Svařování termoplastů od klasiky po laser

S termoplasty se setkáváme už delší dobu běžně v našem každodenním životě. Technologie jejich výroby, kam pat rozličné způsoby spojování termoplastů, prochází však neustálým vývojem. Patrné je to i při pozornějším sledování svařovaných míst, kde po klasických postupech svařování přicházejí dnes ke slovu rozličné netradiční technologie, jako je svařování ultrazvukem, vysokofrekvenční svařování nebo v poslední době i svařování laserem, které se kromě jiného vyznačuje už z pouhého laického pohledu naprosto neporušeným povrchem spojovaných dílů. Rok 2005 pak přinesl pro laserové svařování některé nové pigmenty, dávající plastům požadované vlastnosti ve vztahu na absorpci laserového paprsku, aniž by negativně ovlivnily jiné vlastnosti či barevný odstín plastu. Jak už úvod naznačil, termoplasty lze svařovat celou řadou metod. Každá z nich má své opodstatnění pro speciální užití, ať už jde o svařování horkým plynem s přídavným materiálem, přímé a nepřímé svařování horkým tělesem, extruzní svařování, svařování třením nebo i novější procesy vysokofrekvenčního svařování, svařování ultrazvukem a posléze svařování energií laserového paprsku. Samotný princip svařování termoplastů laserem má své počátky už období koncem 90. let, kdy se jako vhodný typ laseru pro tuto oblast jevil jen jeden typ, a to pevnolátkový laser Nd:YAG. S postupným vývojem se stále zdokonalovaly i výkonové diodové lasery, které se dnes staly při technologii svařování termoplastů rovnocenným partnerem Nd:YAG laserů, přičemž každá z těchto skupin má ale i nadále své přednosti při svařování různých dílů, dané odlišným tvarem a jakostí výstupního fokusovaného paprsku a vyzařováním na odlišné vlnové délce. IDEÁLNÍ PŘEPLÁTOVÁNÍ? Svařování termoplastů a termoplastických elastomerů laserem je přitom uspořádáním svařenců, kdy jde o způsoby stykové nebo přeplátováním, obdobné svařování kovů. Naprosto odlišné je ale svou podstatou, spočívající na transparentnosti a absorbci plastů vůči paprsku laseru. Ideálním řešením je v tomto směru způsob přeplátování, kde vrchní svařovaný díl je transparentní vůči paprsku laseru a spodní absorbující. Paprsek laseru, který je zaostřen do spáry mezi spojovanými díly, projde bez jakékoliv reakce transparentním plastem a v místě spáry je absorbován povrchem spodního dílu za vzniku teploty, potřebné pro jeho natavení. Ta odpovídá druhu materiálu, odpovídajícímu stupni absorbce a druhu použitého laseru. Sdílením tepla se od spodního dílu v mžikovém intervalu nataví i povrchová vrstva transparentního materiálu a za určitého tlaku dojde ke svaření obou dílů. Přítlačný tlak, který musí být větší než je tepelná roztažnost materiálů, je potřebný pro dosažení bezchybné kvality svaru, bez jakékoliv deformace povrchů obou svařovaných částí. Vzhledem k možnosti přesné regulace přiváděného množství potřebné energie se nikterak tepelně nezatěžuje okolí spojované zóny. To umožňuje svařovat i díly, které se nacházejí v bezprostřední blízkosti citlivých elektronických prvků, ale na druhou stranu dává i možnost makrosvařování při metrových délkách svaru v rovině i prostoru. V konkrétním provedení lze volit na principu prozařování několik postupů. Obvyklé je konturové svařování, kdy lze vytvářet svary téměř libovolné geometrie. Zde se vede podle programového řízení bodový laserový paprsek podél obrysu svaru. Tento způsob představuje nejjemnější citlivou metodu, ohleduplnou na minimální tepelnou zátěž okolní zóny. Odlišný je způsob simultánního a kvazisimultánního postupu, které se vyznačují extrémně krátkými časy svařování. Simultánním ozářením celého svaru je svařovací proces ukončen najednou během přibližně jedné sekundy. Tento způsob tím, že požaduje speciální uspořádání laserových diod s přizpůsobenou optikou, je hospodárný, ale jen u sériové a hromadné výroby. Kvazisimultánní postup pak dává fokusovanému laserovému paprsku s vyšší energií možnost mimořádně vysoké rychlosti pro pohyb podél linie svaru, kterou se dociluje prakticky současného natavení celého konturového svaru. JEMNÉ SVAROVÉ ŠVY Zatím nejnovější metodou je pak prozařovací svařování za uplatnění masky, která odstíní místa, jež nemají být zasažena laserovým paprskem. V tom případě je možné dosáhnout jemných svarových švů o šířce i pouhých 100 ?m a na jednom dílu je možné volit v jedné pracovní operaci i kombinace přímých a zakřivených svarů různé šířky nebo svařovat i plošné partie. Při prozařovací metodě svařování termoplastů je podstatná rozdílná transparentnost, a tedy i absorbce obou svařovaných dílů. Přitom tam, kde je potřeba absorbci zvýšit, lze použít i různých vhodných pigmetů nebo třeba i jen povlaku sazí. Tím, že se používá pro svařování buď diodových výkonových laserů s vlnovou délkou v oblasti blízké infračerevné 780 až 980 nm (NIR) nebo pevnolátkových