Laser połączy tworzywo z metalem?

214

Wraz z popularyzacją lekkich konstrukcji m.in. w motoryzacji, lotnictwie czy produkcji AGD kwestia efektywnego łączenia tworzyw sztucznych z metalami istotnie zyskała na znaczeniu. A to napędza badania nad możliwościami wykorzystania w tych procesach wiązki laserowej. Czy spawanie laserowe może w przyszłości zastąpić nity i kleje?

Tzw. lekkie konstrukcje na dobre zdominowały przemysł motoryzacyjny: szacuje się, że obecnie tworzywa stanowią już 18% całkowitej masy pojazdów poruszających się po drogach. Dla użytkowników stanowią one konkretną korzyść – ograniczają zużycie paliwa. Jednak konstruktorom samochodów sprawiają sporo kłopotów: hybrydowe karoserie budowane ze stali, aluminium i różnego rodzaju kompozytów, w tym wzmacnianych włóknami, wymagają bowiem odmiennego podejścia do łączenia poszczególnych komponentów. Nie tylko zresztą one: wielomateriałowe konstrukcje wykorzystywane są coraz powszechniej także do budowy turbin wiatrowych, zbiorników ładunkowych statków, obudów akumulatorów i smartfonów, instrumentów diagnostycznych w medycynie, wyświetlaczy sprzętu AGD czy opraw LED.

Technologia z potencjałem

 Jeszcze kilka lat temu do łączenia metali z tworzywami sztucznymi powszechnie stosowano połączenia mechaniczne i klejone. Pierwsze obejmowały głównie nitowanie (nity zrywalne) i skręcanie z wykorzystaniem specjalnych, gwintowanych wkładek. W procesach klejenia furorę robiły zaś szybkowiążące kleje strukturalne na bazie cyjanoakrylu. Obie metody mają jednak swoje wady: połączenia mechaniczne sprzyjają powstawaniu korozji kontaktowej (nity), a w przypadku skręcania wymagają starannego przygotowania otworu z uwzględnieniem naprężeń miejscowych; zaś klejenie zajmuje sporo czasu i przynosi kiepskie rezultaty w przypadku tworzyw gładkich.

Dynamiczny rozwój technologii laserowych sprawił, że do sztafety dołączył jeszcze jeden zawodnik – spawanie laserowe. W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod spawania, takich jak spawanie łukowe, TIG czy MIG/MAG, nie powoduje ono bowiem trwałego rozpadu struktury makrocząsteczkowej tworzywa pod wpływem dostarczenia punktowo dużej ilości energii. Jak to możliwe? Laser ma co prawda większą moc w przeliczeniu na jednostkę powierzchni niż konwencjonalne spawarki, ale nie podaje jej na tworzywo, lecz na znajdujący się pod nim metal. W procesie tym wykorzystuje się bowiem metodę spawania penetracyjnego z wykorzystaniem połączeń zakładkowych, w których warstwę górną tworzy „przezroczyste” dla lasera tworzywo, zaś warstwę dolną – metal. Wiązka, przechodząc przez polimer, pada na metal, który absorbuje jej energię i przekształca ją w ciepło roztapiające warstwę tworzywa. W efekcie polimer łączy się z metalem, a następnie zastyga, tworząc spoinę. Powstające w tym procesie połączenie jest trwałe, a przede wszystkim niewidoczne z zewnątrz.

Nie każdy laser, nie każde tworzywo

Aby metoda ta przyniosła oczekiwane rezultaty, konieczne jest jednak spełnienie kilku nie zawsze prostych warunków. Po pierwsze, należy odpowiednio dobrać źródło laserowe, a konkretnie: zakres długości fali wiązki laserowej (λ). Najczęściej do spawania tworzyw z metalami wykorzystuje się lasery diodowe o λ = 980 nm lub włóknowe o λ =1070 nm. Obie te długości fali mieszczą się w paśmie bliskiej podczerwieni, stosowanym np. w noktowizorach. Lasery włóknowe są przy tym dużo bardziej uniwersalne: można je wykorzystywać także w procesach cięcia czy obróbki powierzchni, co czyni inwestycję w nie bardziej opłacalną.

Po drugie, konieczny jest dobór takiego tworzywa, które słabo absorbuje promieniowanie laserowe o danej długości fali, a tym samym jest „niewidoczne” dla wiązki, umożliwiając jej swobodne przenikanie przez jego powierzchnię. Warunek ten o tyle łatwo spełnić, że większość popularnych termoplastów wykazuje słabą absorpcję promieniowania podczerwonego. Przykładem takiego polimeru jest choćby PET, który pochłania zaledwie 10% energii generowanej przez laser diodowy.

I po trzecie, materiał trzeba odpowiednio rozgrzać, aby zapewnić równomierny rozkład wytrzymałości na całej powierzchni połączenia. Jednym z rozwiązań umożliwiających przezwyciężenie tej trudności jest strukturyzacja powierzchni metalu przed spawaniem. W procesie tym można teoretycznie wykorzystać sam laser (zwłaszcza włóknowy). Wymaga to jednak dopracowania technologii strukturyzacji pod kątem uproszczenia całego procesu.

Bariera nie do przejścia?

Ponieważ technologia spawania laserowego tworzyw z metalami znajduje się w stosunkowo wczesnej fazie rozwoju, można spodziewać się, że część wymienionych trudności zostanie z czasem wyeliminowana, chociażby przez upowszechnienie dodatków modyfikujących absorpcyjność tworzywa. Już dziś modyfikatory takie stosowane są powszechnie do zwiększania owej absorpcyjności w procesach spawania tworzyw z innymi polimerami.

Największą słabością technik łączenia z selektywnym doprowadzaniem ciepła nie jest jednak parametryzacja procesu, lecz fakt, że spawać czy zgrzewać można jedynie termoplasty i elastomery termoplastyczne, a więc materiały podatne na wielokrotne formowanie cieplne. Formowaniu takiemu nie mogą być natomiast poddawane duromery i duroplasty, gdyż ich struktura pod wpływem ciepła ulega nieodwracalnym uszkodzeniom. I wydaje się, że właśnie ta kwestia może okazać się rozstrzygająca dla przyszłości spawania laserowego polimerów z metalami, ograniczając zakres jego stosowania do wybranej grupy procesów o największej wartości dodanej.

Źródło: Redakcja Portal Przemysłowy