Тамаш Марковіц, Андор Бауернхубер, Янош Такач | 24.11.2015 11:29

лазерного

Лазерні технології, включаючи технології склеювання, з їх високою та відтворюваною якістю та автоматизацією вже були доведені у багатьох місцях у галузі виробництва автомобілів. Таким чином, вони також відіграють важливу роль у технології склеювання різної сировини, що є результатом тенденцій зниження ваги. Нові знання, представлені в статті, містять інформацію про створення лазерного склеювання металу та полімерної сировини, деякі основні особливості утвореного зв'язку.

1. РОЗРОБКА СИРОВИНИ І ТЕХНОЛОГІЙ

Існує декілька рішень для задоволення потреби у постійній втраті ваги в галузі автомобілів протягом багатьох років. Одне з цих рішень полягає у використанні матеріалів тієї самої сировинної групи (наприклад, сталі), але з більшою міцністю з меншою товщиною. В якості альтернативи можуть бути включені матеріали та компоненти з меншою щільністю та загальною меншою вагою, ніж сталь.

Використання новітньої сировини не було б можливим, якби ми не займалися подальшим розвитком технології виробництва. Тому технологія скріплення компонентних елементів повинна відповідати новим комбінаціям сировини.

2. МЕТАЛО-ПЛАСТИКОВІ ГІБРИДНІ З'ЄДНАННЯ

Завдяки спарюванню металу та полімеру традиційні технології склеювання, такі як закручування, клепання та склеювання, вже застосовуються в декількох місцях. Однак є деякі новіші методи, які дозволяють поєднувати два матеріали по-різному. Одним з таких методів є лиття під тиском, при якому пластик формується литтям під тиском на металеву деталь, поміщену в форму лиття під тиском, так що поєднання сприятливих властивостей двох матеріалів може бути використано для отримання гібридної структури. Конкретним прикладом застосування є передня торцева панель, де порожниста частина деталей із глибоко витягнутою сталевою пластиною формується за допомогою лиття під тиском із пластикових ребер для забезпечення очікуваної жорсткості при меншій вазі [3].

Іншим гібридним методом скріплення є з’єднання комірців, при якому у отворі в сталевому листі формується комір за допомогою пластику, що формується навколо отвору, перпендикулярного площині листа, і цей комір вдавлюється в пластикову частину листа на наступній фазі. Це створює щільний зв’язок між двома матеріалами, що означає більш міцний зв’язок з точки зору зсуву [4].

Таким чином, можна побачити, що існує кілька різних рішень, які можна використовувати для сполучення металевих та полімерних матеріалів. Серед найсучасніших процесів ми зосереджуємось на технологіях лазерних променів, які вже в багатьох випадках довели свою здатність вирішувати високоякісні рішення нових технічних проблем.

3. ПРОЦЕДУРИ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧЕВОГО ВИРОБНИЦТВА

З розвитком технологій виробництва технології лазерних променів дедалі більше використовуються у все більшій кількості областей. Користуючись перевагами гарної автоматизації лазерних технологій, гарного контролю якості та продуктивності, ми можемо знайти кілька місць у виробництві автомобілів. Лазерні технології можуть бути використані дуже широко завдяки тому, що промінь світла, витягнутий із джерела лазерного променя, може використовуватися для зміцнення, плавлення, зварювання, різання та свердління від відпалу з нижчою температурою до відповідної обробної головки, фокусуючи увагу на лазерній плямі біля поверхні.
На результуючу взаємодію здебільшого впливають щільність потужності та час впливу на поверхні заготовки. Обидві характеристики можуть варіюватися в межах кожного порядку величини для кожного типу процесу.

4. ЛАЗЕРНИЙ ПРОМІН ПРОЗРІВНО-АБСОРБУЮЧИЙ ЗВ'ЯЗОК

5. ЛАЗЕРНЕ ГІБРИДНЕ ЗВ'ЯЗУВАННЯ

Гібридне склеювання металу та полімерної сировини відкриває нові можливості у галузі технологій склеювання. Лазерно-променеве металополімерне скріплення за принципом лазерно-проникного зварювання пластику також згадується в літературі як LAMP (лазерне металопластикове з'єднання) [3].

