Laserschweißen: Metall-zu-Verbund-Verbindungen realisieren

Metall-Polymer-Verbindungen sind die idealen Leichtbaustrukturen für Automobile. Der effektive Verbindungsprozess zwischen Verbundwerkstoffen wie kohlenstofffaserverstärktem Polymer (CFK) oder glasfaserverstärktem Polymer (GFK) und Metallkomponenten hat mit dem Aufkommen von Leichtbaustrukturen im Automobilbau viel Aufmerksamkeit erhalten (siehe Abbildung 1).

Die Verbindung zwischen verschiedenen Materialien ist für die Sicherheit und die Funktion in der Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung.

Die Anforderungen der Automobilindustrie sind klar: Der Klebeprozess muss schnell, zuverlässig und automatisiert sein.

In Tabelle 1 sind die drei gebräuchlichsten Verfahren zum Verbinden von Verbundwerkstoffen und Metallteilen in industriellen Prozessen aufgeführt, wobei das Laserschweißen zwar das modernste Verfahren ist, aber noch weiter erforscht und verbessert werden muss. Dabei geht es nicht nur um die Effizienz, sondern auch um die Festigkeit und Alterung der Verbindungsteile. In diesem Artikel werden diese Fragen im Detail erörtert.

Tabelle 1: Verbindungsmethoden für Verbundwerkstoffe

Grundlagen der Laserschweißtechnik

Das Verborgene Laserschweißverfahren zur Verbindung von Verbundwerkstoffen und Metallteilen besteht im Wesentlichen aus zwei Schritten. Im ersten Schritt wird das Metallteil mit einem Laser behandelt, um eine Mikrostruktur auf seiner Oberfläche zu erzeugen.

Dieses Verfahren kann mit einem Dauerstrich-Single-Mode-Faserlaser mit einer Nennleistung von etwa 1 kW durchgeführt werden. Der Laser tastet die Oberfläche des Metallteils ab, um eine gleichmäßige Rille mit einer Schneidkantengeometrie zu erzeugen (siehe Abbildung 2).

Aufgrund der hohen Intensität des Laserstrahls schmilzt und verdampft das Metall während des Ablationsprozesses teilweise. Durch den Verdampfungsdruck wird Material aufgespritzt, und ein Teil des aufgespritzten Materials verfestigt sich an der Kante der Nut, so dass sich an der Nut ein gewisses Maß an Schneidkantenstruktur bildet.

Um eine stärkere Bindung des Polymers an die Metalloberfläche zu erreichen, kann die Dichte der Oberflächenmikrostruktur erhöht werden, z. B. durch Abtasten der Rillen mit dem Laserstrahl in einem 90°-Winkel (siehe Abbildung 3).

Es gibt ein weiteres Verfahren, mit dem diese Oberflächenstrukturierung erreicht werden kann. Dieses Verfahren kann mit Ultrakurzpulslasern (USP) durchgeführt werden, um eine schwammartige Oberflächenstruktur mit konischen Erhebungen zu erzeugen.

Diese Oberflächenstruktur kann auf verschiedenen Materialien wie Stahl, Aluminium, Silizium und anderen erreicht werden. Titan. Die Haftung des Polymers auf dieser Oberfläche ist besser als die der durch Fasern erzeugten Mikrostruktur Laserbearbeitung. Das einzige Problem ist, dass die Verarbeitungsgeschwindigkeit von USP-Lasern langsamer ist.

Sobald die USP-Laser eine durchschnittliche Leistung von einem Kilowatt erreichen (wie in einem anderen Fraunhofer-Projekt erwartet), könnten sie eine bessere Wahl für die Mikrostrukturierung von Metalloberflächen sein, die für die Verbindung von Verbundwerkstoffen verwendet werden.

Im zweiten Schritt der Verbindung von Verbundwerkstoffen mit Metallteilen wird das Polymer erhitzt, bis es schmilzt.

Anschließend wird das Polymer in das Gefüge auf der Oberfläche des Metallteils gepresst, und nach dem Abkühlen wird eine gute Verbindung zwischen dem Polymer und dem Metallteil erreicht.

Es gibt verschiedene Methoden zur Erwärmung des Polymers: Bei einer Methode wird das Polymer erwärmt (wie beim traditionellen Spritzguss) und dann in die Nut gepresst, bei einer anderen Methode wird das Metallteil erwärmt und auf das kalte Polymer gepresst.

Durch Wärmeleitung schmilzt das Polymer und fließt in das Gefüge an der Oberfläche des Metallteils. Beide Methoden können eine Polymer-Metall-Verbundverbindung bilden.

Der erste Schritt der Lasermikrostrukturierung ist ein schneller und berührungsloser Prozess. Der eigentliche Verbindungsprozess lässt sich leicht in bestehende Produktionsverfahren wie Spritzgießen oder Stanzen integrieren. Daher ist das Laserschweißverfahren im Allgemeinen ein schnelles und wirtschaftliches Verfahren, das für die Massenproduktion geeignet ist.

Mechanische Belastungsprüfung

In praktischen Anwendungen können Verbundteile, die durch Metall und Polymer miteinander verbunden sind, mehrachsigen, phasengleichen oder phasenverschobenen Belastungen ausgesetzt sein. Bei allen Anwendungen stellen sich mehrere Fragen: Wie viel Druck kann eine solche Verbindung aushalten? Wo wird sie brechen? Was bedeutet dies für den Verbindungsprozess?

