DE102009049064A1 - Vorrichtung zur Erfassung der Fügetemperatur beim Laserstrahlschweißen von Thermoplasten - Google Patents

Vorrichtung zur Erfassung der Fügetemperatur beim Laserstrahlschweißen von Thermoplasten Download PDF

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Andreas Roesner
Peter Abels
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Fügetemperatur beim Laserstrahlschweißen von Thermoplasten. Die Vorrichtung weist einen Laserbearbeitungskopf, ein Pyrometer sowie eine Abbildungsoptik auf, die einen vom Laserspot in der Fügeebene eingenommenen Bereich in die Detektionsebene des Pyrometers abbildet. Die Abbildungsoptik ist so gewählt, dass die Abbildung des vom Laserspot in der Fügeebene eingenommenen Bereichs in der Detektionsebene größer als die Detektionsfläche des Pyrometers ist. Mit der Vorrichtung lässt sich die Temperatur während des Fügeprozesses zuverlässig erfassen, so dass diese Messung für die Prozessregelung eingesetzt werden kann.

Description

  • Technisches Anwendungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Fügetemperatur beim Laserstrahlschweißen von Thermoplasten, mit einem Laserbearbeitungskopf, mit dem ein Laserspot zum Laserstrahlschweißen in einer Fügeebene erzeugt werden kann, einem Pyrometer mit einer Detektionsfläche in einer Detektionsebene und einer Abbildungsoptik, die einen vom Laserspot in der Fügeebene eingenommenen Bereich in die Detektionsebene abbildet.
  • Das Laserstrahlschweißen von Thermoplasten wird beispielsweise zur Verschweißung von Platten oder Folien aus Kunststoff eingesetzt. Hierzu wird mit einem Laserbearbeitungskopf ein Laserstrahl in die Fügeebene fokussiert, dessen Strahlung von der unten liegenden Folie oder Platte absorbiert wird und diese an der durch den Laserspot aufgeheizten Stelle aufschmilzt. Gleichzeitig wird die darüber liegende Folie mit einer Andruckplatte, beispielsweise einer Glasplatte, angepresst, so dass sie sich ebenfalls an der Fügestelle aufheizt und mit der darunter liegenden Folie verschmilzt. Der Laserspot wird mit dem Laserbearbeitungskopf oder durch Bewegung der zu fügenden Platten oder Folien entlang der gewünschten Füge- oder Schweißnaht geführt. Eine Überwachung der Fügetemperatur an der Fügestelle ist wünschenswert, um eine hohe Qualität der Verbindung zu erhalten.
  • Mit der Technik der Pyrometrie kann die Schweißnaht während des Schweißprozesses überwacht werden, um Nahtfehlstellen zu erkennen. Eine Erfassung der Fügetemperatur zur Regelung des Schweißprozesses, d. h. zur Regelung der Laserintensität an der Nahtstelle, kann bisher jedoch mangels Zuverlässigkeit dieser Detektion nicht erfolgen. Die bisherigen pyrometrischen Messungen an der Nahtstelle werden über einen räumlichen Integrationsbereich durchgeführt, der mindestens den Strahldurchmesser der Laserstrahlung in der Fügeebene, d. h. den Laserspot, umfasst. Da die Messung über die gesamte Fläche integriert, wird nur eine gemittelte Temperatur bestimmt. Eine breitere Schweißnaht mit geringerer mittlerer Temperatur kann daher dasselbe Messsignal erzeugen wie eine dünnere Schweißnaht mit einer hohen maximalen Temperatur in der Schweißnahtmitte. Unterschiedliche Vorschubgeschwindigkeiten des Laserstrahls führen ebenfalls zu unterschiedlichen Temperaturverteilungen und damit zu unterschiedlichen Signalhöhen des pyrometrischen Messsignals aufgrund der Geometrie des Wechselwirkungspunktes auf der Schweißnaht und seiner Abkühlfahne.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Erfassung der Fügetemperatur beim Laserstrahlschweißen von Thermoplasten anzugeben, die die Erfassung der Fügetemperatur mit höherer Zuverlässigkeit ermöglicht, so dass die Messung auch zur Prozessregelung eingesetzt werden kann.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
  • Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Erfassung der Fügetemperatur beim Laserstrahlschweißen von Bauteilen aus thermoplastischem Material, insbesondere von Folien oder Platten, weist in bekannter Weise einen Laserbearbeitungskopf auf, mit dem ein Laserspot zum Laserstrahlschweißen in einer Fügeebene erzeugt werden kann. Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein Pyrometer mit einer Detektionsfläche in einer Detektionsebene und eine Abbildungsoptik, die den vom Laserspot in der Fügeebene eingenommenen Bereich in die Detektionsebene abbildet. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung ist die Abbildungsoptik so ausgebildet, dass die Abbildung des vom Laserspot in der Fügeebene eingenommenen Bereichs in der Detektionsebene größer als die Detektionsfläche des Pyrometers ist.
