Od klejenia do laserowania – ewolucja procesów łączenia tworzyw sztucznych
Fraunhofer InstitutŁączenie tworzyw sztucznych metodą spawania laserowego nie bez przyczyny uznawane jest za jedną z najbardziej przyszłościowych technik łączeniowych. Tworzone w ten sposób spoiny są bowiem niewidoczne dla oka, a przy tym cechują się bardzo dobrą jakością i wytrzymałością na obciążenia. Nie każde tworzywo można jednak spawać laserowo, a w przypadku niektórych wymaga to zastosowania specjalnych powłok lub dodatków zwiększających absorpcyjność materiału.
Wykorzystanie wiązki laserowej jako narzędzia do spawania tworzyw sztucznych ma długą historię. Zanim jednak technologia ta na dobre podbiła rynek obróbki tworzyw, długo pozostawała domeną sektora badawczo-rozwojowego. Jej popularyzacja zbiegła się w czasie ze wzrostem znaczenia samych tworzyw sztucznych w produkcji nowoczesnych, lekkich konstrukcji. Pionierami i stymulatorami jej rozwoju były (i nadal pozostają) przemysł motoryzacyjny i lotniczy, w których komponenty na bazie tworzyw coraz wyraźniej wypierają stal i aluminium, oferując możliwość znacznej redukcji masy detali przy zachowaniu porównywalnej, a niekiedy i wyższej wytrzymałości. Spawanie laserowe można jednak wykorzystać także do łączenia bardzo małych elementów, których ze względu na ich niewielkie rozmiary nie można spawać tradycyjnymi metodami.
Jedynym ograniczeniem w szerokim zastosowaniu tej technologii jest zależność jej wyników od poziomu absorpcji promieniowania laserowego przez dany rodzaj tworzywa. Jeśli jest ona zbyt niska, wiązka nie zatrzymuje się na powierzchni materiału, lecz przechodzi przez niego, co – jak pokazano w dalszej części artykułu – jest zjawiskiem pozytywnym w przypadku górnej warstwy spawanej pary, negatywnym zaś w przypadku warstwy dolnej, która ma kluczowe znaczenie w tworzeniu połączenia. Z tego względu już na etapie planowania procesu należy dokładnie przeanalizować materiał pod kątem jego spawalności, w tym zwłaszcza „widoczności” dla wiązki laserowej.
Przebieg procesu spawania tworzyw
Mimo że w procesach spawania laserowego wykorzystywanych jest wiele różnych typów źródeł laserowych, do łączenia tworzyw sztucznych przeważnie stosuje się dwa ich rodzaje: lasery diodowe o zakresie długości fali 980 nm i lasery włóknowe, dla których λ = 1070 nm. Oba operują w paśmie tzw. bliskiej podczerwieni, przy czym lasery włóknowe wykazują się większą uniwersalnością zastosowań. Mogą być bowiem wykorzystywane nie tylko w procesach spawania i lutowania, ale także cięcia i obróbki powierzchni.
Sam proces łączenia dwóch tworzyw termoplastycznych realizowany jest metodą tzw. spawania penetracyjnego, w której wiązka laserowa przechodzi przez materiał wierzchni i pada na warstwę dolną. Tworzywo znajdujące się na górze powinno być zatem „niewidoczne” dla promieniowania laserowego, a więc cechować się bardzo niskim poziomem jego absorpcji. Wiązka laserowa jest pochłaniana przez warstwę dolną (absorbującą) i przekształcana w ciepło, które roztapia materiał. W efekcie łączy się on z warstwą górną, a następnie zastyga i tworzy spoinę. Powstające w tym procesie połączenie jest trwałe, a przede wszystkim niewidoczne z zewnątrz. Wykorzystując tę metodę, można spawać materiały zarówno liniowo, jak i po okręgu, przy czym przebieg tego drugiego procesu jest zbliżony do opisanego powyżej.
Absorpcyjność pod kontrolą
Generowane przez źródło laserowe promieniowanie podczerwone jest słabo absorbowane przez większość popularnych termoplastów. Spawalność poszczególnych par można sprawdzić, korzystając z zamieszczonej poniżej tzw. matrycy kompatybilności, w której kolorem czerwonym zaznaczono materiały całkowicie niespawalne, a zielonym – tworzące dobrej jakości spoiny. Jej analiza dostarcza cennych informacji, które mogą pomóc w odpowiednim doborze techniki spawania, a także – w miarę możliwości – samych materiałów obróbczych.
