Schwei­ßen

Laserdurchstrahlschweißen ermöglicht eine mediendichte Verbindung bei gleichzeitig geringen Produktionskosten und Zykluszeiten. Hierbei stehen ein lasertransparentes und ein -absorbierendes Bauteil unter Druck in Kontakt miteinander, während ein Laserstrahl das transparente Bauteil mit einem geringen Energieverlust passiert. Die Energie des Lasers wird im absorbierenden Bauteil in Wärme umgesetzt. Aufgrund des Kontaktes in der Fügezone wird das transparente Bauteil durch Wärmeleitung erwärmt und die Schweißnaht gebildet.

Bisherige wissenschaftliche Untersuchungen zielen hauptsächlich auf kleine Schweißnähte ab. Hier kann die Korrelation zwischen den einzelnen Prozessparametern der Schweißnahttemperatur und den mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht bislang gut anhand der Streckenenergie charakterisiert werden. Diese Erkenntnisse können jedoch nur beim Konturschweißen angewandt werden, da bekanntlich beim Quasisimultan- und Simultanschweißen weitere Einflussgrößen (Schweißnahtlänge und -breite) wirken. Aufgrund des simultanen Aufschmelzvorgangs entsteht in der kompletten Fügezone ein Quetschfluss. Der dadurch einhergehende Energieverlust wird in der Streckenenergie nicht berücksichtigt und diese verliert somit ihre Aussagekraft. Ziel dieses Forschungsprojektes sind Scale Up-Regeln für das Quasisimultanschweißen, die es ermöglichen, optimale Prozessparameter durch einfache Labortests auf Realbauteile zu übertragen.

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Im Rahmen des bereits im Jahr 2021 abgeschlossenen Kooperationsprojektes mit der Professur Kunststoffe an der TU Chemnitz wurden Grundlagen zum Warmgasstumpfschweißen systematisch erarbeitet. Zentraler Punkt war dabei das Erwärmverhalten und die daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindungen. Lokale Messungen der Schmelzeschichtdicke ermöglichten eine Analyse des Schmelzeschichtprofils auf der Fügefläche. Eine Analyse der Schweißproben erfolgte sowohl optisch als auch mechanisch. Außerdem war die Ermittlung des Einflusses des eingesetzten Prozessgases (Stickstoff und Luft) auf die Schweißnahtqualität ein Kern des Forschungsprojektes. Dabei sollte die Frage geklärt werden, welche Einflüsse die Gasart auf die kurzzeitmechanischen Eigenschaften hat und inwieweit eine thermische Schädigung die entstehenden Schweißnähte beeinflusst.

Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass die Düsengeometrie sowie deren Erwärmparameter einen entscheidenden Einfluss auf die entstehenden Schmelzeprofile und damit auch auf die Schweißnahtfestigkeiten haben. Während die Runddüsen die Wärme sehr punktuell in die Fügeebene einbringen, kann mit der Schlitzdüse eine homogene Erwärmung über die gesamte Fügefläche erreicht werden. Dadurch ist eine auf das verwendete Düsensystem angepasste Erwärmstrategie notwendig. Mit der Schlitzdüse konnte eine werkstoffschonendere Erwärmung der Fügeteile mit geringen Gastemperaturen realisiert werden. Vorteilhaft war dies bei einem nicht hitzestabilisierten PA66, bei dem mit der Schlitzdüse unter Verwendung des Prozessgases Luft ähnlich gute Schweißnahtfestigkeiten erreicht werden konnten wie beim Schweißen mit dem Runddüsen-Werkzeug und Stickstoff. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass auch ein realitätsnaher Prüfkörper mittels Schlitzdüsengeometrie geschweißt werden kann. Es wurden ferner die Einflüsse der Gasart und der Fügerichtung analysiert. Hier zeigte sich, dass beim Schweißen von Polypropylen unabhängig von der Art des Prozessgases hohe Schweißnahtfestigkeiten erreicht werden können. Beim Schweißen von Polyamiden hingegen können beim Verwenden von Stickstoff als Prozessgas mit dem Runddüsen-Werkzeug höhere Schweißnahtfestigkeiten bei geringeren Standardabweichungen erzielt werden.

