DE102012106645A1

DE102012106645A1 - Schweißvorrichtung zum Verschweißen eines Schlauchs mit einem Anschlussele-ment durch Laserlicht und Verfahren zum Verschweißen mit der Schweißvorrichtung

Info

Publication number: DE102012106645A1
Application number: DE201210106645
Authority: DE
Inventors: André Wermescher; Michael Weber
Original assignee: Rehau AG and Co
Current assignee: Rehau Automotive SE and Co KG
Priority date: 2012-07-16
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2014-01-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung (10) zum Verschweißen eines Schlauchs (12) mit einem Anschlusselement (14), wobei der Schlauch (12) und das Anschlusselement (14) ineinander steckbar sind, mit wenigstens drei Laserlichtquellen (18), wobei der durch das ineinander stecken ausgebildete Verbindungsbereich (16) in einer Schweißposition (26) anordenbar ist und wobei jede Laserlichtquelle (18) eingerichtet ist, den Verbindungsbereich (16) in der Schweißposition (26) mit Laserlicht zu bestrahlen, wobei der Verbindungsbereich (16) in der Schweißposition (26) entlang seines gesamten Umfangs mit Laserlicht angestrahlt ist, wenn ihn alle Laserlichtquellen (18) zum Verschweißen des Schlauchs (12) mit dem Anschlusselement (14) gleichzeitig anstrahlen, wobei die Schweißvorrichtung (10) eine Reflexionsvorrichtung (28) mit einer vorzugsweise zylindermantelförmigen Reflexionsfläche (30) hat und sich die Schweißposition (26) innerhalb des von der Reflexionsfläche (30) umgrenzten Bereichs (34) befindet. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Verschweißen eines Schlauchs (12) mit einem Anschlusselement (14).

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung zum Verschweißen eines Schlauchs mit einem Anschlusselement durch Laserlicht.
Es ist bekannt einen Schlauch mit einem Anschlusselement an dem durch ineinander stecken von Schlauch und Anschlusselement ausgebildeten Verbindungsbereich durch Laserdurchstrahlschweißen zu verschweißen. Beim Laserdurchstrahlschweißen erfolgt durch die Bestrahlung des Verbindungsbereichs mit Laserlicht eine Erwärmung, die zum wenigstens bereichsweisen Aufschmelzen von Kunststoffmaterial des Schlauchs und/oder des Anschlusselements führt, einhergehend mit der Schaffung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Schlauch und dem Anschlusselement im Verbindungsbereich.
Um an dem Verbindungsbereich eine sich entlang des gesamten Umfangs erstreckende Schweißverbindung zu erzielen, werden bei einer bekannten Schweißvorrichtung radialsymmetrische Umfangsschweißnähte durch Konturschweißverfahren erzeugt. Hierfür muss der Laserstrahl entweder um das Bauteil geführt oder das Bauteil selbst gedreht werden, einhergehend mit einem großen technischen Aufwand. Ferner ist auch die Handhabung einer entsprechenden Vorrichtung sehr aufwendig und daher ggf. auch unwirtschaftlich. Besonders schwierig gestaltet sich die Handhabung dieser Vorrichtung, wenn gebogene lange Schlauchleitungen mit Anschlusselementen zu verschweißen sind.
Bei einer anderen bekannten Schweißvorrichtung kommen radialsymmetrische Spiegelsysteme zum Einsatz, die einen Laserstrahl in der Art umlenken, dass eine Umfangs-Schweißnaht quasi simultan erzeugt werden kann. Diese bekannte Lösung ist jedoch nur für Schweißnähte praktikabel, die in die Spiegeloptik passen. So können beispielsweise nur Nähte nahe am Ende eines Anschlusselements bzw. eines Schlauchs verschweißt werden. Bei einer weiteren bekannten Schweißvorrichtung werden durch die Anordnung mehrerer Laserstrahlquellen und einer entsprechenden synchronen Ansteuerung Umfangs-Schweißnähte simultan erzeugt, wobei es sich bei den Laserstrahlquellen insbesondere um Linienlaser handeln kann. Der Energieeintrag im Überlappbereich der Laserlinien stellt eine technische Herausforderung dar. Es muss eine Homogenisierung der Laserstrahlung erfolgen, damit der Energieeintrag am gesamten Umfang nahezu gleichmäßig ist. Um diese Homogenisierung zu erreichen, ist es erforderlich das Laserlicht durch 2 planparallele Platten zu führen, die einen der Schweißnahtbreite angepassten Abstand zueinander haben. Eine Vorrichtung, bei der mehrere Laserstahlquellen verwendet werden, ist z.B. aus der EP 2 159 037 B1 bekannt.
