Lựa chọn carbon black để hàn và ghép nối laser truyền qua thành công

Lựa chọn carbon black để hàn và ghép nối laser truyền qua thành công

Tóm tắt

Hàn laser được dùng trong nhiều ứng dụng để ghép nối nhựa nhiệt dẻo vì là phương pháp gia nhiệt không tiếp xúc, có thời gian chu kỳ ngắn và chi phí thấp hơn. Với cả gia nhiệt bề mặt lẫn gia nhiệt truyền qua, carbon black là chất tạo màu được dùng thường xuyên nhất. Nghiên cứu cho thấy các loại carbon black có mức kết tụ hạt và độ phân bố thấp là hiệu quả nhất cho gia nhiệt bằng laser. Các thí nghiệm quét chùm laser dạng đường cho thấy chỉ cần nghiêng nhẹ đầu laser cũng có thể tạo ra mức gia nhiệt khác nhau khi di chuyển tiến so với lùi. Với việc ghép nối các polymer khác loại, kết quả cho thấy tạo vân bề mặt làm tăng diện tích mối dán bám dính và mức độ khóa liên kết cơ học, cho mối ghép vượt trội.

Những điểm chính cần nhớ

• Loại carbon black quan trọng, không chỉ phần trăm khối lượng. Hầu hết tài liệu bỏ qua sự khác biệt này; khả năng hấp thụ và chuyển đổi thành nhiệt thay đổi rất nhiều.
• Mức kết tụ hạt và độ phân bố thấp được chứng minh là hiệu quả nhất cho gia nhiệt bằng laser.
• Hàm lượng điển hình là 0,1% đến 1% theo khối lượng, và khi ghép ABS, 0,1% là mức hiệu quả nhất.
• Carbon black không phải là muội than. Muội than hình thành khi một chất cháy không hoàn toàn; đây là hai vật liệu rất khác nhau.
• Hướng di chuyển của laser làm thay đổi kết quả. Đầu laser nghiêng nhẹ sẽ gia nhiệt khác nhau khi tiến so với lùi.

Câu hỏi thường gặp

Loại carbon black có thực sự quan trọng đối với hàn laser không?

Có, rất quan trọng. Hầu hết tài liệu về gia nhiệt bằng laser chỉ đề cập phần trăm khối lượng, nhưng các loại carbon black khác nhau rất nhiều và ảnh hưởng đến cả khả năng hấp thụ năng lượng laser lẫn việc chuyển đổi năng lượng đó thành nhiệt. Các loại có mức kết tụ hạt và độ phân bố thấp được xác định là hiệu quả nhất.

Nên thêm bao nhiêu carbon black?

Thông thường 0,1% đến 1% theo khối lượng là cách hiệu quả để đưa chất hấp thụ laser vào một trong các chi tiết. Khi ghép laser truyền qua ABS với màng PTFE/PET, 0,1% theo khối lượng là hiệu quả nhất vì tạo ra các lớp dày hơn vượt quá nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh, giúp ABS chảy và cải thiện độ bám dính.

Carbon black và muội than khác nhau như thế nào?

Đây là hai chất rất khác nhau. Muội than hình thành khi polymer hoặc chất khác cháy không hoàn toàn và nhìn chung là vô định hình. Carbon black là vật liệu được sản xuất với cấu trúc có kiểm soát, và chính sự kiểm soát đó giúp hành vi hấp thụ laser của nó có thể dự đoán được.

Tạo vân bề mặt có giúp ghép nối bằng laser không?

Có. Tạo vân trên bề mặt ABS để tạo các gờ hoặc đường kẻ ô cho kết quả đầy hứa hẹn, vì bề mặt có vân có diện tích lớn hơn và tăng khóa liên kết cơ học tại giao diện – đặc biệt hữu ích khi ghép các polymer khác loại.

Vì sao hướng di chuyển của laser lại ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn?

Các thí nghiệm quét chùm laser dạng đường cho thấy đầu laser nghiêng nhẹ tạo ra mức gia nhiệt khác nhau khi di chuyển tiến (hướng kéo) so với lùi. Đây là biến số thiết lập đáng kiểm tra khi chất lượng mối hàn thay đổi dọc theo mối ghép.

Giới thiệu

Hàn laser nhựa nhiệt dẻo có thể thực hiện bằng hai phương pháp gia nhiệt khác nhau: gia nhiệt bề mặt và gia nhiệt truyền qua [1-5]. Với cả gia nhiệt bề mặt lẫn gia nhiệt truyền qua, một chất tạo màu được thêm vào polymer để hấp thụ laser. Carbon black là chất tạo màu được dùng thường xuyên nhất, nhưng hầu hết tài liệu về gia nhiệt polymer bằng laser không thảo luận về các loại carbon black khác nhau. Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ xem xét các loại carbon black khác nhau và hiệu suất hấp thụ laser của chúng. Ngoài ra, ảnh hưởng của việc tạo vân bề mặt và hướng di chuyển của laser đối với mối ghép cũng sẽ được thảo luận trong một nghiên cứu thực nghiệm về ghép laser ABS.

