WikiDer > Лазерная сварка полимеров

Laser welding of polymers

Лазерная сварка полимеров это набор методов, используемых для присоединения полимерный компоненты за счет использования лазер. Лазерное излучение может генерироваться CO2 лазеры Nd: YAG лазеры, диодные лазеры и волоконные лазеры.[1] Когда лазер встречается с поверхностью 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. Разработанные методы лазерной сварки включают прямую лазерную сварку, лазерный нагрев поверхности, сквозную лазерную сварку и сварку промежуточных пленок. 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 CO2 лазеры, Nd: YAG-лазеры, Диодные лазеры и волоконные лазеры. CO2 Лазеры в основном применяются для сварки тонких пленок и тонких пластиков из-за высоких коэффициентов поглощения энергии большинства пластиков. Nd: YAG-лазеры и диодные лазеры производят коротковолновое излучение, которое пропускается через несколько миллиметров непигментированного полимера.[2] Они используются в методах лазерной сварки на просвет.

Лазеры на углекислом газе

Лазеры на углекислом газе имеют длину волны 10,6 мкм, которая быстро поглощается большинством полимеров. Из-за высоких коэффициентов поглощения энергии обработка пластиков с использованием CO2 может быть сделано быстро с малой мощностью лазера. Этот тип лазера можно использовать для прямой сварки полимеров или резки. Однако проникновение CO2 лазеры менее 0,5 мм и в основном применимы для сварки тонких пленок и нагрева поверхностей. Поскольку луч не может быть передан по кремниевому волокну, луч обычно доставляется с помощью зеркал.[3]

Nd: YAG лазеры

Nd: YAG лазеры имеют длину волны в диапазоне 0,8–1,1 мкм, наиболее распространенным является 1064 нм. Эти лазеры обеспечивают высокое качество луча, что позволяет использовать пятна небольшого размера. Этот тип луча может быть доставлен по оптоволоконному кабелю.[3]

Диодные лазеры

Длина волны диодные лазеры обычно находится в диапазоне длин волн 780–980 нм.[2] По сравнению с лазером Nd: YAG и CO2 лазер, диодный лазер имеет огромное преимущество в энергоэффективности. Световая волна высокой энергии может проникать через толщину в несколько миллиметров. полукристаллический пластмассы и далее в непигментированных аморфных пластиках.[2] Диодные лазеры могут быть доставлены по оптоволокну или локально к месту сварки. Относительно небольшой размер делает возможным сборку массивов для больших отпечатков ног.

Волоконный лазер

Волоконные лазеры обычно имеют длину волны от 1000 до 2100 нм.[3] Расширенный диапазон длин волн позволил разработать сквозную сварку без дополнительных поглощающих добавок.[4]

Оборудование

Настройки оборудования могут сильно различаться по конструкции и сложности. Однако в большинство машин входят 5 компонентов: генератор / источник питания, интерфейс управления, привод, нижнее крепление и верхнее крепление.

Генератор / Электропитание

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 для лазерной сварки.[1]

Интерфейс управления

Интерфейс управления - это интерфейс между оператором и машиной для контроля работы системы. Он состоит из логических схем для отправки операторам информации о состоянии машины и параметрах сварки.[1] В зависимости от различных режимов лазера интерфейс управления будет варьировать параметры, которые можно изменять.[5]

Привод

Этот компонент представляет собой пресс, приводимый в действие пневматической и электрической энергией.[1] Он сжимает деталь в верхнем приспособлении, чтобы коснуться компонентов в нижнем приспособлении и приложить заранее определенные нагрузки во время сварочных процессов.[5] К исполнительным механизмам добавлены элементы управления перемещением для точного отслеживания перемещений.[1]

Нижнее приспособление

Нижнее приспособление - это кондукторная конструкция, которая определяет нижнюю часть стыка.[5] Он обеспечивает расположение и выравнивание, обеспечивающие сварку компонентов с жесткими допусками.

