SWOBODNA ENERGIA POWIERZCHNIOWA WYBRANYCH MATERIAŁÓW LOTNICZYCH PO OBRÓBCE LASEROWEJ

Transkrypt

1 SWOBODNA ENERGIA POWIERZCHNIOWA WYBRANYCH MATERIAŁÓW LOTNICZYCH PO OBRÓBCE LASEROWEJ Barbara CIECIŃSKA, Ryszard PERŁOWSKI Streszczenie W klejeniu szczególne wymagania stawia się łączonym powierzchniom. Prawidłowo przygotowana powierzchnia do procesu klejenia charakteryzuje się brakiem zanieczyszczeń, dobrą zwilżalnością klejem, zdolnością do wytwarzania wiązań międzyfazowych, stabilnością dla założonych warunków i czasu eksploatacji złącza, powtarzalnością uzyskiwanych właściwości oraz obecnością podkładów lub aktywatorów (jeśli są wymagane). Adhezję można wspomóc przez usunięcie niepożądanych warstw z klejonych powierzchni, utworzenie nowej aktywnej powierzchni poprzez pokrycie podkładami oraz zmianę aktywności powierzchni poprzez oddziaływanie mechaniczne, chemiczne (trawienie), oddziaływanie gazów reaktywnych (np. ozonowanie, fluorowanie), promieniowanie: UV, rentgenowskie, laserowe, wiązką elektronów, a także oddziaływanie plazmą niskotemperaturową, wyładowania koronowe lub obróbkę płomieniową. W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych przeprowadzonych na dwóch gatunkach materiałów w celu ustalenia wpływu obróbki laserowej na wynikową energię swobodną powierzchni przeznaczonych do klejenia. Eksperyment wykonano ze zmiennymi parametrami oddziaływania wiązki na powierzchnię. Pomiary kąta zwilżania przeprowadzono bezpośrednio po obróbce oraz po upływie jednej godziny w celu ustalenia, czy rezultat obróbki jest stabilny w czasie. S ł owa kluczowe swobodna energia powierzchniowa (SEP), obróbka laserowa, adhezja 1. Wstęp Technika montażu z użyciem kleju jest jednym z przykładów szczególnych wymagań stawianych łączonym powierzchniom ze względu na ich przygotowanie przed nałożeniem kleju. Prawidłowo przygotowana powierzchnia do procesu klejenia charakteryzuje się brakiem zanieczyszczeń, dobrą zwilżalnością klejem, zdolnością do wytwarzania wiązań międzyfazowych, stabilnością dla założonych warunków i czasu eksploatacji złącza, powtarzalnością uzyskiwanych właściwości oraz obecnością podkładów lub aktywatorów (jeśli są wymagane). Adhezję można wspomóc przez usunięcie niepożądanych warstw z klejonych powierzchni, utworzenie nowej aktywnej powierzchni poprzez pokrycie podkładami oraz zmianę aktywności powierzchni poprzez oddziaływanie mechaniczne, chemiczne (trawienie), oddziaływanie gazów reaktywnych (np. ozonowanie, fluorowanie), promieniowanie: UV, rentgenowskie, laserowe, wiązką elektronów, a także oddziaływanie plazmą niskotemperaturową, wyładowania koronowe lub obróbkę płomieniową [1]. W wielu publikacjach [2, 3, 4] podkreślany jest związek między właściwościami adhezyjnymi a stanem energetycznym powierzchni klejonych, a dokładniej z wielkością swobodnej energii powierzchniowej (SEP). Swobodna energia powierzchniowa jest to praca potrzebna do utworzenia nowej jednostki powierzchni, podczas rozdziału dwóch faz. Jak dotychczas brak jest metod bezpośredniego wyznaczania tej energii dla ciał stałych, a stosowane do tej pory metody pośrednie określają stan energetyczny (swobodną energię powierzchniową) za pomocą pomiaru kąta zwilżania powierzchni przy użyciu odpowiednich cieczy pomiarowych. 2. Zastosowanie laserów Lasery, a więc generatory promieniowania elektromagnetycznego, to urządzenia wykorzystujące zjawisko emisji wymuszonej promieniowania. Ich działanie polega na wzbudzeniu ośrodka czynnego poprzez pompowanie różnego rodzaju: elektryczne, optyczne, chemiczne lub zderzenia elektronów. Wzbudzony ośrodek emituje energię w postaci kwantu promieniowania spójnego. Lasery ze względu na rodzaj ośrodka czynnego dzielą się na gazowe (ośrodkiem czynnym może być gaz atomowy, np. argon; mieszanina, np. He-Ne; związki gazów, np. XeCl, lub mieszaniny gazów z metalami, np. He-Cd), cieczowe (chelatowe, organiczne i nieorganiczne), na ciele stałym (z jonami chromu, neodymu domieszkowane metalami przejściowymi, jak np.: Cr 3+, Cr 4+, Ti 3+ lub metalami ziem rzadkich: Nd 3+, Er 3+, Yb 3+ ) i półprzewodnikowe (np. diodowe). Promieniowanie laserowe charakteryzuje się monochromatycznością, wysoką spójnością (czasową i przestrzenną), kierunkowością rozchodzenia się wiązki. Ponadto wiązki laserowe mogą być skupiane przez układy optyczne nawet do średnic rzędu kilku mikrometrów, co pozwala uzyskiwać bardzo duże gęstości mocy [5, 6]. Zastosowanie laserów jest szerokie. W technice wojskowej znajdują się w celownikach, dalmierzach, systemach naprowadzania pocisków i rakiet, systemach śledzenia celu, zapalnikach bomb. Lasery powszechne są w miernictwie w pomiarach odległości, analizach struktury geometrycznej warstwy wierzchniej, w marynarce do pomiarów głębokości akwenów czy w lotnictwie w pokładowych systemach rozpoznania lotniczego oraz w nawigacji. Ponadto powszechne są w medycynie, kosmetyce (np. do usuwania tkanek), ochronie środowiska 56

