DE102005032778B4 - Verfahren zum Verbinden von Werkstücken aus Kunststoff mit einem Laserstrahl - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Verbinden von Werkstücken (2, 4) aus Kunststoff mit einem Laserstrahl (LS) entlang einer Fügekontur 8, bei dem der Laserstrahl (LS) entlang der Fügekontur (8) zwischen zwei Stellen (S1, S2) pendelnd hin- und herbewegt wird, die sich entlang der Fügekontur (8) mit einer Vorschubgeschwindigkeit (vv) bewegen, die kleiner ist als die Geschwindigkeit (vOSZ) der Pendelbewegung, so dass ein sich mit der Vorschubgeschwindigkeit (vv) entlang der Fügekontur (8) bewegender aufgeschmolzener Abschnitt (A) gebildet wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken aus Kunststoff mit einem Laserstrahl entlang einer Fügekontur, insbesondere zum Schweißverbinden von Werkstücken aus Kunststoff.
  • Beim Verbinden von Werkstücken, insbesondere beim Schweißverbinden von Werkstücken aus Kunststoff oder beim Löten entlang einer Fügekontur sind im Stand der Technik grundsätzlich drei Verfahrensvarianten bekannt, nämlich das Konturschweißen bzw. -löten, das Simultanschweißen bzw. -löten und das sogenannte Quasisimultanschweißen bzw. -löten.
  • Beim Konturschweißen oder -löten wird der Laserstrahl entlang der Fügekontur bewegt. Laserleistung, Fokusdurchmesser und Vorschubgeschwindigkeit werden dabei so angestellt, dass die Werkstücke oder das Lot unter dem Laserstrahl aufgeschmolzen werden und auf diese Weise eine Verbindung eingehen.
  • Es gibt aber Anwendungsfälle, bei denen beim Verschweißen oder Löten ein Werkstück in die Schmelze hineingedrückt werden muss, d. h. bei dem die aneinander zu fügenden Werkstücke gegeneinander bewegt werden müssen. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn die Verbindungsnaht nicht nur mechanisch fest, sondern auch dicht sein muss. In solchen Fällen genügt es nicht, das oder die Werkstücke oder das Lot nur lokal, d. h. in einer Zone oder einem Abschnitt aufzuschmelzen, deren Fläche bzw. Länge etwa dem Strahlquerschnitt bzw. Durchmesser des Laserstrahls an der Bearbeitungsstelle entspricht, vielmehr muss sich der aufgeschmolzene Abschnitt über die gesamte Länge der Fügekontur erstrecken. Bei einfacher Geometrie der Fügekontur kann dies durch ein Simultanschweißen oder -löten erfolgen, d. h. der Laserstrahl wird so geformt, dass die gesamte Fügekontur simultan bestrahlt wird. So kann man beispielsweise mit Diodenlasern sehr gut einen Linienfokus erzeugen. Nachteilig ist dabei jedoch die Einschränkung auf einfache Geometrien, der für die Strahlformung erforderliche Aufwand und die hohe benötigte Laserleistung.
  • Zum Vermeiden dieser Nachteile ist es bekannt, das sogenannte Quasisimultanschweißen oder – löten einzusetzen. Dabei wird der fokussierte Laserstrahl mehrfach mit hoher Geschwindigkeit über die gesamte in der Regel geschlossene Fügekontur bewegt, so dass sich der oder die Werkstoffe oder das zwischen die Werkstücke eingebrachte Lot entlang der gesamten Fügekontur aufheizen und entlang dieser Fügekontur nahezu die gleiche Temperatur haben. Beim Erreichen der Schmelztemperatur können dann die Werkstücke durch Relativbewegung in die Schmelze eingedrückt und miteinander verschweißt oder verlötet werden. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Laserstrahl entlang der gesamten Fügekontur bewegt, muss dabei so groß sein, dass sich die aufgeheizte Fügezone während der Dauer eines Umlaufs nur wenig abkühlt, so dass sich die Fügezone mit jedem Umlauf weiter aufheizt und die Temperaturunterschiede innerhalb der Fügezone gering sind. Dies geschieht in der Regel mit Scannerablenkköpfen, bei denen der Laserstrahl über galvanometrisch angetriebene Drehspiegel in zwei Achsen abgelenkt wird.
  • Der Vorteil dieses Quasisimultanschweißens oder -lötens ist seine große Flexibilität, da durch entsprechende Programmierung der Steuerung des Scannerablenkkopfes der Laserstrahl entlang nahezu beliebig geformter Fügekonturen bewegt werden kann. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass die Länge der Fügekontur durch die verfügbare Laserleistung und die maximale Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl bewegt werden kann, beschränkt ist. Je nach Laserleistung und Werkstoff liegt die beim Quasisimultanschweißen oder -löten maximal mögliche Länge der Fügekontur bei wenigen 100 mm.
