Choix du noir de carbone pour un soudage et un assemblage laser par transmission réussis

Choix du noir de carbone pour un soudage et un assemblage laser par transmission réussis

Résumé

Le soudage laser est utilisé dans un large éventail d'applications pour assembler des thermoplastiques, car il s'agit d'une méthode de chauffage sans contact, aux cycles courts et au coût réduit. Tant pour le chauffage de surface que pour le chauffage par transmission, le noir de carbone est le colorant le plus fréquemment utilisé. Il a été constaté que les types de noir de carbone à faible agrégation et à faible distribution des particules étaient les plus efficaces pour le chauffage laser. Des essais de balayage par faisceau laser linéaire ont montré qu'une légère inclinaison de la tête laser pouvait produire un chauffage différent selon que l'on se déplace vers l'avant ou vers l'arrière. Pour l'assemblage de polymères dissemblables, il a été constaté que la texturation de surface augmentait l'aire de la zone de liaison adhésive et le degré d'ancrage mécanique, d'où des assemblages supérieurs.

Points clés à retenir

• Le type de noir de carbone compte, pas seulement le pourcentage massique. La plupart de la littérature ignore cette distinction ; l'absorption et la conversion en chaleur varient considérablement.
• Une faible agrégation et une faible distribution des particules se sont révélées les plus efficaces pour le chauffage laser.
• Le taux de charge typique est de 0,1 % à 1 % en masse, et pour l'assemblage de l'ABS, 0,1 % était le taux le plus efficace.
• Le noir de carbone n'est pas de la suie. La suie se forme lorsqu'une substance brûle de façon incomplète ; ce sont des matériaux très différents.
• Le sens de déplacement du laser modifie le résultat. Une légère inclinaison de la tête laser chauffe différemment vers l'avant et vers l'arrière.

Foire aux questions

Le type de noir de carbone importe-t-il vraiment pour le soudage laser ?

Oui, considérablement. La plupart de la littérature sur le chauffage laser ne mentionne que le pourcentage massique, mais les différents types de noir de carbone varient beaucoup et influencent à la fois l'absorption de l'énergie laser et sa conversion en chaleur. Les types à faible agrégation et à faible distribution des particules se sont révélés les plus efficaces.

Quelle quantité de noir de carbone faut-il ajouter ?

En général, 0,1 % à 1 % en masse constitue un moyen efficace d'incorporer un absorbeur laser dans l'une des pièces. Dans l'assemblage par transmission de l'ABS à des films PTFE/PET, 0,1 % en masse s'est révélé le plus efficace, car il produisait des couches plus épaisses dépassant la température de transition vitreuse, ce qui permettait à l'ABS de s'écouler et améliorait l'adhérence.

Quelle est la différence entre le noir de carbone et la suie ?

Ce sont des substances très différentes. La suie se forme lorsqu'un polymère ou une autre substance brûle de façon incomplète, et elle est généralement amorphe. Le noir de carbone est un matériau manufacturé à la structure contrôlée, et c'est ce contrôle qui rend son comportement d'absorption laser prévisible.

La texturation de surface facilite-t-elle l'assemblage laser ?

Oui. La texturation de la surface de l'ABS pour produire des nervures ou un quadrillage a donné des résultats prometteurs, car la surface texturée présente une aire plus grande et augmente l'ancrage mécanique à l'interface, ce qui est particulièrement utile pour assembler des polymères dissemblables.

Pourquoi le sens de déplacement du laser affecterait-il la qualité de la soudure ?

Des essais de balayage par faisceau laser linéaire ont montré qu'une légère inclinaison de la tête laser produit un chauffage différent en se déplaçant vers l'avant, dans le sens de traction, par rapport à un déplacement vers l'arrière. C'est une variable de configuration à vérifier lorsque la qualité de la soudure varie le long d'un joint.

Introduction

Le soudage laser des thermoplastiques peut être réalisé selon deux méthodes de chauffage : le chauffage de surface et le chauffage par transmission [1-5]. Dans les deux cas, un colorant est ajouté au polymère pour l'absorption du laser. Le noir de carbone est le colorant le plus fréquemment utilisé, mais la plupart de la littérature sur le chauffage laser des polymères ne traite pas des différents types de noir de carbone. Dans ce travail, nous passons donc en revue les différents types de noir de carbone et leurs performances d'absorption du laser. De plus, les effets de la texturation de surface et du sens de déplacement du laser sur l'assemblage sont abordés dans une étude expérimentale de l'assemblage laser de l'ABS.

