Analyse der Wirkzusammenhänge zwischen der Morphologie und den Eigenschaften von Schweißnähten beim Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen durch eine dreidimensionale, ortsaufgelöste Bestimmung der Kristallinität der Schweißnaht mittels Raman-Mikroskopie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt; Professor Dr.-Ing. Stefan Will
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399619237

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zwischen dem in der Schweißnaht vorliegenden Temperaturfeld, der resultierenden Schweißnahtmorphologie und den mechanischen Eigenschaften lasergeschweißter Bauteile zu ermitteln. Ein Hauptaugenmerk lag hierbei auf der Erarbeitung und Qualifizierung einer neuen Messmethode auf Basis der Raman-Mikroskopie zur ortsaufgelösten Bestimmung der Kristallinität. Gleichbedeutend war die Analyse des Einflusses der Morphologie auf die Kurzzeit- und Langzeiteigenschaften der Bauteile bzw. Schweißnähte. Die grundsätzlichen Ziele des Antrags konnten sowohl auf Seiten der Raman-Mikroskopie als auch auf Seiten der mechanischen Charakterisierung von Polymerschweißnähten erfolgreich erreicht werden. Hierzu wurde ein innovatives Raman-Mikroskop entwickelt, welches schnelle, großflächige, örtlich feinaufgelöste und polarisationsabhängige Untersuchungen an (Polymer-)Dünnschnitten erlaubt. Somit konnten vollständige Schweißnahtdünnschnitte mit Dimensionen von circa 1,3 x 2 mm mit einer Auflösung von 12 µm (> 17000 Messpunkten) polarisationsabhängig in 2 Stunden trotz beigemischtem Ruß vermessen werden. Für die anschließende Auswertung der aufgenommenen Spektren wurde eine Methode auf Basis der spektralen Rekonstruktion entwickelt, mit deren Hilfe Falschfarben-Bilder der örtlich aufgelösten kristallinen, amorphen und Zwischenphasenanteile generiert werden konnten. Durch die Weiterentwicklung eines FE-Modells konnten Simulationen der zu erwartenden Temperaturverläufe und Abkühlraten in der Schweißnaht in Abhängigkeit gewählter Prozessparameter durchgeführt werden. Eine Validierung des Wirkzusammenhangs zwischen lokaler Abkühlgeschwindigkeit und sich einstellender Polymermorphologie konnte differenziert mittels der Raman-Spektroskopie und bekräftigend mittels fein aufgelöster DSC-Messungen erfolgen. Dazu wurden Dünnschnitte zuvor geschweißter Polymerverbindungen mit variierenden Prozessparametern untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Kristallinität der Schweißnaht aufgrund des Aufschmelzens und raschen Abkühlens niedriger ist als die umliegende Kristallinität im laserunbeeinflussten Material. Weiterführend zeigte sich, dass eine gesteigerte Streckenenergie beim Schweißprozess aufgrund der zunehmenden Maximaltemperatur und davon abhängig niedrigeren Abkühlgeschwindigkeit in der Schweißnaht wiederum eine Zunahme der Kristallinität in jener mit sich bringt. Ferner konnte mittels der Raman-Mikroskopie ein Ring hoher Kristallinität aufgelöst werden, welcher prozessparameterunabhängig den aufgeschmolzenen Bereich der Schweißnaht umgibt. Analysen der mikro-mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte zeigten eine deutliche Korrelation zwischen der lokal vorherrschenden Morphologie und der Zugfestigkeit der untersuchten Proben. So konnte erkannt werden, dass bereits eine geringe Abnahme der lokalen Kristallinität zu einer deutlich verringerten Zugfestigkeit in diesem Bereich führt. Die durchgeführten Arbeiten zeigen nachdrücklich, dass die Raman-Spektroskopie ein hervorragendes Werkzeug zu Beurteilung von Polymer-Bearbeitungsprozessen ist. Dieses Potential soll auch in zukünftigen Arbeiten genutzt werden, dabei wird mittelfristig auch ein in situ Einsatz der Technik zur prozessbegleitenden Messung angestrebt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "Correlation between weld seam morphology and mechanical properties in laser transmission welding of polypropylene", Procedia CIRP 94, 691–696 (2020)
  M.-L. Röhricht, T. Stichel, S. Roth, P. Bräuer, M. Schmidt and S. Will
  
• "Spatially-resolved crystallinity determination of polymer welding seams by Raman-microscopy", Procedia CIRP 94, 796–801 (2020)
  P.A.B. Braeuer, L.A. Bahr, M.-L. Röhricht, M. Schmidt and S. Will
  
• "Correlation between the spatial weld seam morphology and the spatial-temporal temperature profile in laser transmission welding of polypropylene", Lasers in Manufacturing Conference (2021)
  E. Mayer, T. Stichel, T. Frick, S. Roth and M. Schmidt