеспечивают высокое качество луча, что позволяет использовать пятна небольшого размера. Этот тип луча может передаваться по оптоволоконному кабелю . ^{[ 3 ]}

Диодные лазеры

Длина волны диодных лазеров обычно находится в диапазоне длин волн 780–980 нм. ^{[ 2 ]} По сравнению с лазером Nd:YAG и лазером CO ₂ диодный лазер имеет огромное преимущество в энергоэффективности. Световая волна высокой энергии может проникать на толщину нескольких миллиметров в полукристаллические пластики и далее в непигментированные аморфные пластики. ^{[ 2 ]} Диодные лазеры могут подаваться либо по оптоволокну, либо локально в месте сварки. Относительно небольшой размер позволяет собирать массивы для больших площадей.

Волоконный лазер

Волоконные лазеры обычно имеют длину волны в диапазоне от 1000 до 3500 нм. ^{[ 3 ]} Расширенный диапазон длин волн позволил разработать сварку насквозь без дополнительных поглощающих добавок. ^{[ 4 ]}

Оборудование

Настройки оборудования могут сильно различаться по конструкции и сложности. Однако в большинство машин входит пять компонентов:

генератор/источник питания
интерфейс управления
привод
нижнее приспособление
верхнее приспособление.

Генератор/Источник питания

Этот компонент преобразует полученные напряжение и частоту в соответствующие напряжение, ток и частоту лазерного источника. Диодный лазер и волоконный лазер — две наиболее часто используемые системы лазерной сварки. ^{[ 1 ]}

Интерфейс управления

Интерфейс управления — это интерфейс между оператором и машиной для мониторинга работы системы. Он построен на основе логических схем для отправки операторам информации о состоянии машины и параметрах сварки . ^{[ 1 ]} В зависимости от различных режимов лазера интерфейс управления будет изменять параметры, которые можно изменить. ^{[ 5 ]}

Привод

Этот компонент представляет собой пресс, приводимый в действие пневматической и электрической энергией. ^{[ 1 ]} Он сжимает деталь в верхнем приспособлении, касаясь компонентов нижнего приспособления, и применяет заранее определенные нагрузки во время сварочных процессов. ^{[ 5 ]} К приводам добавлены элементы управления перемещением для точного отслеживания движений. ^{[ 1 ]}

Нижний крепеж

Нижнее приспособление представляет собой шаблонную конструкцию, фиксирующую нижнюю часть соединения. ^{[ 5 ]} Он обеспечивает расположение и выравнивание, обеспечивающее сварку компонентов с жесткими допусками.

Верхний крепеж

Верхнее приспособление – самый сложный и важный узел во всей системе. В этом компоненте генерируется лазерный луч для нагрева свариваемых деталей. Конструкция верхнего приспособления часто меняется в зависимости от лазерных источников и режимов нагрева. Например, когда YAG-лазер или диодный лазер в качестве источника тепла используется оптические волокна , для обеспечения мобильности часто используются . Однако сварочная часть не может двигаться. ^{[ 5 ]}

Лазерное взаимодействие с полимерами

Между лазерным излучением и пластиками могут происходить три типа взаимодействия:

отражение,
поглощение
передача инфекции

Степень индивидуального взаимодействия зависит от свойств материалов, длины волны лазера, интенсивности лазера и скорости луча. ^{[ 3 ]}

Отражение

Отражение падающего лазерного излучения в большинстве полимеров обычно составляет порядка 5–10%, что является низким показателем по сравнению с поглощением и пропусканием. ^{[ 6 ]} Доля отражения (R) может быть определена по следующему уравнению :

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

где $n$ - показатель преломления пластмасс и $m$ — показатель преломления воздуха (~1). ^{[ 5 ]}

Передача инфекции

Передача лазерной энергии через определенные полимеры позволяет использовать такие процессы, как трансмиссионная сварка. Когда лазерный луч проходит через границы раздела различных сред, лазерный луч преломляется, если его путь не перпендикулярен поверхности. Этот эффект необходимо учитывать, когда лазер проходит через несколько слоев, чтобы достичь области сустава. ^{[ 4 ]}

