W ciągu ostatnich lat zastosowanie laserów podczerwieni do spawania tworzyw sztucznych stało się komercyjnie akceptowaną metodą łączenia trwałego. W tym opracowaniu omówimy zasady spawania laserowego tworzyw sztucznych oraz aktualne trendy panujace w tej dziedzinie. Ponadto ocenimy wykorzystanie i ograniczenia różnych tworzyw sztucznych przy spawaniu laserowym. Mamy nadzieję, że zapoznają się Państwo z tą techniką na tyle, aby ocenić jej potencjalne wykorzystanie w konkretnych zastosowaniach.
William H. Cawley
Spawanie laserowe tworzyw sztucznych jest to proces łączenia termoplastów. Lasery diodowe i neodymowe Nd: YAG są stosowane do spawania tworzyw sztucznych od kilku lat. Ostatnio, w tej dziedzinie, coraz większego znaczenia nabiera zastosowanie laserów światłowodowych. Wszystkie z tych laserów opierają się na spawaniu penetracyjnym (rys. 1). W procesie tym promieniowanie laserowe przechodzi przez “przezroczystą dla promieniowania laserowego” górną warstwę i jest wchłaniane przez “absorpcyjną” warstwę dolną. Wchłonięte promieniowanie jest przekształcane w ciepło na połączeniu obu warstw. Ciepło jest przewodzone z powierzchni do górnego i dolnego poziomu, powodując topnienie materiału, jego przepływ i utworzenie spoiny. Tworzywa termoplastyczne zasadniczo przepuszczają światło z zakresu energii podczerwieni; dlatego też proces spawania przepuszczającego wymaga zastosowania dodatków, aby zwiększyć zdolność danego tworzywa sztucznego do absorpcji podczerwieni. W wielu zastosowaniach spawania laserowego absorberem energii podczerwieni jest sadza. System ten działa dobrze, ponieważ sadza jest niedroga i pochłania energię o dowolnej długości fali. Niestety, powoduje zabarwienie na ciemno – części, na jakich jest zastosowana, co jest niepożądane w zastosowaniach wymagających przezroczystych lub jasnych komponentów. Drugim sposobem na zwiększenie absorpcji podczerwieni w tworzywach sztucznych jest dodanie do tworzywa absorbera organicznego. System umożliwiający spawanie przezroczystych lub nieprzezroczystych tworzyw sztucznych został opracowany przez TWI Ltd. wspólnie z Gentex Corporation.
Proces ten wykorzystuje organiczne absorbery bliskiej podczerwieni jako powłoki na polimerach lub jako dodatki do żywic. Są one sprzedawane pod nazwą handlową Clearweld. Absorbery organiczne mogą być stosowane bezpośrednio na tworzywo podczas wytłaczania i formowania. Absorber jest dobierany w taki sposób, aby jego maksymalna absorpcja długości fali była dopasowana do długości fali lasera używanego przy danym zastosowaniu. W momencie, gdy tworzywo zawiera absorber, proces spawania jest podobny, jak w przypadku zastosowania sadzy. Jednakże zastosowanie absorberów podczerwieni zapewnia większą elastyczność jeżeli chodzi o kolory. Ideałem jest, gdy dodatki charakteryzują się wysoką absorpcją zakresu podczerwieni bliskiej i niską absorpcją w zakresie widzialnym widma elektromagnetycznego.
