swobodna energia powierzchniowa wybranych materiałów

swobodna energia powierzchniowa wybranych materiałów

1/2013
Technologia i Automatyzacja Montażu
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.
Słowa kluczowe
swobodna energia powierzchniowa (SEP), obróbka laserowa, adhezja
1. Wstęp
2. Zastosowanie laserów
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.
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.: Cr3+, Cr4+, Ti3+ lub metalami ziem
rzadkich: Nd3+, Er3+, Yb3+) 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
Technologia i Automatyzacja Montażu
1/2013
do pomiaru poziomu skażenia atmosfery, telekomunika-
W celach porównawczych przygotowano również
cji (w łączach światłowodowych) oraz widowiskach arty-
próbkę nieobrabianą, odtłuszczoną w acetonie (A), prób-
stycznych i cyfrowym zapisie danych [6, 7].
kę schropowaconą płótnem ściernym (P) oraz próbkę
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
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
w operacjach usuwania zanieczyszczeń i nawarstwień
godziny (oznaczenia wariantów z literą S) w celu usta-
z rzeźb, elementów metalowych i betonowych oraz
lenia, czy efekty obróbki laserowej są stabilne w czasie.
warstw konserwatorskich [9, 10].
Do pomiarów wykorzystano stanowisko komputerowe
z goniometrem PG-3, a pomiary wykonano dwoma cieczami – wodą i dijodometanem (rys. 3).
3. Badania eksperymentalne
W pracach nad technologią klejenia
zaproponowano obróbkę laserową, jako
metodę
jej
aktywacji
sklejeniem.
powierzchni
W
przed
przeprowadzonych
badaniach eksperymentalnych do wykonania testów z wykorzystaniem głowicy
laserowej
ki
blachy
z
przygotowano
kwasoodpornej
próbX6Cr17
oraz stopu tytanu Ti-6Al-4V. Obróbkę
przeprowadzono
na
stanowisku
frezarskim
opisa-
Rys. 1. Warianty próbek przygotowanych do pomiarów kąta
nym w [11], gdzie wykorzystano typową obrabiarkę,
zwilżania: a) – stal kwasoodporna X6Cr17, b) – stop tytanu
w której wrzecienniku zamocowano głowicę lasera. Ob-
Ti-6Al-4V
róbkę prowadzono, sterując prędkością przesuwu stołu
obrabiarki względem wiązki.
Próbki zostały poddane
Do obliczeń swobodnej energii powierzchniowej
obróbce wiązką lasera światłowodowego o długości fali
(SEP) wykorzystywano powszechnie stosowaną metodę
λ = 1,07 μm w trzech wariantach przesuwu wiązki wzglę-
składowych polarnej i dyspersyjnej znaną również pod
dem obrabianej powierzchni:
nazwą metody Owensa-Wendta [1].
 wariant I – 35 mm/min (oznaczony jako LW1),
Wyniki pomiarów kąta zwilżania wodą W i dijodome-
 wariant II – 115 mm/min (LW2),
tanem D oraz wyniki obliczeń swobodnej energii po-
 wariant III – 179 mm/min (LW3).
wierzchniowej pokazano w tab. 1 i 2 oraz na rys. 5 i 6.
a)
b)
powierzchnia bez obróbki
wariant A
57
1/2013
Technologia i Automatyzacja Montażu
a)
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. Fotografie powierzchni: a) – stali X6Cr17, b) – stopu tytanu Ti-6Al-4V
58
b)
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
[mJ/m2]
Składowa
dyspersyjna
[mJ/m2]
SEP
[mJ/m2]
SEPmin ÷ SEPmax
W
[ °]
D
[ °]
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
[mJ/m2]
Składowa
dyspersyjna
[mJ/m2]
SEP
[mJ/m2]
SEPmin ÷ SEPmax
W
[ °]
D
[ °]
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
1/2013
Technologia i Automatyzacja Montażu
a)
b)
Rys. 3. Fotografia 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
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
1/2013
Technologia i Automatyzacja Montażu
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.
2.
3.
4.
5.
Żenkiewicz M.: Methods for the calculation of surface
free energy of solids. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, vol. 24, 2007.
Kuczmaszewski J., Domińczuk J.: Wybrane metody
pomiaru pracy adhezji z wykorzystaniem komputerowej analizy obrazu. Mat. Konf. „Postępy w technice
wytwarzania maszyn”, Kraków 14-15.10.1999.
Rudawska A.: Swobodna energia powierzchniowa
i struktura geometryczna powierzchni wybranych
kompozytów epoksydowych. Polimery 6, 2008.
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 2009.
Bezpieczeństwo w obsłudze urządzeń laserowych.
Materiały szkoleniowe CIOP-PIB, Warszawa 2011.
6.
Zowczak W.: Laserowe technologie obróbki materiałów. Zebranie Sekcji Technologii KBM PAN, Kielce
1997.
7. Wyrębisk W.: Laserowa technika wojskowa. Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, Warszawa
1982.
8. Burakowski T., Kubicki J., Marczak J., Napadłek W.:
Technologiczne możliwości zastosowania ablacyjnego oczyszczania laserowego materiałów. Prace Instytutu Elektrotechniki WAT, Z. 228, Warszawa 2006
9. Burakowski T., Marczak J., Napadłek W.: Istota ablacyjnego czyszczenia laserowego materiałów. Prace
Instytutu Elektrotechniki WAT, Z. 228, Warszawa
2006.
10. Marczak J.: Analiza i usuwanie nawarstwień obcych
z różnorodnych materiałów metodą ablacji laserowej. WAT, Warszawa 2004.
11. Ciecińska B.: Ocena skuteczności czyszczenia wiązką lasera powierzchni przed klejeniem. Mechanika
z. 83 (nr 4/2011). Oficyna Wydawnicza Politechniki
Rzeszowskiej, Rzeszów 2011.
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.01.01.02-00-015/08-00 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, 35-959 Rzeszów, e-mail: bcktmiop@prz.
edu.pl, e-mail: [email protected]
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