Chauffage laser

Comme indiqué précédemment, le chauffage laser est possible aussi bien par chauffage de surface que par chauffage par transmission [5]. Comme le montre la figure 1, le chauffage de surface peut être obtenu en élargissant le faisceau laser et en chauffant simultanément les surfaces des deux pièces à l'aide de miroirs. Il est également possible d'utiliser un faisceau laser linéaire ou un spot laser avec un miroir de balayage pour balayer et chauffer rapidement les surfaces des pièces, comme le montre la figure 2. Dans les deux cas, un absorbeur, tel que le noir de carbone, doit être incorporé dans la pièce en plastique pour l'absorption du laser et le chauffage.

Pour le chauffage laser par transmission, l'une des pièces est transparente au laser tandis que la seconde contient un additif, tel que le noir de carbone, qui absorbe le rayonnement laser et le convertit en chaleur (figure 3). Il existe plusieurs façons d'utiliser le chauffage laser par transmission. Dans le chauffage par balayage, le faisceau laser balaye les lignes de joint, soit en déplaçant le laser, soit à l'aide de miroirs de balayage (figure 4). Pour le chauffage simultané, le faisceau laser est élargi, ou bien plusieurs sources laser sont utilisées avec des faisceaux de fibres optiques pour chauffer simultanément toute la zone de joint (figure 5). Dans le chauffage quasi simultané, un miroir de balayage à grande vitesse balaie rapidement la zone de joint, simulant un chauffage simultané à l'aide d'un seul faisceau laser de forte puissance (figure 6). Une autre option consiste à utiliser le chauffage simultané avec masquage, afin de ne chauffer que la zone de joint tout en empêchant le faisceau laser d'atteindre les autres zones (figure 7). Là encore, la pièce absorbante contient un colorant, tel que le noir de carbone, pour absorber le rayonnement laser et le convertir en chaleur.

Noir de carbone

Pour de nombreuses applications, l'ajout de faibles quantités de noir de carbone (généralement de 0,1 % à 1 % en masse) est un moyen efficace d'incorporer un absorbeur laser dans l'une des pièces en plastique. Le type de noir de carbone utilisé n'est généralement pas pris en compte : seul le pourcentage massique l'est [6]. Or les différents types de noir de carbone varient beaucoup et peuvent influencer l'absorption de l'énergie laser et sa conversion en chaleur.

Il importe d'abord de reconnaître que le noir de carbone et la suie sont des substances très différentes. La suie se forme lorsqu'un polymère ou une autre substance n'est pas complètement brûlé. La suie est généralement un carbone amorphe sous forme de poudre, dont la surface spécifique est bien inférieure à celle du noir de carbone. Le noir de carbone est produit par la combustion incomplète de produits pétroliers lourds, suivie de l'extraction des composés organiques, ce qui donne plus de 97 % de carbone élémentaire. Comme le montre le tableau 1, le noir de carbone est souvent classé selon son procédé de fabrication [7]. Les types de noir de carbone à faible agrégation et à faible distribution des particules se sont révélés les plus efficaces pour le chauffage laser.

La combinaison du type de noir de carbone et de son pourcentage massique dans le polymère influence l'absorption du laser. Pour un type de noir de carbone donné, l'utilisation de pourcentages massiques plus faibles (0,1 % ou 0,15 %) entraîne une transmission partielle dans la pièce, d'où un chauffage sous la surface. C'est avantageux lorsque des couches fondues plus épaisses sont nécessaires sans dégradation de la surface. À l'inverse, avec des pourcentages massiques élevés (0,5 % et plus), l'essentiel de l'absorption a lieu près de la surface, ce qui donne des couches fondues plus minces.

Assemblage laser de l'ABS par transmission

Des essais évaluant l'assemblage laser de l'ABS à des films PTFE/PET ont été réalisés par balayage au faisceau laser linéaire. Des plaques d'ABS ont été moulées avec différents types et taux de noir de carbone. Il a été constaté que 0,1 % en masse de noir de carbone était le plus efficace pour cette application, car il produisait des couches plus épaisses dépassant la température de transition vitreuse (Tg). Cela permettait à l'ABS de s'écouler plus facilement et améliorait l'adhérence au film PTFE/PET.

La texturation de la surface de l'ABS pour produire des nervures ou un quadrillage a donné des résultats prometteurs (figure 8). La surface texturée présentait une aire plus grande et augmentait l'ancrage mécanique à l'interface. La résistance au pelage évaluée manuellement était globalement élevée, surtout en pelant perpendiculairement aux nervures. L'inspection visuelle de ces assemblages était très prometteuse, avec de nombreuses ruptures cohésives dans le film PTFE/PET (figure 9).

