DE102004004985A1

DE102004004985A1 - Verfahren und Vorrichtung durch Durchstrahlschweißen zweier thermoplastischer Bauteile

Info

Publication number: DE102004004985A1
Application number: DE102004004985A
Authority: DE
Inventors: Alexander Hofmann; Stefan Hierl; Frank Brunnecker
Original assignee: LaserQuipment AG
Current assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2024-01-31
Also published as: DE102004004985B4; US7540934B2; US20050167042A1

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Durchstrahlschweißen zweier thermoplastischer Bauteile werden in der Fügezone ein mit dem Laserstrahl umlaufendes, von Zyklus zu Zyklus steigendes lokales Temperaturmaximum und entsprechend ein umlaufender, lokal erhöhter Spanndruck generiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchstrahlschweißen zweier thermoplastischer Bauteile durch Herstellen einer Schweißnaht in einer Fügezone gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 5.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sollen erst die Grundlagen des Laserdurchstrahlschweißens von Kunststoffen und in diesem Zusammenhang aus dem Stand der Technik bekannte Systeme näher erläutert werden.
Beim Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen durchdringt die Laserstrahlung den ersten, der Strahlquelle zugewandten Fügepartner und wird vom zweiten Fügepartner mit sehr geringer Eindringtiefe an der Oberfläche absorbiert und in Wärme umgewandelt. Durch Wärmeleitung wird der transmissive Fügepartner ebenfalls aufgeschmolzen.

Beim sogenannten Quasisimultan-Schweißen wird der Laserstrahl mehrfach schnell entlang der Nahtkontur geführt. Das Quasisimultan-Schweißen von Kunststoffbauteilen hat sich als gängige Verfahrensvariante beim Laserdurchstrahlschweißen etabliert. Ein entsprechendes Schweißverfahren ist aus der DE 19919191 A1 bekannt. Dort ist ausgeführt, dass die gesamte Schweißnaht im Wesentlichen in einem Umlauf plastifiziert wird, nachdem sie zuvor durch vielzählige Umläufe auf eine „Zwischentemperatur" gebracht wurde. Leitgedanke dieser Prozessführung ist also eine möglichst gleichmäßige Erwärmung der Naht, räumliche Temperaturgradienten entlang der Schweißnaht sind nicht erwünscht.

Im Falle einer geschlossenen Schweißnaht sollen nach dieser Offenlegungsschrift also entweder alle Nahtbereiche in fester Phase oder alle Teilbereiche gleichzeitig in plastifiziertem Zustand vorliegen, wodurch ein gleichmäßiges Abschmelzen der Nahtkontur unter dem Einfluss des Fügedrucks erfolgen soll.

Dieses Schweißverfahren weist folgende Nachteile auf:

