Производители, в том числе в автомобильной и аэрокосмической отраслях, постоянно стремятся создавать более прочную, долговечную и надёжную продукцию. Стремясь к этому, они часто модернизируют и заменяют материалы на сплавы с меньшей плотностью, повышенной термостойкостью и коррозионной стойкостью. Это позволяет производителям укрепить свои позиции на рынке.
На самом деле, это только половина истории.
Еще более весомым стратегическим преимуществом является количественная уверенность в прочности, долговечности и надежности продукта.
Замена старых материалов на более прочные может стать хорошим началом, но для этого также потребуются более совершенные производственные процессы, основанные на более чистой и эффективной очистке поверхности для создания прочных конструкций. Металлы, такие как алюминиевые сплавы, и современные материалы, такие как углеродные полимерные композиты, часто используемые в автомобильной и аэрокосмической промышленности, требуют склеивания для снижения веса (при использовании крепёжных элементов конструкция утяжеляется) и создания более надёжных соединений.
Традиционные методы отделки алюминия включают пескоструйную обработку, протирку растворителем, а затем шлифовку (с помощью абразивной губки) или анодирование. Склеивание открывает возможности для более автоматизированных процессов, для которых традиционные методы отделки не подходят.
Анодирование чаще встречается в аэрокосмической промышленности, где этот более дорогостоящий и строгий метод подготовки используется для соответствия строгим требованиям. Различия, присущие пескоструйной обработке и ручной абразивной обработке, ясно указывают на необходимость более контролируемого процесса.
Лазерная очистка или лазерная абляция заполняет этот пробел, предлагая более точный, экологичный, автоматизированный и эффективный метод обработки металлических и композитных поверхностей. Загрязнения, присутствующие на поверхности этих материалов, легко удаляются лазерной обработкой.
Лазерная очистка настолько мощная, что крайне важно точно знать, как она воздействует на поверхность. Разницу между правильно обработанной поверхностью и недостаточно или чрезмерно обработанной бывает крайне сложно оценить. Благодаря технологии количественной верификации процесса, столь же чувствительной и точной, как и сам лазерный процесс, производители могут быть уверены, что их металлические и композитные поверхности полностью готовы к склеиванию.
Следующий лазер Fortune даст вам подробное представление о причинах выбора лазерной очистки.
1 –Что такое лазерная очистка?
Лазерная обработка — это высокоточный метод термической очистки, основанный на удалении (абляции) мельчайших фрагментов поверхности материала сфокусированным, часто импульсным, лазерным лучом. Лазер облучает поверхность, удаляя атомы, и может использоваться для сверления очень маленьких и глубоких отверстий в очень твёрдых материалах, создавая на поверхности тонкие плёнки или наночастицы.
Этот процесс очистки поверхности настолько эффективен благодаря своей способности удалять даже самые малые слои загрязнений и остатков. Алюминиевые поверхности содержат оксиды и смазочные масла, которые негативно влияют на адгезию, а композитные материалы часто задерживают остатки формовочных смазок и другие силиконовые загрязнения, которые не образуют прочных химических связей с клеями.
При нанесении клея на поверхность, содержащую один из таких остатков, он будет пытаться химически сцепиться с маслами и силиконом в верхних молекулярных слоях материала. Эти связи чрезвычайно слабы и неизбежно разрушаются либо во время испытаний на производительность, либо в процессе эксплуатации изделия. Разрыв соединения в месте соединения поверхности и клея или покрытия называется межфазным разрушением. Когезионный разрыв при испытании на сдвиг внахлестку происходит, когда разрыв происходит внутри самого клея. Это свидетельствует об очень прочном соединении и прочной и долговечной собранной конструкции.
Когезионный разрыв этих композитных образцов, обработанных лазером, показывает наличие клея на обеих сторонах соединяемых материалов.
Разрушение интерфейса этих композитных образцов, которые не подвергались обработке, показывает, что клей прилип только к одной из сторон и полностью отошел от другой.
