Seleção de negro de fumo para soldagem e união a laser por transmissão bem-sucedidas

Seleção de negro de fumo para soldagem e união a laser por transmissão bem-sucedidas

Resumo

A soldagem a laser é usada em uma ampla gama de aplicações para unir termoplásticos, por ser um método de aquecimento sem contato, com ciclos curtos e menor custo. Tanto no aquecimento superficial quanto no aquecimento por transmissão, o negro de fumo é o corante mais usado. Constatou-se que os tipos de negro de fumo com baixa agregação e baixa distribuição de partículas foram os mais eficazes para o aquecimento a laser. Experimentos com varredura de feixe linear a laser mostraram que uma leve inclinação do cabeçote laser pode produzir aquecimento diferente ao se deslocar para frente em comparação a para trás. Na união de polímeros dissimilares, constatou-se que a texturização da superfície aumentou a área da junta de adesão e o grau de ancoragem mecânica, resultando em juntas superiores.

Principais conclusões

• O tipo de negro de fumo importa, não apenas o percentual em massa. A maior parte da literatura ignora essa distinção; a absorção e a conversão em calor variam muito.
• Baixa agregação e baixa distribuição de partículas mostraram-se mais eficazes para o aquecimento a laser.
• A carga típica é de 0,1% a 1% em massa e, na união de ABS, 0,1% foi o nível mais eficaz.
• Negro de fumo não é fuligem. Fuligem é o que se forma quando uma substância queima de forma incompleta; são materiais muito diferentes.
• O sentido de deslocamento do laser altera o resultado. Uma leve inclinação do cabeçote laser aquece de modo diferente para frente e para trás.

Perguntas frequentes

O tipo de negro de fumo realmente importa na soldagem a laser?

Sim, e bastante. A maior parte da literatura sobre aquecimento a laser discute apenas o percentual em massa, mas os diferentes tipos de negro de fumo variam muito e influenciam tanto a absorção da energia do laser quanto sua conversão em calor. Os tipos com baixa agregação e baixa distribuição de partículas foram os mais eficazes.

Quanto negro de fumo deve ser adicionado?

Normalmente, de 0,1% a 1% em massa é uma forma eficaz de incorporar um absorvedor de laser em uma das peças. Na união por transmissão de ABS a filmes de PTFE/PET, 0,1% em massa foi o mais eficaz, pois produziu camadas mais espessas acima da temperatura de transição vítrea, permitindo que o ABS fluísse e melhorando a adesão.

Qual é a diferença entre negro de fumo e fuligem?

São substâncias muito diferentes. A fuligem se forma quando um polímero ou outra substância queima de forma incompleta e geralmente é amorfa. O negro de fumo é um material fabricado, de estrutura controlada, e esse controle é o que torna previsível seu comportamento de absorção do laser.

A texturização da superfície ajuda na união a laser?

Sim. Texturizar a superfície do ABS para produzir nervuras ou hachuras cruzadas mostrou resultados promissores, porque a superfície texturizada tem maior área e aumenta a ancoragem mecânica na interface, o que é particularmente útil na união de polímeros dissimilares.

Por que o sentido de deslocamento do laser afetaria a qualidade da solda?

Experimentos com varredura de feixe linear a laser mostraram que uma leve inclinação do cabeçote laser produz aquecimento diferente ao se deslocar para frente, no sentido de puxar (pull), em comparação a para trás. É uma variável de configuração que vale verificar quando a qualidade da solda varia ao longo da junta.

Introdução

A soldagem a laser de termoplásticos pode ser realizada com dois métodos de aquecimento diferentes: aquecimento superficial e aquecimento por transmissão [1-5]. Tanto em um quanto no outro, um corante é adicionado ao polímero para absorver o laser. O negro de fumo é o corante mais usado, mas a maior parte da literatura sobre aquecimento a laser de polímeros não discute os diferentes tipos de negro de fumo. Por isso, neste trabalho revisamos os diferentes tipos de negro de fumo e seu desempenho de absorção do laser. Além disso, os efeitos da texturização da superfície e do sentido de deslocamento do laser na união também serão discutidos em um estudo experimental de união a laser de ABS.

