Univerzitet u TuzliMainski fakultetProizvodno mainstvo

SEMINARKI RAD Predmet:Laserske tehnologije Tema:Lasersko zavarivanje plastike

Student: Profesor:Dr.sc.Samir Butkovi, doc.Hamzi Amel II-448/11 Asistent:Mr.sc.Adnan Mustafi, v.asistent

SADRAJ:

1. Plastine mase..........................................................................................................31.1 Podjela plastinih masa..........................................................................................32. Zavarivanje plastinih masa.....................................................................................42.1 Zavarivanje toplim zrakom ili plinom....................................................................42.2 Zavarivanje zagrijanim elementom........................................................................52.3 Zavarivanje strujama visoke frekvencije................................................................52.4 Zavarivanje trenjem................................................................................................62.5 Zavarivanje ultrazvukom........................................................................................63. Lasersko zavarivanje.................................................................................................73.1 Vrste lasera..............................................................................................................73.1.1. Dioda laseri..........................................................................................................83.1.2. CO2 laseri............................................................................................................83.1.3. Fiber laseri...........................................................................................................93.1.4. Nd-YAG laseri....................................................................................................93.2. Poetak procesa......................................................................................................103.3. Prenos laserske energije u toplotu.........................................................................103.4. Princip zavarivanja.................................................................................................113.5.Kontrola kvaliteta procesa.......................................................................................11 Popis slika................................................................................................................12 Literatura.................................................................................................................13

7

LASERSKO ZAVARIVANJE PLASTIKE

PLASTINE MASE

Plastine mase su organski visokomolekularni spojevi dobiveni umjetnim, odnosno, sintetskim putem.Imaju niz svojstava koje klasini materijali, npr. nemetali nemaju.Dobra (ili bolja) svojstva u usporedbi s nemetalima:- mala gusstoa - dobra elektrina izolacijska svojstva,- dobra postojanost prema koroziji, kiselinama, luinama i djelomino otapalima- ne djeluju fizioloki tetno, bez mirisa su i bez okusa,- dobro se daju obraivati skidanjem i bez skidanja strugotine,- dobro se daju bojadisati u samoj masi, kao i povrinski.

Znaajna prednost u odnosu na druge materijale je nia cijena kotanja

PODJELA PLASTINIH MASA:

Podjela se vri prema nainu nastajanja, toplinskim i fizikalnim svojstvima. U masinstvu je ipak najinteresantnija podjela prema toplinskim svojstvima:- Termoplastine tvari (termoplasti),- Termostabilne tvari (duroplasti).

Plastomeri (termoplasti)su sintetiki polimeri ije su molekule dugi, linearni ili razgranati lanci. Osnovno svojstvo plastomera je dazagrijavanjemomekaju ili se rastale ahlaenjemovrsnu ne promijenivisvojstva.Duromeri (duroplasti)su graeni od gusto umreenih polimerskih molekula. To su tvrdimaterijalikoji se ne mogu preoblikovatizagrijavanjemi lako se lome.

Najee koritene plastine mase:

PE(polietilen) Polietilena ima jo mnogo vrsta, najee koritene suLDPE(polietilen niske gustoe) iHDPE( polietilen visoke gustoe). U oba sluaja, gustoa je uvijek manja od 1g/cm3, to jest pluta navodi.PP(polipropilen) neprozirna plastika, elastina i dosta termootporna, koristi se za termootporne plastine ae, za epove za boce (jer brtvi).PTFE(politetrafloroetilen), poznat pod nazivomteflonNiski koeficijent trenja, vrlo visoko talite, neproziran. Koristi se u obliku folije za brtvljenje vodovodnih iplinskihcijevi, kao povrinski sloj tava i ostalih posuda koje se ne lijepe.PS(polistiren) Potpuno prozirna plastika, ali se uglavnom koristi u obliku pjene (stiropora)za termo-izolaciju. Koristi se i za plastine ae, male prozirne kutijice, ravnala i geometrijski pribor.PMMA(polimetil-metakrilat), umjetno (akrilno) staklo, poznato pod nazivom plexi (perspex, plexiglas). Prozirna plastika,gustoe oko 1.1g/cm3, boljih fizikih svojstava od obinogstakla, osim otpornosti natemperaturu(staklu je talite oko 900C, a PMMA pri 200C postaje gumenasta i savitljiva). Koristi se kao zamjena za staklo uglavnom. Moe se lijepiti sa cijanoakrilatom (cijanofix, sekundno ljepilo). PMMA izgara potpuno (pretvori se u vodenu paru iugljini dioksidne ostavljajui traga za sobom).PVC(polivinil-klorid) inae je vrsta, ali obino se dodaju tvari za omekavanje.