Tak, jak w przypadku spawania z użyciem sadzy, jedna z części służy jako rozpraszacz ciepła, podczas gdy druga część przenosi energię lasera. Absorbery mogą być również zawarte w cienkich foliach. Takie folie mogą zostać umieszczone pomiędzy dwoma podłożami i zastosowane do tworzenia spoiny spawalniczej po wystawieniu na działalnie lasera podczerwieni. Materiał może zostać również wprasowany w inne części. Tę samą zasadę można zastosować do wyciskania współbieżnego rur, tak aby zewnętrzna warstwa rury łączyła się z urządzeniem wtórnym, jak przy spawaniu rur pośrednich do końcówek typu luer. Absorber może również być stosowany jako powłoka powierzchni jednej z części na strefie przejściowej spoiny. Powłoka absorbuje energię lasera i przekształca ją w energię cieplną. Pozwala to na połączenie się tworzywa po obu stronach powierzchni i utworzenie spoiny. Zabarwienie powłoki jest rozproszone podczas reakcji, w ten sposób pozwalając na powstanie przejrzystej spoiny spawalniczej. Jak się okazuje, zdolność absorbera do przekształcenia światła podczerwonego w ciepło zostaje wytracona, a wszelka dodatkowa energia podczerwona jest przekazywana przez dolną warstwę. Skutkuje to stosunkowo niewielką strefą wpływu ciepła w okolicy spawu. Zastosowanie powłoki pozwala również na jednoczesne spawanie materiałów składających się z wielu warstw. Spawanie laserowe zyskało na znaczeniu w ciągu ostatnich lat wraz z rozwojem technologii. Doug Smock wskazał ostatnio cztery czynniki zwiększonego zainteresowania spawaniem laserowym jako metodą łączenia tworzyw sztucznych [1]. Pierwszy jest taki, że główne firmy produkujące żywicę rozszerzają ofertę materiałów do spawania laserowego tworzyw sztucznych w kolorze czarnym lub innym. Drugi, to zwiększenie poziomu wygody dla inżynierów. Trzeci, to rozwiązanie trudnych procesów sądowych związanych z kwestiami patentowymi w Europie. I czwarty – nowa technologia sprzętu dająca nowe możliwości w zakresie spawania.
Rodzaje spawania
Spawanie ultradźwiękowe jest koniem pociągowym spawania tworzyw sztucznych. Stosuje się je do małych lub średnich części. Przy spawaniu ultradźwiękowym spoiny muszą być niemal zupełnie płaskie, tak aby drgania energii ultradźwiękowej oddziaływały jednakowo na wszystkie punkty. Na jakość spawu wpływa również odległość pomiędzy spawem a ramieniem zgrzewarki. Spoiny mogą być wykonywane przy odległości ramienia zgrzewarki wynoszącej kilka cali. Ale wymagają one znacznie więcej energii. Możliwe są wahania wysokości (do 0,5 cala) podczas stosowania kompozytowych ramion zgrzewarki. To samo dotyczy sytuacji kiedy część zawiera luki lub krzywe, które absorbują energię ultradźwiękową zamiast przekazywać ją do spoiny. Problemy mogą pojawiać się w przypadku półkrystalicznych tworzyw termoplastycznych, takich jak PP lub PE. Materiały te mogą absorbować drgania ultradźwiękowe, blokując je od strony spawanej. Spawanie ultradźwiękowe zasadniczo wymaga zastosowania urządzenia w kształcie litery V do kierowania energią w celu zainicjowania zmiękczania i topnienia na spawanej powierzchni. Może to zwiększać koszty formowania.
Spawanie tarciowe jest szybkie i energooszczędne, z krótkim czasem cyklu, wynoszącym od 1 do 2 sekund. Dobrze sprawdza się w przypadku półkrystalicznych tworzyw termoplastycznych, a spoiny są wytrzymałe. Jednakże, w wyniku tego procesu dochodzi do powstawania rąbków spoiny i zanieczyszczeń. Należy przewidzieć kanaliki rąbków, aby zgrzeiny wyglądały bardziej estetycznie. Projektowanie części może być problematyczne, ponieważ przynajmniej jedna część musi być okrągła. Zasadniczo, części muszą być żebrowane lub mieć powierzchnie zębate, które współpracują
z osprzętem napędowym. Problemem jest również kontrola końcowej orientacji części, gdy spoina jest już gotowa. Zgrzewarki tarczowe napędzane siłownikiem redukują ten problem, ale są droższe niż standardowe zgrzewarki tarczowe bezwładnościowe.
