Analyse der Wirkzusammenhänge zwischen der Morphologie und den Eigenschaften von Schweißnähten beim Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen durch eine dreidimensionale, ortsaufgelöste Bestimmung der Kristallinität der Schweißnaht mittels Raman-Mikroskopie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt; Professor Dr.-Ing. Stefan Will
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399619237

In diesem Vorhaben sollen Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zwischen dem in der Schweißnaht vorliegendem Temperaturfeld, der Schweißnahtmorphologie und den mechanischen Eigenschaften lasergeschweißter Kunststoffbauteile ermittelt werden. Dazu soll eine neue ortsaufgelöste Messmethode auf Basis der Raman-Spektroskopie zur Bestimmung des lokalen Kristallisationsgrades in teilkristallinen Werkstoffen wissenschaftlich erarbeitet und qualifiziert werden und der Einfluss des Kristallisationsgrades in der Schweißnaht auf die Kurzzeit- und Langzeiteigenschaften laserstrahlgefügter Bauteile untersucht werden. Das zu entwickelnde Messverfahren eignet sich zum einen für die prädiktive Werkstoffanalyse um für den nachfolgenden Fügeprozess strahlstoffwechselbestimmende Materialkennwerte zu ermitteln. Lokal unterschiedliche Kristallisationsgrade können im Bauteil identifiziert werden und durch eine geeignete Prozessparameteranpassung beim Laserdurchstrahlschweißen kompensiert werden. Zum anderen sollen damit Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen beim Laserdurchstrahlschweißen analysiert, verstanden und optimiert werden.Aufbauend auf Vorarbeiten soll zunächst die Raman-Mikroskopie hinsichtlich der Bestimmung lokal ortsaufgelöster Kristallisationsgrade weiterentwickelt und validiert werden. Dazu sollen verschiedene teilkristalline Werkstoffe (PA6, PP und PE-HD) zum Einsatz kommen. Ein wesentlicher Schritt ist dabei die Entwicklung eines Verfahrens zur tiefenabhängigen Eigenschaftsbestimmung. Anschließend soll der Kristallisationsgrad in der Schweißnaht laserstrahlgefügter Probekörper in Abhängigkeit unterschiedlicher Prozessparameter analysiert werden und Zusammenhänge zwischen diesem und den Kurzzeit- und Langzeiteigenschaften der Fügeverbindung untersucht werden. Ein thermisches FEM-Modell des Laserdurchstrahlschweißprozesses soll dazu dienen, das Temperatur-feld während des Schweißprozesses abzubilden und somit Ursache-Wirkungszusammenhänge zwischen den Kenngrößen des Temperaturfeldes (Maximaltemperatur, Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit) und dem Kristallisationsgrad festzustellen. Durch angepasste Bestrahlungsstrategien (kontrolliertes Abkühlen durch Mehrfachüberfahrten, Erzeugung von quasi-stationären Temperaturfeldern durch Oszillationsbewegung des Laserstrahls) soll der Kristallisationsgrad in der Schweißnaht gezielt eingestellt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen