A TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK 2.3 2.5 Hőre lágyuló műanyagok lézeres hegesztésének on-line minőség-ellenőrzése Tárgyszavak: hőre lágyuló műanyag; lézer; hegesztés; folyamatszabályozás; minőség-ellenőrzés; vizsgálati módszer. Hegesztés lézersugárral A lézeres hegesztést néhány éve ipari méretekben alkalmazzák. Lényege, hogy a lézersugár számára átlátszó, azt felmelegedés nélkül áteresztő anyagot egy lézersugarat elnyelő, attól felmelegedő anyaggal kötnek össze. Az utóbbi hegesztendő felülete a lézersugártól megolvad, és megfelelő nyomás alatt a két felület között létrejön a kötés. Az eljárást folyamatosan fejlesztik, egyre újabb anyagok és lézersugarat elnyelő adalékok jelennek meg a piacon, amelyek hozzájárulnak a lézeres hegesztési technológia terjedéséhez. A lézeres kötéstechnikának többféle változata van. Leggyakrabban a kontúrhegesztést, a szimultánhegesztést és a kvázi-szimultánhegesztést alkalmazzák. Kontúrhegesztéskor a fókuszált lézersugarat végigvezetik a hegesztési varrat mentén, amelyben elhanyagolható mértékű levegőzárvány maradhat vissza. A kvázi-szimultánhegesztéskor a teljes hegesztendő felületet egyszerre világítják meg. Az ilyen hegesztés tömörebb, mint a kontúrhegesztés. Ezek az eljárások vonalszerű hegesztési varratot adnak, és kétdimenziós kötést hoznak létre. A Leister Process Technologies cég (Sarnen, Svájc) két új eljárást fejlesztett ki. A maszkos hegesztés a vonalszerű varratok helyett felületek tetszőleges rajzolat szerinti összehegedését, a Globo hegesztési eljárás tetszőleges méretű és alakú, háromdimenziós formák összeépítését teszi lehetővé. A cég az előbbi eljárásért 2000-ben, az utóbbiért 2004-ben elnyerte a Svájcban nagy tekintélyt élvező Svájci technológiai díj -at (Swiss Technology Award).
A maszkos hegesztéshez a pontszerűen ható lézersugár helyett függönyszerű, széles lézersugarat használnak, amellyel egy maszkon keresztül világítják meg a hegesztendő felületet. Kötés csak a maszk áttört részeinél jön létre. A maszk finom rajzolata és a lézersugár energiájának finom szabályozása révén nagyon precíz kötési varratokat lehet létrehozni, ezért ez az eljárás különösen jól alkalmazható a mikrotartományban; mikrorendszerek, elektronikai eszközök, érzékelők gyártásában. A Globo eljárás túlzás nélkül forradalminak nevezhető újdonsága abban áll, hogy feleslegessé teszi a bonyolult formájú és működésű befogószerkezetet, amelynek feladata az optimális nyomóerő kifejtése. Ezt olyan légcsapágyas üveggolyó helyettesíti, amelyen keresztül a lézersugár a hegesztendő pontra jut. A golyót végiggördítik a hegesztendő vonal mentén, nyomását és a lézersugár energiáját mindenkor az optimális értéknek megfelelően szabályozzák. Az eljárás alkalmazásának elvileg nincsenek sem méretbeli, sem formabeli korlátai. Elsősorban autóipari, orvostechnikai, élelmiszeripari felhasználásra szánják. A Leister cég újabb eljárásváltozatok kifejlesztésén dolgozik, várhatóan hamarosan bemutatja két új módszerét, a radiálhegesztést és a nagy sebességű lézeres hegesztést. A lézeres hegesztési eljárások speciális igények kielégítésére alkalmasak. Kiegészítik, de nem helyettesítik a hagyományos kötési eljárásokat. A legalkalmasabb eljárást mindig az optikai, szilárdsági követelmények és a formai, méretbeli adottságok szerint kell kiválasztani. A lézeres hegesztésnek számos előnye van: érintésmentes, pontosan adagolható a polimerekbe bevitt energia, csekély termikus és mechanikai igénybevétellel jár; a műanyagokból csak kevés bomlástermék szabadul fel, maga az eljárás rugalmas és sokféle hegesztési varrat kialakítására alkalmas. Gazdaságosabbá válásához és szélesebb körű elterjedéséhez azonban az szükséges, hogy kifejlesszenek egy átfogó, a folyamatba beépíthető, megbízható folyamat- és minőség-ellenőrző rendszert. A folyamat-ellenőrzés jelenlegi lehetőségei A lézeres hegesztés folyamat-ellenőrzésére jelenleg háromféle módszert alkalmaznak: pirométeres hőmérsékletmérés, a hegesztési út szabályozása, visszaverődési (reflexiós) diagnosztika. Az első módszer akkor alkalmazható, ha a felső hegesztendő anyag átlátszósága elég jó ahhoz, hogy a pirométer érzékelje a hegesztési zó-