– Aktuelle Untersuchungen zum Wirkmechanismus des Kunststoffschweißens zeigen, dass ein hoher Spanndruck das Schweißergebnis positiv beeinflusst. Es wird vermutet, dass eine hohe Kontaktzeit der Fügepartner unter entsprechend hohem Druck molekulare Platzwechselvorgänge (Diffusion) begünstigt. Zusätzlich dazu verbessern hohe Spanndrücke den thermischen Kontakt der Fügepartner und beschleunigen damit die Wärmeleitung in die Decklage. Die Kraft, die auf ein Bauteil ausgeübt werden kann, ist in der Regel limitiert, da hierdurch leicht Beschädigungen am Bauteil hervorgerufen werden können. Da sich die eingeleitete Spannkraft bei einem Fügeverfahren nach DE 199 19 191 A1 auf die gesamte Fügenaht gleichmäßig verteilt, weil die Fügenaht durch das gleichzeitige Plastifizieren und die geringen Temperaturgradienten ohne Ausdehnungsbehinderung nahezu eben bleiben würde, verringert sich der lokal erzeugbare Spanndruck. Da hierdurch die prozessbeschleunigenden Effekte eines hohen Spanndruckes nicht genutzt werden können, verringert sich die Effizienz des Schweißverfahrens und damit dessen Wirtschaftlichkeit.
– In Verbindung mit dem Quasisimultan-Schweißen wird häufig die sogenannte Fügewegüberwachung als Prozessdiagnostikverfahren eingesetzt. Dabei wird die Strecke, die sich die Bauteile bei plastifizierter Naht unter dem Einfluss des Fügedrucks aufeinander zu bewegen, gemessen. Dies geschieht in der Regel über die Detektion der Bewegung der beweglichen Aufspannplatte. Nachteilig hierbei ist, dass Nahtunterbrechungen nicht detektiert werden können, da diese keinen Einfluss auf die Bewegung der Aufspannplatte haben, sofern die räumliche Ausdehnung der Nahtunterbrechung klein im Vergleich zur Gesamtnahtkontur ist, was die Regel ist.
– Die Wärmeleitung, die Energie vom absorbierenden Fügepartner in den transmissiven Fügepartner einbringt, ist stark zeitabhängig. Bis die transmissive Decklage schmelzen kann, wie es für die Ausbildung des Stoffschlusses notwendig ist, müssen beide Fügepartner somit eine gewisse Zeit in thermischem Kontakt verbringen. Durch das nahezu gleichmäßige Plastifizieren der Schweißnaht wird während dieser notwendigen Zeit unter dem Einfluss des Fügedrucks geschmolzene Polymermasse aus der Fügezone verdrängt. Dies hat einen unerwünschten Abfluss von Energie aus der Schweißzone mit der aufgeheizten Polymermasse zur Folge, was mit einer Verringerung der Prozesseffizienz einhergeht. Zusätzlich dazu kann die verdrängte Polymermasse in Bauteilbereiche fließen, in denen dies aus optischen oder funktionalen Gründen nicht erwünscht ist.
– Kerben im absorbierenden Fügepartner wirken sich negativ auf den Schweißprozess aus. Die Kerbe kann nur dann mit Polymermasse gefüllt werden, wenn die Nachbarbereiche plastifiziert und genügend Polymermasse verdrängt wurde, um die Kerbe zu schließen. Erst anschließend kann der transmissive Fügepartner über der Kerbe durch den thermischen Kontakt über Wärmeleitung mit Energie versorgt werden. Zusätzlich zu diesem negativen Effekt kann das Polymer im Kerbgrund thermisch geschädigt werden, da es wie intakte Nahtbereiche auch erhitzt wird, jedoch nur wenig Wärmeenergie über Wärmeleitung in die kalte Decklage abgeführt wird.

Beim Konturschweißen wird die Schweißnaht lokal plastifiziert, wobei sich der Stoffschluss gleich nach einmaliger Bestrahlung einstellt. Diese Verfahrensvariante bringt somit ebenfalls einige Restriktionen in sich:

– Es kann keine Zustellbewegung der beiden Fügepartner zueinander realisiert werden, weshalb ein geometrischer Bauteiltoleranzausgleich nicht möglich ist.
– Da die Decklage der Fügeverbindung hauptsächlich durch Wärmeleitung aus der Unterlage plastifiziert wird, erfordert die Ausbildung des Stoffschlusses eine gewisse Zeit. Um das Polymer der absorbierenden Unterlage nicht zu schädigen, ist die maximal einsetzbare Laserleistungsdichte nach oben begrenzt. Diese beiden Sachverhalte begründen, warum beim Konturschweißen nur geringe Vorschubgeschwindigkeiten eingesetzt werden können, was höhere Prozesszeiten als beim Quasisimultan-Schweißen nach sich zieht.

Ausgehend von den geschilderten Problemen der aus dem Stand der Technik bekannten Durchstrahlschweißverfahren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die entsprechenden Verfahren und Vorrichtungen so zu verbessern, dass mit einfachen verfahrens- und vorrichtungstechnischen Mitteln der Schweißvorgang zuverlässiger, rationeller, ergebnissicherer und Bauteilfehler-kompensierend gestaltet werden kann.

Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1, unter vorrichtungstechnischen Aspekten durch die im Anspruch 5 angegebenen Merkmale gelöst.

