織物的接合通常利用縫合來實(shí)現(xiàn)。縫合是勞動密集性的加工過程，在世界上很多地區(qū)這都是一種不經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方式。此外，縫合在織物上留下了孔，當(dāng)要求接縫具有密閉性時(shí)，則其性能明顯受到了限制，同時(shí)這些孔也影響了接縫的強(qiáng)度。在找尋自動化加工手段時(shí)，許多公司考慮利用焊接或者粘合，尤其對于一些人造織物更是如此。激光焊接為生產(chǎn)過程自動化以及接縫性能的改善提供了可能。它的主要特點(diǎn)有：高焊接率，只連接表面被加熱而織品外部質(zhì)地未受影響，單面處理使得焊接過程可在其他織物層下進(jìn)行，接縫柔韌性得到保持，使用機(jī)械手或者機(jī)架系統(tǒng)對激光器進(jìn)行控制提供了通向自動化的途徑。 最近的項(xiàng)目集中在焊接加工技術(shù)的開發(fā)以及在一些主要應(yīng)用領(lǐng)域的使用論證，這些領(lǐng)域包括了安全氣袋結(jié)構(gòu)，床上用品，醫(yī)療用品，以及保護(hù)性衣物。接縫測試表明了這些接縫與使用縫合的相應(yīng)接縫一樣牢固并且能夠符合應(yīng)用中的性能要求。參與這個(gè)新方法研究的人員熱情不減，正進(jìn)一步研究開發(fā)實(shí)現(xiàn)自動化的手段。在焊接過程中仍有一些困難，包括了織物的機(jī)械化定位以及焊接過程中彎曲表面的支撐問題。 目前，家居裝飾工業(yè)使用的是手動操作的縫紉機(jī)器以及專門的縫合機(jī)械，有些機(jī)械化程度很有限。通常使用兩種縫合方法 ：鎖縫以及包邊縫。傳統(tǒng)的鎖縫法的優(yōu)勢在于它易于產(chǎn)生強(qiáng)韌的接縫，接縫不易變形，受壓時(shí)不易斷裂。另一種方法，包邊縫法用于連接可去除/可拆卸的松散的外罩。使用這種外罩在醫(yī)護(hù)行業(yè)是很普遍的，比如，醫(yī)院，家居護(hù)理，或者護(hù)理院，因?yàn)樗鼈儽仨氁菀浊逑矗鴮M(jìn)一步控制傳染的要求也加強(qiáng)了這種需要。此外，對于織物，在醫(yī)護(hù)行業(yè)要求必須具有防水功能，加了包覆層的織物被廣泛使用，這些織物經(jīng)常是利用熱合熔接或者電介質(zhì)焊接。要將織物固定到木板或者板材家具時(shí)，通常使用縫合的方法。安全氣袋則一般會有縫合的接縫，或者使用專門的織機(jī)編織成一個(gè)整體。 不管材料是層疊還是單層的形態(tài)均可以使用激光來進(jìn)行焊接并產(chǎn)生接縫，材料形態(tài)取決于所要的外觀和設(shè)計(jì)。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(zhuǎn)化為熱能，在接點(diǎn)熔融材料，實(shí)現(xiàn)激光傳輸焊接。在原有的狀態(tài)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(diǎn)被吸收。這通過加上紅外吸收物質(zhì)即可實(shí)現(xiàn)，加入方法可通過向整個(gè)下層織物噴灑這些物質(zhì)，或者在接點(diǎn)形成薄層。傳統(tǒng)使用的寬光譜的吸收物質(zhì)，如碳黑，在接點(diǎn)上會產(chǎn)生顏色，這嚴(yán)重的限制了激光傳輸焊接在一些接點(diǎn)外觀很重要的場合的應(yīng)用。而這在連接織物時(shí)的確是個(gè)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(chǎn)生別的不必要顏色。它是由TWI研究所發(fā)明，并且由Gentex公司實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。 試驗(yàn)表明紅外吸收物質(zhì)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(fù)雜的三維支架來放置。對織物之間進(jìn)行初始定位后，并對激光操作系統(tǒng)進(jìn)行定位后，就不需要其他夾具了。在更加復(fù)雜的應(yīng)用中，仍然需要許多重要的工作來設(shè)計(jì)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(shí)候，需要對焊縫附近的織物施加壓力，加壓可以通過使用環(huán)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(huán)上的孔進(jìn)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(yè)化的Clearweld吸收劑對于在800nm到1100nm波段范圍內(nèi)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(xiàng)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。 圖1：機(jī)械手操作二極管激光器進(jìn)行焊接， 將飾物焊接到有PVC涂層的木質(zhì)床身抽屜上激光器使用機(jī)架或者機(jī)械手來操作（圖1）。在典型的機(jī)械手系統(tǒng)中，激光器被安裝到機(jī)械手上，在被復(fù)雜結(jié)構(gòu)支撐的織物表面進(jìn)行三維操作。如果使用的是直接二極管激光器，那么機(jī)械手上安置了整個(gè)激光器頭。如果使用光纖傳輸?shù)募す馄鳎敲礄C(jī)械手只安裝了激光器的光學(xué)裝置。如果只是要求二維的焊接那么使用平臺機(jī)架就可以了。將織物水平放置在焊接處，在待焊的區(qū)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(shí)現(xiàn)沿著焊接。可以預(yù)見，不久將出現(xiàn)激光焊接織物的其他可選系統(tǒng)，雖然目前這些系統(tǒng)尚未真正完成。 