Zugrundeliegende Aufgabe
Gegenüber den bekannten Lösungen ist es Aufgabe der Erfindung, eine Schweißvorrichtung anzugeben, mit welcher auf einfache und praktische Weise ein Verschweißen eines Schlauchs mit einem Anschlusselement durch Laserlicht möglich ist, und ein Verfahren zum Verschweißen eines Schlauchs mit einem Anschlusselement unter Verwendung einer derartigen Schweißvorrichtung anzugeben.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Schweißvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung sind wenigstens drei Laserlichtquellen vorgesehen, die vorzugsweise am Umfang eines Anordnungskreises gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Der durch das ineinander stecken von Schlauch und Anschlusselement ausgebildete Verbindungsbereich ist in einer Schweißposition anordenbar und jede Laserlichtquelle ist eingerichtet, den Verbindungsbereich in der Schweißposition mit Laserlicht zu bestrahlen.
Bei dem Schlauch kann es sich insbesondere um einen Schlauch aus einem polymeren Material bzw. um einen polymeren Schlauch handeln. Insbesondere kann der Schlauch aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial bestehen. Auch bei dem Anschlusselement kann es sich insbesondere um ein Anschlusselement aus einem polymeren Material bzw. um ein polymeres Anschlusselement handeln. Insbesondere kann auch das Anschlusselement aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial bestehen.
Der Schlauch und das Anschlusselement können insbesondere auch Komponenten einer HWL-Leitung sein, die im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt wird. Eine HWL-Leitung ist eine Fluid-Leitung zur Leitung und Temperierung von Harnstoff-Wasser-Lösungen, die Verbrennungsabgasen von Kraftfahrzeugen, insbesondere von Dieselmotoren, zugegeben werden, um vor allem die Stickoxidemissionen zu senken und damit die gestiegenen Anforderungen der Abgasvorschriften zu erfüllen. Solche HWL-Leitungen weisen üblicherweise einen Innendurchmesser von weniger als 10 mm auf. Da Harnstoff-Wasser-Lösungen eine ausgeprägte Kriechneigung aufweisen, werden an die Dichtigkeit derartiger Leitungen sehr hohe Anforderungen gestellt. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung können diese hohen Anforderungen erfüllt werden.
Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, dass mit der Vorrichtung ein Schlauch mit hoher Steifigkeit, also von rohrartiger Gestalt, verschweißt wird. So können erfindungsgemäß z.B. auch polymere Rohre für Fußbodenheizungen, Betonkerntemperierungen oder dergleichen mit entsprechenden Anschlusselementen verschweißt werden. Hieraus ist erkennbar, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zum Verschweißen von Schläuchen mit vergleichsweise großen Innendurchmessern von z.B. 30 mm und mehr geeignet ist.
Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung vorgesehen, dass der Verbindungsbereich in der Schweißposition entlang seines gesamten Umfangs mit Laserlicht angestrahlt ist bzw. anstrahlbar ist, wenn ihn alle Laserlichtquellen zum Verschweißen des Schlauchs mit dem Anschlusselement gleichzeitig anstrahlen. Durch die vorgesehene Anstrahlung des Verbindungsbereichs durch die Laserlichtquellen entlang des gesamten Umfangs kann auf einfache und praktische Weise eine sich entlang des gesamten Umfangs des Verbindungsbereichs erstreckende Schweißverbindung durch Laserdurchstrahlschweißen geschaffen werden.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung eine Reflexionsvorrichtung mit einer Reflexionsfläche auf, die in Form einer Mantelfläche eines geraden Kreiszylinders ausgebildet ist, wobei die Reflexionsfläche für Laserlicht der Laserlichtquellen reflektiv ist, und wobei sich die Schweißposition innerhalb des von der Reflexionsfläche umgrenzten Bereichs befindet. Durch Vorsehen dieser Reflexionsfläche kann die Schweißwirkung bzw. die von den Laserlichtquellen zum Verschweißen an den Verbindungsbereich übertragene Energie deutlich gesteigert werden. Die Schweißposition befindet sich innerhalb des von der Reflexionsfläche umgrenzten Bereichs, so dass Laserlicht der Laserlichtquellen, welches nach Austreten aus den Laserlichtquellen an dem in der Schweißposition angeordneten Verbindungsbereich vorbeistrahlt an der Reflexionsfläche einmal oder mehrmals reflektiert wird und nach erfolgter Reflexion auf den Verbindungsbereich trifft. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein sehr großer Teil der von den Laserlichtquellen eingestrahlten Energie zur Verschweißung genutzt werden und die Energieverluste durch nicht direkt auf den Verbindungsbereich auftreffendes Laserlicht können deutlich reduziert werden.
Dadurch, dass ein sehr großer Teil der von der Laserlichtquellen eingestrahlten Energie zur Verschweißung genutzt werden kann, kann durch Vorsehen der Reflexionsfläche vorteilhaft insbesondere auch eine Verschweißung von Verbindungsbereichen mit unterschiedlichen Durchmessern bzw. Dicken bzw. Quererstreckungen realisiert werden, und zwar ohne hierfür Umbaumaßnahmen an der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung vornehmen zu müssen bzw. ohne hierfür aufwendig entsprechende Einbauelemente vorsehen zu müssen. Durch Vorsehen der Reflexionsfläche, die insbesondere eine metallische Reflexionsfläche sein kann, können vorteilhaft Unterschiede im Durchmesser bzw. Außendurchmesser des Verbindungsbereichs ausgeglichen bzw. kompensiert werden- ganz im Unterschied zu den bekannten Lösungen, bei denen selbst geringfügige Abweichungen von wenigen Millimetern meist aufwendige Umbaumaßnahmen bzw. einen hohen Rüstaufwand erforderlich machen. Mit anderen Worten ist die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung ohne konstruktive Anpassungen zum Verschweißen von Schläuchen unterschiedlicher Durchmesser geeignet.
Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung weist im Vergleich zu bekannten Lösungen einen einfachen Aufbau mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von Komponenten auf, einhergehend mit einer hohen Robustheit. Vorteilhaft ist insbesondere, dass bei einem Schweißvorgang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich das zu verschweißende Werkstück in die Vorrichtung eingebracht werden muss, aber an der Vorrichtung selbst keine Bauteile bewegt werden müssen. Eine Rotation des Werkstücks während des Schweißvorgangs ist ebenfalls nicht erforderlich.
Zur Erzielung einer besonders gleichmäßigen Verschweißung entlang des gesamten Umfangs des Verbindungsbereichs befindet sich die Schweißposition besonders vorteilhaft auf der Symmetrieachse bzw. Zylinderachse des geraden Kreiszylinders bzw. die Schweißposition befindet sich besonders vorteilhaft auf der Symmetrieachse bzw. Zylinderachse der Reflexionsfläche. Oder in anderen Worten: Die Symmetrieachse bzw. die Zylinderachse schneidet die Schweißposition bzw. schneidet oder durchdringt den Verbindungsbereich, wenn er sich in der Schweißposition befindet. Durch Vorsehen der Schweißposition auf der Symmetrieachse bzw. Zylinderachse wird der Verbindungsbereich in einem Teilbereich des von der Reflexionsfläche umgrenzten Bereichs angeordnet, in welchem durch die Geometrie der Reflexionsfläche bedingt ein sehr hoher Energieeintrag von an der Reflexionsfläche reflektiertem Laserlicht bereitgestellt wird.
Bei einer praktischen Ausführungsform weist die Reflexionsvorrichtung für jede Laserlichtquelle wenigstens eine Durchstrahlöffnung zum Durchstahlen des Laserlichts der Laserlichtquelle auf, die sich bis zu der Reflexionsfläche erstreckt. Gemäß dieser praktischen Ausführungsform können die Laserlichtquellen in Umgebung bzw. in der äußeren Umgebung der Reflexionsvorrichtung angeordnet sein, wobei zum Bestrahlen des Verbindungsbereichs in der Schweißposition das aus den Laserlichtquellen heraustretende Laserlicht durch die Durchstrahlöffnungen hindurch auf den Verbindungsbereich gestrahlt werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung sind ein erstes und ein zweites Abdeckelement vorgesehen, die voneinander beabstandet sind, wobei das erste Abdeckelement eine erste ebene Reflexionsfläche und das zweite Abdeckelement eine zweite ebene Reflexionsfläche aufweist, die der ersten Reflexionsfläche zugewandt und vorzugsweise parallel zu dieser angeordnet ist, wobei wiederum vorzugsweise die Reflexionsflächen parallel zu den Grundflächen des geraden Kreiszylinders angeordnet sind und für das Laserlicht der Laserlichtquellen reflektiv sind, und wobei das erste und/oder das zweite Abdeckelement eine Durchgangsöffnung zum Anordnen des Verbindungsbereichs in der Schweißposition von außerhalb der Schweißvorrichtung aufweist.
Durch Vorsehen des ersten und des zweiten Abdeckelements kann in Verbindung mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Reflexionsfläche in Form einer Mantelfläche die Schweißwirkung bzw. die von den Laserlichtquellen zum Verschweißen an den Verbindungsbereich übertragene Energie nochmals deutlich gesteigert werden. Laserlicht der Laserlichtquellen, welches nach Austreten aus den Laserlichtquellen ohne Vorsehen der Abdeckelemente aus dem Bereich, der von der in Form der Mantelfläche ausgebildeten Reflexionsfläche umgrenzt wird, heraustreten würde, wird an der ersten bzw. zweiten ebenen Reflexionsfläche des ersten bzw. zweiten Abdeckelements reflektiert und durch diese Reflexion in den umgrenzten Bereich zurückgelenkt bzw. zurückgeworfen. Auch auf diese Weise kann vorteilhaft ein sehr großer Teil der von der Laserlichtquellen eingestrahlten Energie zur Verschweißung genutzt werden und die Energieverluste durch nicht direkt auf den Verbindungsbereich auftreffendes Laserlicht können deutlich reduziert werden. Durch Vorsehen des ersten und des zweiten Abdeckelements kann in Verbindung mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Reflexionsfläche in Form einer Mantelfläche vorteilhaft insbesondere auch eine Verschweißung von Verbindungsbereichen mit unterschiedlichen Durchmessern bzw. Dicken bzw. Quererstreckungen realisiert werden, und zwar ohne hierfür Umbaumaßnahmen an der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung vornehmen zu müssen. Durch Vorsehen der Reflexionsfläche in Form der Mantelfläche in Verbindung mit den beiden Abdeckelementen können vorteilhaft Schwankungen im Durchmesser bzw. Außendurchmesser des Verbindungsbereichs sehr gut ausgeglichen bzw. kompensiert werden, und zwar ohne hierfür Umbaumaßnahmen an der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung vornehmen zu müssen. Die erste ebene Reflexionsfläche und die zweite ebene Reflexionsfläche können insbesondere metallische Reflexionsflächen sein. Der Abstand zwischen den beiden Abdeckelementen ist an die axiale Länge der herzustellenden Schweißnaht angepasst und zweckmäßigerweise deutlich kleiner als der Durchmesser, bzw. Länge oder Breite der Abdeckelemente. Insbesondere kann dieser Abstand weniger als 5 cm, z.B. weniger als 3 cm, insbesondere weniger als 1 cm, betragen.
