DE102011107537A1

DE102011107537A1 - Verfahren zum Verschweißen

Info

Publication number: DE102011107537A1
Application number: DE201110107537
Authority: DE
Inventors: Volker Behr
Original assignee: Marquardt GmbH
Current assignee: Marquardt GmbH
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2012-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von zwei Teilen (2, 3) mittels Laserstrahlung, wobei die beiden Teile (2, 3) an einer Fügefläche (4) mittels einer Schweißverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Bei diesem Verfahren werden die Fügeflächen (4) an den beiden Teilen (2, 3) im wesentlichen gleichzeitig bis zum Aufschmelzen der Fügefläche (4) von den Laserstrahlen (6, 6') beaufschlagt. Bei Erreichen der Aufschmelzung werden die beiden Teile (2, 3) an der Fügefläche (4) bis zum Erkalten der Fügefläche (4) aneinander gepresst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von zwei Teilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Das Verfahren kann zum Verschweißen von Gehäuseteilen für elektrische Schalter, beispielsweise solchen mit elektromechanischen Kontaktsystemen, eingesetzt werden. Insbesondere eignet sich das Verfahren für Elektrowerkzeuggeräteschalter, die mit empfindlichen Elektroniken ausgestattet sind.
Für das Verschweißen von Gehäuseteilen von elektrischen Schaltern werden heute gängige Verfahren, wie Ultraschallschweißen (USS), Heizelement- bzw. Spiegelschweißen o. dgl., eingesetzt. Aus der EP 0 159 169 A2 ist weiter ein Verfahren zum Verschweißen von zwei Teilen mittels Laserstrahlung bekannt, wobei die beiden Teile an einer Fügefläche mittels einer Schweißverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Allerdings ist die Durchführung dieses Verfahrens eher aufwendig, da insoweit das eine Teil für die Laserstrahlung transparent sowie das andere Teil für die Laserstrahlung absorbierend ausgestaltet sein muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Verschweißen von Teilen, insbesondere von zwei Gehäuseteilen, mittels Laserstrahlung anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Fügeflächen an den beiden Teilen im wesentlichen gleichzeitig bis zum Aufschmelzen der Fügefläche von den Laserstrahlen beaufschlagt. Bei Erreichen der Aufschmelzung werden dann die beiden Teile an der Fügefläche bis zum Erkalten der Fügefläche aneinander gepresst. Geschaffen ist damit ein Verfahren zum Laserschweißen von Bauteilen in der Art von Laser-Spiegelschweißen. Vorteilhafterweise werden mit der erfindungsgemäßen Laserschweißverbindung für solche Fügepartner die bisherigen Nachteile, beispielsweise erhöhte Ausfälle durch Ultraschallschweißen (USS) von Gehäusen mit Flammschutz, die eine Elektronik beherbergen, Lösen von Partikeln in Gehäusen mit sensiblen Kontaktbereichen o. dgl., überwunden. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einer weiteren Ausgestaltung, die sich durch eine besondere Effizienz auszeichnet, kann die Aufwärmung der Fügeflächen durch eine zusätzliche Energiequelle unterstützt werden. Beispielsweise kann hierzu ein Halogenstrahler Verwendung finden.
Durch entsprechende Anordnung der beiden Teile und/oder der Laserquelle können die Laserstrahlen direkt auf die Fügefläche gerichtet sein. Ein derartiges Verfahren zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus, vor allem werden keine aufwendigen Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens benötigt. Es können die Laserstrahlen aber bei Bedarf auch indirekt auf die Fügefläche gerichtet sein. Die Laserstrahlen können dabei mittels eines Prismas, eines Spiegels o. dgl. zu den Fügeflächen zugeführt werden, was vor allem bei komplex ausgestalteten Teilen von Vorteil sein kann. Desweiteren können die Laserstrahlen auf die Schweißgeometrie angepasst zur Fügefläche zugeführt werden, was die Güte der Schweißnaht bei speziellen Anwendungsfällen weiter steigert. Zwecks Energieeinsparung lässt sich die Zusatzenergie von der zusätzlichen Energiequelle nach Bedarf flächendeckend einkoppeln. Schließlich können die Fügeflächen in einfacher sowie kostengünstiger Weise mittels Spanntechnik aneinander gepresst werden.
Das erfindungsgemäße Schweißverfahren eignet sich besonders für Teile, die aus Kunststoff bestehen. Insbesondere kann es sich dabei um einen thermoplastischen Kunststoff handeln. Damit eine effektive Erwärmung der Teile an der Fügefläche erfolgt, können die beiden Teile derart mit Additiven versehen sein, dass zumindest die Fügeflächen der beiden Teile für die Laserstrahlung im wesentlichen absorbierend sind. Als Additive bieten sich Farbstoffpigmente an, womit vorteilhafterweise die beiden Teile gleichzeitig wunschgemäß eingefärbt werden können. Selbstverständlich können jedoch auch andere Additive, wie Glasfasern, Glaskugeln, Füllstoffe, Flammschutzmittel o. dgl., verwendet werden.
Die Einfärbung der Teile durch Farbstoffpigmente kann so erfolgen, dass die beiden Teile für das menschliche Auge im wesentlichen gleichfarbig erscheinen. Vorteilhafterweise erhält man dann nach Durchführung der Verschweißung ein einheitlich, homogen wirkendes Gesamtbauteil. Anstelle von farbigen Additiven und/oder zusätzlich zu den im Kunststoff der Teile befindlichen Farbpigmenten kann wenigstens ein Teil, und zwar wenigstens an der Fügefläche, ein die Laserstrahlung absorbierendes, für das menschliche Auge im wesentlichen farbloses Additiv enthalten. Mit Hilfe dieses Additivs wird wiederum die Effizienz des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens gesteigert.
Für eine besonders bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nachfolgendes festzustellen. Mittels eines Laserstrahles werden die Fügezonen der zu verbindenden Teile quasi zeitgleich aufgeschmolzen. Dies wird ähnlich dem Simultan-, Quasisimultan- und/oder Maskenschweißen realisiert, wobei der Laserstrahl direkt und/oder indirekt, zum Beispiel über Prismen oder Spiegel, auf die Objekte gerichtet wird. Die Energiezufuhr zum Aufschmelzen der Schweißnaht erfolgt durch den Laserstrahl. Der Laserstrahl kann jedoch je nach Bedarf und/oder Anwendung durch eine zusätzliche Energiequelle, beispielsweise durch einen Halogenstrahler, unterstützt werden. Bei Erreichen der erforderlichen Aufschmelzung werden die zu fügenden Teile durch entsprechende Spanntechnik bis zum Erkalten zusammengedrückt. Der gesamte Prozessverlauf ist ähnlich wie beim herkömmlichen Spiegel- bzw. Heizelementschweißen, unterscheidet sich jedoch im Wesentlichen durch den Energieeintrag, der mittels eines Lasers und eventuell mittels eines zusätzlichen Halogenstrahlers erfolgt. Dabei ist der Laserstrahl auf die Schweißgeometrie angepasst und die Zusatzenergie wird je nach Bedarf flächendeckend eingekoppelt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass nunmehr Gehäusehälften miteinander verbunden werden können, welche Verbindungen bisher nur durch das Ultraschallschweißen realisiert werden konnten. Die weiteren Vorteile liegen im Wesentlichen in den bekannten Effekten, die vom Laserschweißen her ansonsten bekannt sind. Vor allem der Eintrag von Schwingungen in die Baugruppe stellt einer der markantesten Nachteile des Ultraschallschweißens dar und wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gänzlich vermieden. Somit können Gehäuse mit darin befindlichen schwingungsempfindlichen Elektroniken, mit mechanischen und/oder elektromechanischen Komponenten o. dgl. ohne Ausschuss hergestellt werden. Desweiteren ist das erfindungsgemäße Schweißverfahren in einfacher Art und Weise durchzuführen sowie sehr kostengünstig.
