Laserové svařování plastů se stalo pokrokovou a důležitou průmyslově používanou technologií v posledním desetiletí. Pokračující rozvoj nových laserů s vlnovou délkou ve viditelné (zelený laser) a blízké infračervené oblasti spektra v koordinaci s vývojem souvisejících absorberů přidávaných do plastových materiálů poskytují možnost spojovat transparentní a neprůhledné – absorpční – plastové materiály. Automobilový, zdravotnický či elektronický průmysl jsou jen některé z oblastí, kde je technologie laserového svařování plastů široce realizována. Marek Haumer, www.LT.cz
V současné době vzrůstá zájem průmyslu o rozšíření svařování na rozdílné plastové materiály. K překonání problémů spojených se svařováním plastových materiálů je velmi důležité porozumět mechanismům spojování, morfologii a molekulárnímu chování konstrukce plastu a v neposlední řadě pochopit výsledné mechanické a tepelné vlastnosti, hustotu difúze, migraci, deformace atd. Už na počátku 70. let se prováděly úplně první pokusy laserového svařování termoplastických polymerů. Byl použit CO2 laser na 100mikronový polyethylenový film a svařoval se v přeplátovaném spoji. Nicméně k průlomu v laserovém svařování polymerů došlo až v polovině 90. let minulého století, kdy byly vyvinuty stabilní diodové lasery v rozmezí vlnových délek 800–1100 nanometrů na výkonových úrovních do 200 wattů. Dnes se nejčastěji používá vlnová délka laseru pro svařování 980 nm nebo 1064 nm. Typický rozsah výkonu laseru pro svařování plastů je 10–50 W. Laser Solaris Diodový nebo vláknový laser Solaris je obvykle integrován se zrcadly vychylovanou skenovací hlavou laserového paprsku nebo se umístí laser na robotu. Pro zvýšení rychlosti svařování se nyní uplatňuje kombinace robotu a laseru se skenovací hlavou. K vedení výkonu laserového paprsku od laserového zdroje se používá optického vlákna, kdy vlákno je u diodových laserů pasivní (nezvyšuje výkon laseru, pouze jej přenáší), nebo aktivního optického vlákna zvyšujícího výkon laserového zdroje (princip vláknového laseru). Vláknový laser Solaris má velmi stabilní výkon a parametry laserového zdroje jak v kontinuálním módu (CW), tak i v pulsním módu laseru. Stabilita laserového výkonu je velmi důležitá pro svařování plastů, kdy je potřeba dosáhnout konstantní teploty plastu. Základní princip laserového svařování polymerů Překrytý spoj dvou plastů je základní konfigurací pro svařování polymerních materiálů. „Horní“ část plastu je transmisní pro vlnovou délku laseru; laser prochází přes materiál na „spodní“ polymer, který naopak velmi absorbuje laserový paprsek a tedy i mění jeho energii na tepelnou (zahřívá se). Schopnost absorbovat laserové světlo je důsledkem přidání chemických barviv nebo pigmentů také nazývaných „absorbery“, které se přidávají k polymeru před lisováním. Nejpoužívanějším absorberem jsou saze, ale používá se mnoho dalších barviv nebo pigmentů. Zajímavý je další typ svařování, kdy se přidává infračervený kapalný absorber jako aditivum mezi povrchy jen před svařováním. Tato absorpční kapalina se prodává pod obchodním označením „Clear Weld“ a během svařování absorbuje energii laserového paprsku na rozhraní mezi povrchy materiálů. Začíná tak roztavení povrchu a jejich svaření dohromady jen v úzké oblasti 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 s pigmenty nebo chemickými přísadami je dosaženo vhodné absorpce k vlnové délce laseru. Při svařování laserem je absorber přidán pouze do „spodní“, absorbující části, zatímco „horní“ část musí být transparentní k vlnové délce. Výhody a podmínky laserového svařování polymerů V důsledku uvedených vlastností principu svařování leží svár „uvnitř“ dvou materiálů podobným způsobem, jak je známe z odporového svařování kovů. Některé výhody spojené s laserovým svařováním polymerů jsou tedy neviditelný spoj prováděný vysokou rychlostí s velmi nízkým tepelným příkonem a minimální ovlivnění okolí sváru. Optimální kvalita sváru, co se týká pevnosti, se obvykle dosahuje při určitém vedení energie (tj. energie dodaná na jednotku délky), což znamená, že je určitý poměr mezi výkonem a rychlostí svařování. Příliš nízké vedení energie může mít za následek mírné adhezní přilnutí, zatímco příliš vysoká energie laseru může mít za následek rozklad materiálu (shoří, zuhelnatí). Ke sledování teploty svařování slouží řada metod. Nejběžněji se používají pyrometry, které nabízejí možnost sledovat proces svařování on-line. Měření teploty je bezkontaktní a může být propojeno s on-line řízením výkonu laseru. Pro správnou kvalitu sváru je nutné mít dostatečný přítlak svařovaných ploch. Svařitelné materiály běžné na trhu se skládají z různých kombinací obou amorfních polymerů (jako je 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 / PMMA – POM. Dva díly plastu před svařováním laserem Solaris Svařené díly plastu do jednoho celku Detaily laserového sváru dvou plastových materiálů Měření teploty svařování pyrometrem Téměř neomezené možnosti volnosti v polohování laseru Solaris na ramenu robota