Aufgrund der komplexen Strahler-Werkstoff-Wechselwirkung beim Erwärmen von Kunststoffen mit Infrarotstrahlung ist in vielen Infrarotschweißprozessen eine Rauchentwicklung zu beobachten. Diese tritt oftmals bei ruß- und/oder glasfasergefüllten Kunststoffen auf und resultiert in einem thermisch-oxidativen Werkstoffabbau, welcher zu einer Abnahme der mechanischen und thermischen Verbindungseigenschaften führt. Die Rauchbildung kann zudem lufttechnische Maßnahmen, wie Absaugeinrichtungen, an der Schweißmaschine erforderlich machen. Der Problematik der Rauchentwicklung beim Infrarotschweißen (IR-Schweißen) von Kunststoffen wird derzeit mit zeitintensiven, empirischen Voruntersuchungen zur Parameterfindung entgegengewirkt. Ziel ist es Strahlerabstands-Erwärmzeit-Kombinationen zu finden, die zu einer ausreichenden Schmelzeerzeugung bei möglichst niedriger thermisch-oxidativer Werkstoffbelastung führen. Ein Ansatz zur Reduzierung des Vorversuchsaufwandes ist die Temperaturmessung der bestrahlten Substratoberfläche, welche unterhalb der Zersetzungstemperatur des bestrahlten Kunststoffs liegen sollte. Derzeitig können jedoch nur ergänzende thermographische und pyrometrische Temperaturmesssysteme eingesetzt werden, welche eine vergleichende Messung der Prozesstemperaturen beim IR-Schweißen ermöglichen und die Prozessstabilität des IR-Schweißprozesses in einem festgelegten Prozessfenster gewährleisten. Eine Messung der tatsächlichen Kunststofftemperaturen ist mit diesen Systemen nicht möglich. Aktuell hat eine Änderung der zu schweißenden Kunststoffe, der Füllstoffe (z. B. Glasfasern) oder ein Schwanken der Füll-und Verstärkungsstoffgehalte der Kunststoffe zur Folge, dass neue Voruntersuchungen zur Prozessparameterfindung des IR-Schweißprozesses notwendig werden. Aufgrund dessen entwickeln die Professur Kunststoffe an der Technischen Universität Chemnitz und die Firma Eugen Riexinger aus Bad Liebenzell eine Temperaturmessmethodik zur Bestimmung der tatsächlich auftretenden Substrattemperaturen während der Infraroterwärmung von Kunststoffen. Die Methodik soll eine IR-Erwärmung von Kunststoffen auf eine kunststoffabhängige Soll-Temperatur ermöglichen und verhindert so die Rauchbildung während der IR-Erwärmung und damit die thermisch-oxidative Werkstoffschädigung. Der Beitrag beschreibt die aktuell auftretenden Herausforderungen beim IR-Schweißen von Kunststoffen, die gewählte Herangehensweise an die Entwicklung der Temperaturmessmethodik zur Bestimmung der tatsächlichen Substrattemperatur sowie die Ergebnisse des Entwicklungsprozesses.

Large-scale laminated safety glass is increasingly used in the public and private sector for example museums, jewelers or villas. Special safety is provided by these glasses in layered combination with polycarbonate sheets. Due to the low weight and its high tensile elongation comparing glass of the same thickness, highly transparent polycarbonate is suitable for safety-relevant components. Because of the dimensional limitation in the extrusion process, joining polycarbonate compounds are necessary for large-area joint of this laminated safety glass. According to the present state of the art, a transparent weld joint of polycarbonate is not possible. Within the scope of the project, polycarbonate joints were produced by infrared welding and adhesive bonding. The transparency of the joints was realized by varying the process parameters, for example the heating time. Additionally the present study focusses on a new innovative light intensity measurement, because conventional optical test methods can only subjectively assess the transparency and quality of the compound and the welding seam. The principle is based on the transmission of the welded and polished polycarbonate sample by means of a laser and the measurement of the current at the connected photoelectric cell, which is proportional to the intensity of the laserlight. This enables a qualitative evaluation of the joining dimension and -quality such as structural changes over the entire sample width. The results of this objective method correlate with the width of the stress distribution around the joining level, which are made visible with the photoelasticity using a polariscope and thus contribute to a better process understanding.