Для склеювання в основному потрібна пара лазеропроникних, тобто прозорих, пластикових та металевих елементів, які затискаються між собою. Прозорий матеріал переважно пронизує промінь, тоді як абсорбуючий метал поглинає і генерує в ньому тепло. На поверхні контакту двох матеріалів пластик поглинає частину тепла металу, нагрітого лазерним променем, нагріває його, а потім плавить і заповнює шорстку структуру та мікропорожнини на поверхні металу під тиском. Отримане з'єднання є "невидимим", оскільки зовнішня поверхня з'єднаних елементів не пошкоджена і може бути завантажена після охолодження.

Описаний тип зв'язку LAMP також може бути виконаний з точковою геометрією. У цьому випадку металевий штифт приєднується до пластикової пластини, як уже показано: лазерний промінь, що проходить через пластик, нагріває штифт і передає частину тепла штифта на пластину. Пластина плавиться, і штифт притискається до пластини під тиском, тобто зв’язок є проникаючим зв’язком. Розподіл облігацій LAMP відповідно до вищезазначених аспектів показано на малюнку 1.

Фігура 1. Розділ процедур прив'язки LAMP

Дослідницька група розпочала вивчення явища в області геометрії зв’язку пластинчастого штифта, щоб сприяти кращому та глибшому розумінню, оскільки процес формування зв’язків та фактори та їх вплив, що впливають на характеристики зв’язків, ще недостатньо з’ясовані.

Метою дослідження є визначення основних факторів, що впливають на утворення та властивості зв’язку з обраною геометрією та їх наслідки.

Створення зв’язку

На цьому етапі досліджень на основі попередніх експериментів було обрано полімерний матеріал ПММА із сприятливими пропускними властивостями у вигляді екструдованого листа 2 мм. Загальний конструкційний сталевий штифт (S235JR) діаметром 5 мм був використаний для обв'язки на поглинаючій металевій стороні. Схема експериментальної установки наведена на рисунку 2.

Малюнок 2. Експериментальна установка для створення лазерного гібридного зв’язку

Під час вставки в пристрій елементи, що беруть участь у склеюванні, стискалися пружинною силою, яка відіграє важливу роль у нагріванні пластикової пластини, оскільки лазер нагріває сталь через полімерну пластину, головним чином через верхню поверхню шпилька. На додаток до постійного контакту, нагрітий штифт також нагріває пластик і натискає, коли він розм'якшується. Перша частина формування зв’язку показана на малюнку 3 а.

Під час вдавлення штифта розм’якшений пластик (1) виступає уздовж окружних поверхонь штифта у напрямку, протилежному напрямку заглиблення (2, 3), який з’являється у вигляді задирки навколо штифта.
Після вимкнення лазерного променя задирка застигає, зменшуючи її розмір, втягуючи (3, 4) і обводячи штифт кільцевим способом. (Малюнок 3 b).

Малюнок 3. Процес утворення зв’язків, (а) під час нагрівання, (б) під час охолодження

Структура зв'язку

Створений зв’язок показано на малюнку 4 у вигляді в плані та в перерізі. На фотографії зверху можна помітити, що над передньою поверхнею металевого штифта утворилися маленькі рівномірно розподілені бульбашки, які, згідно з деякою літературою, необхідні для досягнення адекватної міцності зчеплення [8]. Утворення бульбашок можна пояснити місцевим процесом деградації полімеру. У вигляді поперечного перерізу можна помітити, що штифт занурився в пластину ПММА товщиною 2 мм на глибину до декількох десятих мм. Поруч зі стороною входу можна спостерігати отриманий задирок. Геометрія верхньої поверхні пластику не змінювалася на вхідній стороні лазера. Поглиблення на протилежному боці не викликає деформації. (Через світлові умови після клізми пластик ПММА виглядає темним кольором.)

4. Типова структура суглоба, (а) вид зверху, (б) переріз

Результати, представлені в статті, додатково показують вплив деяких вже досліджених факторів впливу, а саме середньої потужності прикладеного імпульсного Nd: YAG-лазера, часу нагрівання, величини сили стискання та шорсткості поверхні металевого штифта . Характеристиками стиків, що виникали, були глибина заглиблення, максимальна сила розтягування та ступінь утворення бульбашок, деякі з яких описані нижче.

Вплив часу нагрівання та сили затискання

Вплив часу нагрівання та сили затискання на силу розтягування видно на малюнку 5. Незважаючи на те, що відступ був різним для коротших часів нагрівання 3, 4 с, різниці в міцності на розрив не було. У часи нагрівання 5, 6 с сила затиску забезпечує збільшення сили розтягування, що пов'язано з тим, що штифт заглибився глибше і кількість бульбашок внаслідок перегріву лише на передній поверхні зменшилася через більший стиск сили. Таким чином, покращилась і матеріальна безперервність.

5. Вплив часу нагрівання та сили затискання на максимальну силу розтягування

Вплив мікрогеометрії металевого штифта

Серед факторів, що впливають, вплив шорсткості поверхні металевого штифта представлений нижче. Лоб і мантійна поверхня шпильок були повернуті. Використовуючи один і той же інструмент для випробування, ми змінили різні шорсткості поверхні на всіх поверхнях, що беруть участь у склеюванні, змінивши технологію точіння. Середні значення шорсткості становили від 1 до 10 мікрометрів.

Вплив середньої шорсткості поверхні на максимальну силу розтягу можна спостерігати на рисунку 6. Відповідно до тієї ж тенденції, що і відступ, збільшується і максимальна сила, середнє значення якої зростає від 200 Н до 400 Н у межах досліджуваного діапазону шорсткості.

6. Вплив середньої шорсткості поверхні на максимальну міцність на розрив

Що стосується сили зчеплення, можна стверджувати, що за рахунок збільшення потужності лазера та часу дії відступ та сила зчеплення збільшуються, і за певної сили та часу дії сила зчеплення може бути додатково збільшена для металевих штифтів з більш високими зусилля притиску та більш груба поверхня.

Вплив металевої штифтової макрогеометрії

При склеюванні, змінюючи макрогеометрію металевого штифта, опір штифта до витягування може бути збільшений, так що сила зчеплення може бути збільшена. Для цього були зроблені різні геометрії штифтів, чотири з яких показані на малюнку 7 (геометрія та структура зв’язку). У кожному випадку промиті геометрії створювали поворотом, починаючи з штифта діаметром 5 мм. (A: циліндрична, B конічна, C: різьба M5, D: фланцева геометрія).

Під час склеювання шпильки занурювали в пластину ПММА товщиною 5 мм на глибину 3 мм, використовуючи нагрівання лазерним променем у різний час. Значення міцності на розрив з'єднань показані на рисунку 8. Можна помітити, що із збільшенням замикання форми сила зчеплення також збільшується з 400 Н до майже 900 Н, що, однак, може бути додатково збільшена.

Малюнок 8. Розвиток сили зв’язування залежно від макрогеометрії для пластини ПММА товщиною 5 мм

У разі різьблення М5 металевий штифт можна відкрутити після склеювання, тоді як профіль різьби залишається в пластиковій пластині. Це створює тут розчинний зв’язок.

6. ПОРІВНЯННЯ ЛАЗЕРНОГО ГІБРИДНОГО ЗВ'ЯЗКУ З ІНШИМИ ПРОЦЕДУРАМИ

З наклеюванням
З метою кращого розташування нової технології LAMP серед вже використовуваних технологій, склеювання також порівнювали із склеюванням. Використовувані клеї також добре змочували пластик та метал, однак міцність скріплених з'єднань у нашому випадку дорівнює або слабша, ніж сила лазерного зв'язку. Діапазон поперечного перерізу зв’язаного та лазерного зв’язку на одній і тій же глибині зенкера (0,9 мм) показано на малюнку 9. Товщина пластини ПММА в цьому випадку становила 2 мм.

Малюнок 9. Вид поперечного перерізу склеєного та лазерного зв’язку

Приклад результатів, отриманих під час розриву, можна побачити на малюнку 10 для 2 типів клею (A, B) та лазерного склеювання. Виходячи зі значень, можна сказати, що лазерний процес може бути конкурентоспроможним з точки зору міцності, на відміну від використовуваних клеїв та зв’язку, виконаного з заданою геометрією.

Малюнок 10. Розвиток міцності на розрив скріпленого та лазерного гібридного зв’язку в пластині ПММА товщиною 2 мм

Додатковою перевагою лазерного металополімерного склеювання перед склеюванням є те, що відсутні додаткові матеріальні витрати, проблеми з обробкою матеріалів (зберігання, доставка на місце, гарантійні терміни, утилізація невикористаних матеріалів, проблеми з якістю постачальника тощо), відсутність сушіння час або інші додаткові операції, пов’язані із склеюванням, і екологічно шкідливі речовини не використовуються.