ZAVARIVANJE PLASTINIH MASA

Plastine mase imaju dobru zavarljivost, te se mogu zavariti svim vanim postupcima.

Glavni naini zavarivanja plastinih masa: 1 - Zavarivanje toplim zrakom ili plinom, 2 - Zavarivanje zagrijanim elementom (kontaktno zavarivanje), 3 - Zavarivanje strujama visoke frekvencije, 4 - Zavarivanje trenjem, 5 - Zavarivanje ultrazvukom. 6 Lasersko zavarivanje

Slika 1. Slika 2.ZAVARIVANJE TOPLIM ZRAKOM ILI PLINOM

Ovaj nain zavarivanja nalazi vrlo iroku primjenu prilikom zavarivanja ploa, cijevi, rezervoara idrugih raznih profilnih konstrukcija.Princip zavarivanja

Zagrijani zrak na odreenu temperaturu dovodimo preko mlaznice zavarivakog pitolja na mjestogdje elimo dvije ploe zavariti. Kao dodatni materijal nam slui "ipka" obino istog sastava kao iosnovni materijala. Dovedenu toplinu usmjeravamo dijelom na osnovni, a dijelom na dodatnimaterijal, te oni pod djelovanjem topline prelaze u termoplastino (tjestasto) stanje, gdje je moguadifuzija, te se uz pomo pritiska ostvaruje spajanje.Razlikujemo dva naina zavarivanja:- sa upotrebom dodatnog materijala- bez upotrebe dodatnog materijala

slika 3.

ZAVARIVANJE ZAGRIJANIM ELEMENTOM

Princip zavarivanjaDvije plastine mase koje elimo zavariti ovim nainom, zagrijemo do temperature zavarivanja, na tajnain, da izmeu zavarenih povrina stavimo planparalelnu el. strujom zagrijanu plou konstantnetemperature, koja grije krajeve plastinih masa direktno. Nakon izvjesnog vremena kad je postignutotjestasto stanje, grijai element se brzo odstrani, a zavarivane povrine se pod odreenim pritiskomspoje.Kontaktno zagrijavanje zavarivanih povrina moemo ostvariti na 2 naina:1 - Grija s vanjske strane dodiruje izradak i predaje toplinu zavarivanim povrinama kroz debljinumaterijala,2 - Grija je neposredno u kontaktu sa zavarivanim povrinama.Kontaktno zagrijavanje moe biti:a) Jednostrano (za folije i tanke ploe) b) Dvostrano (deblji limovi)

Slika 4.

ZAVARIVANJE STRUJAMA VISOKE FREKVENCIJE

Strujama visoke frekvencije dosta lako zavarujemo one plastine mase koje slabo provode el. struju itoplinu, te iji faktor dielektrinih gubitaka nije manji od 0,01.Princip zavarivanjaAko stavimo termoplast izmeu elektroda koje su u spoju sa izmjeninim potencijalom, primjetit emoda se masa zagrijava. Ustvari, to je uzajamna veza izmeu kondenzatora i plastine mase kaodielektrika. Zavarivanje plastinih masa strujama visoke frekvencije je zasnovano na zagrijavanjumaterijala, kao rezultat pretvorbe el. energije u toplinsku, neposredno unutar samog materijala. Dakle,struju visoke frekvencije dovodimo elektrodama i izazivajui polarizaciju molekula u masi stisnutojmeu njima ostvarujemo zavarivanje.

Slika 5.ZAVARIVANJE TRENJEM

Princip zavarivanjaPrincip zavarivanja se zasniva na tome to se pri meusobnom kontaktu dva dijela, koji se okreu usuprotnim smjerovima pojavljuje sila trenja, a kao rezultat toga je oslobaanje topline, usslijed egazavarivane povrine dolaze u tjestasto stanje, te se uz pomo pritiska ti dijelovi vrsto spoje

Slika 6.

