DE102014108894B4 - Verfahren zum prozessgesteuerten Verschweißen von Materialien - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum prozessgesteuerten Verschweißen von Materialien, bei dem mindestens zwei übereinanderliegende Werkstücke (5, 6) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls verbunden werden, wobei- ein Werkstück eine mindestens teilweise transparente Außenhülle aufweist,- ein erstes Werkstück (5) an einem feststehenden ersten Aufnahmeteil (3) angeordnet wird und ein zweites Werkstück (6) an einem beweglichen zweiten Aufnahmeteil (4) befestigt wird,- wobei das bewegliche zweite Aufnahmeteil (4) in einer Führung in Fügerichtung bewegt wird, wobei- eine steuerbare Laserstrahlung, welche durch Öffnungen, die im ersten Aufnahmeteil (3) angebracht sind, auf das erste Werkstück (5) gelangt und dieses erhitzt, so dass es erweicht,- das zweite Aufnahmeteil (4) in Fügerichtung bewegt wird, so dass das zweite Werkstück (6) in Richtung zum ersten Werkstück (5) bewegt wird, welches infolge der Laserstrahlung erweicht ist, so dass zwischen den beiden Werkstücken (5, 6) eine Schweißnaht (7) gebildet wird, der Weg (s) des zweiten Aufnahmeteils (4) und/oder die Kraft (F), mit welcher die beiden Werkstücke (5, 6) gegeneinander gedrückt werden, gemessen werden,- die Bewegung des beweglichen zweiten Aufnahmeteils (4) in Anhängigkeit von der Kraft (F), mit welcher die beiden Werkstücke (5, 6) gegeneinander gedrückt werden, oder in Abhängigkeit vom Weg (s), auf dem sich die beiden Werkstücke (5, 6) zueinander bewegen, gesteuert wird, und- die Bewegung des beweglichen zweiten Aufnahmeteils (4) in Anhängigkeit von der Kraft (F), mit welcher die beiden Werkstücke (5, 6) gegeneinander gedrückt werden, und/oder vom Weg (s) des beweglichen zweiten Aufnahmeteils (4) nach Erreichen eines Sollwertes beendet wird und die erreichte Position mittels einer Klemmeinrichtung (10) gesichert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum prozessgesteuerten Verschweißen von Materialien, vorzugsweise zum Verschweißen von Kunststoffteilen.
  • Mit dem Verfahren wird eine Schweißnaht zwischen zwei Materialien durch eine Laserstrahlung erzeugt. Vorzugsweise werden Kunststoffteile verschweißt, wobei auch Kunststoffteile, welche für die Laserstrahlung im Wesentlichen transparent sind, mit weiteren Kunststoffteilen, welche für die Laserstrahlung absorbierend sind, verbunden werden.
  • Typische Anwendungsgebiete für derartige Bearbeitungen sind das Abtragen von Material eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls oder das Verschweißen von Kunststoffteilen oder Metallteilen mittels eines Elektronenstrahls oder eines Laserstrahls. In verschiedenen Anwendungsgebieten werden an derartige Bearbeitungsprozesse hohe Qualitätsanforderungen gestellt, die unter anderem auch eine exakte Führung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls gegenüber dem Werkstück sowie eine Kontrolle des Bearbeitungsergebnisses am Werkstück erfordern.
  • Es ist bekannt, zu diesem Zweck eine Bearbeitungseinrichtung mit einem oder mehreren Sensoreinrichtungen zu versehen, die unter Anwendung optischer oder elektrischer Messverfahren eine Qualitätskontrolle des Bearbeitungsergebnisses ermöglichen.
  • In DE 10 2007 016 444 A1 ist eine Bearbeitungseinrichtung beschrieben, die einen Bearbeitungskopf aufweist, der zur Bereitstellung eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Elektronen- oder Laserstrahls, ausgebildet ist. Dem Bearbeitungskopf ist eine als Kohärenztomograph ausgebildete optische Abtsteinrichtung zugeordnet, mit der eine Oberflächenabtastung erfolgt.
  • Die DE 10 2008 047 676 A1 beschreibt eine Airbagabdeckung mit Schusskanal, wobei der Schusskanal ein Rohrstück darstellt, an dessen einem Ende ein Flansch ausgebildet ist, der nach außen hin deutlich über die äußere Umfangsfläche des Rohrstückes hinausragt, die freie Stirnseite des Flansches mit der Airbagabdeckung über eine Schweißverbindung verbunden ist und einer der beiden Schweißpartner für eine Laserstrahlung zum Schweißen transparent und der andere absorbierend ist, wobei an der freien Stirnseite des Flansches zueinander beabstandete Schweißnoppen ausgebildet sind, die mit den anliegenden Bereichen der Airbagabdeckung über ausgebildete Schweißlinsen die Schweißverbindung darstellen und die Schweißnoppen Höhendifferenzen zueinander aufweisen, wie sie der Toleranzabweichung des Flansches am jeweiligen Ort eines Schweißnoppen entsprechen.