2 Technologia i Automatyzacja Montażu 1/2013 do pomiaru poziomu skażenia atmosfery, telekomunikacji (w łączach światłowodowych) oraz widowiskach artystycznych i cyfrowym zapisie danych [6, 7]. Jednak największe wykorzystanie techniki laserowej notuje się w przemyśle, w różnorodnych procesach technologicznych, polegających na obróbce metali podczas spawania, topienia, nadtapiania, hartowania czy cięcia; znakowania, drążenia otworów, nakładania powłok [5, 7, 8]. W ostatnich latach lasery znalazły również zastosowanie w operacjach usuwania zanieczyszczeń i nawarstwień z rzeźb, elementów metalowych i betonowych oraz warstw konserwatorskich [9, 10]. 3. Badania eksperymentalne W celach porównawczych przygotowano również próbkę nieobrabianą, odtłuszczoną w acetonie (A), próbkę schropowaconą płótnem ściernym (P) oraz próbkę piaskowaną elektrokorundem o ziarnie 95A i wypłukaną w acetonie (K) (rys. 1). Fotografie badanych powierzchni pokazano na rys. 2. W każdym z wariantów wykonano pomiary kąta zwilżania bezpośrednio po obróbce oraz po upływie jednej godziny (oznaczenia wariantów z literą S) w celu ustalenia, czy efekty obróbki laserowej są stabilne w czasie. Do pomiarów wykorzystano stanowisko komputerowe z goniometrem PG-3, a pomiary wykonano dwoma cieczami wodą i dijodometanem (rys. 3). W pracach nad technologią klejenia zaproponowano obróbkę laserową, jako metodę aktywacji powierzchni przed jej sklejeniem. W przeprowadzonych badaniach eksperymentalnych do wykonania testów z wykorzystaniem głowicy laserowej przygotowano próbki z blachy kwasoodpornej X6Cr17 oraz stopu tytanu Ti-6Al-4V. Obróbkę przeprowadzono na stanowisku frezarskim opisanym w [11], gdzie wykorzystano typową obrabiarkę, w której wrzecienniku zamocowano głowicę lasera. Obróbkę prowadzono, sterując prędkością przesuwu stołu obrabiarki względem wiązki. Próbki zostały poddane obróbce wiązką lasera światłowodowego o długości fali λ = 1,07 μm w trzech wariantach przesuwu wiązki względem obrabianej powierzchni: wariant I 35 mm/min (oznaczony jako LW1), wariant II 115 mm/min (LW2), wariant III 179 mm/min (LW3). Rys. 1. Warianty próbek przygotowanych do pomiarów kąta zwilżania: a) stal kwasoodporna X6Cr17, b) stop tytanu Ti-6Al-4V Do obliczeń swobodnej energii powierzchniowej (SEP) wykorzystywano powszechnie stosowaną metodę składowych polarnej i dyspersyjnej znaną również pod nazwą metody Owensa-Wendta [1]. Wyniki pomiarów kąta zwilżania wodą W i dijodometanem D oraz wyniki obliczeń swobodnej energii powierzchniowej pokazano w tab. 1 i 2 oraz na rys. 5 i 6. a) b) powierzchnia bez obróbki wariant A 57

3 a) b) powierzchnia schropowacona wariant P powierzchnia piaskowana wariant K powierzchnia obrabiana wiązką lasera wariant LW1 powierzchnia obrabiana wiązką lasera wariant LW2 powierzchnia obrabiana wiązką lasera wariant LW3 Rys. 2. Fotografi e powierzchni: a) stali X6Cr17, b) stopu tytanu Ti-6Al-4V 58

