Статья

Лазерная сварка метала и пластика: Факт или выдумка?

Одним из основ­ных фак­то­ров, сти­му­ли­ру­ю­щих авто­мо­биль­ную про­мыш­лен­ность, оста­ется про­из­вод­ство авто­мо­би­лей с мень­шим весом без уве­ли­че­ния конеч­ной сто­и­мо­сти или ухуд­ше­ния харак­те­ри­стик, каче­ства и без­опас­но­сти. Хотя для кон­струк­ции авто­мо­биль­ных кре­сел это обычно сво­дится лишь к при­ме­не­нию более тон­ких метал­лов с повы­шен­ной проч­но­стью, в послед­ние годы так же рас­смат­ри­ва­ется при­ме­не­ние ком­по­зит­ных мате­ри­а­лов. Имеет место как при­ме­не­ние гибрид­ных струк­тур, состо­я­щих только из метал­лов, так и кон­струк­ций, где эле­менты из метала допол­ня­ются пла­сти­ками/ком­по­зи­тами.

При­ме­не­ние подоб­ных гибрид­ных мате­ри­а­лов ста­вит мно­же­ство раз­лич­ных задач, не послед­ней среди кото­рых явля­ется соеди­не­ние раз­но­род­ных мате­ри­а­лов, отли­ча­ю­щихся по хими­че­скому составу, меха­ни­че­ским и тем­пе­ра­тур­ным свой­ствам. Боль­шая часть тра­ди­ци­он­ных тех­но­ло­гий, таких как скле­и­ва­ние, меха­ни­че­ское соеди­не­ние, мно­го­слой­ное литьё, а также их ком­би­на­ции, при­во­дят к боль­шому коли­че­ству сбо­роч­ных опе­ра­ций и / или накла­ды­вают огра­ни­че­ния в воз­мож­но­сти про­ек­ти­ро­ва­ния.

Сего­дня на посто­янно рас­ту­щем рынке про­мыш­лен­ных при­ме­не­ний лазеры также пред­ла­гают аль­тер­на­тив­ный метод для пря­мого соеди­не­ния пла­стика/ком­по­зита с метал­лом. Метод сни­мает потреб­ность в клеях или кре­пеж­ных эле­мен­тах и пред­ла­гает высо­кую гиб­кость про­цесса в кон­тра­сте с меха­ни­че­скими соеди­не­ни­ями, ком­плекс­ными, а также доро­го­сто­я­щими пресс-фор­мами. Для изу­че­ния воз­мож­но­стей этой тех­но­ло­гии ком­па­ния Faurecia Automotive Seating уста­но­вила парт­нер­ские отно­ше­ния с про­ек­том PMjoin [1].

Этапы лазерной обработки

Метод лазер­ной обра­ботки состоит из двух эта­пов. Пер­вый – созда­ние мик­ро­струк­туры в виде насе­чек, путем сани­ро­ва­ния лазер­ного излу­че­ния по поверх­но­сти металла. Ширина насе­чек состав­ляет всего несколько мик­рон, при этом глу­бина может варьи­ро­ваться за счет воз­мож­но­сти мно­го­крат­ных про­хо­дов по той же тра­ек­то­рии. На иллю­стра­ции 1 пока­заны два вида насе­чек:


  1. сверху, сфор­ми­ро­ван­ные излу­че­нием одно­мо­до­вого воло­кон­ного лазера, рабо­та­ю­щего в непре­рыв­ном режиме, они имеют неод­но­род­ное сече­ние, в отсут­ствие выплеска на поверх­но­сти;
  2. внизу, сфор­ми­ро­ван­ные нано­се­кунд­ным импульс­ным лазе­ром, отли­ча­ются одно­род­но­стью по форме и нали­чием выплеска на поверх­но­сти.

На вто­ром этапе пла­стик поме­ща­ется поверх струк­ту­ри­ро­ван­ного металла и нагре­ва­ется до тем­пе­ра­туры плав­ле­ния. Пла­стики про­зрач­ные для излу­че­ния лазера с этой дли­ной волны, не могут быть обра­бо­таны напря­мую. В таком слу­чае энер­гия пере­да­ется в зону соеди­не­ния, про­ходя через пла­стик и погло­ща­ясь в металле. Это при­во­дит к нагреву металла и, в силу пло­хой теп­ло­про­вод­но­сти пла­стика, обра­зу­ются горя­чие точки, рас­плав­ля­ю­щие пла­стик.