Внутреннее рассеяние происходит при прохождении лазера по толщине полукристаллических пластиков, где кристаллическая и аморфная фазы имеют разные показатели преломления. Рассеяние также может происходить в кристаллических и аморфных пластиках с армированием, например стекловолокном , а также некоторыми красителями и добавками. ^{[ 1 ]} При трансмиссионной лазерной сварке такой эффект может снизить эффективную энергию лазерного излучения в области соединения и ограничить толщину компонентов. ^{[ 5 ]}

Поглощение

Поглощение лазера может происходить на поверхности пластика или при прохождении через толщину. Количество лазерной энергии, поглощаемой полимером, зависит от длины волны лазера, поглощающей способности полимера, кристалличности полимера и добавок (например, композитных армирующих материалов, пигментов и т. д.). ^{[ 1 ]} Поглощение на поверхности имеет два возможных пути: фотолитический и пиролитический .

Фотолитический процесс происходит при коротковолновом излучении (менее 350 нм или ультрафиолете (УФ)), когда энергии фотонов достаточно для разрыва химических связей .
Пиролитический процесс происходит при длинноволновом излучении (более 0,35 мкм). Такой процесс связан с выделением тепла, которое можно использовать для сварки и резки. ^{[ 3 ]}

Распределение тепла внутри сваренного лазером полимера определяется Буже-Ламберта . законом поглощения ^{[ 6 ]}

I(z) = I(z=0) е ^Кз

где I(z) — интенсивность лазера на определенной глубине z, I(z=0) — интенсивность лазера на поверхности, K — константа поглощения. ^{[ 6 ]}

Эффект добавок

К полимерам часто добавляются вторичные элементы по разным причинам (например, прочность, цвет, поглощение и т. д.). Эти элементы могут оказывать глубокое влияние на взаимодействие лазера с полимерным компонентом. Ниже описаны некоторые распространенные добавки и их влияние на лазерную сварку.

Подкрепления

В полимерные материалы добавляют различные волокна для создания более прочных композитов. Некоторые типичные волокнистые материалы включают: стекло , углеродное волокно , дерево и т. д. Когда лазерный луч взаимодействует с этими материалами, он может рассеиваться или поглощаться, изменяя оптические свойства по сравнению с основным полимером. При лазерной сварке прозрачный материал с армированием может больше поглощать или ослаблять луч энергии, что влияет на качество сварного шва. ^{[ 6 ]} Высокое содержание стекловолокна увеличивает рассеяние внутри пластика и увеличивает затраты лазерной энергии на сварку определенной толщины. ^{[ 2 ]}

Красители

Красители ( пигменты ) добавляются в полимеры по разным причинам, включая эстетические и функциональные требования (например, оптика). Некоторые цветные добавки, такие как диоксид титана , могут оказывать негативное влияние на свариваемость полимера лазером. Диоксид титана придает полимерам белый цвет, но также рассеивает энергию лазера, что затрудняет сварку. Другая цветная добавка, углеродная сажа , является очень эффективным поглотителем энергии и часто добавляется для создания сварных швов. Контролируя концентрацию технического углерода с помощью поглощающего полимера, можно контролировать эффективную площадь лазерного сварного шва. ^{[ 7 ]}

Конфигурации лазерного применения

Энергия лазерного луча может быть доставлена в необходимые области с помощью различных конфигураций. Четыре наиболее распространенных подхода включают в себя:

контурное отопление,
одновременный нагрев,
квазиодновременный нагрев и
маскированный нагрев.