Gia nhiệt bằng laser

Như đã đề cập, gia nhiệt bằng laser có thể thực hiện bằng cả gia nhiệt bề mặt lẫn gia nhiệt truyền qua [5]. Như minh họa ở Hình 1, gia nhiệt bề mặt có thể thực hiện bằng cách mở rộng chùm laser và đồng thời gia nhiệt bề mặt của cả hai chi tiết bằng gương. Cũng có thể dùng chùm laser dạng đường hoặc điểm laser cùng gương quét để quét nhanh và gia nhiệt bề mặt các chi tiết, như minh họa ở Hình 2. Trong cả hai trường hợp, cần đưa chất hấp thụ, chẳng hạn carbon black, vào chi tiết nhựa để hấp thụ laser và gia nhiệt.

Với gia nhiệt laser truyền qua, một chi tiết trong suốt đối với laser trong khi chi tiết thứ hai có phụ gia, chẳng hạn carbon black, để hấp thụ bức xạ laser và chuyển thành nhiệt (Hình 3). Có nhiều cách sử dụng gia nhiệt laser truyền qua. Trong gia nhiệt quét, chùm laser quét dọc đường mối ghép bằng cách di chuyển laser hoặc dùng gương quét (Hình 4). Với gia nhiệt đồng thời, chùm laser được mở rộng hoặc nhiều nguồn laser được dùng kết hợp với bó sợi quang để gia nhiệt đồng thời toàn bộ vùng mối ghép (Hình 5). Trong gia nhiệt gần đồng thời, một gương quét tốc độ cao được dùng để quét nhanh vùng mối ghép, mô phỏng gia nhiệt đồng thời bằng một chùm laser công suất cao duy nhất (Hình 6). Một lựa chọn khác là gia nhiệt đồng thời có che chắn để chỉ gia nhiệt vùng mối ghép và chặn chùm laser không tới các vùng khác (Hình 7). Ở đây cũng vậy, chi tiết hấp thụ chứa chất tạo màu, chẳng hạn carbon black, để hấp thụ và chuyển bức xạ laser thành nhiệt.

Carbon black

Trong nhiều ứng dụng, thêm một lượng nhỏ carbon black (thường từ 0,1 phần trăm đến 1 phần trăm theo khối lượng) là cách hiệu quả để đưa chất hấp thụ laser vào một trong các chi tiết nhựa. Thông thường, loại carbon black được sử dụng không được xem xét – chỉ xét phần trăm khối lượng [6]. Tuy nhiên, các loại carbon black khác nhau rất nhiều, và chúng có thể ảnh hưởng đến việc hấp thụ và chuyển đổi năng lượng laser thành nhiệt.

Trước hết, cần nhận biết rằng carbon black và muội than là hai chất rất khác nhau. Muội than hình thành khi polymer hoặc chất khác không được đốt cháy hoàn toàn. Muội than nhìn chung là carbon vô định hình dạng bột với diện tích bề mặt thấp hơn nhiều so với carbon black. Carbon black được sản xuất từ quá trình đốt không hoàn toàn các sản phẩm dầu mỏ nặng, sau đó chiết tách các hợp chất hữu cơ, cho hàm lượng carbon nguyên tố trên 97 phần trăm. Như thể hiện ở Bảng 1, carbon black thường được phân loại dựa trên quy trình sản xuất [7]. Các loại carbon black có mức kết tụ hạt và độ phân bố thấp là hiệu quả nhất cho gia nhiệt bằng laser.

Sự kết hợp giữa loại carbon black và phần trăm khối lượng carbon black trong polymer sẽ ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ laser. Với một loại carbon black nhất định, dùng phần trăm khối lượng thấp hơn (0,1 phần trăm hoặc 0,15 phần trăm) sẽ cho một phần laser xuyên vào chi tiết, tạo ra gia nhiệt dưới bề mặt. Điều này có lợi khi cần lớp nóng chảy dày hơn mà không làm suy giảm bề mặt. Ngược lại, khi dùng phần trăm khối lượng cao (0,5 phần trăm trở lên), phần lớn sự hấp thụ diễn ra gần bề mặt, tạo ra lớp nóng chảy mỏng hơn.

Ghép laser truyền qua đối với ABS

Các thí nghiệm đánh giá việc ghép laser ABS với màng PTFE/PET được thực hiện bằng cách quét chùm laser dạng đường. Các tấm ABS được ép phun với nhiều loại và hàm lượng carbon black khác nhau. Kết quả cho thấy dùng 0,1 phần trăm khối lượng carbon black là hiệu quả nhất cho ứng dụng này vì tạo ra các lớp dày hơn vượt quá nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg). Điều này giúp ABS chảy dễ hơn và cải thiện độ bám dính với màng PTFE/PET.

