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激光焊接机 |
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激光焊接织物促进生产率的提高 |
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作者：Ian Jones |
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织物的接合通常利用缝合来实现。缝合是劳动密集性的加工过程，在世界上很多地区这都是一种不经济的生产方式。此外，缝合在织物上留下了孔，当要求接缝具有密闭性时，则其性能明显受到了限制，同时这些孔也影响了接缝的强度。在找寻自动化加工手段时，许多公司考虑利用焊接或者粘合，尤其对于一些人造织物更是如此。激光焊接为生产过程自动化以及接缝性能的改善提供了可能。它的主要特点有：高焊接率，只连接表面被加热而织品外部质地未受影响，单面处理使得焊接过程可在其他织物层下进行，接缝柔韧性得到保持，使用机械手或者机架系统对激光器进行控制提供了通向自动化的途径。
最近的项目集中在焊接加工技术的开发以及在一些主要应用领域的使用论证，这些领域包括了安全气袋结构，床上用品，医疗用品，以及保护性衣物。接缝测试表明了这些接缝与使用缝合的相应接缝一样牢固并且能够符合应用中的性能要求。参与这个新方法研究的人员热情不减，正进一步研究开发实现自动化的手段。在焊接过程中仍有一些困难，包括了织物的机械化定位以及焊接过程中弯曲表面的支撑问题。
目前，家居装饰工业使用的是手动操作的缝纫机器以及专门的缝合机械，有些机械化程度很有限。通常使用两种缝合方法 ：锁缝以及包边缝。传统的锁缝法的优势在于它易于产生强韧的接缝，接缝不易变形，受压时不易断裂。另一种方法，包边缝法用于连接可去除/可拆卸的松散的外罩。使用这种外罩在医护行业是很普遍的，比如，医院，家居护理，或者护理院，因为它们必须要容易清洗，而对进一步控制传染的要求也加强了这种需要。此外，对于织物，在医护行业要求必须具有防水功能，加了包覆层的织物被广泛使用，这些织物经常是利用热合熔接或者电介质焊接。要将织物固定到木板或者板材家具时，通常使用缝合的方法。安全气袋则一般会有缝合的接缝，或者使用专门的织机编织成一个整体。
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。
图1：机械手操作二极管激光器进行焊接，
将饰物焊接到有PVC涂层的木质床身抽屉上
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。
图2：激光焊接尼龙6,6纤维的微结构示意图，中间是焊接线，
上下有经纱和纬纱形成的绞口。
应用演示
英国Knightsbridge家具制造公司（西约克郡）提供了他们产品系列中的一种座椅作为医护类商品的演示品。这类座椅满足了防水罩的市场需要，它使用的是PU涂层聚酯织物。椅子的衬垫是一个二维的封套，被从里面翻过来焊接，焊好后套在椅背上，以实现密封接缝。医护行业要求形成密封的接缝来减少细菌侵入座椅内部，从而降低细菌污染和转移的风险。这些椅罩的焊接很成功，外观也不错。我们对座椅进行了基于工业标准的耐用性测验，模拟使用一年情况，没有出现重大的损坏。这些接缝也通过了流体静压泄漏测试。激光焊接的椅罩如图3所示。
图3保健座椅，椅罩由激光焊接
英国Silentnight制床公司（兰开夏）选择了使用这种焊接技术的床垫制造实例：添加床垫标签，焊接棉床垫的侧边，将织物焊接在床身抽屉上，这一场合中需要把织物与木料连接在一起。
上述三个例子都成功的焊接完成并且通过了工业标准测试。没有发现这些焊接有任何劣化。三个例子中都显示出了比目前的技术更节约时间的特点。由于替代了织物与木材之间手工的缝合，也避免了由于缝合的重复性劳动给操作者带来的疲劳伤害。图4中的沙发床，展示了上述三个焊接组件。
图4沙发床，其组件由激光焊接
安全气囊是英国INVISTA公司（格洛斯特市）生产的尼龙6,6纤维的重要应用之一，INVISTA公司也是这项工作的合作者之一。最近在汽车安全性的开发工作促使安全气囊被安装在了座位边上，以及车门的顶上（窗帘式气囊）。这些应用有利于防范侧面的冲击，在多次翻转的意外中提供保护，这里要求窗帘式气囊至少必须保持膨胀10秒，以提供有效的保护（见图5）。这就对接缝的密封提出了额外的要求，使加工过程增加了额外了工序。激光焊接为避免密封气体和液体的避免泄漏，提供了快速且自动化的很有潜力的技术手段。我们准备了安全气囊的演示样品并进行了测试。结果表明，焊接密封的泄漏与压力的比值在传统的缝合式密封相应比值的范围内，这说明这种技术非常有发展潜力。在安全气囊的生产领域，高度自动化的焊接加工通过降低生产时间和所需工序，为成本降低提供了可能。
图5窗帘式安全气囊（图片来源：Autoliv）
预计，由于引进激光焊接来接合织物，有望提高加工速度，生产效率和质量从而提高自动化水平，提高生产力。这将会减少劳动密集型的缝纫和缝合工作向其它劳力成本低的区域转移的过程，并且由于使用了先进的制造设备，则会提供更多需要高技能的工作岗位。在邻近商品需要的地方生产它们也能够降低运费。这个加工过程还带来其他好处，如可以降低重复性劳动的疲劳伤害并且可以为操作者提供一个低噪音环境。该技术具有提升生产力的潜力，给能够充分利用这项新技术的厂商带来了竞争优势。
Ian Jones 就职于英国剑桥的TWI公司先进材料及加工部。联系方式为ian.jones@twi.co.uk或访问 www.twi.co.uk. (end)
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(投稿)
(6/20/2005) |
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