DE112020001561T5

DE112020001561T5 - Optische radanordnung für ein laser-durchstrahlschweissgerät

Info

Publication number: DE112020001561T5
Application number: DE112020001561.0T
Authority: DE
Inventors: Hongping Gu; Aldo Van Gelder
Original assignee: Magna International Inc
Current assignee: Magna International Inc
Priority date: 2019-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2021-12-30
Also published as: CN113853270B; US20220227063A1; WO2020252572A1; CN113853270A

Abstract

Eine optische Radanordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät umfasst eine doppelt konvexe optische Linse mit zwei sphärischen Oberflächen, die durch eine polierte Seitenfläche verbunden sind, die sich in Umfangsrichtung um die Linse herum erstreckt. Jede der beiden sphärischen Flächen hat einen bekannten sphärischen Durchmesser. Die optische Linse ist zwischen zwei Schalenhaltern angeordnet, die jeweils eine sphärische konkave Oberfläche mit dem bekannten sphärischen Durchmesser aufweisen und in die sphärischen Oberflächen der Linse eingreifen. Jeder Schalenhalter hat einen axialen Vorsprung, der sich von einer Seite des Schalenhalters weg erstreckt, die der sphärischen konkaven Oberfläche gegenüber liegt. Die axialen Vorsprünge sind in entsprechenden Lagern aufgenommen, die in einem Gehäuse montiert sind. Die Lager ermöglichen es den Schalenhaltern und der optischen Linse, sich zu drehen, während beim Laser-Durchstrahlschweißen von Kunststoffwerkstücken Druck auf diese ausgeübt wird.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen und Verfahren zum Laser-Durchstrahlschweißen von Werkstücken aus Kunststoff. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf eine optische Radanordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät.
HINTERGRUND
Verfahren zum Verbinden von Kunststoffwerkstücken mit Hilfe eines Laserstrahls sind bekannt und werden als Durchstrahlschweißen bezeichnet. Die Kunststoffwerkstücke werden durch eine Spannkraft in dem zu verbindenden Bereich zusammengehalten, während der Laserstrahl relativ zu den Werkstücken bewegt wird. Der Laserstrahl durchdringt ein erstes (z. B. oberes) Werkstück, das für die Laserstrahlung durchlässig ist, und wird an der Oberfläche eines zweiten (z. B. unteren) Werkstücks, das in Kontakt mit dem ersten Werkstück steht, absorbiert. Bei der Absorption der Laserstrahlung wird an der Oberfläche des zweiten Werkstücks Wärme erzeugt, die zum Teil auf das erste Werkstück übertragen wird. Durch die Erwärmung schmilzt das Material an den Oberflächen des ersten und zweiten Werkstücks, und bei ausreichender Spannkraft ist der Spalt zwischen den beiden Werkstücken so klein, dass sich die geschmolzenen Materialien vermischen können. Nach dem Abkühlen und Erstarren des Materials im Verbindungsbereich entsteht eine zuverlässige Verbindung.
Wie sich zeigen wird, ist es wichtig, dass die Werkstücke während des Schweißvorgangs gegeneinander verspannt werden, denn eine wesentliche Voraussetzung für eine gute Schweißverbindung der Kunststoffe mittels Laserstrahlung ist nicht nur die Energiedosierung, sondern auch der saubere und mechanische Kontakt zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Fügeflächen. Hierzu sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die einen ausreichenden Anpressdruck ermöglichen, jedoch ist diese Anforderung bei großformatigen Formteilen unter normalen Schweißbedingungen nur schwer dauerhaft zu erreichen.
Es wäre von Vorteil, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, die zumindest einige der oben genannten Nachteile und/oder Einschränkungen überwinden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt von mindestens einer Ausführungsform wird eine optische Radanordnung für eine Laser-Durchstrahlschweißvorrichtung bereitgestellt, die Folgendes umfasst: ein Gehäuse, eine doppelt konvexe optische Linse mit zwei sphärischen Oberflächen, die durch eine polierte Seitenfläche verbunden sind, die sich in Umfangsrichtung um die Linse herum erstreckt, wobei jede der beiden sphärischen Oberflächen einen bekannten sphärischen Durchmesser aufweist, ein Paar von Schalenhaltern, von denen jeder eine sphärische konkave Oberfläche mit dem bekannten sphärischen Durchmesser aufweist, wobei die doppelkonvexe optische Linse zwischen dem Paar von Schalenhaltern so angeordnet ist, dass jede der beiden sphärischen Oberflächen der doppelkonvexen optischen Linse an der sphärischen Oberfläche eines jeweiligen Schalenhalters des Paars von Schalenhaltern angreift, wobei jeder Schalenhalter einen axialen Vorsprung aufweist, der sich von einer Seite des Schalenhalters weg erstreckt, die dessen sphärischer konkaver Oberfläche gegenüberliegt, und ein Paar von Lageranordnungen, die an dem Gehäuse angebracht sind, wobei jede Lageranordnung so angeordnet ist, dass sie den axialen Vorsprung aufnimmt, der sich von einem jeweiligen Schalenhalter des Paars von Schalenhaltern erstreckt.
