Dobór sadzy technicznej dla skutecznego spawania i łączenia laserowego metodą transmisyjną

Dobór sadzy technicznej dla skutecznego spawania i łączenia laserowego metodą transmisyjną

Streszczenie

Spawanie laserowe jest stosowane w szerokim zakresie zastosowań do łączenia tworzyw termoplastycznych, ponieważ jest bezdotykową metodą nagrzewania o krótkich czasach cyklu i niższym koszcie. Zarówno w nagrzewaniu powierzchniowym, jak i transmisyjnym najczęściej stosowanym barwnikiem jest sadza techniczna. Stwierdzono, że do nagrzewania laserowego najskuteczniejsze są rodzaje sadzy o niskiej agregacji cząstek i niewielkim rozkładzie. Eksperymenty ze skanowaniem liniową wiązką lasera wykazały, że niewielkie pochylenie głowicy laserowej może powodować odmienne nagrzewanie przy ruchu do przodu i do tyłu. Przy łączeniu różnych polimerów stwierdzono, że teksturowanie powierzchni zwiększa pole powierzchni połączenia adhezyjnego i stopień mechanicznego zazębienia, co daje lepsze połączenia.

Najważniejsze wnioski

• Liczy się rodzaj sadzy technicznej, nie tylko jej udział wagowy. W większości publikacji ta różnica jest pomijana, a absorpcja i przemiana energii w ciepło różnią się znacznie.
• Najskuteczniejsze w nagrzewaniu laserowym okazały się rodzaje sadzy o niskiej agregacji cząstek i niewielkim rozkładzie.
• Typowy udział wynosi od 0,1% do 1% wagowo, a przy łączeniu ABS najskuteczniejszy okazał się poziom 0,1%.
• Sadza techniczna to nie sadza z ognia. Sadza z ognia powstaje przy niepełnym spalaniu substancji; są to bardzo różne materiały.
• Kierunek ruchu lasera zmienia wynik. Niewielkie pochylenie głowicy laserowej daje inne nagrzewanie przy ruchu do przodu niż do tyłu.

Najczęściej zadawane pytania

Czy rodzaj sadzy technicznej naprawdę ma znaczenie w spawaniu laserowym?

Tak, i to znaczące. W większości publikacji o nagrzewaniu laserowym podaje się tylko procent wagowy, lecz rodzaje sadzy technicznej różnią się znacznie i wpływają zarówno na absorpcję energii lasera, jak i jej przemianę w ciepło. Najskuteczniejsze okazały się rodzaje o niskiej agregacji cząstek i niewielkim rozkładzie.

Ile sadzy technicznej należy dodać?

Zazwyczaj skuteczne jest 0,1–1% wagowo, aby wprowadzić absorber promieniowania laserowego do jednej z części. Przy łączeniu transmisyjnym ABS z foliami PTFE/PET najskuteczniejszy okazał się udział 0,1% wagowo, ponieważ powstawały grubsze warstwy o temperaturze przekraczającej temperaturę zeszklenia, co pozwalało ABS płynąć i poprawiało przyczepność.

Czym różni się sadza techniczna od sadzy z ognia?

To bardzo różne substancje. Sadza z ognia powstaje przy niepełnym spalaniu polimeru lub innej substancji i zazwyczaj jest amorficzna. Sadza techniczna jest materiałem wytwarzanym o kontrolowanej strukturze, a ta kontrola sprawia, że jej zachowanie w zakresie absorpcji promieniowania laserowego jest przewidywalne.

Czy teksturowanie powierzchni ułatwia łączenie laserowe?

Tak. Teksturowanie powierzchni ABS w postaci żeber lub siatki krzyżowej dało obiecujące wyniki, ponieważ powierzchnia teksturowana ma większe pole i zwiększa mechaniczne zazębienie na styku – co jest szczególnie przydatne przy łączeniu różnych polimerów.

Dlaczego kierunek ruchu lasera miałby wpływać na jakość spoiny?

Eksperymenty ze skanowaniem liniową wiązką lasera wykazały, że niewielkie pochylenie głowicy laserowej powoduje odmienne nagrzewanie przy ruchu do przodu, w kierunku ciągnięcia, niż przy ruchu do tyłu. Jest to zmienna ustawień, którą warto sprawdzić, gdy jakość spoiny zmienia się wzdłuż połączenia.

