सफल थ्रू-ट्रांसमिशन लेज़र वेल्डिंग और जोड़ के लिए कार्बन ब्लैक का चयन

सफल थ्रू-ट्रांसमिशन लेज़र वेल्डिंग और जोड़ के लिए कार्बन ब्लैक का चयन

सार

लेज़र वेल्डिंग का उपयोग थर्मोप्लास्टिक को जोड़ने के लिए अनेक अनुप्रयोगों में होता है, क्योंकि यह संपर्क-रहित ताप विधि है, जिसमें साइकिल समय कम और लागत कम होती है। सतह तापन और थ्रू-ट्रांसमिशन तापन, दोनों के लिए कार्बन ब्लैक सबसे अधिक उपयोग होने वाला रंजक है। पाया गया कि कम कण समूहन और वितरण वाले कार्बन ब्लैक प्रकार लेज़र तापन के लिए सबसे प्रभावी रहे। लेज़र लाइन बीम स्कैनिंग के प्रयोगों में दिखा कि लेज़र हेड का हल्का-सा झुकाव आगे और पीछे की ओर चलने पर भिन्न तापन उत्पन्न कर सकता है। भिन्न पॉलिमरों के जोड़ में पाया गया कि सतह टेक्सचरिंग से आसंजन जोड़ का क्षेत्रफल और यांत्रिक इंटरलॉकिंग बढ़ती है, जिससे बेहतर जोड़ बनते हैं।

मुख्य निष्कर्ष

• केवल भार प्रतिशत नहीं, कार्बन ब्लैक का प्रकार भी मायने रखता है। अधिकांश साहित्य इस अंतर की अनदेखी करता है; अवशोषण और ऊष्मा-रूपांतरण में बहुत भिन्नता होती है।
• कम कण समूहन और वितरण लेज़र तापन के लिए सबसे प्रभावी सिद्ध हुआ।
• सामान्य लोडिंग भार के अनुसार 0.1% से 1% होती है, और ABS के जोड़ में 0.1% सबसे प्रभावी स्तर रहा।
• कार्बन ब्लैक कालिख (सूट) नहीं है। कालिख किसी पदार्थ के अपूर्ण दहन से बनती है; ये बहुत भिन्न सामग्रियाँ हैं।
• लेज़र की गति की दिशा परिणाम बदल देती है। लेज़र हेड का हल्का झुकाव आगे और पीछे चलने पर अलग तापन देता है।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

क्या लेज़र वेल्डिंग में कार्बन ब्लैक का प्रकार वास्तव में मायने रखता है?

हाँ, काफ़ी हद तक। लेज़र तापन का अधिकांश साहित्य केवल भार प्रतिशत की चर्चा करता है, परंतु विभिन्न कार्बन ब्लैक प्रकारों में बहुत भिन्नता होती है और वे लेज़र ऊर्जा के अवशोषण तथा उसके ऊष्मा में रूपांतरण, दोनों को प्रभावित करते हैं। कम कण समूहन और वितरण वाले प्रकार सबसे प्रभावी पाए गए।

कितना कार्बन ब्लैक मिलाना चाहिए?

किसी एक पुर्ज़े में लेज़र अवशोषक मिलाने का प्रभावी तरीका सामान्यतः भार के अनुसार 0.1% से 1% है। ABS को PTFE/PET फ़िल्मों से थ्रू-ट्रांसमिशन जोड़ने में भार के अनुसार 0.1% सबसे प्रभावी रहा, क्योंकि इससे काँच संक्रमण तापमान से अधिक की मोटी परतें बनीं, जिससे ABS बह सका और आसंजन बेहतर हुआ।

कार्बन ब्लैक और कालिख (सूट) में क्या अंतर है?

ये बहुत भिन्न पदार्थ हैं। कालिख तब बनती है जब पॉलिमर या कोई अन्य पदार्थ अपूर्ण रूप से जलता है, और यह प्रायः अमॉर्फ़स होती है। कार्बन ब्लैक नियंत्रित संरचना वाली निर्मित सामग्री है, और यही नियंत्रण इसके लेज़र अवशोषण व्यवहार को पूर्वानुमेय बनाता है।

क्या सतह टेक्सचरिंग लेज़र जोड़ में सहायक है?

