Dobór pary żywic i barwników do spawania laserowego

Dobór pary żywic i barwników do spawania laserowego

Najważniejsze wnioski

• Muszą być spełnione dwa wymagania: polimery muszą być zgodne w stanie stopionym, a ich właściwości optyczne przy danej długości fali muszą się odpowiednio różnić.
• Kolor jest specyfikacją optyczną. Zmiana koloru oznacza zmianę procesu, a dobrana para materiałów jest dobrana tylko dla jednej długości fali.
• Włókno szklane rozprasza wiązkę, zmniejszając efektywną transmisję, przez co element przepuszczający częściej niż oczekiwano staje się elementem ograniczającym.
• Parę materiałów należy zakwalifikować przed wykonaniem oprzyrządowania, ponieważ problem ze spawalnością wykryty po wykonaniu formy ma bardzo niewiele tanich rozwiązań.

Pytanie „czy te dwie części można zespawać laserowo?” ma dwie niezależne odpowiedzi, które obie muszą brzmieć „tak”. Polimery muszą być zdolne do utworzenia ze sobą połączenia w stanie stopionym, co jest kwestią zgodności materiałowej wspólną dla wszystkich metod spawania. Ich właściwości optyczne przy długości fali roboczej muszą się ponadto różnić w odpowiednim kierunku i w wystarczającym stopniu, co jest specyficzne dla spawania laserowego i właśnie tu pojawia się większość niespodzianek.

Najpierw zgodność w stanie stopionym

Spoina powstaje, gdy dwie stopione powierzchnie polimeru przenikają się wzajemnie i krzepną razem. Wymaga to nakładających się okien przetwórczych — oba materiały muszą być stopione w tej samej temperaturze, a żaden nie może ulegać degradacji — oraz wystarczającego podobieństwa chemicznego, aby łańcuchy mogły się splątać na granicy faz.

Połączenia z tego samego polimeru są przypadkiem najprostszym i obejmują większość produkcji. Różne gatunki tego samego polimeru zazwyczaj się spawają, choć różnice we wskaźniku płynięcia, zawartości wypełniacza i pakiecie dodatków przesuwają parametry. Różne polimery w obrębie jednej rodziny czasem spawają się w akceptowalny sposób. Polimery niepodobne chemicznie zazwyczaj nie tworzą trwałego połączenia, niezależnie od tego, jak korzystne są właściwości optyczne, a uzyskana przyczepność ma charakter mechaniczny, a nie molekularny i zwykle rozczarowuje pod obciążeniem lub z upływem czasu.

Taka kolejność ma znaczenie, ponieważ właściwości optyczne łatwiej zmienić niż chemię. Jeżeli materiały są zgodne w stanie stopionym, absorpcję i transmisję można kształtować za pomocą barwników i dodatków. Jeżeli nie są, żadne zabiegi optyczne nie dadzą trwałego połączenia.

Kolor jest specyfikacją optyczną

Najczęstszą niespodzianką w produkcji przy spawaniu laserowym jest zmiana koloru, której nikt nie uznał za zmianę procesu. Kolor określają projektanci, dział marketingu i klienci na podstawie wyglądu, a powstały układ pigmentów decyduje o zachowaniu przy długości fali lasera — zależność ta nie ma wiarygodnego związku z wyglądem.

Pigmenty pochłaniają promieniowanie selektywnie. Dwa odcienie niebieskiego, które wizualnie do siebie pasują, mogą przepuszczać promieniowanie 1064 nm zupełnie inaczej, ponieważ opierają się na odmiennej chemii pigmentów. Biel z dodatkiem dwutlenku tytanu silnie rozprasza światło. Niektóre pigmenty organiczne są w bliskiej podczerwieni praktycznie przezroczyste, a niektóre nieorganiczne nie. Część, która przepuszcza wystarczająco w kolorze naturalnym, może nie przepuszczać w wersji barwionej, a awaria ma charakter całkowity, a nie stopniowy.

