Festigkeits- und zeitoptimierte Prozessführung beim quasi-simultanen Laser-Durchstrahlschweißen

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20707_Schmailzl_Diss_MB_406.pdf (20.55 MB)
Diss. Reihe Maschinenbau, Band 406

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2022-10-21
Issue Year
2022
Authors
Schmailzl, Anton
Editor
Franke, Jörg
Hanenkamp, Nico
Hausotte, Tino
Merklein, Marion
Müller, Sebastian
Schmidt, Michael
Wartzack, Sandro
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-584-1
Abstract

The demand on thermoplastic components for lightweight constructions is continuously rising in the automotive as well as in the aerospace industry. The quasi-simultaneous laser transmission welding is an established joining technique in industry, but so far, it is usually not used for high strength applications as well as for safety-relevant components. This is caused by the lack of process understanding in case of producing high strength joints. Especially the temperature in the joining zone is a crucial process characteristic. Up to now, it was not measured in the needed precision. The quasi-simultaneous laser transmission welding of polyamide 6, especially the correlation between process characteristics and the joint strength is analyzed in this work. Therefore, a 3D-scanner with integrated pyrometer was realized and calibrated for the measurement task. It is shown, that the detected heat radiation is mainly coming from the core of the weld seam. The core temperature in the quasi-stationary process state is in direct correlation with the joint strength. The core temperature represents the mobility of the macromolecules in the polymer. An increased mobility leads to a better diffusion, relaxation or retardation of the macromolecules across the joining interface. A process window is defined on basis of the core temperature. The process setting which leads to a high joint strength as well as to the shortest irradiation time is found on the upper corner of the process window. The temperature can be measured with the needed precision by using the herein shown 3D-scanner with integrated pyrometer as well as by using the developed numerical process model. In conclusion, these tools for process diagnostics and the results of this work are useful for the production of welds with high joint strength and short welding times.

Abstract

Mit Blick auf Leichtbauanwendungen ist der Bedarf an thermoplastischen Strukturbauteilen sowohl in der Automobil- als auch in der Luftfahrtindustrie in den letzten Jahren deutlich angestiegen. Das quasi-simultane Laser-Durchstrahlschweißen ist ein etabliertes Kunststoffschweißverfahren, welches jedoch zur Herstellung von tragenden und sicherheitsrelevanten Bauteilen bislang kaum in Betracht gezogen wird. In der vorliegenden Arbeit wird die Korrelation zwischen dem Prozessablauf und der Schweißnahtfestigkeit beim quasi-simultanen Laser-Durchstrahlschweißen von Polyamid 6 (Ultramid B3s) erstmalig untersucht. Zur Prozessanalyse wird ein 3D-Scanner mit integriertem Pyrometer realisiert und für die Messaufgabe kalibriert. Es wird gezeigt, dass die detektierte Wärmestrahlung dem Kern der Schweißnaht zuzuordnen ist. Die Kerntemperatur in der quasi-stationären Prozessphase steht in direkter Korrelation mit der Schweißnahtfestigkeit. Mit steigender Kerntemperatur bzw. Molekülbeweglichkeit erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Molekül-Verschlaufungen in der Fügeebene. Zur Ermittlung der Kerntemperatur ist sowohl die in dieser Arbeit entwickelte Temperaturmesstechnik als auch die realisierte numerische Prozesssimulation nutzbar. Die Erkenntnisse in dieser Arbeit sind für eine festigkeits- und zeitoptimierten Prozessführung des quasi-simultanen Laser-Durchstrahlschweißens nutzbar.

Series
FAU Studien aus dem Maschinenbau
Series Nr.
406
Citation
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-583-4
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