Верхнее приспособление

Верхнее крепление - самый сложный и важный компонент во всей системе. В этом компоненте генерируется лазерный луч для нагрева свариваемых деталей. Конструкция верхнего приспособления часто меняется в зависимости от источников лазера и режимов нагрева. Например, когда YAG-лазер или диодный лазер используется как источник тепла, оптические волокна часто используются для обеспечения мобильности. Однако сварочная часть не может двигаться.[5]

Лазерное взаимодействие с полимерами

Между лазерным излучением и пластиком может происходить три типа взаимодействия: отражение, поглощение и пропускание. Степень индивидуального взаимодействия зависит от свойств материалов, длины волны лазера, его интенсивности и скорости луча.[3]

Отражение

Отраженная и переданная энергия

Отражение падающего лазерного излучения в большинстве полимеров обычно составляет порядка 5-10%, что мало по сравнению с поглощением и пропусканием.[6] Доля отражения (R) может быть определена с помощью следующего уравнения:

куда это показатель преломления пластика и - показатель преломления воздуха (~ 1).[5]

Передача инфекции

Передача инфекции Использование лазерной энергии через определенные полимеры позволяет использовать такие процессы, как сквозная сварка. Когда лазерный луч проходит через границы раздела между различными средами, лазерный луч преломленный если путь не перпендикуляр на поверхность. Этот эффект необходимо учитывать, когда лазер проходит через многослойный слой, чтобы достичь области соединения.[4]

Внутреннее рассеяние происходит при прохождении лазера сквозь толщину в полукристаллических пластиках, где кристаллическая и аморфная фазы имеют разные показатели преломления. Рассеяние также может происходить в кристаллических и аморфных пластмассах с армированием, таким как стекловолокно, и некоторыми красителями и добавками.[1] При лазерной сварке на просвет такой эффект может снизить эффективную энергию лазерного излучения в направлении области соединения и ограничить толщину компонентов.[5]

Абсорбция

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 (то есть 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 ультрафиолетовый (УФ)), когда фотон энергии достаточно, чтобы разорвать химические связи. 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 полимера, сваренного лазером, определяется Закон Бугера – Ламберта поглощения.[6]

I (z) = I (z = 0) eKz

где I (z) - интенсивность лазера на определенной глубине z, I (z = 0) - интенсивность лазера на поверхности, K - постоянная поглощения.[6]

Влияние добавок

В полимеры часто добавляют вторичные элементы по разным причинам (например, прочность, цвет, абсорбция и т. Д.). Эти элементы могут сильно влиять на взаимодействие лазера с полимерным компонентом. Ниже описаны некоторые распространенные добавки и их влияние на лазерную сварку.

Подкрепление

К полимерным материалам 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 сварке с пропусканием лазера прозрачный материал с армированием может больше поглощать или разбавлять пучок энергии, влияя на качество сварки.[6] Высокое содержание стекловолокна увеличивает рассеяние внутри пластика и увеличивает подвод энергии лазера для сварки определенной толщины.[2]

Красители

Красители (пигменты) добавляются к полимерам по разным причинам, включая эстетические и функциональные требования (например, оптика). Некоторые красящие добавки, такие как оксид титана, может отрицательно сказаться на способности полимера к лазерной сварке. Диоксид титана придает полимерам белый цвет, но также рассеивает лазерную энергию, затрудняя сварку. Еще одна красящая добавка, черный карбон, является очень эффективным поглотителем энергии и часто добавляется для создания сварных швов. Регулируя концентрацию технического углерода с помощью поглощающего полимера, можно контролировать эффективную площадь лазерной сварки.[7]

Конфигурации лазерных приложений

Энергия лазерного луча может быть доставлена ​​в требуемые области с помощью различных конфигураций. Четыре наиболее распространенных подхода включают: контурный нагрев, одновременный нагрев, квазиодновременный нагрев и скрытый нагрев.

Контурное отопление

В технике контурного нагрева (лазерное сканирование или перемещение лазера) лазерный луч фиксированного размера проходит через желаемую 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 локальной зоны нагрева может возникнуть неравномерный контакт между сварочными компонентами и образование сварных пустот.[5] Важными параметрами для этого метода являются: длина волны лазера, мощность лазера, скорость перемещения и свойства полимера.[8]

Одновременный нагрев

При одновременном нагреве пятно луча соответствующего размера используется для облучения всей области сварного шва без необходимости относительного перемещения между заготовкой и лазерным источником. Для создания сварного шва с большой площадью можно объединить несколько лазерных источников для одновременного плавления выбранной области. Этот подход можно использовать вместо ультразвуковая сварка в случае сварочных 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)

Конфигурации лазерного нагрева

При квазиодновременном нагреве рабочая зона облучается с помощью сканирующих зеркал. Зеркала быстро растрируют лазерный луч по всей рабочей области, создавая одновременно расплавленную область. Некоторые из важных параметров для 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 гарантирует, что только выбранные области могут быть нагреты при прохождении лазера.[3][5] Маски могут быть сделаны из стали, вырезанной лазером, или других материалов, которые эффективно блокируют лазерное излучение. Такой 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 были разработаны четыре различных метода лазерной сварки для соединения пластмасс. CO2 Лазеры имеют хорошее поверхностное поглощение для большинства термопластов, поэтому они применяются для прямой лазерной сварки и лазерного нагрева поверхности. Для сквозной лазерной сварки и сварки промежуточных пленок требуется глубокое проникновение лазерного луча, поэтому лазеры на YAG и диодные лазеры являются наиболее распространенными источниками для этих методов.

Прямая лазерная сварка

Прямая лазерная сварка полимеров

Подобно лазерной сварке металлов, при прямой лазерной сварке поверхность полимера нагревается, чтобы создать зону плавления, которая соединяет два компонента вместе. Такой подход можно использовать для создания стыковых соединений и соединений внахлест с полным проплавлением. Для этого процесса используются лазерные волны с длиной волны от 2 до 10,6 мкм из-за их высокой поглощающей способности в полимерах.[3]

Лазерное нагревание поверхностей

Лазерный нагрев поверхности похож на бесконтактную сварку горячей пластиной, в котором между компонентами помещаются 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)

Схема пропускающей лазерной сварки полимеров

Сквозная лазерная сварка полимеров - это метод создания стыка на границе раздела между двумя полимерными компонентами с различной прозрачностью для длин волн лазера. Верхний компонент прозрачен для лазерной волны с длиной волны от 0,8 мкм до 1,05 мкм, а нижний компонент либо непрозрачен по своей природе, либо модифицирован добавлением красителей, которые способствуют поглощению лазерного излучения. Типичным красителем является технический углерод, который поглощает большую часть длины волны электромагнитного излучения.[5] Когда соединение облучается лазером, прозрачный слой пропускает свет с минимальными потерями, в то время как непрозрачный слой поглощает энергию лазера и нагревается.[8]

Два компонента удерживаются нижним приспособлением для контроля совмещения, а к верхней части добавляется небольшое усилие зажима для создания тесного контакта. Затем на границе между двумя компонентами создается слой расплава, состоящий из смеси двух пластиковых материалов.