Dobrą praktyką jest traktowanie koloru jako kontrolowanej wielkości wejściowej procesu: kwalifikowanie każdej kombinacji kolorów, wymaganie od producenta mieszanki powiadamiania o zmianie receptury barwnika oraz pomiar transmisji i absorpcji przy długości fali roboczej w ramach zatwierdzania materiału, zamiast polegania na dopasowaniu wizualnym.

Absorpcja w dolnej części

Sadza pozostaje wzorcowym absorberem i działa wyjątkowo dobrze — silna, szerokopasmowa absorpcja przy niewielkim dodatku, dobrze poznana i tania. Jej właściwości zależą jednak od gatunku: wielkość cząstek i struktura wpływają zarówno na siłę, jak i na głębokość absorpcji, a to z kolei na miejsce wytwarzania ciepła względem granicy połączenia. Dobór sadzy do spawania jest więc realną decyzją, a nie ustawieniem domyślnym.

Tam, gdzie czerń jest niedopuszczalna, barwniki i układy pigmentów pochłaniające bliską podczerwień pozwalają uzyskać części absorbujące w kolorze, naturalne lub optycznie przezroczyste. Wymagają one takiej samej kwalifikacji jak każdy dodatek — jednorodności dyspersji, stabilności termicznej w temperaturze przetwórstwa, dopuszczalności regulacyjnej w danym zastosowaniu — a ich absorpcja jest zwykle węższa spektralnie niż sadzy, co sprawia, że dopasowanie dodatku do źródła jest bardziej krytyczne.

Transmisja przez górną część

Element przepuszczający jest ograniczony nie tylko kolorem. Grubość ścianki wyznacza drogę optyczną, a transmisja maleje wraz z nią, czasem gwałtownie. Krystaliczność w polimerach półkrystalicznych rozprasza wiązkę, a ponieważ zależy od szybkości chłodzenia, temperatura formy bezpośrednio zmienia zachowanie optyczne. Wypełniacze szklane i mineralne silnie rozpraszają światło, co zarówno zmniejsza energię docierającą do złącza, jak i ją rozogniskowuje, obniżając natężenie szczytowe tam, gdzie jest ono potrzebne. Dodatki o własnej absorpcji — zwłaszcza stabilizatory UV — mogą pokrywać się z długością fali lasera. Faktura powierzchni rozprasza wiązkę na powierzchni wejściowej, zanim jakakolwiek energia wniknie do części.

Wypełnione elementy przepuszczające to przypadek najczęściej niedoceniany. Górny element z 30-procentową zawartością włókna szklanego może przepuszczać jedynie niewielki ułamek tego, co element niewypełniony, a typowa reakcja — zwiększenie mocy — grozi uszkodzeniem powierzchni wejściowej, zanim złącze osiągnie temperaturę topnienia. Jeżeli po stronie przepuszczającej nie da się uniknąć materiału wypełnionego, realne opcje to cieńsze przekroje na drodze wiązki, strategia tolerująca niższe natężenie lub inna długość fali.

Układy dodatków dwufunkcyjnych

Zespoły, które muszą być zarówno znakowane laserowo, jak i spawane laserowo, stanowią prawdziwy problem recepturowy, ponieważ oba procesy opierają się na tych samych właściwościach optycznych i oczekują od nich czegoś innego. Układy dodatków opracowane z myślą o obu zastosowaniach pozwalają jednemu materiałowi wykonać obie operacje, co znacznie upraszcza gospodarkę materiałową.

Warunkiem jest opracowanie obu procesów łącznie, a nie kolejno. Zawartość dodatku zoptymalizowana pod kątem kontrastu znakowania może sprawić, że element przepuszczający będzie zbyt absorbujący do spawania; zawartość zoptymalizowana pod kątem absorpcji przy spawaniu może dać słaby kontrast znakowania. O powodzeniu podejścia decyduje wcześniejsze ustalenie obu okien procesowych dla tej samej receptury.