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Effizienter Leichtbau ist in der heutigen Zeit ein Ziel, das in fast allen Entwicklungen im Maschinenbau angestrebt wird. Aber wie langlebig sind solche Leichtbaulösungen im aktiven Gebrauch? Diese Fragestellung wird in einem Kooperationsprojekt im Rahmen eines geförderten IGF-Vorhabens zum Infrarotschweißen von Thermoplast-Bauteilen erarbeitet. Konkret verfolgen die Forschungsstellen das Ziel, glasfaserverstärkte Kunststoffe mittels Infrarotschweißverfahren zu fügen und deren zyklische Belastbarkeit zu ermitteln. Daraus ergeben sich zwei zentrale Forschungsfragen:

1. Wie beeinflussen die Prozessparameter die Morphologie der Schweißnaht?
2. Wie beeinflusst die Morphologie der Schweißnaht deren Schwingfestigkeit?

Im Rahmen des Projekts muss ein tiefes mikromechanisches Verständnis der Fügezone in Abhängigkeit zu den Prozessparametern aufgebaut werden. Dafür sollen in diversen experimentellen Untersuchungen die Parameter variiert werden, um die resultierenden Schweißnahtmorphologien zu untersuchen. Außerdem werden gezielt industrierelevante Fehlstellen induziert, um die Auswirkungen dieser Fehlstellen auf das Langzeitverhalten zu ermitteln. Für die Untersuchung der Schweißnahtmorphologie sind diverse Laboranalysen angedacht, die unterschiedliche Erkenntnisse liefern. Für die Beurteilung der Schwingfestigkeit sind Wöhlerversuche geplant. Die vordringlichen Ziele sind folgende:

1. Beschreibung der Fügezonen-Morphologie in Abhängigkeit zu den Prozessparametern
2. Verbessertes mikromechanisches Verständnis der Fügezone
3. Korrelation von Werkstoffzustand und Schwingfestigkeit herstellen

In dem Forschungsvorhaben sollen zwei Materialien untersucht und charakterisiert werden. Damit soll am Ende eine Grundlage für die Bewertung der Schwingfestigkeit in zyklisch belasteten Thermoplast-Bauteilen in Abhängigkeit zu den Prozessparametern bestehen.

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Im Automobil werden metallische Bauteile zunehmend durch solche aus Kunststoff substituiert, um effizienten Leichtbau zu betreiben und CO2-Emissionen zu reduzieren. Die Notwendigkeit, Gewicht einzusparen, besteht sowohl für Fahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren als auch für solche mit elektromotorischen Antrieben, da die Gewichtsersparnis in beiden Varianten für signifikant geringeren Roll-, Beschleunigungs- und Steigungswiderstand sorgt. Die dazu eingesetzten Kunststoff-Bauteile können aufgrund von zunehmender Bauteilkomplexität selten in einem Prozessschritt hergestellt werden und müssen vermehrt geschweißt werden. Sowohl in den Fahrzeugen mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren als auch in den elektromotorisch angetriebenen bestehen identische Anforderungen an die Bauteil- bzw. Schweißnahtqualität. Dazu zählt neben der Bauteildichtigkeit und der hohen Schweißnahtfestigkeit vor allem die Temperaturbeständigkeit der Materialien, da diese im Automobil hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Folglich werden vermehrt hochtemperaturbeständige Thermoplaste wie zum Beispiel Polyphtalamid (PPA) oder Polyphenylensulfid (PPS) eingesetzt.

Aufgrund der hohen Schmelzpunkte dieser Thermoplaste, treten in der aktuellen Serienfertigung bei mehrstufigen Schweißverfahren häufig Probleme infolge des Umstellprozesses auf. Durch den Umstellvorgang kühlen die vorher erwärmten Fügezonen ab. Des Weiteren ist eine hochfeste, langfristig ausgelegte Fügeverbindung der einzelnen Komponenten die Grundvoraussetzung für den Einsatz von Bauteilen aus Hochtemperatur-Thermoplasten im Automobil. Eine Aussage über die Langzeiteigenschaften dieser Materialien ist jedoch derzeit nicht, bzw. lediglich durch zeitaufwändige Voruntersuchungen, möglich. Deshalb soll im Rahmen des Projekts ein Lebensdauerprognosemodell für geschweißte hochtemperaturbeständige Bauteile entwickelt werden.

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