Rührreibschweißen von Plastik mit einer vibrierenden Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Werkzeugs

A Scialpi¹ , M Troughton² , S Andrews² , and L A C De Filippis¹

¹ Dipartimento di Ingegneria dell'Ambiente e per lo Sviluppo Sostenibile (DIASS), Politecnico di Bari, Taranto, Italy

² TWI Ltd, Cambridge, UK

Published in Joining Plastics/Fügen von Kunststoffen Magazine, Issue 1, May 2007.

In English

Zusammenfassung

Rührreibschweißen (Friction Stir Welding, FSW) kann für eine Vielzahl von Werkstoffen der unterschiedlichsten Dicken eingesetzt werden. Jedoch hat der Einsatz dieser Technik für Plastik wegen der thermischen undviskoelastischen Eigenschaften dieser Kunststoffe bisher nur sehr begrenzten Erfolg geführt, und es wurde noch nicht über kommerzielle Anwendungen berichtet. In dieser Veröffent¬lichung wird über einevorläufige Untersuchung einer neuen Rührreibschweißvariante, dem sogenannten VibladeTM-Schweißen, berichtet. Beim Viblade-Schweißen wird Reibungswärme durch die Bewegung einer Klinge produziert, die miteiner linearen Vorwärts- und Rückwärtsbewegung vibriert, die parallel zur Schweißnaht ist. Schweißversuche wurden in 9 mm dicken Polypropylenplatten durchgeführt. Die Methode der statistischenVersuchsplanung (Design of Experiments, DoE) wurde eingesetzt, um den Einfluss der Prozessparameter und der Klingengeometrie auf die Größe der Wärmeeinflusszone und die mechanischen Eigenschaften der Verbindungauszuwerten. Die Versuchsergebnisse zeigten, daß stationäre Bedingungen gefunden werden konnten, bei denen die Viblade-Schweißungen mechanische Eigenschaften und Schweißgeschwindigkeiten erzielten, die mit denen vonherkömmlichen Verfahren wie Heißgas- und Extrusionsschweißen vergleichbar sind.

1. Einleitung

Rührreibschweißen (Friction Stir Welding, FSW) ist ein verhältnismäßig neuer Schweißprozess, der in den frühen neunziger Jahren am TWI ^[1] entwickelt wurde. Beim herkömmlichen Rührreibschweißen (I-Naht) wird ein sich drehendes Werkzeug in den Schweißspalt gepresst und entlang der Verbindung zwischen den zwei zu verschweißenden Blechenverfahren. Die Werkzeugdrehung produziert die mechanische Vermischung der Materialien auf der vorlaufenden und der zurücklaufenden Seite des Schweißwerkzeugs. Während Rührreibschweißen von Metallen einengroßen Erfolg hatte, blieb sein Gebrauch für Plastik wegen der sehr unterschiedlichen thermischen und viskoelastischen Eigenschaften dieser Materialien begrenzt. In der ausgewerteten Literatur hat nur Arici ^[2] über konventionelles Rührreibschweißen von Plastik berichtet. Arici vermied Wurzelfehler und erreichte zufriedenstellende Resultate in Zug- und Biegeproben, indem er eine zweiseitige Schweißungdurchführte, allerdings mit nicht zufriedenstellenden Oberflächen und sehr niedrigen Vorschubgeschwindigkeiten. Normalerweise kommt es beim Rührreibschweißen von Plastik zu den folgenden Problemen:

• Schwierigkeiten, das plastifizierte Material in der Schweißnaht zu halten
• Langsame Schweißgeschwindigkeiten
• Ungleichmäßige Vermischung in der Schweißnaht
• Schlechte Nahtoberflächen

Um einige dieser Probleme zu lösen, entwickelte und patentierte Nelson ^[3] einen Schuh, durch den der sich drehende Stift hindurchgeführt wird. Bei dieser Lösung wird Wärme nicht durch Reibwärme aus der Schulter, sondern durch den heißen Schuh produziert, der auch denMaterialauswurf begrenzt.

