DE102018109221A1

DE102018109221A1 - Verfahren für das Laserstrahl-Kunststoffschweißen und zugehörige Laserstrahl-Schweißvorrichtung

Info

Publication number: DE102018109221A1
Application number: DE102018109221.0A
Authority: DE
Inventors: Oliver Brandmayer; René Geiger
Original assignee: Evosys Laser GmbH
Current assignee: Evosys Laser GmbH
Priority date: 2018-04-18
Filing date: 2018-04-18
Publication date: 2019-10-24

Abstract

Verfahren für das Laserstrahl-Kunststoffschweißen mit einer Laserstrahl-Schweißvorrichtung (1, 15, 24, 30), umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines ersten, einer Laserstrahlung emittierenden Laserstrahlquelle (2) der Laserstrahl-Schweißvorrichtung (1, 15, 24, 30) zugewandten Formteils (8) aus einem für Laserstrahlung zumindest teilweise transparenten Material, Bereitstellen eines zweiten, der Laserstrahlquelle (3) abgewandten Formteils (9) aus einem Laserstrahlung absorbierenden Material, miteinander in Kontakt bringen einer Fügefläche (14) des ersten Formteils (8) und einer Fügefläche (14) des zweiten Formteils (9) und Verspannen der beiden Formteile (8, 9) mittels einer Spannvorrichtung (10), erstes und zweites Bestrahlen einer Schweißkontur der Formteile (8, 9) mit Laserstrahlung, wobei das erste und das zweite Bestrahlen der Schweißkontur gleichzeitig durch einen ersten Laserfokus (12) eines vorlaufenden Laserstrahls (6, 20, 28) und einen zweiten Laserfokus (13) eines nachlaufenden Laserstrahls erfolgt (7, 23, 29). Daneben betrifft die Erfindung eine Laserstrahl-Schweißvorrichtung (1, 15, 24, 30).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für das Laserstrahl-Kunststoffschweißen mit einer Laserstrahl-Schweißvorrichtung, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines ersten, einer Laserstrahlung emittierenden Laserstrahlquelle der Laserstrahl-Schweißvorrichtung zugewandten Formteils aus einem für Laserstrahlung zumindest teilweise transparenten Material, Bereitstellen eines zweiten, der Laserstrahlquelle abgewandten Formteils aus einem Laserstrahlung absorbierenden Material, miteinander in Kontakt bringen einer Fügefläche des ersten Formteils und einer Fügefläche des zweiten Formteils und Verspannen der beiden Formteile mittels einer Spannvorrichtung, sowie erstes und zweites Bestrahlen einer Schweißkontur der Formteile mit Laserstrahlung.
Bei dem an sich bekannten Laserstrahl-Kunststoffschweißen werden zwei aus einem Kunststoffmaterial hergestellte Formteile miteinander verbunden. Eines der Formteile absorbiert dabei im Wesentlichen die Laserstrahlung. Ein anderes Formteil ist für Laserstrahlung im Wesentlichen transparent. Die durch eine Laserstrahlquelle erzeugte Strahlung durchdringt das der Laserstrahlquelle zugewandte obere, transparente Formteil und wird von dem unteren Formteil absorbiert, das dadurch in einen plastifizierten oder geschmolzenen Zustand gebracht wird. Die beiden Formteile werden während des Schweißvorgangs durch eine Spannvorrichtung fixiert. Die Spannvorrichtung übt eine Druckkraft auf die beiden Formteile aus. Während der Abkühlung unter Druck verbinden sich die Formteile. Um eine qualitativ hochwertige Schweißverbindung zu erzeugen, muss der Energieeintrag präzise gesteuert werden. Bei dem sogenannten Konturschweißen wird ein Laserstrahl einmal oder zweimal mit einer bestimmten Geschwindigkeit entlang einer Schweißkontur auf der Oberfläche eines Formteils bewegt.
Bei bestimmten Formteilen erfolgt ein zweimaliges Überfahren der Schweißkontur mit dem Laserstrahl, da dadurch höhere Festigkeiten als bei einmaliger Bestrahlung erzielt werden können. Zwei miteinander in Kontakt gebrachte und verspannte Formteile können aufgrund von Fertigungstoleranzen einen unterschiedlich breiten, unregelmäßigen Luftspalt einschließen. Beim ersten Überfahren der Schweißkontur mit dem Laserstrahl „schmiegen“ sich beide Formteile aneinander an. Dadurch verringert sich der Luftspalt und die gemeinsame Kontaktfläche wird erhöht. Beim zweiten Überfahren der Schweißkontur mit dem Laserstrahl kann ein optimierter Energieeintrag erfolgen, da die Wärmeleitfähigkeit zwischen den beiden Formteilen verbessert ist. Die Festigkeit der hergestellten Schweißnaht ist dann höher als nach einem einmaligen Überfahren. Zudem kann das zweite Bestrahlen mit einer höheren Leistung und einer höheren Geschwindigkeit als das erste Bestrahlen erfolgen.
