Tehnologie de lipire cu laser a materialelor metalice și polimerice

Tamás Markovits, Andor Bauernhuber, János Takács | 24.11.2015 11:29

Tehnologiile laser, inclusiv tehnologiile de lipire, cu calitatea și automatizarea lor ridicată și reproductibilă au fost deja dovedite în multe locuri în domeniul producției de vehicule. Astfel, ele joacă, de asemenea, un rol important în tehnologia de lipire a diferitelor materii prime rezultate din tendințele de slăbire. Noile cunoștințe prezentate în articol oferă informații despre crearea lipirii cu laser a materiilor prime metalice și polimerice, unele dintre principalele caracteristici ale legăturii formate.

1. DEZVOLTAREA MATERIILOR PRIME ȘI A TEHNOLOGIILOR

Există mai multe soluții pentru a satisface nevoia de reducere continuă a greutății în domeniul vehiculelor de mai mulți ani. Una dintre aceste soluții este utilizarea materialelor din același grup de materii prime (de exemplu, oțeluri), dar cu rezistențe mai mari, cu o grosime mai mică. Alternativ, pot fi încorporate materiale și componente cu o densitate mai mică și o greutate totală mai mică decât oțelul.

Utilizarea de materii prime mai noi nu ar fi posibilă dacă nu am aborda dezvoltarea ulterioară a tehnologiei de producție. Prin urmare, tehnologia de lipire a elementelor componente trebuie să urmeze combinații noi de materii prime.

2. ÎMBINĂRI HIBRIDE METAL-PLASTICE

Datorită asocierii metalului și polimerului, tehnologiile tradiționale de lipire, precum înșurubarea, nituirea și lipirea, sunt deja utilizate în mai multe locuri. Cu toate acestea, există câteva metode mai noi care permit combinarea celor două materiale în moduri diferite. O astfel de metodă este turnarea prin inserție, în care plasticul este turnat prin injecție pe o piesă metalică plasată într-o matriță de injecție, astfel încât combinația proprietăților favorabile ale celor două materiale poate fi bine utilizată pentru a produce o structură hibridă. Un exemplu specific de aplicație este panoul frontal, unde partea goală a piesei din oțel trasă adânc este turnată prin injecție cu nervuri din plastic pentru a asigura rigiditatea așteptată la o greutate mai mică [3].

O altă metodă de legare hibridă este îmbinarea gulerului, în care un guler este format la gaura dintr-o foaie de oțel de plastic care se formează în jurul găurii perpendiculare pe planul foii și acest guler este presat într-o piesă de foaie de plastic într-o fază ulterioară. Acest lucru creează o legătură de formă între cele două materiale, ceea ce înseamnă o legătură mai puternică în ceea ce privește forfecarea [4].

Astfel, se poate vedea că există mai multe soluții diferite care pot fi utilizate pentru a împerechea materiale metalice și polimerice. Printre procesele de ultimă generație, ne concentrăm pe tehnologiile cu raze laser, care și-au dovedit deja capacitatea de a rezolva soluții de înaltă calitate la noile provocări tehnice în multe cazuri.

3. PROCEDURI DE BAZĂ LASERĂ ÎN FABRICAȚIA VEHICULULUI

Odată cu dezvoltarea tehnologiilor de fabricație, tehnologiile cu fascicul laser sunt utilizate din ce în ce mai mult în tot mai multe domenii. Folosind automatizarea bună, controlul calității și productivitatea tehnologiilor laser, le putem găsi în mai multe locuri în fabricarea vehiculelor. Tehnologiile cu laser pot fi utilizate foarte larg datorită faptului că fasciculul de lumină extras din sursa fasciculului laser poate fi utilizat pentru întărire, topire, sudare, tăiere și găurire de la recușirea temperaturii inferioare la capul de prelucrare corespunzător, concentrându-se pe un punct laser lângă suprafață.
Interacțiunea rezultată este în mare parte influențată de densitatea de putere și timpul de expunere pe suprafața piesei de prelucrat. Ambele caracteristici pot varia în cadrul fiecărui ordin de mărime pentru fiecare tip de proces.

4. LEGĂTURA LASERULUI TRANSPARENT-ABSORBENT

5. LEGARE HIBRIDĂ LASERĂ

Lipirea hibridă a metalelor și a materiilor prime polimerice deschide noi posibilități în domeniul tehnologiilor de lipire. Legătura metal-polimer cu fascicul laser folosind principiul sudării cu plastic permeabil la laser este, de asemenea, menționată în literatură sub denumirea de LAMP (îmbinarea cu plastic asistat cu laser) [3].