Ausführungsbeispiele der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 schematisch ein aus zwei Teilen bestehendes Gehäuseelement,
2 das Verfahren zur Herstellung des Gehäuseelements aus 1 gemäß einer ersten Ausbildung und
3 das Verfahren zur Herstellung des Gehäuseelements aus 1 gemäß einer zweiten Ausbildung.
In 1 ist ein Gehäuseelement 1, das aus zwei Teilen 2, 3 besteht, in schematischer Art zu sehen. Die beiden Teile 2, 3, die jeweils aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen, sind an einer Fügefläche 4 mittels einer Schweißverbindung 5 stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Schweißverbindung 5 ist durch Kunststoff-Laserschweißen hergestellt.
Das Verfahren zur Herstellung der Schweißverbindung 5 ist in einer ersten Ausgestaltung in 2 näher zu sehen. Das Verfahren arbeitet mittels Laserstrahlung 6. Von einem Laser 7 gehen Laserstrahlen 6, 6' aus und beaufschlagen die Fügeflächen 4 an den beiden Teilen 2, 3 im wesentlichen gleichzeitig. Die Laserstrahlen 6, 6' werden im Teil 2, 3 absorbiert und führen zur Erwärmung der Fügefläche 4. Die Beauschlagung mittels der Laserstrahlen 6, 6' erfolgt bis zum Aufschmelzen der Fügefläche 4. Bei Erreichen der Aufschmelzung werden dann die beiden Teilen 2, 3 an der Fügefläche 4 bis zum Erkalten der Fügefläche 4 aneinander gepresst, so dass die Schweißverbindung 5 gemäß 1 an der Fügefläche 4 gebildet ist. Zur Unterstützung der Presswirkung können die Fügeflächen 4 mittels entsprechender Spanntechnik 11 aneinander gepresst werden.
Wie weiter in 2 zu sehen ist, kann die Aufwärmung der Fügeflächen 4 durch eine zusätzliche Energiequelle 8 unterstützt werden. Beispielsweise kann es sich bei der zusätzlichen Energiequelle 8 um einen Halogenstrahler handeln. Die Laserstrahlen 6, 6' können auf die Schweißgeometrie angepasst zur Fügefläche 4 zugeführt werden, beispielsweise entlang einer gewünschten Schweißkontur, indem die Laserstrahlen 6, 6' entsprechend dem Kurvenverlauf für die gewünschte Schweißkontur geführt werden. Die Zusatzenergie kann ebenfalls entsprechend diesem Kurvenverlauf oder je nach Bedarf auch flächendeckend eingekoppelt werden.
Gemäß 2 sind die Laserstrahlen 6, 6' direkt auf die Fügefläche 4 gerichtet, womit ein Laserstrahl 6 für die Fügefläche 4 am Teil 2 sowie ein weiterer Laserstrahl 6' für die Fügefläche 4 am Teil 3 erforderlich ist. Bei einer zweiten Ausgestaltung des Verfahrens zum Verschweißen von zwei Teilen 2, 3 mittels Laserstrahlung sind die Laserstrahlen indirekt auf die Fügefläche 4 gerichtet, womit ein einziger Laserstrahl 10 für die Fügeflächen 4 an beiden Teilen 2, 3 ausreichend ist. Wie anhand von 3 zu sehen ist, ist in den vom Laser 7 ausgehenden Strahlengang 10 für die Laserstrahlung ein Prisma 9 eingefügt. Der Strahlengang 10 wird am Prisma 9 in die Einzelstrahlen 10', 10'' aufgeteilt, die jeweilig zu den Fügeflächen 4 der Teile 2, 3 zugeführt werden. Anstelle eines Prismas 9 kann auch ein Spiegel o. dgl. zur Aufteilung des Strahlengangs 10 in die zu den jeweiligen Fügeflächen 4 zugeführten Einzelstrahlen 10', 10'' gewählt werden.
Damit die Laserstrahlung 6, 10 von den Teilen 2, 3 absorbiert wird, um die entsprechende Erwärmung zu bewirken, bietet es sich an, den Kunststoff für die beiden Teile 2, 3 zumindest an den Fügeflächen 4 mit Additiven zu versehen. Diese Additive bewirken dann die gewünschte Absorption der Laserstrahlung 6, 10 in den beiden Teilen 2, 3. Als Additive können beispielsweise Farbstoffpigmente gewählt werden. Die Einfärbung des Kunststoffs mittels Farbstoffpigmente kann dabei derart erfolgen, dass die beiden Teile 2, 3 für das menschliche Auge im wesentlichen gleichfarbig erscheinen. Der Kunststoff kann auch wenigstens an der Fügefläche 4 mit einem für das menschliche Auge im wesentlichen farblosen Additiv, das die Laserstrahlung 6, 10 absorbiert, versehen sein. Je nach Bedarf kann dabei eines der Teile 2, 3 oder auch beide Teile 2, 3 das Additiv enthalten.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann die Erfindung nicht nur zum Verschweißen von Gehäuseteilen für elektrische Schalter sondern auch zum Verschweißen von sonstigen Gehäusen, Behältnissen o. dgl., beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich, Verwendung finden.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuseelement
2, 3: Teil (von Gehäuseelement)
4: Fügefläche
5: Schweißverbindung
6, 6': Laserstrahlung, Laserstrahl
7: Laser
8: (zusätzliche) Energiequelle
9: Prisma
10: Laserstrahl/Strahlengang
10': Laserstrahlung, Laserstrahl
10'': Laserstrahlung, Laserstrahl
11: Spanntechnik

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0159169 A2 [0003]

Claims

Verfahren zum Verschweißen von zwei Teilen (2, 3) mittels Laserstrahlung, wobei die beiden Teile (2, 3) an einer Fügefläche (4) mittels einer Schweißverbindung (5) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeflächen (4) an den beiden Teilen (2, 3) im wesentlichen gleichzeitig bis zum Aufschmelzen der Fügefläche (4) von den Laserstrahlen (6, 10) beaufschlagt werden, und dass bei Erreichen der Aufschmelzung die beiden Teile (2, 3) an der Fügefläche (4) bis zum Erkalten der Fügefläche (4) aneinander gepresst werden.
Verfahren zum Verschweißen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwärmung der Fügeflächen (4) durch eine zusätzliche Energiequelle (8), insbesondere einen Halogenstrahler, unterstützt wird.
Verfahren zum Verschweißen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen (6, 10) direkt und/oder indirekt auf die Fügefläche (4) gerichtet sind.
Verfahren zum Verschweißen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen (10, 10', 10'') mittels eines Prismas (9), eines Spiegels o. dgl. zu den Fügeflächen (4) zugeführt werden.
Verfahren zum Verschweißen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen (6, 6', 10, 10', 10'') auf die Schweißgeometrie angepasst zur Fügefläche (4) zugeführt werden, und dass vorzugsweise die Zusatzenergie von der Energiequelle (8) nach Bedarf flächendeckend eingekoppelt wird.
Verfahren zum Verschweißen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeflächen (4) mittels Spanntechnik (11) aneinander gepresst werden.
Verfahren zum Verschweißen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (2, 3) aus Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, bestehen, und dass vorzugsweise die beiden Teile (2, 3) derart mit Additiven, insbesondere mit Farbstoffpigmenten, versehen sind, dass zumindest die Fügeflächen (4) der beiden Teile (2, 3) für die Laserstrahlung (6, 10) im wesentlichen absorbierend sind.
Verfahren zum Verschweißen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (2, 3) für das menschliche Auge im wesentlichen gleichfarbig erscheinen, und dass vorzugsweise wenigstens ein Teil (2, 3), wenigstens an der Fügefläche (4), ein die Laserstrahlung (6, 10) absorbierendes, für das menschliche Auge im wesentlichen farbloses Additiv enthält.