Bei der obigen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste und/oder das zweite Abdeckelement eine Durchgangsöffnung zum Anordnen des Verbindungsbereichs in der Schweißposition von außerhalb der Schweißvorrichtung aufweist. Über die Durchgangsöffnung kann der Verbindungsbereich auf einfache und praktische Weise in die Schweißposition gebracht werden. Besonders vorteilhaft ist eine Durchgangsöffnung sowohl an dem ersten als auch an dem zweiten Abdeckelement vorgesehen, die besonders bevorzugt übereinanderliegend angeordnet bzw. fluchtend zueinander ausgerichtet sind. Durch Vorsehen der beiden Durchgangsöffnungen kann der Verbindungsbereich – bzw. der Schlauch und das Anschlusselement – zum Verschweißen über die Durchgangsöffnung des ersten oder zweiten Abdeckelements von außerhalb der Schweißvorrichtung in die Schweißposition gebracht werden und über die Durchgangsöffnung des zweiten oder ersten Abdeckelements von der Schweißposition nach außerhalb der Schweißvorrichtung bewegt werden. Auf diese Weise können vorteilhaft eine Vielzahl von Verbindungsbereichen z.B. im Rahmen einer Serienfertigung miteinander verschweißt werden, und zwar vorteilhaft nach Art eines Durchziehverfahrens.
Insbesondere eignet sich die Schweißvorrichtung durch das Vorsehen von zwei Durchgangsöffnungen vorteilhaft auch für den Einsatz der Schweißvorrichtung bei einer Endlosfertigung bzw. bei einer sogenannten „In-Line-Montage“, bei welcher z.B. eine aus einer Vielzahl von Schlauchstücken und Anschlusselementen gebildete Anordnung – wobei jeweils ein Anschlusselement und ein Schlauchstück ineinander gesteckt sind – zum Verschweißen an den Verbindungsbereichen über die Durchgangsöffnungen durch die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung gezogen bzw. bewegt werden.
Bevorzugt ist die Durchgangsöffnung in Form einer sich zu der Schweißposition hin trichterförmig verengenden Öffnung ausgebildet bzw. bevorzugt ist jede Durchgangsöffnung in Form einer sich zu der Schweißposition hin trichterförmig verengenden Öffnung ausgebildet. Durch Vorsehen der sich trichterförmig verengenden Öffnung kann der Verbindungsbereich infolge der Trichterform vorteilhaft nach Art einer Selbstzentrierung in der Schweißposition angeordnet werden. Die Durchgangsöffnung ist zweckmäßigerweise deutlich größer als der Außendurchmesser des Verbindungsbereichs zwischen Schlauch und Anschlusselement.
Bei einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung ist für jede Laserlichtquelle eine Strahlformoptik zum Aufweiten des Laserlichts vorgesehen, wobei die Strahlformoptik besonders bevorzugt eingerichtet ist, das Laserlicht in zwei zueinander rechtwinkeligen Aufweitungs-Richtungen aufzuweiten, wobei eine Aufweitungsrichtung parallel zu den Grundflächen des geraden Kreiszylinders orientiert ist und die andere Aufweitungsrichtung parallel zur Symmetrieachse bzw. Zylinderachse des geraden Kreiszylinders orientiert ist. Durch Vorsehen der Strahlformoptiken kann insbesondere in Verbindung mit der in Form der Mantelfläche ausgebildeten Reflexionsfläche und besonders bevorzugt auch in Verbindung mit den gemäß der obigen bevorzugten Ausführungsform vorgesehenen Abdeckelementen eine Verschweißung von Verbindungsbereichen mit unterschiedlichen Durchmessern bzw. Dicken bzw. Quererstreckungen realisiert werden, und zwar ohne hierfür Umbaumaßnahmen an der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung vornehmen zu müssen. Die Strahlformoptiken gewährleisten hierbei einen wesentlichen Beitrag für eine wirksame Kompensation von variierenden Durchmessern bzw. Außendurchmessers des Verbindungsbereichs. Durch die Aufweitung wird gewährleistet, dass auch für unterschiedliche dimensionierte Durchmesser der Verbindungsbereich in der Schweißposition entlang seines gesamten Umfangs mit Laserlicht angestrahlt werden kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung sind eine ungerade Anzahl von wenigstens fünf Laserlichtquellen vorgesehen. Da die Laserlichtquellen erfindungsgemäß gleichmäßig verteilt an dem Umfang des Anordnungskreises angeordnet sind, kann vorteilhaft durch Vorsehen einer ungeraden Anzahl von Laserlichtquellen eine gegenüberliegende Anordnung von jeweils zwei Laserlichtquellen vermieden werden, welche eine ungewünschte Schwächung des Energieeintrags durch Interferenzeffekte begünstigt. Durch Erhöhung der Anzahl der Laserlichtquellen kann die Toleranz der Schweißvorrichtung gegenüber variierenden Durchmessern (bzw. Dicken bzw. Quererstreckungen) der Verbindungsbereiche wesentlich erhöht werden. Je mehr Laserlichtquellen man vorsieht desto größer können die Abweichungen in bezug auf den Durchmessern bzw. die Dicke bzw. die Quererstreckung sein, und zwar ohne hierfür aufwendige Umbaumaßnahmen vornehmen zu müssen.
