Лазерна технология на свързване на метални и полимерни материали
Тамас Марковиц, Андор Бауернхубер, Янош Такач | 24.11.2015 г. 11:29 ч
Лазерните технологии, включително свързващите технологии, с тяхното високо и възпроизводимо качество и автоматизация вече са доказани на много места в областта на производството на превозни средства. По този начин те също играят важна роля в технологията на залепване на различни суровини в резултат на тенденциите за отслабване. Представените в статията нови знания предоставят информация за създаването на лазерно свързване на метални и полимерни суровини, някои от основните характеристики на образуваната връзка.
1. РАЗРАБОТКА НА СУРОВИНИ И ТЕХНОЛОГИИ
Има няколко решения за задоволяване на необходимостта от непрекъснато отслабване в областта на автомобилите в продължение на много години. Едно от тези решения е да се използват материали от същата група суровини (например стомани), но с по-висока якост с по-малка дебелина. Като алтернатива могат да бъдат включени материали и компоненти с по-ниска плътност и общо по-ниско тегло от стоманата.
Самото използване на по-нови суровини не би било възможно, ако не се обърнем към по-нататъшното развитие на производствената технология. Следователно технологията на свързване на съставните елементи трябва да следва новите комбинации от суровини.
2. МЕТАЛНО-ПЛАСТМАСОВИ ХИБРИДНИ СТАВИ
Поради сдвояването на метал и полимер, традиционните технологии за залепване, като завинтване, занитване и залепване, вече се използват на няколко места. Има обаче някои по-нови методи, които позволяват двата материала да се комбинират по различни начини. Един такъв метод е Insert Molding, при който пластмасата се формова чрез инжектиране върху метална част, поставена в инжекционна форма, така че комбинацията от благоприятните свойства на двата материала може да се използва за получаване на хибридна структура. Конкретен пример за приложение е предният краен панел, където кухата част на дълбоко изтегления компонент от стоманена плоча е формована с пластмасови ребра, за да се осигури очакваната твърдост при по-ниско тегло [3].
Друг хибриден метод на свързване е Collar Joining, при който на отвора в стоманен лист се образува яка с помощта на пластмаса, образуваща около отвора, перпендикулярна на равнината на листа и тази яка се притиска в част от пластмасов лист в следваща фаза. Това създава прилепваща форма между двата материала, което означава по-здрава връзка по отношение на срязване [4].
По този начин може да се види, че има няколко различни решения, които могат да се използват за сдвояване на метални и полимерни материали. Сред най-съвременните процеси ние се фокусираме върху технологиите с лазерни лъчи, които вече са доказали способността си да решават висококачествени решения на нови технически предизвикателства в много случаи.
3. ПРОЦЕДУРИ ЗА ЛАЗЕРЕН ЛЪЧ ПРИ ПРОИЗВОДСТВО НА ПРЕВОЗНИ СРЕДСТВА
С развитието на производствените технологии, технологиите с лазерни лъчи се използват все повече и повече във все повече области. Възползвайки се от добрата автоматизация на лазерните технологии, добър контрол на качеството и производителност, можем да намерим няколко места в производството на превозни средства. Лазерните технологии могат да се използват много широко поради факта, че светлинният лъч, извлечен от източника на лазерния лъч, може да се използва за втвърдяване, топене, заваряване, рязане и пробиване от отгряване с по-ниска температура до подходящата обработваща глава, фокусирайки се върху лазерно петно близо до повърхността.
Полученото взаимодействие се влияе най-вече от плътността на мощността и времето на експозиция на повърхността на детайла. И двете характеристики могат да варират в рамките на всеки порядък за всеки тип процес.
4. ЛАЗЕРЕН ГРЪМ ПРОЗРАЧНО-АБСОРБИРАЩО ВРЪЗАНЕ
5. ЛАЗЕРНО ХИБРИДНО СВЪРЗВАНЕ
Хибридното свързване на метални и полимерни суровини отваря нови възможности в областта на свързващите технологии. Лазерно-лъчево метално-полимерно свързване, използвайки принципа на лазерно пропускливо заваряване на пластмаса, също се нарича в литературата като LAMP (лазерно подпомагане на металопластични съединения) [3].
Залепването основно изисква двойка лазерно пропусклива, т.е. прозрачна, пластмаса и метален елемент, които са затегнати заедно. Прозрачният материал прониква предимно в лъча, докато абсорбиращият метал поглъща и генерира топлина в него. На контактната повърхност на двата материала пластмасата поглъща част от топлината на метала, нагряван от лазерния лъч, загрява го и след това го топи и запълва грапавата структура и микрокухините на повърхността на метала под налягане. Полученото съединение е „невидимо“, тъй като външната повърхност на свързаните елементи не е повредена и може да бъде натоварена след охлаждане.
Описаният тип LAMP връзка може да бъде направен и с геометрия на точката. В този случай метален щифт е свързан към пластмасова плоча, както вече беше показано: лазерен лъч, преминаващ през пластмасата, загрява щифта и прехвърля част от топлината на щифта към плочата. Плочата се топи и щифтът се притиска в плочата от приложеното налягане, т.е. връзката е проникваща връзка. Разделянето на LAMP облигации съгласно гореспоменатите аспекти е илюстрирано на фигура 1.
| Фигура 1. Разделяне на процедурите за обвързване на LAMP |
Изследователският екип започна да изучава явлението в областта на геометрията на връзката плоча-щифт, за да насърчи по-добро и по-задълбочено разбиране, тъй като процесът на образуване на връзки и факторите и техните ефекти, влияещи върху характеристиките на връзката, все още не са достатъчно изяснени.
Целта на изследването е да се определят основните фактори, влияещи върху образуването и свойствата на връзката с избраната геометрия и техните ефекти.
Създаване на връзка
На този етап от изследването, въз основа на предварителните експерименти, полимерният материал PMMA с благоприятни пропускливи свойства е избран под формата на 2 mm екструдиран лист. За свързване от абсорбиращата метална страна е използван общ конструктивен стоманен щифт (S235JR) с диаметър 5 mm. Схемата на експерименталната настройка е показана на фигура 2.
| Фигура 2. Експериментална настройка за създаване на лазерна хибридна връзка |
По време на поставянето в устройството, елементите, участващи в свързването, се компресират от пружинна сила, която играе основна роля при нагряването на пластмасовата плоча, тъй като лазерът нагрява стоманата през полимерната плоча, главно през горната повърхност на щифт. В допълнение към непрекъснатия контакт, загрятият щифт също загрява пластмасата и натиска, докато омекне. Първата част от образуването на връзка е показана на фигура 3а.
По време на вдлъбнатината на щифта омекотената пластмаса (1) изпъква по периферните повърхности на щифта в посока, обратна на посоката на вдлъбнатината (2, 3), която се появява под формата на чертичка около щифта.
След изключване на лазерния лъч, резето се втвърдява, като намалява размера си чрез прибиране (3, 4) и обграждане на щифта пръстеновидно. (Фигура 3 б).