Soldagem a laser: Realize a ligação de metal com composto

As conexões de metal e polímero são as estruturas leves ideais para automóveis. O processo de conexão eficaz entre materiais compostos, como o polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) ou o polímero reforçado com fibra de vidro (GFRP), e componentes metálicos tem recebido muita atenção com o surgimento de estruturas automotivas leves (veja a Figura 1).

A união entre diferentes materiais é fundamental para a segurança e os aspectos funcionais do setor automotivo.

As exigências do setor automotivo são claras: o processo de colagem deve ser rápido, confiável e automatizado.

A Tabela 1 lista os três métodos mais comuns de conexão de materiais compostos e componentes metálicos em processos industriais, entre os quais a soldagem a laser pode ser o método mais recente, mas ainda precisa de mais pesquisas e aprimoramentos. Esses problemas não envolvem apenas a eficiência, mas também a resistência e o envelhecimento das peças de conexão. Este artigo discutirá esses problemas em detalhes.

Tabela 1: Métodos de conexão para materiais compostos

Básico da tecnologia de soldagem a laser

Oculto processo de soldagem a laser para conectar materiais compostos e peças metálicas consiste principalmente em duas etapas. Na primeira etapa, a peça de metal é tratada com um laser para formar uma microestrutura em sua superfície.

Esse processo pode ser realizado com um laser de fibra monomodo de onda contínua com uma potência nominal de cerca de 1 kW. O laser escaneia a superfície da peça de metal para formar uma ranhura regular com uma geometria de borda cortante (consulte a Figura 2).

Devido à alta intensidade do feixe de laser, o metal derrete e vaporiza parcialmente durante o processo de ablação. A pressão evaporativa pulveriza o material, e parte do material pulverizado se solidifica na borda da ranhura, formando um certo grau de estrutura de borda cortante na ranhura.

Para fazer com que o polímero se una mais à superfície do metal, a densidade da microestrutura da superfície pode ser aumentada, por exemplo, ao escanear as ranhuras com o feixe de laser em um ângulo de 90° (consulte a Figura 3).

Há outro processo que pode alcançar essa estruturação de superfície. Esse processo pode ser realizado com lasers de pulso ultracurto (USP) para criar uma estrutura de superfície semelhante a uma esponja com saliências cônicas.

Essa estrutura de superfície pode ser obtida em vários materiais, como aço, alumínio, silício e titânio. A adesão do polímero nessa superfície é melhor do que a da microestrutura produzida pela fibra processamento a laser. O único problema é que a velocidade de processamento dos lasers USP é mais lenta.

Quando os lasers USP atingirem a potência média em nível de quilowatt (conforme previsto em outro projeto da Fraunhofer), eles poderão ser a melhor opção para a microestruturação da superfície metálica usada para a colagem de materiais compostos.

Na segunda etapa da conexão de materiais compostos com peças metálicas, o polímero é aquecido até derreter.

Em seguida, o polímero é pressionado na microestrutura da superfície da peça metálica e, após o resfriamento, obtém-se uma boa conexão entre o polímero e a peça metálica.

Existem diferentes métodos para aquecer o polímero: um método envolve aquecer o polímero (como na moldagem por injeção tradicional) e depois pressioná-lo na ranhura, enquanto outro método envolve aquecer a peça de metal e pressioná-la sobre o polímero frio.

A condução de calor faz com que o polímero derreta e flua para a microestrutura na superfície da peça metálica. Ambos os métodos podem formar uma conexão composta de polímero e metal.

A primeira etapa da microestruturação a laser é um processo rápido e sem contato. O processo de conexão real pode ser facilmente integrado aos processos de produção existentes, como moldagem por injeção ou estampagem. Portanto, o método de soldagem a laser é geralmente um processo rápido e econômico adequado para a produção em massa.

Teste de estresse mecânico

Em aplicações práticas, as peças compostas conectadas por metal e polímero podem estar sujeitas a cargas multiaxiais, em fase ou fora de fase. Para todas as aplicações, surgem várias perguntas: quanta pressão essa junta pode suportar? Onde ela se romperá? O que isso significa para o processo de conexão?

