不管材料是层叠还是单层的形态均可以使用激光来进行焊接并产生接缝,材料形态取决于所要的外观和设计。用于纺织品的激光焊接过程是基于Clearweld工艺,使用专门的吸收红外光的材料而不是碳黑来定位激光能量并转化为热能,在接点熔融材料,实现激光传输焊接。在原有的状态下,热塑性塑料,包括人造纤维对近红外辐射能都是透明的。为了焊接织物,近红外激光的辐射能必须在接点被吸收。这通过加上红外吸收物质即可实现,加入方法可通过向整个下层织物喷洒这些物质,或者在接点形成薄层。传统使用的宽光谱的吸收物质,如碳黑,在接点上会产生颜色,这严重的限制了激光传输焊接在一些接点外观很重要的场合的应用。而这在连接织物时的确是个问题。Clearweld被用于焊接干净,有色,以及透明的塑料的,这些场合通常要求焊接后不可以产生别的不必要颜色。它是由TWI研究所发明,并且由Gentex公司实现商业化。
试验表明红外吸收物质可以直接被喷在织物表面,或者被喷到聚合物薄膜上,再把它放置在两片织物之间。织物必须放在平台上,或者通过复杂的三维支架来放置。对织物之间进行初始定位后,并对激光操作系统进行定位后,就不需要其他夹具了。在更加复杂的应用中,仍然需要许多重要的工作来设计适用于各种形状元件的可变夹具。今后还必须考虑到织物的张紧,对称的装饰,边角的收皱,褶皱/褶子,以及多层织物的焊接等问题。
焊接的时候,需要对焊缝附近的织物施加压力,加压可以通过使用环形夹具,而夹具需避免压住织物上覆盖的透明薄膜。激光穿过环上的孔进行焊接。此外,还可以利用真空平台来向织物加压。
利用Clearweld工艺,可以使用各种的近红外激光器来焊接,包括了直接二极管激光器或者光纤耦合二极管激光器,它们的典型工作波长为808 nm或者940nm,此外还包括Nd:YAG激光器,工作波长为1064nm,以及光纤激光器,工作波长在1050nm到1500nm。商业化的Clearweld吸收剂对于在800nm到1100nm波段范围内的焊接很有效。在940nm处的对激光辐射的吸收效率特别高。
因此,对于这项工作我们选择了940nm波长的直接二极管激光器,其输出功率范围为150到600W,光束宽度为3-10mm。
激光器使用机架或者机械手来操作(图1)。在典型的机械手系统中,激光器被安装到机械手上,在被复杂结构支撑的织物表面进行三维操作。如果使用的是直接二极管激光器,那么机械手上安置了整个激光器头。如果使用光纤传输的激光器,那么机械手只安装了激光器的光学装置。如果只是要求二维的焊接那么使用平台机架就可以了。将织物水平放置在焊接处,在待焊的区域覆盖一张薄膜,激光器下面附加的夹具对织物加压,或者通过平台式真空加压。然后,沿着平台移动激光器即可实现沿着焊接。可以预见,不久将出现激光焊接织物的其他可选系统,虽然目前这些系统尚未真正完成。
基于目前实际情况的调查,选择了以下几种织物来进行焊接试验:
◆中等重量的平纺尼龙6,6,用于安全气囊。
◆有聚氯乙烯或聚氨酯覆层的尼龙,聚酯,或者医用棉纱。
◆聚酯,聚丙烯,纤维胶以及棉纱等等的混合物制成的带图案的平纺缎子,主要用于家居装饰。
◆无纺尼龙或者聚酯,用于沙发型长椅装潢。
◆木质压板(有聚氯乙烯和纸箔覆层)用于沙发型长椅的抽屉。
通过对超过50种织物的激光传输测量结果表明,添加剂和着色剂很大程度上决定了织物是否可以采用焊接。而聚合物纤维和织物的种类比较次要。实验发现,穿透率超过10%的织物可以作为焊接中的上层。而当激光穿透下层时,是不起作用的。
焊接速度为3-10米/分钟,具体取决于使用的激光功率和织物类型。
对接缝的评估主要包括:基本的平滑度与/或抗形变能力,强度,与耐久性。此外,由于PU涂层织物将被用于防水的医护座椅,所以还要求接缝具有防水性能。安全气囊的性能测试是通过一系列静压条件下的泄漏率的测量来进行评估的。
对于较轻的纺织材料,产生的接缝与原材料一样结实。安全气囊的尼龙越重,则它的接缝强度越不如材料本身或者缝合接缝的强度。对于大部分的热塑性塑料结构和薄板制品,接缝强度是原材料强度的40%-100%。这使得接缝具有装饰应用中所要求的强度及抗疲劳强度,特别是在接缝处更不易产生裂缝。在装饰行业,不易产生裂缝对保持产品外观很重要,但是更重要的是,这一特性为需要密封气体或者液体的情况提供了更好的性能。
我们发现,接缝的强度与接缝的微结构紧密联系,而其微结构正是由能量输入来控制的。能量太小的话,无法熔融足够材料,得到的接缝很差。而能量太大的话,织物本身也被熔融了,在接缝边上产生了一条有缺陷的区域,从而降低了强度。正确的能量输入可以得到熔融控制得很好的织物,既能得到最大的接缝强度,又可以有很好的外观。图2显示的是一种令人满意的焊接微结构。