Контурное отопление

При методе контурного нагрева (лазерное сканирование или лазерное перемещение) лазерный луч фиксированного размера проходит через нужную область, создавая непрерывный сварной шов. ^{[ 8 ]}^{[ 7 ]} Лазерный источник управляется гальваническим зеркалом или роботизированной системой для быстрого сканирования. ^{[ 5 ]} Преимущество контурного нагрева заключается в том, что сварку можно выполнять с помощью одного лазерного источника, который можно перепрограммировать для различных применений; однако из-за локализованной зоны нагрева может возникнуть неравномерный контакт между сварочными компонентами и образоваться пустоты в сварном шве. ^{[ 5 ]} Важные параметры этого метода включают: длину волны лазера, мощность лазера, скорость перемещения и свойства полимера. ^{[ 8 ]}

Одновременный нагрев

При одновременном нагреве пятно луча соответствующего размера используется для облучения всей площади сварного шва без необходимости относительного перемещения между заготовкой и лазерным источником. Для создания сварного шва большой площади можно объединить несколько лазерных источников для одновременного плавления выбранной области. Этот подход может быть использован для замены ультразвуковой сварки в случае сварки компонентов, чувствительных к вибрации. Ключевые параметры обработки для этого подхода включают: длину волны лазера, мощность лазера, время нагрева, давление зажима, время охлаждения и свойства полимера. ^{[ 3 ]}^{[ 8 ]}

Квазиодновременный нагрев (QSLW)

При квазиодновременном нагреве рабочая зона облучается с помощью сканирующих зеркал. Зеркала быстро распределяют лазерный луч по всей рабочей зоне, создавая одновременно расплавленную область. Некоторые из важных параметров этого метода включают: длину волны лазера, мощность лазера, время нагрева, время охлаждения, свойства полимера. ^{[ 8 ]}

Маскированное отопление

Маскированный нагрев — это процесс сканирования лазерной линии через область с маской, который обеспечивает нагрев только выбранных областей при прохождении лазера. ^{[ 3 ]}^{[ 5 ]} Маски могут быть изготовлены из стали, вырезанной лазером, или других материалов, которые эффективно блокируют лазерное излучение. Этот подход позволяет создавать микромасштабные сварные швы на компонентах сложной геометрии . ^{[ 3 ]} Ключевые параметры обработки для этого подхода включают: длину волны лазера, мощность лазера, время нагрева, давление зажима, время охлаждения и свойства полимера. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

Методы лазерной сварки

В зависимости от различных взаимодействий между лазером и термопластами для соединения пластиков были разработаны четыре различных метода лазерной сварки. CO ₂ -лазеры обладают хорошей поверхностной абсорбцией большинства термопластов , поэтому их применяют для прямой лазерной сварки и лазерного нагрева поверхности. Пропускающая лазерная сварка и сварка промежуточной пленки требуют глубокого проникновения лазерного луча, поэтому YAG-лазеры и диодные лазеры являются наиболее распространенными источниками для этих методов.

Прямая лазерная сварка

Подобно лазерной сварке металлов, при прямой лазерной сварке поверхность полимера нагревается для создания зоны плавления, соединяющей два компонента вместе. Этот подход можно использовать для создания стыковых и нахлесточных соединений с полным проваром. Для этого процесса используются лазеры с длиной волны от 2 до 10,6 мкм из-за их высокой поглощающей способности в полимерах. ^{[ 3 ]}

Лазерный нагрев поверхности

Лазерный нагрев поверхности аналогичен бесконтактной сварке горячей пластиной , поскольку между компонентами размещаются зеркала для создания расплавленного поверхностного слоя. Продолжительность воздействия обычно составляет 2-10 с. ^{[ 5 ]} Затем зеркало убирается и компоненты прижимаются друг к другу, образуя соединение. Параметры процесса лазерного нагрева поверхности включают мощность лазера, длину волны, время нагрева, время переключения, а также давление и время ковки. ^{[ 5 ]}

Сквозная лазерная сварка (TTLW)

Пропускная лазерная сварка полимеров — это метод создания соединения на границе раздела двух полимерных компонентов с разной прозрачностью для длин волн лазера. Верхний компонент прозрачен для длины волны лазера от 0,8 до 1,05 мкм, а нижний компонент либо непрозрачен по своей природе, либо модифицирован добавлением красителей, которые способствуют поглощению лазерного излучения. Типичным красителем является углеродная сажа, которая поглощает большую часть электромагнитной волны. ^{[ 5 ]} При облучении сустава лазером прозрачный слой пропускает свет с минимальными потерями, а непрозрачный слой поглощает энергию лазера и нагревается. ^{[ 8 ]}

Два компонента удерживаются нижним приспособлением для контроля выравнивания, а к верхней части добавляется небольшое прижимное усилие для создания плотного контакта. Затем на границе раздела двух компонентов создается слой расплава, состоящий из смеси двух пластиковых материалов.