  • Aus der EP 1 486 315 A1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen von Werkstücken aus Kunststoff bekannt, bei dem der Laserstrahl entlang einer zickzackförmigen oder zykloidalen Schweißbahn geführt ist, um auf diese Weise eine gleichförmige Festigkeit der Schweißnaht in Eck- oder Kurvenbreichen zu ermöglichen.
  • Bei einer aus der EP 1 525 972 A2 bekannten Verfahrensvariante zum Laserschweißen von Kunststoffen werden zwei Laserstrahlen erzeugt, mit denen zwei parallele zickzackförmige Schweißkonturen erzeugt erden.
  • Zum Verschweißen von Werkstücken aus härtbarem Stahl wird in der nachveröffentlichten WO 2006/027013 A1 vorgeschlagen, dem Laserstrahl als Sekundärbewegung eine Pendelbewegung bezüglich der Schweißlinie aufzuprägen.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken aus Kunststoff mit einem Laserstrahl entlang einer Fügekontur anzugeben, mit dem auch größere Werkstücke miteinander derart verbunden werden können, dass eine Verbindung entsteht, die qualitativ der beim Simultanschweißen oder – löten oder Quasisimultanschweißen oder -löten entstehenden Verbindung entspricht.
  • Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Bei dem Verfahren zum Verbinden von Werkstücken aus Kunststoff mit einem Laserstrahl entlang einer Fügekontur, insbesondere zum Schweißverbinden von Werkstücken aus Kunststoff, wird der Laserstrahl auf der Fügekontur zwischen zwei Stellen oszillatorisch oder pendelnd hin- und herbewegt, die sich entlang der Fügekontur mit einer Vorschubgeschwindigkeit bewegen, die deutlich kleiner ist als die Geschwindigkeit der Oszillation oder Pendelbewegung, so dass ein sich mit der Vorschubgeschwindigkeit entlang der Fügekontur bewegender aufgeschmolzener Abschnitt gebildet wird. Mit anderen Worten: Der Laserstrahl wird auf einer sich mit der Vorschubgeschwindigkeit fortbewegenden Teilstrecke der Fügekontur so schnell hin- und herbewegt, dass sich ein allenfalls geringfügig versetzt zu diesem Teilabschnitt angeordne ter Abschnitt ergibt, in dem entweder beide Werkstücke, oder eines der Werkstücke bis auf den Schmelzpunkt aufgeheizt wird. Dieser Abschnitt bewegt sich entlang der Fügekontur mit der Vorschubgeschwindigkeit.
  • Auf diesem aufgeschmolzenen Abschnitt können beide oder eines der Werkstücke in die Schmelze eingedrückt oder relativ zur Schmelze verschoben werden, d. h. es kann in diesem Abschnitt eine Setzbewegung stattfinden. Um dies zu ermöglichen, ist es notwendig, die Länge des Abschnittes an die Elastizität des Werkstückes anzupassen, das die höhere Elastizität aufweist.
  • Da sich dieser Abschnitt mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang der Fügekontur bewegt, die vorzugsweise sehr viel kleiner ist als die Geschwindigkeit der Pendelbewegung, bewegt sich auch der Bereich, in dem eine Setzbewegung der Werkstücke stattfindet, entlang der Fügekontur bis zu einem Endpunkt der Fügekontur, der insbesondere bei abdichtenden Verbindungen auch mit dem Anfangspunkt übereinstimmen kann.
  • Mit Hilfe des von den Erfindern als „moving pattern Verfahren" bezeichneten erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, Werkstücke entlang einer Fügekontur miteinander zu verbinden, die zu lang ist, um das Quasisimultanschweißen oder -löten mit der verfügbaren Laserleistung anwenden zu können.
  • Das „moving pattern Verfahren" nimmt also eine Zwischenstellung zwischen Konturschweißen und Quasisimultanschweißen ein. Es erlaubt eine dynamische Strahlformung, d. h. der Laserstrahl bildet bei der Hin- und Herbewegung eine beliebig und dyna misch variierbare Linienform (pattern) die sich mit der Vorschubgeschwindigkeit entlang der Fügekontur bewegt.