Właściwościami absorpcyjnymi tworzyw sztucznych, a tym samym i ich spawalnością, można jednak do pewnego stopnia sterować, stosując określone dodatki domieszkowane do tworzywa w procesie jego produkcji lub powłoki nakładane na gotowy materiał. Powłoki i mieszaniny te wykonywane są z materiałów dobrze absorbujących promieniowanie podczerwone, co zwiększa ogólną absorpcyjność danego tworzywa.
Zalety łączenia tworzyw laserem
Warto zastanowić się nad opcją takiego „uszlachetniania” tworzyw, gdyż spawanie laserowe – mimo że generuje spore koszty jednostkowe związane z koniecznością zakupu samego urządzenia laserowego – w dłuższej perspektywie przynosi przedsiębiorstwom wymierne korzyści. W przeciwieństwie do tradycyjnych technik łączenia tworzyw sztucznych, takich jak zgrzewanie ultradźwiękowe, zgrzewanie tarciowe czy klejenie, jest bowiem procesem czystym i precyzyjnym, a powstająca w efekcie spoina jest całkowicie niewidoczna dla oka. Spawanie laserowe – inaczej niż klejenie – nie wymaga też stosowania materiałów dodatkowych.
Z perspektywy użytkowników końcowych ogromne znaczenie ma także wysoka jakość i trwałość spoiny będąca efektem minimalnych naprężeń mechanicznych i cieplnych generowanych w trakcie spawania. Redukcja tych ostatnich jest efektem bardzo ograniczonej strefy wpływu ciepła, niewykraczającej poza bezpośredni obszar spawania. Z tego samego względu proces ten można zastosować także do łączenia bardzo małych i delikatnych detali, uznawanych za niespawalne tradycyjnymi technikami.
W dobie powszechnej automatyzacji procesów wytwórczych na znaczeniu zyskuje również fakt, że spawanie laserowe pozwala na zdalne sterowanie i kontrolę przebiegu procesu online – z poziomu interfejsu użytkownika, a coraz częściej także przy użyciu urządzeń mobilnych. Nowoczesne lasery są bowiem wyposażone w pełen pakiet oprogramowania, który umożliwia szybkie i proste tworzenie programów obróbczych. Programy te, uruchamiane za pomocą jednego przycisku, są realizowane automatycznie – od momentu rozpoczęcia do zakończenia emisji wiązki. Co więcej, dzięki dodatkowym narzędziom pomiarowym, takim jak pirometry czy systemy śledzenia ścieżki spoiny, przebieg procesu spawania może być także na bieżąco monitorowany i automatycznie korygowany w czasie rzeczywistym, tak by dostosować ścieżkę spoiny do położenia detali, a także zapewnić jej równomierny rozkład na powierzchni połączenia. W sprzedaży dostępne są także systemy do postobróbczej kontroli jakości spoiny, które pozwalają ocenić prawidłowość struktury połączenia, a tym samym wyeliminować ewentualne braki, zanim trafią one na rynek.
Systemy takie odgrywają niebagatelną rolę w zakładach, w których detale spawane są masowo – nie tylko w branży motoryzacyjnej i lotniczej, ale także w innych gałęziach przemysłu specjalizujących się w tzw. lekkich konstrukcjach. To właśnie tam zastosowanie technologii laserowych przynosi najwięcej korzyści, wśród których na pierwszy plan wysuwa się wysoka jakość i szybkość tworzenia połączeń oraz redukcja kosztów obróbki związana m.in. z możliwością pracy wielostanowiskowej przy zastosowaniu jednego źródła laserowego (ang. time share, energy share).
Perspektywy rozwoju technologii
Rosnąca popularność laserowego spawania tworzyw sztucznych stymuluje prace nad dalszym rozwojem tej technologii, by jeszcze bardziej zwiększyć jej dostępność i użyteczność w poszczególnych aplikacjach przemysłowych, a także stworzyć możliwości jej zastosowania na zupełnie nowych polach. Rozwój ten podąża równolegle w kilku kierunkach, z których najważniejsze to: wzrost prędkości i wydajności obróbki, dalsza automatyzacja procesów spawania, zwiększenie gamy obrabianych materiałów. Z punktu widzenia producentów pojazdów najważniejsze znaczenie mają dwa pierwsze, bezpośrednio związane z rozwojem takich metod obróbczych jak spawanie zdalne (ang. remote welding) oraz spawanie w locie (ang. on the fly). Oba procesy wymagają zastosowania zaawansowanych systemów wizyjnych, które umożliwiają dynamiczne śledzenie ścieżki spoiny i bieżące dostosowywanie przebiegu procesu do zmieniających się warunków brzegowych. Różnica polega na tym, że spawanie w locie realizowane jest przeważnie przez robota spawalniczego wyposażonego w skanery online, które – podążając za nim – sterują jego ruchami i na bieżąco je korygują, zapewniając precyzyjne spawanie trójwymiarowych obiektów.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Z punktu widzenia małych i średnich przedsiębiorstw to nie automatyzacja procesów spawania ma jednak kluczowe znaczenie dla zwiększenia dostępności tej technologii, lecz wzrost zakresu obrabianych za jej pomocą materiałów. W obróbce mało- i średnioseryjnej różnego typu detali zakup konkretnego urządzenia spawalniczego jest w pierwszej kolejności zależny od stopnia uniwersalności jego zastosowań. Możliwość spawania laserowego tworzyw uznawanych dotąd za trudnospawalne lub niespawalne byłaby zatem poważnym argumentem za inwestycją w technologie laserowe, także w sektorze MŚP. Zwłaszcza że w obliczu rosnącej konkurencji ceny jednostkowe urządzeń laserowych sukcesywnie spadają, a dostępne jeszcze wsparcie unijne umożliwia uzyskanie dodatkowych środków na projekty z zakresu automatyzacji i unowocześniania procesów produkcyjnych.