Lipirea necesită practic o pereche de plastic permeabil la laser, adică transparent, din plastic și un element metalic, care sunt strânse împreună. Materialul transparent este predominant permeabil la fascicul, în timp ce metalul absorbant absoarbe și generează căldură în interiorul acestuia. La suprafața de contact a celor două materiale, plasticul absoarbe o parte din căldura metalului încălzit de fasciculul laser, îl încălzește, apoi îl topește și umple structura de rugozitate și microcavitățile de pe suprafața metalului sub presiune. Îmbinarea rezultată este „invizibilă” deoarece suprafața exterioară a elementelor conectate nu este deteriorată și poate fi încărcată după răcire.

Tipul de legătură LAMP descris poate fi realizat și cu geometrie punctuală. În acest caz, un știft metalic este conectat la o placă de plastic, așa cum s-a arătat deja: un fascicul laser care trece prin plastic încălzește știftul și transferă o parte din căldura știftului pe placă. Placa se topește și știftul este presat în placă de presiunea aplicată, adică legătura este o legătură de penetrare. Împărțirea legăturilor LAMP în conformitate cu aspectele menționate mai sus este ilustrată în Figura 1.

Figura 1. Divizarea procedurilor de legare LAMP

Echipa de cercetare a început să studieze fenomenul în domeniul geometriei legăturii pin-plăci pentru a promova o înțelegere mai bună și mai profundă, deoarece procesul de formare a legăturilor și factorii și efectele acestora care influențează caracteristicile legăturii nu au fost suficient clarificate până acum .

Scopul cercetării este de a determina principalii factori care influențează formarea și proprietățile legăturii cu geometria aleasă și efectele acestora.

Crearea legăturii

În această etapă a cercetării, pe baza experimentelor preliminare, materialul polimeric PMMA cu proprietăți favorabile de transmisie a fost selectat sub forma unei foi extrudate de 2 mm. Un știft general din oțel structural (S235JR) cu un diametru de 5 mm a fost utilizat pentru legarea pe partea metalică absorbantă. O schemă a configurației experimentale este prezentată în Figura 2.

Figura 2. Configurare experimentală pentru crearea unei legături hibride laser

În timpul introducerii în dispozitiv, elementele implicate în lipire au fost comprimate de o forță de arc, care joacă un rol major în încălzirea plăcii de plastic, deoarece laserul încălzește oțelul prin placa de polimer, în principal prin suprafața superioară a pin. În plus față de contactul continuu, știftul încălzit încălzește și plasticul și apasă pe măsură ce se înmoaie. Prima parte a formării legăturii este prezentată în Figura 3a.

În timpul indentării știftului, plasticul înmuiat (1) iese de-a lungul suprafețelor circumferențiale ale știftului în direcția opusă direcției de indentare (2, 3), care apare sub forma unei bavuri în jurul știftului.
După oprirea fasciculului laser, bavul se solidifică prin reducerea dimensiunii sale prin retragere (3, 4) și înconjurarea știftului într-o manieră inelară. (Figura 3 b).

Figura 3. Procesul de formare a legăturii, (a) în timpul încălzirii, (b) în timpul răcirii

Structura legăturii

Legătura creată este prezentată în vedere de sus și în secțiune transversală în Figura 4. În fotografia de sus, se poate observa că deasupra suprafeței frontale a știftului metalic s-au format bule mici, distribuite uniform, care, conform unor literaturi, sunt necesare pentru a obține o rezistență adecvată a legăturii [8]. Formarea bulei poate fi explicată prin procesul local de degradare a polimerului. În secțiunea transversală, se poate observa că știftul s-a scufundat în placa PMMA cu grosimea de 2 mm la o adâncime de câteva zecimi de mm. Lângă partea de intrare, se poate observa bavul rezultat. Geometria suprafeței superioare a plasticului nu s-a modificat pe partea de intrare a laserului. Indentarea din partea opusă nu provoacă deformări. (Din cauza condițiilor de lumină post-clismă, plasticul PMMA apare de culoare închisă.)

4. Structura tipică a articulației, (a) vedere de sus, (b) secțiune transversală

Rezultatele prezentate în articol arată în continuare efectul unor factori de influență deja examinați, care sunt puterea medie a laserului Nd: YAG pulsat aplicat, timpul de încălzire, magnitudinea forței de compresie și rugozitatea suprafeței pinului metalic . Caracteristicile emergente ale îmbinărilor au fost adâncimea de indentare, rezistența maximă la tracțiune și gradul de formare a bulei, dintre care unele dintre rezultatele tipice sunt descrise mai jos.