基于目前實(shí)際情況的調(diào)查，選擇了以下幾種織物來進(jìn)行焊接試驗(yàn)： ◆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(yī)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(fā)型長椅裝潢。 ◆木質(zhì)壓板（有聚氯乙烯和紙箔覆層）用于沙發(fā)型長椅的抽屜。 通過對超過50種織物的激光傳輸測量結(jié)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，穿透率超過10%的織物可以作為焊接中的上層。而當(dāng)激光穿透下層時(shí)，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(qiáng)度，與耐久性。此外，由于PU涂層織物將被用于防水的醫(yī)護(hù)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(jìn)行評估的。 對于較輕的紡織材料，產(chǎn)生的接縫與原材料一樣結(jié)實(shí)。安全氣囊的尼龍?jiān)街兀瑒t它的接縫強(qiáng)度越不如材料本身或者縫合接縫的強(qiáng)度。對于大部分的熱塑性塑料結(jié)構(gòu)和薄板制品，接縫強(qiáng)度是原材料強(qiáng)度的40%-100%。這使得接縫具有裝飾應(yīng)用中所要求的強(qiáng)度及抗疲勞強(qiáng)度，特別是在接縫處更不易產(chǎn)生裂縫。在裝飾行業(yè)，不易產(chǎn)生裂縫對保持產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，接縫的強(qiáng)度與接縫的微結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系，而其微結(jié)構(gòu)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(chǎn)生了一條有缺陷的區(qū)域，從而降低了強(qiáng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)。 圖2：激光焊接尼龍6,6纖維的微結(jié)構(gòu)示意圖，中間是焊接線， 上下有經(jīng)紗和緯紗形成的絞口。應(yīng)用演示 英國Knightsbridge家具制造公司（西約克郡）提供了他們產(chǎn)品系列中的一種座椅作為醫(yī)護(hù)類商品的演示品。這類座椅滿足了防水罩的市場需要，它使用的是PU涂層聚酯織物。椅子的襯墊是一個(gè)二維的封套，被從里面翻過來焊接，焊好后套在椅背上，以實(shí)現(xiàn)密封接縫。醫(yī)護(hù)行業(yè)要求形成密封的接縫來減少細(xì)菌侵入座椅內(nèi)部，從而降低細(xì)菌污染和轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)。這些椅罩的焊接很成功，外觀也不錯(cuò)。我們對座椅進(jìn)行了基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的耐用性測驗(yàn)，模擬使用一年情況，沒有出現(xiàn)重大的損壞。這些接縫也通過了流體靜壓泄漏測試。激光焊接的椅罩如圖3所示。 圖3保健座椅，椅罩由激光焊接英國Silentnight制床公司（蘭開夏）選擇了使用這種焊接技術(shù)的床墊制造實(shí)例：添加床墊標(biāo)簽，焊接棉床墊的側(cè)邊，將織物焊接在床身抽屜上，這一場合中需要把織物與木料連接在一起。 上述三個(gè)例子都成功的焊接完成并且通過了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試。沒有發(fā)現(xiàn)這些焊接有任何劣化。三個(gè)例子中都顯示出了比目前的技術(shù)更節(jié)約時(shí)間的特點(diǎn)。由于替代了織物與木材之間手工的縫合，也避免了由于縫合的重復(fù)性勞動給操作者帶來的疲勞傷害。圖4中的沙發(fā)床，展示了上述三個(gè)焊接組件。 圖4沙發(fā)床，其組件由激光焊接安全氣囊是英國INVISTA公司（格洛斯特市）生產(chǎn)的尼龍6,6纖維的重要應(yīng)用之一，INVISTA公司也是這項(xiàng)工作的合作者之一。最近在汽車安全性的開發(fā)工作促使安全氣囊被安裝在了座位邊上，以及車門的頂上（窗簾式氣囊）。這些應(yīng)用有利于防范側(cè)面的沖擊，在多次翻轉(zhuǎn)的意外中提供保護(hù)，這里要求窗簾式氣囊至少必須保持膨脹10秒，以提供有效的保護(hù)（見圖5）。這就對接縫的密封提出了額外的要求，使加工過程增加了額外了工序。激光焊接為避免密封氣體和液體的避免泄漏，提供了快速且自動化的很有潛力的技術(shù)手段。我們準(zhǔn)備了安全氣囊的演示樣品并進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，焊接密封的泄漏與壓力的比值在傳統(tǒng)的縫合式密封相應(yīng)比值的范圍內(nèi)，這說明這種技術(shù)非常有發(fā)展?jié)摿ΑＴ诎踩珰饽业纳a(chǎn)領(lǐng)域，高度自動化的焊接加工通過降低生產(chǎn)時(shí)間和所需工序，為成本降低提供了可能。 圖5窗簾式安全氣囊（圖片來源：Autoliv）預(yù)計(jì)，由于引進(jìn)激光焊接來接合織物，有望提高加工速度，生產(chǎn)效率和質(zhì)量從而提高自動化水平，提高生產(chǎn)力。這將會減少勞動密集型的縫紉和縫合工作向其它勞力成本低的區(qū)域轉(zhuǎn)移的過程，并且由于使用了先進(jìn)的制造設(shè)備，則會提供更多需要高技能的工作崗位。在鄰近商品需要的地方生產(chǎn)它們也能夠降低運(yùn)費(fèi)。這個(gè)加工過程還帶來其他好處，如可以降低重復(fù)性勞動的疲勞傷害并且可以為操作者提供一個(gè)低噪音環(huán)境。該技術(shù)具有提升生產(chǎn)力的潛力，給能夠充分利用這項(xiàng)新技術(shù)的廠商帶來了競爭優(yōu)勢。 Ian Jones 就職于英國劍橋的TWI公司先進(jìn)材料及加工部。聯(lián)系方式為ian.jones@twi.co.uk或訪問 www.twi.co.uk.