不管材料是層疊還是單層的形態均可以使用激光來進行焊接并產生接縫,材料形態取決于所要的外觀和設計。用于紡織品的激光焊接過程是基于Clearweld工藝,使用專門的吸收紅外光的材料而不是碳黑來定位激光能量并轉化為熱能,在接點熔融材料,實現激光傳輸焊接。在原有的狀態下,熱塑性塑料,包括人造纖維對近紅外輻射能都是透明的。為了焊接織物,近紅外激光的輻射能必須在接點被吸收。這通過加上紅外吸收物質即可實現,加入方法可通過向整個下層織物噴灑這些物質,或者在接點形成薄層。傳統使用的寬光譜的吸收物質,如碳黑,在接點上會產生顏色,這嚴重的限制了激光傳輸焊接在一些接點外觀很重要的場合的應用。而這在連接織物時的確是個問題。Clearweld被用于焊接干凈,有色,以及透明的塑料的,這些場合通常要求焊接后不可以產生別的不必要顏色。它是由TWI研究所發明,并且由Gentex公司實現商業化。
試驗表明紅外吸收物質可以直接被噴在織物表面,或者被噴到聚合物薄膜上,再把它放置在兩片織物之間。織物必須放在平臺上,或者通過復雜的三維支架來放置。對織物之間進行初始定位后,并對激光操作系統進行定位后,就不需要其他夾具了。在更加復雜的應用中,仍然需要許多重要的工作來設計適用于各種形狀元件的可變夾具。今后還必須考慮到織物的張緊,對稱的裝飾,邊角的收皺,褶皺/褶子,以及多層織物的焊接等問題。
焊接的時候,需要對焊縫附近的織物施加壓力,加壓可以通過使用環形夾具,而夾具需避免壓住織物上覆蓋的透明薄膜。激光穿過環上的孔進行焊接。此外,還可以利用真空平臺來向織物加壓。
利用Clearweld工藝,可以使用各種的近紅外激光器來焊接,包括了直接二極管激光器或者光纖耦合二極管激光器,它們的典型工作波長為808 nm或者940nm,此外還包括Nd:YAG激光器,工作波長為1064nm,以及光纖激光器,工作波長在1050nm到1500nm。商業化的Clearweld吸收劑對于在800nm到1100nm波段范圍內的焊接很有效。在940nm處的對激光輻射的吸收效率特別高。
因此,對于這項工作我們選擇了940nm波長的直接二極管激光器,其輸出功率范圍為150到600W,光束寬度為3-10mm。
激光器使用機架或者機械手來操作(圖1)。在典型的機械手系統中,激光器被安裝到機械手上,在被復雜結構支撐的織物表面進行三維操作。如果使用的是直接二極管激光器,那么機械手上安置了整個激光器頭。如果使用光纖傳輸的激光器,那么機械手只安裝了激光器的光學裝置。如果只是要求二維的焊接那么使用平臺機架就可以了。將織物水平放置在焊接處,在待焊的區域覆蓋一張薄膜,激光器下面附加的夾具對織物加壓,或者通過平臺式真空加壓。然后,沿著平臺移動激光器即可實現沿著焊接。可以預見,不久將出現激光焊接織物的其他可選系統,雖然目前這些系統尚未真正完成。
基于目前實際情況的調查,選擇了以下幾種織物來進行焊接試驗:
◆中等重量的平紡尼龍6,6,用于安全氣囊。
◆有聚氯乙烯或聚氨酯覆層的尼龍,聚酯,或者醫用棉紗。
◆聚酯,聚丙烯,纖維膠以及棉紗等等的混合物制成的帶圖案的平紡緞子,主要用于家居裝飾。
◆無紡尼龍或者聚酯,用于沙發型長椅裝潢。
◆木質壓板(有聚氯乙烯和紙箔覆層)用于沙發型長椅的抽屜。
通過對超過50種織物的激光傳輸測量結果表明,添加劑和著色劑很大程度上決定了織物是否可以采用焊接。而聚合物纖維和織物的種類比較次要。實驗發現,穿透率超過10%的織物可以作為焊接中的上層。而當激光穿透下層時,是不起作用的。
焊接速度為3-10米/分鐘,具體取決于使用的激光功率和織物類型。
對接縫的評估主要包括:基本的平滑度與/或抗形變能力,強度,與耐久性。此外,由于PU涂層織物將被用于防水的醫護座椅,所以還要求接縫具有防水性能。安全氣囊的性能測試是通過一系列靜壓條件下的泄漏率的測量來進行評估的。
對于較輕的紡織材料,產生的接縫與原材料一樣結實。安全氣囊的尼龍越重,則它的接縫強度越不如材料本身或者縫合接縫的強度。對于大部分的熱塑性塑料結構和薄板制品,接縫強度是原材料強度的40%-100%。這使得接縫具有裝飾應用中所要求的強度及抗疲勞強度,特別是在接縫處更不易產生裂縫。在裝飾行業,不易產生裂縫對保持產品外觀很重要,但是更重要的是,這一特性為需要密封氣體或者液體的情況提供了更好的性能。
我們發現,接縫的強度與接縫的微結構緊密聯系,而其微結構正是由能量輸入來控制的。能量太小的話,無法熔融足夠材料,得到的接縫很差。而能量太大的話,織物本身也被熔融了,在接縫邊上產生了一條有缺陷的區域,從而降低了強度。正確的能量輸入可以得到熔融控制得很好的織物,既能得到最大的接縫強度,又可以有很好的外觀。圖2顯示的是一種令人滿意的焊接微結構。
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