Werkstoff-, Prozess- und Bauteiluntersuchungen zum Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen

Schulz, Jörn-Eric; Haberstroh, Edmund

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-5367

Werkstoff-, Prozess- und Bauteiluntersuchungen zum Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen

Schulz, Jörn-Eric (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jörn-Eric Schulz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

UmfangII, 124 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Haberstroh, Edmund (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-12-06

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-5367
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61398/files/Schulz_Joern-Eric.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Kunststoff (frei) ; Laser (frei) ; Schweißen (frei) ; optische Eigenschaften (frei) ; Temperatur (frei) ; Oberfläche (frei) ; Geometrie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Beim Laserdurchstrahlschweißen wird ein für den Laserstrahl transparenter Fügepartner durchstrahlt und die Lichtenergie im dahinter liegenden absorbierenden Fügepartner in Wärmeenergie umgesetzt, so dass eine Schweißung erfolgen kann. Um den Laserdurchstrahlschweißprozess vollständig beschreiben zu können, wird an Hand des Weg- und Kraftverlaufs eines ortsfesten Punktes der Schweißnaht eine Einteilung in drei Phasen vorgenommen. Beim Durchgang von Laserstrahlung durch Kunststoffe tritt im Innern neben Absorption auch Streuung auf. Dieses kann mit Hilfe der Thermographie dargestellt werden. Dazu werden für den Laserstrahl transparente Proben lokal erwärmt und die Temperaturbilder der Vorder- und Rückseite der Proben aufgezeichnet. Für die Vorhersage der Temperaturen in der Fügenaht beim Schweißen werden Berechnungen durchgeführt. Werden diese mit Thermoelement-Temperaturmessungen verglichen, so zeigt sich, dass die erreichten Temperaturen beim Schweißen durch den verwendeten mathematischen Zusammenhang nicht exakt ermittelt werden können. Die Gestaltung der Oberfläche von Schweißteilen beeinflusst ebenfalls das Schweißergebnis. Bei Variation der Oberflächenrauhigkeit nimmt die gemessene Bruchkraft gegenüber Proben mit polierten Oberflächen ab. Weiterhin kann bei bestimmten Bauteilgeometrien nur durch die Wahl einer geeigneten Lasereinstrahlrichtung eine Schweißung erreicht werden. Mit der Orientierungsdoppelbrechung und einer Darstellung mit Hilfe von Infrarotstrahlung können Laserschweißnähte zerstörungsfrei geprüft werden. Bei der Orientierungsdoppelbrechung werden nach einer Schweißung von transparenten PC-Proben neben der Schweißnaht zusätzliche Isochromaten gefunden. Bei der Darstellung von Schweißteilen mit einer für Infrarotstrahlung empfindlichen Kamera können erstmalig Schweißnähte von schwarz eingefärbten, im Durchstrahlschweißen gefügter Bauteile sichtbar gemacht werden.

Laser transmission beam welding is only possible, if one joining part is transparent for the laser beam. The other part is non-transparent and thus absorbs the light. Within the absorbing part light energy is altered into heat energy. In order to start the welding process, both parts have to be in contact with each other. As a general finding of this research, the welding process itself can be divided into three different phases. During the transmission of the laser beam through the transparent part the polymer scatters the laser beam and also absorbs a small amount of the laser light. Thermographic evaluations are able to show the amount of scattering. In the experiments laser beam transparent parts were heated up locally and the temperature image of the front and the rear side of the sample were evaluated. Calculations, done before the welding process, are a method to predict the welding temperature. A comparison between calculated and actual temperatures show that there is a difference between the two temperature curves. Thus, it is not possible to exactly pre-calculate the temperature curves of the process. The surface structure of the welding parts significantly influences the welding process. As a result, different surface roughness generally leads to reduced tractive force, when compared to polished surfaces. Additionally, welding is only possible with the right geometry of the component parts, which means these parts have to be specially designed. Photoelasticity and transmission detection with an infrared beam can be used for non-destructive welding line tests. The photoelasticity test revealed the additional presence of isochromates directly beneath the welding line of a transparent PC sample. Former research has not been able to provide a method to investigate the welding line of two laser transmission beam welded black parts. This problem has successfully been solved by using an infrared light emitting and detecting camera.

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