Toward process optimization in laser welding of metal to polymer

Abstract

AbstractThe joining technology of dissimilar lightweight materials between metals and polymer is essential for realizing cars with hybrid structures and for other engineering applications. These types of joints are still difficult to generate and their behaviour is not fully understood. Laser welding offers specific process advantages over conventional technologies, such as short process times, while providing optically and qualitatively valuable weld seams and imposing minimal thermal stress. Furthermore, the process is compatible with automation. This paper summarizes the efforts to attain suitable joint strengths with the stainless steel plate type S30400 and a Polyethylene Terephtalate Glycol (PETG) plastic sheet. The study considers the optimization of two important process parameters, namely laser power, and welding speed. Microstructure features, test of tensile shear strength, investigation of the fracture location, and morphology were used to evaluate the joint performance. The result indicates that there is an optimum value for laser power, which achieves a sufficient melting and heat transfer to the joint without decomposing the plastic sheet and hence, enables to obtain high joint strength. Moreover, a low welding speed is preferable in most combinations of welding parameters since it achieves an adequate melting and wetting of the polymer to the steel surface.Das Fügen der artungleichen Leichtbauwerkstoffe Metall und Kunststoff ist im hybriden Automobilbau wie auch anderen Ingenieursanwendungen essentiell. Derartige Fügeverbunde sind immer noch schwierig umsetzbar und ihr Verhalten ist noch nicht vollständig erforscht. Laserstrahlschweißen bietet gegenüber konventionellen Verfahren prozessspezifische Vorteile wie kurze Taktzeiten bei gleichzeitig optisch wie qualitativ hochwertigen Schweißnähten und geringen thermisch induzierten Eigenspannungen. Weiterhin ist der Prozess leicht automatisierbar. In den vorliegenden Untersuchungen wurden der Stahl S30400 und Polyethylene Terephtalate Glycol (PETG) erfolgreich gefügt und moderate Festigkeiten wurden erzielt. Innerhalb der Untersuchungen wurde der Einfluss der beiden wichtigsten Prozessparameter, die Laserleistung und die Verfahrgeschwindigkeit, analysiert. Die Mikrostruktur, Scherzugfestigkeit, Bruchfläche und Morphologie wurden untersucht, um die Verbundperformance zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass es ein Optimum für die Laserleistung gibt, die eine ausreichende Aufschmelzung und Wärmeleitung in der Fügezone sicher stellt, ohne den Kunststoff zu zersetzen und führt somit zu einer hohen Festigkeit. Darüber hinaus ist eine geringe Schweißgeschwindigkeit vorzuziehen, da sie ein adäquates Aufschmelzen und Benetzen des Polymers auf der Stahloberfläche erlaubt.