نقش جوشکاری لیزری در اتصال قطعات پلاستیکی

جوشکاری لیزری پلاستیک

قطعات پلاستیکی را می‌توان به‌وسیلۀ جوش لیزری به یکدیگر متصل نمود. این روش اتصال در مقایسه با سایر روش‌ها بسیار تمیزتر انجام می‌شود, در مطلب زیر جوشکاری لیزری مورد بررسی قرار گرفته است.

استفاده از جوشکاری لیزری بدون تماس (Non-contact laser welding) مزایای بسیاری برای اتصال قطعات پلاستیکی به همراه دارد, این روش با استفاده از متد انتقال جزئی (partial transmission) عمل کرده و به پرتو لیزر اجازه می‌دهد تا از قطعه پلاستیکی عبور کند و با انتقال گرما, آن را ذوب و به قطعۀ دیگر متصل سازد, با توجه به اینکه در محل ذوب, منبع گرما و اتمسفر تماسی وجود ندارد, اتصال صورت گرفته بسیار تمیز است.

روش‌های سنتی اتصالات پلاستیکی مثل اولتراسونیک و مهرزنی (Stamping) به تماس نیاز دارند و معمولا حاصل کار تمیز نبوده و در بسیاری از موارد اتصالات دچار آسیب دیدگی مکانیکی می‌شوند.

درصورتی که یک تیم مهندسی قصد استفاده از جوشکاری بدون تماس را دارد, بهتر است این فناوری را در فاز توسعه محصول خود به کارگیرند, استفاده از این فناوری برای اتصال محصولاتی که دیگر تولید شده‌اند هم شدنی است اما محصولاتی که در مراحل ابتدایی طراحی و تولید برای جوشکاری بدون تماس طراحی شده‌اند مشکلات کمتری را در خط تولید و اسمبلی خواهند داشت.

برای رسیدن به بالاترین میزان کیفیت در جوشکاری پلاستیک, پاسخ به چهار سوال اساسی زیر ضروری است:

1. آیا قطعات پلاستیکی که قرار است به وسیلۀ جوش لیزری بدون تماس بهم متصل شوند از دمای ذوب و مشخصات شیمیایی مشابهی برخوردارند؟

مواد پلاستیکی در دمای پایین‌تری از فلزات ذوب می‌شوند, پلاستیک‌های مهندسی برای مثال در دمای حدودا 480 درجه فارنهایت (یا 250 درجه سانتی‌گراد) ذوب می‌شوند, برخی از پلاستیک‌ها از دمای ذوب بالاتری برخوردار هستند, مثل پلی اتر اترکوتن ( polyether ether ketone (PEEK)) که در دمایی بین 660 تا 750 درجه فارنهایت (350 تا 400 درجه سانتی‌گراد) ذوب می‌شود.

در جوشکاری پلاستیک, قطعات مورد نظر باید از دمای ذوب برابری برخوردار باشند تا مواد اولیه هر دو قطعه به خوبی مخلوط و قطعات به‌درستی به هم متصل شوند, این موضوع باعث ایجاد مقاومت مکانیکی در قطعۀ جوش‌خورده می‌شود.

ترکیبات شیمیایی مواد پلاستیکی نیز از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است و خود یک عامل مهم تلقی می‌شود, برای مثال جوش برخی از مواد پلاستیکی باهم تقریبا غیرممکن است که در این میان می‌توان به پلی اتیلن با چگالی بالا (HD-PE) و پلی پروپیلن (PP) اشاره کرد. علی‌رغم اینکه هر دو ماده پلی اتیلن با چگالی پایین و پلی اتیلن با چگالی بالا از یک خانواده هستند, اتصال این دو با جوشکاری غیرممکن است.

2. آیا پرتو لیزر می‌تواند از مادۀ بالایی عبور کرده و به محل برخورد برسد؟ آیا ماده پایینی می‌‌تواند پرتو لیزر را برای ایجاد حرارت کافی در جای مناسب جذب کند؟

پرتوهای لیزری در جوشکاری پلاستیک معمولا توسط لیزرهای دیودی با توان بالا و در مناطق مادون قرمز و یا نزدیک مادون قرمز شکل می‌گیرند (طول موجی برابر 800 تا 2000 نانومتر دارند), قطعات پلاستیکی نیز برای اتصال باید از درجۀ انتقال و جذب مشابهی برخوردار باشند.

مواد پلاستیکی از هر دو فاز آمورف و کریستالی به‌طور همزمان برخوردار هستند, تفاوت مواد پلاستیکی در ضریب شکست آن‌ها در این فازها باعث پراکندگی و انعکاس نور لیزر و همچنین انتقال و جذب آن می‌شود. بسته به شدت این اثرات, این امر می‌تواند به جوشکاری لیزری کمک و یا از آن جلوگیری کند. طراحان می‌توانند این خصوصیات را در پلاستیک‌ها متناسب کنند تا میزان درستی از پرتوی لیزری به قطعۀ بالایی برخورد کند و توسط قطعۀ پایینی جذب شود. 