Herkömmliche Verfahren für das Laserstrahl-Kunststoffschweißen sind beispielsweise aus der DE 10 2016 216 844 A1 und der DE 10 2016 103 060 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für das Laserstrahl-Kunststoffschweißen anzugeben, das sich durch eine verringerte Prozesszeit auszeichnet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das erste und das zweite Bestrahlen der Schweißkontur gleichzeitig durch einen ersten Laserfokus eines vorlaufenden Laserstrahls und einen zweiten Laserfokus eines nachlaufenden Laserstrahls erfolgt.
Anders als im Stand der Technik, bei dem das erste Bestrahlen der Schweißkontur und das zweite Bestrahlen der Schweißkontur sequentiell, d. h. zeitlich nacheinander, durchgeführt werden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste und der zweite Bestrahlungsvorgang gleichzeitig erfolgen. Erfindungsgemäß ist ein vorlaufender Laserstrahl mit einem ersten Laserfokus und ein nachlaufender Laserstrahl mit einem zweiten Laserfokus vorgesehen. Die beiden Laserstrahlen sind gleichzeitig in Betrieb und bestrahlen unterschiedliche Positionen der Schweißkontur. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Verfahren, bei dem ein einziger Laserstrahl eine Schweißkontur nacheinander mehrfach überstreicht, kann die Prozessdauer des Schweißvorgangs durch das erfindungsgemäße Verfahren beträchtlich verkürzt werden.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der erste und der zweite Laserstrahl durch eine Steuerungseinrichtung der Laserstrahl-Schweißeinrichtung so gesteuert werden, dass die Laserfokusse einen festgelegten Abstand voneinander aufweisen. Bei dieser Variante wird eine bestimmte Position des Formkörpers zunächst von dem vorlaufenden Laserstrahl und kurze Zeit später von dem nachlaufenden Laserstrahl bestrahlt. Der Abstand wird dabei vorzugsweise so festgelegt, dass die Formteile durch den vorlaufenden Laserstrahl plastifiziert werden, wodurch sich die gewünschte Erhöhung der Kontaktfläche zwischen den beiden Formteilen ergibt. Anschließend wird durch den nachlaufenden Laserstrahl so viel Energie eingebracht, wie zur Herstellung einer optimalen Schweißnaht erforderlich ist.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass der Abstand der beiden Laserfokusse stets konstant ist. Durch eine Veränderung des Abstands, die durch eine Steuerung der Laserstrahl-Schweißvorrichtung bewirkt werden kann, kann auf unterschiedliche Materialdicken oder andere geometrische oder materialspezifische Abweichungen Rücksicht genommen werden.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass der erste und der zweite Laserstrahl durch eine oder die Steuerungseinrichtung der Laserstrahl-Schweißeinrichtung so gesteuert werden, dass die Laserfokusse eine bestimmte Position der Schweißkontur mit einem festgelegten Zeitabstand passieren. Normalerweise ist der Zeitabstand konstant.
Im Rahmen der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass eine zwei Laserlichtquellen aufweisende Laserstrahl-Schweißeinrichtung verwendet wird. Bei dieser Ausgestaltung erzeugt eine erste Laserstrahlquelle den vorlaufenden Laserstrahl und eine zweite Laserstrahlquelle den nachlaufenden Laserstrahl. Der Vorteil dieser Variante ist, dass die beiden Laserstrahlquellen einfach unabhängig voneinander steuerbar und gegebenenfalls modifizierbar sind, beispielsweise hinsichtlich ihrer Strahlungsleistung.