Demnach zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Durchstrahlschweißen dadurch aus, dass

– das absorptive Bauteil in mehreren Zyklen vom Energiestrahl derart beaufschlagt wird, dass entlang der Fügezone ein mit dem Energiestrahl umlaufendes, von Zyklus zu Zyklus steigendes lokales Temperaturmaximum und entsprechend ein umlaufender, lokal erhöhter Spanndruck generiert werden,
– das transmissive Bauteil in der Fügezone vom absorptiven Bauteil entsprechend dem umlaufenden Temperaturmaximum kontinuierlich erwärmt wird,
– der Schweißvorgang danach ebenfalls entsprechend dem umlaufenden Temperaturmaximum durch ein Plastifizieren der beiden Bauteile in einer umlaufenden, in Schweißnaht-Längsrichtung begrenzten Plastifzierungszone erfolgt, und
– die beiden Bauteile durch eine eine Mindestspannkraft erzeugende Spannvorrichtung gegeneinander arretiert sind.

Unter Plastifizierungszone ist dabei ein Abschnitt der Fügezone zwischen den beiden Fügepartnern zu verstehen, in der aufgrund deren Plastifizierungsgrad ein signifikantes Verschweißen der Fügepartner stattfindet.

Entsprechend Anspruch 5 umfasst eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zum Durchstrahlschweißen zweier thermoplastischer Bauteile

– eine Strahlquelle und -führungseinheit zur Erzeugung und Heranführung eines Energiestrahls, insbesondere Laserstrahls zum absorptiven Bauteil,
– eine Strahlablenkungseinheit zur Verschiebung des Energiestrahles in Zyklen entlang der Fügezone derart, dass entlang der Fügezone ein mit dem Energiestrahl umlaufendes, von Zyklus zu Zyklus steigendes lokales Temperaturmaximum und entsprechend ein umlaufender, lokal erhöhter Spanndruck generiert werden, und
– eine beide Bauteile mit einer Mindestspannkraft zueinander arretierende Spannvorrichtung.

Wie im Folgenden noch näher dargelegt wird, kann das umlaufende, von Zyklus zu Zyklus steigende, lokale Temperaturmaximum mit einem entsprechend umlaufenden Schweißvorgang mit dem griffigen Terminus „Taumelschweißen" umschrieben werden. Der Effekt dieses Taumelschweißens besteht im Gegensatz zu dem Quasisimultan-Schweißen gemäß der DE 199 19 191 A1 darin, die Temperatur entlang der Fügenaht nicht möglichst gleichmäßig zu halten, sondern räumliche Temperaturgradienten entlang der Naht zu erzeugen und durch mehrmaliges Abscannen der Fügenaht sowohl die niedrigste als auch die höchste Temperatur in der Schweißnaht kontinuierlich zu erhöhen. Dennoch kann dabei eine Setzbewegung der beiden Fügepartner durch ein umlaufendes, „taumelndes" Abschmelzen des absorbierenden Fügepartners erzielt werden.

Es unterscheidet sich vom Konturschweißen im Wesentlichen durch das mehrmalige Abscannen der Schweißkontur mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten (z. B. 500 mm/s) als beim Konturschweißen (typischer Vorschub 30 mm/s) und durch die Verwendung einer arretierbaren Spannvorrichtung.

Erreicht werden die angestrebten räumlichen Temperaturgradienten beim Taumelschweißen wiederum durch langsamere Vorschubgeschwindigkeiten (z. B. 500 mm/s) als beim quasisimultanen Laserschweißen (z. B. typisch 3000 mm/s), wobei die tatsächlich notwendigen Vorschubgeschwindigkeiten für das „Taumelschweißen" wie für das Quasisimultan-Schweißen stark von den individuellen Gegebenheiten, wie Werkstoffkombination und/oder Fügegeometrie abhängig sind. Jedenfalls wird der Kunststoff unter dem Fokus sehr schnell aufgewärmt, der Temperaturanstieg ist dabei höher als bei den schnellen Vorschubgeschwindigkeiten des quasisimultanen Schweißens, da die Strahlverweildauer über einem betrachteten Volumenelement der Fügepartner entsprechend länger ist und somit mehr Energie eingebracht werden kann. Ferner wurde der in Vorschubrichtung vor dem Laserfokus liegende Nahtbereich in einem längeren Zeitintervall nicht mehr bestrahlt, als dies beim Quasisimultan-Schweißen der Fall gewesen wäre. Durch die Erwärmung des aktuell bestrahlten Bereichs stellt sich somit beim Taumelschweißen ein hoher Temperaturgradient zwischen aktuell bestrahltem Bereich und dem in Vorschubrichtung davor liegenden Bereichs ein. Daraus resultiert auch die lokale Erhöhung des Spanndrucks bedingt durch die thermische Ausdehnung in Verbindung mit der Ausdehnungsbehinderung durch die Spanntechnik.