Kwalifikacja przed wykonaniem oprzyrządowania

Spawalność jest właściwością całej kombinacji — pary polimerów, barwników, wypełniaczy, dodatków i długości fali — którą tanio ustala się przed podjęciem zobowiązań, a której odkrycie po fakcie jest kosztowne i zakłóca produkcję.

Praktyczna kwalifikacja przed wykonaniem oprzyrządowania obejmuje pomiar transmisji planowanego materiału przepuszczającego przy docelowej grubości i kolorze, pomiar absorpcji planowanego materiału absorbującego oraz zespawanie wypraskowych płytek próbnych lub prototypowych części w rzeczywistej kombinacji materiałów, aby potwierdzić istnienie funkcjonalnego okna procesowego z zapasem. Takie badanie trwa kilka dni i daje odpowiedź na pytanie, na które w przeciwnym razie odpowiada się podczas prób produkcyjnych, gdy formy już istnieją, a wybór materiału jest w praktyce przesądzony.

Powiązane artykuły

• Dobór sadzy do spawania metodą transmisyjną
• Dodatki laserowe o podwójnym zastosowaniu
• Spawanie laserowe przezroczystych elementów
• Spawanie laserowe metodą transmisyjną — wyjaśnienie
• Jeden masterbatch do znakowania i spawania

Potrzebna pomoc w tej sprawie?

The Sabreen Group zapewnia niezależne wsparcie inżynieryjne w zakresie doboru materiałów, dopasowania kolorów i kwalifikacji dodatków do spawania laserowego. 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 dwa różne polimery można zespawać laserowo?

Tylko wtedy, gdy są zgodne w stanie stopionym: zakresy temperatur przetwórstwa muszą się pokrywać, aby oba były stopione bez degradacji, a ponadto muszą być na tyle zgodne chemicznie, by utworzyć połączenie, a nie tylko mechaniczne zazębienie. Podobne polimery z tej samej rodziny zazwyczaj się sprawdzają; rodziny niepodobne zwykle nie, niezależnie od właściwości optycznych.

Dlaczego zmiana koloru wymaga ponownej kwalifikacji?

Ponieważ barwniki decydują o tym, jaka część promieniowania lasera jest przepuszczana i pochłaniana. Dwie części, które dla oka wyglądają podobnie, mogą zachowywać się zupełnie inaczej przy 1064 nm, gdyż pigmenty pochłaniają selektywnie, a wygląd widzialny niewiele mówi o zachowaniu w bliskiej podczerwieni. Zmiana koloru zmienia energię docierającą do złącza, a tym samym proces.

Czy włókno szklane wpływa na spawanie laserowe?

Znacząco. Włókna szklane rozpraszają wiązkę w elemencie przepuszczającym, zmniejszając energię docierającą do granicy połączenia i rozpraszając ją, co obniża natężenie szczytowe w złączu. Wyższe zawartości wypełniacza nasilają ten efekt, a szkło na powierzchni złącza zmniejsza także ilość polimeru dostępnego do utworzenia spoiny.

Czym jest dodatek dwufunkcyjny?

Układ dodatków opracowany zarówno do znakowania laserowego, jak i spawania laserowego, który pozwala znakować i spawać jeden materiał tą samą długością fali. Upraszcza gospodarkę materiałową w zespołach wymagających obu operacji, a jednocześnie wymaga łącznego opracowania obu procesów, ponieważ konkurują one o te same właściwości optyczne.

Kiedy należy ustalić spawalność materiału?

Przed wykonaniem oprzyrządowania. Spawalność jest właściwością pary materiałów, barwników i długości fali, a jeśli wybrana kombinacja się nie spawa, rozwiązaniami są zmiana materiału, zmiana barwnika lub dodatek — wszystkie proste na etapie projektowania i uciążliwe później.

---