Saldatura laser: Realizzare l'incollaggio metallo-composito

Le connessioni tra metallo e polimeri sono le strutture leggere ideali per le automobili. L'efficace processo di connessione tra materiali compositi come il polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) o il polimero rinforzato con fibra di vetro (GFRP) e componenti metallici ha ricevuto molta attenzione con l'emergere di strutture automobilistiche leggere (vedi Figura 1).

L'unione tra materiali diversi è fondamentale per la sicurezza e gli aspetti funzionali dell'industria automobilistica.

I requisiti dell'industria automobilistica sono chiari: il processo di incollaggio deve essere veloce, affidabile e automatizzato.

La Tabella 1 elenca i tre metodi più comuni per collegare materiali compositi e componenti metallici nei processi industriali, tra i quali la saldatura laser è forse il metodo più recente, ma necessita ancora di ulteriori ricerche e miglioramenti. Questi problemi non riguardano solo l'efficienza, ma anche la resistenza e l'invecchiamento delle parti di collegamento. In questo articolo verranno discussi in dettaglio questi aspetti.

Tabella 1: Metodi di connessione per materiali compositi

Nozioni di base sulla tecnologia di saldatura laser

Il nascosto processo di saldatura laser per collegare materiali compositi e parti metalliche consiste principalmente in due fasi. Nella prima fase, la parte metallica viene trattata con il laser per formare una microstruttura sulla sua superficie.

Questo processo può essere realizzato utilizzando un laser a fibra monomodale a onda continua con una potenza nominale di circa 1 kW. Il laser scansiona la superficie del pezzo metallico per formare una scanalatura regolare con una geometria a spigolo vivo (vedi Figura 2).

A causa dell'elevata intensità del raggio laser, il metallo fonde e vaporizza parzialmente durante il processo di ablazione. La pressione evaporativa spruzza il materiale e una parte del materiale schizzato si solidifica sul bordo della scanalatura, formando un certo grado di struttura del bordo mordente sulla scanalatura.

Per far sì che il polimero si leghi maggiormente alla superficie metallica, è possibile aumentare la densità della microstruttura superficiale, ad esempio scansionando le scanalature con il raggio laser ad un angolo di 90° (vedere Figura 3).

Esiste un altro processo in grado di ottenere questa strutturazione superficiale. Questo processo può essere eseguito utilizzando laser a impulsi ultracorti (USP) per creare una struttura superficiale simile a una spugna con sporgenze coniche.

Questa struttura superficiale può essere ottenuta su vari materiali come acciaio, alluminio, silicio e titanio. L'adesione del polimero su questa superficie è migliore di quella della microstruttura prodotta dalla fibra. lavorazione laser. L'unico problema è che la velocità di elaborazione dei laser USP è più lenta.

Quando i laser USP raggiungeranno una potenza media di kilowatt (come previsto in un altro progetto Fraunhofer), potrebbero essere una scelta migliore per la microstrutturazione delle superfici metalliche utilizzate per l'incollaggio dei materiali compositi.

Nella seconda fase di collegamento dei materiali compositi con le parti metalliche, il polimero viene riscaldato fino alla fusione.

Quindi, il polimero viene pressato nella microstruttura sulla superficie della parte metallica e, dopo il raffreddamento, si ottiene una buona connessione tra il polimero e la parte metallica.

Esistono diversi metodi per riscaldare il polimero: un metodo prevede il riscaldamento del polimero (come nello stampaggio a iniezione tradizionale) e la successiva pressione nella scanalatura, mentre un altro metodo prevede il riscaldamento della parte metallica e la sua pressione sul polimero freddo.

La conduzione del calore fa sì che il polimero si sciolga e fluisca nella microstruttura sulla superficie della parte metallica. Entrambi i metodi possono formare una connessione composita polimero-metallo.

La prima fase della microstrutturazione laser è un processo rapido e senza contatto. L'attuale processo di connessione può essere facilmente integrato nei processi produttivi esistenti, come lo stampaggio a iniezione o lo stampaggio. Pertanto, il metodo di saldatura laser è generalmente un processo rapido ed economico adatto alla produzione di massa.

Prove di stress meccanico

Nelle applicazioni pratiche, le parti in composito collegate da metallo e polimero possono essere soggette a carichi multiassiali, in fase o fuori fase. Per tutte le applicazioni, sorgono diverse domande: quanta pressione può sopportare un giunto di questo tipo? Dove si romperà? Cosa significa questo per il processo di connessione?