Über die Beziehung der linearen Wärmeausdehnung von Körpern wird das Wärmeprofil des Prozesses, dass den Verlauf der Temperatur über der Nahtlängskoordinate beschreibt, direkt in einem entsprechenden Höhenprofil der Nahtkontur resultieren, sofern die thermische Ausdehnung nicht behindert wird und sich die Werkstoffe noch nicht in plastischem Zustand befinden. Dieses Höhenprofil würde bei einer geschlossenen Schweißnaht mit dem Laserfokus um die Naht herum umlaufen, was einem „taumelnden" Höhenprofil entspricht.

Wird der thermischen Ausdehnung des absorbierenden Bauteils durch das Anpressen des thermischen Bauteils entgegengewirkt, so ist aufgrund der geringen Steifigkeit und Festigkeit von Polymeren (im Vergleich zum Stahl und Aluminium-Werkstoff des Maschinengestells) davon auszugehen, dass nahezu keine Ausdehnung stattfindet. Dies resultiert jedoch in einem lokal stark erhöhten Spanndruck, der mit dem Temperaturmaximum umläuft. Um diesen lokal erhöhten Spanndruck zu erzeugen, muss ein Auftreiben der beiden Aufspannungen, zwischen denen die beiden Fügepartner gespannt sind, verhindert werden. Dazu darf die erfindungsgemäße Schweißanlage (im Gegensatz zu den Ausführungen in der DE 19919191 A1 ) keine kontinuierliche Bewegung der Aufspannplatte zulassen. Vielmehr werden erfindungsgemäß die Aufspannungen unter einer gewissen Spannkraft zueinander in ihrer Lage arretiert, z. B. durch das Verriegeln mit einer Backenbremse oder einer Rastbolzenvorrichtung, oder vorzugsweise durch einen elektrischen oder pneumatischen Positionsregelantrieb.

Durch die speziellen Eigenschaften des Taumelschweißens können die Restriktionen des quasisimultanen Schweißens und des Konturschweißens reduziert bzw. umgangen werden:

– Durch die behinderte Werkstückausdehnung kann lokal begrenzt ein hoher Spanndruck aufgebaut werden, ohne dass das Gesamtbauteil übermäßig mit Kraft beaufschlagt wird. Zusätzlich dazu ermöglicht diese lokale Spanndrucküberhöhung in Verbindung mit der lokal erhöhten Temperatur ein schnelles plastisches Angleichen der beiden Kontaktflächen. Dadurch kann sehr früh im Prozessverlauf (beispielsweise be reits nach ein bis zwei Schweißumläufen) die Grundlage für die notwendige Wärmeleitung in die Decklage geschaffen werden. Da die Wärmeleitung von enormer Bedeutung für die Ausbildung des Stoffschlusses ist, kann somit die Schweißverbindung schonend und effizienter erzeugt werden.
– Da beim Taumelschweißen im Vergleich zum Quasisimultan-Schweißen das Spanndruckfeld entlang der Naht im Prozessverlauf sich ständig ändert, stellt der aktuelle, lokale Spanndruck ein Charakteristikum für den lokalen Prozesszustand dar. Somit kann eine Abweichung vom Sollspanndruck (z. B. ermittelt durch Referenzschweißungen) an einer bestimmten Stelle auf eine singuläre Nahtunterbrechung (z. B. durch eine Kerbe) an dieser Stelle hinweisen. Die vorzugsweise vorgesehene ortsaufgelöste Detektion des Spanndrucks entlang der Schweißnaht kann somit im Gegensatz zu der in der DE 199 19 191 A1 dargestellten Setzwegüberwachung auf lokal begrenzte Fehler innerhalb der Naht aufmerksam machen. Die Erfassung des Spanndrucks kann dabei bevorzugter Maßen mit ortsaufgelösten Druckmessfolien, mit einzelnen Drucksensoren oder über Dehnungsmessstreifen bzw. Kraftmessdosen in Verbindung mit segmentierten Spannelementen detektiert werden. Wird ein geringes Auftreiben der Spanntechnik ermöglicht, indem der Spannrahmen mit geringer Federkraft auf die Fügepartner drückt, so kann das Taumeln des Spannrahmens über drei Wegsensoren (taktil oder z. B. Lasertriangulation) gemessen werden, da die Lage der Ebene im Raum mit drei Punkten definiert ist. So kann ebenfalls der Prozess charakterisiert werden. Falls notwendig, kann der taumelnde Spannrahmen im Prozessverlauf arretiert werden. Die Erfassung der lokalen Druckinformationen kann auch verwendet werden, um den Schweißprozess zu regeln. So kann der Prozess z. B. beendet werden, wenn zwischen den arretierten Spannplatten kein Spanndruck mehr vorhanden ist (Schweißnaht vollständig plastifiziert).
– Beim Taumelschweißen verhindern die nicht plastifizierten Bereiche des absorbierenden Fügepartners, dass sich die Fügepartner praktisch planparallel aufeinander zu bewegen. Es besitzt vielmehr nicht jeder Ort der Schweißnaht in der Decklage zu jeder Zeit den gleichen Geschwindigkeitsvektor zur Unterlage hin, das „Taumeln" resultiert in einer schwankenden (teilweise zum Erliegen kommenden) Setzbewegung der Decklage. Dennoch kommt es zu einer geringen Setzbewegung durch den umlaufenden Schmelzeaustrieb aufgrund der lokalen Spanndrucküberhöhung. Da nun beim Taumelschweißen hauptsächlich die thermische Expansion zum Erzeugen des Spanndrucks verwendet wird, und da immer noch Teilbereiche der Naht unter der Plastifizierungsschwelle sind, sind der gesamte Schmelzeaustrieb und diese Setzbewegung geringer als beim Quasisimultan-Schweißen. Der Abfluss von Energie mit der verdrängten Polymermasse ist somit weitaus geringer.
– Beim Taumelschweißen wird, im Gegensatz zur DE 199 19 191 A1 , angestrebt, den Nahtbereich des absorbierenden Fügepartners, der mit der Decklage in Kontakt ist, nach dem einzelnen Bestrahlen möglichst nah an das Temperaturniveau vor der Bestrahlung abkühlen zu lassen, um so möglichst viel Energie in die Decklage zu transportieren. So soll der Temperaturunterschied der Unter- und Decklage minimiert werden, um eine thermische Zersetzung des Materials, insbesondere in der Unterlage zu vermeiden.