Spawanie wibracyjne wykorzystuje ruchy poziome na niższych częstotliwościach niż spawanie ultradźwiękowe. Do tego wymagany jest drogi sprzęt z uwagi na zapotrzebowanie na solidną ramę oraz osłony, które zmniejszają hałas podczas działania. Delikatne zespoły mogą się rozsypać podczas takiej obróbki. Zazwyczaj stosowane jest do dużych części, a czasy cyklu są dłuższe niż w przypadku spawania ultradźwiękowego.
Zgrzewanie gorącą płytą jest elastyczne i stosowane do spawania złożonych zespołów. Nie powoduje drgań delikatnych części. Tworzy gładki ścieg, właściwie bez zanieczyszczeń. Jednakże maszyny są dość drogie, a koszty eksploatacji wysokie. Poza tym, proces jest powolny (od 30 sekund do 1 minuty), a w jego trakcie powstają opary i dym. Płyty są duże i muszą wystudzić się przed wymianą, a następnie muszą zostać doprowadzone z powrotem do żądanej temperatury. Często wymagana jest powłoka teflonowa, aby zapobiec przywieraniu żywicy do płyty podczas spawania PP w niskiej temperaturze. Spawanie w wysokiej temperaturze jest stosowane w przypadku PE oraz nylonu
i w jego trakcie wytwarza się dym i opary, które należy wywietrzyć.
Spawanie laserowe jest to metoda spawania bezkontaktowego; to znaczy, że nie ma kontaktu ze spawarką. W rezultacie powierzchnie nie powinny zostać uszkodzone, podobnie jak delikatne części. Spawanie jest precyzyjne i dokładne, ponieważ energia zostaje wykorzystana wyłącznie na powierzchniach części przylegających do siebie. Części są unieruchomione, a laser przesuwa się tak, że jego promień jest skierowany wyłącznie na obszar, który jest spawany. Daje to swobodę kształtu i projektu danej części. Laser może stworzyć praktycznie każdy wzór i może dotrzeć do wgłębień, które są niedostępne przy innych metodach spawania. Części, które są zbyt cienkie, aby zastosować na nich spawanie ultradźwiękowe, mogą być spawane laserowo. Wielkość części nie ma tu aż takiego znaczenia. Spawano części o wielkości od 2 mm do 122 cm. Nie ma żadnych drgań części. Wykorzystanie energii podczerwonej skutkuje tym, że strefa wpływu ciepła jest minimalna. Spoiny mogą znajdować się bardzo blisko innych części, pozostając bez wpływu na nie. To pozwala na spawanie części, które zawierają delikatne podzespoły. Spawanie laserowe nie jest oparte na rozpuszczeniu się tworzywa, w celu utworzenia spawu. Dlatego nie wymaga specjalnych konfiguracji spoin i urządzeń kierujących energią. Eliminuje również powstawanie rąbków i zanieczyszczeń. Jest ono także energooszczędne i szybkie (od 1 do 2 sekund). Istnieją jednak pewne wady stosowania spawania laserowego. Największą wadą stosowania tej metody jest koszt sprzętu. Prędkość działania jest uzależniona od mocy lasera, jaki jest stosowany. Wraz ze zwiększeniem mocy, koszty lasera mogą gwałtownie wzrosnąć. Ponadto, dodatkowe koszty systemu mogą stanowić roboty i osprzęt. Dodatkowo, materiały do spawania laserowego zostały ograniczone do kompatybilnych, termoplastycznych tworzyw sztucznych, gdzie jeden z dwóch materiałów przepuszcza promieniowanie laserowe, podczas gdy drugi absorbuje energię lasera. Tradycyjnie oznaczało to, że jedna część musiała być czarna lub szara z uwagi na zastosowanie sadzy jako absorbera. Zastosowanie organicznych absorberów podczerwieni rozszerzyło zastosowanie spawania na części kolorowe
i przejrzyste.