  • Durch diese Ausgestaltung der Vorrichtung wird es ermöglicht, von dem durch die Position und Form des Laserspots bestimmten momentanen Bearbeitungsbereich nur den Bereich zu erfassen, in dem die maximale Temperatur beim Laserschweißen auftritt. Durch die Beobachtung lediglich dieses Bereichs der höchsten Temperatur wird die Messung unabhängig von den oben genannten Einflüssen der Breite der Schweißnaht sowie der unterschiedlichen Temperaturverteilungen im Bereich des Laserspots. Das Verfahren ermöglicht daher die Erfassung der Fügetemperatur mit höherer Genauigkeit als die bisher zur Überwachung der Schweißnaht eingesetzte Technik, so dass die Messung zur Regelung des Laserschweißprozesses, insbesondere der Intensität der Laserstrahlung während des Laserschweißens, genutzt werden kann, um eine bestimmte Fügetemperatur einzuhalten.
  • Vorzugsweise ist die Abbildungsoptik so ausgebildet, dass die Abbildung des vom Laserspot in der Fügeebene eingenommenen Bereichs zentriert auf der Detektionsfläche liegt. Damit wird vom momentanen Bearbeitungsbereich nur der zentrale Bereich erfasst, in dem in vielen Fällen die maximale Temperatur auftritt.
  • Von den Erfindern wurde hierbei erkannt, dass eventuelle Probleme bei der Erfassung der Fügetemperatur mittels Pyrometrie bei Kunststoffen durch geeignete Optimierungen behoben werden können. So erzeugen die niedrigen Fügetemperaturen beim Laserschweißen von Kunststoffen nur geringe Temperaturstrahlungsleistungen mit Wellenlängen des Strahlungsmaximums oberhalb von 2 μm. Diese Strahlung muss zur Messung mit einem Pyrometer durch verschiedene optische Elemente propagieren, die im allgemeinen bei diesen großen Wellenlängen nicht oder nur schlecht durchlässig sind. Aus den geringen Emissionswerten und der Absorption in den optischen Elementen resultieren daher ohne weitere Optimierung auch geringe Intensitäten der Temperaturstrahlung am Pyrometer, insbesondere bei Verschweißen von dünnen Folien und bei zusätzlicher Verwendung von IR-Absorbern in den Folien. Das damit verbundene niedrige Signal-Rausch-Verhältnis lässt sich jedoch durch unterschiedliche Maßnahmen deutlich verbessern. So können für die optischen Elemente Materialien eingesetzt werden, die für die zu detektierende Temperaturstrahlung eine hohe Durchlässigkeit aufweisen. Weiterhin können störende Rückreflexe der Laserstrahlung durch geeignet gewählte Filter vor der Detektionsfläche des Pyrometers geblockt werden, um das Signal-Rauschverhältnis bei der Erfassung der Fügetemperatur zu erhöhen. Zusätzlich zu den Filtern kann bei einem Laserbearbeitungskopf, bei dem die Erfassung der Temperaturstrahlung koaxial durch die gleiche Optik wie die Fokussierung des Laserstrahls erfolgt, durch geeignete Wahl eines dichroitischen Strahlteilers verhindert werden, dass die Laserstrahlung auf die Detektionsfläche des Pyrometers gelangt. Da die Temperaturstrahlung von einer Andruckplatte aus Glas, wie sie beim Laserschweißen von Kunststofffolien häufig eingesetzt wird, stark absorbiert wird, kann ein anderes Material dieser Andruckplatte gewählt werden, das für die Temperaturstrahlung ausreichend durchlässig ist. Alternativ kann die Dicke dieser Andruckplatte verringert werden, um einen höheren Anteil der Temperaturstrahlung passieren zu lassen. Um in diesem Fall die gleiche Anpresskraft ohne Zerstörung der Andruckplatte zu erreichen, kann dann die Halterung der Andruckplatte näher an der Schweißstelle angeordnet werden als dies bisher bei einer dickeren Andruckplatte erforderlich ist. Als geeignete Materialien für die optischen Elemente und die Andruckplatte, die eine erhöhte Durchlässigkeit für die Temperaturstrahlung aufweisen, kann bspw. Quarzglas gewählt werden, insbesondere getrocknetes Quarzglas, das auch im Wellenlängenbereich oberhalb von 2 μm eine hohe optische Transmission aufweist.