Непро­зрач­ные для излу­че­ния пла­стики, наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ные среди авто­мо­биль­ных пла­сти­ков/ком­по­зи­тов, нагре­ва­ются со сто­роны металла за счет его теп­ло­про­вод­но­сти. Когда тем­пе­ра­тура дости­гает необ­хо­ди­мого уровня, пла­стик начи­нает оплав­ляться. В обоих слу­чаях необ­хо­дим хоро­ший кон­троль тем­пе­ра­туры для исклю­че­ния пере­грева (при­во­дит к обра­зо­ва­нию пор) или обуг­ли­ва­ния.

Хотя метод нагрева за счет теп­ло­про­вод­но­сти металла не явля­ется энер­го­эф­фек­тив­ным, он так же эффек­ти­вен для созда­ния надеж­ного соеди­не­ния, как и метод, при кото­ром излу­че­ние про­хо­дит через пла­стик. В дан­ном слу­чае нагрев со сто­роны металла про­из­во­дился при помощи диод­ного лазера, рабо­та­ю­щего в непре­рыв­ном режиме. Вне зави­си­мо­сти от выби­ра­е­мого типа нагрева необ­хо­димо при­кла­ды­вать дав­ле­ние для обес­пе­че­ния эффек­тив­ной пере­дачи тепла от металла к пла­стику. В тот момент, когда тем­пе­ра­тура пла­стика дости­гает точки плав­ле­ния, он про­дав­ли­ва­ется в бороздки, состав­ля­ю­щие мик­ро­струк­туру на поверх­но­сти металла, при осты­ва­нии фор­ми­руя меха­ни­че­ские зацеп­ле­ния.

Концепт конструкции автомобильного кресла

В рам­ках про­екта PMjoin ком­па­ния Faurencia раз­ра­бо­тала кон­цепт спинки сиде­нья, создан­ный на основе одной из типо­вых сталь­ных кон­струк­ций, заме­нив две высо­ко­проч­ных сталь­ных боко­вины на ана­логи, изго­тов­лен­ные из ком­по­зита PAGF30. Осталь­ные части сиде­нья, вклю­чая верх­ние и ниж­ние попе­ре­чины спинки, осно­ва­ние и направ­ля­ю­щие оста­ва­лись метал­ли­че­скими и без изме­не­ний.


В пер­вой части про­ек­ти­ро­ва­ния изу­ча­лось вли­я­ние пара­мет­ров мик­ро­струк­ту­ри­ро­ва­ния на меха­ни­че­ские свой­ства соеди­не­ния. Для этих целей был создан набор образ­цов с раз­лич­ной ком­би­на­цией кана­вок, кото­рые в даль­ней­шем испы­ты­ва­лись на рас­тя­же­ние и отрыв. Среди иссле­ду­е­мых пара­мет­ров были число цик­лов обра­ботки, плот­ность бороз­док (рас­сто­я­ние между сосед­ними лини­ями), угол их направ­ле­ния по отно­ше­нию к поверх­но­сти мате­ри­ала, ори­ен­та­ция направ­ле­ния бороз­док к направ­ле­нию при­ла­га­е­мой нагрузки, тип лазера и его мощ­ность. При исполь­зо­ва­нии про­стой формы кана­вок проч­ность на сдвиг может дости­гать 17Н/мм<sup>2</sup>, что вдвое пре­вы­шает зна­че­ния для шеро­хо­ва­той поверх­но­сти (полу­чен­ной при пес­ко­струй­ной обра­ботке) и в четыре – для необ­ра­бо­тан­ной (без дефек­тов) метал­ли­че­ской поверх­но­сти.


Как уже было пока­зано выше, за счет при­ме­не­ния раз­лич­ных лазе­ров воз­можно полу­чать раз­лич­ную гео­мет­рию кана­вок, фор­ми­ру­ю­щих мик­ро­струк­туру. Оба типа бороз­док – неод­но­род­ных и рав­но­мер­ных, поз­во­ляют фор­ми­ро­вать зацеп­ле­ния при про­дав­ли­ва­нии.

