Integrative Berechnung der Schweißnahtfestigkeit in Kunststoffbauteilen auf Basis eines Interdiffusionsmodells am Beispiel des Laserdurchstrahlschweißens

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321043881

Unabhängig vom gewählten Schweißverfahren wird zur mechanischen Auslegung geschweißter Komponenten die Fügenahtfestigkeit benötigt, da diese oftmals eine Schwachstelle und somit eine potenzielle Versagensstelle im Bauteil darstellt. Diese ist neben den mechanischen und thermischen Eigenschaften der gefügten Werkstoffe entscheidend von den Parametern des Fügeprozesses abhängig. Aktuell wird die Auslegung der Fügezone in einem iterativen Prozess durchgeführt, in dem sowohl Fügeparameter als auch die eigentliche Geometrie der Fügezone in Anlehnung an Richtlinien sukzessive angepasst werden. Eine auf physikalischen Modellen basierende Vorhersage resultierender Schweißnahtfestigkeiten existiert bisher nicht. In dem geplanten Forschungsvorhaben soll daher eine Multiskalensimulation zur Berechnung der Schweißnahtfestigkeit am Beispiel des Laserdurchstrahlschweißens aufgebaut und validiert werden. Das Laserdurchstrahlschweißen ist ein wichtiges Verfahren zum Fügen von Thermoplasten, sodass der aufgebaute Ansatz mithilfe des Laserschweißens validiert und die Übertragbarkeit des entwickelten allgemeinen Ansatzes überprüft werden soll. Gründe für die Anwendung dieses Verfahrens sind neben dem geringen Wärmeeintrag in die gefügten Bauteile vor allem die hohen Schweißgeschwindigkeiten sowie hohen Fügenahtfestigkeiten. Die in der Schweißnaht resultierende Festigkeit stellt eine lokale Größe dar, die vom Ort sowie den Prozessparametern abhängig ist. Durch eine Simulation der auf molekularer Ebene stattfindenden Interdiffusionsvorgänge auf Basis eines Reptations-Modells kann die in der Fügezone vorliegende Festigkeitsverteilung bestimmt werden. Dazu ist als Eingangsgröße eine realitätsnahe Berechnung der lokalen Temperaturverteilung in der Fügenaht notwendig. Ein geeigneter Ansatz dazu wurde für das Laserdurchstrahlschweißen vom Antragsteller bereits aufgebaut und soll im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens weiterentwickelt werden. Der Ansatz wird entwickelt, um zum einen die Interdiffusion und zum anderen die aus der Interdiffusion resultierende Festigkeitsverteilung in der Fügezone zu berechnen. Neben der Festigkeitsverteilung haben die im Schweißprozess thermisch induzierten Eigenspannungen einen signifikanten Einfluss auf die Bauteilfestigkeit gefügter Komponenten. Aufbauend auf den thermischen Berechnungen sollen thermomechanische Simulationen zur Bestimmung der Eigenspannungsverteilung in der Fügenaht in Abhängigkeit der Schweißparameter durchgeführt werden. Durch eine simulative Bestimmung sowohl der Festigkeits- als auch der Eigenspannungsverteilung ist eine deutlich verbesserte Abbildung des strukturmechanischen Verhaltens gefügter Bauteile möglich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen