Spawanie elementów przezroczystych: łączenie laserowe bez sadzy

Spawanie elementów przezroczystych: łączenie laserowe bez sadzy

Najważniejsze wnioski

• Coś musi pochłaniać promieniowanie. Pytanie projektowe dotyczy jedynie tego, czy absorberem jest dodatek, warstwa pośrednia, czy sam polimer przy większej długości fali.
• Większe długości fali pozwalają polimerowi pochłaniać promieniowanie bezpośrednio, co całkowicie eliminuje dodatki i zmienia miejsce wydzielania ciepła.
• Przezroczyste barwniki absorbujące dają niemal niewidoczne złącze przy zachowaniu konwencjonalnych urządzeń pracujących w bliskiej podczerwieni.
• Przezroczyste części są optycznie zmienne — grubość, krystaliczność i naprężenia wtryskowe zmieniają transmisję bardziej, niż się zwykle sądzi.

Spawanie laserowe metodą transmisyjną wymaga, aby jedna część pochłaniała wiązkę, a tradycyjnym sposobem jest sadza w dolnym elemencie. Rozwiązanie to działa doskonale, ale jest niedopuszczalne w dużej i rosnącej grupie wyrobów — wyrobów medycznych, w których droga płynu musi być widoczna, zespołów optycznych, wyrobów konsumenckich z przezroczystymi obudowami oraz urządzeń mikrofluidycznych, w których kanał musi podlegać kontroli. Odpowiedzią jest spawanie elementów przezroczystych, a prowadzą do niego trzy naprawdę różne drogi.

Droga pierwsza: pozwolić polimerowi pochłaniać

Tworzywa termoplastyczne nie są przezroczyste dla wszystkich długości fali w podczerwieni. Większość ma pasma absorpcji w okolicach dwóch mikrometrów, związane z drganiami cząsteczek, a dalej w głąb podczerwieni absorpcja znacząco rośnie. Źródło pracujące w zakresie, w którym pochłania sam polimer, wprowadza energię bezpośrednio do materiału, bez żadnego dodatku.

Konsekwencją projektową jest to, że współczynnik absorpcji wyznacza profil nagrzewania. Silna absorpcja — jak w przypadku źródeł dalekiej podczerwieni — koncentruje energię w bardzo cienkiej warstwie powierzchniowej, co sprawdza się w połączeniach czołowych i pachwinowych, w których wiązka dociera bezpośrednio do krawędzi złącza, ale nie nadaje się do konwencjonalnego spawania na zakładkę przez grubą część górną. Umiarkowana absorpcja w zakresie dwóch mikrometrów pozwala energii wniknąć na użyteczną głębokość i ogrzać strefę na granicy połączenia i wokół niej, co czyni spawanie zakładkowe bez absorbera praktycznym.

Ta droga całkowicie eliminuje kwalifikację dodatków, co jest jej główną zaletą w wyrobach regulowanych. Wymaga źródła o odpowiedniej długości fali oraz prac nad procesem, aby kontrolować, w którym miejscu materiału ląduje energia, ponieważ nie ma już wyraźnej granicy absorpcji wyznaczającej płaszczyznę spoiny.

Droga druga: przezroczysty dodatek absorbujący

Istnieją barwniki i układy pigmentów, które silnie pochłaniają w bliskiej podczerwieni, a jednocześnie dobrze przepuszczają światło widzialne. Część z takim dodatkiem wygląda na przezroczystą lub lekko zabarwioną i zachowuje się jak konwencjonalny absorber przy standardowym źródle światłowodowym lub diodowym.

Zalety praktyczne są znaczne: istniejące urządzenia pracujące w bliskiej podczerwieni można stosować bez zmian, płaszczyzna spoiny jest ostro wyznaczona na powierzchni z absorberem, a zachowanie procesu przypomina konwencjonalne spawanie transmisyjne, więc sprawdzone metody opracowywania parametrów można przenieść.

Uwagi dotyczą tych samych kwestii co każdy dodatek. Zawartość musi być wystarczająca do absorpcji i na tyle niska, aby nie zabarwiać części ponad to, na co pozwala wyrób. Dodatek musi być zgodny z polimerem, stabilny w temperaturze przetwórstwa i — w zastosowaniach medycznych, w kontakcie z żywnością i farmaceutycznych — dopuszczalny w świetle odpowiednich przepisów, co samo w sobie jest zadaniem kwalifikacyjnym. Ważna jest jednorodność dyspersji, ponieważ lokalne zmiany stężenia absorbera powodują lokalne zmiany energii spawania.