Thermoplastic prepregs that are also known as organo sheets are processed in presses and formed to half shells. Larger components can be produced by joining the half shells, which results in hollow bodies. However, current manufacturing technologies allow only cap profile shaped joints, which cause fiber deflections in the joint plane. This presentation shows that overlapping infrared welds in organo sheets enable weld strengths close to the interlaminar shear strengths of the unwelded materials and thus a fiber utilization across the joint plane. By using high welding pressures, a matrix depletion and a change of the fiber alignment in the weld plane may occur which causes low weld strengths. Therefore possibilbites to optimize the weld strengths are shown and one possible process variants for the manufacturing of hollow bodies by infrared welding is introduced.

Thermoplastic prepregs that are also known as organo sheets are processed in presses and formed to half shells. Larger components can be produced by joining the half shells, which results in hollow bodies. However, current manufacturing technologies allow only cap profile shaped joints, which cause fiber deflections in the joint plane. This paper shows that overlapping infrared welds in organo sheets enable weld strengths close to the interlaminar shear strengths of the unwelded materials and thus a fiber utilization across the joint plane. By using high welding pressures, a matrix depletion and a change of the fiber alignment in the weld plane may occur which causes low weld strengths. Therefore, criteria for the successful welding were defined and various possibilities to optimize the weld strengths were investigated.

Der Vortrag zeigt die Komplexität der Wechselwirkungen zwischen Infrarotstrahler und Werkstoff beim Infrarotschweißen von Kunststoffen auf. Hierfür werden die Haupteinflüsse auf die Strahler-Werkstoff-Wechselwirkungen beschrieben. Diese sind das Emissionsverhalten des Infrarotstrahlers und das Absorptionsverhalten des Kunststoffs. Der Einfluss der Infrarotstrahlerart (Quarzglasstrahler, Metallfolienstrahler) und von Füllstoffen (Ruß, Glasfasern) im Kunststoff wird näher betrachtet. Zudem enthält der Vortrag eine Empfehlung für die Vorgehensweise beim Infrarotschweißen von Kunststoffen, die Vor- und Nachteile des Fügeverfahrens und einen Einblick in aktuelle Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet des Infrarotschweißens von Kunststoffen.

Das Infrarotschweißen ist ein industriell etabliertes Verfahren zur Herstellung von Bauteilen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen. Die Prozesseinrichtung ist jedoch mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand verbunden, da komplexe Strahler-Werkstoff-Wechselwirkungen das Aufschmelzverhalten des Kunststoffbauteils bestimmen. In vielen industriellen Infrarotschweißprozessen ist daher ein Rauchen der infraroterwärmten Bauteilbereiche zu beobachten. Eine Erforschung des Zusammenhangs zwischen Rauchbildung, Kunststofftemperatur, thermisch-oxidativer Belastung des Kunststoffs und den resultierenden mechanischen Schweißnahteigenschaften steht bislang aus. Weiterhin sind in Infrarotschweißprozessen in der industriellen Fertigung oftmals hohe Umstellzeiten und schwankende Fügeteiltemperaturen festzustellen. In der vorliegenden Arbeit werden erstmals die mechanischen Eigenschaften von Infrarotschweißverbindungen mit der Rauchbildung und thermisch-oxidativen Kunststoffbelastung korreliert und zwei Ansätze zur schonenden Erwärmung untersucht. Die Ergebnisse weisen nach, dass eine thermisch-oxidative Kunststoffschädigung zu einer Verschlechterung der mechanischen Schweißnahteigenschaften führt und bei der Auslegung industrieller Prozesse in Betracht gezogen werden muss. Das Schweißen in Argonatmosphäre und mit aktiver Strahlerleistungsregelung verhindern die Kunststoffzersetzung und führen in der Regel zu besseren mechanischen Schweißnahteigenschaften. Weiterhin wird deutlich, dass die Fügeteiltemperatur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Schweißnahteigenschaften hat, wohingegen Umstellzeiten ≥ 5 s eine erhebliche Reduzierung ebendieser zur Folge haben. Eine weitere Herausforderung ist das Infrarotschweißen (endlos-)faserverstärkter Kunststoffe. Die derzeit übliche Stumpfanordnung der Fügeteile führt zu einer Faserumlenkung in der Fügenaht und hat zur Folge, dass die Faserverstärkung nicht über die Fügeebene hinweg genutzt werden kann. Im Rahmen der Arbeit wird aufgrund dessen das überlappende Infrarotschweißen von Organoblechen untersucht. Um Bauteile aus Organoblechen mit erhöhter Komplexität, Größe und Steifigkeit herstellen zu können, werden zudem zwei industriell nutzbare Verfahrensvarianten auf Basis des Infrarotschweißens entwickelt. Unter Nutzung dieser, können Organoblechhohlkörper mit Überlappverbindungen gefertigt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl in Plattenprobekörpern als auch in Hohlkörpern eine Nutzung der Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg möglich ist.:1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Ergebnisse zum Stumpfschweißen 6 Ergebnisse zum Überlappschweißen 7 Bewertung der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick / The infrared welding is a well-established process in the industrial production of parts in various applications. However, the complex emitter-material interaction, which influences the meltdown behaviour of the plastic parts, results in a high effort for the process setup. A smoking of the plastic parts is to observe in numerous industrial infrared welding processes. The correlations between the smoking of the plastic, its temperature and thermal-oxidative degradation as well as the mechanical properties of the resulting welds are unidentified yet. Furthermore, in industrial infrared welding processes often high changeover times and varying joining part temperatures are existent. Therefore, within the present work the connections between the mechanical joint properties of infrared welds and the thermal-oxidative degradation of plastics are elaborated for the first time and two approaches for the gentle infrared heating are investigated. The findings prove that the thermal-oxidative degradation of the plastic substantially decreases the mechanical weld properties and needs to be taken into account when setting up the industrial infrared welding process. The welding in argon atmosphere and the use of an active infrared emitter power control, which ensures the heating of the plastic below the degradation temperature, lead to better mechanical weld properties. In addition, the outcome of this work shows that the influence of the temperature of the joining part is negligible regarding the mechanical joint properties, whereas changeover times greater than or equal to 5 s lead to a dramatical decrease in the mechanical properties. Another challenge is the infrared welding of fibre reinforced plastics. The butt welding of fibre reinforced thermoplastics is common practice and prevents the use of fibres in the joint plane due to the fibre deflection in this area. As a result, the overlapping welding of organo sheets is investigated as well. In order to produce large and complex parts with high stiffness made of organo sheets, two process variants on the basis of the infrared welding technology are developed, which can be used at the industrial scale to manufacture hollow bodies. The overlapping welds of specimens and in hollow bodes made of organo sheets, enable the fibre utilisation across the joint plane.:1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Ergebnisse zum Stumpfschweißen 6 Ergebnisse zum Überlappschweißen 7 Bewertung der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick

Die Kunststoffschweißverfahren Infrarot- und Vibrationsschweißen sind in der Serienfertigung etablierte Fügetechnologien. Sie sind durch eine wirtschaftliche und effiziente Prozessführung gekennzeichnet und sind verfahrenstechnisch prinzipiell zum Einsatz im Apparate-, Behälter- und Rohrleitungsbau geeignet. Aufgrund fehlender Erkenntnisse und Nachweise zum Zeitstandverhalten ist die Anwendung dieser Verfahren im Halbzeugbereich jedoch nur eingeschränkt möglich. Im Rahmen der Untersuchungen wurden das Vibrations- und Infrarotschweißen hinsichtlich ihres Potentials für Langzeitanwendungen mit dem konventionellen Halbzeugschweißverfahren Heizelementschweißen verglichen und erreichbare Zeitstandzug-Schweißfaktoren ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl für das Vibrations- als auch Infrarotschweißen, in Abhängigkeit der Prozessparameter, Zeitstandzug-Schweißfaktoren von ca. 0,7 bis 0,9 erreicht werden. Darüber hinaus führen die Resultate dieser Arbeit zu einer Erweiterung der Wissensbasis über die Mechanismen des Zeitstandbruchverhaltens geschweißter Polyolefinhalbzeuge. Die für die Kurzzeitfestigkeit von Vibrations- und Infrarotschweiß-verbindungen vielfach nachgewiesene Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation wurde für die Zeitstandfestigkeit erforscht und angewendet. / The infrared and vibration welding processes are joining technologies established in series fabrication. They are characterised by their economically viable and efficient process management and they are suitable for utilisation in apparatus, tank and pipeline construction. However, their application in the field of semi-finished procucts is restricted due to the lack of knowledge and proof in relation to the Environmental Stress Cracking (ESC). Within the framework of the research, the vibration and infrared welding processes were compared with the conventional welding process heated tool butt welding. Furthermore achievable tensile creep welding factors were determined. The results show achievable tensile creep welding factors from ca. 0.7 to 0.9 for the vibration welding process as well as for the infrared welding process dependent on their process parameters. Moreover, the knowledge base of the mechanisms of the failure behaviour of welded joints between semi-finished products undergoing ESC was extended. The process-structure-property correlation, which has been proven for the short-term strength of vibration and infrared welded joints many times, was investigated and applied for the long-term strength.