織物的接合通常利用縫合來實現。縫合是勞動密集性的加工過程，在世界上很多地區這都是一種不經濟的生產方式。此外，縫合在織物上留下了孔，當要求接縫具有密閉性時，則其性能明顯受到了限制，同時這些孔也影響了接縫的強度。在找尋自動化加工手段時，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。它的主要特點有：高焊接率，只連接表面被加熱而織品外部質地未受影響，單面處理使得焊接過程可在其他織物層下進行，接縫柔韌性得到保持，使用機械手或者機架系統對激光器進行控制提供了通向自動化的途徑。 最近的項目集中在焊接加工技術的開發以及在一些主要應用領域的使用論證，這些領域包括了安全氣袋結構，床上用品，醫療用品，以及保護性衣物。接縫測試表明了這些接縫與使用縫合的相應接縫一樣牢固并且能夠符合應用中的性能要求。參與這個新方法研究的人員熱情不減，正進一步研究開發實現自動化的手段。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，家居裝飾工業使用的是手動操作的縫紉機器以及專門的縫合機械，有些機械化程度很有限。通常使用兩種縫合方法 ：鎖縫以及包邊縫。傳統的鎖縫法的優勢在于它易于產生強韌的接縫，接縫不易變形，受壓時不易斷裂。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。使用這種外罩在醫護行業是很普遍的，比如，醫院，家居護理，或者護理院，因為它們必須要容易清洗，而對進一步控制傳染的要求也加強了這種需要。此外，對于織物，在醫護行業要求必須具有防水功能，加了包覆層的織物被廣泛使用，這些織物經常是利用熱合熔接或者電介質焊接。要將織物固定到木板或者板材家具時，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編織成一個整體。 不管材料是層疊還是單層的形態均可以使用激光來進行焊接并產生接縫，材料形態取決于所要的外觀和設計。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化為熱能，在接點熔融材料，實現激光傳輸焊接。在原有的狀態下，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被吸收。這通過加上紅外吸收物質即可實現，加入方法可通過向整個下層織物噴灑這些物質，或者在接點形成薄層。傳統使用的寬光譜的吸收物質，如碳黑，在接點上會產生顏色，這嚴重的限制了激光傳輸焊接在一些接點外觀很重要的場合的應用。而這在連接織物時的確是個問題。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生別的不必要顏色。它是由TWI研究所發明，并且由Gentex公司實現商業化。 試驗表明紅外吸收物質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，或者通過復雜的三維支架來放置。對織物之間進行初始定位后，并對激光操作系統進行定位后，就不需要其他夾具了。在更加復雜的應用中，仍然需要許多重要的工作來設計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。 焊接的時候，需要對焊縫附近的織物施加壓力，加壓可以通過使用環形夾具，而夾具需避免壓住織物上覆蓋的透明薄膜。激光穿過環上的孔進行焊接。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。商業化的Clearweld吸收劑對于在800nm到1100nm波段范圍內的焊接很有效。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：機械手操作二極管激光器進行焊接， 將飾物焊接到有PVC涂層的木質床身抽屜上激光器使用機架或者機械手來操作（圖1）。在典型的機械手系統中，激光器被安裝到機械手上，在被復雜結構支撐的織物表面進行三維操作。如果使用的是直接二極管激光器，那么機械手上安置了整個激光器頭。如果使用光纖傳輸的激光器，那么機械手只安裝了激光器的光學裝置。如果只是要求二維的焊接那么使用平臺機架就可以了。將織物水平放置在焊接處，在待焊的區域覆蓋一張薄膜，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現沿著焊接。可以預見，不久將出現激光焊接織物的其他可選系統，雖然目前這些系統尚未真正完成。 基于目前實際情況的調查，選擇了以下幾種織物來進行焊接試驗： ◆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，用于沙發型長椅裝潢。 ◆木質壓板（有聚氯乙烯和紙箔覆層）用于沙發型長椅的抽屜。 通過對超過50種織物的激光傳輸測量結果表明，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。實驗發現，穿透率超過10%的織物可以作為焊接中的上層。而當激光穿透下層時，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，強度，與耐久性。此外，由于PU涂層織物將被用于防水的醫護座椅，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行評估的。 對于較輕的紡織材料，產生的接縫與原材料一樣結實。安全氣囊的尼龍越重，則它的接縫強度越不如材料本身或者縫合接縫的強度。對于大部分的熱塑性塑料結構和薄板制品，接縫強度是原材料強度的40%-100%。這使得接縫具有裝飾應用中所要求的強度及抗疲勞強度，特別是在接縫處更不易產生裂縫。在裝飾行業，不易產生裂縫對保持產品外觀很重要，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。 我們發現，接縫的強度與接縫的微結構緊密聯系，而其微結構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，在接縫邊上產生了一條有缺陷的區域，從而降低了強度。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構。 圖2：激光焊接尼龍6,6纖維的微結構示意圖，中間是焊接線， 上下有經紗和緯紗形成的絞口。應用演示 英國Knightsbridge家具制造公司（西約克郡）提供了他們產品系列中的一種座椅作為醫護類商品的演示品。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。椅子的襯墊是一個二維的封套，被從里面翻過來焊接，焊好后套在椅背上，以實現密封接縫。醫護行業要求形成密封的接縫來減少細菌侵入座椅內部，從而降低細菌污染和轉移的風險。這些椅罩的焊接很成功，外觀也不錯。我們對座椅進行了基于工業標準的耐用性測驗，模擬使用一年情況，沒有出現重大的損壞。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的床墊制造實例：添加床墊標簽，焊接棉床墊的側邊，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。 上述三個例子都成功的焊接完成并且通過了工業標準測試。沒有發現這些焊接有任何劣化。三個例子中都顯示出了比目前的技術更節約時間的特點。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性勞動給操作者帶來的疲勞傷害。圖4中的沙發床，展示了上述三個焊接組件。 圖4沙發床，其組件由激光焊接安全氣囊是英國INVISTA公司（格洛斯特市）生產的尼龍6,6纖維的重要應用之一，INVISTA公司也是這項工作的合作者之一。最近在汽車安全性的開發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）。這些應用有利于防范側面的沖擊，在多次翻轉的意外中提供保護，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（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手段。我們準備了安全氣囊的演示樣品并進行了測試。結果表明，焊接密封的泄漏與壓力的比值在傳統的縫合式密封相應比值的范圍內，這說明這種技術非常有發展潛力。在安全氣囊的生產領域，高度自動化的焊接加工通過降低生產時間和所需工序，為成本降低提供了可能。 圖5窗簾式安全氣囊（圖片來源：Autoliv）預計，由于引進激光焊接來接合織物，有望提高加工速度，生產效率和質量從而提高自動化水平，提高生產力。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域轉移的過程，并且由于使用了先進的制造設備，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它們也能夠降低運費。這個加工過程還帶來其他好處，如可以降低重復性勞動的疲勞傷害并且可以為操作者提供一個低噪音環境。該技術具有提升生產力的潛力，給能夠充分利用這項新技術的廠商帶來了競爭優勢。 Ian Jones 就職于英國劍橋的TWI公司先進材料及加工部。聯系方式為ian.jones@twi.co.uk或訪問 www.twi.co.uk.