Droga trzecia: absorbująca warstwa pośrednia

Zamiast wprowadzać absorber do całego elementu, ogranicza się go do granicy połączenia: cienkiej folii, warstwy drukowanej lub powłoki albo osadzonego wzoru nanoszonych na jedną powierzchnię złącza przed montażem.

Dzięki temu obie części pozostają w masie wolne od dodatków, co może mieć znaczenie, gdy element ma kontakt z płynami lub gdy uzyskanie dopuszczenia regulacyjnego dla dodatku w masie byłoby uciążliwe. Obszar absorbujący pozwala też dokładnie wyznaczyć wzór spoiny, co jest przydatne przy łączeniu selektywnym. Kosztem jest dodatkowy etap procesu, konieczność dokładnego umieszczenia i pozycjonowania oraz potwierdzenie, że materiał warstwy pośredniej jest zgodny z obydwoma polimerami i pozostaje taki po stopieniu.

Przezroczyste części są optycznie niejednorodne

Powracającą niespodzianką przy opracowywaniu spawania elementów przezroczystych jest to, jak bardzo transmisja różni się między nominalnie identycznymi częściami. Przyczynia się do tego kilka czynników i żaden z nich nie jest kolorem.

Grubość ścianki wyznacza drogę optyczną, więc część o zmiennym przekroju przepuszcza promieniowanie różnie wzdłuż złącza. Krystaliczność materiałów półkrystalicznych silnie rozprasza światło, a zależy ona od szybkości chłodzenia, więc temperatura formy i grubość przekroju bezpośrednio zmieniają zachowanie optyczne. Naprężenia wtryskowe powodują dwójłomność. Faktura powierzchni rozprasza wiązkę na powierzchni wejściowej, zanim jakakolwiek energia dotrze do złącza. Dodatki niezwiązane ze spawaniem — stabilizatory UV, środki klarujące, przeciwutleniacze — pochłaniają przy własnych długościach fali, które mogą pokrywać się ze źródłem.

Praktyczny wniosek jest taki, że transmisję należy mierzyć na rzeczywistych częściach produkcyjnych w oczekiwanym zakresie zmienności, a nie zakładać na podstawie karty katalogowej. Okno procesowe opracowane na częściach z jednej partii, przy jednej grubości i jednej temperaturze formy może nie sprawdzić się przy drugiej partii.

Opracowanie procesu

Spawanie elementów przezroczystych ma zazwyczaj węższe okno parametrów niż spawanie z sadzą, ponieważ absorpcja jest słabsza lub mniej ściśle zlokalizowana, a strefa stopienia odpowiednio mniej określona. Kompensują to dwie praktyki.

Po pierwsze, należy scharakteryzować optykę przed procesem. Trzeba zmierzyć transmisję części górnej i absorpcję części dolnej przy rzeczywistej długości fali lasera, na częściach produkcyjnych, w całym zakresie partii i grubości. Ten jeden zestaw pomiarów wyjaśnia większość zmienności napotykanej później i zamienia opracowywanie parametrów z metody prób i błędów w ograniczone zadanie.

Po drugie, wszędzie tam, gdzie strategia na to pozwala, jako monitora procesu należy użyć odległości zapadania. W spawaniu quasi-jednoczesnym części przesuwają się względem siebie o mierzalną wartość w miarę tworzenia się stopu, a to przemieszczenie jest bezpośrednim wskaźnikiem, że złącze na całej długości osiągnęło stopienie. W zespołach przezroczystych, w których nie można ocenić spoiny wizualnie z taką pewnością, jaką daje ciemne złącze, sygnał tego rodzaju w trakcie procesu jest wart znacznie więcej niż kontrola na końcu linii.

Kontrola spoiny, przez którą widać na wskroś

Zespoły przezroczyste stawiają przed kontrolą paradoks: złącze jest widoczne, a to, co widać, niesie mniej informacji, niż się wydaje. Ciemny partner absorbujący daje spoinę o wyraźnym kontraście wizualnym między obszarami stopionymi i niestopionymi. W złączu przezroczystym oba materiały są przezroczyste przed spawaniem i po nim, a obszar, który nigdy nie osiągnął stopienia, może wyglądać podobnie jak ten, który je osiągnął.