Wybór materiału
Rozważając spawanie laserowe w przypadku określonego procesu, pierwszą kwestią, jaką należy wziąć pod uwagę, jest zdolność materiału, jaki ma być spawany. Tworzywa termoplastyczne mają szeroki zakres topnienia i twardnieją po schłodzeniu. Materiały termoutwardzalne powstają w wyniku reakcji chemicznej pod wpływem ciepła, katalizatora lub światła ultrafioletowego i zostają przekształcone w stan sztywny, trudno topliwy. Nie topią się łatwo, a po wystawieniu na działanie energii cieplnej raczej ulegają rozkładowi. Dlatego materiał stosowany przy spawaniu laserowym, podobnie jak w przypadku spawania dowolnego rodzaju tworzyw sztucznych, musi być tworzywem termoplastycznym. Spawanie może być stosowane w przypadku większości polimerów używanych w produkcji, ale nie będzie przydatne przy takich tworzywach jak: epoksydy, silikony, fenoplasty i inne materiały termoutwardzalne. Inną kwestią, jaką należy wziąć pod uwagę w przypadku spawania tworzyw sztucznych, jest ich zdolność mieszania. Z reguły żywice zgrzewają się ze sobą. Dlatego można spawać PC z PC, PP z PP, polistyren z polistyrenem itd. 
Obie części się stopią i zmieszają ze sobą, jak pokazano na rysunku 2. Jednakże, jeżeli dwa materiały nie będą kompatybilne ze sobą, to znaczy nie będą się ze sobą łączyć, spoina nie powstanie. Powstanie pewnego rodzaju sczepienie obu części, ale nie – prawdziwa spoina i połączenie będzie można łatwo zerwać. Dlatego zasadniczo większość tworzyw amorficznych, takich jak PMMA, nie tworzy połączeń z półkrystalicznymi tworzywami sztucznymi, takimi jak polietylen. Inną rzeczą godną zainteresowania jest punkt topnienia tworzyw, które są spawane. Podobnie jak w przypadku zdolności mieszania, nie powinno stanowić to problemu, gdy spawane są ze sobą podobne materiały. Jednakże, może to przeszkodzić w spawaniu dwóch różnych materiałów. Z uwagi na to, że tworzywa termoplastyczne mają raczej zakres topnienia, a nie – określony punkt topnienia, możliwe jest, że dwa różne materiały mogą zmięknąć w zakresach nakładających się na siebie. W takim przypadku oba materiały powinny topnieć pod wpływem określonej ilości energii laserowej. Jest bardziej prawdopodobne, że jedna część stopi się w większym stopniu niż druga, ale w przypadku części sztywnych może to wystarczyć do utworzenia zgrzeiny. Z uwagi na to, że temperatura w strefie wpływu ciepła jest bardzo wysoka przez bardzo krótki czas, obie części mogą osiągnąć punkty topnienia bez degradacji cieplnej którejkolwiek z nich. Jak wskazano powyżej, należy ocenić materiał, z którego jest wykonana konstrukcja. Jeżeli spawane mają być części wykonane z różnych materiałów, muszą one mieć zdolność łączenia się chemicznego i powinny mieć podobne temperatury topnienia. Należy zwrócić uwagę na to, czy materiały odporne chemicznie, takie jak PEEK, polisulfon oraz fluoropochodne węglowodorów, są powszechnie stosowane. Materiały te spawa się trudno. W takich przypadkach system lasera skanującego jest bardziej skuteczny niż system lasera konturowego. Zastosowanie tworzyw sztucznych zawierających wypełniacze będzie miało niekorzystny wpływ na spawanie laserowe. Materiały, takie jak włókno szklane, dwutlenek tytanu i niektóre pigmenty będą rozpraszać energię laserową. Całkowita energia światła ze źródła promieniowania laserowego (IL) jest równa ilości energii absorbowanej przez tworzywo sztuczne, ilości energii rozproszonej przez to tworzywo oraz ilości energii przechodzącej przez to tworzywo (równanie 1).