हाँ। ABS सतह पर उभार (रिज) या क्रॉसहैचिंग बनाने वाली टेक्सचरिंग ने आशाजनक परिणाम दिखाए, क्योंकि टेक्सचर्ड सतह का क्षेत्रफल अधिक होता है और इंटरफ़ेस पर यांत्रिक इंटरलॉकिंग बढ़ती है — यह भिन्न पॉलिमरों को जोड़ने में विशेष रूप से उपयोगी है।

लेज़र की गति की दिशा वेल्ड की गुणवत्ता को क्यों प्रभावित करेगी?

लेज़र लाइन बीम स्कैनिंग के प्रयोगों में दिखा कि लेज़र हेड का हल्का झुकाव आगे (पुल दिशा) की ओर चलने पर पीछे की ओर चलने की तुलना में भिन्न तापन उत्पन्न करता है। जब जोड़ के साथ-साथ वेल्ड की गुणवत्ता बदलती हो, तो यह जाँचने योग्य सेटअप चर है।

परिचय

थर्मोप्लास्टिक की लेज़र वेल्डिंग दो भिन्न तापन विधियों से की जा सकती है: सतह तापन और थ्रू-ट्रांसमिशन तापन [1-5]। सतह तापन और थ्रू-ट्रांसमिशन तापन, दोनों के लिए लेज़र अवशोषण हेतु पॉलिमर में रंजक मिलाया जाता है। कार्बन ब्लैक सबसे अधिक उपयोग होने वाला रंजक है, परंतु पॉलिमरों के लेज़र तापन पर अधिकांश साहित्य में कार्बन ब्लैक के विभिन्न प्रकारों की चर्चा नहीं की जाती। इसलिए इस कार्य में हम कार्बन ब्लैक के विभिन्न प्रकारों और उनके लेज़र अवशोषण प्रदर्शन की समीक्षा करेंगे। इसके अतिरिक्त, ABS की लेज़र जोड़ाई के प्रायोगिक अध्ययन में जोड़ पर सतह टेक्सचरिंग और लेज़र की गति की दिशा के प्रभावों पर भी चर्चा की जाएगी।

लेज़र तापन

जैसा पहले बताया गया, लेज़र तापन सतह तापन और थ्रू-ट्रांसमिशन तापन, दोनों से संभव है [5]। चित्र 1 में दिखाए अनुसार, लेज़र बीम को फैलाकर और दर्पणों की सहायता से दोनों पुर्ज़ों की सतहों को एक साथ गर्म करके सतह तापन किया जा सकता है। चित्र 2 में दिखाए अनुसार, स्कैनिंग दर्पण के साथ लेज़र लाइन बीम या लेज़र स्पॉट का उपयोग करके पुर्ज़ों की सतहों को तेज़ी से स्कैन और गर्म करना भी संभव है। दोनों ही स्थितियों में, लेज़र अवशोषण और तापन के लिए प्लास्टिक पुर्ज़े में कार्बन ब्लैक जैसा अवशोषक मिलाना आवश्यक है।

थ्रू-ट्रांसमिशन लेज़र तापन में एक पुर्ज़ा लेज़र के लिए पारदर्शी होता है, जबकि दूसरे में कार्बन ब्लैक जैसा एडिटिव होता है, जो लेज़र विकिरण को अवशोषित कर उसे ऊष्मा में बदलता है (चित्र 3)। थ्रू-ट्रांसमिशन लेज़र तापन के कई तरीके हैं। स्कैन तापन में लेज़र को चलाकर या स्कैनिंग दर्पणों से लेज़र बीम जोड़ की रेखाओं पर स्कैन करती है (चित्र 4)। एक साथ तापन में लेज़र बीम को फैलाया जाता है, या ऑप्टिकल फ़ाइबर बंडलों के साथ कई लेज़र स्रोतों का उपयोग करके पूरे जोड़ क्षेत्र को एक साथ गर्म किया जाता है (चित्र 5)। क्वासी-सिमल्टेनियस तापन में एकल उच्च-शक्ति लेज़र बीम से एक साथ तापन का अनुकरण करते हुए, उच्च-गति स्कैनिंग दर्पण से जोड़ क्षेत्र को तेज़ी से स्कैन किया जाता है (चित्र 6)। एक अन्य विकल्प मास्किंग के साथ एक साथ तापन है, जिसमें केवल जोड़ क्षेत्र गर्म होता है और लेज़र बीम को अन्य क्षेत्रों तक पहुँचने से रोका जाता है (चित्र 7)। यहाँ भी, अवशोषक पुर्ज़े में कार्बन ब्लैक जैसा रंजक होता है, जो लेज़र विकिरण को अवशोषित कर ऊष्मा में बदलता है।