Eine zuvor am TWI untersuchte Rührreibschweißvariante ist die an eine Stichsäge erinnernde vertikale Auf- und Abbewegung einer Klinge im Stumpfstoß zwischen den Werkstücken. ^[4] Die Bewegung der Klinge ist senkrecht zur Schweißnaht und erweicht und verbindet das Plastik. Das Hauptproblem mit dieser Variante war, daß es keinen Mechanismus gab, um das flüssige Material in der Verbindung zuhalten. Daher kam es zu Fehlstellen in der Schweißung und einer damit verbundenen geringen Festigkeit.

Eine andere Variante des Rührreibschweißens, die vom TWI Patent abgedeckt wird, ist die Vor- und Zurückbewegung eines Werkzeugs in der Schweißrichtung. Diese Technik wird Viblade ^TM -Schweißen genannt und hat den Vorteil, daß sich die Klinge ständig völlig innerhalb der geschmolzenen Fügezone befindet. Daher ist es einfacher, die Schmelze in der Schweißung zuhalten. Das Schweißverfahren benutzt eine Schulter, die mit einer abwärts gerichteten Kraft auf thermoplastische Kunststoffplatten gepresst wird und - in gleicher Weise wie die Klinge - mit einer Vibrationsbewegung entlangder Fügelinie verfahren wird ( Bild 1). Die Klinge und die Schulter erzeugen die Reibungswärme, die das Plattenmaterial veranlassen, an der Berührungsstelle zu schmelzen und hinter der Klinge eine Schweißung zu bilden. Da Thermoplaste einesehr niedrige Wärmeleit¬fähigkeit haben, ist die Wärme, die durch die Schulter produziert wird, nicht genug, um das Material in der Nähe der Nahtwurzel zu schmelzen. Fast die gesamte Wärmeerzeugung an denStoßflächen wird durch die Klinge erzeugt.

Wie bei anderen Reibschweißverfahren ist es möglich, zwei Hauptaufgaben des Drucks zu unterscheiden: Der Druck ist sowohl zur Wärmeerzeugung durch Reibung zwischen den Plastikplatten und den vibrierenden Elementen(Klinge und Schulter) erforderlich, als auch, um den Materialschluss zwischen den Teilen zu erzeugen. Die vertikale Kraft auf die Schulter produziert den Wärmeeintrag, um das Material an der Oberseite der Verbindung zu schmelzen,hat aber keine direkte Auswirkung auf den Stoffschluss der Teile. Die horizontale Gesamtkraft besteht aus drei unterschiedlichen Bestandteilen: Erstens der aufgebrachten horizontalen Spann-Kraft ( Bild 1), zweitens der thermischen Expansion des geheizten Plastiks und drittens der Bewegung der Klinge, die, während sie sich vorwärts bewegt, das Plastik um sich herum verdrängt. Diese drei Bestandteile wirkenzusammen, um Reibwärme an der Klingenoberfläche zu produzieren. Der Druck, der den Stoffschluss zwischen den Teilen erzeugt, wird nur produziert, wenn die Klinge bereits vorbeigefahren ist und hängt sowohl von deraufgebrachten Kraft als auch der thermischen Expansion ab. Das geschmolzene Material fließt um beide Seiten der Klinge in den Freiraum, der durch die Klinge erzeugt wird, wenn sie sich vorwärts bewegt.

2. Versuchsdurchführung

Um das Potential des Viblade-Schweißens und die Eigenschaften der damit hergestellten Verbin¬dungen abzuschätzen, wurde eine experimentelle Versuchreihe mit 9mm dicken extrudierten Polypropylenplatten (PP)durchgeführt. Zwei stumpf aneinanderstoßende, 100 x 220 mm große Platten wurden entlang ihrer Länge im Stumpfstoß mit einem vibrierenden, metallischen Werkzeug verschweißt, das von einer BielomatikVibrationsschwei߬maschine mit einer horizontalen, linearen Vibrationsbewegung angetrieben wurde. Diese Maschine wurde mit ihrer Resonanzfrequenz betrieben, um die Energie zu maximieren, die beim Schweißen eingebrachtwurde. Das Viblade-Werkzeug bestand aus einer PTFE Schulter und einer Titanklinge. Titan wurde wegen seiner verhältnismäßig niedrigen Wärmeleit¬fähigkeit benutzt. Um die Reiberwärmung zwischen derKlinge und den Platten zu verbessern, war es notwendig, den Reibungsbeiwert zu erhöhen. Aus diesem Grund wurde eine Anzahl von Nuten in die Klinge graviert (siehe Bild 2).