Ein alternatives Verfahren sieht vor, dass eine Laserstrahl-Schweißeinrichtung mit einer Laserstrahlquelle verwendet wird, deren Laserstrahl durch einen teildurchlässigen Spiegel in den vorlaufenden und den nachlaufenden Laserstrahl aufgeteilt wird. Bei dieser Variante wird lediglich eine einzige Laserstrahlquelle verwendet, um sowohl den vorlaufenden Laserstrahl als auch den nachlaufenden Laserstrahl zu erzeugen. Die Eigenschaften des teildurchlässigen Spiegels bestimmen, welcher Anteil der von der Laserstrahlquelle emittierten Strahlung den vorlaufenden bzw. den nachlaufenden Laserstrahl bildet. Das Verhältnis des vorlaufenden und des nachlaufenden Laserstrahls und somit die Aufteilung der Strahlungsenergie auf die beiden Laserstrahlen kann durch die Wahl eines teildurchlässigen Spiegels mit entsprechenden Eigenschaften beeinflusst werden.
Eine weitere, alternative Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine Laserstrahl-Schweißeinrichtung mit einer Laserstrahlquelle verwendet wird, deren Laserstrahl mittels eines optischen Elements, insbesondere mittels eines diffraktiven optischen Elements, in den vorlaufenden und den nachlaufenden Laserstrahl aufgeteilt wird. Das diffraktive Element kann beispielsweise eine spezielle Linse sein, die einen Laserstrahl in zwei Laserstrahlen aufteilt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für rotationssymmetrische Formteile geeignet. Dabei können der vorlaufende Laserstrahl und der nachlaufende Laserstrahl mit derselben festgelegten Winkelgeschwindigkeit entlang einer Kreisbahn um die miteinander verspannten Formteile bewegt werden. Ein inneres Formteil kann z. B. zylinderförmig ausgebildet sein, ein daran angepasstes äußeres Formteil kann als Ring ausgebildet sein und das innere Formteil umgeben.
In ähnlicher Weise kann es auch vorgesehen sein, dass die beiden miteinander verspannten Formteile mit einer festgelegten Winkelgeschwindigkeit um eine Drehachse gedreht werden und durch den vorlaufenden Laserstrahl und den nachlaufenden Laserstrahl bestrahlt werden. Die Laserstrahlen werden dabei von einer ortsfesten Laserstrahlquelle emittiert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Relativgeschwindigkeit zwischen dem vorlaufenden und dem nachlaufenden Laserstrahl und der Schweißkontur der miteinander verspannten Formteile wenigstens 40 mm/s, vorzugsweise wenigstens 100 mm/s und weiter vorzugsweise wenigstens 200 mm/s, betragen.
Daneben betrifft die Erfindung eine Laserstrahl-Schweißvorrichtung für das Laserstrahl-Kunststoffschweißen, umfassend: eine Laserstrahlung emittierende Laserstrahlquelle, eine Spannvorrichtung für ein erstes, der Laserstrahlung zugewandtes Formteil aus einem für Laserstrahlung zumindest teilweise transparenten Material und ein zweites, der Laserstrahlquelle abgewandtes Formteil aus einem Laserstrahlung absorbierenden Material, wobei miteinander in Kontakt gebrachte Fügeflächen des ersten Formteils und des zweiten Formteils mittels der Spannvorrichtung verspannbar sind und eine Steuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlquelle zu steuern, um eine Schweißkontur der Formteile zweimal mit Laserstrahlung zu bestrahlen.
Die erfindungsgemäße Laserstrahl-Schweißvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlquelle so zu steuern, dass die Schweißkontur mit einem ersten, vorlaufenden Laserstrahl und einem zweiten, nachlaufenden Laserstrahl bestrahlt wird.
Gemäß einer Variante der erfindungsgemäßen Laserstrahl-Schweißvorrichtung weist diese zwei Laserstrahlquellen auf.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Laserstrahl-Schweißvorrichtung eine Laserstrahlquelle aufweist, die durch einen teildurchlässigen Spiegel in den vorlaufenden und den nachlaufenden Laserstrahl aufteilbar ist.
Gemäß einer dritten Alternative kann die Laserstrahl-Schweißvorrichtung eine Laserstrahlquelle aufweisen, deren Laserstrahl mittels eines optischen Elements, insbesondere mittels eines diffraktiven optischen Elements, in den vorlaufenden und den nachlaufenden Laserstrahl aufteilbar ist.