За допомогою гвинтів

На додаток до дослідження основних явищ, ми хотіли б представити, наприклад, його переваги перед гвинтуванням на прикладі, ближчому до практичної реалізації.

На малюнку 11 зображена кришкова частина. На лівому зображенні показано гвинтове з'єднання, а на правому - лазерний металевий штифт та пластикова пластинка.

Малюнок 11. Приклад застосування для (а) звичайного гвинтового та (б) лазерного гібридного скріплення

Його перевага перед гвинтуванням полягає в тому, що не потрібно свердлити пластиковий диск, щоб операції підготовки зчеплення можна було пропустити і, якщо це важливо, усунути проблеми з ущільненням. Кріплення не потрібно, а також не обробляється та не встановлюється. У разі лазерного скріплення закріплений штифт не виходить з поверхні, забезпечуючи менше місця, і зв’язок залишається невидимим і прихованим від цього напрямку. Відсутність застібки та придатність коротшого штиря зменшують вагу використовуваних матеріалів.

7. РЕЗЮМЕ: НОВА МОЖЛИВОСТЬ У ТЕХНІКІ ГІБРИДНОГО ВЯЗАННЯ

В результаті досліджень можна зробити висновок, що лазерно-променеві метало-полімерні зв’язки можуть утворюватися в геометрії пластин-штифтів. Зараз відомий процес формування утворених зв’язків. Технологія стає дедалі більш керованою.

На основі цих знань міцність зв’язку можна збільшити. Виходячи з останніх результатів дослідження, за допомогою зв'язування інших параметрів сила зв'язування може досягати 900 Н, що може бути додатково збільшено.

Створений зв’язок може бути альтернативою традиційним методам склеювання, таким як клепання, закручування або склеювання.

Отже, в цілому розробляється альтернативна технологія склеювання, яка може не тільки конкурувати з існуючими в певних областях, але і відкривати нові можливості в проектуванні з’єднувальних конструкцій.

Подяки
Автори дякують Національним програмам фінансування наукових досліджень (OTKA) за фінансову підтримку (OTKA 109436) та Henkel Magyarország Kft. Та Rhodium Kft. За підтримку експериментів.

[1]. G.bLiedl, R. Bielak, J. Ivanova, N. Enzinger, G.Figner, J. Bruckner, H. Pasic, M. Pudar, S. Hampel: Приєднання до
Алюміній та сталь у виробництві кузовів автомобілів, LiM 2011, Physics Procedia 12 (2011) 150–156.

[2] Liqun Li, Caiwang Tan, Yanbin Chen, Wei Guo, Changxing Mei: CO2-лазерне зварювання - паяння характеристик різнорідних металів сплаву AZ31B Mg до двофазної сталі з покриттям Zn наповнювачем на основі Mg, Journal of Materials Processing Technology 213 (2013) 361– 375

[3] Р. Стюарт: Ласкаво просимо до новин для FRP, посилена пластмаса, том 55, випуск 1, січень - лютий 2011 р., Сторінки 38–44

[4] Роберт Д. Лівершах: „Метод колонного з’єднання” робить гібриди пластик-метал, технологія пластмас, жовтень 2002 р.

[5] Ф. Моллер, К. Томі, Ф. Воллертсен, П. Шибель, К. Гофмайстер, А. С. Геррман: Новий метод приєднання CFRP до
алюміній, LANE 2010, Physics Procedia 5 (2010) 37–45.

[6] Ю. Кавахіто, К. Нішімото, С. Катаяма: З’єднання лампи між керамікою та пластиком, LiM 2011, Фізика Procedia 12
(2011) 174–178.

[7] Дж. Хоткамп, А. Роснер, А. Гілленр: Досягнення в гібридному лазерному з’єднанні, Міжнародний J. Мануф. Технол. 2010 рік.

[8] С. Катаяма, Ю. Кавахіто: Пряме лазерне з’єднання металу та пластику, Scripta Materialia 59 (2008) 1247-1250.

[9] А.Реснер, С.Шейк, А.Оловінський, А.Гілнер, У.Рейсген, М.Шлесер: Лазерне з’єднання пластикових металів
Гібриди, Фізика Procedia 12 (2011) 373-380.