na hőmérsékletét. A hőt rosszul elnyelő anyagok felületi hőmérsékletének mérése alapján vezérelhető ugyan a lézersugár teljesítménye, a hegesztési hibákat azonban ilyen módon általában nem lehet felismerni. Ha T-geometriájú vagy tompahegesztést végeznek lézeres szimultán vagy kváziszimultán eljárással, a folyamatot a hegesztési út, a nyomás vagy az erő lefutása alapján lehet ellenőrizni. Ilyenkor előkísérletekkel határozzák meg az eljárási paraméterek és a minőség közötti öszszefüggést. Az előkísérletekben a minőség-ellenőrzéshez szilárdsági vagy mikroszkópos vizsgálatokat alkalmaznak. Rendszerint mérik a hegesztési varrat tömörségét is. A hegesztési varraton belüli beégéseket ezzel a módszerrel nem lehet érzékelni. A harmadik lehetőség a hegesztési zónából visszaverődő lézersugárzás elemzése. Ha a hegesztési varrat nem folytonos, a hiányos helyekről nagyobb a visszaverődés, amely megfelelő detektorral érzékelhető. Ilyen mérésre alkalmas hegesztőberendezések a szokottnál robusztusabb felépítésűek. Kontúrhegesztéskor a varrat a hegesztési folyamaton belül ellenőrizhető; kváziszimultán hegesztéskor az ellenőrzést a munkaművelet befejezése után végzik el. Ez az eljárás nem alkalmas folyamatszabályzásra. Új eljárás az átfogó folyamatkövetésre A hannoveri Lézercentrum (Laser Zentrum Hannover, LZH) olyan eljárás kifejlesztésén dolgozik, amellyel a hegesztés folyamata alatt pirométeres hőmérsékletmérés segítségével közvetlenül láthatóvá tehető a hegesztési zóna, és esetleg a folyamat is szabályozható lesz. A mérés elve az 1. ábrán látható. A kamerával a hőre lágyuló műanyagoknak azt a tulajdonságát használják ki, hogy azok áteresztik a közeli infravörös tartományba eső hullámhosszúságú fényt, azaz ilyen körülmények között átlátszók. A hegesztési zónát megvilágítják a megfelelő hullámhosszúságú fénnyel, a kamera pedig felveszi a látott képet. A hegesztő fénysugarat kiszűrik. Jelenleg a hegesztési folyamatot leíró jelenségek katalógusának elkészítésén dolgoznak, amely egy modulszerűen felépített, valós idejű, robusztus, megfizethető és kevés karbantartást igénylő on-line folyamatellenőrző rendszer alapját képezheti. Alkalmazásával azonnal felismerhetők lesznek a hegesztési folyamat hibái és a lézersugár paramétereinek változásai, belőlük pedig következtetni lehet majd a hegesztési varrat minőségére, mindenekelőtt annak szilárdságára.
szállal vezetett lézersugár pirométer félvezető eszköz kamera folyamat-ellenőrzés/ adattárolás megvilágítás hegesztendő anyagok (átlátszó/elnyelő) átlapolás geometriája 1. ábra A lézeres hegesztés folyamat-ellenőrzésének vázlata 300 250 PA 6 GF30 (1 mm) 3,4 A szürkeségi érték 100 150 100 3,2 A 3,0 A 2,8 A 2,6 A 50 0 3 6 9 12 15 mérőpont helye a szélesség mentén 2. ábra 1 mm vastag, 30% üvegszállal erősített poliamid 6 szürkeségi értékei a hegesztési varrat szélessége mentén különböző áramerősségű lézersugárral végzett megvilágításkor
A kamera az érzékelt képet szürkeségi érték formájában adja meg. A 2. ábrán láthatók egy 30% üvegszállal erősített poliamid (PA 6) szürkeségi értékei a hegesztési varrat szélessége mentén, különböző erősségű lézermegvilágítás mellett. A 3. ábrán látható, hogy a kontrasztot erősen befolyásolja a megvilágítás és a minta vastagsága, ezért a legnagyobb adatsűrűség elérése érdekében ki kell választani az optimális mérési paramétereket. 80 70 60 50 kontraszt 40 30 20 10 1 mm 2 mm 3 mm 0 2,2-10 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 a megvilágító lézer áramerőssége 3. ábra A szürkeségi értékek különbsége (kontraszt) a megvilágítás erősségének és a minta vastagságának függvényében Bebizonyosodott, hogy a digitális képfeldolgozás révén a hegesztés alatt jól követhető a hegesztési varrat homogenitása. A kutatók a következőkben arra törekszenek, hogy csökkentsék a felületről visszaverődő lézersugárzást és optimalizálják a mérőrendszert, továbbá, hogy minél szélesebben kiegészítsék az említett katalógust a kamera által felvett képekkel jellemezhető és a folyamatot leíró jelenségek leírásával. Összeállította: Pál Károlyné Jie-Wei Chen: Prozessvielfalt mit Laserschweissen. = Kunststoffe, 95. k. 6. sz. 2005. p. 26 28. Busse, A.; Meier, O.; Haferkamp, H.: Online-Qualitätskontrollsystem für das Laserdurchstrahlschweissen von thermoplastischen Kunststoffen. = Der Praktiker, 57. k. 11. sz. 2005. p. 322 324.