Erfindungsgemäß kann die Laserstrahl-Schweißvorrichtung einen Antrieb aufweisen, um die den vorlaufenden Laserstrahl und den nachlaufenden Laserstrahl erzeugende Laserstrahlquelle mit derselben festgelegten Winkelgeschwindigkeit um eine die Spannvorrichtung durchsetzende Drehachse zu bewegen. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die Laserstrahl-Schweißvorrichtung einen Antrieb aufweist, um die Spannvorrichtung mit einer festgelegten Winkelgeschwindigkeit um eine Drehachse zu drehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Laserstrahl-Schweißvorrichtung,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laserstrahl-Schweißvorrichtung,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laserstrahl-Schweißvorrichtung,
4 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Laserstrahl-Schweißvorrichtung,
5 eine Draufsicht der in 4 gezeigten Laserstrahl-Schweißvorrichtung,
6 ein Detail der in 5 gezeigten Formteile in einer geschnittenen Ansicht,
7 den Ablauf eines Schweißprozesses,
8 den Bereich der Fügefläche vor dem Verschweißen in einer vergrößerten Darstellung,
9 den Bereich der Fügefläche nach dem Verschweißen in einer vergrößerten Ansicht,
10 eine Draufsicht einer gekrümmten Schweißkontur,
11 eine weitere Draufsicht der in 10 gezeigten Schweißkontur,
12 eine eine Ecke aufweisende Schweißkontur während des Schweißvorgangs,
13 die in 12 gezeigte Schweißkontur während die Laserstrahlen die Ecke passieren, und
14 die in 12 gezeigte Schweißkontur, nachdem die Laserstrahlen die Ecke passiert haben.

1 ist eine geschnittene Seitenansicht und zeigt die wesentlichen Komponenten einer Laserstrahl-Schweißvorrichtung 1, die für das Laserstrahl-Kunststoffschweißen geeignet ist. Die Laserstrahl-Schweißvorrichtung 1 umfasst eine erste Laserstrahlquelle 2 und eine zweite Laserstrahlquelle 3. Die beiden Laserstrahlquellen 2, 3 werden mittels einer schematisch dargestellten Steuerungseinrichtung 4 gesteuert. Die Steuerungseinrichtung 4 dient insbesondere dazu, die beiden Laserstrahlquellen 2, 3 ein- oder auszuschalten sowie zum Einstellen der Laserstrahlungsleistung. Die Laserstrahl-Schweißvorrichtung 1 umfasst ein nicht näher dargestelltes Bewegungssystem, durch das die Laserstrahlquellen 2, 3 bewegbar sind. Derartige Bewegungssysteme sind an sich bekannt, sie können als Galvanometer, als x-y-Bewegungssystem oder als Roboterarm ausgebildet sein.
In 1 gibt ein Pfeil 5 die Bewegungsrichtung der bewegbaren Laserstrahlquelle 2, 3 an. Die zweite Laserstrahlquelle 3 emittiert einen vorlaufenden Laserstrahl 6, die erste Laserstrahlquelle 2 emittiert einen nachlaufenden Laserstrahl 7.
Die Laserstrahl-Schweißvorrichtung 1 umfasst eine Auflage 11, auf der ein erstes Formteil 8 und ein zweites Formteil 9 angeordnet sind. Das erste Formteil 8 besteht aus einem für Laserstrahlung teilweise transparenten Kunststoffmaterial. Das zweite Formteil 9 besteht aus einem Laserstrahlung im Wesentlichen absorbierenden Kunststoffmaterial. Mittels einer schematisch dargestellten Spannvorrichtung 10 sind die beiden aufeinanderliegenden Formteile 8, 9 verspannt. Die Spannvorrichtung 10 übt eine Druckkraft auf die beiden Formteile 8, 9 aus.
Sowohl der vorlaufende Laserstrahl 6 als auch der nachlaufende Laserstrahl 7 besitzen jeweils einen Laserfokus 12, 13, der auf eine Fügefläche 14 zwischen den beiden Formteilen 8, 9 gerichtet ist.
Wenn die erste Laserstrahlquelle 2 und die zweite Laserstrahlquelle 3 mittels der Steuerungseinrichtung 4 entlang einer Schweißkontur über die Formteile 8, 9 bewegt werden, bewirkt der vorlaufende Laserstrahl 6 ein Aufschmelzen des Kunststoffmaterials der beiden Formteile 8, 9 im Bereich der Fügefläche 14. Dadurch schmiegen sich die beiden Formteile 8, 9 aneinander an, sodass ein gegebenenfalls vorhandener Spalt verringert wird. Anschließend wird die Schweißkontur von dem nachlaufenden Laserstrahl 7 überfahren. Somit kann der ganze Schweißvorgang in einem vergleichsweise kurzen Zeitraum durchgeführt werden. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Verfahren, bei dem eine Schweißkontur nacheinander ein erstes und ein zweites Mal bestrahlt wird, ergibt sich somit eine beträchtliche Zeiteinsparung, wodurch die Prozessdauer verkürzt wird.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Laserstrahl-Schweißvorrichtung 15. Die Laserstrahl-Schweißvorrichtung 15 umfasst eine einzige Laserstrahlquelle 16, deren Laserstrahl 17 auf einen teildurchlässigen Spiegel 18 trifft. Ein Teil der Strahlung passiert den teildurchlässigen Spiegel 18 und anschließend eine Fokussierlinse 19. Dadurch wird ein vorlaufender Laserstrahl 20 mit einem Laserfokus gebildet, der auf die Fügefläche 14 gerichtet ist.