Bei einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung ist jede Laserlichtquelle ein Diodenlaser. Diodenlaser zeichnen sich durch eine große Robustheit und vergleichsweise niedrige Anschaffungskosten aus, wobei das von den Diodenlasern erzeugbare Laserlicht eine Laserlicht mit einer Wellenlänge innerhalb eines Bereichs von 808 bis 1000 nm sein kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

(A) Herstellen einer Verbindung des Anschlusselements mit dem Schlauch durch ineinander stecken,
(B) Anordnen des durch das Einstecken in Schritt A gebildeten Verbindungsbereichs in der Schweißposition, und
(C) Verschweißen des Schlauchs mit dem Anschlusselement im Verbindungsbereich durch Aktivieren aller Laserlichtquellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache und praktische Weise ein Verschweißen eines Schlauchs mit einem Anschlusselement im Laserdurchstrahlschweißverfahren. Da beim Laserdurchstrahlschweißen in bekannter Weise ein Verbindungspartner für das Laserlicht einen hohen Transmissionsgrad und der andere Verbindungspartner für das Laserlicht einen hohen Absorptionsgrad aufweisen muss, weist der Schlauch oder das Anschlusselement zumindest in dem Verbindungsbereich einen hohen Absorptionsgrad auf und das Anschlusselement oder Schlauch weist zumindest im Verbindungsbereich einen hohen Transmissionsgrad auf. Oder in anderen Worten: Der Schlauch oder das Anschlusselement muss zumindest im Verbindungsbereich aus einem Material bestehen, das für das Laserlicht transparent ist und das Anschlusselement oder der Schlauch muss zumindest im Verbindungsbereich aus einem Material bestehen, das für das Laserlicht absorbierend ist, je nachdem ob das Anschlusselement in den Schlauch gesteckt wird oder umgekehrt.
Nach dem Herstellen der Verbindung gemäß Schritt A ist der Verbindungsbereich lediglich in der Schweißposition anzuordnen, um anschließend die Schweißverbindung durch Aktivieren aller Laserlichtquellen- vorzugsweise durch gleichzeitiges Aktivieren aller Laserlichtquellen -herzustellen.
Besonders bevorzugt wird in Schritt A bei dem ineinander stecken eine Pressverbindung zwischen dem Anschlusselement und dem Schlauch ausgebildet. Durch die Pressverbindung wird vorteilhaft eine gegenseitige Positionierung des Schlauchs relativ zu dem Anschlussstück bereits vor dem Verschweißen in der Schweißposition vorgenommen. Durch die gegenseitige Positionierung wird die Ausbildung einer sehr gleichmäßigen und robusten Verschweißung in der Schweißposition mittels Laserlicht begünstigt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung,
2 eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Laserlichtquelle der in 1 dargestellten Schweißvorrichtung zusammen mit einer schematischen dreidimensionalen Darstellung eines austretenden Laserlichtstrahls,
3 eine schematische Schnittdarstellung eines Schlauchs und eines Anschlusselements, die ineinander gesteckt sind.
4 eine schematische Schnittdarstellung eines Teilbereichs der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung,
5 eine schematische Draufsicht der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung, und
6 schematische Schnittdarstellungen zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 1 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung 10 zum Verschweißen eines Schlauchs 12 mit einem Anschlusselement 14 durch Laserlicht. Die Schweißvorrichtung 10 ermöglicht das Verschweißen des Schlauchs 12 mit dem Anschlusselement 14 durch Laserdurchstrahlschweißen an dem durch ineinander stecken von Schlauch 12 und Anschlusselement 14 ausgebildeten Verbindungsbereich 16 – vgl. hierzu auch die Anordnung 24 der 3. Da beim Laserdurchstrahlschweißen bekannter Weise ein Verbindungspartner für das Laserlicht einen hohen Transmissionsgrad und der andere Verbindungspartner einen hohen Absorptionsgrad aufweisen muss, weist bei der Anordnung 24 der 3 der Schlauch zumindest im Verbindungsbereich 16 einen hohen Absorptionsgrad auf und das Anschlusselement 14 weist zumindest im Verbindungsbereich 16 einen hohen Transmissionsgrad auf.