Informację można odzyskać kilkoma sposobami. Oglądanie złącza między skrzyżowanymi filtrami polaryzacyjnymi ujawnia pole naprężeń wokół prawdziwej spoiny, którego brak w obszarach niestopionych. Różnice interferencji i odbicia na niezwiązanej granicy faz mogą być widoczne przy oświetleniu ukośnym, podczas gdy prawdziwa spoina ich nie wykazuje. Jeżeli zespół musi utrzymać ciśnienie, próba szczelności lub rozrywania na próbkach dostarcza dowodu funkcjonalnego, a niszczące przekroje wykonywane podczas kwalifikacji ustalają zależność między sygnałem procesowym a rzeczywistą głębokością stopienia.

Wniosek praktyczny jest ten sam, co przy każdym złączu, którego nie można wiarygodnie skontrolować: dowody należy wbudować w proces, zamiast polegać na oglądaniu wyniku. Spawanie elementów przezroczystych nagradza monitorowanie w trakcie procesu bardziej niż niemal każda inna konfiguracja.

Powiązane artykuły

• Spawanie laserowe metodą transmisyjną — wyjaśnienie
• Spawanie laserowe tworzyw sztucznych
• Dobór pary żywic i barwników
• Spawanie laserowe wyrobów medycznych
• Znakowanie laserowe przezroczystych tworzyw sztucznych

Potrzebna pomoc w tej sprawie?

The Sabreen Group zapewnia niezależne wsparcie inżynieryjne w zakresie opracowywania spawania elementów przezroczystych, doboru absorbera i kwalifikacji procesu. Nasz zespół ds. usług inżynieryjnych współpracuje z producentami przy opracowywaniu procesów, kwalifikacji materiałów i rozwiązywaniu problemów produkcyjnych. Skontaktuj się z nami, aby omówić Państwa zastosowanie.

Najczęściej zadawane pytania

Czy dwie przezroczyste części można zespawać bez żadnego dodatku?

Tak, stosując długości fali, które pochłania sam polimer. Większość tworzyw termoplastycznych ma pasma absorpcji w okolicach dwóch mikrometrów i silniejszą absorpcję dalej w głąb podczerwieni, więc źródło o takich długościach fali wprowadza energię bezpośrednio do materiału bez dodanego absorbera. Profil absorpcji decyduje o tym, czy nagrzewanie jest ograniczone do powierzchni, czy rozłożone na grubość.

Czym jest przezroczysty barwnik absorbujący i czym różni się od sadzy?

Jest to dodatek, który silnie pochłania przy długości fali lasera, a jednocześnie przepuszcza większą część widma widzialnego, dzięki czemu część wygląda na przezroczystą lub lekko zabarwioną, a nie czarną. Pozwala stosować konwencjonalne urządzenia pracujące w bliskiej podczerwieni w zespołach, które muszą wyglądać na przezroczyste, kosztem dodatku wymagającego kwalifikacji dla danego zastosowania.

Jak działa absorbująca warstwa pośrednia?

Cienka absorbująca folia, powłoka lub warstwa drukowana jest umieszczana na granicy złącza między dwiema przezroczystymi częściami. Laser przechodzi przez część górną, jest pochłaniany przez warstwę pośrednią, a powstałe ciepło topi obie sąsiednie powierzchnie. Absorber jest ograniczony do złącza, a nie rozłożony w całym elemencie, co jest przydatne, gdy zawartość dodatku w masie jest niedopuszczalna.

Dlaczego transmisja przez przezroczyste części jest tak zmienna?

Ponieważ zależy od czegoś więcej niż kolor. Grubość ścianki zmienia drogę optyczną, krystaliczność rozprasza światło w materiałach półkrystalicznych, naprężenia wtryskowe powodują dwójłomność, faktura powierzchni rozprasza wiązkę na powierzchni wejściowej, a dodatki takie jak stabilizatory UV pochłaniają przy długościach fali, które mogą pokrywać się z laserem. Dwie przezroczyste części z różnych partii mogą przepuszczać promieniowanie w mierzalnie różnym stopniu.

Czy spawanie elementów przezroczystych jest tak wytrzymałe jak konwencjonalne spawanie laserowe?

Może być, jeśli proces zostanie prawidłowo opracowany, ponieważ sama spoina nadal jest połączeniem przez stopienie i zespolenie zgodnych polimerów. Różnica dotyczy tolerancji procesu: przy metodach bez absorbera profil nagrzewania jest mniej ograniczony, więc okno parametrów i wymagania dotyczące mocowania zwykle wymagają staranniejszego opracowania.

---