Aquecimento a laser

Como mencionado, o aquecimento a laser é possível tanto por aquecimento superficial quanto por aquecimento por transmissão [5]. Como mostra a Figura 1, o aquecimento superficial pode ser realizado expandindo o feixe do laser e aquecendo simultaneamente as superfícies de ambas as peças por meio de espelhos. Também é possível usar um feixe linear ou um ponto de laser com espelho de varredura para varrer e aquecer rapidamente as superfícies das peças, como mostra a Figura 2. Em ambos os casos, é preciso incorporar à peça plástica um absorvedor, como o negro de fumo, para a absorção do laser e o aquecimento.

No aquecimento a laser por transmissão, uma peça é transparente ao laser, enquanto a segunda contém um aditivo, como o negro de fumo, para absorver a radiação do laser e convertê-la em calor (Figura 3). Há várias formas de usar o aquecimento a laser por transmissão. No aquecimento por varredura, o feixe do laser percorre as linhas de junta, seja movendo o laser, seja usando espelhos de varredura (Figura 4). No aquecimento simultâneo, o feixe do laser é expandido ou várias fontes de laser são usadas em conjunto com feixes de fibra óptica para aquecer simultaneamente toda a área da junta (Figura 5). No aquecimento quase simultâneo, um espelho de varredura de alta velocidade percorre rapidamente a área da junta, simulando o aquecimento simultâneo com um único feixe de laser de alta potência (Figura 6). Outra opção é o aquecimento simultâneo com máscara, para aquecer apenas a área da junta e bloquear o feixe do laser nas demais áreas (Figura 7). Aqui também, a peça absorvedora contém um corante, como o negro de fumo, para absorver a radiação do laser e convertê-la em calor.

Negro de fumo

Em muitas aplicações, adicionar pequenas quantidades de negro de fumo (tipicamente de 0,1 a 1 por cento em massa) é uma forma eficaz de incorporar um absorvedor de laser em uma das peças plásticas. Normalmente, o tipo de negro de fumo utilizado não é considerado, apenas o percentual em massa [6]. No entanto, os diferentes tipos de negro de fumo variam muito e podem influenciar a absorção da energia do laser e sua conversão em calor.

Primeiro, é importante reconhecer que negro de fumo e fuligem são substâncias muito diferentes. A fuligem se forma quando um polímero ou outra substância não é queimado por completo. A fuligem é geralmente um carbono amorfo em pó, com área superficial muito menor que a do negro de fumo. O negro de fumo é produzido pela queima incompleta de derivados pesados de petróleo, seguida da extração de compostos orgânicos, resultando em mais de 97 por cento de carbono elementar. Como mostra a Tabela 1, o negro de fumo é frequentemente classificado com base no processo de fabricação [7]. Os tipos de negro de fumo com baixa agregação e baixa distribuição de partículas foram os mais eficazes para o aquecimento a laser.

A combinação do tipo de negro de fumo com o percentual em massa no polímero influencia a absorção do laser. Para um dado tipo de negro de fumo, percentuais em massa mais baixos (0,1 ou 0,15 por cento) resultam em transmissão parcial para o interior da peça, gerando aquecimento subsuperficial. Isso é benéfico quando são necessárias camadas fundidas mais espessas sem degradação da superfície. Por outro lado, com percentuais em massa altos (0,5 por cento ou mais), a maior parte da absorção ocorre perto da superfície, o que resulta em camadas fundidas mais finas.