  • Die DE 10 2004 004 985 A1 beschreibt ein Verfahren zum Durchstrahlschweißen zweier thermoplastischer Bauteile durch Herstellen einer Schweißnaht in einer Fügezone zwischen den absorptiven bzw. transmissiven Bauteilen mittels eines entlang der Schweißnaht geführten Energiestrahls, insbesondere Laserstrahls, wobei 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 Plastifizierungszone erfolgt, und die beiden Bauteile durch eine eine Mindestspannkraft erzeugende Spannvorrichtung gegeneinander arretiert sind.
  • Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, dass eine toleranzarme Fertigung mit exakter Oberfläche nicht oder nur bedingt möglich ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bereitzustellen, welche eine verbesserte Prozessführung für den Bearbeitungsprozess mit dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das Verfahren dient zum Bearbeiten von Kunststoffteilen, vorzugsweise zum Laserschweißen von Bauteilen mit transparenter oder teilweise transparenter Außenhülle. Die Bauteile können von einem Laserstrahl durchdringbar sein. Nach dem Verbinden härten die Bauteile mit oder ohne Hilfsmedien aus.
  • Die zu verbindenden Bauteile werden in Aufnahmeteilen positioniert und aufeinander gedrückt. Dabei bewirkt die Kraft, mit der die beiden Teile aufeinander gedrückt werden, ein Einsinken eines Bauteils in ein zweites Bauteil.
  • Ein erstes Werkstück befindet sich an einem feststehenden Aufnahmeteil und ein zweites Werkstück wird an einem beweglichen Aufnahmeteil befestigt. Das bewegliche Aufnahmeteil ist in einer Führung in Fügerichtung beweglich. Während der Bewegung werden der Weg des Aufnahmeteils und/oder die Kraft, mit welcher die beiden Werkstücke gegeneinander gedrückt werden, gemessen. In Anhängigkeit von der Kraft, mit welcher die beiden Werkstücke gegeneinander gedrückt werden, oder in Abhängigkeit vom Weg, auf dem sich die beiden Werkstücke zueinander bewegen, wird die Bewegung gesteuert und nach Erreichen einer Sollposition beendet und die Lage der beiden Teile zueinander mittels einer Klemmeinrichtung fixiert. Nach dem Erhärten des infolge der Laserstrahlung erweichten Materials wird die Klemmung gelöst und das aus den beiden Bauteilen gebildete Erzeugnis den Aufnahmeteilen entnommen.
  • Damit werden eine genaue Positionierung des bewegten Bauteils und damit auch ein definiertes Eindrücken des bewegten Bauteils erreicht. Die beiden verbundenen Bauteile können somit mit genauen Abmessungen hergestellt werden, wobei durch das Eindrücken mit definierter Kraft auch eine hohe Qualität der Schweißverbindung gewährleistet wird.
  • Die Fixierung des beweglichen Bauteils durch eine Klemmvorrichtung ermöglicht ein kraftfreies Aushärten der Schweißnaht, so dass Erkaltungsspannungen verhindert werden und eine definierte Schweißnaht erzeugt wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Das Beispiel erläutert die Vorgänge beim Verbinden zweier Kunststoffteile mittels Laserschweißen.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens im Ausgangszustand,
    • 2 eine schematische Darstellung der Anordnung nach Beendigung des Schweißvorgangs und
    • 3 ein Beispieldiagramm für einen Kraft-Weg-Verlauf.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist der Zustand einer Schweißvorrichtung am Beginn eines Schweißvorgangs dargestellt. Ein Lasergenerator 1 erzeugt eine mittels einer Steuereinheit 2 steuerbare Laserstrahlung, welche durch Öffnungen, die im ersten Aufnahmeteil 3 angebracht sind, auf das erste Werkstück 5 gelangt und dieses erhitzt, so dass es erweicht. Im dargestellten Beispiel wird das erste Aufnahmeteil 3 von einer feststehenden Schweißmaske gebildet, an der das erste Werkstück 5 anliegt. Das zweite Werkstück 6 befindet sich in einem zweiten Aufnahmeteil 4. Mit dem Start des Schweißvorgangs wird das zweite Aufnahmeteil 4 in Fügerichtung bewegt, das heißt das zweite Werkstück 6 wird in Richtung zum ersten Werkstück 5, welches infolge der Laserstrahlung erweicht ist, bewegt, so dass zwischen den beiden Werkstücken 5 und 6 eine Schweißnaht 7 gebildet wird. Das zweite Aufnahmeteil 4 ist mit einer Führung verbunden, welche eine exakte translatorische Bewegung ermöglicht. Die Führung ist mit der Klemmeinrichtung 10 verbunden. Die Klemmung wird in Anhängigkeit vom zurückgelegten Weg s, den das bewegliche Aufnahmeteil 4 mit dem zweiten Werkstück 6 zurückgelegt hat ,oder in Abhängigkeit von der Kraft F, mit der die beiden Werkstücke 5 und 6 aneinander gedrückt werden, gesteuert. Der Weg s wird dabei mit Hilfe der Wegmesseinrichtung 8 und die Kraft F mit der Kraftmesseinrichtung 9 ermittelt und mittels einer nicht dargestellten Auswerteeinheit ausgewertet. Die Auswerteeinheit steuert die Klemmeinrichtung 10, so dass beim Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes die Klemmeinrichtung 10 betätigt und die Bewegung gestoppt wird.