  • Auch die Auswahl eines geeigneten Pyrometers spielt eine wichtige Rolle bei der Optimierung der Signalhöhe. Sowohl der Wellenlängenbereich der Sensitivität als auch die maximale Sensitivität des Pyrometers müssen hierbei entsprechend dem Maximum der Temperaturstrahlung bzw. der gewünschten Fügetemperatur berücksichtigt werden. Zusätzlich ist es vorteilhaft, bei größeren durchstrahlten Dicken des oberen zu fügenden Bauteils, insbesondere bei Dicken > 0,5 mm, bei der Wahl des Pyrometers auch die Transmission des Kunststoffes zu berücksichtigen, die in der Regel oberhalb von 2,3 μm gegen Null geht. Damit verschiebt sich das Maximum der Temperaturstrahlung, die das Pyrometer erreicht und für die das Pyrometer maximale Sensitivität aufweisen sollte, in den Bereich von 2,3 μm oder darunter. Für dünne Folien von ca. 100 μm oder darunter spielt dieser Effekt keine Rolle.
  • Das Pyrometer und die Abbildungsoptik sind vorzugsweise starr mit dem Laserbearbeitungskopf verbunden oder in diesen integriert. Ein Laserbearbeitungskopf, wie er bei der vorliegenden Vorrichtung eingesetzt wird, weist eine Einkopplungsöffnung für die Einkopplung eines Laserstrahls sowie eine Fokussieroptik auf, die den Laserstrahl in die Fügeebene fokussiert. Selbstverständlich kann auch der Laser bereits fest mit dem Laserbearbeitungskopf verbunden oder in diesen integriert sein.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung sind das Pyrometer und die Abbildungsoptik so in den Laserbearbeitungskopf integriert, dass die Fokussieroptik Teil der Abbildungsoptik für das Pyrometer ist. Die Erfassung der Temperaturstrahlung erfolgt damit koaxial zum Laserstrahl, der auf die zu fügenden Bauteile gerichtet wird. Die Trennung der Strahlwege der Laserstrahlung und der Temperaturstrahlung wird über einen geeigneten Strahlteiler erreicht. Zwischen diesem Strahlteiler und dem Pyrometer ist dann ein weiterer Teil der Abbildungsoptik angeordnet, der die entsprechende Skalierung der Abbildung des vom Laserspot in der Fügeebene eingenommenen Bereiches vornimmt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der vom Laserspot in der Fügeebene eingenommene Bereich so in die Detektionsebene abgebildet, dass er eine Fläche in der Detektionsebene einnimmt, die um den Faktor 1,5 bis 3 größer als die Detektionsfläche des Pyrometers ist. Das Zentrum des abgebildeten Bereichs liegt dabei vorzugsweise im Zentrum der Detektionsfläche. Das Messsignal des Pyrometers kann damit direkt mit der Festigkeit der Schweißnaht korreliert werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorgeschlagene Vorrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus der vorgeschlagenen Vorrichtung; und
  • 2 eine schematische Darstellung, die die Abbildung des vom Laserspot in der Fügeebene eingenommenen Bereichs auf die Detektionsfläche zeigt.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • 1 zeigt schematisch ein Beispiel für den Aufbau der vorgeschlagenen Vorrichtung, wie sie zum Laserschweißen von Kunststofffolien eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse 1, in dem ein Pyrometer 2 an einem Ende angeordnet ist. Auf einer dem Pyrometer gegenüberliegenden Seite des Gehäuses ist eine Öffnung vorgesehen, in der eine Fokussierlinse 3 mit einer Brennweite von f = 100 mm gehaltert ist. Diese Fokussierlinse dient der Fokussierung von Laserstrahlung 12, die von der Seite über eine 600 μm – Faser 4 eingekoppelt wird. Die aus der Faser austretende Laserstrahlung 12 wird mit einer Kollimationslinse 5 mit einer Brennweite von f = 30 mm kollimiert und über einen dichroitischen Spiegel 6 durch die Fokussierlinse 3 in die Fügeebene 11 fokussiert. Der dichroitische Spiegel 6 hat in diesem Beispiel das Maximum der Reflexion bei einer Wellenlänge von 940 nm, der Wellenlänge der eingekoppelten Laserstrahlung 12. Der dichroitische Spiegel ist gleichzeitig durchlässig für Temperaturstrahlung 13 im Bereich von 2–3 μm, die von den Fügeteilen über die Fokussierlinse 3 in das Gehäuse des Bearbeitungskopfes eintritt. Diese Temperaturstrahlung 13 tritt durch den dichroitischen Spiegel hindurch und wird über eine Projektionsoptik 7 mit einer Brennweite von in diesem Fall f = 150 mm auf die Detektionsebene abgebildet, in der die Detektionsfläche des Pyrometers 2 liegt. Vor dem Pyrometer sind noch ein oder mehrere geeignete Filter 8 angeordnet, die für die Temperaturstrahlung 13 durchlässig sind, die Wellenlänge der Laserstrahlung 12 jedoch blockieren.
  • Die Höhe des in der 1 dargestellten Laserbearbeitungskopfes zwischen der Austrittsöffnung der Laserstrahlung an der Fokussierlinse 3 und dem hinteren Ende des Pyrometers beträgt etwa 350 bis 450 mm. Der Bearbeitungsabstand zu den zu fügenden Objekten zwischen der Austrittsöffnung und der Fügeebene liegt zwischen 50 und 100 mm.
  • Die Projektionsoptik 7 ist in diesem Beispiel so gewählt, dass eine Abbildung von 1:2 erreicht wird. Damit umfasst die Fläche, die die Abbildung des vom Laserspot in der Fügeebene eingenommenen Bereichs in der Detektionsebene des Pyrometers 2 einnimmt, das Doppelte der Detektionsfläche 9 des Pyrometers. Dies ist schematisch in 2 angedeutet, in der die Detektionsfläche 9 des Pyrometers 2 und der in die Detektionsebene zentriert zum Zentrum der Detektionsfläche 9 des Pyrometers 2 abgebildete Bereich 10 dargestellt sind, der vom Laserspot in der Fügeebene eingenommen wird. Damit erfasst das Pyrometer lediglich den zentralen Bereich des Laserspots bzw. der von dem Laserspot gerade bearbeiteten Fläche, in dem häufig die maximale Prozesstemperatur auftritt. Das heißt, dass nur der Bereich der höchsten Temperatur erfasst wird, der für die Prozessführung maßgeblich ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gehäuse
    2
    Pyrometer
    3
    Fokussierlinse
    4
    Faser
    5
    Kollimationslinse
    6
    dichroitischer Spiegel
    7
    Projektionsoptik
    8
    Filter
    9
    Detektionsfläche
    10
    abgebildeter Bereich
    11
    Fügeebene
    12
    Laserstrahlung
    13
    Temperaturstrahlung

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Erfassung der Fügetemperatur beim Laserstrahlschweißen von Thermoplasten, mit – einem Laserbearbeitungskopf, mit dem ein Laserspot zum Laserstrahlschweißen in einer Fügeebene (11) erzeugt werden kann, – einem Pyrometer (2) mit einer Detektionsfläche (9) in einer Detektionsebene, und – einer Abbildungsoptik (3, 7), die einen vom Laserspot in der Fügeebene (11) eingenommenen Bereich in die Detektionsebene abbildet, wobei die Abbildungsoptik (3, 7) so ausgebildet ist, dass die Abbildung (10) des vom Laserspot in der Fügeebene (11) eingenommenen Bereichs in der Detektionsebene größer als die Detektionsfläche (9) des Pyrometers (2) ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (3, 7) so ausgebildet ist, dass die Abbildung (10) des vom Laserspot in der Fügeebene (11) eingenommenen Bereichs zentriert auf der Detektionsfläche (9) liegt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pyrometer (2) und die Abbildungsoptik (3, 7) starr mit dem Laserbearbeitungskopf verbunden oder in diesen integriert sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserbearbeitungskopf eine Optik (3) zur Fokussierung eines Laserstrahls (12) für die Erzeugung des Laserspots aufweist, die Teil der Abbildungsoptik (3, 7) ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (3, 7) so ausgebildet ist, dass die Abbildung (10) des vom Laserspot in der Fügeebene (11) eingenommenen Bereichs in der Detektionsebene eine Fläche aufweist, die um den Faktor 1,5 bis 3 größer als die Detektionsfläche (9) des Pyrometers (2) ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine für das Laserstrahlschweißen von Platten oder Folien genutzte Andruckplatte aus einem Material besteht, das im Bereich des Maximums der beim Laserstrahlschweißen von Thermoplasten auftretenden Temperaturstrahlung (13), insbesondere im Bereich von 2 μm oder darüber, durchlässig ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass optische Elemente im Strahlengang zwischen der Fügeebene (11) und der Detektionsfläche aus einem Material bestehen, das im Bereich des Maximums für beim Laserstrahlschweißen von Thermoplasten auftretende Temperaturstrahlung (13), insbesondere im Bereich von 2 μm oder darüber, durchlässig ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Detektionsfläche (9) eines oder mehrere optische Elemente (6, 8) angeordnet sind, die verhindern, dass für das Laserschweißen eingesetzte Laserstrahlung (12) auf die Detektionsfläche (9) trifft.
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