Die Schweißvorrichtung 10 weist drei Laserlichtquellen 18 auf, die am Umfang 20 eines Anordnungskreises 22 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Bei jeder Laserlichtquelle 18 handelt es sich um einen Diodenlaser 18, wobei das aus dem Diodenlaser 18 austretende Laserlicht in Form eines Strahls mit einer Höhe von ca. 1 mm und einer Breite von ca. 10 mm aus dem Diodenlaser strahlt.
Der durch das ineinander stecken ausgebildete Verbindungsbereich 16 (die zu verschweißende Anordnung 24 aus Schlauch 12 und Anschlusselement 14 ist in 1 nur sehr schematisch in Form eines zylindrischen Elements veranschaulicht) ist in einer Schweißposition 26 anordenbar. Jede Laserlichtquelle 18 ist eingerichtet ist, den Verbindungsbereich 16 in der Schweißposition 26 mit Laserlicht (vgl. Pfeile) zu bestrahlen.
Der Verbindungsbereich 16 ist in der Schweißposition 26 entlang seines gesamten Umfangs mit Laserlicht angestrahlt bzw. anstrahlbar, wenn ihn alle Laserlichtquellen 18 zum Verschweißen des Schlauchs 12 mit dem Anschlusselement 14 gleichzeitig anstrahlen.
Die Schweißvorrichtung 10 weist eine Reflexionsvorrichtung 28 mit einer Reflexionsfläche 30 auf, die in Form einer Mantelfläche 31 eines geraden Kreiszylinders 32 ausgebildet ist. Die Reflexionsfläche 30 ist für Laserlicht der Laserlichtquellen 18 reflektiv. Die Schweißposition 26 befindet sich innerhalb des von der Reflexionsfläche 30 umgrenzten Bereichs 34 auf der Symmetrieachse 36 des geraden Kreiszylinders 32. Die Reflexionsvorrichtung 28 weist für jede Laserlichtquelle 18 wenigstens eine Durchstrahlöffnung 38 zum Durchstahlen des Laserlichts der Laserlichtquelle 18 auf, die sich bis zu der Reflexionsfläche 30 erstreckt.
Für jede Laserlichtquelle 18 ist eine Strahlformoptik 40 zum Aufweiten des Laserlichts vorgesehen (vgl. auch 2 und 5). Jede Strahlformoptik 40 ist eingerichtet, das Laserlicht 19 in zwei zueinander rechtwinkeligen Aufweitungs-Richtungen aufzuweiten, wobei eine Aufweitungsrichtung parallel zu den Grundflächen 42 des geraden Kreiszylinders 32 orientiert ist und die andere Aufweitungsrichtung parallel zur Symmetrieachse 36 bzw. Zylinderachse 36 des geraden Kreiszylinders 32 orientiert ist. Der durch die Laserlichtquelle 18 in Verbindung mit der Strahlformoptik 40 erzeugbare Strahl weist eine pyramidenstumpfförmige Form auf.
Die in 1 dargestellte Schweißvorrichtung 10 weist ein erstes und ein zweites Abdeckelement 44, 46 (vgl. 4) auf, die voneinander beabstandet sind, wobei das zweite obere Abdeckelement 46 in der 3 zur Veranschaulichung der in Form der Mantelfläche 31 ausgebildeten Reflexionsfläche 30 nicht dargestellt ist. Das erste Abdeckelement 44 (vgl. 4) weist eine erste ebene Reflexionsfläche 48 und das zweite Abdeckelement 46 weist eine zweite ebene Reflexionsfläche 50 auf, die der ersten Reflexionsfläche 48 zugewandt und parallel zu dieser angeordnet ist. Der axiale Abstand zwischen den beiden Reflexionsflächen 48 und 50 (Höhe des Freiraums in 4) beträgt im Ausführungsbeispiel weniger als 5 cm, z.B. weniger als 3 cm, insbesondere weniger als 1 cm, z.B. 2–8 mm. Die Reflexionsflächen 48, 50 sind parallel zu den Grundflächen 42 des geraden Kreiszylinders angeordnet und für das Laserlicht der Laserlichtquellen 18 reflektiv. Sowohl das erste als auch das zweite Abdeckelement 44, 46 weist eine Durchgangsöffnung 52 zum Anordnen des Verbindungsbereichs 16 in der Schweißposition 26 von außerhalb der Schweißvorrichtung 10 auf. Die Durchgangsöffnungen 52 sind fluchtend zueinander ausgerichtet und jede Durchgangsöffnung 52 ist in Form einer sich zu der Schweißposition 26 hin trichterförmig verengenden Öffnung 52 ausgebildet.