Efectul timpului de încălzire și al forței de strângere

Efectul timpului de încălzire și al forței de strângere asupra forței de tracțiune poate fi văzut în Figura 5. Deși indentarea a fost diferită pentru timpii de încălzire mai scurți de 3, 4 s, nu a existat nicio diferență în rezistența la tracțiune. La timpii de încălzire de 5, 6 s, forța de strângere asigură o forță de tracțiune în creștere, care se datorează faptului că știftul s-a scufundat mai adânc, iar cantitatea de bule datorată supraîncălzirii doar la suprafața frontală a scăzut datorită forță de compresie mai mare. Astfel, continuitatea materială s-a îmbunătățit și ea.

5. Efectul timpului de încălzire și al forței de strângere asupra forței maxime de întindere

Efectul micro geometriei unui știft metalic

Dintre factorii de influență, efectul rugozității suprafeței pinului metalic este prezentat mai jos. Suprafețele frunții și mantalei știfturilor au fost întoarse. Folosind același instrument pentru test, am schimbat diferite rugozități ale suprafeței pe toate suprafețele implicate în lipire prin schimbarea tehnologiei de strunjire. Valorile medii de rugozitate au variat de la 1 la 10 micrometri.

Efectul rugozității medii a suprafeței asupra forței maxime de întindere poate fi observat în Figura 6. Conform aceleiași tendințe ca și indentarea, crește și forța maximă, a cărei valoare medie crește de la 200 N la 400 N în intervalul de rugozitate studiat.

6. Efectul rugozității medii a suprafeței asupra rezistenței maxime la tracțiune

În ceea ce privește forța de legare, se poate afirma că, prin creșterea puterii laserului și a timpului de acțiune, indentarea și forța de legare cresc, iar la o anumită putere și timp de acțiune, forța de legare poate fi crescută în continuare în cazul metalului știfturi cu forță de strângere mai mare și suprafață mai aspră.

Efectul macrogeometriei pinilor metalici

În legătură, prin schimbarea macrogeometriei știftului metalic, rezistența știftului la extragere poate fi mărită, astfel încât forța de legare să poată fi mărită. Pentru a face acest lucru, au fost realizate diferite geometrii ale pinilor, dintre care patru sunt prezentate în Figura 7 (geometrie și structură de legătură). În fiecare caz, geometriile spălate au fost create prin rotirea pornind de la știftul cu diametrul de 5 mm. (A: cilindric, B conic, C: filet M5, D: geometrii cu flanșă).

În timpul lipirii, știfturile au fost scufundate la o adâncime de 3 mm într-o placă PMMA cu grosimea de 5 mm folosind încălzirea cu fascicul laser în momente diferite. Valorile rezistenței la tracțiune ale îmbinărilor sunt prezentate în Figura 8. Se poate observa că odată cu creșterea formei de închidere, forța de legare crește și de la 400 N la aproape 900 N, care, totuși, poate fi mărită în continuare.

Figura 8. Dezvoltarea forței de legare în funcție de macrogeometrie pentru placa PMMA de 5 mm grosime

În cazul filetării M5, știftul metalic poate fi deșurubat după lipire, în timp ce profilul filetului rămâne în placa de plastic. Aceasta creează o legătură solubilă aici.

6. COMPARAREA LEGĂRII LA HIBRID LASER CU ALTE PROCEDURI

Cu lipire
Pentru a plasa mai bine noua tehnologie LAMP printre tehnologiile deja utilizate, lipirea a fost, de asemenea, comparată cu lipirea. Adezivii utilizați au umezit bine plasticul și metalul, cu toate acestea, rezistența îmbinărilor lipite în cazul nostru este egală sau mai slabă decât cea a legăturii laser. Secțiunea transversală a legăturii lipite și a legăturii laser la aceeași adâncime de zăvor (0,9 mm) prezentată în Figura 9. Grosimea plăcii PMMA în acest caz a fost de 2 mm.

Figura 9. Vedere în secțiune transversală a lipirii și a legăturii laser

Un exemplu al rezultatelor obținute în timpul ruperii poate fi văzut în Figura 10 pentru 2 tipuri de adeziv (A, B) și lipire cu laser. Pe baza valorilor, se poate spune că procesul laser poate fi competitiv din punct de vedere al rezistenței, spre deosebire de adezivii utilizați și legătura realizată cu geometria dată.

Figura 10. Dezvoltarea rezistenței la tracțiune a legăturii hibride lipite și laser pe o placă PMMA cu grosimea de 2 mm

Un avantaj suplimentar al lipirii laser-metal polimer față de lipire este că nu există costuri materiale suplimentare, nu există probleme de manipulare a materialelor (depozitare, livrare la fața locului, perioade de garanție, eliminarea materialelor neutilizate, probleme de calitate ale furnizorilor etc.), nu există uscare timp sau alte operațiuni suplimentare legate de lipire și nu există utilizarea substanțelor nocive pentru mediu.