  • Die Strahlablenkung für die Pendelbewegung erfolgt vorzugsweise mit galvanometrisch angetriebenen Drehspiegeln. Wenn bei größeren Werkstücken das von den Drehspiegeln, d. h. der Ablenkeinheit oder dem Scannerablenkkopf, erfassbare Bearbeitungsfeld zum Überstreichen der gesamten Fügekontur nicht ausreicht, können entweder der Ablenkkopf oder das Werkstück noch mit einem zusätzlichen Positioniersystem entlang einer oder mehrerer Achsen verschoben oder frei beweglich mit einem Roboter bewegt werden.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Werkstücke mit einem Verfahren gemäß der Erfindung durch Überlappschweißen miteinander verbunden werden,
  • 2 eine schematische Darstellung eines sich entlang der Fügekontur ausbreitenden aufgeschmolzenen Abschnittes,
  • Gemäß 1 sind zwei Werkstücke 2 und 4 in einem Überlappungsbereich 6 aufeinander gelegt, in dem sie durch eine Überlappschweißung entlang einer Fügekontur 8 miteinander verbunden werden sollen. Im dargestellten Beispiel besteht das Werkstück 2 aus einem Kunststoff, der mit einem einen Laserstrahl LS absorbierenden Zusatzstoff dotiert ist. Das Werkstück 4 ist für den Laserstrahl LS transparent, so dass nur das Werkstück 2 aufgeschmolzen wird. Mit Hilfe eines schwenkbar um eine Drehachse 10 gelagerten Umlenk- oder Drehspiegels 12 kann der Laserstrahl LS, genauer der Ort, an dem der Laserstrahl LS auf die Oberfläche des Werkstückes 2 auftrifft, zwischen zwei Umkehrpunkten oder Stellen S1 und S2 oszillatorisch oder pendelnd entlang der im Beispiel geradlinigen Fügekontur 8 mit einer Geschwindigkeit vOSZ hin- und herbewegt werden, die zwischen den Stellen S1 und S2 annähernd konstant ist. Dieser pendelnden Hin- und Herbewegung ist eine im Beispiel geradlinige Vorschubbewegung mit einer Vorschubgeschwindigkeit vv, entlang der Fügekontur 8 überlagert. Im dargestellten Beispiel ist aus Gründen der Übersichtlichkeit eine einfache geradlinige Fügekontur 8 sowie eine einfache, aus einem einzigen Drehspiegel 12 aufgebaute Ablenkeinheit dargestellt. Die Vorschubgeschwindigkeit mit der sich die beiden Stellen S1 und S2 entlang der Fügekontur 8 verschieben, ist sehr viel kleiner als die Geschwindigkeit der Pendelbewegung, d. h. als die Geschwindigkeit mit der sich der Auftreffpunkt des Laserstrahles LS zwischen den beiden Umkehrpunkten oder Stellen S1 und S2, an denen er seine Bewegungsrichtung umkehrt, bewegt. Die Vorschubbewegung erfolgt dadurch, dass die Winkelpositionen, in denen der Umlenkspiegel 12 die Schwenkbewegung umkehrt, kontinuierlich weiterbewegt werden.
  • In der Prinzipdarstellung gemäß. 2 sind in einer gekrümmten Fügekontur 8 die Umkehrpunkte S1 und S2 der Auftreffstelle des Laserstrahles LS eingezeichnet, die sich mit der Vorschubgeschwindigkeit vv entlang der Fügekontur 8 vorwärts bewegen. Durch die schnelle Pendelbewegung des Laserstrahles LS mit der Geschwindigkeit vOSZ entsteht im Überlappbereich 6 ein aufgeschmolzener Abschnitt A, der – in der Figur übertrieben eingezeichnet – gegenüber dem vom Laserstrahl LS aktuell erfassten bestrahlten Abschnitt B geringfügig und in der Praxis vernachlässigbar versetzt ist, sich aber mit diesem gleichmäßig entlang der Fügekontur 8 fortbewegt. Im Abschnitt A werden die Werkstücke 2 und 4 gegeneinander bewegt oder aneinander gepresst, so dass das Werkstück 4 in den aufgeschmolzenen Bereich 6 des Werkstückes 2 eintaucht. Diese Setzbewegung erfolgt ohne zusätzliche Maßnahme, wenn die Werkstücke 2, 4 derart gegeneinander verspannt sind, dass im gesamten Fügebereich eine die gewünschte Setzbewegung auslösende Kraft zwischen den Werkstücken 2, 4 wirkt, die bei den in den 1 und 2 dargestellten Überlappschweißungen in Richtung des auf das Werkstück 4 auftreffenden Laserstrahls LS gerichtet ist.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Verbinden von Werkstücken (2, 4) aus Kunststoff mit einem Laserstrahl (LS) entlang einer Fügekontur 8, bei dem der Laserstrahl (LS) entlang der Fügekontur (8) zwischen zwei Stellen (S1, S2) pendelnd hin- und herbewegt wird, die sich entlang der Fügekontur (8) mit einer Vorschubgeschwindigkeit (vv) bewegen, die kleiner ist als die Geschwindigkeit (vOSZ) der Pendelbewegung, so dass ein sich mit der Vorschubgeschwindigkeit (vv) entlang der Fügekontur (8) bewegender aufgeschmolzener Abschnitt (A) gebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Werkstücke (2, 4) im geschmolzenen Abschnitt (A) gegeneinander bewegt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest die Pendelbewegung mit galvanometrisch angetriebenen Drehspiegeln (12) durchgeführt wird.
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