Bei dem in der 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Grundflächen 42 des geraden Kreiszylinders 32 parallel und konzentrisch zu dem Anordnungskreis 22 angeordnet.
Die 5 zeigt eine schematische Draufsicht der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung 10. Die 5 veranschaulicht, dass Laserlicht (vgl. die gestrichelten Pfeile) der Laserlichtquellen 18, welches nach Austreten aus den Laserlichtquellen 18 an dem in der Schweißposition 26 angeordneten Verbindungsbereich 16 vorbeistrahlt an der Reflexionsfläche 30 reflektiert wird und nach erfolgter Reflexion auf den Verbindungsbereich 16 trifft.
Auf diese Weise kann vorteilhaft ein sehr großer Teil der von den Laserlichtquellen 18 eingestrahlten Energie zur Verschweißung genutzt werden und die Energieverluste durch nicht direkt auf den Verbindungsbereich 16 auftreffendes Laserlicht können deutlich reduziert werden. Dadurch, dass ein sehr großer Teil der von den Laserlichtquellen 18 eingestrahlten Energie zur Verschweißung genutzt werden kann, kann durch Vorsehen der Reflexionsfläche 30 vorteilhaft insbesondere auch eine Verschweißung von Verbindungsbereichen mit unterschiedlichen Durchmessern bzw. Dicken bzw. Quererstreckungen realisiert werden, und zwar ohne hierfür Umbaumaßnahmen an der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung 10 vornehmen zu müssen. Durch Vorsehen der Reflexionsfläche 30 können vorteilhaft Schwankungen im Durchmesser bzw. Außendurchmesser des Verbindungsbereichs 16 ausgeglichen bzw. kompensiert werden.
Auch durch Vorsehen der ebenen Reflexionsflächen 48 und 50 an dem ersten und zweiten Abdeckelement 44, 46 (vgl. 4) kann die Schweißwirkung bzw. die von den Laserlichtquellen 18 zum Verschweißen an den Verbindungsbereich 16 übertragene Energie nochmals deutlich gesteigert werden. Laserlicht der Laserlichtquellen 18, welches nach Austreten aus den Laserlichtquellen 18 ohne Vorsehen der Abdeckelemente 44, 46 aus dem umgrenzten Bereich 34 heraustreten würde, wird an der ersten bzw. zweiten ebenen Reflexionsfläche 48, 50 des ersten bzw. zweiten Abdeckelements 44, 46 reflektiert und durch diese Reflexion in den umgrenzten Bereich zurückgelenkt bzw. zurückgeworfen, wie auch durch entsprechende Pfeile in 4 veranschaulicht. Auch auf diese Weise kann vorteilhaft ein sehr großer Teil der von den Laserlichtquellen 18 eingestrahlten Energie zur Verschweißung genutzt werden und die Energieverluste durch nicht direkt auf den Verbindungsbereich 16 auftreffendes Laserlicht können deutlich reduziert werden.
Die Durchgangsöffnungen 52 bzw. Objekt-Einbringungs-Öffnungen 52 (vgl. 5) sind größer ausgebildet als der Durchmesser bzw. die Quererstreckung der hier schematisch dargestellten Anordnung 24 aus Schlauch 12 und Anschlusselement 14, um auch das Einbringen von Schlauch-Anschlusselement-Anordnungen 24 mit größerem Durchmesser bzw. größerer Quererstreckung zu ermöglichen.
Die 6 zeigt schematische Schnittdarstellungen zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt A erfolgt zunächst das Herstellen einer Verbindung des Anschlusselements 14 mit dem Schlauch 12 durch ineinander stecken von Anschlusselement 14 und Schlauch 12 (vgl. Darstellung mit dem Doppelpfeil), wobei bei dem ineinander stecken eine Pressverbindung zwischen dem Anschlusselement 14 und dem Schlauch 12 ausgebildet wird. Anschießend wird in Schritt B der durch das Einstecken in Schritt A gebildete Verbindungsbereich 16 über die Durchgangsöffnung 52 des zweiten Abdeckelements 46 in der Schweißposition 26 angeordnet. Der Durchmesser der Durchgangsöffnung 52 ist größer, im Ausführungsbeispiel deutlich größer als der Außendurchmesser des Verbindungsbereichs 16 zwischen Anschlusselement 14 und Schlauch 12. So kann z.B. der Durchmesser der Durchgangsöffnung 20–150 mm, insbesondere 50–100 mm betragen. Hiernach erfolgt in Schritt C das Verschweißen des Schlauchs 12 mit dem Anschlusselement 14 im Verbindungsbereich 16 durch Aktivieren aller Laserlichtquellen 18. Hieran anschließend wird der Verbindungsbereich 16 bzw. der mit dem Anschlusselement 14 verbundene Schlauch 12 aus der Schweißposition 26 herausbewegt.