Wprowadzenie

Spawanie laserowe tworzyw termoplastycznych można realizować dwiema metodami nagrzewania: powierzchniowym i transmisyjnym [1-5]. W obu przypadkach do polimeru dodaje się barwnik absorbujący promieniowanie lasera. Najczęściej stosowanym barwnikiem jest sadza techniczna, lecz w większości publikacji o nagrzewaniu laserowym polimerów nie omawia się jej różnych rodzajów. Dlatego w niniejszej pracy przeglądamy różne rodzaje sadzy technicznej i ich skuteczność w absorpcji promieniowania laserowego. Ponadto w badaniu eksperymentalnym łączenia laserowego ABS omówiono wpływ teksturowania powierzchni i kierunku ruchu lasera na połączenie.

Nagrzewanie laserowe

Jak wspomniano wcześniej, nagrzewanie laserowe jest możliwe zarówno metodą powierzchniową, jak i transmisyjną [5]. Jak pokazano na rysunku 1, nagrzewanie powierzchniowe można zrealizować przez poszerzenie wiązki lasera i jednoczesne nagrzewanie powierzchni obu części za pomocą luster. Można też użyć liniowej wiązki lasera lub plamki lasera ze skanującym lustrem, aby szybko skanować i nagrzewać powierzchnie części, jak pokazano na rysunku 2. W obu przypadkach do części z tworzywa sztucznego należy wprowadzić absorber, taki jak sadza techniczna, aby umożliwić absorpcję promieniowania laserowego i nagrzewanie.

W nagrzewaniu laserowym metodą transmisyjną jedna część jest przezroczysta dla lasera, a druga zawiera dodatek, taki jak sadza techniczna, który pochłania promieniowanie lasera i zamienia je w ciepło (rysunek 3). Istnieje kilka sposobów zastosowania tej metody. W nagrzewaniu skanującym wiązka lasera skanuje linie połączenia, przez ruch lasera lub za pomocą luster skanujących (rysunek 4). W nagrzewaniu jednoczesnym wiązka lasera jest poszerzana albo wykorzystuje się wiele źródeł lasera w połączeniu ze światłowodowymi wiązkami, aby jednocześnie nagrzać cały obszar połączenia (rysunek 5). W nagrzewaniu quasi-jednoczesnym szybkie lustro skanujące szybko przemiata obszar połączenia, symulując nagrzewanie jednoczesne za pomocą jednej wiązki lasera dużej mocy (rysunek 6). Inną opcją jest nagrzewanie jednoczesne z maskowaniem, w którym nagrzewa się tylko obszar połączenia, a wiązka lasera jest blokowana w pozostałych miejscach (rysunek 7). Również tutaj część pochłaniająca zawiera barwnik, taki jak sadza techniczna, który pochłania promieniowanie lasera i zamienia je w ciepło.

Sadza techniczna

W wielu zastosowaniach dodanie niewielkich ilości sadzy technicznej (zwykle od 0,1 do 1 procenta wagowo) jest skutecznym sposobem wprowadzenia absorbera promieniowania laserowego do jednej z części z tworzywa sztucznego. Zwykle nie uwzględnia się stosowanego rodzaju sadzy – liczy się tylko procent wagowy [6]. Jednak poszczególne rodzaje sadzy technicznej znacznie się różnią i mogą wpływać na absorpcję oraz przemianę energii lasera w ciepło.

Po pierwsze należy pamiętać, że sadza techniczna i sadza z ognia to bardzo różne substancje. Sadza z ognia powstaje, gdy polimer lub inna substancja nie ulega całkowitemu spaleniu. Jest to zazwyczaj węgiel amorficzny w postaci proszku o znacznie mniejszej powierzchni właściwej niż sadza techniczna. Sadzę techniczną otrzymuje się z niepełnego spalania ciężkich produktów naftowych, po którym następuje ekstrakcja związków organicznych, co daje ponad 97 procent czystego węgla. Jak pokazano w tabeli 1, sadzę techniczną często klasyfikuje się według procesu wytwarzania [7]. Najskuteczniejsze w nagrzewaniu laserowym okazały się rodzaje sadzy o niskiej agregacji cząstek i niewielkim rozkładzie.

Absorpcję promieniowania laserowego kształtuje połączenie rodzaju sadzy technicznej i jej udziału wagowego w polimerze. Dla danego rodzaju sadzy stosowanie niższych udziałów wagowych (0,1 lub 0,15 procent) powoduje częściowe przenikanie promieniowania w głąb części, co daje nagrzewanie podpowierzchniowe. Jest to korzystne, gdy potrzebne są grubsze warstwy stopu bez degradacji powierzchni. Natomiast przy wysokich udziałach wagowych (0,5 procent i więcej) większość absorpcji zachodzi w pobliżu powierzchni, co daje cieńsze warstwy stopu.