कार्बन ब्लैक

अनेक अनुप्रयोगों में, थोड़ी मात्रा में कार्बन ब्लैक मिलाना (सामान्यतः भार के अनुसार 0.1 प्रतिशत से 1 प्रतिशत) किसी एक प्लास्टिक पुर्ज़े में लेज़र अवशोषक शामिल करने का प्रभावी तरीका है। आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले कार्बन ब्लैक के प्रकार पर विचार नहीं किया जाता – केवल भार प्रतिशत देखा जाता है [6]। परंतु कार्बन ब्लैक के विभिन्न प्रकारों में बहुत भिन्नता होती है, और वे लेज़र ऊर्जा के अवशोषण तथा उसके ऊष्मा में रूपांतरण को प्रभावित कर सकते हैं।

सबसे पहले, यह समझना आवश्यक है कि कार्बन ब्लैक और कालिख (सूट) बहुत भिन्न पदार्थ हैं। कालिख तब बनती है जब पॉलिमर या कोई अन्य पदार्थ पूरी तरह नहीं जलता। कालिख सामान्यतः पाउडर रूप में अमॉर्फ़स कार्बन होती है, जिसका पृष्ठीय क्षेत्रफल कार्बन ब्लैक से बहुत कम होता है। कार्बन ब्लैक भारी पेट्रोलियम उत्पादों के अपूर्ण दहन और उसके बाद कार्बनिक यौगिकों के निष्कर्षण से बनता है, जिससे 97 प्रतिशत से अधिक तात्विक कार्बन प्राप्त होता है। तालिका 1 में दिखाए अनुसार, कार्बन ब्लैक को प्रायः निर्माण प्रक्रिया के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है [7]। कम कण समूहन और वितरण वाले कार्बन ब्लैक प्रकार लेज़र तापन के लिए सबसे प्रभावी रहे।

कार्बन ब्लैक का प्रकार और पॉलिमर में उसका भार प्रतिशत, दोनों मिलकर लेज़र अवशोषण को प्रभावित करते हैं। किसी दिए गए कार्बन ब्लैक प्रकार के लिए, कम भार प्रतिशत (0.1 प्रतिशत या 0.15 प्रतिशत) का उपयोग करने पर लेज़र का आंशिक संचरण पुर्ज़े के भीतर होता है, जिससे उप-सतह तापन होता है। यह तब लाभदायक है जब सतह को क्षति पहुँचाए बिना मोटी मेल्ट परतों की आवश्यकता हो। इसके विपरीत, उच्च भार प्रतिशत (0.5 प्रतिशत और अधिक) पर अधिकांश अवशोषण सतह के निकट होता है, जिससे पतली मेल्ट परतें बनती हैं।

ABS की थ्रू-ट्रांसमिशन लेज़र जोड़ाई

ABS को PTFE/PET फ़िल्मों से लेज़र द्वारा जोड़ने का मूल्यांकन करने वाले प्रयोग लेज़र लाइन बीम स्कैन से किए गए। ABS प्लैक को कार्बन ब्लैक के विभिन्न प्रकारों और स्तरों के साथ मोल्ड किया गया। पाया गया कि इस अनुप्रयोग के लिए भार के अनुसार 0.1 प्रतिशत कार्बन ब्लैक सबसे प्रभावी रहा, क्योंकि इससे काँच संक्रमण तापमान (Tg) से अधिक की मोटी परतें बनीं। इससे ABS अधिक सहजता से बह सका और PTFE/PET फ़िल्म से आसंजन बेहतर हुआ।

ABS सतह पर उभार (रिज) या क्रॉसहैचिंग बनाने वाली टेक्सचरिंग ने आशाजनक परिणाम दिखाए (चित्र 8)। टेक्सचर्ड सतह का क्षेत्रफल अधिक था और इससे इंटरफ़ेस पर यांत्रिक इंटरलॉकिंग बढ़ी। हाथ से पील करने पर पील-शक्ति सामान्यतः अधिक महसूस हुई, विशेषकर उभारों के लंबवत पील करने पर। इन जोड़ों का दृश्य निरीक्षण बहुत आशाजनक रहा, जिसमें PTFE/PET फ़िल्म में बड़े पैमाने पर संसंजक (कोहेसिव) विफलता दिखी (चित्र 9)।