ZAVARIVANJE ULTRAZVUKOM

Zvuk predstavlja mehaniko elastino titranje sredine u kojoj se on rasprostire, dok ultrazvunimvalom nazivamo elastino titranje materijalne sredine s frekvencijom 20 kHz do 500 MHz.Za razliku od elektromagnetskih, ultrazvuni valovi mogu prolaziti samo kroz materijalnu sredinu.Princip zavarivanja plastinih masa zasniva se na pretvorbi mehanikih visokofrekventnih titraja utoplinsku energiju. Za razliku od zavarivanja ultrazvukom metala, kod plastinih masa premjetanje ipritisak djeluju u jednom pravcu. Stvoreni titraji visoke frekvencije djeluju na zavarene povrine takoda se na njima pojavljuju normalna naprezanja, izazivajui plastine deformacije materijala, uslijedega se na mjestu kontakta razvija povienje temperature u vidu topline. Pri tome toplina na mjestukontakta stvara povrinsko omekanje plast. mase i uz pomo pritiska se vri nerastavljivo spajanje

Slika 7.

LASERSKO ZAVARIVANJE

Zahvaljujui novoj laserskoj tehnologije sada je mogue jasno i precizno zavarivanje polimera, bez potrebe za bilo kakve specijalne dodatke. Takodje spoj ostvaren ovim nainom zavarivanja,prua dobru pouzdanost i istou(najee zahtijevanu u medicini) pa se oekuje da e ova tehnologija posebno igrati ulogu u izradi medicinskih ureaja i sl..

Prednosti: Manje mehanikih utjecaja na komponentama Nema povrinskih teta Najvei vizualne kvalitete zavarenog spoja Nema habanju alata mnogo krae vrijeme ciklusa Nema potrebe za aditivima Bolje opcije za praenje procesa online (znamo da su takvi aparati,obino povezani sa raunarima,pa prema tome imammo i bolje nadgledanje procesa) Vea kvaliteta i dugorona stabilnost

Slika 8. Slika 9.

VRSTE LASERA

-Dioda laseri (800-2000 nm) (940-980 nm)-Nd YAG laseri (1064 nm)-Fiber laseri

DIODA LASERI

Danas,dioda laseri su jedni od najvanijih laserskih izvora za industrijsku upotrebu.Dostupni su u irokom rasponu talasne duine id UV do IR zraenja s laserom snage od mW do nekoliko KW.

Slika 10.

CO2 LASERI

CO2 laseri su plinski laseri koji rade sa gasnom mjeavinom azota,helija i ugljeninog dioksida.CO2laseri mogu proizvoditi izlazne talasnu duinu od oko 9 mikrona pa do11 mikrona.Ovi izlazi openito sadre mnogo blisko razmaknutihtalasnih duina, ako se laser koristi kao za visoke snage. Ali za vie talasnoduinskih posebnih aplikacija optiki rezonator lasera je dizajniran da povea samo jednu ilipar vibracionih radijaciskih raspadnih linija.Raspon irenja talasne duzine CO2 lasera je mali 5-6 microna.

Slika 11.

FIBER LASERI

Fiber laseri spadaju u grupu najnovije razvijenih lasera za obradu materijala.Dostupni su sa izlaznom optikom snagom do nekoliko KW.

Slika 12.

ND-YAG LASERI (Neodimijumski ITRIJUM-ALUMINIJ GRANAT)

Ovi laseri su dugo koriteni u industriji do razvoja dioda lasera,te bili su dostupni kao laseri ritminog i kontinualnog vala.Nd:YAGlaser jelasers krutom jezgrom koji se sastoji od tapiaitrij-aluminijevoggranata(YAG), dopiranog atomimaneodimija(Nd:Y3Al5O12). Aktivni medij lasera su trostruko ionizirani ioni neodimija (Nd+3).Atomi neodimija su sline veliine kao i atomi itrija, pa ga mogu zamijeniti u strukturi. Nd:YAG je etverostupanjski laser, koji emitira infracrveno zraenje valne duljine 1064 nm.