Especialistas da Fraunhofer ILT, na Alemanha, realizaram uma série de testes de pressão usando diferentes materiais para responder a essas perguntas (veja a Figura 4). Em um caso, eles criaram uma amostra de teste que consistia em uma peça de aço inoxidável de 1,5 mm de espessura, com uma espessura de 1,5 mm. chapa de aço e uma tira de polipropileno (PP) reforçado com fibra de vidro de 3 mm de espessura para teste de tração e cisalhamento, e um PP não reforçado para teste de tração.

A superfície metálica foi processada com um laser de fibra monomodo com potência nominal de 1 kW e um diâmetro focalizado de cerca de 40 μm para formar uma estrutura de ranhura de borda de mordida reproduzível. A parte de polímero foi aquecida com um laser semicondutor de 3 kW (potência de cerca de 300-700 W), com um tamanho de ponto de 7,5×25 mm². As duas partes foram fixadas com um grampo fixação pressão de 3 bar, e a área de colagem do corpo de prova de teste de tração e cisalhamento (aço + PP) foi de 150 mm²enquanto a do corpo de prova de teste de tração (aço + PP) foi de 100 mm².

Cinco amostras de cada tipo foram testadas destrutivamente. A resistência da conexão da microestrutura com um espaçamento de ranhura de 400 μm foi testada sob uma carga de tração e cisalhamento de 13,1 MPa, e a resistência da conexão com um espaçamento de ranhura de 300 μm foi medida sob uma carga de tração e cisalhamento de 15,5 MPa. No teste de carga de tração, os corpos de prova suportaram cargas de 5,1 MPa (espaçamento de ranhura de 400 μm) e 9,1 MPa (espaçamento de ranhura de 300 μm), respectivamente.

Está claro que as microestruturas densas têm melhor adesão, mas deve-se observar que as microestruturas densas aumentarão o tempo de processamento.

Os pesquisadores realizaram testes semelhantes em liga de magnésio placas. Todos os resultados dos testes mostraram que o laser tecnologia de soldagem pode estabelecer uma conexão forte e confiável entre peças de metal e de polímero.

Teste de envelhecimento

Outro problema na produção de automóveis é se essas conexões podem atender aos requisitos de mudança climática e corrosão.

Para responder a essa pergunta, os pesquisadores realizaram vários testes. Eles realizaram testes padrão de mudança climática em espécimes de conexão composta de acordo com a VW PV 1200, com temperatura variando de 80-40°C.

Um ciclo de teste durou 12 horas, repetido por 2, 10 e 30 ciclos. Os testes destrutivos de resistência à tração e ao cisalhamento foram realizados nos espécimes antes e depois do teste de mudança climática.

Todos os resultados dos testes mostraram que os corpos de prova podiam suportar valores de pressão entre 8 e 15 MPa. Um fenômeno interessante ocorreu fora da área de colagem durante o teste.

Após repetir o teste por 30 ciclos, as peças fora da área de colagem foram reprovadas no teste de resistência. Em outras palavras, a área de colagem era ainda mais forte do que o material original de polipropileno.

Esse fenômeno foi ainda mais acentuado no teste de corrosão. O teste de névoa salina foi realizado durante 7 dias, de acordo com a norma VDA62I-415. O teste incluiu condições de névoa salina e alta umidade. Antes do teste, todas as amostras podiam suportar forças de cerca de 8 MPa e 15 MPa.

Após o teste de corrosão, todos os materiais de PP/T40 quebraram fora da área de colagem, enquanto os materiais de GFRP quebraram dentro da área de colagem, mas com maior resistência do que antes da corrosão. As amostras de aço apresentaram ferrugem, especialmente na área da microestrutura.

Houve uma penetração óbvia de corrosão na área de colagem, mas isso não afetou significativamente a resistência da colagem. A área da microestrutura fora da área de colagem do placa de alumínio também apresentou sinais de corrosão, mas não dentro da área de ligação. Uma conclusão direta é que qualquer área de microestrutura aberta no metal deve ser evitada.

Os testes mostraram que conexão a laser pode estabelecer conexões altamente confiáveis entre placas de metal e plásticos.

Os testes padrão de clima e corrosão não afetaram a resistência da colagem. Após um período de envelhecimento, o próprio plástico, e não a área de colagem, quebrou. Áreas de microestrutura aberta no metal devem ser evitadas.