Ein Teil des Laserstrahls 17 wird durch den teildurchlässigen Spiegel 18 auf einen weiteren nicht durchlässigen Spiegel 21 reflektiert und gelangt durch eine Fokussierlinse 22 auf die Fügefläche 14, wodurch ein nachlaufender Laserstrahl 23 mit einem Laserfokus gebildet wird.
Das Verhältnis der von dem teildurchlässigen Spiegel 18 durchgelassenen und reflektierten Strahlung kann durch die Wahl des teildurchlässigen Spiegels eingestellt werden. Somit kann die Energie des vorlaufenden Laserstrahls 20 und des nachlaufenden Laserstrahls 23 angepasst bzw. eingestellt werden.
In Übereinstimmung mit dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel ist die Steuerungseinrichtung 4 dazu ausgebildet, die Laserstrahlquelle 16 mittels eines Bewegungssystems so zu steuern, dass die Schweißkontur gleichzeitig durch den vorlaufenden Laserstrahl 20 und den nachlaufenden Laserstrahl 23 bestrahlt wird. Ein bestimmter Punkt einer festgelegten Schweißkontur wird somit zunächst von dem vorlaufenden Laserstrahl 20 überstrichen, wodurch das Kunststoffmaterial der beiden Formteile 8, 9 in einen erweichten, aufgeschmolzenen Zustand gebracht wird. Anschließend wird dieselbe Position von dem nachlaufenden Laserstrahl 23 überstrichen, wodurch die Verbindung der beiden Formteile 8, 9 erzeugt wird. Unter der Wirkung der von der Spannvorrichtung 10 erzeugten Druckspannung verbinden sich die beiden Formteile 8, 9 beim Abkühlen und Erstarren an ihrer gemeinsamen Fügefläche 14.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Laserstrahl-Schweißvorrichtung 24, die eine einzige Laserstrahlquelle 25 aufweist. Der von der Laserstrahlquelle 25 emittierte Laserstrahl 26 passiert ein optisches Element, das in diesem Ausführungsbeispiel als diffraktives optisches Element 27 ausgebildet ist. Das diffraktive optische Element 27 teilt den Laserstrahl 26 in einen vorlaufenden Laserstrahl 28 und einen nachlaufenden Laserstrahl 29. Das diffraktive optische Element 27 wird so gewählt, dass sich eine bestimmte Aufteilung der Energie bzw. Leistung des Laserstrahls 26 in die beiden Teilstrahlen ergibt. Das Verhältnis der Energie des vorlaufenden Laserstrahls 28 und des nachlaufenden Laserstrahls 29 kann durch die Wahl eines geeigneten diffraktiven optischen Elements 27 eingestellt werden. Die Bewegung des Laserstrahls 26 bzw. die Bewegung der Laserstrahlquelle 25 erfolgt wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen durch ein Bewegungssystem, das durch das Steuerungseinrichtung 4 gesteuert wird.
Die 4 und 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Laserstrahl-Schweißvorrichtung, wobei 4 eine perspektivische Ansicht und 5 eine Draufsicht ist. Die Laserstrahl-Schweißvorrichtung 30 umfasst zwei ortsfest angeordnete Laserstrahlquellen 31, 32, die zum Verschweißen zweier radialsymmetrischer Formkörper dienen. Ein inneres, erstes Formteil 33 ist zylinderförmig ausgebildet und von einem zweiten, ringförmigen äußeren Formteil 34 umgeben.
Das äußere Formteil 34 ist für Laserstrahlung teilweise transparent, das innere Formteil 33 absorbiert die Laserstrahlung zumindest teilweise.