Tạo vân trên bề mặt ABS để tạo các gờ hoặc đường kẻ ô cho kết quả đầy hứa hẹn (Hình 8). Bề mặt có vân có diện tích lớn hơn và làm tăng khóa liên kết cơ học tại giao diện. Cảm nhận khi bóc thủ công cho thấy độ bền bóc nhìn chung cao, đặc biệt khi bóc vuông góc với các gờ. Kiểm tra bằng mắt các mối ghép này rất khả quan, cho thấy hiện tượng lỗi nội kết ở mức độ lớn trong màng PTFE/PET (Hình 9).

Việc gia nhiệt ABS được thực hiện bằng đầu chùm laser dạng đường Leister 800 gắn trên robot Fanuc. Đầu laser được nghiêng nhẹ theo một hướng để cường độ hơi khác nhau khi di chuyển theo một hướng so với hướng ngược lại, gọi là hướng đẩy và hướng kéo, như minh họa ở Hình 10. Để đánh giá ảnh hưởng của độ nghiêng, thiết bị ghi dữ liệu cặp nhiệt điện USB TC-08 của Pico Technology được dùng để đo lịch sử nhiệt độ trong quá trình gia nhiệt đẩy-kéo.

Như minh họa ở Hình 11, nhiệt độ ở hướng đẩy thấp hơn đáng kể so với hướng kéo. Tương tự, nhiệt độ cũng được đo ở chế độ đẩy-đẩy (Hình 12) và kéo-kéo (Hình 13). Trong cả hai trường hợp, chênh lệch nhiệt độ giữa các lượt nhỏ hơn, và kéo-kéo cho nhiệt độ bề mặt cao hơn một chút. Nhìn chung, nhiệt độ đo được thấp hơn dự kiến, có thể do các cặp nhiệt điện lớn và chỉ được đặt lên trên bề mặt. Dùng dây cặp nhiệt điện nhỏ hơn và ép đầu dây vào bề mặt ABS bằng dụng cụ được gia nhiệt sẽ cải thiện độ chính xác của phép đo.

Kết luận

Gia nhiệt bằng laser để hàn và ghép nối nhựa nhiệt dẻo đã được nghiên cứu nhằm xác định ảnh hưởng của loại và hàm lượng carbon black, việc tạo vân bề mặt và hướng di chuyển của laser đối với chất lượng mối ghép. Với cả gia nhiệt bề mặt lẫn gia nhiệt truyền qua, carbon black là chất tạo màu được dùng thường xuyên nhất. Kết quả cho thấy các loại carbon black có mức kết tụ hạt và độ phân bố thấp là hiệu quả nhất cho gia nhiệt bằng laser. Các thí nghiệm quét chùm laser dạng đường với ABS cho thấy chỉ cần nghiêng nhẹ đầu laser cũng có thể tạo ra mức gia nhiệt khác nhau khi di chuyển tiến (hay hướng kéo) so với lùi (hay hướng đẩy). Với việc ghép các polymer khác loại là ABS với màng PTFE/PET, kết quả cho thấy tạo vân bề mặt làm tăng diện tích mối dán bám dính và mức độ khóa liên kết cơ học, cho mối ghép vượt trội.

Tài liệu tham khảo và lời cảm ơn

• 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.

Chúng tôi xin cảm ơn Leister Corp. đã cho sử dụng máy quét chùm laser, Fanuc America đã cho sử dụng robot và Kimastle Corp. đã cung cấp cell tự động hóa.

Avraham (Avi) Benatar là phó giáo sư kỹ thuật hàn và giám đốc Phòng thí nghiệm Ghép nối Nhựa và Vật liệu Composite. Ông cũng là điều phối viên chương trình Thạc sĩ Khoa học Kỹ thuật Hàn đào tạo từ xa và là giám đốc khoa của chương trình Thạc sĩ Lãnh đạo Kỹ thuật Toàn cầu thuộc Trường Kỹ thuật. Ông nhận các bằng S.B., S.M và Tiến sĩ ngành Kỹ thuật Cơ khí tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT).

Scott R. Sabreen là người sáng lập kiêm chủ tịch của The Sabreen Group, Inc., một công ty kỹ thuật chuyên về các quy trình sản xuất nhựa thứ cấp – khắc laser, tiền xử lý bề mặt, dán keo, trang trí & hoàn thiện bề mặt và bảo mật sản phẩm. Sabreen đã phát triển các công nghệ tiên phong và giải quyết các vấn đề sản xuất suốt hơn 30 năm. Quý khách có thể liên hệ ông theo số 972.820.6777 hoặc truy cập www.sabreen.com hoặc www.plasticslasermarking.com.

---