In einer Ausführungsform sind die beiden sphärischen Flächen der doppelt konvexen optischen Linse unpolierte sphärische Flächen.
In einer Ausführungsform sind die beiden sphärischen Oberflächen der doppelt konvexen optischen Linse polierte sphärische Oberflächen.
Gemäß einem Aspekt von mindestens einer Ausführungsform wird eine optische Radanordnung für eine Laser-Durchstrahlschweißvorrichtung bereitgestellt, die Folgendes umfasst: ein optisches Rad mit zwei konvexen Seitenflächen, die durch eine polierte Arbeitsfläche verbunden sind, wobei sich die polierte Arbeitsfläche in Umfangsrichtung um das optische Rad herum erstreckt, ein Paar von Schalenhaltern, die jeweils einen Stützabschnitt mit einer konkaven Oberfläche aufweisen, die komplementär zu einer Form einer jeweiligen der beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades ist, wobei das optische Rad zwischen dem Paar von Schalenhaltern so angeordnet ist, dass die beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades mit der konkaven Oberfläche eines jeweiligen Schalenhalters des Paares von Schalenhaltern in Eingriff stehen, wobei jeder Schalenhalter einen Achsenabschnitt aufweist, der sich von einer Seite des Schalenhalters weg erstreckt, die dessen konkaver Oberfläche gegenüberliegt, und eine Lageranordnung, die ein Paar von Lagern umfasst, wobei jedes Lager des Paars von Lagern zur Aufnahme des Achsenabschnitts eines jeweiligen Schalenhalters des Paars von Schalenhaltern angeordnet ist.
In einer Ausführungsform sind die beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades unpolierte konvexe Seitenflächen.
In einer Ausführungsform sind die beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades polierte konvexe Seitenflächen.
Gemäß einem Aspekt mindestens einer Ausführungsform wird eine Laser-Durchstrahlschweißvorrichtung bereitgestellt, die Folgendes umfasst: eine Laserquelle zur Bereitstellung von Laserlicht zum Verschweißen eines ersten Kunststoffwerkstücks und eines zweiten Kunststoffwerkstücks, eine Stützfläche zum Stützen des ersten Kunststoffwerkstücks und des zweiten Kunststoffwerkstücks in einer zumindest teilweise überlappenden Beziehung zueinander, eine optische Radanordnung, die zwischen der Laserquelle und der Stützfläche angeordnet ist und Folgendes umfasst: ein Gehäuse, ein optisches Rad mit zwei konvexen Seitenflächen, die durch eine polierte Arbeitsfläche verbunden sind, wobei sich die polierte Arbeitsfläche in Umfangsrichtung um das optische Rad herum erstreckt, ein Paar von Schalenhaltern, die jeweils einen Stützabschnitt mit einer konkaven Oberfläche aufweisen, die komplementär zu einer Form einer jeweiligen der beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades ist, wobei das optische Rad zwischen dem Paar von Schalenhaltern angeordnet ist, so dass die beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades mit der konkaven Oberfläche eines jeweiligen Schalenhalters des Paares von Schalenhaltern in Eingriff stehen, wobei jeder Schalenhalter einen Achsenabschnitt aufweist, der sich von einer Seite des Schalenhalters weg erstreckt, die der konkaven Oberfläche desselben gegenüberliegt, und eine Lageranordnung, die ein Paar von Lagern umfasst, die an dem Gehäuse angebracht sind, wobei jedes Lager des Paars von Lagern so angeordnet ist, dass es den Achsenabschnitt eines jeweiligen Schalenhalters des Paars von Schalenhaltern aufnimmt und eine Vorspannkraft auf den jeweiligen Schalenhalter des Paars von Schalenhaltern entlang einer jeweiligen Richtung zu dem optischen Linsenrad hin ausübt, wobei während der Verwendung das Laserlicht von der Laserquelle auf die Arbeitsfläche des optischen Rades auftrifft und durch das optische Rad zu einem gewünschten Schweißbereich innerhalb eines überlappenden Abschnitts der ersten und zweiten Werkstücke übertragen wird, und wobei während der Verwendung die Arbeitsfläche auf den überlappenden Bereich drückt, um eine Klemmkraft während der Bildung der Schweißung zu liefern.
In einer Ausführungsform sind die beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades unpolierte konvexe Seitenflächen.
In einer Ausführungsform sind die beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades polierte konvexe Seitenflächen.
