DE10261642A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen thermoplastischer Kunststoff-Formteile, insbesondere zum Konturschweißen dreidimensionaler Formteile - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen thermoplastischer Kunststoff-Formteile, wobei durch zusätzliches simultanes Bestrahlen eines der Fügepartner (1) in der Schweißzone (18) eine Temperaturerhöhung dieses Fügepartners zur prozesssicheren Verschweißung stattfindet.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen und insbesondere zum Konturschweißen dreidimensionaler Formteile mit den im Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 8 angegebenen Merkmalen.
- Das Laserstrahlkunststoffschweißen ist aus dem Stand der Technik in vielerlei Ausprägung bekannt. Grundsätzlich werden dabei die beiden Fügepartner im Bereich der zu verschweißenden Kontur in Kontakt gebracht. Um einen sich negativ auf das Schweißergebnis auswirkenden Spalt zwischen den Fügepartnern zu vermeiden und etwaige Formtoleranzen auszugleichen, werden dabei die Fügepartner in ihrem Fügebereich durch eine Spannvorrichtung beaufschlagt. Schließlich werden diese in der Schweißzone mit einem Laserschweißstrahl bestrahlt, wodurch mindestens einer der beiden Fügepartner aufschmilzt, durch Wärmetransfer auch der zweite Fügepartner zum Aufschmelzen gebracht wird und sich schließlich beide Fügepartner dadurch stoffschlüssig verbinden.
- Ein typisches Beispiel für ein solches Verschweißen ist das Laserdurchstrahlschweißen, bei dem der obere, vom Laserschweißstrahl durchstrahlte Fügepartner transmissiv für die jeweils verwendete Laserwellenlänge, der untere Fügepartner jedoch dafür absorptiv ist.
- Zum breit gefächerten Stand der Technik ist beispielhaft auf die
DE 37 14 504 A1 zu verweisen, aus der ein Verfahren zum Schweißen oder Schneiden von Edelmetallen, aber auch von Kunststoffen oder biologischen Geweben bekannt ist, bei dem mit zwei koordinierten Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge gearbeitet wird. Ein erster Strahl beispielsweise einer Wellenlänge von 193 nm wird auf die Schweißzone gerichtet, wobei ein zweiter Laserstrahl mit einer größeren Wellenlänge zugeordnet wird. Dieser erhöht die Absorption des ersten IR-Laserschweißstrahles, womit eine verbesserte Schweißqualität insbesondere bei für eine Laserstrahlverschweißung kritischen Materialien erzielbar ist. - Aus der
DE 38 33 110 C2 ist eine Anordnung zum Verschweißen von thermoplastischen Werkstoffen mittels Wärmestrahlung bekannt, bei der ein erstes und zweites thermoplastisches Werkstück auf einer Aufnahmevorrichtung übereinander geschichtet angeordnet sind, die die thermoplastischen Werkstücke im Bereich einer Schweißnaht unterstützt. - Zum Festlegen der Schweißnaht ist eine Spiegelmaske vorgesehen, die ein transparentes, mehrschichtig stempelartig ausgebildetes Andruckelement und eine dem ersten thermoplastischen Werkstück zugewandte reflektierende Blende aufweist. Die Spiegelmaske ist dabei zwischen einer Strahlungseinrichtung für den Schweißvorgang und dem thermoplastischen Werkstück unmittelbar auf diesem angeordnet. Für den Schweißvorgang ist eine relativ zur Strahlungseinrichtung bewegbare Andruckvorrichtung vorgesehen. Als Strahlungseinrichtung soll eine Halogenglühlampe mit einem Infrarot-Ellipsoid-Reflektor zum Einsatz kommen.
- Die
EP 0 890 865 B1 offenbart, dass mittels eines zwischen einer Strahlungsquelle und den zu verschweißenden Werkstücken gesetzten Filters eine dem Schweißvorgang angepasste Wellenlänge selektiert wird. - Am relevantesten für die vorliegende Erfindung ist die
DE 199 25 203 A1 , aus der ein Verfahren zum Verschweißen mindestens zweier Kunststoffe mit Hilfe von Laserlichtenergie bekannt ist. Dabei wird dem Fügebereich eine Hilfsenergie zugeführt, die im Fügebereich vorhandene Partikel mindestens eines ersten Stoffes reversibel in einen oder mehrere zweite Stoffe umwandelt. Diese zweiten Stoffe absorbieren in ihren Gesamtheit die Laserstrahlung stärker als der erste Stoff, sodass auch bezüglich der Laserenergieabsorption an sich kritische Materialien mit befriedigender Qualität verschweißbar werden. - Die vorstehenden Druckschriften zum Stand der Technik bieten zwar Ansatzpunkte für die Verbesserung der Schweißqualität bei unterschiedlichsten Fügepartnern, sie bringen jedoch keinen Beitrag zur Lösung der der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegenden Problematik. Diese kommt insbesondere beim Laserstrahlkunststoffschweißen von großen, dreidimensionalen Konturen zum Tragen. Übliche starre, konturangepasste Spannvorrichtungen sind in diesem Anwendungsgebiet zum einen sehr aufwendig und damit kostenintensiv, zum anderen kann auf Grund der relativ großen Bauteiltoleranzen kein gleichmäßiges Spanndruckfeld an den zu verschweißenden Formteilkonturen aufgebaut werden. Insbesondere sind die zu erwartenden Bauteilabweichungen von der Sollgeometrie in der Regel größer als die zulässigen Toleranzen, bei deren Nahtspalte während des Schweißprozess noch überbrückt werden. Dieses Problem wird durch die vorstehend erwähnten, nicht reproduzierbaren Spanndruckfelder noch verschärft. Ferner besteht nach wie vor die aus dem Stand der Technik bekannte Schwierigkeit, dass Schweißverbindungen von Materialien mit gleichen optischen Transmissionseigenschaften nicht ohne Zusatzstoffe zumindest in einem der Fügepartner herzustellen sind.
- Grundsätzlich lässt sich nun die Strahlführung zum Kunststoffschweißen an großen dreidimensionalen Konturen an sich durch Lichtleitfasern in Verbindung mit marktüblichen Industrierobotern problemlos realisieren, wie dies bereits bei anderen Lasermaterialbearbeitungsverfahren praktiziert wird. Dabei bleibt das Problem der Spanntechnik ungelöst, sodass ein rationeller Einsatz dieses Schweißverfahrens im industriellen Maßstab nicht vernünftig realisierbar ist.
- Eine weitere Problematik auf dem Gebiet der Konturverschweißung großer dreidimensionaler Formteile liegt in den ungünstigen Eigenschaften der dort oftmals verwendeten Kunststoffe in Bezug auf ihre Schweißbarkeit. So besitzen viele derartige Kunststoffe nur einen geringen Schmelztemperaturbereich zwischen Schmelzpunkt und Zersetzungstemperatur. Ferner plastifizieren solche Kunststoffe oft erst bei hohen Temperaturen, sodass der wärmeleitungsabhängige Schweißprozess nur mit hohen Zykluszeiten realisiert werden kann. Die notwendige enge Temperaturführung bedingt ferner schmale Prozessfenster, die einer unproblematischen, industriellen Anwendung von Laserschweißverfahren für das Konturschweißen großer dreidimensionaler Formteile entgegenstehen.
- Zur Lösung der geschilderten Probleme schlägt die Erfindung nun vor, durch zusätzliches simultanes Bestrahlen des anderen, im wesentlichen nicht vom Laserschweißstrahl beaufschlagten Fügepartners in der Schweißzone mit einer elektromagnetischen Sekundärstrahlung eine Temperaturerhöhung dieses zweiten Fügepartners zu erreichen.
- Durch diese Strahlquelle wird eine Erwärmung des zweiten Fügepartners, in aller Regel der oben liegenden sogenannten „Decklage" der Schweißzone, gefördert und damit das Temperaturfeld in der Schweißzone beiderseits der Schweißebene homogenisiert und symmetrischer gestaltet. Durch ein solches homogenisiertes Temperaturfeld wird das Prozessfenster erweitert und der Prozess weniger störanfällig in Bezug auf die insbesondere bei großen, dreidimensionalen Konturen auftretenden Schwierigkeiten durch das ungleichmäßige Spanndruckfeld gemacht. Insoweit ist auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung, wie sie durch die Kennzeichnungsmerkmale des Patentanspruches 1 bzw. 8 charakterisiert sind, die Spanntechnik als solche nicht mehr der limitierende Faktor eines 3D-Schweißprozesses.
- Durch die bevorzugten Weiterbildungen gemäß den Ansprüchen 2 bzw. 10 ist eine besonders selektive Temperaturerhöhung des zweiten Fügepartners erzielbar. Auf Grund der unterschiedlichen Wellenlängen von Laserschweißstrahl und Sekundärstrahlung kann die thermisch wirksame Sekundär-Strahlung in ihrer Wellenlänge auf die jeweils zu erwärmende bzw. anzuschmelzende Schicht und die dort herrschenden Absorptionsverhältnisse für die Strahlung zugeschnitten werden.
- Wenngleich die Sekundärstrahlung grundsätzlich auch von einem zweiten Laser erzeugt werden könnte, ist dies im industriellen Umfeld aus Kostengründen nicht anzustreben. Vielmehr können laut den Ansprüche 3 bzw. 11 Infrarot- oder UV-Strahler bevorzugter Maßen eingesetzt werden, da deren Strahlung von vielen ungefärbten Kunststoffen besser absorbiert wird als übliche Schweißlaserwellenlängen von z.B. 780 bis 1000 nm. Besonders bevorzugt ist eine kurzwellige, durch eine Halogen-IR-Strahlungsquelle erzeugte Sekundärstrahlung, wie dies den Ansprüchen 4 bzw. 12 entnehmbar ist.
- Wenn in den unabhängigen Ansprüchen von einem simultanen Bestrahlen der beiden Fügepartner die Rede ist, so bedeutet dies nicht, dass die Bestrahlungsperioden zwingend absolut gleichzeitig liegen müssen. Vielmehr muss gewährleistet sein, dass der eine Fügepartner, insbesondere der aufzuschmelzende Fügepartner, zu einer Zeit mit dem Laserschweißstrahl beaufschlagt wird, zu der noch eine signifikante Wechselwirkung mit der durch die Sekundärstrahlung temperaturerhöhten Zone der Fügepartner im Sinne einer Homogenisierung des Temperaturfeldes und Vergrößerung des Prozessfensters stattfinden kann. Insoweit kann gemäß bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung die Sekundärstrahlung im Wesentlichen konzentrisch und synchron mit dem Laserschweißstrahl oder diesem voreilend aufgebracht werden, wie dies in den Ansprüchen 5 und 6 bzw. 13 und 14 angegeben ist.
- Zur Erhöhung der Effektivität der Sekundärstrahlquelle ist es von Vorteil, die Sekundärstrahlung fokussiert aufzubringen (Ansprüche 7 bzw. 15).
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sieht die Erfindung gemäß den Ansprüchen 8 bzw. 16 vor, die Sekundärstrahlung und/oder den Laserschweißstrahl durch eine für sie transmissive Spannvorrichtung, insbesondere eine Spannrolle aufzubringen. Dies hat den Vorteil, dass die Spannvorrichtung unmittelbar auf die aktuell aktivierte Schweißzone wirkt, womit Bauteiltoleranzen optimal ausgeglichen und entsprechende Fügespalte auf ein Minimum reduziert werden.
- Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der Ausführungsbeispiele an Hand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 eine schematische Seitenansicht einer Laserschweißvorrichtung, -
2 eine Ansicht der Laserschweißvorrichtung aus Pfeilrichtung II nach1 , -
3 und4 simulierte Temperaturfeld-Darstellungen zur Gegenüberstellung eines herkömmlichen und erfindungsgemäßen Schweißprozesses; -
5 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Polymers, -
6 und7 schematische Querschnitte durch die Schweißkontur zweier Fügepartner, -
8 eine schematische Seitenansicht einer Laserschweißeinrichtung einer zweiten Ausführungsform, und -
9 eine Ansicht dieser Laserschweißeinrichtung aus Pfeilrichtung IX nach8 , - Die
1 und2 zeigen die Randkontur K zweier zu verschweißender Fügepartner1 ,2 . Es wird dafür ein Laserdurchstrahlschweiß-Verfahren verwendet, womit der obere Fügepartner1 für den Laserschweißstrahl3 möglichst transmissiv, der untere Fügepartner2 möglichst absorptiv sein muss. Im Übrigen ist das Laserdurchstrahlschweißen bekannt und bedarf keiner näheren Erörterung. - Der Laserschweißstrahl
3 wird über einen als Ganzes mit 4 bezeichneten Bearbeitungskopf von einer stationären Laserstrahlquelle über eine Faser optik zu der Fokussieroptik5 herangeführt. Laserquelle und Faseroptik sind der Übersichtlichkeit halber in den Zeichnungen weggelassen. Die Fokussieroptik5 sitzt an einem Träger6 des Bearbeitungskopfes4 , der über eine Adapterplatte7 mit Kraftmesseinheit beispielsweise am Manipulationsarm eines Industrieroboters angeflanscht ist. - Über einen Ausleger
8 ist seitlich neben der optischen Achse9 des Laserschweißstrahls3 eine Spannrolle10 gelagert, die mit ihrem Umfang auf dem oberen Fügepartner1 abrollt und damit im Bereich der vorzunehmenden Verschweißung die beiden Fügepartner1 ,2 miteinander verspannt. Eine entsprechende Gegenhalterung für die Rolle unterhalb der Schweißkontur ist in den1 und2 der Übersichtlichkeit halber ebenfalls nicht dargestellt. Die Drehachse11 der Spannrolle10 ist dabei in einem spitzen Anstellwinkel12 zur Horizontalen nach oben geneigt, sodass die Spannrolle10 schräg von der Seite her in die Schweißzone18 eingreift und damit wenig stört. - Ferner ist in Vorschubrichtung
13 des Bearbeitungskopfes4 an dessen Träger6 ein kurzwelliger IR-Halogen-Strahler14 angebracht, der eine kurzwellige infrarote Sekundärstrahlung15 erzeugt. Der IR-Halogen-Strahler14 sitzt dabei in einem Sekundärstrahlreflektor16 in Form eines Ellipsoidreflektors, der über einen entsprechenden Halter17 am Träger6 angebracht ist. Auf Grund des Reflektors16 wird die Sekundärstrahlung15 fokussiert auf die Schweißzone18 gerichtet. Wie aus1 dabei deutlich wird, ist der Fokusbereich19 der Sekundärstrahlung15 um den Versatz20 gegenüber dem Fokus21 des Laserschweißstrahls3 versetzt. Die Spannrolle10 wiederum ist in die andere Richtung um den Abstand22 gegenüber dem Laserschweißstrahl-Fokus21 verschoben. - Mit der vorstehend beschriebenen Schweißvorrichtung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt realisieren:
Der Bearbeitungskopf4 fährt unter Beaufschlagung der beiden Fügepartner1 ,2 mit der Spannrolle10 die Schweißkontur K in Vorschubrichtung13 ab, wobei in der jeweiligen Schweißzone18 vorlaufend über die Sekundärstrahlung15 der obere Fügepartner1 lokal erwärmt wird. Damit wird zu dessen Anschmelzen über die Wärmeleitung vom absorbierenden Fügepartner2 (unten) weniger Wärmeenergie benötigt, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Fügepartnern1 ,2 durch den nachlaufenden Laserschweißstrahl3 zu erzielen. Die vorstehend dargestellte Wirkung der Sekundärstrahlung15 wird durch die3 und4 verdeutlicht.3 zeigt das simulierte Temperaturfeld eines herkömmlichen Laserschweißprozesses an Polyethylen (PE) ohne Sekundärstrahlung. Die als weiße Zone in3 dargestellte schmelzflüssige Phase erstreckt sich in erster Linie in dem unteren, absorptiven Fügepartner2 . Ihre Erstreckung in den oberen, transmissiven Fügepartner1 ist gering. Dies bedeutet, dass das Prozessfenster sehr eng ist, da bei geringfügig schlechteren Wärmeübergangsbedingungen vom unteren Fügepartner 1 zum oberen Fügepartner2 bereits keine stoffschlüssige Verbindung durch den Schweißprozess mehr gewährleistet ist. Grund hierfür können beispielsweise erhöhte Schweißspalte sein. -
4 zeigt demgegenüber ein simuliertes Temperaturfeld bei einem Schweißprozess, bei dem eine Sekundärstrahlung15 mitberücksichtigt ist. Es wurde ein Fokusdurchmesser der Sekundärstrahlung von 10 mm konzentrisch zum Schweißfokus angenommen. Ferner wurde für die Decklage eine Absorption der Sekundärstrahlung15 von ca. 30% pro Millimeter Dicke des oberen Fügepartners1 angesetzt. Aus der Erstreckung des weißen Temperaturfeldes, dass die schmelzflüssige Phase repräsentiert, wird deut lich, dass die Aufschmelztiefe im oberen Fügepartner1 deutlich größer im Vergleich zu den Verhältnissen in3 ist. Auch die Länge der lagenübergreifenden Plastifizierungszone in Schweißrichtung ist größer. Insgesamt sind also die Prozessbedingungen und die damit erzielbare Prozesssicherheit auf Grund der Sekundärstrahlunterstützung deutlich verbessert. - Ein weiterer Vorteil der Temperaturerhöhung des oberen Fügepartners liegt auch in einer Reduzierung der Materialsteifigkeit des oberen Fügepartners. Dies wird durch das Diagramm gemäß
5 verdeutlicht, das auf der Abszisse die relative Streckung eines ABS-Probenkörpers und auf der Ordinate die dafür notwendige Streckbelastung bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen 21,5° und 66°C wiedergibt. Daraus ist erkennbar, dass mit steigender Temperatur sich die Streckgrenze (Peak der Diagrammkurven) und E-Modul (Anfangssteigung der Diagrammkurven) zur niedrigeren Belastungswerten verschieben. Da die Streckgrenze eines Werkstoffes dessen Biegesteifigkeit maßgeblich bestimmt, kann bei einer gleichmäßige Durchwärmung der Decklage auch weit unterhalb der Schmelztemperatur des Materials von einem signifikanten Abfall der Biegesteifigkeit auf Bruchteile des Ausgangswertes bei Normaltemperatur ausgegangen werden. - Dies führt im Hinblick auf Bauteiltoleranzen zu einer besseren Verschweißbarkeit, wie dies durch die
6 und7 deutlich gemacht wird. In diesen Darstellungen sind die beiden Fügepartner1 ,2 im Schnitt quer zur Schweißnahtrichtung mit einem fehlstellen- oder toleranzbedingten Spalt23 in der zu verschweißenden Randkontur K gezeigt. Bei Aufbringen eines bestimmten Spanndruckes (Pfeile24 in6 und7 ) kann dies als Biegung des die Decklage bildenden oberen Fügepartners 1 um den Auflagerpunkt A aufgefasst werden. In der vereinfachten Betrachtung als ein-dimen dimensionaler Biegebalken bildet sich ein lineares Spannungsfeld (Pfeile25 in6 und7 ), das in der Ebene der neutralen Faser Null ist und abhängig von E-Modul des Materials linear zu den Rändern der Decklage hin ansteigt und zwar nach oben als Zugspannung und nach unten als Druckspannung. Der Spalt23 wird dabei unter Umständen nicht (ausreichend) überbrückt. - Ist der obere Fügepartner
1 erwärmt, so ist die Streckgrenze heruntergesetzt und der Kunststoff beginnt früher zu plastifizieren. An Orten höherer Spannung wird dann kein linear-elastischer Spannungszustand herrschen, sondern ein plastischer. Die maximal übertragbare Spannung ist nun durch die Streckgrenze limitiert und es bildet sich ein Zug-/Druck-Spannungsfeld nach7 aus. Wie dort zeichnerisch versinnbildlicht ist, kann sich der erwärmte Fügepartner1 besser an die gezeigte Fehlstelle anschmiegen, da seine gesamte Biegesteifigkeit geringer als in kaltem Zustand ist. Die Spaltüberbrückungsfähigkeit wird also durch die sekundärstrahlbedingte Reduzierung der Biegesteifigkeit des oberen Fügepartners deutlich verbessert. - In verfahrenstechnischer Hinsicht ist zur Erfindung ferner festzuhalten, dass das offenbarte Verfahren und die entsprechende Vorrichtung eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Prozessregelung und damit zur Optimierung des Schweißprozesses bieten. So kann beispielsweise der Versatz des Fokusbereiches
19 der Sekundärstrahlung15 gegenüber dem Fokus21 des Laserschweißstrahls3 statischer Natur sein, aber auch durch einen geeigneten Regelkreis den Gegebenheiten des aktuellen Prozessverlaufes angepasst werden. - Andere Prozessparameter, wie die Vorschubgeschwindigkeit, die Position der Spannrolle
10 und der Sekundärstrahlquelle14 , die Ausbildung der gesamten Strahlführungskinematik usw. können dem aktuellen Prozessstatus angepasst werden. Als Führungsgrößen bieten sich verschiedene Prozessparameter an, wie beispielsweise die aktuelle Spannkraft, das gemessene Reflektionssignal des Schweißlasers in der Schweißzone18 usw. - Auch das Wellenlängenspektrum der Sekundärstrahlung
15 kann durch geeignete optische Elemente, wie Filter, auf die jeweiligen Materialien insbesondere des oberen Fügepartners1 zugeschnitten werden. So können durch Filter beispielsweise störende Spektralbereiche ausgeblendet werden. - In
8 und9 ist schließlich eine zweite Ausführungsform einer Laserschweißvorrichtung mit Sekundärstrahlunterstützung gezeigt. Die Besonderheit hieran ist die Verwendung einer für die Wellenlänge des Laserschweißstrahls3 transmissiven Spannrolle10' . Dadurch kann der Laserschweißstrahl3 durch die Spannrolle10' in die Schweißzone eingebracht werden. Dies hat den Vorteil, dass die Spannposition durch Beaufschlagung der beiden Fügepartner1 ,2 mit dem Fokus21 des Laserschweißstrahls3 übereinstimmt, sodass während des Aufschmelzens des einen Fügepartners2 einer optimale Verspannung zwischen den beiden Fügepartner1 ,2 mit geringst möglichen Fügespalten herrscht. - Wie aus
8 und9 deutlich wird, ist der Träger6 des Bearbeitungskopfes4 als Joch26 mit zwei seitlichen Wangen27 ,28 ausgebildet, zwischen denen an ihren unteren Enden rohrförmige Achsstummel29 ,30 nach innen weisend eingesetzt sind. Diese tragen über Kugellager31 ,32 jeweils Aufnahmehülsen33 ,34 , die gemeinsam zwischen sich die transmissive Spannrolle10' lagern. Durch den einen Achsstummel29 wird der Laserschweiß strahl3 über einen Lichtwellenleiter35 von einer nicht näher dargestellten Laserstrahlquelle herangeführt und koaxial zur Rotationsachse36 der Spannrolle10' über eine Kollimierlinse37 zur Spannrolle10' hingeführt. In der Rollenebene der Spannrolle10' ist auf der Rotationsachse36 ein Fokussierspiegel38 angeordnet, der den noch als Rohstrahl vorliegenden Laserschweißstrahl3 durch das jeweils auf den Fügepartnern1 ,2 abrollende Trum der Spannrolle10' in die Schweißzone18 fokussiert. - Die Sekundärstrahlung
15 wird bei dieser Ausführungsform der Laserschweißvorrichtung analog dem Ausführungsbeispiel gemäß1 und2 erzeugt. Insoweit kann auf die dortige Beschreibung verwiesen werden, wobei übereinstimmende Bauteile mit identischen Bezugszeichen versehen wurden. - Zusammenfassend werden durch das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Laserschweißeinrichtung mit Sekundärstrahlunterstützung verschiedene Vorteile und Effekte erzielen, die nochmals kurz wie folgt zusammenfasst werden sollen:
- – Die Prozessgeschwindigkeit und -stabilität kann im Vergleich zu konventionellen Laserschweißprozessen erhöht werden.
- – Das Fügen und Verschweißen von Materialkombinationen, die auf Grund von sonst ungünstigen thermischen, rheologischen, optischen und/oder chemischen Eigenschaften nicht oder nur schwer mit einem Laser zu verschweißen sind, wird ermöglicht.
- – Die Fehlertoleranz des Prozesses insbesondere im Hinblick auf geometrische Abweichung der Fügepartner von einer Sollgeometrie wird erhöht.
- – Bauteile mit einer dreidimensionalen Schweißkontur können mit einem vertretbaren Investitionsaufwand für die Spanntechnik prozesssicher verarbeitet werden.
- – Bei Fügepartnern, bei denen keiner über eine ausreichend hohe Absorption verfügt, werden die zu verschweißenden Kunststoffe so vorgewärmt, dass die geringe Wärmeabsorption aus dem Laserschweißstrahl in seinem Fokusbereich ausreicht, das Material in der Schweißzone aufzuschmelzen.
Claims (16)
- Verfahren zum Verschweißen thermoplastischer Kunststoff-Formteile, insbesondere zum Konturschweißen dreidimensionaler Formteile, mit folgenden Merkmalen: – In-Kontakt-bringen der Fügepartner (
1 ,2 ) im Bereich der zu verschweißenden Kontur (K), – Beaufschlagen der Fügepartner (1 ,2 ) in ihrem Fügebereich durch eine Spannvorrichtung (10 ,10' ), – Bestrahlen eines (2 ) der Fügepartner (1 ,2 ) in der Schweißzone mit einem Laserschweißstrahl (3 ), gekennzeichnet durch – zusätzliches simultanes Bestrahlen des anderen Fügepartners (1 ) in der Schweißzone (18 ) mit einer elektromagnetischen Sekundärstrahlung (15 ) zu dessen Temperaturerhöhung. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärstrahlung (
15 ) zumindest Strahlanteile aufweist, die von der Wellenlänge des Laserschweißstrahles (3 ) abweichen. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Sekundärstrahlung (
15 ) eine IR- oder UV-Strahlung verwendet wird. - Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als IR-Strahlung eine kurzwellige, vorzugsweise durch eine Halogen-IR-Strahlungsquelle (
14 ) erzeugte oder mittelwellige IR- Sekundärstrahlung (15 ) verwendet wird. - Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärstrahlung (
15 ) konzentrisch und synchron mit dem Laserschweißstrahl (3 ) aufgebracht wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärstrahlung (
15 ) dem Laserschweißstrahl (3 ) voreilend aufgebracht wird. - Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärstrahlung (
15 ) fokussiert aufgebracht wird. - Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärstrahlung (
15 ) und/oder der Laserschweißstrahl (3 ) durch eine für diese transmissive Spannvorrichtung, insbesondere Spannrolle (10' ) aufgebracht wird. - Vorrichtung zum Verschweißen thermoplastischer Kunststoff-Formteile, insbesondere zum Konturschweißen dreidimensionaler Formteile, umfassend – eine Spannvorrichtung (
10 ,10' ) für die beiden Fügepartner (1 ,2 ) – eine Laserschweißstrahl-Quelle zur Erzeugung eines Laserschweißstrahls (3 ), – eine Laserschweißstrahl-Fülvungseinrichtung (5 ,35 ) zur Führung des Laserschweißstrahls (3 ) zum einen (2 ) der beiden Fügepartner (1 ,2 ) in der Schweißzone (18 ) zwischen den beiden Fügepartnern (1 ,2 ), gekennzeichnet durch – eine Sekundärstrahlungsquelle (14 ) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Sekundärstrahlung (15 ), und – eine Sekundärstrahl-Führungseinrichtung (16 ) zur Führung der Sekundärstrahlung (15 ) zum anderen (1 ) der beiden Fügepartner (1 ,2 ) in der Schweißzone (18 ). - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärstrahlung (
15 ) zumindest Strahlanteile aufweist, die von der Wellenlänge des Laserschweißstrahles (3 ) abweichen. - Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärstrahlungsquelle (
14 ) ein IR- oder UV-Strahler ist. - Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärstrahlungsquelle (
14 ) ein mittelwelliger IR-Strahler oder vorzugsweise ein kurzwelliger IR-Halogen-Strahler ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus des Laserschweißstrahles (
3 ) im wesentlichen konzentrisch und synchron mit dem Beaufschlagungsbereich der Sekundärstrahlung (15 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Beaufschlagungsbereich (
19 ) der Sekundärstrahlung (15 ) dem Fokus (21 ) des Laserschweißstrahls (3 ) voreilend angeordnet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch eine Fokussiereinrichtung (
16 ) für die Sekundärstrahlung (15 ). - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, gekennzeichnet durch eine für den Laserschweißstrahl (
3 ) und/oder die Sekundärstrahlung (15 ) transmissive Spanneinrichtung, vorzugsweise Spannrolle (10' ), die der Laserschweißstrahl (3 ) und/oder die Sekundärstrahlung (15 ) zur Schweißzone passiert.
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