Sicher Prüfen in der Serienfertigung

Die dargestellte kompakte Laserschweißmaschine wird manuell beladen. Die Werkstücke werden durch zwei automatische Schubladen in die Maschine eingebracht. (Bildquelle: Wolf Produktionssysteme)

Das Verschweißen von Kunststoffen mit Laser findet immer mehr Anwendung. Konventionelle Schweißverfahren wie Ultraschallschweißen oder Vibrationsschweißen haben den Nachteil, dass häufig Sichtflächen beschädigt werden oder Einbauteile, insbesondere elektronische Komponenten, durch die Schwingungsbelastung zerstört werden. Das Laserschweißen ersetzt aber auch zunehmend andere Fügeverfahren wie Kleben oder Schrauben. Es ist durch die frei programmierbare Schweißkontur flexibler als andere Verfahren und weist hohe Festigkeiten auf. Dieser Beitrag befasst sich mit der Analyse der Schweißnaht. Wie kann diese werkstofftechnisch analysiert und bewertet werden? Wie erklären sich die exzellenten Schweißergebnisse?

Überlappt und durchstrahlgeschweißt

Bei diesem inzwischen in der industriellen Fertigung vielfach angewandtem Verfahren werden die Fügeteile meistens überlappt und durchstrahlgeschweißt. Der Laserstrahl strahlt bei dieser Methode durch den einen Fügepartner hindurch und wird an der Oberfläche des zweiten Fügepartners absorbiert. Dies führt zum Aufschmelzen des absorbierenden Partners. Durch den flächigen Kontakt der aneinander gepressten Fügepartner wird auch der lasertransparente Fügepartner örtlich begrenzt aufgeschmolzen.

Durch Röntgenstahlung können Schweißnähte auf Lunker untersucht werden. Das Verfahren ist sehr aufwändig, zu einer vollständigen Bewertung die Schweißnaht in vielen Schichten abgescant werden muss. (Bildquelle: Wolf Produktionssysteme)

Der Prozess des Kunststoffschweißens wird heute überwiegend im Kontur-Schweißverfahren oder Quasi-Simultanschweißverfahren durchgeführt. Beim Konturschweißen erfolgt die Wärmeeinbringung durch einen Punktstrahl, der mit definierter Geschwindigkeit entlang der Schweißnaht geführt und diese punktuell erwärmt wird. Eine Zustellbewegung und einen entsprechender Setzweg gibt es hier nicht. Beim Quasi-Simultanschweißen wird die komplette Schweißnaht gleichmäßig erwärmt. Dadurch ist ein definierter Setzweg möglich. Dies führt in der Regel zu einer höheren Schweißqualität.
Der Laser-Punktstrahl kann durch einen Roboter oder durch ein zweifaches Spiegel-Ablenksystem (Laserscanner) bewegt werden. Laserscanner ermöglichen, dass dieser Vorgang extrem schnell erfolgen kann. Die Kontur kann innerhalb von Sekunden mehrfach überfahren und somit gleichmäßig erwärmt werden. Somit ist ein Quasi-Simultanschweißen möglich. Besonders bei kleinen Teilen, insbesondere Gehäusen von elektrotechnischen Baugruppen ist deshalb die Anwendung von Laserscannern ideal. In entsprechenden Laser-Schweißmaschinen müssen die Werkstücke (Fügepartner) genau aufgenommen und aneinander angepresst werden. Dabei sollte die Anpresskraft programmierbar sein und der Setzweg während des Schweißens gemessen werden können. Eine entprechende Laserschweißmaschine ist in Bild 1 dargestellt.

Analyse der Schweißnaht

In der laufenden Produktion wird die Schweißqualität meist durch eine Dichtheitsprüfung oder durch eine Röntgenprüfung sichergestellt. Falls die Schweißnaht ein Volumen luftdicht umschließt, ist die Dichtheitsprüfung in der Serienfertigung für jedes Teile möglich. Die Röntgenprüfung ist nach wie vor ein sehr aufwändiges und zeitintensives Verfahren. Deshalb ist es derzeit nur für eine  Stichprobenprüfung geeignet. Bei der Prüfung muss die  Schweißkontur quasi Schicht für Schicht, wie bei der Computertomographie, durchfahren werden um zum Beispiel Lufteinschlusse zu erkennen (Bild 2). Somit ist eine genaue Beurteilung der Schweißnaht nur durch eine zerstörende Prüfung möglich. Bereits beim Aufbrechen einer Verschweißung ist leicht erkennbar, ob der Bruch exakt in der Naht oder Fügefläche oder außerhalb erfolgt ist (Bild 3).

Durch das Aufbrechen der Schweißnaht ist eine schnelle und einfache Bewertung der Schweißqualität möglich. Finden sich nach dem Bruch Teile der Unterseite am Deckel, mindestens aber erkennbar Rußpartikel, so kann von einer guten Verschweißung ausgegangen werden. (Bildquelle: Wolf Produktionssysteme)

Findet der Bruch außerhalb der Fügefläche statt, so kann von einer guten Schweißnahtqualität ausgegangen werden. Eine Möglichkeit die Schweißqualität genauer zu bewerten ist die Erstellung von Schliffen quer zur Schweißnaht, so dass der Querschnitt erkennbar wird. Die mikroskopische Analyse erfolgt hierbei mit Auflicht (Bild 4).

Das Bild einer Schliffprobe mit Auflicht in 1000 facher Vergrößerung zeigt deutlich die Übergangszone. Es ist auch zu erkennen, dass der Glasfaseranteil des Oberteils etwas geringer ist als der des Unterteils. Glasfasern sind auch in der Übergangszone vorhanden. (Bildquelle: Wolf Produktionssysteme)

Die Übergangszone, in der die Kunststoffe quasi verschmolzen sind, kann so sichtbar gemacht werden und auch die Struktur der Glasfasern in dieser Zone ist erkennbar. Eine noch weitergehende Möglichkeit ist die Anfertigung einer sehr dünnen Probe aus dem Schweißquerschnitt. Bei dieser aufwändigeren Methode kann die mikroskopische Analyse im Durchlichtverfahren erfolgen (Bild 5). So kann man beispielsweise erkennen, dass in der Übergangszone Rußpartikel vom Unterteil in den Kunststoff des Oberteil wandern. Dies gilt auch für die Glasfasern. Ist dies gegeben kann davon ausgegangen werden, dass auch eine Durchmischung der Polymerketten stattgefunden hat. Damit wird nachvollziehbar warum die Festigkeit der Schweißnähte beim Kunststoffschweißen der des Grundmaterials entspricht.