(równanie 1)
Energia dostępna do spawania na styku części jest energią, która przechodzi przez część górną. Energia wchłonięta lub rozproszona nie jest dostępna w procesie spawania części. Jeżeli na przykład, część obciążona jest włóknem szklanym, energia wejściowa będzie musiała zostać zwiększona, aby uzyskać optymalną spoinę. Mniej powszechnym problemem są właściwości refrakcyjne stosowanego materiału. Załamanie światła ma miejsce, gdy światło przechodzi z ośrodka o jednej gęstości do ośrodka o innej gęstości. Załamanie światła opisuje Prawo Snell’a (równanie 2), gdzie N i N’ są wskaźnikami załamania po każdej stronie powierzchni załamującej, a Фi i Фr są kątami padania i załamania, jakie promień tworzy z tą powierzchnią.
(równanie 2)
Załamanie światła jest bardziej problematyczne w przypadku tworzyw amorficznych, gdyż materiały półkrystaliczne będą miały tendencję do rozpraszania światła. Załamanie światła zazwyczaj nie wpływa na spawanie laserowe, gdzie promień lasera pada prostopadle do powierzchni roboczej. Wyjątkiem może być sytuacja, gdy promień lasera musi przedostać się przez kilka warstw tworzywa, aby dotrzeć do spawanej powierzchni. Innym wyjątkiem będzie sytuacja niektórych tworzyw, takich jak poliwęglan, gdy promień padający przechodzi przez ostry narożnik. Załamanie światła jest istotniejsze w przypadku spawania, gdzie kąt padania światła nie jest prostopadły do powierzchni roboczej. Tak byłoby w przypadku spawania skanującego (kwazi-symultanicznego). Ten system optyczny wykorzystuje lustra do odchylania promienia lasera od stałej pozycji na obszarze spawania. W rezultacie promień pada na powierzchnię części kąta. Kąt załamania zwiększy się wraz ze wzrostem wielkości części [2]. Pod uwagę należy wziąć również grubość części. 
Rys. 3 Przekrój poprzeczny spoiny laserowej Clearweld
Części wykonane z tworzyw półkrystalicznych będą rozpraszać energię laserową. Pomimo, iż tworzywa sztuczne nie są ani całkowicie szklane, ani krystaliczne, konfiguracja łańcuchów polimerów amorficznych jest niemal całkowicie przypadkowa. Tworzywa półkrystaliczne mają obszary, w których konfiguracje łańcuchów są ułożone w sposób uporządkowany. Te obszary będą odbijać i rozpraszać światło lasera, sprawiając, że będzie ono nieprzydatne do procesu spawania. W przypadku cienkich tworzyw rozproszenie światła nie stanowi problemu. Jednakże, wraz ze wzrostem grubości części półkrystalicznych energia niezbędna do spawania zostaje w znacznym stopniu ograniczona. W przypadku takich materiałów jak polietylen i polipropylen grubość części może być czynnikiem ograniczającym. Jako wytyczna, grubość części półkrystalicznych powinna mieścić się w maksymalnym zakresie od 1 do 5 mm. Cienkie folie również wymagają szczególnej uwagi. Oczywisty problem, jaki można napotkać to taki, że folia się przegrzeje i zostanie zniszczona. Można uniknąć tego problemu kontrolując parametry zgrzewania podczas zgrzewania folii z folią. Jednakże podczas spawania folii z tworzywem sztywnym, ważniejsza jest kontrola temperatury. Folia będzie się topić w znaczniejszym stopniu, podczas gdy sztywne tworzywo może nie osiągnąć temperatury wystarczającej do stworzenia prawdziwej spoiny. Drugorzędnym problemem z foliami jest to, że trudno jest je ułożyć i spawać bez “zmarszczeń” lub uszkodzenia folii. To skutkuje powstaniem szczeliny między powierzchniami i wadliwej zgrzeiny.
Konstrukcja części
Konstrukcja części jest istotna, i podczas fazy projektowej należy wziąć pod uwagę wymogi spawalnicze. W porównaniu z innymi technikami spawalniczymi, spoina laserowa charakteryzuje się wąską strefą wpływu ciepła. Typowa spoina laserowa przedstawiona jest na rysunku 3. Gdy dwa podkłady są spawane ze sobą, łańcuchy polimerowe rozpraszają się po miejscu złączenia i tworzy się wiązanie poprzez pomieszanie tych łańcuchów. Tworzywa termoplastyczne charakteryzują się niskim przewodnictwem ciepła. Dlatego po napromieniowaniu laserem, szybkość chłodzenia tworzywa jest niska i skutkuje powstaniem mocnych powiązań. Wygląda to inaczej niż w przypadku metali, gdzie ciepło jest łatwo odprowadzane od miejsca spawania. W prostych spawach nachodzących na siebie, przepływ stopionego polimeru nie jest konieczny. Wiązanie tworzy się wyłącznie przez dyfuzję, która nie stanowi czynnika ograniczającego. Istnieją dowody na to, że materiały o bardzo wysokim wskaźniku szybkości płynięcia mogą tworzyć mocne spawy [3]. Preferowana powierzchnia do spawania laserowego to powierzchnia płaska, spawana z inną powierzchnią płaską. Inaczej niż w przypadku spawania wibracyjnego lub ultradźwiękowego, urządzenia do kierowania energii nie są wymagane. Spawanie części odbywa się drogą dyfuzji stopionego tworzywa, z jednej części do drugiej. Dlatego opadnięcie zgrzeiny nie ma tak krytycznego znaczenia, co może czasami być szkodliwe. Opadnięcie zgrzeiny powoduje, że do obszaru spawania wprowadzony zostaje nowy materiał. Nie może on zostać podgrzany do wymaganej temperatury potrzebnej do spawania, co skutkuje powstaniem zimnej spoiny [4]. Opadnięcie materiału również wymaga wymiany materiału. Przy wielu operacjach spawalniczych stosowane są rynienki na rąbki zgrzeiny, które służą jako zbiorniki na nadmiar stopionego materiału. Jeżeli nie są one zaprojektowane, stopione tworzywo zostanie wypchnięte ze spoiny jako rąbek, albo będzie przeszkadzać w wykonaniu spoiny. Należy uwzględnić to, jakie części będą ze sobą współpracować. W przypadku spawania konturowego, szczelina powinna wynosić mniej niż 100 mikronów. Przy spawaniu konturowym spoina powstaje w momencie, gdy powierzchnia spawana jest śledzona laserem. Z chwilą, gdy porcja części zostanie zespawana, pozostała część jest zablokowana w miejscu. Jeżeli pomiędzy częścią górną a dolną istnieje szczelina, materiały nie mogą połączyć się ze sobą i nie ma możliwości utworzenia zgrzeiny. Przy spawaniu konturowymi istnieje niewielka szansa dociśnięcia ze sobą części, aby zlikwidować szczelinę. Jednakże, gdy używany jest laser symultaniczny lub skanujący (kwazi-symultaniczny), części będą ogrzewane wolniej. Pozwala to na zmiękczenie obu części i ich osiadanie z powodu zastosowanej siły zamocowania. W miarę podgrzewania części, szczeliny mogą zostać zamknięte i utworzą się spoiny w miejscach, które w przeciwnym razie byłyby obszarami słabego spawu. Przy projektowaniu części szorstkie powierzchnie mogą być niekorzystne, albo korzystne. Mogą one skutkować powstaniem nieodpowiedniej styczności powierzchni, a tym samym słabszych spoin. Chropowatość