Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Wechseldehnungsschweißen - Entwicklung einer Fügetechnologie für 3D-Geometrien

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer neuen Fügetechnologie für konventionell nicht schweißbare gewölbte 3D-Geometrien, wobei die Energieeinbringung über Dehnungsdissipation erfolgt. Mit diesem neuen Schweißverfahren können Geometrien mit komplexen Nahtstrukturen bei kürzeren Zykluszeiten gegenüber bisher eingesetzten Verfahren gefügt werden. Es soll ein Wechseldehnungsschweißen entwickelt werden, das über wechselnde Dehnbewegung Energie in einen über Konvektion oder Infrarotstrahlung anplastifizierten Schmelzefilm dissipiert und so eine vollständige Schweißnaht ausbildet.

Das Verfahren soll experimentell aufgebaut und mathematisch-physikalisch modelliert werden. Es wird ein Versuchsstand entwickelt, um die Dehnfähigkeit von Kunststoffschmelzen aufzunehmen und grundlegende Schweißversuche durchzuführen. Für Hybridschweißungen stehen zwei Vibrationsschweißmaschinen (linear, orbital) zur Verfügung. Die spezifische Vorwärmung muss in die jeweilige Schweißmaschine integriert werden. Es werden die Einflüsse der Material- und Prozessparameter auf die Schweißnaht untersucht und Schweißungen an Platten sowie an einem Probekörper mit umlaufender, geschlossener Schweißnaht durchgeführt. Die Schweißnahtqualität wird sowohl optisch als auch mechanisch untersucht. Es soll geklärt werden, welche Erwärmmethode eine höhere Schweißnahtfestigkeit begünstigt.

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens umfassen Prozessparameter für eine stoffschlüssige Verbindung von Geometrien mit hoher Wölbung sowie Gestaltungshinweise und Richtlinien, die höhere Designfreiheiten der Fügenähte und somit der Bauteile durch das Wechseldehnungsschweißen ermöglichen.

Die Prozessbeherrschung eines neuen Schweißverfahrens mit erhöhten geometrischen Möglichkeiten, wie z.B. hohen Versatzwinkeln, verschafft den Unternehmen ein Alleinstellungsmerkmal. Zudem werden Wettbewerbsvorteile für KMU u.a. erzielt durch eine Kostenreduktion, die auf einer Reduzierung der Zykluszeit beruht.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurde das Wechseldehnungsschweißen entwickelt mit den dreidimensionalen Nähten in kurzen Zykluszeiten geschweißt werden können. Es wurden die Dehnfähigkeit von Kunststoffschmelze, der Einfluss eines Schmelzeabrisses auf die Schweißnahtqualität, die Wärmeeinbringung über Wechseldehnung und die Auswirkungen einer solchen Wechseldehnung auf die Nahtqualität untersucht. Im Rahmen der Schweißuntersuchungen wurden die Fügewinkel sukzessive gesteigert, Schweißparameter variiert und die Nähte im Anschluss daran sowohl mechanisch und als auch mikroskopisch charakterisiert, um den Einfluss der unterschiedlichen Parameter auf die Schweißnahtfestigkeit zu überprüfen und potentielle Prozessgrenzen zu eruieren.

Im Rahmen der Voruntersuchungen zeigte sich, dass Kunststoffschmelze in hohem Maß gedehnt werden kann, dies jedoch von den im Material enthaltenen Additiven abhängt, und dass durch Wechseldehnung zusätzlich Wärmeenergie in eine Schweißnaht eingebracht werden kann.

Diese Voruntersuchungen bildeten die Basis für weitergehende Schweißuntersuchungen an komplexeren Bauteilen, die sich aus einer ebenen Fläche und einem angewinkelten Bereich zusammensetzten. Durch diese kombinierten Probekörper konnten die kritischen (angewinkelten) und die unkritischen (ebenen) Bereiche direkt miteinander verglichen werden. Die Schweißuntersuchungen zeigten, dass mit dem Wechseldehnungsschweißen Bauteile mit Fügewinkeln ≥ 30° erfolgreich geschweißt werden können. Mit steigendem Fügewinkel erhöht sich jedoch die Komplexität des Schweißvorgangs und vor allem bei niedrigviskosen Materialien besteht die Gefahr, dass ein Großteil der Schmelze aus der Fügezone verdrängt wird. Dadurch können Fehlstellen entstehen, die sich negativ auf die Schweißnahtfestigkeit auswirken.

Des Weiteren konnte aufgezeigt werden, dass der Einsatz des Wechseldehnungsschweißen bei bestimmten Anwendungen und Materialien wirtschaftlich sinnvoll sein kann.