Per rispondere a queste domande, gli esperti del Fraunhofer ILT in Germania hanno condotto una serie di test di pressione utilizzando diversi materiali (vedi Figura 4). In un caso, hanno realizzato un campione di prova costituito da una lastra di acciaio inossidabile di 1,5 mm di spessore. lamiera d'acciaio e una striscia di polipropilene (PP) rinforzato con fibra di vetro di 3 mm di spessore per le prove di trazione-taglio, e un PP non rinforzato per le prove di trazione.

La superficie metallica è stata lavorata con un laser a fibra monomodale con una potenza nominale di 1 kW e un diametro focalizzato di circa 40 μm per formare una struttura riproducibile di scanalatura del bordo di masticazione. La parte in polimero è stata riscaldata con un laser a semiconduttore da 3 kW (potenza di circa 300-700 W), con una dimensione dello spot di 7,5×25 mm.². Le due parti sono state fissate insieme con un serraggio pressione di 3 bar, e l'area di incollaggio del provino di prova di trazione-taglio (acciaio + PP) era di 150 mm², mentre quella del provino per la prova di trazione (acciaio + PP) era di 100 mm².

Cinque campioni di ciascun tipo sono stati sottoposti a prove distruttive. La resistenza di connessione della microstruttura con una distanza tra le scanalature di 400 μm è stata testata con un carico di trazione-taglio di 13,1 MPa, mentre la resistenza di connessione con una distanza tra le scanalature di 300 μm è stata misurata con un carico di trazione-taglio di 15,5 MPa. Nella prova di carico di trazione, i campioni hanno sopportato carichi rispettivamente di 5,1 MPa (distanza tra le scanalature di 400 μm) e 9,1 MPa (distanza tra le scanalature di 300 μm).

È chiaro che le microstrutture dense hanno una migliore adesione, ma va notato che le microstrutture dense aumentano il tempo di lavorazione.

I ricercatori hanno condotto test simili su lega di magnesio piatti. Tutti i risultati dei test hanno dimostrato che il laser tecnologia di saldatura può stabilire una connessione forte e affidabile tra parti in metallo e polimeri.

Test di invecchiamento

Un altro problema nella produzione di automobili è se tali connessioni possono soddisfare i requisiti dei cambiamenti climatici e della corrosione.

Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno condotto diversi test. Hanno eseguito test standard di cambiamento climatico su campioni di connessione in composito secondo la norma VW PV 1200, con temperature comprese tra 80 e 40℃.

Un ciclo di prova è durato 12 ore, ripetuto per 2, 10 e 30 cicli. I campioni sono stati sottoposti a prove distruttive di resistenza alla trazione e al taglio prima e dopo il test di cambiamento climatico.

Tutti i risultati delle prove hanno mostrato che i campioni potevano resistere a valori di pressione compresi tra 8 e 15 MPa. Durante la prova si è verificato un fenomeno interessante al di fuori dell'area di incollaggio.

Dopo aver ripetuto il test per 30 cicli, le parti esterne all'area di incollaggio non hanno superato il test di resistenza. In altre parole, l'area di incollaggio era ancora più resistente del materiale originale in polipropilene.

Questo fenomeno è stato ancora più marcato nella prova di corrosione. Il test in nebbia salina è stato eseguito per 7 giorni secondo la norma VDA62I-415. La prova comprendeva condizioni di nebbia salina e umidità elevata. Prima del test, tutti i campioni potevano resistere a forze di circa 8 MPa e 15 MPa.

Dopo il test di corrosione, tutti i materiali in PP/T40 si sono rotti all'esterno dell'area di incollaggio, mentre i materiali in GFRP si sono rotti all'interno dell'area di incollaggio, ma con una resistenza maggiore rispetto a prima della corrosione. I campioni in acciaio hanno mostrato ruggine, soprattutto nell'area della microstruttura.

La penetrazione della corrosione nell'area di incollaggio era evidente, ma non influiva in modo significativo sulla resistenza dell'incollaggio. L'area della microstruttura al di fuori dell'area di incollaggio della piastra in alluminio anche il metallo ha mostrato segni di corrosione, ma non all'interno dell'area di incollaggio. Una conclusione diretta è che qualsiasi area di microstruttura aperta sul metallo dovrebbe essere evitata.

I test hanno dimostrato che connessione laser è in grado di stabilire connessioni altamente affidabili tra piastre metalliche e materiali plastici.

I test climatici e di corrosione standard non hanno influito sulla forza di adesione. Dopo un periodo di invecchiamento, si è verificata la rottura della plastica stessa e non dell'area di incollaggio. Le aree di microstruttura aperte sul metallo dovrebbero essere evitate.