– Beim Taumelschweißen wird durch die höhere Streckenenergie lokal begrenzt schneller eine Plastifizierung der absorbierenden Unterlage als beim Quasisimultan-Schweißen erreicht. In Verbindung mit dem lokal überhöhten Spanndruck kann somit sehr schnell geschmolzene Polymermasse in Kerben vor dem Laserfokus (in Vorschubrichtung gesehen) verdrängt werden und diese somit schließen. Nachdem eine derartige Fehlstelle geschlossen ist, kann die notwendige Wärmeleitung in die Decklage einsetzen. Der Taumelschweißprozess ist somit fehlertoleranter als das Quasisimultan-Schweißen. Im Vergleich zum Konturschweißen können durch diesen Effekt größere Fügespalte überbrückt werden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der verschiedene Ausführungsformen von Taumelschweißanlagen und Einzelheiten davon anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Schweißvorrichtung,
2 ein Temperatur-Zeit-Vergleichsschaubild für das Quasisimultan- bzw. Taumelschweißen,
3 eine schematische Seitenansicht einer Spannvorrichtung mit den beiden zu verschweißenden Bauteilen in einer ersten Ausführungsform, sowie
4 und 5 eine schematische Draufsicht bzw. Schnittdarstellung gemäß Schnittlinie V-V nach 4 einer Spannvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform.
Wie aus 1 deutlich wird, weist eine Taumelschweißanlage 1 eine Laserstrahlquelle 2 in Form eines Dioden- oder Nd:YAG-Lasers mit einer Wellenlänge von 500 bis 1500 nm auf. Über eine geeignete Optik 3 wird der Laserstrahl 4 geformt und zu einer Scanner-Einheit 5 geführt. Darin sind zwei in einem Winkel zueinander angeordnete Spiegel 6, 7 vorgesehen, die mit entsprechenden Stellmotoren 8, 9 um jeweils eine Schwenkachse verstellbar sind. Damit ist der Laserstrahl 4 in üblicher Weise in beliebige Raumrichtungen ablenkbar.
Durch eine entsprechende Ansteuerung der Stellmotoren 8, 9 kann der Laserstrahl 4 von der Scanner-Einheit über eine Fokussieroptik 10 auf die zu verschweißenden Bauteile 11, 12 gerichtet werden. Das untere Bauteil 11 ist aus für die Laserstrahlung absorptivem thermoplastischen Kunststoffmaterial gefertigt, während das die Decklage bildende Bauteil 12 für diese Strahlung transmissiv ist. In der eingangs geschilderten Weise kann dann generell beim Durchstrahlschweißen durch Erwärmung und Aufschmelzung des unteren Bauteils und entsprechende Wärmeleitung in das obere Bauteil eine stoffflüssige Schweißverbindung zwischen den beiden Bauteilen 11, 12 entlang einer z. B. in 4 dargestellten Schweißnaht S erzielt werden.
Der Laserstrahl 4 wird mit Hilfe der Scanner-Einheit 5 dabei so über die zu verschweißenden Bauteile 11, 12 geführt, dass er entlang deren Fügezone mit einer Vorschubgeschwindigkeit von etwa 500 bis 600 mm/s in mehreren Zyklen umläuft.
Anhand von 2 ist qualitativ der Temperaturverlauf in einem Volumenelement in dem die Decklage bildenden oberen Bauteil 12 im Bereich der Fügezone gegenüber der Zeit dargestellt. Das Volumenelement absorbiert nur (vernachlässigbar) wenig Strahlung und wird somit ausschließlich durch Wärmeleitung von dem unteren Bauteil 11 her durch Wärmeleitung erwärmt. In 2 ist nun strichliert der Temperaturverlauf bei einem simulierten Quasisimultan-Schweißprozess mit 3000 mm/s und 80 Watt Laserleistung an Polycarbonat dargestellt. Die durchgezogene Linie gibt eine entsprechende Simulation für das Taumelschweißen mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 600 mm/s bei ansonsten gleichen Laserparametern und Materialien wieder. Punktiert ist in die 2 freihand der qualitative Temperaturverlauf in den laserabsorbierenden Bauteil 11 angedeutet, wobei darauf hinzuweisen ist, dass die absolute Temperatur dort deutlich höher – bis mehr als 100°C – als die Temperatur des transmissiven Decklagen-Bauteils 11 liegen kann. Jedes lokale Maximum des punktierten Verlaufes reflektiert das umlaufende Temperaturmaximum T_max, wobei der absolute Betrag dieses Maximums von Zyklus zu Zyklus steigt. Insgesamt zeigt 2, dass das betrachtete Volumenelement in der Decklage beim Taumelschweißen gemäß der vorliegenden Erfindung um die Zeit Delta t schneller erwärmt wird, sodass die Schmelztemperatur T_S schneller erreicht wird.
Für die strichlierte bzw. durchgezogene Simulationskurve in 2 wurde im Übrigen die nachfolgende Formel
mit