Существует четыре различных режима трансмиссионной лазерной сварки: режим сканирования, одновременный, квазиодновременный и масочный нагрев. ^{[ 8 ]}

Сварка трансмиссионным лазером дает множество преимуществ, таких как высокая скорость сварки, гибкость, хорошие косметические свойства и низкие остаточные напряжения. С точки зрения обработки лазерная сварка может выполняться в предварительно собранном состоянии, что снижает необходимость в сложных приспособлениях; однако этот метод не подходит для пластмасс с высокой кристалличностью из-за преломления и геометрических ограничений. ^{[ 5 ]}

Сварка промежуточной пленки

Сварка промежуточной пленки — это метод соединения несовместимых пластиковых компонентов с использованием промежуточной пленки между ними. Подобно трансмиссионной сварке, лазерное излучение проходит через прозрачные компоненты и плавит промежуточные слои, образуя соединение. ^{[ 1 ]} Эта пленка может быть изготовлена из непрозрачного термопластика, растворителя , вязкой жидкости или других веществ, нагревающихся под воздействием лазерной энергии. Комбинация промежуточных пленок и усилителей адгезии способна соединить несовместимые термопласты. ^{[ 1 ]} Затем тонкий слой генерирует тепло, необходимое для соединения системы. ^{[ 8 ]}

Приложения

Автомобильные приложения

Черный корпус автомобильных ключей сваривается методом сквозной лазерной сварки (TTLW), при котором лазерное излучение проходит через верхний компонент и образует соединение на границе раздела. Технический углерод добавляется в нижнюю часть автомобильных ключей для поглощения лазерного излучения. Черный цвет верхней части достигается за счет добавления красителя, благодаря чему компонент выглядит черным, но прозрачным для лазерного излучения.

Другие области применения лазерной сварки в автомобильной промышленности включают резервуары с тормозной жидкостью и компоненты освещения. ^{[ 8 ]}

Медицинские приложения

Лазерная сварка пластмасс применяется для сварки медицинских устройств, таких как капельницы . Лазерной сваркой можно изготавливать соединения высокой геометрической сложности без образования частиц. Это имеет решающее значение для безопасности пациентов при использовании методов сварки для изготовления внутривенных пакетов с кровью. Кроме того, вспышки, возникающие во время сварки, могут вызвать завихрения крови и разрушить тромбоциты . Хороший контроль мощности лазера позволяет избежать образования вспышек и, таким образом, защищает клетки крови от повреждения.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Трес, Пол А. (2017). «Техника сварки пластмасс» . Проектирование пластиковых деталей для сборки (восьмое изд.). Мюнхен: ХАНЗЕР. стр. 85–168. дои : 10.3139/9781569906699.005 . ISBN 978-1-56990-668-2 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д А. Хилтон, Пол; А. Джонс, я; Кенниш, Ю. (1 января 2003 г.). Миямото, Исаму; Кобаяши, Кодзиро Ф; Сугиока, Кодзи; Поправе, Рейнхарт; Хельваджян, Генри (ред.). «Трансмиссионная лазерная сварка пластмасс» . Труды SPIE . Первый международный симпозиум по мощной лазерной макрообработке. 4831 : 44. Бибкод : 2003SPIE.4831...44H . дои : 10.1117/12.486499 . S2CID 136720521 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Тротон, Майкл Дж. (2008). Справочник по соединению пластмасс – Практическое руководство . Издательство Уильяма Эндрю. ISBN 9781884207174 .
^ Jump up to: ^а ^б Рооталайнен, Саара; Лааксо, Петри; Куянпяя, Вели (01 января 2015 г.). «Лазерная сварка прозрачных полимеров методом квазиодновременного офсетного сканирования» . Процессия по физике . 78 : 272–284. Бибкод : 2015PhPro..78..272R . дои : 10.1016/j.phpro.2015.11.038 . ISSN 1875-3892 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м Гревелл, Джорджия; Бенатар, Авраам; Пак, Джун (2003). Справочник по сварке пластмасс и композитов . Мюнхен: ХАНЗЕР. стр. 271–311.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Персонал PDL (1997). «Лазерная сварка» . Справочник по соединению пластмасс . Библиотека дизайна пластмасс. стр. 101–104. дои : 10.1016/B978-188420717-4.50015-4 . ISBN 9781884207174 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Ачерджи, Баппа; Куар, Арунаншу С.; Митра, Сурен; Мисра, Диптен (1 апреля 2012 г.). «Влияние технического углерода на температурное поле и профиль сварного шва при лазерной трансмиссионной сварке полимеров: исследование методом конечных элементов». Оптика и лазерные технологии . 44 (3): 514–521. Бибкод : 2012OptLT..44..514A . doi : 10.1016/j.optlastec.2011.08.008 . ISSN 0030-3992 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Бенатар, Авраам (2017). «Соединение пластмасс» . Справочник по прикладной инженерии пластмасс (второе изд.). Библиотека дизайна пластмасс. стр. 575–591. дои : 10.1016/B978-0-323-39040-8.00027-4 . ISBN 9780323390408 .