Le chauffage de l'ABS a été réalisé à l'aide d'une tête à faisceau laser linéaire Leister 800 montée sur un robot Fanuc. La tête laser était légèrement inclinée dans une direction, de sorte que l'intensité diffère légèrement selon que l'on se déplace dans un sens ou dans le sens opposé, appelés sens de poussée et sens de traction, comme le montre la figure 10. Pour évaluer l'effet de l'inclinaison, un enregistreur de données à thermocouples Pico Technology USB TC-08 a servi à mesurer l'historique de température pendant le chauffage en poussée-traction.

Comme le montre la figure 11, la température dans le sens de poussée est nettement inférieure à celle dans le sens de traction. De même, la température a été mesurée en poussée-poussée (figure 12) et en traction-traction (figure 13). Dans les deux cas, la variation de température entre les passages était plus faible, et la traction-traction donnait des températures de surface légèrement plus élevées. En général, les températures mesurées étaient inférieures aux attentes, probablement parce que les thermocouples étaient gros et simplement posés sur la surface. L'utilisation de fils de thermocouple plus fins et l'enfoncement de l'extrémité dans la surface de l'ABS à l'aide d'un outil chauffé amélioreraient la précision des mesures.

Conclusion

Le chauffage laser pour le soudage et l'assemblage des thermoplastiques a été étudié afin de déterminer les effets du type et de la teneur en noir de carbone, de la texturation de surface et du sens de déplacement du laser sur la qualité de l'assemblage. Tant pour le chauffage de surface que pour le chauffage par transmission, le noir de carbone est le colorant le plus fréquemment utilisé. Il a été constaté que les types de noir de carbone à faible agrégation et à faible distribution des particules étaient les plus efficaces pour le chauffage laser. Des essais de balayage par faisceau laser linéaire sur l'ABS ont montré qu'une légère inclinaison de la tête laser pouvait produire un chauffage différent en se déplaçant vers l'avant (ou sens de traction) par rapport à un déplacement vers l'arrière (ou sens de poussée). Pour l'assemblage de polymères dissemblables, ABS et film PTFE/PET, il a été constaté que la texturation de surface augmentait l'aire de la zone de liaison adhésive et le degré d'ancrage mécanique, d'où des assemblages supérieurs.

Références et remerciements

• J. Schulz and E. Haberstroh, “Welding of Polymers Using a Diode Laser,” SPE ANTEC Proceedings, 2000.
• H. Ponte, J. Korte, “Laser Butt Welding of Semi-Crystalline Thermoplastics,” SPE ANTEC Proceedings, 1996.
• V.A. Kagan and G.P. Pinho, “Laser Transmission Welding of Semi-Crystalline Thermoplastics Part II: Analysis of Mechanical Performance of Welded Nylon,” SPE ANTEC Proceedings, 2000.
• M. Rhew, A. Mokhtarzadeh and A. Benatar, “Through Transmission Laser Welding of Polycarbonate and HighDensity Polyethylene,” SPE ANTEC Proceedings, 2003.
• D. Grewell, A. Benatar and J. Park, Editors, Plastics and Composites Welding Handbook, Hanser, 2003.
• B. Acherjee, A.S. Kuar, S. Mitra and D. Misra, “Effect of carbon black on temperature field and weld profile during laser transmission welding of polymers: A FEM study,” Optics & Laser Technology 44 (2012) 514–521.
• Orion Engineered Carbon LLC company literature.

Nous tenons à remercier Leister Corp. pour la mise à disposition du scanner à faisceau laser, Fanuc America pour celle du robot et Kimastle Corp. pour sa cellule d'automatisation.

Avraham (Avi) Benatar est professeur associé en ingénierie du soudage et directeur du Plastics and Composites Joining Laboratory. Il coordonne également le programme de master en ingénierie du soudage à distance (Welding Engineering Distance Education Master of Science) et dirige, pour la faculté, le master en leadership d'ingénierie mondiale (Master of Global Engineering Leadership) du College of Engineering. Il a obtenu les diplômes S.B., S.M. et Ph.D. en génie mécanique au Massachusetts Institute of Technology.

Scott R. Sabreen est le fondateur et président de The Sabreen Group, Inc., société d'ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : marquage laser, prétraitement de surface, collage, décoration et finition, et sécurité des produits. Il développe des technologies pionnières et résout des problèmes de fabrication depuis plus de 30 ans. Vous pouvez le joindre au 972.820.6777 ou consulter www.sabreen.com ou www.plasticslasermarking.com.

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