Figurenliste
Die Ausführungsformen werden im Folgenden nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen ähnliche Bezugsziffern ähnliche Elemente in den verschiedenen Ansichten bezeichnen und in denen:

1 ist eine Explosionsdarstellung einer optischen Radanordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät gemäß einer Ausführungsform.
2 ist eine perspektivische Ansicht der optischen Radanordnung von 1 in montiertem Zustand.
3 ist ein vereinfachtes Diagramm, das die Hauptsysteme eines Laser-Durchstrahlschweißgeräts mit der optischen Radanordnung von 1 zeigt.
4 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Laser-Durchstrahlschweißgeräts mit der optischen Radanordnung von 1.
5 ist ein vereinfachtes Diagramm, das den Betrieb eines Laser-Durchstrahlschweißgeräts zeigt, das die optische Radanordnung von 1 während des Zusammenschweißens von zwei Kunststoffwerkstücken umfasst.
6 ist ein vereinfachtes Diagramm, das die Hauptsysteme eines Laser-Durchstrahlschweißgeräts zeigt, das ein Luftmesser und einen optischen Sensor zum Reinigen einer Arbeitsfläche des optischen Rads enthält.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgende Beschreibung soll den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und wird im Zusammenhang mit einer bestimmten Anwendung und deren Anforderungen gegeben. Verschiedene Modifikationen der offenbarten Ausführungsformen werden für den Fachmann leicht ersichtlich sein, und die hierin definierten allgemeinen Grundsätze können auf andere Ausführungsformen und Anwendungen angewandt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern den größtmöglichen Anwendungsbereich haben, der mit den hier offenbarten Prinzipien und Merkmalen vereinbar ist.
In 1 ist eine Explosionszeichnung einer optischen Radanordnung 100 für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Ein optisches Rad 2 in Form einer doppelt konvexen optischen Linse umfasst eine polierte, umlaufende Arbeitsfläche 4 sowie eine erste und eine zweite sphärische Fläche 6 und 8. Die erste und die zweite sphärische Oberfläche 6 und 8 können zum Beispiel unpolierte Oberflächen sein. Im Allgemeinen ist die Oberflächenrauhigkeit der ersten und zweiten sphärischen Oberfläche 6 und 8 größer als die der Arbeitsfläche 4. Optional ist zumindest ein zentraler Teil der ersten und der zweiten sphärischen Oberfläche 6 und 8 mit einem rutschfesten Material beschichtet. Das optische Rad 2 kann aus einem geeigneten Material hergestellt werden, das für die Wellenlänge des beim Laser-Durchstrahlschweißen verwendeten Lichts durchlässig ist, z. B. aus optischem Glas oder optischem Kunststoff. Einige spezifische und nicht einschränkende Beispiele für geeignete Materialien sind Quarzglas, N-BK7 und lasertransparente Kunststoffe usw. Darüber hinaus kann die Härte des Materials, aus dem das optische Rad 2 hergestellt wird, auf bestimmte Schweißanwendungen zugeschnitten werden. So können weichere oder nicht markierende Werkstoffe für Schweißteile verwendet werden, die im fertigen Produkt sichtbar sind, während härtere Werkstoffe für Anwendungen verwendet werden können, die einen höheren Druck erfordern und/oder bei denen Teile entstehen, die im fertigen Produkt nicht sichtbar sind. Natürlich muss das für eine bestimmte Anwendung ausgewählte Material auch die Anforderung erfüllen, innerhalb der verwendeten Lichtwellenlänge lasertransparent zu sein.
Die optische Radanordnung 100 umfasst ferner einen ersten Schalenhalter 10 mit einem Stützteil mit einer konkaven Oberfläche 12 und einem Achsenteil und einen zweiten Schalenhalter 16 mit einem Stützteil mit einer konkaven Oberfläche 18 und einem Achsenteil. Der erste und der zweite Schalenhalter sind so angeordnet, dass die konkaven Flächen 12 und 18 einander gegenüberliegen, wobei das optische Rad 2 dazwischen angeordnet ist. Die Achsenabschnitte (d. h. axiale Vorsprünge) erstrecken sich von einer Seite des jeweiligen Trägerabschnitts weg, die der sphärischen konkaven Oberfläche 12 oder 18 gegenüberliegt.
Der erste Schalenhalter 10 und der zweite Schalenhalter 16 sind jeweils aus einem geeigneten Material hergestellt, das sich unter normalen Betriebsbedingungen nicht verformt. Darüber hinaus ist das Material in der Lage, die Oberflächen 6 und 8 ausreichend zu „greifen“, um eine Bewegung des optischen Rades 2 relativ zu den ersten und zweiten Schalenhaltern 10 und 16 im Wesentlichen zu verhindern, wenn die optische Radanordnung verwendet wird, um Druck auf die Kunststoffwerkstücke auszuüben, die dem Laser-Durchstrahlschweißen unterzogen werden. Der erste und der zweite Schalenhalter 10 und 16 können beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt sein. Einige spezifische und nicht einschränkende Beispiele für geeignete Materialien sind Aluminium, Kupfer oder Stahl. Vorteilhaft ist, dass solche Metalle eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen und dazu beitragen, einen Wärmestau im optischen Rad 2 zu verhindern. Alternativ können der erste und der zweite Schalenhalter 10 und 16 aus einem nichtmetallischen Material, wie z. B. einem keramischen Material, hergestellt werden. Vorzugsweise ist das nicht-metallische Material ein guter Wärmeleiter.
In 2 ist die optische Radanordnung 100 im zusammengebauten Zustand dargestellt. Die konkave Oberfläche 12 des ersten Schalenhalters 10 liegt reibschlüssig an der ersten sphärischen Oberfläche 6 des optischen Rades 2 an, und die konkave Oberfläche 18 des zweiten Schalenhalters 16 liegt reibschlüssig an der zweiten sphärischen Oberfläche 8 des optischen Rades 2 an, wodurch das optische Rad 2 dazwischen gehalten wird. In einigen Ausführungsformen sind die erste und die zweite sphärische Oberfläche 6 und 8 unpoliert und haben eine größere Oberflächenrauhigkeit als die polierte Umfangsarbeitsfläche 4, was dazu beiträgt, ein Gleiten relativ zu den konkaven Oberflächen 12 und 18 zu verhindern und eine kostengünstigere Art der Herstellung des optischen Rades zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen sind die erste und die zweite sphärische Oberfläche 6 und 8 ebenfalls poliert, obwohl der Laserstrahl nicht durch die erste und die zweite sphärische Oberfläche 6 und 8 geleitet wird. Wenn die ersten und zweiten sphärischen Oberflächen 6 und 8 eine optionale Beschichtung aus einem rutschfesten Material 30 aufweisen, dann überlappen die konkaven Oberflächen 12 und 18 vorzugsweise und greifen in die Beschichtung des rutschfesten Materials 30 ein.
Die Achsenteile des ersten und zweiten Schalenhalters sind in einem ersten und zweiten Lager 22 bzw. 24 aufgenommen, die das optische Rad 2 relativ zu einem (nicht abgebildeten) Gehäuse des Laser-Durchstrahlschweißgeräts drehbar lagern.
3 ist ein vereinfachtes Diagramm, das die wichtigsten Systeme einer Laser-Durchstrahlschweißvorrichtung 200 zeigt. Insbesondere umfasst die Vorrichtung 200 eine Strahlformungsoptik, die im Allgemeinen mit 202 bezeichnet ist, die Laserlicht von z. B. einer optischen Faser 204 empfängt und einen kollimierten Strahl 206 bildet. Der kollimierte Strahl 206 wird z.B. über eine plankonkave (PCV) Zylinderlinse oder eine Powell-Linse 208 der Strahlformungsoptik 202 auf die Arbeitsfläche 4 des optischen Rades 2 gerichtet. Die Strahlformungsoptik 202 trägt der Fokussierungswirkung des optischen Rades Rechnung. Auf diese Weise kann die Breite des Laserstrahlflecks entlang der Schweißrichtung für den Prozess optimiert werden. Die allgemein mit 202 bezeichnete Strahlformungsoptik und die optische Faser 204 sind in der Technik des Laser-Durchstrahlschweißens wohlbekannt und werden daher hier nicht näher erläutert.
Beim Laser-Durchstrahlschweißen erfüllt das optische Rad 2 mindestens zwei Aufgaben. Erstens dient es als optisches Bauteil zur Übertragung des Laserlichts auf die Ebene der Laserschweißnaht, die zwischen den zu verschweißenden Kunststoffwerkstücken liegt. Zweitens übt das optische Rad 2 Druck auf die Oberfläche eines der Kunststoffwerkstücke aus, um die Spannkraft zu erzeugen, die erforderlich ist, um den Spalt zwischen den Kunststoffwerkstücken zu minimieren und dadurch die Bildung einer qualitativ hochwertigen Schweißnaht zu ermöglichen. Dieser zweite Zweck des optischen Rads 2 stellt ein Problem dar, da es notwendig ist, das optische Rad so zu halten, dass es sich frei drehen kann, d.h. dass es entlang der Oberfläche eines der Werkstücke, die zusammengeschweißt werden, rollen kann, während es gleichzeitig sicher genug gehalten wird, um ein Verrutschen des optischen Rads innerhalb seiner Haltestruktur während der Ausübung von Druck auf das Werkstück zu vermeiden. Natürlich ist die Verwendung einer Achse und eines Lagers, die sich durch die Mitte des optischen Rades erstrecken, ausgeschlossen, da das Laserlicht direkt durch die Mitte des optischen Rades übertragen werden muss. Die optische Radanordnung löst dieses Problem, wie im Folgenden näher erläutert wird.
In 4 ist die optische Radanordnung 100 in einem Gehäuse 220 des Laser-Durchstrahlschweißgeräts 200 dargestellt. Das Gehäuse 220 stützt sich auf einen Zylinder 222, z. B. einen Pneumatik- oder Hydraulikzylinder, der während des Betriebs eine aktive Druckkraft erzeugt und geometrische Variationen entlang der Schweißbahn ermöglicht. Die Strahlformungsoptik 202 ist ebenfalls auf dem Zylinder 222 gelagert, wobei die optische Faser 204 mit dem Laserstrahleingang 224 gekoppelt ist.
Während der Benutzung sollte der Laserstrahl, der auf das optische Rad 2 trifft, vollständig in die Breite der polierten Arbeitsfläche 4 passen. Zur Sicherheit wird die Breite der Arbeitsfläche 4 in einer Richtung gemessen, die parallel zur Mittelachse liegt, um die sich das optische Rad 2 dreht. So kann das optische Rad 2 mit einer gewünschten Breite hergestellt werden, um verschiedene Laserstrahlpunktgrößen für verschiedene Laserschweißanwendungen zu ermöglichen. So kann beispielsweise eine relativ breitere Arbeitsfläche 4 auf dem optischen Rad 2 vorgesehen werden, um relativ breitere Schweißnähte zu erzeugen, und eine relativ schmalere Arbeitsfläche 4 kann auf dem optischen Rad 2 vorgesehen werden, um relativ schmalere Schweißnähte zu erzeugen. Das Laser-Durchstrahlschweißgerät 200 kann zur Durchführung einer einzigen Laserschweißanwendung hergestellt werden, so dass für jede unterschiedliche Laserschweißanwendung ein anderes Gerät 200 gekauft werden muss. Alternativ kann das Laser-Durchstrahlschweißgerät 200 so hergestellt werden, dass es verschiedene optische Räder 2 mit Arbeitsflächenbreiten innerhalb eines bekannten Bereichs aufnehmen kann. In diesem Fall können die optischen Räder 2 ausgetauscht werden, wenn für ein gewünschtes Schweißverfahren eine andere Arbeitsflächenbreite erforderlich ist. Zu den nicht einschränkenden Möglichkeiten, optische Räder mit unterschiedlichen Breiten unterzubringen, gehört die Verwendung von Schalenhaltern 10, 16 mit unterschiedlich langen axialen Vorsprüngen, um optische Räder unterschiedlicher Breite innerhalb des Gehäuses 220 zu halten, oder die Bereitstellung eines Mechanismus zum Einstellen des Gehäuses 220, um die optischen Räder mit unterschiedlichen Breiten aufzunehmen und zu halten. Wie sich zeigen wird, können das optische Rad 2 und/oder andere Komponenten der Laser-Durchstrahlschweißvorrichtung 200 kundenspezifisch gestaltet oder auf verschiedene Anwendungen zugeschnitten werden.
5 veranschaulicht den Betrieb eines Laser-Durchstrahlschweißgeräts, das die optische Radanordnung 100 umfasst, während des Zusammenschweißens von zwei Kunststoffwerkstücken. Wie in 5 dargestellt, werden die beiden Werkstücke 500 und 502 entlang ihrer Kanten überlappt, um eine Überlappungsschweißung vorzubereiten. Das Werkstück 502 ist für das Laserlicht 504 transparent und zumindest die Oberfläche des Werkstücks 500 absorbiert das Laserlicht 504. Die durch die Absorption des Laserlichts 504 erzeugte Wärme schmilzt einen Teil der Oberfläche des Werkstücks 500 und wird teilweise auf einen Teil des Werkstücks 502 übertragen und schmilzt diesen. Das Material der Werkstücke 500 und 502 vermischt sich und bildet ein Schweißbad 506 zwischen den beiden Werkstücken. Auf das Werkstück 502 wird über das optische Rad 100 eine Druckkraft ausgeübt, die in 5 durch den Blockpfeil dargestellt ist, wodurch die Werkstücke 500 und 502 am Schweißpunkt, der sich in 5 direkt unter dem optischen Rad 100 befindet, zusammengepresst werden. Das optische Rad wird entlang einer Schweißrichtung (nicht dargestellt) vorgeschoben und übt weiterhin die Presskraft auf das Werkstück 500 aus, während der Laser-Durchstrahlschweißprozess fortschreitet.