[:2-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Трес, Пол А. (2017). «Техника сварки пластмасс» . Проектирование пластиковых деталей для сборки (восьмое изд.). Мюнхен: ХАНЗЕР. стр. 85–168. дои : 10.3139/9781569906699.005 . ISBN 978-1-56990-668-2 .

[:6-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д А. Хилтон, Пол; А. Джонс, я; Кенниш, Ю. (1 января 2003 г.). Миямото, Исаму; Кобаяши, Кодзиро Ф; Сугиока, Кодзи; Поправе, Рейнхарт; Хельваджян, Генри (ред.). «Трансмиссионная лазерная сварка пластмасс» . Труды SPIE . Первый международный симпозиум по мощной лазерной макрообработке. 4831 : 44. Бибкод : 2003SPIE.4831...44H . дои : 10.1117/12.486499 . S2CID 136720521 .

[:1-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Тротон, Майкл Дж. (2008). Справочник по соединению пластмасс – Практическое руководство . Издательство Уильяма Эндрю. ISBN 9781884207174 .

[:7-4] Jump up to: ^а ^б Рооталайнен, Саара; Лааксо, Петри; Куянпяя, Вели (01 января 2015 г.). «Лазерная сварка прозрачных полимеров методом квазиодновременного офсетного сканирования» . Процессия по физике . 78 : 272–284. Бибкод : 2015PhPro..78..272R . дои : 10.1016/j.phpro.2015.11.038 . ISSN 1875-3892 .

[:32-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м Гревелл, Джорджия; Бенатар, Авраам; Пак, Джун (2003). Справочник по сварке пластмасс и композитов . Мюнхен: ХАНЗЕР. стр. 271–311.

[:0-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Персонал PDL (1997). «Лазерная сварка» . Справочник по соединению пластмасс . Библиотека дизайна пластмасс. стр. 101–104. дои : 10.1016/B978-188420717-4.50015-4 . ISBN 9781884207174 .

[:4-7] Jump up to: ^а ^б ^с Ачерджи, Баппа; Куар, Арунаншу С.; Митра, Сурен; Мисра, Диптен (1 апреля 2012 г.). «Влияние технического углерода на температурное поле и профиль сварного шва при лазерной трансмиссионной сварке полимеров: исследование методом конечных элементов». Оптика и лазерные технологии . 44 (3): 514–521. Бибкод : 2012OptLT..44..514A . doi : 10.1016/j.optlastec.2011.08.008 . ISSN 0030-3992 .

[:3-8] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Бенатар, Авраам (2017). «Соединение пластмасс» . Справочник по прикладной инженерии пластмасс (второе изд.). Библиотека дизайна пластмасс. стр. 575–591. дои : 10.1016/B978-0-323-39040-8.00027-4 . ISBN 9780323390408 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]