może być spowodowana problemami podczas formowania części. Może jednak zostać zaprojektowana specjalnie, jak w przypadku powierzchni matowych. W przypadku wykończenia matowego, łączna powierzchnia mająca styczność z drugą częścią jest znacznie ograniczona. Spaw powstanie wyłącznie w punktach wysokich matowego wykończenia. Z uwagi na to, że części nie są do siebie wystarczająco dociśnięte, może się okazać, że całkowity kontakt powierzchni z powierzchnią nie będzie nigdy możliwy. I odwrotnie, szorstkość niektórych powierzchni może okazać się zaletą przy spawaniu laserowym. W przypadku części trudnych do spawania, takich jak fluoropolimery (teflon), spawanie można ulepszyć poprzez ścieranie powierzchni części. Istnieją również przypadki, gdzie na powierzchni części zastosowana jest powłoka ochronna, taka jak powłoka odporna na zadrapania na poliwęglanie. Bez ścierania powłoka ta nie pozwoli na spawanie materiału bazowego. Na koniec, kontrolowana szorstkość może być przydatna podczas stosowania spawania symultanicznego. Spawanie symultaniczne całego obszaru spawania pozwala, by powierzchnia szorstka stanowiła spoinę początkową. Dodatkowe ogrzewanie podnosi powierzchnię i kończy proces spawania. Części wypaczone mogą tworzyć szczeliny w spawach. Wypaczenia mogą być bardziej widoczne w cienkich, giętkich częściach. Można to obejść zwiększając siłę zamocowania. Generalnie źródłem wypaczenia jest formowanie. Może okazać się możliwe przezwyciężenie tego problemu współpracując z projektantem formy, aby zminimalizować wypaczenia obszarów spawanych. Może być również możliwe “spłaszczanie” części poprzez ich wyżarzanie przed spawaniem. Drugim źródłem wypaczania może być samo spawanie. Zasadniczo spawanie laserowe nie powoduje oddziaływania wysokich temperatur na powierzchnie przylegające do miejsca spawania. Jednakże, jeżeli nadmierne ciepło zostanie zastosowane na cienką, elastyczną część, może się ona wypaczyć w ciągu kilku sekund po zwolnieniu siły zamocowania. Problem ten można zredukować utrzymując taką samą siłę zamocowania do czasu wystudzenia się części. Rozpraszacze ciepła oraz zastosowanie czynników chłodzących może gwałtownie schłodzić część i wyeliminować potencjalne problemy z wypaczaniem.
Inną kwestią przy projektowaniu części jest możliwość dotarcia promienia laserowego do obszaru spawania. Pierwszą rzeczą do ustalenia jest miejsce, gdzie należałoby dodać absorber podczerwieni do tych części. Przy spawaniu laserowym jedna część musi przekazywać energię podczerwieni, a druga część musi ją wchłaniać. W przypadku systemu z sadzą lub systemu absorber-w-żywicy, jedna z części staje się absorbującą laser. Projektant musi uwzględnić, która strona będzie miała styczność z promieniem lasera jako pierwsza. Ta strona nie może zawierać absorbera podczerwieni. Jeżeli zastosowano powłokę, materiał absorpcyjny jest umieszczony na powierzchni jednej z części. Znajdzie się on wtedy na złączu spawu niezależnie od tego, od której strony będzie przechodził promień lasera. Promień lasera może być skierowany od góry, od dołu a nawet z boku, w zależności od geometrii danej części.
