Aktuální vydání

celé číslo

12

2020

Systémy DCS pro kontinuální a dávkové výrobní procesy

Provozní analytická technika

celé číslo

Svařování plastů laserem

Svařování plastů laserem se v posledním desetiletí stalo pokrokovou a důležitou průmyslově používanou technologií. Pokračuje rozvoj nových laserů s vlnovou délkou ve viditelné oblasti spektra (zelený laser) a v blízké infračervené oblasti současně s vývojem souvisejících absorbérů, které se přidávají do plastových materiálů a umožňují spojovat transparentní i neprůhledné plastové materiály. Automobilový průmysl, zdravotnický průmysl, elektronický průmysl – to jsou jen některé z oblastí, kde je široce používána technologie laserového svařování plastů.

 

V současné době roste zájem průmyslu o rozšíření možností svařování rozdílných plastových materiálů. K překonání problémů spojených se svařováním plastových materiálů je velmi důležité pochopit mechanismy spojování, morfologii a molekulární chování plastu, protože ty ovlivňují výsledné mechanické a tepelné vlastnosti svaru, hustotu difuze, migrace a deformace při svařování atd.

 

Už na počátku 70. let 20. století se dělaly první pokusy s laserovým svařováním termoplastických polymerů, při nichž byl polyetylenový film o tloušťce 100 μm v přeplátovaném spoji svařován CO2 laserem. Avšak průlom v laserovém svařování polymerů nastal až v polovině 90. let, kdy byly vyvinuty stabilní diodové lasery v rozmezí vlnových délek 800 až 1 100 nm na výkonových úrovních do 200 W. V současnosti se ke svařování nejčastěji používá laser s vlnovou délkou 980 nebo 1 064 nm. Typický rozsah výkonu laseru pro svařování plastů je 10 až 50 W.

 

Jedním z laserů, které umožňují svařovat plasty, je laser Solaris, jenž je na český trh dodáván firmou Leonardo Technology (viz inzerát na str. 1). Diodový nebo vláknový laser Solaris je obvykle integrován se zrcadly a vychylovanou skenovací hlavou laserového paprsku. Laser je také možné umístit přímo na robotu. Pro zvýšení rychlosti svařování se nyní uplatňuje kombinace robotu a laseru se skenovací hlavou (obr. 1). K vedení výkonu laserového paprsku od laserového zdroje se používá optické vlákno, které je u diodových laserů pasivní (nezvyšuje výkon laseru, pouze jej přenáší) nebo u vláknových laserů aktivní (je součástí laserového zdroje potřebnou ke zvýšení jeho výkonu). Vláknový laser Solaris má velmi stabilní výkon a parametry laserového zdroje jak v kontinuálním, tak i v pulzním módu laseru. Stabilita laserového výkonu je velmi důležitá pro svařování plastů, kdy je třeba dosáhnout konstantní teploty plastu v místě svaru. Princip laserového svařování polymerů je znázorněn na obr. 2. Základní konfigurací pro svařování polymerních materiálů je přeplátovaný spoj dvou plastů. „Horní“ materiál je propustný pro vlnovou délku laseru a laser prochází materiálem na „dolní“ plast, který naopak laserový paprsek silně absorbuje, a tedy mění jeho energii na tepelnou (zahřívá se). Schopnost absorbovat laserové světlo je důsledkem chemických barviv nebo pigmentů, zvaných absorbéry, které se přidávají k plastu před lisováním. Nejpoužívanějším absorbérem jsou saze, ale používá se mnoho dalších barviv nebo pigmentů.

 

Zajímavý je jiný typ svařování, kdy se přidává kapalný absorbér, pohlcující infračervené laserové světlo, jako aditivum mezi povrchy jen před svařováním. Tato absorpční kapalina se prodává pod obchodním označením Clear Weld. V místě, kde je absorbér nanesen, dochází vlivem laseru k roztavení povrchu materiálů a jejich svaření. Svařuje se tak jen velmi úzká oblast kolem spoje.

 

Jedním z velkých problémů souvisejících s laserovým svařováním termoplastických polymerů je řízení absorpce energie paprsku v ploše materiálu na společném rozhraní. Většina polymerů je obvykle průhledná nebo průsvitná ve viditelné a blízké infračervené oblasti, pouze pigmenty nebo chemickými přísadami je dosaženo vhodné absorpce světla o vlnové délce laseru. Při svařování laserem je absorbér přidán pouze do „dolní“ absorbující části, zatímco „horní“ část musí být k vlnové délce transparentní. V důsledku uvedených vlastností svařování leží svar „uvnitř“ dvou materiálů, podobně, jak je tomu u odporového svařování kovů. Jednou z výhod spojených s laserovým svařováním polymerů je tedy neviditelný spoj prováděný velkou rychlostí s velmi nízkým tepelným příkonem a minimálním ovlivněním okolí svaru. Optimální kvality svaru, zvláště jeho pevnosti, se obvykle dosahuje při určité hustotě energie přivedené na jednotku délky, tzn. že je nutné udržovat určitý poměr mezi výkonem a rychlostí svařování. Příliš malá hustota přiváděné energie může mít za následek jen mírné adhezní přilnutí, zatímco následkem příliš velké hustoty energie laseru může být rozklad materiálu (materiál shoří, zuhelnatí). Ke sledování teploty svařování je využíváno mnoho metod. Nejběžnější jsou pyrometry, které umožňují sledovat proces svařování online. Měření teploty je bezkontaktní a může být propojeno s online řízením výkonu laseru. Pro správnou kvalitu svaru je nutný dostatečný přítlak svařovaných ploch. Běžně svařitelné materiály se skládají z různých kombinací amorfních polymerů (jako jsou ABS, PC, PU, PMMA, PVC) a semikrystalických polymerů (jako jsou PP, PE a POM), např. následující kombinace: ABS-PC, PU-PC, PP-PE, PMMA-PVC, PC-POM nebo PMMA-POM.

 

Svařování laserem je velmi rychlé. Paprsek lze nasměrovat přesně na určené místo, a proto má proces vynikající opakovatelnost. Působení přesně zaměřeného paprsku také zbytečně neovlivňuje okolí svaru. Velká flexibilita ve změně tvaru svaru, kdy je laser v několika sekundách připraven svařovat jiný produkt na jiném místě, je další velkou výhodou svařování laserem.

 

Zařízení pro laserové svařování od firmy Leonardo technology představují budoucnost nejen pro automobilový průmysl. Technici firmy jsou připraveni vytvořit zákazníkům řešení „na míru“ podle jejich požadavků. Více informací lze získat na www.LT.cz.

(Leonardo technology s. r. o.)

 

Obr. 1. Kombinace robotu a laseru Solaris od firmy Leonardo se skenovací hlavou pro svařování plastů

Obr. 2. Základní princip laserového svařování polymerů