Slika 13.

POETAK PROCESA

Poetni procesi formiranja laserskog vara na termoplastinim materijalima se odvija tako da se upijalasersko zraenje, transformie laserska energija u toplinu te se rasipa,odnosnonastaje toplota u susjednim podrujima.Ovisno o materijalu, apsorpcija zraenja moe biti oteana.Pogotovu kad su u pitanju materijali kao staklenasta vlakna i sl..

Apsorpcije laserskog zraenjaZa apsorpciju laserskog zraenja ovisno o talasnoj duini laseraPostoje dvije vrste:-Direct apsorpcijaDirektna apsorpcija laserskog zraenja javlja se kod laserski talasnih duzina u regionu oko 1200 nm(npr dioda ili fiber lasera), odnosno izmeu 1.200 i2500nm viega reda oscilacije i kombinacija oscilacije- Indirektni apsorpcijePrirodne plastine smole obino imaju slabu apsorpciju u spektruizmeu 800 nM i 1200 nm i vrlo su prupusne za lasersko zraenje. Zapoveanje apsorpcije smola, dodaju se sredstva za apsorpciju ili posebni aditivi,odnosnopovrinski premazi , ovisno o zahtjevima.

Slika 14. Slika 15.

PRENOS LASERSKE ENERGIJE U TOPLOTU

-Transfer apsorbovane laserske energije u toplotu moe se razlikovati ovisno o optikim dubinama penetracije. Zavarivanje dvije termoplastine mase e biti popraeno razmjenom makromolekula izmeu slojeva.

Slika 16.

PRINCIP ZAVARIVANJA

Procesom grijanje podruja kontakta ,oba sloja poinju da se tope. Proces topljenja jepraen poveanjem zapremine i tako vrue ploe obje komponente e biti zavarene primjenom vanjskog pritiska,odnosno stiskanjem rastopljena podruja se fiksiraju.Privrivanje pritiskom uzrokuje protok taljevine okomito na smjer za fiksiranja, kao to je prikazano na slici 17.Ovim nainom stvara se vrlo uzak av irine svega 1 do 2 mm, ak i kod vrlo velikih debljina spajanih dijelova. Vrlo je kratkotrajno djelovanje laserskog snopa, najee do 2ms, u nekim sluajevima uz pulsiranje od 1 do 10 puta u sekundi.

Slika 17.

Visoka gustoa snage kod laserskog zavarivanja omoguuje zavarivanje s malim unosomtoplineu materijal, zbog ega dolazi do vrlo visokih brzina ohlaivanja.

KONTROLA KVALITETA PROCESA

Praenje kvalitete i kontrole koja se odnosi na lasersko zavarivanje, moe se podijeliti u 3 faze:- prije- za vrijeme i- nakon laserske obrade.Jedna od najveih prednosti ovih zavarivanje i jeste upravo online preenje procesa kako bi se osigurale visoke kvalitete obradjenih povrina i kako bi se izbjegao ekonomski gubitak.

POPIS SLIKA

Slika 1. Zavarivanje s dodatnim materijalomSlika 2. Izgled laserskog snopa pri zavarivanjuSlika 3. Izgled pitolja za zavarivanje toplim zrakom ili plinomSlika 4. Zavarivanje zagrijanim elementomSlika 5. Zavarivanje strujama viseke frekvencijeSlika 6. Zavarivanje trenjemSlika 7. Zavarivanje ultrazvukomSlika 8. Presjek predmeta obrade pri laserskom zavarivanjuSlika 9. Izgled vrha laserskog ureajaSlika 10. Dioda laserSlika 11. CO2 laserSlika 12. Fiber laserSlika 13. Nd-YAG laserSlika 14. Zone apsorpcijeSlika 15. Kretanje laserskog snopaSlika 16. Izmjena makromolekula izmeu spojevaSlika 17. Kretanje taljevine pri fiksiranju i laserskom zavarivanju

LITERATURA

Rolf Klein;Laser Welding of Plastics,Wiley VCH Verlag,Weinheim 2012 g.

www.lpkf-laserwelding.comwww.laserplasticwelding.comwww.Linkedin.com