União a laser por transmissão de ABS

Foram realizados experimentos de avaliação da união a laser de ABS a filmes de PTFE/PET, com varreduras de feixe linear a laser. Placas de ABS foram moldadas com diferentes tipos e níveis de negro de fumo. Constatou-se que 0,1 por cento em massa de negro de fumo foi o mais eficaz nesta aplicação, pois produziu camadas mais espessas que excederam a temperatura de transição vítrea (Tg). Isso permitiu que o ABS fluísse com mais facilidade e melhorou a adesão ao filme de PTFE/PET.

A texturização da superfície do ABS para produzir nervuras ou hachuras cruzadas mostrou resultados promissores (Figura 8). A superfície texturizada tinha maior área e aumentou a ancoragem mecânica na interface. A resistência ao descolamento manual pareceu geralmente alta, especialmente ao descolar perpendicularmente às nervuras. A inspeção visual dessas juntas foi muito promissora, mostrando grande quantidade de falha coesiva no filme de PTFE/PET (Figura 9).

O aquecimento do ABS foi feito com um cabeçote de feixe linear a laser Leister 800 montado em um robô Fanuc. O cabeçote laser foi levemente inclinado em uma direção, de modo que a intensidade é ligeiramente diferente ao se deslocar em um sentido e no sentido oposto, chamados de sentidos de empurrar (push) e puxar (pull), como mostra a Figura 10. Para avaliar o efeito da inclinação, foi usado um registrador de dados de termopares Pico Technology USB TC-08 para medir o histórico de temperatura durante o aquecimento push-pull.

Como mostra a Figura 11, a temperatura no sentido push é significativamente menor que no sentido pull. Da mesma forma, a temperatura também foi medida em push-push (Figura 12) e pull-pull (Figura 13). Nos dois casos, a variação de temperatura entre passadas foi menor, e o pull-pull resultou em temperaturas de superfície ligeiramente mais altas. Em geral, as temperaturas medidas foram menores que o esperado, provavelmente porque os termopares eram grandes e foram apenas apoiados sobre a superfície. O uso de fios de termopar menores e a pressão da ponta contra a superfície do ABS com uma ferramenta aquecida melhorariam a precisão da medição.

Conclusão

O aquecimento a laser para soldagem e união de termoplásticos foi estudado para determinar os efeitos do tipo e do teor de negro de fumo, da texturização da superfície e do sentido de deslocamento do laser na qualidade da junta. Tanto no aquecimento superficial quanto no aquecimento por transmissão, o negro de fumo é o corante mais usado. Constatou-se que os tipos de negro de fumo com baixa agregação e baixa distribuição de partículas foram os mais eficazes para o aquecimento a laser. Experimentos com varredura de feixe linear a laser em ABS mostraram que uma leve inclinação do cabeçote laser pode produzir aquecimento diferente ao se deslocar para frente (sentido pull) em comparação a para trás (sentido push). Na união de ABS a filme de PTFE/PET, polímeros dissimilares, constatou-se que a texturização da superfície aumentou a área da junta de adesão e o grau de ancoragem mecânica, resultando em juntas superiores.

Referências e agradecimentos

• 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.

Agradecemos à Leister Corp. pelo uso do escâner de feixe laser, à Fanuc America pelo uso do robô e à Kimastle Corp. pela célula de automação.

Avraham (Avi) Benatar é professor associado de engenharia de soldagem e diretor do Plastics and Composites Joining Laboratory. Também é coordenador do programa de mestrado em Engenharia de Soldagem a distância e diretor acadêmico do Master of Global Engineering Leadership da Faculdade de Engenharia. Obteve os títulos de S.B., S.M. e Ph.D. em Engenharia Mecânica no Massachusetts Institute of Technology.

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., uma empresa de engenharia especializada em processos de transformação secundária de plásticos: marcação a laser, pré-tratamentos de superfície, colagem, decoração e acabamento e segurança de produtos. Sabreen desenvolve tecnologias pioneiras e resolve problemas de fabricação há mais de 30 anos. Você pode entrar em contato pelo telefone 972.820.6777 ou visitando www.sabreen.com ou www.plasticslasermarking.com.

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