На вто­ром этапе изу­че­ния резуль­таты, полу­чен­ные на неболь­ших образ­цах, были отмас­шта­би­ро­ваны для при­ме­не­ния в кон­струк­ции кон­цепта. Меха­ни­че­ские нагрузки в точ­ках соеди­не­ния – таких как, креп­ле­ния верх­ней и ниж­ней попе­ре­чины с ком­по­зит­ными боко­ви­нами, а также всей спинки в сборе с осно­ва­нием сиде­нья, были рас­счи­таны мето­дом конеч­ных эле­мен­тов для сталь­ной кон­струк­ции.

Для исполь­зу­е­мой ранее кон­струк­ции боко­вин потре­бо­ва­лась неболь­шая дора­ботка, обес­пе­чи­ва­ю­щая доста­точ­ную пло­щадь соеди­не­ния. Также были раз­ра­бо­таны новые сталь­ные крон­штейны для креп­ле­ния ком­по­зит­ных боко­вин к осно­ва­нию. Допол­ни­тельно были скон­стру­и­ро­ваны и изго­тов­лены под­хо­дя­щие кре­пежи и пози­ци­о­неры.

Результаты тестов

С уче­том пара­мет­ров, полу­чен­ных при мас­штаб­ном про­ек­ти­ро­ва­нии, был изго­тов­лен неболь­шой набор спи­нок с новой кон­струк­цией, поле чего они под­верг­лись испы­та­нию на ква­зи­ста­ти­че­ский перед­ний и зад­ний удары. Оба теста должны пока­зать, как раз­ви­ва­ется раз­ру­ше­ние, а дина­ми­че­ские удары пока­зали, как ведет себя подоб­ная кон­струк­ция в реаль­ной жизни. В то время, как послед­нее испы­та­ние пока­зы­вает лишь, про­шла ли кон­струк­ция испы­та­ние или нет, ква­зи­ста­ти­че­ский тест поз­во­ляет точно уста­но­вить уси­лие, при кото­ром воз­ни­кает раз­рыв.

Кон­цепт гибрид­ной спинки не про­шел испы­та­ния при уровне нагрузки в 60% от тако­вой для пол­но­стью сталь­ных кон­струк­ций, при этом при ква­зи­ста­ти­че­ском воз­дей­ствии сзади это зна­че­ние достигло уровня 90%. Тем не менее, это поло­жи­тель­ный пер­вый резуль­тат. Недо­статки, про­де­мон­стри­ро­ван­ные пер­выми образ­цами, пока­зали, что раз­ра­бо­тан­ная кон­струк­ция обла­дает доста­точ­ной жест­ко­стью. Из-за огра­ни­чен­ного бюд­жета сталь­ные и ком­по­зит­ные детали, исполь­зо­ван­ные в дан­ном про­екте, имели мини­маль­ные дора­ботки. Основ­ной потен­циал зало­жен в одно­вре­мен­ном изме­не­нии сталь­ных и ком­по­зит­ных эле­мен­тов для улуч­ше­ния их вза­и­мо­дей­ствия и, как резуль­тат, свойств всей сборки. Несмотря на это, кон­цепты сиде­ний про­шли тест с дина­ми­че­ским столк­но­ве­нием.

Это опыт­ное иссле­до­ва­ние ясно пока­зы­вает, что при­ме­не­ние метода лазер­ной пря­мой сварки металла и пла­стика явля­ется аль­тер­на­ти­вой кле­е­вым и меха­ни­че­ским соеди­не­ниям, а также литью. Осно­ван­ная на этих резуль­та­тах тех­но­ло­гия может при­ме­няться для гибрид­ных сбо­рок.


Однако еще пред­стоит боль­шая работа до пол­ного серий­ного про­из­вод­ства гибрид­ных узлов. Это потре­бует пере­смотра кон­струк­ции для мак­си­мально эффек­тив­ного исполь­зо­ва­ния потен­ци­ала мате­ри­а­лов и полу­че­ния меха­ни­че­ской проч­но­сти и дол­го­сроч­ной стой­ко­сти к внеш­ним воз­дей­ствиям, таким как тем­пе­ра­тура и влаж­ность. Так, воз­можно раз­ви­тие в направ­ле­нии аль­тер­на­тивы для метода нагрева.


Подготовлено по материалам:
GEERT VERHAEGHE, ROLF BECKSCHWARTE,and SREENIVAS PARUCHURI – Laser joining metal to plastic: Fact or fiction? [ILS]

Ссылки:
[1] PMjoin