Łączenie laserowe ABS metodą transmisyjną

Przeprowadzono eksperymenty oceniające łączenie laserowe ABS z foliami PTFE/PET za pomocą skanów liniową wiązką lasera. Płyty ABS formowano z różnymi rodzajami i poziomami sadzy technicznej. Stwierdzono, że dla tego zastosowania najskuteczniejszy był udział 0,1 procent wagowo sadzy technicznej, ponieważ powstawały grubsze warstwy przekraczające temperaturę zeszklenia (Tg). Pozwoliło to ABS płynąć swobodniej i poprawiło przyczepność do folii PTFE/PET.

Teksturowanie powierzchni ABS w postaci żeber lub siatki krzyżowej dało obiecujące wyniki (rysunek 8). Powierzchnia teksturowana miała większe pole i zwiększała mechaniczne zazębienie na styku. Ręczna wytrzymałość na odrywanie wydawała się ogólnie wysoka, zwłaszcza przy odrywaniu prostopadle do żeber. Oględziny wizualne tych połączeń były bardzo obiecujące i wykazały rozległe zniszczenie kohezyjne w folii PTFE/PET (rysunek 9).

Nagrzewanie ABS wykonano głowicą liniowej wiązki lasera Leister 800 zamontowaną na robocie Fanuc. Głowicę lasera lekko pochylono w jednym kierunku, tak że natężenie jest nieznacznie różne przy ruchu w jednym kierunku niż w przeciwnym, co określa się jako kierunki „push” i „pull”, jak pokazano na rysunku 10. Aby ocenić wpływ pochylenia, zastosowano rejestrator danych z termoparami Pico Technology USB TC-08 do pomiaru historii temperatury podczas nagrzewania push-pull.

Jak pokazano na rysunku 11, temperatura w kierunku push jest znacznie niższa niż w kierunku pull. Podobnie zmierzono temperaturę dla push-push (rysunek 12) i pull-pull (rysunek 13). W obu przypadkach zmienność temperatury między przejściami była mniejsza, a pull-pull dawał nieco wyższe temperatury powierzchni. Ogólnie zmierzone temperatury były niższe od oczekiwanych, prawdopodobnie dlatego, że termopary były duże i tylko położone na powierzchni. Zastosowanie cieńszych przewodów termopar i wciśnięcie końcówki w powierzchnię ABS podgrzanym narzędziem poprawiłoby dokładność pomiaru.

Podsumowanie

Badano nagrzewanie laserowe do spawania i łączenia tworzyw termoplastycznych, aby określić wpływ rodzaju i zawartości sadzy technicznej, teksturowania powierzchni oraz kierunku ruchu lasera na jakość połączenia. Zarówno w nagrzewaniu powierzchniowym, jak i transmisyjnym najczęściej stosowanym barwnikiem jest sadza techniczna. Stwierdzono, że do nagrzewania laserowego najskuteczniejsze są rodzaje sadzy o niskiej agregacji cząstek i niewielkim rozkładzie. Eksperymenty ze skanowaniem liniową wiązką lasera na ABS wykazały, że niewielkie pochylenie głowicy laserowej może powodować odmienne nagrzewanie przy ruchu do przodu (kierunek pull) niż do tyłu (kierunek push). Przy łączeniu różnych polimerów – ABS z folią PTFE/PET – stwierdzono, że teksturowanie powierzchni zwiększa pole powierzchni połączenia adhezyjnego i stopień mechanicznego zazębienia, co daje lepsze połączenia.

Źródła i podziękowania

• 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.

Dziękujemy firmie Leister Corp. za udostępnienie skanera wiązki lasera, Fanuc America za udostępnienie robota oraz Kimastle Corp. za komórkę automatyzacji.

Avraham (Avi) Benatar jest profesorem nadzwyczajnym inżynierii spawalniczej i dyrektorem Plastics and Composites Joining Laboratory. Jest również koordynatorem zdalnego programu magisterskiego Welding Engineering Distance Education Master of Science oraz kierownikiem naukowym programu Master of Global Engineering Leadership w College of Engineering. Uzyskał tytuły S.B., S.M. i doktora w dziedzinie inżynierii mechanicznej w Massachusetts Institute of Technology.

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc. – firmy inżynieryjnej specjalizującej się we wtórnych procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych: znakowaniu laserowym, obróbce wstępnej powierzchni, klejeniu, zdobieniu i wykańczaniu oraz bezpieczeństwie produktu. Sabreen od ponad 30 lat opracowuje pionierskie technologie i rozwiązuje problemy produkcyjne. Kontakt: 972.820.6777, www.sabreen.com lub www.plasticslasermarking.com.

---