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/