Vorteilhafterweise haben die Stützabschnitte des ersten und des zweiten Schalenhalters 10 und 16 konkave, sphärische Oberflächen 12 und 18, die so geformt sind, dass sie die sphärischen Oberflächen 6 bzw. 8 des optischen Rades 2 aufnehmen. Die komplementären Formen der verschiedenen Oberflächen tragen dazu bei, eine Bewegung des optischen Rads 2 relativ zum Gehäuse entlang der Richtung der aufgebrachten Kraft zu verhindern. Insbesondere ist das Gehäuse 220 so gestaltet, dass der erste und der zweite Schalenhalter durch Kräfte, die senkrecht zur Richtung des Blockpfeils in 5 gerichtet sind, gegen die sphärischen Oberflächen 6 und 8 des optischen Rades gedrückt werden. Die Herstellung der Schalenhalter 10 und 16 aus einem Material, das sich unter normalen Betriebsbedingungen nicht verformt, wie z. B. Aluminium, Kupfer oder Stahl, in Kombination mit der unpolierten oder rutschfest beschichteten Beschaffenheit der sphärischen Oberflächen 6 und 8 stellt zumindest in einigen Ausführungsformen sicher, dass eine Bewegung des optischen Rades 2 relativ zu den Schalenhaltern unter normalen Betriebsbedingungen bei ausgeübtem Druck nicht auftritt.
6 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das die wichtigsten Systeme einer Laser-Durchstrahlschweißvorrichtung mit einem Luftmesser 600 und einem optischen Sensor 602 zur Reinigung einer Arbeitsfläche, d. h. der polierten, umlaufenden Arbeitsfläche 4 des optischen Rades 2 der optischen Radanordnung 100, darstellt. Da das optische Rad die doppelte Aufgabe hat, eine Anpresskraft aufzubringen und Laserlicht auf den gewünschten Schweißbereich zu übertragen, ist die Arbeitsfläche 4 anfällig für Verschmutzungen durch Materialablagerungen von den Werkstücken und/oder durch Verunreinigungen aus der Umgebung. Wenn die Arbeitsfläche nicht sauber ist, wird das Laserlicht nicht effizient übertragen, und außerdem können die Werkstücke durch Material, das sich auf der Arbeitsfläche abgelagert hat, eingeprägt werden. Das Luftmesser 600 kann zur Reinigung der Arbeitsfläche 4 und der optische Sensor zur Kontrolle der Arbeitsfläche 4 verwendet werden. Die Reinigung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise kann der optische Sensor 602 die Arbeitsfläche 4 des optischen Rades 2 kontinuierlich oder intermittierend abtasten und den Betrieb des Luftmessers 600 auslösen, wenn das abgetastete Signal außerhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt. Alternativ dazu kann das Luftmesser 600 die Arbeitsfläche 4 des optischen Rades 2 kontinuierlich oder intermittierend reinigen, bis ein vom optischen Sensor 602 erfasstes Signal eine saubere Arbeitsfläche 4 anzeigt.
In der vorliegenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass ein Wort, das im Singular erscheint, auch sein Gegenstück im Plural umfasst, und dass ein Wort, das im Plural erscheint, auch sein Gegenstück im Singular umfasst, sofern nicht implizit oder explizit anders verstanden oder angegeben. Wenn aus dem Kontext nichts anderes hervorgeht, bedeutet beispielsweise ein singulärer Verweis wie „ein“ oder „ein“ „ein oder mehrere“. Darüber hinaus kann für jede hier beschriebene Komponente oder Ausführungsform jede der für diese Komponente aufgeführten möglichen Kandidaten oder Alternativen einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden, sofern nicht implizit oder explizit anders verstanden oder angegeben. Darüber hinaus versteht es sich von selbst, dass jede Liste solcher Kandidaten oder Alternativen lediglich illustrativ und nicht einschränkend ist, sofern nicht implizit oder explizit anders verstanden oder angegeben. Es ist auch zu verstehen, dass, wo es angebracht ist, gleiche Bezugszeichen sich auf entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen beziehen können, um das Verständnis zu vereinfachen.
In der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen dieser Spezifikation bedeuten die Wörter „umfassen“, „einschließlich“, „mit“ und „enthalten“ sowie Abwandlungen dieser Wörter, z. B. „umfassend“ und „umfasst“ usw. bedeuten „einschließlich, aber nicht beschränkt auf“ und sind nicht dazu gedacht, andere Komponenten auszuschließen (und tun dies auch nicht).
Es versteht sich von selbst, dass Variationen der vorstehenden Ausführungsformen möglich sind und dennoch in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Jedes in dieser Beschreibung offenbarte Merkmal kann, sofern nicht anders angegeben, durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, gleichwertigen oder ähnlichen Zweck dienen. Sofern nicht anders angegeben, ist jedes offenbarte Merkmal daher nur ein Beispiel aus einer allgemeinen Reihe gleichwertiger oder ähnlicher Merkmale.