ρ: Dichte
c_P: spezifische Wärmekapazität
: zeitliche Temperaturänderung
λ: Wärmeleitfähigkeit
gradT: Gradienttemperatur
q ._V: Volumenheizleistung

Der Abfluss von Energie in die Unterlage (Bauteil 11) ist zwar durch die erhöhte Wärmeleitung beim Taumelschweißen ebenfalls erhöht, jedoch ist für die Ausbildung einer Schweißnaht nur der Wärmefluss in die Decklage (Bauteil 12) maßgeblich, da der gewünschte Stoffschluss erst nach dem Aufschmelzen der Decklage erzielt werden kann.
Zusammenfassend steigert der erhöhte Wärmefluss in die Decklage (Bauteil 12) in Verbindung mit dem verringerten Energieabfluss durch Schmelzeaustrieb die Prozesseffizienz im Vergleich zu dem in der DE 199 19 191 A1 dargestellten Verfahren erheblich.
In 3 ist eine als Ganzes mit 13 bezeichnete Spannvorrichtung für die Bauteile 11, 12 dargestellt. Grundsätzlich werden zum Spannen eine ortsfeste obere Aufspannplatte 14 und eine dagegen verschiebbar auf einer Linearführung 15 gelagerte untere Aufspannplatte 16 verwendet. Letztere hält über einen Werkstückträger 17 das absorptive untere Bauteil 11. An der oberen Aufspannplatte 14 ist über Federelemente 18 schwimmend ein Spannrahmen 19 gelagert, der das obere, transmissive Bauteil 12 hält. Diese schwimmende Lagerung ist sehr steif und lässt keine große Bewegung zu, um die Ausdehnungsbehinderung und damit die Spanndruckerhöhung nach wie vor zu gewährleisten. Sie ist nur notwendig, um das „Taumeln", das heißt das mit dem Laser umlaufende Spanndruckfeld der oberen Aufspannplatte nachzuweisen. Dazu sind zwischen Spannrahmen 19 und oberer Aufspannplatte 16 Wegmesssensoren 20 eingesetzt, die eine geringe Auslenkung des Spannrahmens 19 aus einer vorgegebenen, zur Ebene der Aufspannplatte 14 parallelen Stellung detektiert.
Alternativ zu der vorstehenden Konstruktion kann das umlaufende Spanndruckfeld auch von einer in die Aufspannung integrierten, ortsauflösenden Spanndruckfolie detektiert werden.
Die untere Aufspannplatte 16 ist über einen Positionsantrieb in Form eines Kniehebels mittels eines Kolben-Zylinder-Antriebs 22 als Aktuator gegen die obere Aufspannplatte 14 verschiebbar. Kniehebel 21 und Kolben-Zylinder-Antrieb 22 sind an einem Gestellteil 23 angebracht.
Zum Taumelschweißen der beiden Bauteile 11, 12 wird die untere Aufspannplatte 16 mit einer vorgegebenen Spannkraft gegen die obere Aufspannplatte 14 mit Hilfe des Kolben-Zylinder-Antriebes 22 verfahren und anschließend in der geschlossenen Stellung mit Hilfe der Arretiereinheit 24 blockiert. Letztere besteht aus einem Zahnstangenteil 25 an der Kolbenstange 26 des Kolben-Zylinder-Antriebs 22 und einem Rastbolzen 27, dessen Eingriff in das Zahnstangenteil 25 eine Verschiebung innerhalb des Positionsantriebs der unteren Spannplatte 16 unterbindet.
Wie in der Beschreibungseinleitung erörtert, bildet sich beim Taumelschweißen aufgrund der schmelzbedingten lokalen Ausdehnung der Bauteile in der Fügezone ein lokal begrenztes, umlaufendes Spanndruckmaximum zwischen den beiden Bauteilen 11, 12 aus, das für eine entsprechend taumelnde – allerdings eng begrenzte – Bewegung des Spannrahmens 19 sorgt. Diese Bewegung wird über die Wegmesssensoren 20 erfasst und kann als Maß für das umlaufende Spanndruckmaximum als Parameter zur Steuerung des Schweißprozesses in einer nicht näher dargestellten Steuereinheit verwendet werden.
In den 4 und 5 ist eine mit 13' bezeichnete Weiterbildung der Spannvorrichtung im Bereich der oberen Aufspannung dargestellt. Diese weist statt der Aufspannplatte einen Rahmenträger 28 auf, an dem entsprechend der Schweißkontur S verlaufende, einzelne Spannsegmente 29 strichliert angedeutet in 4 jeweils über Schwenkhebel 30 gelagert sind. Die Spannsegmente 29 in ihrer Gesamtheit dienen als Gegenhalter für das obere transmissive Bauteil 12. Die Schwenkhebel 30 sind doppelarmig angelegt, wobei der dem jeweiligen Spannsegment 29 entgegengesetzte Arm auf einen Kraftmesssensor 31 einwirkt, der die am Spannsegment 29 anliegende Kraft erfasst und an eine entsprechende Steuereinrichtung 32 über eine Busleitung 33 weitergibt. Mit letzterer sind die Kraftmesssensoren 31 jeweils gekoppelt.
Mit Hilfe der einzelnen ihrer Beaufschlagungskraft erfassten Spannsegmente 29 kann die dort lokal herrschende Spannkraft der Spannvorrichtung 13' erfasst werden. Dadurch lassen sich – wie eingangs erörtert – Kerbstellen im unteren Bauteil, Fehlstellen der Schweißnaht und ähnliche Defekte aufdecken.

