Welding of polymers by infrared laser radiation

Abstract

Трансмісійне лазерне зварювання пластмас зазвичай використовують для з’єднання верхньої прозорої деталі та нижньої непрозорої полімерної деталі, яка розігрівається за рахунок поглинання енергії променя оптичного діапазону. Однак значна кількість полімерних матеріалів є напівпрозорими для інфрачервоного випромінювання, що дозволяє зварювати оптично непрозорі деталі за рахунок проникнення випромінювання вглиб матеріалу. Технологічні можливості трансмісійного лазерного зварювання пластмас значно розширили розроблення та масовий промисловий випуск твердотільних інфрачервоних волоконних лазерів, резонатори яких виготовлені з оптичного волокна, легованого рідкоземельними елементами. В роботі досліджено можливості трансмісійного зварювання полімерних листів та плівок малопотужним (20 Вт) інфрачервоним лазером із довжиною хвилі випромінювання 1,062 мкм. Для визначання необхідних режимів опромінення проводили експерименти з проплавлення оптично непрозорого листа полібутену товщиною 1 мм. Показано, що в глибині матеріалу формується проплавлення гострої клинової форми, характерне для зварювання концентрованими джерелами енергії. Залежно від питомої енергії лазерного променя змінюється гострота клину проплавлення та ширина шва. За даної потужності випромінювання для листів полібутену досягнуто максимальну глибину проплавлення 0,5 мм. Також здійснено експериментальні зварювання непрозорої поліетиленової плівки блакитного кольору товщиною 0,05 мм промислових марок ПВД-108 та ПВД-158. Показано, що лазером даної потужності при підборі відповідної швидкості зварювання можливе з’єднання від двох до восьми шарів поліетиленової плівки. Для запобігання перегрівання тонкої плівки зменшували концентрацію енергії лазеру, промінь розфокусовували до діаметра 1,5–2,0 мм на поверхні матеріалу. В результаті отримано досить рівномірний зварний шов з гарним зовнішнім виглядом. Отже, трансмісійне лазерне зварювання може слугувати альтернативою традиційному з’єднанню поліетиленових плівок за допомогою нагрітого інструменту.

A number of polymeric materials are translucent for infrared radiation. The use of low-power infrared lasers makes it possible to weld polymer sheets due to the penetration of radiation into the material depth. The possibilities of transmission welding of polybutene sheets, as well as several layers of polyethylene film are investigated. Epilog Fiber Mark 20 installation equipped with 20-W fiber infrared laser with 1.062 μm radiation wavelength is used. According to the investigation results, the maximum penetration depth of polybutene sheets at thea given radiation power is determined. The ability of welding up to eight layers of colored polyethylene film of PVD-108 and PVD-158 grade is shown.