DE102004058221A1 - Lichtleiter oder Lichtwellenleiter mit einem optischen Trichter - Google Patents

Lichtleiter oder Lichtwellenleiter mit einem optischen Trichter Download PDF

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Abstract

Eine Laserschweißeinrichtung weist eine Laserquelle auf, die einen Laserstrahl abgibt, und eine Lichtdurchlassvorrichtung, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die im wesentlichen aus einem Lichtleiter und einem Lichtwellenleiter besteht, und stromabwärts der Laserquelle angeordnet ist. Die Lichtdurchlassvorrichtung lässt den Laserstrahl durch sich hindurch. Eine optische Vorrichtung empfängt den Laserstrahl, der die Lichtdurchlassvorrichtung verlässt, und ist so betreibbar, dass sie Lichtkeulen sammelt, welche die Lichtdurchlassvorrichtung verlassen, um eine endgültige Strahlbreite festzulegen. Die endgültige Strahlbreite ist schmäler als jene Strahlbreite, welche die Lichtdurchlassvorrichtung verlässt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Laserschweißen, und spezieller Lichtleiter oder Lichtwellenleiter, die einen optischen Trichter aufweisen.
  • Laserschweißen wird üblicherweise zum Verbinden von Kunststoff- oder Harzteilen, beispielsweise thermoplastischen Teilen, in einer Schweißzone verwendet. Ein Beispiel für einen derartigen Einsatz von Lasern findet sich im US-Patent Nr. 4,636,609, das ausdrücklich durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen wird.
  • Bekanntlich stellen Laser einen halbfokussierten Strahl elektromagnetischer Strahlung bei einer vorgegebenen Frequenz zur Verfügung (also kohärente, monochromatische Strahlung). Es ist eine Anzahl von Arten von Lasern verfügbar; Infrarotlaser oder nicht-kohärente Quellen stellen jedoch eine relativ kostengünstige Quelle für Strahlungsenergie zur Verfügung, zum Einsatz beim Erwärmen einer Schweißzone. Ein spezielles Beispiel für Infrarotschweißen ist als Infrarotdurchgangsschweißen (TTIr-Schweißen) bekannt. Beim TTIr-Schweißen wird ein Infrarotlaser eingesetzt, der Infrarotstrahlung erzeugen kann, die durch Linsen, ablenkende Optikbauteile, Faseroptiken, Wellenleiter oder Lichtleiter oder Lichtwellenleiter durch ein erstes Kunststoffteil einem zweiten Kunststoffteil zugeführt wird. Dieses erste Kunststoffteil wird häufig als das durchlässige Teil bezeichnet, da es im wesentlichen ermöglicht, dass der Laserstrahl von dem Laser durch es hindurchgeht. Das zweite Kunststoffteil wird dagegen häufig als absorbierendes Teil bezeichnet, da dieses Teil im wesentlichen die Strahlungsenergie des Laserstrahls so absorbiert, dass Wärme in der Schweißzone erzeugt wird. Diese Wärme in der Schweißzone führt dazu, dass das durchlässige Teil und das absorbierende Teil geschmolzen werden, und bei enger Berührung miteinander verschweißt werden.
  • Im Falle derartiger TTIr-Schweißsysteme, die einen Lichtwellenleiter oder einen Lichtleiter verwenden, wird häufig das infrarote Laserlicht, das den Lichtwellenleiter oder den Lichtleiter verlässt, nach außen in Form eines Fächers oder eines Kegels aufgeweitet, wenn es durch das durchlässige Teil hindurchgeht. Diese Lichtverteilung kann zu Schweißzonen führen, die zu groß sind. Wenn das Licht den Lichtleiter oder den Lichtwellenleiter verlässt, weitet sich das Licht daher nach außen auf, und trifft auf eine größere Fläche der Grenzfläche zwischen absorbierendem Teil und durchlässigem Teil auf. Diese größere Fläche wird daher erwärmt, was zu einer größeren Schweißzone führt.
    •
  • Daher besteht im Stand der Technik ein Bedürfnis nach der Bereitstellung einer Einrichtung zum Einsatz bei einem Lichtleiter oder einem Lichtwellenleiter, welche die Größe einer Schweißzone minimieren kann. Weiterhin besteht bei diesem Stand der Technik ein Bedürfnis nach der Bereitstellung einer Einrichtung zum Einsatz bei einem Lichtleiter oder einem Lichtwellenleiter, welche das Laserlicht auf eine kleinere Fläche fokussieren kann, die anderenfalls nicht nur durch einen herkömmlichen Lichtleiter oder Lichtwellenleiter erhalten werden könnte. Schließlich besteht im Stand der Technik ein Bedürfnis nach der Bereitstellung eines Lichtleiters oder Lichtwellenleiters mit einem optischen Trichter, welche die beim Stand der Technik vorhandenen Nachteile überwinden können.
  • Gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung wird eine Laserschweißeinrichtung zur Verfügung gestellt, die eine vorteilhafte Konstruktion aufweist, und ein Verfahren zu deren Verwendung. Die Laserschweißeinrichtung weist eine Laserquelle auf, die einen Laserstrahl abgibt, und eine Lichtdurchlassvorrichtung, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die im wesentlichen aus Lichtleitern und Lichtwellenleitern besteht, und stromabwärts der Laserquelle angeordnet ist. Die Lichtdurchlassvorrichtung lässt den Laserstrahl durch sie hindurch. Eine Optikvorrichtung empfängt den Laserstrahl, der die Lichtdurchlassvorrichtung verlassen hat, und ist so betreibbar, dass sie Lichtkeulen sammelt, welche die Lichtdurchlassvorrichtung verlassen, um eine endgültige Strahlbreite festzulegen. Die endgültige Strahlbreite ist schmäler als jene Strahlbreite, welche die Lichtdurchlassvorrichtung verlässt.
  • Weitere Einsatzbereiche der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden, detaillierten Beschreibung deutlich. Es wird darauf hingewiesen, dass zwar die detaillierte Beschreibung und spezielle Beispiele die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung angeben, jedoch nur zur Erläuterung dienen, und den Umfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
    •
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Ansicht einer TTIr-Schweißeinrichtung, die einen Lichtleiter nach dem Stand der Technik verwendet;
  • 2 eine schematische Ansicht der herkömmlichen Lichtverteilung, welche die in 1 dargestellte TTIr-Schweißeinrichtung verwendet;
  • 3 eine schematische Ansicht einer TTIr-Schweißeinrichtung mit einem Lichtleiter und einem optischen Trichter gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung, wobei die sich ergebende Lichtverteilung dargestellt ist;
  • 4 eine schematische Ansicht einer TTIr-Schweißeinrichtung, die einen Lichtleiter und einen optischen Trichter gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung einsetzt, mit einer Darstellung der sich ergebenden Lichtverteilung; und
  • 5 eine schematische Ansicht einer TTIr-Schweißeinrichtung, die einen Lichtleiter und einen optischen Trichter gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung einsetzt, mit einer Darstellung der sich ergebenden Schweißzone.
  • Die nachstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen dient nur als Beispiel, und soll keineswegs die Erfindung, ihren Einsatz, oder ihre Verwendungszwecke einschränken. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass zwar die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit dem TTIr-Schweißen erläutert wird, jedoch die vorliegende Erfindung ebenso bei anderen Arten des Schweißens und/oder der Oberflächenerwärmung einsetzbar ist, unter Verwendung von Lichtenergie, die durch Lichtleiter oder Lichtwellenleiter hindurchgeht. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass zwar hier durchgehend der Begriff Lichtwellenleiter verwendet wird, jedoch Lichtwellenleiter auch als Wellenleiter bekannt sind, und daher diese Begriffe als austauschbar verstanden werden sollten.
  • Wie in den 1 und 2 dargestellt, weisen TTIr-Schweißsysteme 100 häufig einen Laser 102 auf, der Laserlicht an einen herkömmlichen Lichtleiter 104 ausgibt. Dieses Laserlicht wird über einen herkömmlichen Lichtleiter 104 und über ein durchlässiges Teil 106 übertragen. Das Laserlicht trifft schließlich auf eine Grenzfläche zwischen dem durchlässigen Teil 106 und einem absorbierenden Teil 108 an einer Schweißzone 110 auf.
  • Wie aus den 1 und 2 hervorgeht, breitet sich dieses Laserlicht häufig nach außen aus, wenn es den herkömmlichen Lichtleiter 104 verlässt, und kann sich noch weiter infolge der optischen Auswirkungen des durchlässigen Teils 106 aufweiten. Daher ist die Schweißzone 110 beträchtlich größer als das Austrittsende des herkömmlichen Lichtleiters 104 infolge dieses Effekts.
  • Im Einzelnen sieht man in 2 die Winkelverteilung des Laserlichts, welches aus dem herkömmlichen Lichtleiter 104 austritt. Wenn das Laserlicht in den herkömmlichen Lichtleiter 104 eintritt, weist es bereits eine bestimmte Winkelverteilung auf. Diese Winkelverteilung wird durch die sich verjüngenden Seiten des herkömmlichen Lichtleiters 104 verstärkt. Wenn das Laserlicht den herkömmlichen Lichtleiter verlässt, ist daher die Winkelverteilung vergrößert, was zu einer größeren als erwünschten Schweißzone 110 führt. Wie wiederum aus 2 hervorgeht, bildet die Verteilung typischerweise eine zentrale Keule 112 und zwei Seitenkeulen 114 aus.