Cu șuruburi

Pe lângă cercetarea fenomenelor de bază, am dori să prezentăm, de exemplu, avantajele sale față de înșurubare printr-un exemplu mai aproape de implementarea practică.

Figura 11 prezintă o piesă asemănătoare capacului. Imaginea din stânga arată o conexiune cu șurub, în timp ce cea dreaptă are un știft metalic laser și o conexiune cu placă de plastic.

Figura 11. Exemplu de aplicare pentru (a) șurub convențional și (b) lipire hibridă cu laser

Avantajul său față de înșurubare este că nu este necesară găurirea prin discul din plastic, astfel încât operațiunile de pregătire a îmbinării să poată fi omise și, dacă este important, problemele de etanșare sunt eliminate. Nu sunt necesare elemente de fixare și nici nu sunt manipulate sau instalate. În cazul lipirii cu laser, știftul de fixat nu iese din suprafață, oferind mai puțin spațiu, iar legătura rămâne invizibilă și ascunsă din această direcție. Lipsa unui element de fixare și aplicabilitatea știftului mai scurt reduc greutatea materialelor utilizate.

7. REZUMAT: O NOUĂ POSIBILITATE ÎN TEHNOLOGIA DE LEGARE HIBRIDĂ

Ca rezultat al cercetării, se poate concluziona că legăturile metal-polimer cu fascicul laser pot fi formate în geometria plăcii-pin. Acum este cunoscut procesul de formare a legăturilor formate. Tehnologia devine din ce în ce mai ușor de gestionat.

Puterea legăturii poate fi mărită pe baza acestor cunoștințe. Pe baza ultimelor rezultate ale cercetării, prin legarea altor parametri, forța de legare poate fi de până la 900 N, care poate fi crescută în continuare.

Legătura creată poate fi o alternativă la tehnicile tradiționale de legare, cum ar fi nituirea, înșurubarea sau lipirea.

În general, prin urmare, se dezvoltă o tehnologie de legătură alternativă care nu numai că poate concura cu cele existente în anumite domenii, ci și deschide noi posibilități în proiectarea structurilor de legătură.

Mulțumiri
Autorii mulțumesc Programelor Naționale de Finanțare a Cercetării Științifice (OTKA) pentru sprijinul lor financiar (OTKA 109436) și Henkel Magyarország Kft. Și Rhodium Kft. Pentru susținerea experimentelor.

[1]. G.bLiedl, R. Bielak, J. Ivanova, N. Enzinger, G.Figner, J. Bruckner, H. Pasic, M. Pudar, S. Hampel: Alăturarea
Aluminiu și oțel în fabricarea caroseriei auto, LiM 2011, Physics Procedia 12 (2011) 150–156.

[2] Liqun Li, Caiwang Tan, Yanbin Chen, Wei Guo, Changxing Mei: sudare cu laser CO2 - caracteristici de lipire a metalelor diferite AZ31B Mg aliaj la oțel dublu fazat acoperit cu Zn cu umplutură pe bază de Mg, Journal of Materials Processing Technology 213 (2013) 361–375

[3] R. Stewart: Știri binevenite din industria automobilelor pentru FRP, Reinforced Plastics, volumul 55, numărul 1, ianuarie - februarie 2011, paginile 38-44

[4] Robert D. Leaversuch: „Metoda de îmbinare a colierului” produce hibrizi plastic-metal, tehnologia materialelor plastice, octombrie 2002

[5] F. Moller, C. Thomy, F. Vollertsen, P. Schiebel, C. Hoffmeister, A. S. Herrmann: Metodă nouă pentru aderarea CFRP la
aluminiu, LANE 2010, Physics Procedia 5 (2010) 37–45.

[6] Y. Kawahito, K. Nishimoto, S. Katayama: LAMP Unirea între ceramică și plastic, LiM 2011, Physics Procedia 12
(2011) 174–178.

[7] J. Hotkamp, A. Roesner, A. Gillenr: Progrese în îmbinarea cu laser hibrid, Int. J. Manuf. Tehnologie. 2010.

[8] S. Katayama, Y. Kawahito: Îmbinarea directă cu laser a metalului și a plasticului, Scripta Materialia 59 (2008) 1247-1250.

[9] A. Roesner, S. Scheik, A. Olowinsky, A. Gillner, U. Reisgen, M. Schleser: Îmbinarea asistată cu laser a metalelor din plastic
Hibrizi, fizică Procedia 12 (2011) 373-380.