Существует четыре различных режима пропускающей лазерной сварки: режим сканирования, одновременный, квазиодновременный и нагрев маски.[8]

Лазерная сварка с пропусканием света 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 собранных условиях, что снижает необходимость в сложных приспособлениях; однако этот метод не подходит для пластиков с высокой степенью кристалличности 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 сварке на пропускание, лазерное излучение проходит через прозрачные компоненты и плавит промежуточные слои, образуя соединение.[1] Эта пленка может быть изготовлена ​​из непрозрачного термопласта, растворителя, вязкий жидкость или другие вещества, которые нагреваются под воздействием лазерной энергии. Комбинация промежуточных пленок и усилителей адгезии позволяет соединить несовместимые термопласты вместе.[1] Затем тонкий слой генерирует тепло, необходимое для сплавления системы.[8]

Приложения

Ключ зажигания автомобиля

Автомобильные приложения

Черный корпус автомобильных ключей сваривается методом сквозной лазерной сварки (TTLW), при котором лазерное излучение проходит через верхний компонент и образует соединение на стыке. В нижнюю часть ключей от машины добавлен технический углерод для поглощения лазерного излучения. Черный цвет верхней части достигается за счет добавления красителя, который делает компонент черным, но прозрачным для лазерного излучения.

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

Сумка для внутривенных вливаний

Медицинские приложения

Лазерная сварка пластмасс применяется для сварки медицинских устройств, таких как мешки для внутривенных вливаний. Соединения высокой геометрической сложности можно изготавливать лазерной сваркой без образования частиц. Это критически важно для безопасности пациентов, когда для изготовления пакетов с кровью применяются методы сварки. Кроме того, вспышки, возникающие во время сварки, могут вызвать турбулентность крови и разрушить планеты крови. Хороший контроль мощности лазера позволяет избежать образования вспышек и, таким образом, защищает клетки крови от повреждения.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я Трес, Пол А. (2017). «Методы сварки пластмасс». Конструирование пластиковых деталей для сборки (восьмое изд.). München: HANSER. С. 85–168. Дои:10.3139/9781569906699.005. ISBN 978-1-56990-668-2.
  2. ^ а б c d А. Хилтон, Пол; А. Джонс, I; Кенниш, Y (2003-01-01). Миямото, Исаму; Кобаяси, Кодзиро Ф; Сугиока, Кодзи; Поправе, Рейнхарт; Helvajian, Генри (ред.). «Трансмиссионная лазерная сварка пластмасс». Труды SPIE. Первый международный симпозиум по макрообработке мощных лазеров. 4831: 44. Bibcode:2003SPIE.4831 ... 44H. Дои:10.1117/12.486499.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я Тротон, Майкл Дж. (2008). Справочник по соединению пластмасс - Практическое руководство. Издательство Уильям Эндрю.
  4. ^ а б Руотсалайнен, Саара; Лааксо, Петри; Куйянпяя, Вели (01.01.2015). «Лазерная сварка прозрачных полимеров с использованием метода квазиодновременного сканирования с отклонением луча». Физические процедуры. 78: 272–284. Bibcode:2015ФПро..78..272Р. Дои:10.1016 / j.phpro.2015.11.038. ISSN 1875-3892.
  5. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Грюэлл, Джорджия; Бенатар, Авраам; Пак, Джун (2003). Справочник по сварке пластмасс и композитов. München: HANSER. С. 271–311.
  6. ^ а б c d Персонал PDL (1997). «Лазерная сварка». Справочник по соединению пластмасс. Библиотека дизайна пластмасс. С. 101–104. Дои:10.1016 / B978-188420717-4.50015-4. ISBN 9781884207174.
  7. ^ а б c Ахерджи, Баппа; Kuar, Arunanshu S .; Митра, Сурен; Мисра, Диптен (01.04.2012). «Влияние технического углерода на температурное поле и профиль сварного шва при лазерной сварке полимеров: исследование методом конечных элементов». Оптика и лазерные технологии. 44 (3): 514–521. Bibcode:2012OptLT..44..514A. Дои:10.1016 / j.optlastec.2011.08.008. ISSN 0030-3992.
  8. ^ а б c d е ж грамм час я Бенатар, Авраам (2017). «Соединение пластмасс». Справочник по прикладной инженерии пластмасс (второе изд.). Библиотека дизайна пластмасс. С. 575–591. Дои:10.1016 / B978-0-323-39040-8.00027-4. ISBN 9780323390408.