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Beitrag zur Erklärung des Wirkmechanismus in Schweißverbindungen aus teilkristallinen Thermoplasten

Sollen große oder komplexe Bauteile aus Kunststoff hergestellt werden, so müssen diese meist aus mehreren, kleinen Halbzeugen gefügt werden. Ein typisches Fügeverfahren für Kunststoffe ist das Schweißen. Die geschweißte Fügestelle muss selbstverständlich den gegebenen Anforderungen an das Gesamtbauteil genügen. Sie muss dicht gegenüber Medien und/oder Wärme sein, vor allem aber müssen die mechanischen Eigenschaften langfristig denen der zu verbindenden Halbzeuge entsprechen.

Es wird deutlich, dass keines der bekannten Modelle die Wirkmechanismen in Schweißnähten vollständig beschreibt. Die Mischkristallhypothese liefert allerdings einen Ansatz für eine allgemeingültige Anschauung zu den Wirkmechanismen innerhalb der Schweißnaht. Diese Hypothese erklärt die Kristallisation über die Grenzfläche hinweg als maßgeblich für eine Schweißverbindung mit vernetztem, unschmelzbarem Polyethylen (PE-X).

Auf diese Hypothese wird nach einer zusammenfassenden Darstellung der Grundlagen zur Kristallisation von Polymeren aufgebaut, mit dem Ziel, die Kraftübertragung in Schweißverbindungen aus kristallinen Thermoplasten allgemein zu beschreiben. Die Nexus-Hypothese geht von einer Kristallisation über die Grenzfläche hinweg aus und korreliert die Notwendigkeit eines hohen Nexus der Fügepartner durch viele Verknüpfungspunkte zwischen den Kristalllamellen mit einer hohen Schweißnahtgüte. Es wird verdeutlicht, dass die Schweißparameter Anwärmzeit, Heizelementetemperatur und Druck, aber auch die Fließgeschwindigkeit der Schmelze, ebenfalls Einfluss auf die Entstehung solcher molekularen Verknüpfungen besitzen.

Die Hypothese wird anhand verschiedener Experimente bewertet. Die Bedeutung der Kristallisation für die Güte einer Schweißnaht wird mit Polyethylenterephtalat (PET), welches in verschiedenen Kristallisationszuständen geschweißt wird, nachgewiesen. Auch die Bedeutung der Kristallisation für Schweißeignung vernetzter Polymere wird anhand von Press- und Schweißversuchen an vernetztem, amorphem Polystyrol (PS-X) sowie an Zugversuchen bei Kristallitschmelztemperatur an Schweißproben aus vernetztem Polyethylen (PE-X) überprüft.

Durch Tempern verstreckter Schweißnähte kann mittels Betrachtung derer Rückstellung ein Hinweis auf die Anwesenheit von vielen oder wenigen molekularen Verknüpfungen erhalten werden. Die Messungen der Glasübergangstemperatur mittels DMA ergeben hingegen keine eindeutige Korrelation.

Die durchgeführten Untersuchungen führen zu dem Schluss, dass neben den notwendigen Bedingungen für die Fügeparameter größtmögliche gemeinsame Oberfläche, ähnliche polare Oberflächenenergien, verträgliche Werkstoffe (bzw. Isomorphie) und ähnliche Wärmekontraktion noch weitere Größen für die geeignete Kristallisation und somit hohe Kraftübertragung in der Grenzfläche geeignet gewählt werden müssen. Dies sind geeignete Temperatur, sowie Deformations- und Kristallisationskinetik.

Diese Größen werden prinzipiell in jeder Parameterstudie direkt oder indirekt beeinflusst. Lediglich der Betrachtungswinkel wird durch diese Arbeit verändert. In Zukunft ist es ratsam, neben dem Einfluss dieser Parameter auf die geeignete Bildung eines Schweißwulstes auch deren Einfluss auf die Kristallisation innerhalb der Schweißnaht zu überprüfen.

Read this abstract in English at Kunststoffe-international.com
 Christian Bonten

Christian Bonten
Institut für Kunststoffe im Maschinenbau
Universität - Gesamthochschule Essen

Informationen

Freie Schlagwörter: Schweißen, Schweißnaht, Wirkmechanismen, Modell, vernetztes Polyethylen (PE-X), Nexus
Institut / Lehrstuhl: Fachbereich 12 der Universität Gesamthochschule Essen
Sprache: Deutsch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. Ernst Schmachtenberg (Betreuer), Prof. Dr.-Ing. Helmut Potente
Erscheinungsjahr: 1998
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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