  • In den 3 bis 5 ist eine Lichtleiter- oder Lichtwellenleiteranordnung 10 gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Lichtleiter- oder Lichtwellenleiteranordnung 10 zum Einsatz bei einem TTIr-Schweißsystem 12 angepasst. Gemäß 1 kann das TTIr-Schweißsystem 12 wahlweise ein Lichtleiterbündel 14 enthalten, das aus mehreren Lichtleitern besteht, die im wesentlichen in einem kreisförmigen Muster angeordnet sind, um so Strahlungsenergie in Form eines Laserstrahls dort hindurchzulassen. Das Lichtleiterbündel 14 ist betriebsmäßig mit einer Laserquelle 18 verbunden, beispielsweise einem Infrarotlaser, gemäß bekannten Grundlagen.
  • Um die Winkelverteilung des Laserlichts zu begrenzen, weist die Lichtleiter- oder Lichtwellenleiteranordnung 10 einen Lichtleiter 20 (3) oder einen Lichtwellenleiter (22) 4 auf. Wie in 3 dargestellt, ist die Lichtleiteranordnung 10 darüber hinaus mit Prallebenen 24 versehen, die an einem Ausgangsende 26 des Lichtleiters 20 angeordnet sind. Die Prallebenen 24 bilden einen optischen Trichter 25, der dazu dient, einen "Abprall" oder eine sonstige Reflexion des Laserlichts hervorzurufen, welches das Ausgangsende 26 des Lichtleiters 20 verlässt, so dass Seitenkeulen 114 im wesentlichen mit der zentralen Keule 112 ausgerichtet sind, um eine vereinigte Lichtkeule 28 auszubilden. Wie aus den 2 und 3 hervorgeht, ist die vereinigte Lichtkeule 28 (3) gemäß der vorliegenden Erfindung beträchtlich schmäler als die herkömmliche Verteilung (2). Diese vereinigte Lichtkeule 28 wird durch das durchlässige Teil 30 übertragen (5), und trifft auf das absorbierende Teil 32 auf, so dass eine schmälere Schweißzone 34 im Vergleich zur herkömmlichen Schweißzone 110 festgelegt wird. Der Lichtleiter 20 und die Prallebenen 24 bestehen vorzugsweise aus einem Dielektrikum, welches innere Totalreflexion (TIR) und/oder eine spiegelförmige Oberfläche einsetzt, um das Licht hindurchzuführen.
  • Entsprechend weist, wie in 4 gezeigt, die Lichtleiteranordnung 10 weiterhin Prallebenen 36 auf, die an einem Ausgangsende 38 des Lichtleiters 22 angeordnet sind. Die Prallebenen 36 bilden einen optischen Trichter 39, der dazu dient, einen "Aufprall" oder ansonsten eine Reflexion des Laserlichts hervorzurufen, welches das Ausgangsende 38 des Lichtleiters 22 verlässt, so dass Seitenkeulen 114 im wesentlichen zur zentralen Keule 112 ausgerichtet sind, zur Ausbildung einer vereinigten Lichtkeule 40. Wie aus den 2 und 3 hervorgeht, ist die vereinigte Lichtkeule 40 (3) gemäß der vorliegenden Erfindung beträchtlich schmäler als die herkömmliche Verteilung (2). Die vereinigte Lichtkeule 40 wird durch das durchlässige Teil 30 übertragen (5), und trifft auf das absorbierende Teil 32 auf, um eine schmälere Schweißzone 34 im Vergleich zur herkömmlichen Schweißzone 110 festzulegen. Vorzugsweise verwenden der Lichtleiter 22 und die Prallebenen 36 einen Hohlraum, der verspiegelte Wände aufweist, um Licht dort hindurchzuleiten.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung eine Laserschweißeinrichtung ermöglicht, welche einen Lichtleiter oder Lichtwellenleiter einsetzt, zur Erzeugung eines beträchtlich schmäleren Laserschweißstrahls, der eine schmälere Schweißzone im Vergleich zu herkömmlichen Laserschweißeinrichtungen erzeugen kann. Daher können Laserschweißeinrichtungen, welche Lichtleiter oder Lichtwellenleiter verwenden, nunmehr für einen größeren Bereich schwieriger Schweißvorgänge und/oder verbesserter Schweißeigenschaften eingesetzt werden. Darüber hinaus führt das Reflektieren der seitlichen Lichtkeulen zu einer konzentrierten, vereinigten Lichtquelle für einen verbesserten Schweißwirkungsgrad.