Bezugszeichenliste

10: Schweißvorrichtung
12: Schlauch
14: Anschlusselement
16: Verbindungsbereich
18: Laserlichtquelle
19: Laserlicht
20: Umfang
22: Anordnungskreis
24: Anordnung Schlauch-Anschlusselement
26: Schweißposition
28: Reflexionsvorrichtung
30: Reflexionsfläche
31: Mantelfläche
32: Kreiszylinder
34: umgrenzter Bereich
36: Symmetrieachse
38: Durchstrahlöffnung
40: Strahlformoptik
42: Grundfläche
44: erstes Abdeckelement
46: zweites Abdeckelement
48: erste ebene Reflexionsfläche
50: zweite ebene Reflexionsfläche
52: Durchgangsöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2159037 B1 [0004]

Claims

Schweißvorrichtung (10) zum Verschweißen eines Schlauchs (12) mit einem Anschlusselement (14) durch Laserlicht, wobei der Schlauch (12) und das Anschlusselement (14) ineinander steckbar sind, mit wenigstens drei Laserlichtquellen (18), die vorzugsweise am Umfang (20) eines Anordnungskreises (22) gleichmäßig verteilt angeordnet sind, wobei der durch das ineinander stecken ausgebildete Verbindungsbereich (16) in einer Schweißposition (26) anordenbar ist und wobei jede Laserlichtquelle (18) eingerichtet ist, den Verbindungsbereich (16) in der Schweißposition (26) mit Laserlicht zu bestrahlen, wobei der Verbindungsbereich (16) in der Schweißposition (26) entlang seines gesamten Umfangs mit Laserlicht angestrahlt ist, wenn ihn alle Laserlichtquellen (18) zum Verschweißen des Schlauchs (12) mit dem Anschlusselement (14) gleichzeitig anstrahlen, wobei die Schweißvorrichtung (10) eine Reflexionsvorrichtung (28) mit einer Reflexionsfläche (30) aufweist, die vorzugsweise in Form einer Mantelfläche (31) eines geraden Kreiszylinders (32) ausgebildet ist, wobei die Reflexionsfläche (30) für Laserlicht der Laserlichtquellen (18) reflektiv ist, und wobei sich die Schweißposition (26) innerhalb des von der Reflexionsfläche (30) umgrenzten Bereichs (34) befindet.
Schweißvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes und ein zweites Abdeckelement (44, 46) vorgesehen sind, die voneinander beabstandet sind, wobei das erste Abdeckelement (44) eine erste ebene Reflexionsfläche (48) und das zweite Abdeckelement (46) eine zweite ebene Reflexionsfläche (50) aufweist, die der ersten Reflexionsfläche (48) zugewandt und vorzugsweise parallel zu dieser angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Reflexionsflächen (44, 46) parallel zu den Grundflächen (42) des geraden Kreiszylinders (32) angeordnet sind und für das Laserlicht der Laserlichtquellen (18) reflektiv sind, und wobei das erste und/oder das zweite Abdeckelement (44, 46) eine Durchgangsöffnung (52) zum Anordnen des Verbindungsbereichs (16) in der Schweißposition (26) von außerhalb der Schweißvorrichtung (10) aufweist.
Schweißvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung (52) in Form einer sich zu der Schweißposition (26) hin trichterförmig verengenden Öffnung (52) ausgebildet ist.
Schweißvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Laserlichtquelle (18) eine Strahlformoptik (40) zum Aufweiten des Laserlichts vorgesehen ist.
Schweißvorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformoptik (40) eingerichtet ist, das Laserlicht in zwei zueinander rechtwinkeligen Aufweitungs-Richtungen aufzuweiten, wobei eine Aufweitungsrichtung parallel zu den Grundflächen (42) des geraden Kreiszylinders (32) orientiert ist und die andere Aufweitungsrichtung parallel zur Symmetrieachse (36) des geraden Kreiszylinders (32) orientiert ist.
Schweißvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine ungerade Anzahl von wenigstens fünf Laserlichtquellen (18) vorgesehen sind.
Schweißvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Laserlichtquelle (18) ein Diodenlaser (18) ist.
Schweißvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsvorrichtung (28) für jede Laserlichtquelle (18) wenigstens eine Durchstrahlöffnung (38) zum Durchstahlen des Laserlichts der Laserlichtquelle (18) aufweist, die sich bis zu der Reflexionsfläche (30) erstreckt.
Schweißvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schweißposition (26) auf der Symmetrieachse (36) des geraden Kreiszylinders (32) befindet.
Verfahren zum Verschweißen eines Schlauchs (12) mit einem Anschlusselement (14) unter Verwendung einer Schweißvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (A) Herstellen einer Verbindung des Anschlusselements (14) mit dem Schlauch (12) durch ineinander stecken, (B) Anordnen des durch das Einstecken in Schritt A gebildeten Verbindungsbereichs (16) in der Schweißposition (26), und (C) Verschweißen des Schlauchs (12) mit dem Anschlusselement (14) im Verbindungsbereich (16) durch Aktivieren aller Laserlichtquellen (18).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (A) bei dem ineinander stecken eine Pressverbindung zwischen dem Anschlusselement (14) und dem Schlauch (12) ausgebildet wird.