Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung der Schweißnahteigenschaften laserdurchstrahlgeschweißter Bauteile unter Berücksichtigung dynamischer Beanspruchung und Klimawechselbelastung

 

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen den Kurzzeit- und dynamischen Langzeiteigenschaften sowie der Klimafestigkeit von laserdurchstrahlgeschweißten Nähten unter Betrachtung der maßgeblichen Schweißprozessparameter. Eine wesentliche zu klärende Fragestellung ist, ob bei einem Parametersatz, der gute mechanische Kurzzeiteigenschaften aufweist, auch zufriedenstellende dynamische Langzeiteigenschaften im Hinblick auf das Ermüdungsverhalten und Klimawechselfestigkeit zu erwarten sind.

Die angestrebten Forschungsergebnisse ermöglichen somit erstmals, die Berücksichtigung von mechanischen dynamischen Belastungen und Klimawechseleinflüssen im Lebenszyklus von laserdurchstrahlgeschweißten Kunststoffbauteilen. Unter Berücksichtigung der Prozessparameter bzw. die daraus resultierende Morphologie der Schweißnaht, wird eine Optimierung des Betriebsverhaltens und eine Reduzierung der Schadensanfälligkeit bereits bei der Bauteilauslegung ermöglicht und aus den Erkenntnissen konkrete Handlungsempfehlungen abgeleitet.

Zur Erreichung des Forschungsziels werden mechanische Prüfungen (Zug bzw. Zugschwellversuche) durchgeführt und die Bruchbilder fraktographisch betrachtet. Ergänzend werden Dichtheitsuntersuchungen an Gehäusen durchgeführt. Für das Forschungsvorhaben werden für das Laserschweißen typische Materialien, für den Automotiv- und Medizinbereich ausgewählt. Mit Hilfe des entstehenden Wissensvorsprungs kann in den Bereichen Verfahrensoptimierung, Qualitäts- und Prozesssicherung die benötigte Sicherheit in Hinblick auf die dynamischen Langzeiteigenschaften und Klimawechselfestigkeiten erreicht werden. Dies stellt daher eine wesentliche Chance dar, um bei zahlreichen kleinen und mittelständigen Unternehmen (KMU) die Produktqualität nachweislich zu verbessern und dies positiv zu vermarkten. Diese Arbeit leistet somit durch eine Produktqualitätssteigerung einen innovativen Beitrag im Bereich Laserschweißen von Kunststoffen für KMUs.

Ergebniszusammenfassung:

Die zentralen Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind

(a) die experimentellen Daten zu den Ermüdungs- und Klimawechselfestigkeiten von laserdurchstrahlgeschweißten Kunststoffverbindungen aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polyamid 6.6 (PA6.6) sowie

(b) deren Analyse bezüglich Korrelationen zwischen Kurz- und Langzeiteigenschaften.

Die Kurzzeit- und Ermüdungsfestigkeiten der verschiedenen Probekörper wurden über Abminderungsfaktoren ausgewertet, welche den Anteil der quasi-statischen Kurzzeitfestigkeit angeben, der als Dauerfestigkeit bei schwingender Belastung angesetzt werden kann. Für die betrachteten konturgeschweißten Überlapp-Verbindungen ergaben sich die Abminderungsfaktoren als unabhängig von den Schweißparametern, d. h. hier ist bei Kenntnis der Kurzzeitfestigkeit der Verbindung und des Abminderungsfaktors eine Vorhersage der Ermüdungsfestigkeit möglich. Speziell für ABS war der Abminderungsfaktor der Überlapp-Verbindungen gut vergleichbar dem des ungeschweißten Grundmaterials. Für alle T-Stoß-Verbindungen und das untersuchte Demonstratorbauteil zeigte sich, dass der Schädigungsbeginn bei dynamischer Belastung geometriebedingt im Grundmaterial neben der Naht auftritt. Dies führt dazu, dass Vorhersagen der Ermüdungsfestigkeit von geschweißten T-Stoß-Verbindungen, die konkreten Abmessungen der erweiterten Fügezone berücksichtigten müssten.

Mit Hinblick auf die Beständigkeit der lasergeschweißten Verbindungen gegenüber klimatischen Wechsellasten zeigten insbesondere qualitativ schlechter ausgeführte Nähte eine klare Abnahme der Festigkeit. Dieser Effekt ist qualitativ vergleichbar zu den Grundmaterialien, jedoch für die Schweißverbindungen quantitativ deutlich stärker ausgeprägt. Eine mechanische Einschränkung der geschweißten Probekörper, wie sich häufig auch in realen Baugruppen vorliegt, verstärkt die Festigkeitsabnahme. In einzelnen Fällen konnten qualitativ gut ausgeführte Schweißungen durch die Klimawechselbelastung an Festigkeit gewinnen.