  • Die Beschreibung der Erfindung ist nur beispielhaft zu verstehen, so dass Abänderungen, die nicht vom Wesen der Erfindung abweichen, vom Umfang der Erfindung umfasst sein sollen. Derartige Abänderungen sollen nicht als Abweichung vom Wesen und Umfang der Erfindung verstanden werden.

Claims (9)

  1. Laserschweißeinrichtung, welche aufweist: eine Laserquelle, die einen Laserstrahl ausgibt; eine Lichtdurchlassvorrichtung, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die im wesentlichen aus Lichtleitern und Lichtwellenleitern besteht, wobei die Lichtdurchlassvorrichtung stromabwärts der Laserquelle angeordnet ist, und die Lichtdurchlassvorrichtung so betreibbar ist, dass sie den Laserstrahl durch sich überträgt; und eine optische Vorrichtung, die stromabwärts der Lichtdurchlassvorrichtung angeordnet ist, wobei die optische Vorrichtung Lichtkeulen, welche die Lichtdurchlassvorrichtung verlassen, sammeln kann, um eine endgültige Strahlbreite festzulegen, und die endgültige Strahlbreite schmäler ist als die Strahlbreite, welche die Lichtdurchlassvorrichtung verlässt.
  2. Laserschweißeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtdurchlassvorrichtung vereinigt mit der optischen Vorrichtung ausgebildet ist, zur Ausbildung einer einzelnen Einheit.
  3. Laserschweißeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung ein optischer Trichter ist, der sich nach außen verjüngende Prallebenen aufweist.
  4. Laserschweißeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sich außen verjüngenden Prallebenen zwischen sich einen ersten Winkel festlegen, und die Lichtkeulen, welche die Lichtdurchlassvorrichtung verlassen, einen zweiten Winkel festlegen, und der erste Winkel kleiner ist als der zweite Winkel.
  5. Laserschweißeinrichtung, welche aufweist: eine Laserquelle, die einen Laserstrahl abgibt; eine Lichtdurchlassvorrichtung, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die im wesentlichen aus Lichtleitern und Lichtwellenleitern besteht, wobei die Lichtdurchlassvorrichtung stromabwärts der Laserquelle angeordnet ist, und die Lichtdurchlassvorrichtung so betreibbar ist, dass sie den Laserstrahl durch sich überträgt; und eine optische Vorrichtung, die vereinigt mit der Lichtdurchlassvorrichtung ausgebildet ist, wobei die optische Vorrichtung stromabwärts der Lichtdurchlassvorrichtung angeordnet ist, und so betreibbar ist, dass sie Lichtkeulen sammelt, welche die Lichtdurchlassvorrichtung verlassen, um eine endgültige Strahlbreite festzulegen, wobei endgültige Strahlbreite schmäler ist als jene Strahlbreite, welche die Lichtdurchlassvorrichtung verlässt.
  6. Laserschweißeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung ein optischer Trichter ist, der sich nach außen verjüngende Prallebenen aufweist.
  7. Laserschweißeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sich nach außen verjüngenden Prallebenen zwischen sich einen ersten Winkel festlegen, und die Lichtkeulen, welche die Lichtdurchlassvorrichtung verlassen, einen zweiten Winkel festlegen, wobei der erste Winkel kleiner ist als der zweite Winkel.
  8. Verfahren zum Laserschweißen eines ersten Teils an ein zweites Teil, mit folgenden Schritten: Ausgabe eines Laserstrahls; Durchlassen des Laserstrahls durch einen Lichtleiter zur Ausbildung einer zentralen Lichtkeule und einer seitlichen Lichtkeule; Durchleiten des Laserstrahls, der den Lichtleiter verlässt, durch einen optischen Trichter, so dass die seitliche Lichtkeule im wesentlichen zur zentralen Lichtkeule reflektiert wird, um eine vereinigte Lichtkeule festzulegen; und Erwärmen zumindest entweder des ersten Teils oder des zweiten Teils durch die vereinigte Lichtkeule zur Erzeugung eines Schweißpunktes zwischen diesen.
  9. Verfahren zum Laserschweißen eines ersten Teils mit einem zweiten Teil mit folgenden Schritten: Ausgabe eines Laserstrahls; Durchleiten des Laserstrahls durch einen Lichtleiter zur Festlegung einer zentralen Lichtkeule und einer seitlichen Lichtkeule; Durchlassen des Laserstrahls, welcher den Lichtleiter verlässt, durch einen optischen Trichter, so dass die seitliche Lichtkeule im wesentlichen zur zentralen Lichtkeule reflektiert wird, um eine vereinigte Lichtkeule festzulegen; und Erwärmen zumindest entweder eines ersten Teil oder eines zweiten Teils durch die vereinigte Lichtkeule zur Erzeugung einer Schweißung zwischen diesen.
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