Eigenschaftsanalyse von geschweißten Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden mit Verfahren der Oberflächen- und Schichtanalytik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen der Forschungsarbeiten im Teilprojekt 4 (IFOS) wurde gezeigt, dass sowohl bei ultraschall-, als auch induktionsgeschweißten Hybridverbunden aus Aluminiumblechen und karbonfaserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffen die mechanischen Eigenschaften durch eine dem Schweißprozess vorgeschaltete, adäquate mechanische und chemische Oberflächenvorbehandlung der Metallfügepartner optimiert werden können. Gegenüber Zugscherproben mit unbehandelten, walzblanken Aluminiumblechen konnte die Verbundfestigkeit durch Druckluftstrahlen mit Edelkorund und/oder Beizen der Fügefläche um bis zu 40% gesteigert werden. Neben der höheren Anfangsfestigkeit wird vor allem auch die Langzeitbeständigkeit der Schweißverbindungen erheblich verbessert. Während beispielsweise induktionsgeschweißte AlMg3/CFK-PA66-Verbunde mit nicht vorbehandelten Aluminiumfügeteilen bereits nach sechsmonatiger natürlicher klimatischer Beanspruchung vollständig delaminiert waren, vermochten Schweißverbindungen mit entsprechend vorbehandelten Aluminiumblechen auch nach einjähriger Freibewitterung noch Lasten von bis zu 50 % der Anfangsfestigkeit zu übertragen. Auch nach beschleunigter korrosiver und hygrothermischer Alterung wiesen derartige Verbunde mit mechanisch und chemisch vorbehandelten Metallfügeteilen gegenüber nicht vorbehandelten Vergleichsproben deutlich bessere mechanische Eigenschaften auf. Hochauflösende oberflächenanalytische Untersuchungen an Querschnitten der aus dem Metall/Polymer-Interface entnommenen Lamellen zeigen, dass Bestandteile der während des Ultraschall- und Induktionsschweißens aufgeschmolzenen thermoplastischen CFK-Matrix in die submikroskopische Kapillaren der 80 nm dicken Oxidschicht einer in Salpetersäure gebeizten Aluminiumoberfläche einzudringen vermögen. Während des Schweißvorganges schmilzt das thermoplastische Matrixmaterial des CFK-Fügeteils offensichtlich oberflächennah auf, benetzt die Aluminiumoberfläche und erstarrt nach Abkühlen der Schweißzone wieder. Die mechanischen Verbundeigenschaften werden einerseits durch physikalische Adhäsionskräfte im Interface Kunststoff/Metall bestimmt. Daraus erklärt sich aufgrund der Vergrößerung der spezifischen Oberfläche die beobachtete Festigkeitssteigerung beim Einsatz der vorbehandelten Bleche. Andererseits lässt sich die Festigkeitssteigerung auch auf eine mechanische Verklammerung zwischen Kunststoff und der durch die Substratvorbehandlung aufgerauten und zerklüfteten Aluminiumoberfläche zurückführen. So lassen sich durch die makroskopische Aufrauhung beim Korundstrahlen die Verbundfestigkeiten bereits signifikant erhöhen. Durch eine submikroskopische "Aufrauhung" beim Beizen der Oberfläche in konzentrierter Salpetersäure lässt sich die Festigkeit noch weiter bis zum Kohäsionsbruch im Polyamid 6.6 steigern. Durch einen sich im Interfacebereich ausbildenden Verbundwerkstoff aus Al-Oxid und PA66 wird in diesem Fall auch die Alterungsbeständigkeit entscheidend verbessert.