Claims

Verfahren zum Durchstrahlschweißen zweier thermoplastischer Bauteile (11, 12) durch Herstellen einer Schweißnaht (5) in einer Fügezone zwischen den absorptiven bzw. transmissiven Bauteilen (11, 12) mittels eines entlang der Schweißnaht (5) geführten Energiestrahls, insbesondere Laserstrahls (4), dadurch gekennzeichnet, dass – das absorptive Bauteil (11) in mehreren Zyklen vom Energiestrahl (4) derart beaufschlagt wird, dass entlang der Fügezone ein mit dem Energiestrahl (4) umlaufendes, von Zyklus zu Zyklus steigendes lokales Temperaturmaximum (T_max) und entsprechend ein umlaufender, lokal erhöhter Spanndruck generiert werden, – das transmissive Bauteil (12) in der Fügezone vom absorptiven Bauteil (11) entsprechend dem umlaufenden Temperaturmaximum (T_max) kontinuierlich erwärmt wird, – der Schweißvorgang danach ebenfalls entsprechend dem umlaufenden Temperaturmaximum (T_max) durch ein Plastifizieren der beiden Bauteile (11, 12) in einer umlaufenden, in Schweißnaht-Längsrichtung begrenzten Plastifizierungszone erfolgt, und – die beiden Bauteile (11, 12) durch eine eine Mindestspannkraft erzeugende Spannvorrichtung (13, 13') gegeneinander arretiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Energiestrahls (4) zwischen etwa 200 mm/s und 1000 mm/s, vorzugsweise bei etwa 500 mm/s bis 600 mm/s liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der auf die beiden Bauteile (11, 12) ausgeübte Spanndruck (F) der Spannvorrichtung (13, 13') zur Überwachung und/oder Steuerung des Schweißpro zesses ortsaufgelöst über die Spannlänge detektiert wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannkraft der Spannvorrichtung (13, 13') variabel einstellbar ist.
Vorrichtung zum Durchstrahlschweißen zweier thermoplastischer Bauteile (11, 12) durch Herstellen einer Schweißnaht (5) in einer Fügezone zwischen den absorptiven bzw. transmissiven Bauteilen (11, 12) umfassend – eine Strahlquelle (2) und -führungseinheit (3) zur Erzeugung und Heranführung eines Energiestrahls, insbesondere Laserstrahls (4) zum absorptiven Bauteil (11) durch das transmissive Bauteil (12), gekennzeichnet durch – eine Strahlablenkungseinheit (5) zur Verschiebung des Energiestrahles (4) in Zyklen entlang der Fügezone entsprechend der Schweißnahtkontur derart, dass entlang der Fügezone ein mit dem Energiestrahl (4) umlaufendes, von Zyklus zu Zyklus steigendes lokales Temperaturmaximum (T_max) und entsprechend ein umlaufender, lokal erhöhter Spanndruck generiert werden, und – eine beide Bauteile (11, 12) mit einer Mindestspannkraft zueinander arretierende Spannvorrichtung (13, 13').
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (13) für jedes der beiden Bauteile (11, 12) eine Aufspannung (14, 16) aufweist, nämlich eine stationäre Aufspannung (14) und eine positionierbare Aufspannung (16), deren Positionsantrieb (22) mittels einer Arretiereinheit (24) blockierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Aufspannungen (14) mit einem schwimmend gelagerten, federbeaufschlagten Spannrahmen (19) versehen ist, dessen Lage im Raum über eine Lagesensoreinheit (20) erfassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Aufspannungen (28) mit einem segmentierten Spannrahmen (19') versehen ist, wobei die Spannsegmente (29) jeweils mit einem Kraftmesssensor (31) zur Detektion der lokal im Bereich des jeweiligen Spannsegmentes (29) herrschenden Spannkraft aufgekoppelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretiereinheit (24) eine Brems- oder Rastbolzeneinrichtung (27) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretiereinheit zusammen mit dem Positionsantrieb als elektrischer oder pneumatischer Positionsregelantrieb ausgelegt ist.