Po drugie, części muszą być w jakiś sposób umieszczone w uchwycie zapewniającym odpowiedni docisk tych części. Aby promień lasera mógł dotrzeć do powierzchni spawanych, urządzenie mocujące musi przewodzić wiązki laserowe. Z uwagi na to, że bryła mocowania będzie metalowa, uchwyt mocujący nie może blokować promienia lasera. Uchwyt mocujący musi zawierać odcinek przewodzący promienie lasera. Generalnie dla zapewnienia przejścia dla promieni lasera stosowane jest szkło lub PMMA. Istnieje możliwość, że może być wymagane minimalne mocowanie. Na przykład kapsle butelek mogą być zgrzewane bez zastosowania dodatkowego nacisku na części. A “pasowanie ciśnieniowe”, takie jak w przypadku rura-z-rurą może zapewnić wystarczającą styczność, by umożliwić spawanie. Generalnie, zastosowana siła zamocowania ma zagwarantować dokładną styczność części, a nie ściśnięcie ich na tyle, by złączyły się ze sobą. Inną kwestią jest możliwość interferencji promienia laserowego z samą częścią. Na przykład, port wejściowy w urządzeniu medycznym może znajdować się bezpośrednio nad miejscem spawania. Jeżeli promień lasera musi przejść przez ten port przed dotarciem do miejsca spawania, światło może zostać rozproszone w tym miejscu i w rezultacie spaw może być złej jakości. Bardziej praktyczne może okazać się skierowanie wiązki lasera od drugiej strony. Pracując przy rurach lub materiałach wielowarstwowych może okazać się korzystniejsze zastosowanie powłoki absorpcyjnej zamiast dodawania absorbera podczerwieni do żywicy. W przypadku powłoki, właściwości absorpcyjne są osłabione po kontakcie z wiązką laserową. Dlatego przy spawaniu rur powleczonych, bardziej zalecane jest przecinanie rury w jednym przejściu niż spawanie na obwodzie. To pozwoli na skrócenie czasu przetwarzania i obniżenie kosztów osprzętu. Podczas spawania wielu warstw przy użyciu systemu powlekania możliwe jest ułożenie części w stos i spawanie wielu warstw jednocześnie za pojedynczym przesunięciem wiązki laserowej. To oczywiście wpływa na znaczne zwiększenie wydajności procesu. 
Ostatnią kwestią jest kompatybilność systemu absorbera z systemem żywicy. W przypadku, gdy absorberem podczerwieni jest sadza, wówczas ilość użytego materiału może być stosunkowo duża (0,05% do 0,5%). Przy dużych obciążeniach, właściwości fizyczne żywic mogą być do pewnego stopnia zmieniane. W razie użycia absorbera organicznego w systemie powlekania, należy wziąć pod uwagę możliwość interakcji rozpuszczalnika i tworzywa sztucznego. Na przykład, system na bazie acetonu, stosowany z polisulfonem, może powodować pęknięcia naprężeniowe wzdłuż krawędzi maszynowych części. Przy dodawaniu absorbera organicznego do żywicy, należy sprawdzić kompatybilność tego absorbera z innymi dodatkami do żywicy. Chociaż nie jest to powszechny problem, istnieje możliwość, że jeden z dodatków może wchodzić w reakcje z absorberem. Na przykład, jeden z kilku pakietów dodatków wykrytych w modyfikowanej żywicy wchodził w reakcje z kilkoma absorberami i spowodował odbarwienie żywicy. Barwa brązowa była niepożądana przez użytkownika końcowego. Problem można było zamaskować poprzez modyfikację koloru, jak pokazano na rysunku 4.
Ciąg dalszy w następnym, czerwcowym wydaniu magazynu.
William H. Cawley
GENTEX Corporation
tłumaczenie:
Marek Bernaciak
AMB Technic
Bibliografia:
1. Smock D, Laser Welding Gains Traction in Plastic Joining, Design News, April 9, 2007
2. Rotheiser, J, Joining of Plastics, Handbook for Designers and Engineers, 2nd Edition, 2002, Hanser Gardner Publications.
3. Russick, U, Innovative Trends in Laser Beam Welding of Thermoplastics, Proc 2nd Int. WLT-Conf. on Lasers in Manufacturing, 105 -111, June 2003, Munich