برای مثال تیم طراحی می‌تواند با اضافه کردن مواد افزودنی در پلاستیک‌ها باعث جذب بیشتر نور لیزر شود, همچنین تنظیم میزان غلظت الیاف شیشه‌ای در پلاستیک‌هایی مثل پلی آمید (PA-66 - یا همان نایلون) موجب تغییر در میزان نور انتقالی خواهد شد.

3. آیا قطعات می‌توانند در هنگام جوشکاری به‌درستی در کنار هم قرار بگیرند؟ آیا فشار وارد شده برای نگه داشتن قطعات قابل کنترل است؟ آیا هندسۀ قطعات به قرارگیری آن‌ها در کنار هم کمکی می‌کند؟

قطعاتی که بهم جوش می‌خورند باید از نظر هندسی شکلی متناسب با هم داشته باشند و هیچ فاصله‌ای بین آن‌ها وجود نداشته باشد. در صورت وجود هر گونه درز یا شکافی جوشکاری انتقال حرارت به خوب صورت نمی‌گیرد.

برخی از قطعات به‌ویژه قطعات بزرگ یا پیچیده (از لحاظ هندسی), باید در حین جوشکاری به یکدیگر فشرده شوند تا اتصال مناسب صورت پذیرد, این فشار می‌تواند توسط سرووموتورها یا گیره‌های پنوماتیک ایجاد شود, اما طراحان باید به‌میزان نیروی واردشده توجه کنند تا قطعات پلاستیکی دچار شکستگی نشوند, میزان تحمل فشار توسط طراحان کنترل و بررسی می‌شود, سنسورهای جابجایی نیرو اغلب به ابزار جوشکاری لیزری اضافه می‌شوند تا نیروهای وارده بر قطعات را در حین جوشکاری کنترل و بررسی کنند.

4. آیا قطعات می‌توانند گرمای حاصل از لیزر را به‌خوبی کنترل و آن را در هندسه خود توزیع کنند؟

روش‌های مختلفی برای هدفمندسازی پرتوی لیزر روی قطعۀ کار وجود دارد, به‌عنوان مثال, یک هد لیزر می‌تواند قطعه‌ای را که روی میز قرار گرفته و به صورت سه‌بعدی حرکت می‌کند, جوش دهد. در این روش ممکن است به دلیل‌ شتاب‌های موجود در نقاط شروع, توقف و هنگامی که مسیر تغییر جهت می‌دهد, قطعات بزرگ به‌خوبی گرم نشوند. با این وجود, تیم طراحی می‌تواند مسیرهای پیچیده‌ای را با استفاده از داده‌های CAD با این سیستم‌ها تهیه کند.

روش دیگر, استفاده از هدهای اسکن با سرعت بالا است که می تواند پرتوی لیزر را در طول مسیر جوش تا حداکثر سرعت 33 فوت در ثانیه حرکت دهد, اسکن لیزر با توان خروجی کافی در اطراف مسیر جوش (با این میزان از سرعت) بلافاصله درز جوش را گرم می‌کند. این امر به‌طور همزمان باعث کاهش اثرات گرمایش و سرمایش میز حرکت می‌شود.

یکی دیگر از روش‌ها ساخت ماسک یا استنسیل (stencil) از مسیر جوش, قرار دادن آن روی قطعه و سپس اتصال کامل قطعات است, این امر باعث گرم کردن مسیر در یک مقطع از زمان می‌شود, در یک لحظه, برای هر مسیر جدید, ماسک جدیدی مورد نیاز است.

برخی اوقات لنزهای لیزری با کانون خطی خود یک جوش‌کوک (stitch) در طولی مشخص ایجاد می‌کنند, (جوش‌کوک هنگامی استفاده می‌شود که درز جوش یک شکل ساده مانند خط مستقیم یا دایره باشد.) ممکن است در طول این فرآیند به کنترل توان اپتیک (قدرت لیزر) نیاز باشد که با اندازه‌گیری دمای قطعه کار به هنگام جوشکاری (توسط پیرومترها) انجام و اطلاعات به یک کنترل‌کنندۀ قدرت لیزر فرستاده می‌شود.

خلاصه محتوا

بسیار مهم است که محصول و فرآیندهای تولید آن با توجه به جوشکاری لیزری طراحی شوند, بنابراین تیم طراحی باید از پیش در این باره با تامین‌کنندگان و مشتریان صحبت کند تا اطمینان لازم حاصل شود. به‌عنوان مثال, ابزار مربوط به قالب‌گیری قطعاتِ پلاستیکیِ پیچیده بسیار پرهزینه و گران است و سازندگان ابزار باید از قبل طرح خود را با توجه به جزئیات جوشکاری پلاستیک نهایی سازند.