Die beiden Laserstrahlquellen 31, 32 sind durch einen nicht dargestellten Antrieb auf einer Kreisbahn um ihre Drehachse 35 bewegbar, wie durch den Pfeil 36 angedeutet wird. Die beiden Formteile 33, 34 werden während der synchronen Rotationsbewegung der beiden Laserstrahlquellen 31, 32 entlang ihrer gemeinsamen Fügefläche erwärmt, aufgeschmolzen und miteinander verbunden. Die Formteile 33, 34 sind mit einer Übermaßpassung versehen und werden ineinander gepresst, wodurch eine Druckspannung erzeugt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Spannvorrichtung somit durch die Formteile 33, 34 selbst gebildet.
6 ist eine ähnliche Darstellung wie 5 und zeigt ein Detail der Formteile 33, 34 im Bereich der zylinderförmigen Fügefläche in einer geschnittenen Ansicht. Dort ist erkennbar, dass durch Rundheitsabweichungen ein Spalt 37 zwischen den Formteilen 33, 34 vorhanden sein kann. Auch Oberflächenrauigkeiten können einen Spalt 37 hervorrufen.
Der vorlaufende Laserstrahl bewirkt ein Erweichen des Formteilmaterials im Bereich der Fügefläche, wodurch der Spalt 37 verringert wird. Das endgültige Verschweißen erfolgt durch den nachlaufenden Laserstrahl. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Qualität der Schweißverbindung, eine erhöhte Festigkeit sowie eine kürzere Prozesszeit.
7 ist eine ähnliche Darstellung wie 1 und zeigt den Ablauf eines Schweißprozesses. 8 zeigt den Bereich der Fügefläche zwischen den beiden Formteilen 8, 9 vor dem Passieren des vorlaufenden Laserstrahls 6 und 9 die Fügefläche 14 nach dem Passieren des vorlaufenden Laserstrahls.
In 8 erkennt man, dass zwischen den Formteilen 8, 9 zumindest auf mikroskopischer Ebene ein Luftspalt vorhanden ist, der durch Oberflächenrauigkeiten der zu verschweißenden Kunststoffe bedingt ist. Obwohl die Spannvorrichtung eine durch die Pfeile 38 symbolisierte Spannkraft auf die Formteile 8, 9 ausübt, ist es nicht möglich, die Formteile 8, 9 soweit zusammenzupressen, dass der Luftspalt vollständig verschwindet. Wenn die beiden Laserstrahlquellen mit einer Vorschubgeschwindigkeit bewegt werden, erwärmt zunächst der vorlaufende Laserstrahl 6 die in 8 vergrößert dargestellte Fügefläche 14. Dadurch wird das in 7 untere, teilweise absorbierende Material des zweiten Formteils 9 erwärmt. Durch Wärmeleitung wird das in 7 obere transparente Material des ersten Formteils 8 zumindest teilweise ebenfalls erwärmt. Die zugeführte Wärme erhöht die Elastizität der beiden Formteile 8, 9 im Bereich der Fügefläche 14 und führt diese in einen schmelzflüssigen Zustand über. Die anliegende Druckspannung wirkt währenddessen auf die Fügefläche 14 und bewirkt, dass der in 8 gezeigte Luftspalt verringert wird.
9 zeigt die Fügefläche 14, nachdem sie von dem vorlaufenden Laserstrahl 6 überstrichen worden ist. Dort erkennt man, dass kein Luftspalt mehr vorhanden ist und die beiden Formteile 8, 9 flächig aneinander liegen. Durch den nachlaufenden Laserstrahl 7 erfolgt anschließend ein Verschweißen der Formteile 8, 9 an der Fügefläche 14. Durch den Wegfall des Luftspalts ist die Wärmeleitung zwischen den beiden Formteilen 8, 9 beträchtlich erhöht. Dadurch kann in den Bereich der Fügefläche 14 mehr Energie eingebracht werden, ohne dass es zu einer zu starken Erwärmung und zu Verbrennungen des absorbierenden Kunststoffmaterials kommt. Die eingebrachte Strahlungsenergie kann effizienter in das absorbierende Kunststoffmaterial des unteren, zweiten Formteils 9 geleitet werden, wodurch dieses genauso wie das obere, transparente Formteil 8 in den schmelzflüssigen Zustand versetzt wird. Durch die erhöhte, durch Laserstrahlung aufgebrachte Energiedichte kann die Vorschubgeschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erhöht werden. Als weiterer Vorteil ergibt sich eine höhere Festigkeit der hergestellten Schweißnaht.