Um diese Fragen zu beantworten, führten Experten des Fraunhofer ILT in Deutschland eine Reihe von Drucktests mit verschiedenen Materialien durch (siehe Abbildung 4). In einem Fall fertigten sie einen Probekörper an, der aus einem 1,5 mm dicken rostfreien Stahlplatte und einem 3 mm dicken glasfaserverstärkten Polypropylen (PP)-Streifen für die Zug-Scher-Prüfung und einem unverstärkten PP für die Zugprüfung.

Die Metalloberfläche wurde mit einem Singlemode-Faserlaser mit einer Nennleistung von 1 kW und einem fokussierten Durchmesser von etwa 40 μm bearbeitet, um eine reproduzierbare Bisskantenrillenstruktur zu erzeugen. Das Polymerteil wurde mit einem 3-kW-Halbleiterlaser (Leistung von etwa 300-700 W) mit einer Spotgröße von 7,5×25 mm erwärmt.². Die beiden Teile wurden mit einer Klemme zusammen Spannen Druck von 3 bar, und die Klebefläche des Zug-Scher-Prüfkörpers (Stahl + PP) betrug 150 mm²während die Zugprobe (Stahl + PP) 100 mm betrug.².

Von jedem Typ wurden fünf Proben zerstörend geprüft. Die Verbindungsfestigkeit der Mikrostruktur mit einem Rillenabstand von 400 μm wurde unter einer Zug-Schub-Belastung von 13,1 MPa geprüft, die Verbindungsfestigkeit mit einem Rillenabstand von 300 μm wurde unter einer Zug-Schub-Belastung von 15,5 MPa gemessen. Bei der Zuglastprüfung wurden die Proben mit 5,1 MPa (400 μm Rillenabstand) bzw. 9,1 MPa (300 μm Rillenabstand) belastet.

Es ist klar, dass dichte Mikrostrukturen eine bessere Haftung haben, aber es ist zu beachten, dass dichte Mikrostrukturen die Bearbeitungszeit erhöhen.

Die Forscher führten ähnliche Tests durch an Magnesiumlegierung Platten. Alle Testergebnisse zeigten, dass Laser Schweißtechnik kann eine starke und zuverlässige Verbindung zwischen Metall- und Polymerteilen herstellen.

Alterungstest

Eine weitere Frage in der Automobilproduktion ist, ob solche Verbindungen den Anforderungen des Klimawandels und der Korrosion gerecht werden können.

Um diese Frage zu beantworten, führten die Forscher mehrere Tests durch. Sie führten Standard-Klimawechselprüfungen an Verbundwerkstoff-Verbindungsproben gemäß VW PV 1200 durch, wobei die Temperatur zwischen 80 und 40 °C lag.

Ein Prüfzyklus dauerte 12 Stunden und wurde für 2, 10 und 30 Zyklen wiederholt. An den Proben wurden vor und nach dem Klimawechseltest zerstörende Zug- und Scherfestigkeitsprüfungen durchgeführt.

Alle Testergebnisse zeigten, dass die Probekörper Druckwerten zwischen 8-15 MPa standhalten konnten. Ein interessantes Phänomen trat während der Prüfung außerhalb des Klebebereichs auf.

Nach Wiederholung des Tests für 30 Zyklen bestanden die Teile außerhalb der Klebestelle den Festigkeitstest nicht. Mit anderen Worten: Die Klebestelle war sogar stärker als das ursprüngliche Polypropylenmaterial.

Dieses Phänomen war bei der Korrosionsprüfung noch ausgeprägter. Der Salzsprühnebeltest wurde 7 Tage lang gemäß VDA62I-415 durchgeführt. Der Test umfasste Salzsprühnebel und hohe Luftfeuchtigkeit. Vor dem Test konnten alle Proben Kräften von etwa 8 MPa und 15 MPa standhalten.

Nach dem Korrosionstest brachen alle PP/T40-Materialien außerhalb des Klebebereichs, während die GFK-Materialien innerhalb des Klebebereichs brachen, jedoch mit höherer Festigkeit als vor der Korrosion. Die Stahlproben zeigten Rost, vor allem im Bereich der Mikrostruktur.

Im Klebebereich kam es zu einer offensichtlichen Korrosionsdurchdringung, die jedoch die Klebefestigkeit nicht wesentlich beeinträchtigte. Der Gefügebereich außerhalb des Klebebereichs der Aluminiumplatte wiesen ebenfalls Korrosionserscheinungen auf, allerdings nicht innerhalb der Klebestelle. Eine direkte Schlussfolgerung ist, dass alle offenen Gefügebereiche auf dem Metall vermieden werden sollten.

Die Tests zeigten, dass Laseranschluss Technologie können sehr zuverlässige Verbindungen zwischen Metallplatten und Kunststoffen hergestellt werden.

Die üblichen Klima- und Korrosionstests hatten keinen Einfluss auf die Klebefestigkeit. Nach einer gewissen Zeit der Alterung brach der Kunststoff selbst und nicht die Klebestelle. Offene Gefügebereiche auf dem Metall sollten vermieden werden.