Die Verwendung von Beispielen oder beispielhaften Ausdrücken („zum Beispiel“, „wie“, „zum Beispiel“, „z.B.“ und ähnliche Ausdrücke) dient lediglich der besseren Veranschaulichung der Erfindung und stellt keine Einschränkung des Erfindungsumfangs dar, sofern nicht anderweitig beansprucht. Keine Formulierung in der Beschreibung sollte so ausgelegt werden, dass ein nicht beanspruchtes Element als wesentlich für die Ausführung der Erfindung angesehen wird.
Alle in dieser Spezifikation beschriebenen Schritte können in beliebiger Reihenfolge oder gleichzeitig durchgeführt werden, sofern nicht anders angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich.
Alle in dieser Beschreibung offenbarten Merkmale können in jeder beliebigen Kombination kombiniert werden, mit Ausnahme von Kombinationen, bei denen sich zumindest einige dieser Merkmale und/oder Schritte gegenseitig ausschließen. Insbesondere sind die bevorzugten Merkmale der Erfindung auf alle Aspekte der Erfindung anwendbar und können in jeder beliebigen Kombination verwendet werden. Ebenso können Merkmale, die in nicht wesentlichen Kombinationen beschrieben sind, separat (nicht in Kombination) verwendet werden.

Claims

Optisches Rad für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät, das aufweist: ein Gehäuse, eine doppelt konvexe optische Linse mit zwei sphärischen Oberflächen, die durch eine polierte Seitenfläche verbunden sind, die sich in Umfangsrichtung um die Linse herum erstreckt, wobei jede der beiden sphärischen Oberflächen einen bekannten sphärischen Durchmesser hat, ein Paar von Schalenhaltern, von denen jeder eine sphärische konkave Oberfläche mit dem bekannten sphärischen Durchmesser aufweist, wobei die doppelt konvexe optische Linse zwischen dem Paar von Schalenhaltern so angeordnet ist, dass jede der beiden sphärischen Oberflächen der doppelt konvexen optischen Linse an der sphärischen Oberfläche eines jeweiligen Schalenhalters des Paars von Schalenhaltern angreift, wobei jeder Schalenhalter einen axialen Vorsprung aufweist, der sich von einer Seite des Schalenhalters weg erstreckt, die dessen sphärischer konkaver Oberfläche gegenüberliegt, und ein Paar von Lageranordnungen, die an dem Gehäuse angebracht sind, wobei jede Lageranordnung so angeordnet ist, dass sie den axialen Vorsprung aufnimmt, der sich von einem jeweiligen Schalenhalter des Paars von Schalenhaltern erstreckt.
Optische Radanordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät nach Anspruch 1, wobei die beiden sphärischen Oberflächen der doppelt konvexen optischen Linse unpolierte sphärische Oberflächen sind.
Optische Radanordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Oberflächenrauhigkeit der beiden sphärischen Oberflächen der doppelt konvexen optischen Linse größer ist als eine Oberflächenrauhigkeit der polierten Seitenfläche.
Optische Radanordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät nach Anspruch 1, wobei die beiden sphärischen Oberflächen der doppelt konvexen optischen Linse zumindest auf einem Teil davon mit einem rutschfesten Material beschichtet sind.
Optische Radanordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder Schalenhalter des Paares von Schalenhaltern aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt ist.
Optische Radanordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät nach Anspruch 5, wobei jeder Schalenhalter des Paares von Schalenhaltern aus mindestens einem der Werkstoffe Aluminium, Kupfer und Stahl oder einer Legierung davon hergestellt ist.
Optische Radanordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gehäuse so konfiguriert ist, dass es eine Vorspannkraft auf jeden der Schalenhalter entlang einer jeweiligen Richtung zur doppelt konvexen optischen Linse ausübt.
Optisches Rad für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät, das aufweist: ein optisches Rad mit zwei konvexen Seitenflächen, die durch eine polierte Arbeitsfläche verbunden sind, wobei sich die polierte Arbeitsfläche in Umfangsrichtung um das optische Rad herum erstreckt, ein Paar von Schalenhaltern, die jeweils einen Stützabschnitt mit einer konkaven Oberfläche aufweisen, die komplementär zu einer Form einer jeweiligen der beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades ist, wobei das optische Rad zwischen dem Paar von Schalenhaltern so angeordnet ist, dass die beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades mit der konkaven Oberfläche eines jeweiligen Schalenhalters des Paares von Schalenhaltern in Eingriff stehen, wobei jeder Schalenhalter einen Achsenabschnitt aufweist, der sich von einer Seite des Schalenhalters weg erstreckt, die dessen konkaver Oberfläche gegenüberliegt, und eine Lageranordnung, die ein Paar Lager umfasst, wobei jedes Lager des Paars von Lagern so angeordnet ist, dass es den Achsenabschnitt eines jeweiligen Schalenhalters des Paars von Schalenhaltern aufnimmt.
Optische Radanordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät nach Anspruch 8, mit einem Gehäuse zur Aufnahme des Lagerpaares der Lageranordnung.