При когезионном разрушении возникает межслойная связь, которая не ослабевает просто так. Цель обработки поверхности — модифицировать её, удалить загрязнения и создать или раскрыть поверхность, способную химически соединиться с клеем, обеспечивая прочное и надёжное соединение.
2- Как узнать, готова ли обработанная лазером поверхность к склеиванию
Измерения контактного угла, подобные упомянутым в статье IJAA, используемым для понимания ухудшения результатов обработки с течением времени, являются исключительно хорошим способом мониторинга и проверки процессов лазерной очистки.
Измерение контактного угла чувствительно к молекулярным изменениям, происходящим на поверхности, обрабатываемой лазером. Капля жидкости, помещённая на поверхность, будет подниматься или опускаться в точной зависимости от количества микроскопических загрязнений на поверхности. Измерения контактного угла являются точным индикатором адгезии и позволяют наглядно оценить соответствие силы обработки требованиям к очистке материалов.
Измерения контактного угла прекрасно коррелируют с изменениями уровня загрязнения, зафиксированными методами спектроскопии. Большинство прецизионных измерений загрязнений на поверхностях выполняется с помощью оборудования, которое производители не могут приобрести и которое в любом случае не может быть использовано на реальных деталях, которые производятся в процессе производства.
Измерения контактного угла можно проводить непосредственно перед и после обработки на производственной линии с помощьюруководствоилиавтоматизированные инструменты измерения. Так же, как лазерная очистка заменяет устаревшие методы подготовки поверхности в связи с необходимостью автоматизации крупносерийного высокоточного производства, измерения угла контакта также делают устаревшими субъективные и неточные тесты качества поверхности, такие как тесты на стойкость к образованию накипи и испытания на разрыв водой.
Испытания на прочность проводятся лишь на выборке обрабатываемых материалов, что увеличивает процент брака и не даёт никаких рекомендаций по созданию более прочного соединения. Контактные углы, используемые на протяжении всей производственной линии, могут точно указать, где в процессе требуется корректировка, и дать представление о том, что именно и в какой степени необходимо скорректировать.
3- Зачем использовать лазерную очистку?
Было проведено множество важных исследований о том, как лазерная обработка поверхности улучшает адгезию. Например,статья, опубликованная в журнале Journal of Adhesionисследовали, насколько повышается прочность суставов при лазерной очистке по сравнению с традиционными методами.
Экспериментальные результаты показывают, что предварительная адгезионная лазерная обработка поверхности значительно улучшила прочность на сдвиг алюминиевых образцов, склеенных модифицированной эпоксидной смолой, по сравнению с необработанными и анодированными подложками. Наилучшие результаты были получены при энергии лазера около 0,2 Дж/импульс/см², где прочность на сдвиг одиночного слоя улучшилась на 600–700% по сравнению с необработанным алюминиевым сплавом и на 40% по сравнению с предварительной обработкой анодированием хромовой кислотой.
Характер разрушения менялся с адгезионного на когезионный по мере увеличения количества лазерных импульсов во время обработки. Последнее явление коррелировало с изменениями морфологии, выявленными электронной микроскопией, и химической модификацией, выявленной с помощью оже- и инфракрасной спектроскопии.
Еще одним интересным эффектом лазерной абляции является ее способность создавать поверхность, которая не разрушается со временем.
Фортуна Лазерпроделали огромную работу, изучая, как лазерная очистка взаимодействует с поверхностями неожиданными способами. Лазерная обработка алюминия создаёт на поверхности крошечные кратеры, которые плавятся и практически одновременно затвердевают, образуя микрокристаллический слой, ещё более устойчивый к коррозии, чем сам алюминий.
На диаграмме ниже показана разница между прочностью на сдвиг соединения алюминия, обработанного лазером, и алюминия, обработанного химическим методом. Со временем, когда поверхности подвергаются воздействию влажной среды, способность химически обработанной поверхности к надёжному склеиванию значительно снижается, поскольку влага начинает разъедать поверхность, в то время как поверхность, обработанная лазером, сохраняет свою коррозионную стойкость даже после нескольких недель воздействия.
Время публикации: 12 августа 2022 г.