Die 10 und 11 sind Draufsichten und zeigen eine gekrümmte Schweißkontur 39, die von dem Fokus des vorlaufenden Laserstrahls 6 und des nachlaufenden Laserstrahls 7 überstrichen werden. Die beiden zugehörigen Laserstrahlquellen sind über ein Bewegungssystem miteinander gekoppelt. Der Abstand zwischen dem vorlaufenden Laserstrahl 6 und dem nachlaufenden Laserstrahl 7 bleibt während des Schweißprozesses konstant.
In 11 erkennt man, dass beim Durchfahren eines gekrümmten Abschnitts der Schweißkonturen eine Drehung der beiden Laserlichtquellen und somit auch eine Drehung der beiden Laserstrahlen 6,7 erfolgt. Der Abstand zwischen den beiden Laserstrahlen 6, 7 bleibt jedoch unverändert. Mit dem beschriebenen Verfahren können somit auch gekrümmte Schweißkonturen durchfahren und gekrümmte Schweißnähte hergestellt werden.
Die 12, 13 und 14 zeigen den zeitlichen Ablauf, wenn mittels der Laserstrahl-Schweißvorrichtung Laserstrahlen entlang einer Schweißkontur 40 geführt werden, die eine Ecke, d. h. einen 90°-Knick, aufweist. Der vorlaufende Laserstrahl 6 und der nachlaufende Laserstrahl 7 werden so entlang der die Ecke aufweisenden Schweißkontur 40 bewegt, dass deren Abstand stets konstant bleibt. Somit können auch „eckige“ Schweißnähte hergestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Laserstrahl-Schweißvorrichtung
2: erste Laserstrahlquelle
3: zweite Laserstrahlquelle
4: Steuerungseinrichtung
5: Pfeil
6: vorlaufender Laserstrahl
7: nachlaufender Laserstrahl
8: erstes Formteil
9: zweites Formteil
10: Spannvorrichtung
11: Auflage
12: Laserfokus
13: Laserfokus
14: Fügefläche
15: Laserstrahl-Schweißvorrichtung
16: Laserstrahlquelle
17: Laserstrahl
18: Spiegel
19: Fokussierlinse
20: vorlaufender Laserstrahl
21: Spiegel
22: Fokuslinse
23: nachlaufender Laserstrahl
24: Laserstrahl-Schweißvorrichtung
25: Laserstrahlquelle
26: Laserstrahl
27: diffraktives optisches Element
28: vorlaufender Laserstrahl
29: nachlaufender Laserstrahl
30: Laserstrahl-Schweißvorrichtung
31: Laserstrahlquelle
32: Laserstrahlquelle
33: Formteil
34: Formteil
35: Drehachse
36: Pfeil
37: Spalt
38: Pfeil
39: Schweißkontur
40: Schweißkontur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016216844 A1 [0004]
DE 102016103060 A1 [0004]

Claims

Verfahren für das Laserstrahl-Kunststoffschweißen mit einer Laserstrahl-Schweißvorrichtung (1, 15, 24, 30), umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines ersten, einer Laserstrahlung emittierenden Laserstrahlquelle (2) der Laserstrahl-Schweißvorrichtung (1, 15, 24, 30) zugewandten Formteils (8) aus einem für Laserstrahlung zumindest teilweise transparenten Material, - Bereitstellen eines zweiten, der Laserstrahlquelle (3) abgewandten Formteils (9) aus einem Laserstrahlung absorbierenden Material, - miteinander in Kontakt bringen einer Fügefläche (14) des ersten Formteils (8) und einer Fügefläche (14) des zweiten Formteils (9) und Verspannen der beiden Formteile (8, 9) mittels einer Spannvorrichtung (10), - erstes und zweites Bestrahlen einer Schweißkontur der Formteile (8, 9) mit Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Bestrahlen der Schweißkontur gleichzeitig durch einen ersten Laserfokus (12) eines vorlaufenden Laserstrahls (6, 20, 28) und einen zweiten Laserfokus (13) eines nachlaufenden Laserstrahls erfolgt (7, 23, 29).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Laserstrahl (6, 7) durch eine Steuerungseinrichtung (4) der Laserstrahl-Schweißeinrichtung (1, 15, 24, 30) so gesteuert werden, dass die Laserfokusse (12, 13) einen festgelegten Abstand voneinander aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste und der zweite Laserstrahl (6, 7) durch eine oder die Steuerungseinrichtung (4) der Laserstrahl-Schweißeinrichtung (1, 15, 24, 30) so gesteuert werden, dass die Laserfokusse (12, 13) eine bestimmte Position der Schweißkontur mit einem festgelegten Zeitabstand passieren.