4 Technologia i Automatyzacja Montażu 1/2013 Tabela 1. Wyniki pomiarów kątów zwilżania oraz wartości swobodnej energii powierzchniowej Wyniki pomiarów wykonane tuż po obróbce Oznaczenie próbki Składowa polarna Składowa dyspersyjna SEP W D SEP min SEP max [ ] [ ] Stal kwasoodporna X6Cr17 A 17,3 41,6 58,8 52,3 61,9 60,4 36,9 P 12,7 42,1 54,8 52,2 59,5 69,7 35,6 K60 12,5 49,3 60,1 54,5 62,9 67,5 14,1 LW1 32,6 44,2 76,8 75,0 79,6 26,5 30,6 LW2 31,9 45,0 76,9 73,6 80,1 27,7 28,5 LW3 22,5 43,5 65,9 61,3 70,5 49,5 32,4 Stop tytanu Ti-6Al-4V A 20,1 41,2 61,3 51,7 68,4 54,8 37,8 P 19 43,3 62,3 59,4 64,8 56,1 32,7 K60 13,1 48,6 61,7 59,8 63,6 66,4 17,2 LW1 35,1 45,0 80,1 79,1 80,9 18,2 28,5 LW2 21,6 40,1 61,6 59,0 66,3 52,5 40,2 LW3 23,9 43,5 63,1 56,5 69,7 43,5 32,2 Tabela 2. Wyniki pomiarów kątów zwilżania oraz wartości swobodnej energii powierzchniowej po upływie jednej godziny Wyniki pomiarów wykonane tuż po obróbce Oznaczenie próbki Składowa polarna Składowa dyspersyjna SEP W D SEP min SEP max [ ] [ ] Stal kwasoodporna X6Cr17 AS 19,4 42,2 55,8 59,2 63,3 55,8 35,4 PS 10,8 44,0 54,8 51,4 58,5 73,2 31,1 K60S 12,5 49,3 61,8 57,2 64,2 67,5 14,1 LW1S 17,3 41,1 58,3 53,9 62,8 60,6 38,0 LW2S 17,2 41,4 58,6 55,7 61,6 60,6 37,3 LW3S 11,4 39,3 50,7 46,8 56,6 73,5 41,9 Stop tytanu Ti-6Al-4V AS 23,2 38,9 62,1 55,3 66,6 50,0 42,7 PS 17,6 42,6 60,2 57,0 62,3 59,3 34,5 K60S 12 48,1 60,1 57,2 63,0 69,0 19,2 LW1S 24,6 46,6 71,2 69,4 72,3 25,4 36,5 LW2S 2,9 38,2 41,1 39,6 44,9 95,0 44,2 LW3S 14,4 39,4 53,8 49,2 59,3 67,1 41,7 59

5 a) b) Rys. 3. Fotografi a stanowiska komputerowego z goniometrem PG-3 wykorzystanego w pomiarach a), b) widok ekranu z oprogramowaniem podczas pracy z goniometrem a) b) c) Rys. 5. Różnice w uzyskanych wynikach dla stali kwasoodpornej X6Cr17: a) SEP, b) składowa polarna, c) składowa dyspersyjna 60

6 Technologia i Automatyzacja Montażu 1/2013 a) b) c) Rys. 6. Różnice w uzyskanych wynikach dla stopu tytanu Ti-6Al-4V: a) SEP, b) składowa polarna, c) składowa dyspersyjna 4. Podsumowanie i wnioski Z przeprowadzonych doświadczeń wynika, iż obróbka laserowa w sposób istotny wpływa na wielkość SEP. W większości wariantów odnotowano jej wzrost, wyjątkiem był stop tytanu gdzie w wariancie LW3 wartość SEP była porównywalna do efektów piaskowania. Z praktycznego punktu widzenia istotne jest, że energia powierzchniowa spada z upływem czasu (w przypadku stali X6Cr17 o ok. 20%, w przypadku stopu tytanu Ti-6Al-4V nawet o 30%) co w warunkach produkcyjnych ma kluczowe znaczenie, jeśli konieczne są dodatkowe operacje transportowe lub zabiegi pozycjonowania elementów przed ostatecznym sklejeniem. Dodatkowo największe różnice po starzeniu pojawiły się w wartościach składowej polarnej swobodnej energii powierzchniowej. Uzasadnia to konieczność prowadzenia dalszych badań, gdyż może to sugerować niekorzystny wpływ czasu i prawdopodobne pogorszenie właściwości wytrzymałościowych przyszłych połączeń. Ponadto, z uwagi na fakt, iż nowoczesne głowice laserowe umożliwiają obróbkę bez atmosfer ochronnych, 61

