Charakterisierung der Fügezone von laserbasiert gefügten Hybridverbunden aus teilkristallinen thermoplastischen Kunststoffen und Metallen

Schricker, Klaus GND

Das thermische Fügen ermöglicht die direkte Herstellung von Kunststoff-Metall-Verbunden ohne Verwendung von Zusatzwerkstoffen oder Fügehilfselementen und bietet damit ein hohes Potenzial für die industrielle Produktion von Großserienprodukten. Dabei stehen aufgrund ihrer Eigenschaftsprofile einerseits Aluminiumlegierungen und Stähle und andererseits teilkristallinen Kunststoffe im Mittelpunkt des Interesses. Der industrielle Einsatz dieses Fügeprozesses setzt allerdings eine fundierte Kenntnis über die entstehende Fügezone und die vorliegenden Abhängigkeiten von Werkstoff und Prozessgrößen voraus. Die Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der grundlegenden Charakterisierung der Fügezone laserbasiert gefügter Hybridverbunde aus teilkristallinen thermoplastischen Kunststoffen mit Metallen am Überlappstoß, die Beschreibung der Interaktion zwischen Fügeprozess und Werkstoffen und die daraus resultierenden Effekte auf die Verbundeigenschaften.

Thermal joining of polymers to metals enables a direct connection between both materials without the use of a filler material or joining element. In this work, the joining zone in laser-based joining between semi-crystalline plastics and metals was examined and evaluated regarding mechanical properties of the joint. In order to address a large number of industrial applications, aluminum (EN AW 6082) as well as steel (X5CrNi18-10) were used as metal joining partner and PA 6, PA 6.6 and PP were applied on the side of the plastic materials. At the beginning, the investigations on the joining zone were carried out on spot joints and a half-section setup. The characterization was based on experimental investigations and thermal simulation. A generalization of the joining zone was given by material-dependent isotherms. Further examinations addressed the processes of melting and solidification, bubble formation and melt flow within the joining zone. The results were correlated to the temperature distribution respectively material specific properties. Thereby, the melting layer is decisive for forming a joint between both materials and changed in morphology as well as material properties compared to the base material. The size of the melting layer was highly sensitive to the metal sheet thickness, the laser beam power and the melting interval of the thermoplastic joining partner. Regarding joint formation, the penetration of microscopic surface structures was investigated. Thereby, the temperature distribution plays a dominant role compared to the joining time and the increasing volume during phase transition solid-liquid supports the penetration too. The results were transferred to overlap joints and the joining zone was characterized depending on the energy input per unit length. On this basis, the mechanical properties of a PA 6-EN AW 6082 joint were investigated towards cohesive failure. An increasing energy input per unit length results in a reduced ductility in short-term testing and a decreased fatigue strength. Thereby, the heat treatment of the thermoplastic material led to secondary crystallization which was identified as primary influence for the change in mechanical properties and verified by heat treated control specimens.

Das thermische Fügen ermöglicht die direkte Herstellung von Kunststoff-Metall-Verbunden ohne Verwendung von Zusatzstoffen oder Fügehilfselementen. Im Rahmen der Arbeit wurde die Fügezone zwischen teilkristallinen Kunststoffen und Metallen im laserbasierten Fügen beschrieben und der Einfluss auf die mechanischen Verbundeigenschaften ermittelt. Zur Abbildung eines breiten Anwendungsspektrums wurden die Untersuchungen anhand von Aluminium (EN AW 6082) und Stahl (X5CrNi18-10) sowie für PA 6, PA 6.6 und PP durchgeführt. Die Charakterisierung der Fügezone erfolgte an Punktverbindungen sowie unter Einsatz eines Halbschnittversuchsstandes. Auf Basis von experimentellen Untersuchungen sowie der thermischen Simulation konnte die Fügezone anhand charakteristischer Isothermen verallgemeinert werden. Darauf aufbauend wurden wesentliche Vorgänge innerhalb der Fügezone (Schmelzen/Erstarren, Blasenbildung, Strömung) erfasst und mit dem Temperaturfeld bzw. werkstoffspezifischen Eigenschaften verknüpft. Die Schmelzzone innerhalb des Kunststoffes ist dabei maßgeblich für die Verbundherstellung zwischen beiden Werkstoffen und weist gegenüber dem Grundwerkstoff eine veränderte Morphologie sowie modifizierte Materialeigenschaften auf. Die Größe der Schmelzzone zeigt eine hohe Sensitivität gegenüber der Materialstärke des metallischen Fügepartners, der Laserstrahlleistung sowie dem Schmelzintervall des Kunststoffes. Im Hinblick auf die Verbundentstehung wurde die Bedeutung der Temperaturverteilung gegenüber der Fügezeit zur Füllung der Oberflächenstrukturen sowie eine unterstützende Wirkung der Volumenzunahme im Phasenübergang fest-flüssig nachgewiesen. Die gewonnen Erkenntnissen wurden auf Überlappverbindungen übertragen und die Fügezone in Abhängigkeit der Streckenenergie charakterisiert. Darauf aufbauend erfolgte die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften eines Verbundes aus PA 6 mit EN AW 6082 hinsichtlich des kohäsiven Versagensverhaltens. Steigende Streckenenergien führten zu einer verringerten Duktilität des Verbundes in der mechanischen Kurzzeitprüfung sowie zu einer nachteiligen Beeinflussung des Ermüdungsverhaltens. Als maßgeblicher Effekt wurde die Sekundärkristallisation des Kunststoffes identifiziert, die auf eine Wärmebehandlung der Schmelzzone im Fügeprozess zurückgeführt und anhand von Auslagerungsversuchen an Vergleichsproben verifiziert werden konnte.

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Schricker, Klaus: Charakterisierung der Fügezone von laserbasiert gefügten Hybridverbunden aus teilkristallinen thermoplastischen Kunststoffen und Metallen. Ilmenau 2019.

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