Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Laserové robotické stanice

Laserové svařování plastů se v posledním desetiletí stalo pokrokovou a důležitou průmyslově používanou technologií. Pokračující rozvoj nových laserů s vlnovou délkou ve viditelné oblasti (zelený laser) a blízké infračervené oblasti spektra spolu s vývojem souvisejících absorbérů, které jsou přidávány do plastových materiálů, umožňují spojovat transparentní a neprůhledné plastové materiály. Automobilový průmysl, výroba zdravotnické techniky nebo elektroniky jsou jen některé z oborů, kde je technologie laserového svařování plastů široce používána.

 
V současné době roste zájem technologů rozšířit možnosti o svařování rozdílných plastových materiálů. K překonání problémů spojených se svařováním plastových materiálů je velmi důležité pochopit mechanismy jejich spojování, morfologii a molekulární chování materiálů. Důležité je také určení výsledných mechanických a tepelných vlastností, hustoty difuze obou materiálů, migrace, zbytkové deformace atd.
 
Už na počátku 70. let 20. století odborníci zkoušeli laserově svařovat termoplastické polymery Použitý CO2 laser svařoval v přeplátovaném spoji 100μm polyetylenovou fólii. Nicméně průlom v laserovém svařování plastů nastal až v polovině 90. let minulého století, kdy byly vyvinuty stabilní diodové lasery v rozmezí vlnových délek 800 až 1 100 nm a s výkonem do 200 W. V současné době se ke svařování nejčastěji používají lasery o vlnové délce 980 nebo 1 064 nm. Typický rozsah výkonu laserů pro svařování plastů je 10 až 50 W. Diodové nebo vláknové lasery značky Solaris, které na český trh dodává firma Leonardo Technology (viz inzerát na str. 1), jsou obvykle integrovány s hlavicí s vychylovacími zrcadly nebo jsou umísťovány na rameno robotu. Pro zvýšení rychlosti svařování se uplatňuje kombinace obou řešení, tj. na rameno robotu se umístí laser s vychylovací hlavicí (obr. 2). K vedení výkonu laserového paprsku od laserového zdroje mohou být využívána optická vlákna. Vlákno je u diodových laserů pasivní (nezvyšuje výkon laseru, pouze jej přenáší). U vláknových laserů má optické vlákno funkci rezonátoru a zvyšuje výkon laserového zdroje. Vláknový laser Solaris má velmi stabilní výkon a parametry jak v kontinuálním, tak i v pulzním módu. Stabilita výkonu laseru je pro svařování plastů velmi důležitá, protože je třeba dosáhnout konstantní teploty plastu.
 
Základní princip laserového svařování plastů je na obr. 1. Nejčastější je přeplátovaný spoj. Jeden díl (na obrázku horní) je pro vlnovou délku laseru propustný, druhý (na obrázku dolní) naopak laserový paprsek velmi silně absorbuje a mění jeho energii na tepelnou. Schopnost absorbovat laserové světlo roste při použití speciálních barviv nebo pigmentů, tzv. absorbérů, které jsou přidávány do plastu už při výrobě. Nejpoužívanějším absorbérem jsou saze, ale existuje jich mnoho dalších druhů.
 
Jinou možností je přidávat kapalný absorbér jako aditivum mezi svařované povrchy až před svařováním. Absorbér je prodáván pod obchodním označením Clearweld. Materiál se spojí jen v úzké oblasti, kde je nanesen absorbér.
 
Řízení absorpce laserového paprsku je při svařování termoplastů vůbec nejdůležitější otázkou. Většina plastů je ve viditelné a blízké infračervené oblasti průhledná nebo průsvitná, vhodné absorpce je dosaženo pouze s pigmenty nebo jinými chemickými přísadami. Při svařování laserem je absorbér přidán pouze do jedné části, zatímco v druhé nesmí být žádný pigment absorbující při vlnové délce laseru obsažen. V důsledku toho leží svar uvnitř mezi dvěma materiály, podobně jako u odporového svařování kovů. Spoj je tedy neviditelný, svařovat lze velkou rychlostí s velmi malým tepelným příkonem a ovlivnění okolí svaru teplotou je minimální.
 
Optimální kvality svaru je dosahováno při určité hustotě energie (vyjádřené jako energie dodaná na jednotku délky svaru). Hustotu energie lze ovlivnit výkonem laseru a rychlostí posuvu při svařování. Příliš malá hustota energie je příčinou jen mírného adhezního přilnutí, zatímco příliš velká má za následek rozklad materiálu (zuhelnatění).
 
Ke sledování teploty v místě svařování je využíváno množství metod. Nejběžněji se používají pyrometry, které umožňují sledovat proces svařování on-line (obr. 3). Měření teploty je bezkontaktní a může být propojeno s řízením výkonu laseru. Pro správnou kvalitu svaru je nutné zajistit také dostatečný přítlak svařovaných ploch.
 
Svařovat lze kombinace různých materiálů, amorfních, jako jsou akrylonitrilbutadienstyren (ABS), polykarbonát (PC), polyuretan (PU), polymetylmetakrylát (PMMA) nebo polyvinylchlorid (PVC), i semikrystalických, jako jsou např. polypropylen (PP), polyetylen (PE) a polyoxymetylen (POM). Možné jsou následující kombinace: ABS a PC, PU a PC, PP a PE, PMMA a PVC, PC a POM nebo PMMA a POM.
Obr. 1. Princip laserového svařování plastů
Obr. 2. Robotická pracovní stanice pro laserové svařování plastů
Obr. 3. Instalace vláknového laseru Solaris s pyrometrem na rameno robotu Kuka
Obr. 4. Příklad svařence ze dvou plastových dílů
Obr. 5. Detail svaru