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine zwei Laserstrahlquellen (2, 3) aufweisende Laserstrahl-Schweißeinrichtung (1) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Laserstrahl-Schweißeinrichtung (15) mit einer Laserstrahlquelle (16) verwendet wird, deren Laserstrahl (17) durch einen teildurchlässigen Spiegel (18) in den vorlaufenden und den nachlaufenden Laserstrahl (20, 23) aufgeteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Laserstrahl-Schweißeinrichtung (24) mit einer Laserstrahlquelle (25) verwendet wird, deren Laserstrahl (26) mittels eines optischen Elements, insbesondere mittels eines diffraktiven optischen Elements (27), in den vorlaufenden und den nachlaufenden Laserstrahl (28, 29) aufgeteilt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei entweder der vorlaufende Laserstrahl und der nachlaufende Laserstrahl mit derselben festgelegten Winkelgeschwindigkeit entlang einer Kreisbahn um die miteinander verspannten Formteile bewegt werden oder die miteinander verspannten Formteile (33, 34) mit einer festgelegten Winkelgeschwindigkeit um eine Drehachse (35) gedreht werden und durch den vorlaufenden Laserstrahl und den nachlaufenden Laserstrahl bestrahlt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Relativgeschwindigkeit zwischen dem vorlaufenden und dem nachlaufenden Laserstrahl (6, 7, 20, 23, 28, 29) und der Schweißkontur der miteinander verspannten Formteile (8, 9, 33, 34) wenigstens 40 mm/s, vorzugsweise wenigstens 100 mm/s und weiter vorzugsweise wenigstens 200 mm/s, beträgt.
Laserstrahl-Schweißvorrichtung (1, 15, 24, 30) für das Laserstrahl-Kunststoffschweißen, umfassend: - eine Laserstrahlung emittierende Laserstrahlquelle (2, 3, 16, 25, 31, 32), - eine Spannvorrichtung für ein erstes, der Laserstrahlung zugewandtes Formteil (8) aus einem für Laserstrahlung zumindest teilweise transparenten Material und ein zweites, der Laserstrahlquelle (2, 3, 16, 25, 31, 32) abgewandtes Formteil (9) aus einem Laserstrahlung absorbierenden Material, wobei miteinander in Kontakt gebrachte Fügeflächen (14) des ersten Formteils (8) und des zweiten Formteils (9) mittels der Spannvorrichtung (10) verspannbar sind, - eine Steuerungseinrichtung (4), die dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlquelle (2, 3, 16, 25, 31, 32) zu steuern, um eine Schweißkontur der Formteile (8, 9) zweimal mit Laserstrahlung zu bestrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlquelle (2, 3, 16, 25, 31, 32) so zu steuern, dass die Schweißkontur mit einem ersten, vorlaufenden Laserstrahl (6, 20, 28) und einem zweiten, nachlaufenden Laserstrahl (7, 23, 29) bestrahlt wird.
Laserstrahl-Schweißvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Laserstrahl-Schweißvorrichtung (1) zwei Laserstrahlquellen (2, 3) aufweist.
Laserstrahl-Schweißvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Laserstrahl-Schweißvorrichtung (15) eine Laserstrahlquelle (16) aufweist, die durch einen teildurchlässigen Spiegel (18) in den vorlaufenden und den nachlaufenden Laserstrahl (20, 23) aufteilbar ist.
Laserstrahl-Schweißvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Laserstrahl-Schweißvorrichtung (24) eine Laserstrahlquelle (25) aufweist, deren Laserstrahl (26) mittels eines optischen Elements, insbesondere mittels eines diffraktiven optischen Elements (27), in den vorlaufenden und den nachlaufenden Laserstrahl (28, 29) aufteilbar ist.
Laserstrahl-Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Laserstrahl-Schweißvorrichtung (30) entweder a) einen Antrieb aufweist, um die den vorlaufenden Laserstrahl und den nachlaufenden Laserstrahl erzeugende Laserstrahlquelle mit derselben festgelegten Winkelgeschwindigkeit um eine die Spannvorrichtung durchsetzende Drehachse zu bewegen, oder b) einen Antrieb aufweist, um die Spannvorrichtung mit einer festgelegten Winkelgeschwindigkeit um eine Drehachse (35) zu drehen.