ABS का तापन Fanuc रोबोट पर लगे Leister 800 लेज़र लाइन बीम हेड से किया गया। लेज़र हेड को एक दिशा में हल्का झुकाया गया, जिससे एक दिशा में चलने पर तीव्रता विपरीत दिशा की तुलना में थोड़ी भिन्न होती है; इन्हें पुश और पुल दिशाएँ कहा जाता है, जैसा चित्र 10 में दिखाया गया है। झुकाव के प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए, पुश-पुल तापन के दौरान तापमान का इतिहास मापने हेतु Pico Technology USB TC-08 थर्मोकपल डेटा लॉगर का उपयोग किया गया।

चित्र 11 में दिखाए अनुसार, पुश दिशा में तापमान पुल दिशा की तुलना में उल्लेखनीय रूप से कम है। इसी प्रकार, पुश-पुश (चित्र 12) और पुल-पुल (चित्र 13) के लिए भी तापमान मापा गया। दोनों स्थितियों में पासों के बीच तापमान का अंतर कम रहा, और पुल-पुल में सतह का तापमान थोड़ा अधिक रहा। सामान्यतः मापे गए तापमान अपेक्षा से कम थे, संभवतः इसलिए कि थर्मोकपल बड़े थे और केवल सतह के ऊपर रखे गए थे। छोटे थर्मोकपल तारों का उपयोग करने और गर्म उपकरण से सिरे को ABS सतह में दबाने से मापन की सटीकता बढ़ेगी।

निष्कर्ष

जोड़ की गुणवत्ता पर कार्बन ब्लैक के प्रकार और मात्रा, सतह टेक्सचरिंग तथा लेज़र की गति की दिशा के प्रभाव निर्धारित करने के लिए थर्मोप्लास्टिक की वेल्डिंग और जोड़ाई हेतु लेज़र तापन का अध्ययन किया गया। सतह तापन और थ्रू-ट्रांसमिशन तापन, दोनों के लिए कार्बन ब्लैक सबसे अधिक उपयोग होने वाला रंजक है। पाया गया कि कम कण समूहन और वितरण वाले कार्बन ब्लैक प्रकार लेज़र तापन के लिए सबसे प्रभावी रहे। ABS के साथ लेज़र लाइन बीम स्कैनिंग के प्रयोगों से पता चला कि लेज़र हेड का हल्का झुकाव आगे (या पुल दिशा) और पीछे (या पुश दिशा) की ओर चलने पर भिन्न तापन उत्पन्न कर सकता है। ABS को PTFE/PET फ़िल्म से जोड़ने जैसे भिन्न पॉलिमरों के जोड़ में पाया गया कि सतह टेक्सचरिंग से आसंजन जोड़ का क्षेत्रफल और यांत्रिक इंटरलॉकिंग बढ़ी, जिससे बेहतर जोड़ बने।

संदर्भ और आभार

• 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.

लेज़र बीम स्कैनर के उपयोग के लिए हम Leister Corp., रोबोट के उपयोग के लिए Fanuc America और ऑटोमेशन सेल के लिए Kimastle Corp. के आभारी हैं।

Avraham (Avi) Benatar वेल्डिंग इंजीनियरिंग के एसोसिएट प्रोफ़ेसर और प्लास्टिक एवं कंपोज़िट जॉइनिंग प्रयोगशाला के निदेशक हैं। वे वेल्डिंग इंजीनियरिंग डिस्टेंस एजुकेशन मास्टर ऑफ़ साइंस कार्यक्रम के समन्वयक और कॉलेज ऑफ़ इंजीनियरिंग के मास्टर ऑफ़ ग्लोबल इंजीनियरिंग लीडरशिप के फ़ैकल्टी निदेशक भी हैं। उन्होंने मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ़ टेक्नोलॉजी से मैकेनिकल इंजीनियरिंग में S.B., S.M. और Ph.D. उपाधियाँ प्राप्त की हैं।

Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc. के संस्थापक और अध्यक्ष हैं, जो प्लास्टिक द्वितीयक प्रसंस्करण प्रक्रियाओं – लेज़र मार्किंग, सतह पूर्व-उपचार, बंधन, डेकोरेटिंग व फिनिशिंग और उत्पाद सुरक्षा – में विशेषज्ञता रखने वाली इंजीनियरिंग कंपनी है। वे 30 से अधिक वर्षों से अग्रणी प्रौद्योगिकियाँ विकसित कर रहे हैं और विनिर्माण समस्याओं का समाधान कर रहे हैं। Sabreen से 972.820.6777 पर या www.sabreen.com अथवा www.plasticslasermarking.com पर जाकर संपर्क किया जा सकता है।

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