Laserstrahlschweißen von Kunststoffen mit bauteilangepassten quasi-stationären Temperaturfeldern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des DFG-Transferprojekts wurde von der blz Bayerisches Laserzentrum GmbH und dem Laser Zentrum Hannover e.V. mit Unterstützung von LPKF Laser & Electronics AG und der Volkswagen AG ein Prototypensystem zum Laserdurchstrahlschweißen mit quasistationären Temperaturfeldern für Realbauteile entwickelt und aufgebaut. Zur Erzeugung dieser Temperaturfelder wurden die Verfahrensvarianten Kontur- und Quasi-Simultanschweißen zum qsK-Schweißen kombiniert bzw. das Konturschweißen mit der Vorschubbewegung überlagerter Laserstrahloszillation an Proben und Realbauteilen mit teils dreidimensional geformter Fügefläche erprobt. Hierfür wurde ein kombinierter Aufbau entwickelt, der eine Scanneroptik, welche den Laserstrahl oszillierend ablenkt, mittels eines Roboters über das zu fügende Bauteil führt. Für die Kontrolle der Prozesstemperaturen während des Fügens in der Schweißnaht wurde eine on-axis Temperaturdetektion mittels Pyrometer, d.h. parallel zum Laserstrahl durch die Scanneroptik, und die off-axis Temperaturmessung mittels Thermokameras untersucht. Nach Entwicklung und Aufbau des unter anderem aus einem Roboter, einem Laser und einer Scanneroptik aufgebaut Prototypensystems wurde dessen Systemaufbau validiert, d.h. es wurden Kontur- und qsK-Schweißungen mit thermoplastischen Proben durchgeführt. Für das Schweißen der Realbauteile wurden unterschiedliche Oszillationsfiguren erprobt, wobei sich kreis- und lemniskatenförmigen Figuren sowohl auf basis experimenteller als auch simulativer Betrachtung als mit Hinblick auf verbesserte Schweißnahtfestigkeit und Spaltüberbrückung als besonders vorteilhaft erwiesen. In der Simulation konnten in der Schweißnaht in Abhängigkeit der verwendeten Werkstoffe, Oszillationsform, Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit, Scangeschwindigkeit und relativen Fokuslage resultierende Temperaturverteilung ausreichend exakt dargestellt werden. Damit waren Rückschlüsse auf die Schweißnahtausbildung und deren Qualität möglich. Des Weiteren wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um den Einfluss von unterschiedlichen Oszillationsformen, Schweißparametern und Spaltmaßen auf die Schweißnahtausprägung aufzuzeigen. Dabei wurden für geschweißte Proben und Realbauteile wichtige Charakteristika, wie die Ausprägung des Schweißnahtquerschnitts, die Schweißnahtfestigkeit und die Spaltüberbrückbarkeit bestimmt. In Abhängigkeit der Schweißparameter konnte eine Steigerung der Zug-Scherfestigkeit durch die Verwendung quasi-stationärer Temperaturfeldern festgestellt werden. So können beim Schweißen mit Laserstrahloszillation in einem breiten Prozessparameterbereich bei gleichen gewählten Vorschubgeschwindigkeiten und resultierenden Schweißnahtbreiten höhere Schweißnahtfestigkeiten erreicht werden als dies beim Konturschweißen möglich ist. Parallel dazu wurde eine berührungslose Temperaturdetektion mittels Hochgeschwindigkeitspyrometern und Thermokameras umgesetzt. Die Pyrometer wurden über Auskoppelelemente mit den Scanneroptiken verbunden. Um die Genauigkeit dieser Messmethode zu untersuchen, wurden unter anderem gezielt Fehlstellen in die Schweißnähte eingebracht und deren Detektierbarkeit anhand des Temperatursignals bestimmt. Darüber hinaus wurden Thermokameras eingesetzt, um die Temperaturentwicklung in der Schweißnaht zu ermitteln. Thermographisch und pyrometrisch ermittelte Informationen zur Ausprägung der quasi-stationären Temperaturfelder wurden korreliert und die jeweilige Eignung der Sensoren für deren Einsatz im industriellen Umfeld untersucht. Für die im Rahmen des Projekts zum Einsatz kommenden Realbauteile wurden unterschiedliche Spannkonzepte entwickelt. Diese beinhalten eine flexible Anpressung der Bauteile, um Ungenauigkeiten in der Bauteilgeometrie ausgleichen zu können. Am Ende des Projektes wurden Servoölbehälter mit generischen Deckeln verschweißt. Die Schweißungen wurden mit kreis- und lemniskatenförmiger Laserstrahloszillation durchgeführt, zugehörige Prozesstemperaturen wurden mittels des aufgebauten Temperaturmesssystems, bestehend aus Pyrometer und Thermokamera, überwacht. Abschließend wurde eine Integration des entwickelten Schweißverfahrens und des Aufbaus in die Produktion beim Projektpartner Volkswagen AG diskutiert. WeitereSchritte zur Integration des Prozesses sind geplant.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Evaluation of a pyrometric-based temperature measuring method for the laser transmission welding. In: Proc. of the 7th international conference & exhibition on photonic technologies – LANE 2012, 12.-15.11.2012, Fürth. Physics Procedia, Elsevier B.V., Amsterdam, 2012
Wippo, V.; Devrient, M.; Kern, M.; Jäschke, P.; Stute, U; Frick, T.; Haferkamp, H.; Schmidt, M.
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Laser transmission welding with part adapted temperature fields. In: Proc. of the 31th international congress on applications of lasers & electro-optics – ICALEO 2012, 23.-27.09.2012, Anaheim (USA). Laser Institute of America, Orlando (USA), 2012
Devrient, M.; Wippo, V.; Jäschke, P.; Stute, U.; Frick, T.; Haferkamp, H.; Schmidt, M.
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Laser-based joining of three-dimensional thermoplastic parts and thermoplastic aluminum hybrids. In: Proc. of the 32th international congress on applications of lasers & electro-optics – ICALEO 2013, 06.-10.10.2013, Miami (USA). Laser Institute of America, Orlando (USA), 2013
Devrient, M.; Amend, P.; Schmidt, M.