Optische Radanordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät nach Anspruch 8 oder 9, wobei die beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades unpolierte Kugelflächen sind.
Optische Radanordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei eine Oberflächenrauhigkeit der beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades größer ist als eine Oberflächenrauhigkeit der polierten Arbeitsfläche.
Optische Radaranordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades zumindest auf einem Teil davon mit einem rutschfesten Material beschichtet sind.
Optische Radanordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei jeder Schalenhalter des Paares von Schalenhaltern aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt ist.
Optische Radanordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät nach Anspruch 13, wobei jeder Schalenhalter des Paares von Schalenhaltern aus mindestens einem der Werkstoffe Aluminium, Kupfer und Stahl oder einer Legierung davon hergestellt ist.
Optische Radanordnung für ein Laser-Durchstrahlschweißgerät nach Anspruch 9, wobei das Gehäuse so konfiguriert ist, dass es eine Vorspannkraft auf jeden der Schalenhalter entlang einer jeweiligen Richtung zum optischen Rad hin ausübt.
Laser-Durchstrahlschweißgerät mit: einer Laserquelle zur Erzeugung von Laserlicht zum Verschweißen eines ersten Kunststoffwerkstücks und eines zweiten Kunststoffwerkstücks, einer Auflagefläche zum Tragen des ersten Kunststoffwerkstücks und des zweiten Kunststoffwerkstücks in einer zumindest teilweise überlappenden Beziehung zueinander, einer optische Radanordnung, die zwischen der Laserquelle und der Auflagefläche angeordnet ist und Folgendes umfasst: ein Gehäuse, ein optisches Rad mit zwei konvexen Seitenflächen, die durch eine polierte Arbeitsfläche verbunden sind, wobei sich die polierte Arbeitsfläche in Umfangsrichtung um das optische Rad herum erstreckt, ein Paar von Schalenhaltern, die jeweils einen Stützabschnitt mit einer konkaven Oberfläche aufweisen, die komplementär zu einer Form einer jeweiligen der beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades ist, wobei das optische Rad zwischen dem Paar von Schalenhaltern so angeordnet ist, dass die beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades mit der konkaven Oberfläche eines jeweiligen Schalenhalters des Paares von Schalenhaltern in Eingriff stehen, wobei jeder Schalenhalter einen Achsenabschnitt aufweist, der sich von einer Seite des Schalenhalters weg erstreckt, die dessen konkaver Oberfläche gegenüberliegt, und eine Lageranordnung, die ein Paar von Lagern umfasst, die an dem Gehäuse angebracht sind, wobei jedes Lager des Paars von Lagern so angeordnet ist, dass es den Achsenabschnitt eines jeweiligen Schalenhalters des Paars von Schalenhaltern aufnimmt und eine Vorspannkraft auf den jeweiligen Schalenhalter des Paars von Schalenhaltern entlang einer jeweiligen Richtung zu dem optischen Linsenrad hin ausübt, wobei während der Verwendung das Laserlicht von der Laserquelle auf die Arbeitsfläche des optischen Rades auftrifft und durch das optische Rad zu einem gewünschten Schweißbereich innerhalb eines überlappenden Abschnitts des ersten und des zweiten Werkstücks übertragen wird, und wobei während der Verwendung die Arbeitsfläche auf den überlappenden Bereich drückt, um eine Klemmkraft während der Bildung der Schweißung zu liefern.
Laser-Durchstrahlschweißgerät nach Anspruch 16, umfassend ein Luftmesser, das in der Nähe des optischen Rades angeordnet und so konfiguriert ist, dass es einen Luftstrahl auf die Arbeitsfläche richtet, um eine Reinigung der Arbeitsfläche durchzuführen.
Laser-Durchstrahlschweißgerät nach Anspruch 16 oder 17, mit einem optischen Sensor, der relativ zur Arbeitsfläche des optischen Rades angeordnet ist, um eine Materialansammlung auf der Arbeitsfläche zu erfassen.
Laser-Durchstrahlschweißgerät nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades unpolierte Kugelflächen sind.
Laser-Durchstrahlschweißgerät nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei eine Oberflächenrauheit der beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades größer ist als eine Oberflächenrauheit der polierten Arbeitsfläche.
Laser-Durchstrahlschweißgerät nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die beiden konvexen Seitenflächen des optischen Rades zumindest auf einem Teil davon mit einem rutschfesten Material beschichtet sind.
Laser-Durchstrahlschweißgerät nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei jeder Schalenhalter des Paares von Schalenhaltern aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt ist.
Laser-Durchstrahlschweißgerät nach Anspruch 22, wobei jeder Schalenhalter des Paares von Schalenhaltern aus einem der Werkstoffe Aluminium, Kupfer oder Stahl hergestellt ist.