Nd:YAG laserů s vlnovou délkou 1064 nm, může i vizuálně zdánlivě neprostupný plastický materiál být transparentní vůči infračerveným paprskům. Tady záleží pak i na volbě laseru s vhodnou vlnovou délkou. Vhodnou pigmentací lze pravit jednotlivé díly i tak, že je možné svařovat oboustranně černé díly. (Možnost svařování dvou transparentních dílů dává i tzv. 2 - Laser způsob, založený na využití laseru s vyzařováním na vlnové délce 2 ?m. Oproti CO2 laseru, jehož záření na vlnové délce 10,6 ?m je absorbováno jen na povrchu takovýchto dílů a oproti klasickým diodovým laserům, pro které jsou tyto materiály transparentní, je záření 2 ?m laseru absorbováno rovnoměrně po celé tloušťce plastu. Přítlakem, obdobným jako u jiných prozařovacích metod, dojde pak ke svaření i těchto transparentních materiálů. Tohoto způsobu se využívá vedle svařování fólií i ke svařování tlustších dílů.) METODOU PROZAŘOVÁNÍ je možné spojit termoplast i s kovovým dílem, kdy kov přebírá funkci absorbčního dílu, ohřívá se a sdílením tepla se nataví i plastická složka. Stupeň adheze je možné zesílit vložením tavného lepidla v podobě fólie mezi oba spojované díly, kdy po absorbci energie paprsku povrchovou vrstvou kovového dílu se ve spáře nataví i pomocná fólie. Pokud se podíváme na četnost případů stykového svařování a svařování přeplátováním, pak asi v 90 % případů svařování plastů se používá způsob spoje přeplátováním a jen asi 10 % zbývá na stykové svařování. Obě tyto metody dovolují oproti jiným způsobům spojování plastů, ať už se vezme lepení nebo svařování odlišnými metodami, uváděnými v úvodu, dosáhnout za vynikající kvality svaru i vysoké produktivity při minimalizaci nákladů. Laserová metoda svařování je metodou bezdotykovou s možností libovolné volby geometrie svaru. Vedle minimálního tepelného zatížení okolí svaru nedochází ani k jeho žádnému mechanickému zatížení, spoje vynikají vysokou jakostí, nejsou pórovité a jejich pevnost dosahuje většinou pevnosti základních materiálů (ve Fraunhofer Institutu ILT bylo ověřováno svařování prozařováním i u kompozitů se skelnými vlákny, kde pevnost spoje vlákny zesíleného polyamidu byla vyšší o 65 % než pevnost základního materiálu). JAKÝ LASER VYBRAT Při svařování plastů je dnes většinou otázkou, který typ laseru, pevnolátkový Nd:YAG či výkonový diodový, v jakém případě zvolit. Po dosažení dostatečného výkonu vítězí často u diodových laserů jejich přednost v dosažení vyšší efektivnosti, minimálních nákladech na údržbu a malých rozměrech. U obou typů těchto laserů je možné převést výkon vyzařování od jeho zdroje až na místo užití optickým kabelem, což je vítané zvláště pro užití u výrobních linek nebo robotizovaných pracovišť. Malá hmotnost i malé rozměry diodového laseru dovolují u robotizovaných systémů v mnoha případech i přímé umístění diodového laseru na rameno robota. Podstatné pro volbu typu laseru jsou ale především vlastnosti spojovaných termoplastů, jejich transparentnost a absorbce vůči odlišné vlnové délce 780 - 980 nm u diodových laserů a 1064 nm u Nd:YAG laserů. Pro diodové lasery hovoří nižší pořizovací cena laseru i nižší provozní náklady, ale na druhou stranu, jakost laserového paprsku, která je podstatná zvláště pro svařování v oblasti mikroelektroniky, je příznivější u pevnolátkových Nd:YAG laserů. Jak už z principu laserového svařování plastů vyplývá, je pro dosažení spoje podstatná rozdílná transparentnost a absorbce obou svařovaných dílů, přičemž i vizuálně zdánlivě neprostupný plastický materiál může být transparentní vůči infračerveným paprskům. Při dodatečné úpravě těchto vlastností dosavadními pigmenty docházelo ale většinou zároveň i k barevnému ovlivnění základního plastu. Ideální aditiva by měla dávat silnou absorbci v blízkém infračerveném rozsahu a žádnou absorbci ve viditelném rozsahu (neměla by mít vlastní barvu), neměla by ovlivňovat vlastnosti plastu a samozřejmým požadavkem je i jejich zdravotní nezávadnost. Po dlouhých letech výzkumu přišla nyní s takovými dvěma typy pigmentů organické řady Lumogen IR firma BASF. Lumogen IR 765 a Lumogen IR 788, jak se tyto vysocedisperzní pigmenty označují, umožňují upravovat i absorbci transparentních a světlých hmot, aniž by podstatně měnily jejich odstín. Pro svařování takto upravovaných plastů doporučuje výrobce pigmentů používat diodových laserů na vlně 808 nm při výkonu v rozsahu 30- 150 W. Protože aditivy Lumogen IR se nerozkládají teplem, je možný i vícenásobný průchod laserového paprsku přes tavicí zónu, což je podstatné nejen u křížení drah svarů ale také pro způsob kvazisimultánního svařování. Ze známých laserů je pro svařování těchto látek vhodný např. laser StarWeld Diode od firmy Rofin- Baasel Lasertech. Rofin se podílel i na zkouškách této nové technologie, včetně svařování takových materiálů, jakými jsou polyamidy, ABS či polystyren. ./jš/