Die Prüfmuster wurden nach dem Schweißen senkrecht zur Schweißrichtung für makrographische Analyse zerschnitten, und die Wärmeeinflusszone (WEZ) wurde durch lokale Erwärmung mit heißem Gas sichtbargemacht. Die Breite der WEZ wurde in einer Position 4.5 mm von der Unterseite der Platten gemessen. Die Festigkeit der Verbindungen wurde mit 3-Punkt-Biegeproben ausgewertet, indem der Stempelversatz beim Rissanfang gemessen wurde. ^[5]

Eine Analyse mit der Methode der statistischen Versuchsplanung (Design of Experiments, DoE) wurde durchgeführt, um den Effekt der Hauptprozessparameter zu studieren. Die Studie wurde in zwei Hauptteile unterteilt: Im erstenTeil wurde eine Voruntersuchung durchgeführt, um den Effekt der Hauptprozessparameter auf die Abmessungen der WEZ und der Festigkeit der Verbindung zu analysieren. Im zweiten Teil wurde eine ausführlichere Untersuchungdurchgeführt, um ein sogenanntes 'Response-Surface' mit Höhenlinien für die Festigkeit in Abhängigkeit von den Hauptprozessparametern zu ermitteln.

2.1 Teil 1 - Voruntersuchung

Der Einfluss der Prozessparameter und der Klingengeometrie auf das Maß der WEZ und auf den mechanischen Widerstand der Verbindung wurde während dieser einleitenden Arbeiten untersucht. Insbesondere wurde der Einfluss vonfünf Parametern mit der DoE-Methode studiert:

1. Klingendicke (BT)
2. Klingenlänge (BL)
3. Vorschubgeschwindigkeit (FR)
4. Vertikalkraft (VL)
5. Horizontaler Druck (HP)

Für jeden dieser fünf Parameter wurden zwei Niveaus gewählt, ein niedriges (gekennzeichnet durch '-1') und ein hohes (gekennzeichnet durch '+1'). Eine teilfaktorieller Versuchsplan wurde benutzt: Der vollfaktorielleVersuchsplan von 2 ⁵Parameterkombinationen wurde auf 2 ^5-1 Parameterkombinationen verringert, um die Zahl der Schweißversuche zu verringern. Von diesem 2 ^5-1 Design wurde erwartet, daß es ausgezeichnete Informationen hinsichtlich der Haupteffekte und der Wechselwirkungen zwischen je zwei Faktoren zur Verfügung stellt. Tabelle 1 zeigt die Niveaus, die für jeden der oben genannten Parameter ausgesucht wurden und Tabelle 2 zeigt die produzierten Schweißungen.

Tabelle 1. Analysierte Prozessparameter und deren Werte

Tabelle 2. Experimentelle Versuche

2.1.1. Mechanische Eigenschaften

Bilder 3 und 4 zeigen die sogenannten Haupteffekt-Plots und die Wechselwirkungs¬diagramme für die Untersuchung an der Schweißwurzel, während Bilder 5 und 6 die Resultate für die Biegeproben der Schweißnahtoberfläche zeigen.

Bei den Biegeproben der Wurzel ( Bild 3), lagen die Haupteffekte bei der Klingendicke und länge. Die Klingenlänge zeigte einen positiven Effekt, während die Dicke einen negativen zeigte. Die vertikale Kraft, der horizontale Druck und dieVorschubgeschwindigkeit zeigten nur einen kleinen negativen Effekt. Auch bei den Wechselwirkungsdiagrammen von Klingenlänge und dicke (Bild 4) werden höhere mechanische Eigenschaften der Verbindung mit einer langen,dünnen Klinge beobachtet. In Bild 4 führt eine Verringerung der Klingendicke und eine Zunahme der Klingenlänge außerdem zu einer Zunahme der mechanischen Eigenschaften unabhängig von den Werten der anderenanalysierten Parameter. Die Abhängigkeit erster Ordnung zwischen vertikaler Kraft, horizontalem Druck und Vorschubgeschwindigkeit zeigt, daß die maximale Festigkeit der Wurzel erreicht wird, wenn diese Parameter auf ihrenunteren Niveaus sind.

Bei den Biegeproben der Schweißnahtoberfläche lagen die Haupteffekte bei der Klingendicke, der vertikalen Kraft und dem horizontalen Druck ( Bild 5). Wie bei den Wurzelproben waren die Effekte aller anderen Parameter außer der Klingenlänge negativ. Die Wechselwirkungs¬diagramme für Klingenlänge und dicke ( Bild 6) zeigen, dass höhere mechanische Eigenschaften der Verbindung mit einer langen, dünnen Klinge erzielt werden. Horizontaler Druck hat einen hohen negativen Effekt. Es ist möglich, dass ein hoherhorizontaler Druck einen Materialfluss in Richtung zur Oberfläche der Verbindung produziert, der eine große Raupe und infolgedessen eine schärfere Kerbe auf der Oberfläche erzeugt. Außerdem zeigt Bild 6, dass eine Verkleinerung der Klingendicke zu einer Zunahme der mechanischen Eigenschaften unabhängig von den Niveaus der anderen Parameter führt. Eine längere Klingenlänge erzeugt eine Zunahme desStempel-Versatzes nur dann, wenn der horizontale Druck und die vertikale Kraft auf ihren niedrigen Niveaus sind. Die Abhängigkeit zwischen Klingenlänge und horizontalem Druck könnte erklärt werden, indem manbetrachtet, daß eine lange Klinge mehr Wärme produziert. Infolgedessen schmilzt mehr Material und eine größere Oberflächen-Raupe wird erzeugt, wenn der horizontale Druck hoch ist. Außerdem erhöht einhoher horizontaler Druck auch die Reibungserwärmung. Eine hohe vertikale Kraft erhöht die Reibungserwärmung durch die Schulter und folglich die Menge des flüssigen Materials auf der Nahtoberfläche.

2.1.2 Makrographische Untersuchung

Die makrographischen Schliffbilder der in diesen Versuchen produzierten Verbindungen werden in Bild 7 gezeigt. In jedem Schliff ist die charakteristische T-Form aufgrund der unterschiedlichen Bewegung der Schulter (horizontales Teil) und der Klinge (vertikales Teil) offensichtlich. Auf der Oberfläche derVerbindungen sieht man eine Schweißraupe, die durch das flüssige Material produziert wird, das in Richtung zur Oberfläche fließt. Dieses ist in den Schweißungen deutlicher erkennbar, die mit hohem horizontalemDruck gebildet wurden. In der Nähe der Schweißwurzel kann eine Verkleinerung der Breite der geschmolzenen Zone beobachtet werden. Dieses lag vielleicht am Wärmeabfluss in die Trägerplatte.

Schweißungen Vb01 und Vb03 zeigen eine mangelhafte Durchschweißung, (zum Beispiel Vb01 in Bild 7). Dieses könnte am niedrigen vertikalen Druck liegen, der die Klingeneintauchtiefe verringerte, was in den niedrigen mechanischen Eigenschaften der Wurzel in diesen Verbindungen resultiert. Diese mangelhafteDurchschweißung trat nicht in den Verbindungen auf, die mit einer langen Klinge produziert wurden (Vb05 in Bild 7). Die längere Klingenlänge hat vermutlich mehr Wärme erzeugt, die mehr Schmelze zur Wurzel fließen ließ, selbst wenn die vertikale Kraft niedrig war.

Bild 7 zeigt auch Schweißung Vb09, die mit einer kurzen, dicken Klinge produziert wurde und Schweißung Vb13, die mit einer langen, dicken Klinge produziert wurde. Eine Anzahl von Verbindungen, die mit dicken Klingenproduziert wurden, zeigten hohe Porosität, die vermutlich durch eine Verringerung des Drucks des flüssigen Materials hinter der Klinge hervorgerufen wird. Dieser Effekt ist mit der langen Klinge deutlicher ausgeprägt,weil sie mehr Wärme als die kurze lieferte, und weil das geschmolzene Material infolgedessen heißer war.

Die Breite der WEZ wurde für jeden makrographischen Schliff in einer Position von 4.5 mm von der Unterseite der Platte gemessen. Bild 8 zeigt den Haupteffekt-Plot. Horizontaler Druck und Klingenlänge verursachen einen positiven Effekt, weil eine höhere Wärmeerzeugung erzielt wird, wenn sie auf ihrem hohen Niveau sind, während derpositive Effekt der Klingendicke an der größeren Menge des Materials liegt, die durch die dicke Klinge verdrängt wird. Der negative Effekt der Vorschubgeschwindigkeit kann mit der niedrigeren spezifischenWärmeenergie (Energie pro Längeneinheit der Schweißung) zusammenhängen, die erzeugt wird, wenn die Platten mit höherer Geschwindigkeit geschweißt werden. Keine bedeutenden Wechselwirkungen wurden zwischenden Prozessparametern bezüglich der Breite der WEZ beobachtet.

2.2. Teil 2 - Auswertung der Schweißnahtfestigkeit mit einer modifizierten Klinge

Da im vorhergehenden Abschnitt gezeigt wurde, daß eine dünnere Klinge eine Verbindung mit besserer Qualität produzierte, wurde beschlossen, die Klingendicke in Nähe der Wurzel zu verjüngen, um diemechanischen Eigenschaften der Schweißwurzel zu verbessern; d.h. das untere Ende der Klinge wurde keilförmig abgeflacht (siehe Bild 9).

In einer Vorstudie wurden drei Parameter untersucht:

• Vertikale Kraft
• Horizontaler Druck
• Vorschubgeschwindigkeit

Da eine starke Abhängigkeit der Prozessparameter erwartet wurde, wurde ein kompletter 2 ³ Versuchsplan durchgeführt. Tabelle 3 zeigt die gewählten Niveaus für die oben genannten Parameter.

Tabelle 3. Analysierte Prozessparameter und deren Werte

Eine Varianzanalyse (analysis of variance, ANOVA) für die Biegeproben wird in Tabelle 4 gezeigt und verdeutlicht, daß nur Vorschubgeschwindigkeit und vertikale Kraft bedeutend sind (niedriger P-Wert). Bild 10 zeigt Haupteffekt-Plots für die Wurzelbiegeproben und verdeutlicht, daß die vertikale Kraft einen hohen positiven Effekt hat, während die Vorschubgeschwindigkeit einen negativen Effekt hervorruft. Dieseskönnte an der hohen Klingeneintauchtiefe und der hohen Wärmeerzeugung liegen, die erzielt wurde, wenn die Vorschubgeschwindigkeit niedrig war und die vertikale Kraft hoch war. Der Effekt des horizontalen Drucks ist nichtsignifikant. Bild 11 zeigt die Wechselwirkungsdiagramme und verdeutlicht, daß die vertikale Kraft einen positiven Effekt hat, unabhängig von den Niveaus der anderen Parameter. Die Vorschubgeschwindigkeit hat immer einen negativenEffekt, aber dieser ist niedrig, wenn der horizontale Druck auf einem niedrigen Niveau ist. Eine starke Abhängigkeit kann zwischen horizontalem Druck und Vorschubgeschwindigkeit beobachtet werden. Dieses lässt den Schluss zu,dass es notwendig ist, mit einem niedrigen horizontalen Druck zu schweißen, um eine hohe Vorschubgeschwindigkeit zu erhalten, die für Produktion wichtig ist.

Tabelle 4. ANOVA Varianzanalyse für Wurzel- und Oberflächen¬biegeproben

Tabelle 4 zeigt auch die ANOVA Varianzanalyse für die Oberflächenbiegeproben und verdeutlicht den hohen Einfluss der Vorschubgeschwindigkeit und der Abhängigkeit zwischen vertikaler Kraft und horizontalem Druck.Bild 12 zeigt die Haupteffekt-Plots, in denen der hohe negative Effekt der Vorschubgeschwindigkeit deutlich sichtbar wird. Das Wechselwirkungsdiagramm ( Bild 13) zeigt eine starke Abhängigkeit zwischen horizontalem Druck und vertikaler Kraft. Auf einem niedrigen Niveau des horizontalen Drucks, produziert die vertikale Kraft einen hohen positiven Effekt, jedoch wenn derhorizontale Druck auf einem hohen Niveau liegt, produziert die vertikale Kraft einen negativen Effekt. Auch wenn der horizontale Druck auf einem niedrigen Niveau liegt, ist der negative Effekt der Vorschubgeschwindigkeit kleiner alswenn er auf einem hohen Niveau liegt. Die Abhängigkeit zwischen vertikaler Kraft und Vorschubgeschwin¬digkeit ist andersherum als die Abhängigkeit zwischen horizontalem Druck und Vorschub¬geschwindigkeit und istauch stärker ausgeprägt.

Die produzierten Verbindungen zeigten etwas Porosität in der oberen Hälfte der Verbindung, die zu einer Verkleinerung des Stempelversatzes bei Oberflächenproben führte. Die zwei wahrscheinlichsten Gründe,warum Porosität in dieser Position auftritt, sind: erstens die größere Dicke an der Oberseite der Klinge (mit einer infolgedessen höheren Expansion des Plastiks hinter der Klinge) und zweitens eine höhereTemperatur verursacht durch die Schulter. Die Form der sich vertikal verjüngenden Klinge scheint daher, den Fluss des geschmolzenen Materials in der Verbindung stark beeinflusst zu haben, und erzielt eine bessereSchweißqualität an der Wurzel aber verringert die Qualität der Oberfläche.

Da der Effekt des horizontalen Drucks nicht signifikant ist, und weil der Effekt der Vorschubgeschwindigkeit auf die Wurzel und Oberfläche nicht besonders ausgeprägt ist, wenn sie auf einem niedrigen Niveau liegt, wurdebeschlossen, in der 'Response-Surface' Studie nur die vertikale Kraft und die Vorschubgeschwindigkeit zu variieren und die horizontale Kraft auf einem niedrigen Niveau zu halten. Eine Matrix von drei vertikalen Kräften und vonfünf Vorschubgeschwindigkeiten wurde untersucht (Tabelle 5). In dieser Tabelle werden die schattierten Zellen durch eine hohe spezifische Energie (Energie pro Länge der Schweißung) gekennzeichnet, entweder wegen einerniedrigen Vorschubgeschwindigkeit (Vb55, Vb56 und Vb62) oder wegen einer Kombination von niedriger Vorschubgeschwindigkeit und hoher vertikaler Kraft (Vb61). Diese Schweißungen produzierten übermäßige Wülsteund Gasblasen (Bild 14). An diesen Schweißungen wurden daher keine mechanischen Untersuchungen durchgeführt. Bild 15 zeigt die Oberfläche der Schweißung Vb49, die keine Gasblasen oder übermäßigeWulstbildung aufweist.

Table 5. Matrix of welds for response surface analysis

Bilder 16 und 17 zeigen Höhenlinien-Plots für den Stempelversatz bei Oberflächenproben beziehungsweise Wurzelproben. 

Um die Eignung der Schweißungen zu bewerten, wurde ein Vergleich mit den Biegeproben-Anforderungen für Heißgas- und Extrusionsschweißungen durchgeführt. Nach DVS 2203-1 ^[6] wird für die hier untersuchten Werkstoffe und Materialdicken ein Minimum-Stempelversatz von 13 mm für sowohl die Wurzel- als auch die Oberflächenbiegeprobe gefordert, wobei die beiden Versuchsergebnissegleichzeitig betrachtet werden müssen.

Bild 18 zeigt ein überlagertes Höhenlinien-Plot der Wurzel- der Oberflächenbiegeproben, wobei die weiße Zone die Region ist, in der die Kriterien (Stempelversatz 13 mm) für Wurzel und Oberflächeerfüllt werden. Es zeigt sich, dass Wurzel und Oberfläche schlechte mechanische Eigenschaften erzielen, wenn mit einer hohen Vorschubgeschwindigkeit und einer niedrigen vertikalen Kraft geschweißt wird. Dieses liegtvermutlich daran, dass die spezifische Energie zu niedrig ist. Die Interpretation dieser Abbildung lässt den Schluss zu, dass die vertikale Kraft im Bereich 2500-3000N sein sollte, um die Schweiß-Geschwindigkeit zuerhöhen.

Darüber hinaus zeigen diese Versuche, daß das Viblade-Schweißen gute Qualität bei einer Vorschubgeschwindigkeit von ungefähr 150-180 mm/min produzieren kann. Im Vergleich dazu erzieltHeißgasschweißen nur eine durchschnittliche Schweiß-Geschwindigkeit von 15 mm/min für 9 mm dicke Polypropylen-Platten. Extrusions-Schweißen der hier untersuchten Werkstoffe und Materialdicken kann mit einerdurchschnittlichen Geschwindigkeit von 170 - 225 mm/min durchgeführt werden.

3. Schlussfolgerungen

Eine vorläufige Untersuchung einer neuen Variante des Rührreibschweißens von Plastik mit einer vibrierenden Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Werkzeugs, das sogenannte Viblade ^TM -Schweißen, wurde vorgestellt. Die Methode der statistischen Versuchsplanung (Design of Experiments, DoE) wurde eingesetzt, um den Effekt der vertikalen Kraft, des horizontalen Drucks, derVorschubgeschwindigkeit, der Klingendicke und der Klingenlänge des vibrierenden Werkzeugs auf die Abmessungen der Wärmeinflusszone und die mechanischen Eigenschaften der Verbindung zu erforschen. Die Versuche wurden mit einerTitanklinge durchgeführt, um den Wärmeverlust wegen der verhältnismäßig niedrigen Wärmeleitfähigkeit gering zu halten. Es zeigte sich, dass die Klingenlänge und -dicke des vibrierenden Werkzeugseine signifikante Auswirkung auf die Schweißqualität haben, und der Gebrauch einer langen, dünnen Klinge erzielte Schweißungen mit höheren mechanischen Eigenschaften.

Eine sich vertikal verjüngende Klinge wurde benutzt, um die mechanischen Eigenschaften der Wurzel zu verbessern und ergab Schweißungen mit Biegeproben-Eigenschaften, die mit denen von Heißgas- undExtrusions-Schweißungen vergleichbar sind. Die Haupteffekt-Plots zeigten einen hohen negativen Effekt für die Vorschubgeschwindigkeit und einen hohen positiven Effekt für die vertikale Kraft. Der Effekt des horizontalenDrucks war nicht bedeutend. Dennoch zeigte das Wechselwirkungsdiagramm eine hohe Abhängigkeit zwischen horizontalem Druck und Vorschubgeschwindigkeit: Wenn der horizontale Druck auf niedrigem Niveau ist, ist der negative Effektder Vorschubgeschwindigkeit klein. Daher sollte es, wenn der horizontale Druck auf niedrigem Niveau liegt, möglich sein, mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten zu schweißen, ohne einen übermäßigen Verlust dermechanischen Eigenschaften der Verbindung zu erleiden.

Das überlagerte Höhenlinien-Diagramm für Oberflächen- und Wurzelproben zeigte eine breite Zone, in der Viblade-Schweißungen mit Stempelversatz-Werten produziert werden konnten, die größer als dieerforderlichen Minimum-Werte für Heißgas- und Extrusions-Schweißungen nach DVS 2203 1 sind, und das mit vergleichbaren Schweißgeschwindigkeiten.

4.Literatur

1. W.M. Thomas, E.D. Nicholas, Needham J.C., M.G. Murch, P. Temple-Smith, C.J. Dawes, International Patent Application No. PCT/GB92/02203.
2. A. Arici, T. Sinmaz, Effects of double passes of the tool on friction stir welding of polyethylene, Journal of Materials Science 40 (2005) 3313 - 3316 - Letters.
3. T.W. Nelson, C.D. Sorensen, C. Johns, S. Strand, J. Christensen, Joining of Thermoplastics with Friction Stir Welding, Proceedings, 2nd International Friction Stir Welding Symposium, Gothenburg, Sweden, 26-28 June 2000.
4. Leading edge - friction stir welding?, TWI Connect, March 1993.
5. BS EN 12814-1: 2000 Testing of welded joints of thermoplastics semi finished products - Part. 1: Bend Tests.
6. Directive DVS 2203-1 Testing of welded joints of thermoplastics semi-finished products - Test method - Requirements.