Fügen von Kunststoff und Metall mittels einseitiger koaxialer Widerstandspunktschweißtechnologie

Das Widerstandspunktschweißen ist in der blechverarbeitenden Stahlindustrie, insbesondere im Karosseriebau, das am häufigsten eingesetzte Fügeverfahren [1]. Aufgrund steigender Bauteilkomplexität und der politischen bzw. wirtschaftlichen Rahmenbedingungen zur Reduzierung der CO2-Emissionen werden verstärkt Mischbauweisen aus verschiedenen Werkstoffkombinationen eingesetzt. Auf Grundlage des jeweiligen Eigenschaftsprofils werden diese Werkstoffe vorteilhaft kombiniert. Das Schweißen derartiger Werkstoffkombinationen und insbesondere thermoplastischen Kunststoffen mit Metallen ist aufgrund der unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften oft nur eigeschränkt möglich. Daher werden hierfür mechanische Fügeverfahren auch mit Fügeelementen, meist in Kombination mit Klebstoffen, ange-wendet. Durch die Verbindungselemente entstehen beispielsweise auf der Deckseite der Bleche Ausprägungen, während Klebstoffe zusätzliche Aushärtezeit benötigen [1...10], was sich nachteilig auf den Fertigungsprozess auswirkt. Um diesen Herausforderungen entgegenzuwirken, erfolgte im vorgestellten Forschungsvorhaben die Entwicklung eines alternativen Ansatzes, Kunststoff-Metall-Mischverbindungen mittels Widerstandsschweißtechnologie ohne zusätzliche Fügeelemente zu fügen. Basierend auf dem sogenannten thermischen Direktfügen, erfolgte die Stromleitung und damit die Erwärmung durch eine einseitige koaxiale Elektrodenanordnung im metallischen Fügepartner. Durch Wärmeleitung in diesem und durch das Aufbringen einer lokalen Kraft über die Elektroden erfolgt die Verbindungsbildung an der Grenzfläche zwischen Kunststoff und Metall. Diese Verbindung ist nach gegenwärtigem Kenntnisstand durch Stoff-, Form- und Kraftschluss charakterisiert, wobei deren Anteile wesentlich von Wechselwirkungen an der Grenzfläche und somit von der Topologie der Oberfläche abhängig sind [26]. In Abhängigkeit von der Werkstoffkombination, der Fügezeit und -temperatur konnten im Vorhaben insbesondere die mechanischen Eigenschaften – quasistatisch und unter ermüdender Beanspruchung – das Verhalten der Kunststoffe während des Schmelzens und anwendungsrelevante Zusammenhänge beschrieben werden. Dieser Beitrag zeigt nach der Identifikation geeigneter Prozessbedingungen und der Darstellung der charakteristischen Verbindungsbildung, dass die Eigenschaften der Kunststoff-Metall-Mischverbindungen im Wesentlichen von Oberflächencharakteristika und Prozesseinstellungen abhängig sind. Darüber hinaus wird der Einfluss verschiedener Oberflächenmodifikationen auf die mechanischen Eigenschaften, sowohl quasistatisch als auch unter ermüdender Beanspruchung, dargestellt.