7 zmiany fizyczne zachodzące w warstwie wierzchniej mogą polegać na zmianie jej chropowatości, ale również na odparowaniu zanieczyszczeń bez zmiany struktury na powierzchni materiału. Ponieważ oddziaływanie promienia lasera to również wyzwalanie efektów cieplnych, możliwe jest utlenianie warstw powierzchniowych. Przydatne będą badania wpływu tak konstytuowanej SEP i jej zmian na wynikową wytrzymałość połączeń. Atutem zastosowania głowicy laserowej jest możliwość wyeliminowania z prac przygotowawczych przed klejeniem użycia odczynników chemicznych, z których większość jest szkodliwa dla zdrowia człowieka i dla środowiska naturalnego. Mankamentem pozostaje natomiast wysoka cena głowic i konieczność stosowania przemysłowych filtrów powietrza ze względu na możliwość emisji odparowanych, toksycznych substancji do atmosfery. LITERATURA 1. Żenkiewicz M.: Methods for the calculation of surface free energy of solids. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, vol. 24, Kuczmaszewski J., Domińczuk J.: Wybrane metody pomiaru pracy adhezji z wykorzystaniem komputerowej analizy obrazu. Mat. Konf. Postępy w technice wytwarzania maszyn, Kraków Rudawska A.: Swobodna energia powierzchniowa i struktura geometryczna powierzchni wybranych kompozytów epoksydowych. Polimery 6, Kwiatkowski M., Kłonica M., Kuczmaszewski J., Ozonek J.: Zastosowanie procesu ozonowania do modyfikacji właściwości energetycznych warstwy wierzchniej poliamidu PA6. Monografia Komitetu Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk Vol. 59; III Kongres Inżynierii Środowiska Polska inżynieria środowiska pięć lat po wstąpieniu do Unii Europejskiej. Tom 2 pod redakcją J. Ozonka, A. Pawłowskiego, Lublin Bezpieczeństwo w obsłudze urządzeń laserowych. Materiały szkoleniowe CIOP-PIB, Warszawa Zowczak W.: Laserowe technologie obróbki materiałów. Zebranie Sekcji Technologii KBM PAN, Kielce Wyrębisk W.: Laserowa technika wojskowa. Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, Warszawa Burakowski T., Kubicki J., Marczak J., Napadłek W.: Technologiczne możliwości zastosowania ablacyjnego oczyszczania laserowego materiałów. Prace Instytutu Elektrotechniki WAT, Z. 228, Warszawa Burakowski T., Marczak J., Napadłek W.: Istota ablacyjnego czyszczenia laserowego materiałów. Prace Instytutu Elektrotechniki WAT, Z. 228, Warszawa Marczak J.: Analiza i usuwanie nawarstwień obcych z różnorodnych materiałów metodą ablacji laserowej. WAT, Warszawa Ciecińska B.: Ocena skuteczności czyszczenia wiązką lasera powierzchni przed klejeniem. Mechanika z. 83 (nr 4/2011). Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Podziękowanie Autorzy składają podziękowanie pracownikom Ośrodka Naukowo-Konserwatorskiego Pracowni Konserwacji Zabytków Sp. z o.o. w Poznaniu za umożliwienie wykonania badań eksperymentalnych z wykorzystaniem mobilnej głowicy laserowej. Badania realizowane w ramach Projektu "Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym", Nr POIG /08-00 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Dr inż. Barbara Ciecińska i dr inż. Ryszard Perłowski są pracownikami Katedry Technologii Maszyn i Inżynierii Produkcji Politechniki Rzeszowskiej, ul. Powstańców Warszawy 8, Rzeszów, bcktmiop@prz. edu.pl, rpktmiop@prz.edu.pl THE SURFACE FREE ENERGY OF SELECTED AIRCRAFT MATERIALS AFTER LASER TREATMENT Abstract There are special requirements for joined surfaces in a gluing process. A surface prepared for an adhesive bonding should have no pollutants, be a wetting surface, have an ability to create an intermolecular bonds, have established exploitation stability and rate, repeatability of obtained properties, and contain adhesive primers or activators (if required). It is possible to improve an adhesion by a removal of unwanted layers from glued surfaces, or to make a new and active surface by adding a protective layer, changing the surface activity by machining, chemical treatment (i.e. etching), reactive gas treatment (e.g. ozonation, fluoridation), UV or X-ray radiation, laser or electron beam treatment, the affection of low temperature plasma, corona discharges, and flame shaping. The paper presents the results of experiments conducted on the two kinds of materials to assess an effect of laser treatment on surface free energy before an adhesive bonding. The experiment was conducted with a various beam parameters. The measurements of a wetting angle were conducted directly after a treatment and then after one hour to assess if the machining result is stable. Keywords surface free energy (SFE), laser treatment, adhesion 62