  • Im in 1 dargestellten Ausgangszustand ist die Klemmvorrichtung 10 geöffnet.
  • 2 erläutert den Zustand am Ende der Fügebewegung. In dieser Position ist der Sollzustand der Lage des beweglichen zweiten Aufnahmeteils 4 erreicht und die Klemmvorrichtung 10 geschlossen.
  • In 3 ist ein Beispieldiagramm für den Kraft-Weg-Verlauf beim Fügen der beiden Werkstücke 5 und 6 dargestellt. Das Diagramm zeigt den Kraftanstieg in Anhängigkeit vom Weg s, den das zweite Werkstück 6 während des Fügeprozesses zurücklegt. Die Kraft F steigt bis zu einem Maximalwert Fmax an, der einem vorgegebenen Sollwert entspricht. Die Änderung des Fügeweges Δs und die Änderung der Kraft ΔF werden mittels geeigneter Sensorik aufgezeichnet und dient zur Steuerung und Auswertung des Prozesses.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lasergenerator
    2
    Steuereinheit
    3
    erstes Aufnahmeteil
    4
    zweites Aufnahmeteil
    5
    erstes Werkstück
    6
    zweites Werkstück
    7
    Schweißnaht
    8
    Wegmesseinrichtung
    9
    Kraftmesseinrichtung
    10
    Klemmeinrichtung
    s
    Weg
    Δs
    Wegänderung
    F
    Kraft
    Fmax
    maximale Kraft
    ΔF
    Kraftänderung

Claims (2)

  1. Verfahren zum prozessgesteuerten Verschweißen von Materialien, bei dem mindestens zwei übereinanderliegende Werkstücke (5, 6) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls verbunden werden, wobei - ein Werkstück eine mindestens teilweise transparente Außenhülle aufweist, - ein erstes Werkstück (5) an einem feststehenden ersten Aufnahmeteil (3) angeordnet wird und ein zweites Werkstück (6) an einem beweglichen zweiten Aufnahmeteil (4) befestigt wird, - wobei das bewegliche zweite Aufnahmeteil (4) in einer Führung in Fügerichtung bewegt wird, wobei - eine steuerbare Laserstrahlung, welche durch Öffnungen, die im ersten Aufnahmeteil (3) angebracht sind, auf das erste Werkstück (5) gelangt und dieses erhitzt, so dass es erweicht, - das zweite Aufnahmeteil (4) in Fügerichtung bewegt wird, so dass das zweite Werkstück (6) in Richtung zum ersten Werkstück (5) bewegt wird, welches infolge der Laserstrahlung erweicht ist, so dass zwischen den beiden Werkstücken (5, 6) eine Schweißnaht (7) gebildet wird, der Weg (s) des zweiten Aufnahmeteils (4) und/oder die Kraft (F), mit welcher die beiden Werkstücke (5, 6) gegeneinander gedrückt werden, gemessen werden, - die Bewegung des beweglichen zweiten Aufnahmeteils (4) in Anhängigkeit von der Kraft (F), mit welcher die beiden Werkstücke (5, 6) gegeneinander gedrückt werden, oder in Abhängigkeit vom Weg (s), auf dem sich die beiden Werkstücke (5, 6) zueinander bewegen, gesteuert wird, und - die Bewegung des beweglichen zweiten Aufnahmeteils (4) in Anhängigkeit von der Kraft (F), mit welcher die beiden Werkstücke (5, 6) gegeneinander gedrückt werden, und/oder vom Weg (s) des beweglichen zweiten Aufnahmeteils (4) nach Erreichen eines Sollwertes beendet wird und die erreichte Position mittels einer Klemmeinrichtung (10) gesichert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als hochenergetischer Bearbeitungsstrahl eine Laserstrahlung verwendet wird.
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