Spawanie par metal-tworzywo
Z poszerzaniem gamy spawanych materiałów pośrednio związane jest także zagadnienie spawania tworzyw sztucznych z metalami. Intensywne prace w tym zakresie prowadzone są już od kilku lat, a sama technologia coraz śmielej wkracza na rynek, zwłaszcza w przodującym w innowacyjności przemyśle motoryzacyjnym, gdzie umożliwia zastąpienie konstrukcji metalowych lżejszymi kompozytami z metalu i tworzywa sztucznego.
Podobnie jak w przypadku spawania dwóch tworzyw sztucznych do spawania tworzyw z metalami stosuje się przeważnie lasery diodowe lub włóknowe. Również przebieg procesu jest podobny: wiązka laserowa przenika przez tworzywo i nagrzewa metal, który oddaje ciepło do warstwy górnej, roztapiając ją. Głównym wyzwaniem w tym procesie jest przy tym równomierne rozgrzanie materiału, tak by zapewnić równy rozkład wytrzymałości na całej powierzchni połączenia.
Zwiększeniu wytrzymałości spoiny służy także praktyka strukturyzowania powierzchni metalu przed spawaniem. Proces ten może być realizowany z zastosowaniem tego samego lasera w trybie pracy ciągłej (CW). Oprócz strukturyzacji wstępna obróbka laserowa służy także usunięciu z powierzchni metalu zanieczyszczeń oraz pozostałości procesów obróbczych, takich jak oleje czy inne substancje organiczne. Zaletą tej technologii w stosunku np. do klejenia jest to, że czyszczenie powierzchni nie wymaga zastosowania dodatkowych środków, takich jak rozpuszczalniki czy kąpiele chemiczne, co przekłada się na ograniczenie nakładów finansowych i czasowych na przygotowanie połączenia. Wymaga ona jednak dalszej optymalizacji pod kątem uproszczenia całego procesu i określenia jego warunków brzegowych dla konkretnych par materiałów.
Indywidualne podejście do materiału
Ponieważ technologia spawania tworzyw sztucznych, a tym bardziej tworzyw z metalami, wciąż znajduje się w fazie intensywnego rozwoju, wymaga ona indywidualnego podejścia do każdego materiału, tak by zagwarantować, że uzyskane wyniki będą zgodne z oczekiwaniami przedsiębiorstwa. W dużych firmach, w których spawanie laserowe stanowi podstawową technikę łączenia materiałów, tworzone są działy badawczo-rozwojowe zajmujące się technologiami laserowymi. Zespoły takie powstają także w przedsiębiorstwach świadczących usługi integratorskie, tj. budujących maszyny na potrzeby klienta. Mniejsze zakłady korzystają z pomocy zewnętrznych laboratoriów, w tym producentów technologii laserowych, którzy często oferują możliwość wykonania prób spawania danej pary materiałów na podstawie próbek dostarczonych przez klienta.
Tego typu praktyka sprawia, że spawanie laserowe jest dziś jedną z najbardziej zindywidualizowanych technik obróbczych, a większość tworzonych maszyn stanowi jednostkowe rozwiązania projektowane zgodnie z potrzebami klienta. Wydaje się, że w zakresie spawania tworzyw sztucznych trend ten zostanie utrzymany, co ma tę zaletę, że redukuje ryzyko związane z niewłaściwym doborem oprzyrządowania i gwarantuje uzyskanie pożądanych wyników już na etapie projektowania procesu produkcyjnego.
