DE102018112829A1 - Waveguide arrangement of a laser welding system, corresponding laser welding system and associated welding method - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellenleiteranordnung. Die Wellenleiteranordnung umfasst einen Wellenleiterkörper mit einem Eintrittsende, durch das Laserlicht einer Laserquelle in den Wellenleiterkörper eintritt, und einem Austrittsende, durch das das Laserlicht den Wellenleiterkörper verlässt und das benachbart zu zwei miteinander zu verschweißenden Bauteilen angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Wellenleiteranordnung ein Heizmittel, mit dem mindestens ein erster Bereich des Wellenleiterkörpers benachbart zum Austrittsende auf eine Temperatur erwärmbar ist, die über einem Taupunkt des Materials von mindestens einem der zu verschweißenden Bauteile liegt.The present invention relates to a waveguide arrangement. The waveguide assembly includes a waveguide body having an entrance end through which laser light from a laser source enters the waveguide body, and an exit end through which the laser light exits the waveguide body and which is adjacent to two components to be welded together. Furthermore, the waveguide arrangement comprises a heating means, with which at least a first region of the waveguide body adjacent to the outlet end can be heated to a temperature which is above a dew point of the material of at least one of the components to be welded.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellenleiteranordnung eines Laserschweißsystems, ein entsprechendes Laserschweißsystem, die Verwendung eines Materials für zumindest ein erstes Bauteil der mit einem Laserschweißsystem zu verschweißenden Bauteile sowie ein Laserschweißverfahren.The present invention relates to a waveguide arrangement of a laser welding system, a corresponding laser welding system, the use of a material for at least a first component of the components to be welded with a laser welding system and a laser welding method.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Bei allen Schweißarten, bei denen Kunststoff als Material für mindestens eines der miteinander zu verschweißenden Bauteile erwärmt wird, kann der Kunststoff, beispielsweise ein Polyamid, ausgasen und es entstehen Materialdämpfe. Diese kondensieren auf kalten Oberflächen und verschmutzen dadurch das zum Verschweißen erforderliche Werkzeug.In all types of welding in which plastic is heated as a material for at least one of the components to be welded together, the plastic, such as a polyamide, outgas and material vapors are formed. These condense on cold surfaces and thereby contaminate the tool required for welding.
Nachfolgend wird insbesondere das Laserstrahlschweißen betrachtet. In entsprechenden Laserschweißsystemen ist als letztes Element, d.h. bevor das Laserlicht einer Laserquelle auf die zu verschweißenden Bauteile trifft, ein Wellenleiter vorhanden. Der Wellenleiter hat dabei insbesondere die Aufgabe, die Verteilung des Laserlichts zu homogenisieren, so dass die Energie des Laserlichts möglichst gleichmäßig auf die zu verschweißenden Bauteile trifft und einzelne Brennpunkte vermieden werden.In particular, laser beam welding will be considered below. In corresponding laser welding systems, the last element, i. Before the laser light from a laser source strikes the components to be welded, a waveguide is present. In particular, the waveguide has the task of homogenizing the distribution of the laser light, so that the energy of the laser light strikes the components to be welded as uniformly as possible and individual focal points are avoided.
Dabei wird grundsätzlich zwischen zwei Arten an Wellenleiter unterschieden, nämlich den positiven und den negativen Wellenleitern. Positive Wellenleiter bestehen aus einem Körper, der Laserlicht im Inneren leitet. Ein Beispiel eines solchen positiven Wellenleiters ist in der
Insbesondere im Fall des Laserstrahlschweißens mit einem negativen Wellenleiter sind die beim Verschweißen von Kunststoffbauteilen entstehenden Dämpfe besonders kritisch. Dies ist darin begründet, dass sich die Dämpfe im Inneren des Wellenleiters, d.h. an den Wänden des kanalförmigen Hohlraums, niederschlagen. Eine Kondensation der Dämpfe im Inneren des Wellenleiters führt dazu, dass die Transmission der Laserstrahlung im Wellenleiter negativ beeinflusst wird. Daher arbeitet der Wellenleiter nicht mehr optimal und muss entsprechend gereinigt werden. Allerdings ist das Innere des Wellenleiters schlecht zugänglich zum Reinigen, so dass mögliche entstehende Ablagerungen nicht einfach entfernbar sind, sondern einen entsprechend hohe Zeit- und Arbeitsaufwand bedingen.Particularly in the case of laser beam welding with a negative waveguide, the vapors produced during the welding of plastic components are particularly critical. This is because the vapors inside the waveguide, i. on the walls of the channel-shaped cavity, knock down. Condensation of the vapors inside the waveguide leads to a negative influence on the transmission of the laser radiation in the waveguide. Therefore, the waveguide no longer works optimally and must be cleaned accordingly. However, the interior of the waveguide is difficult to access for cleaning, so that possible resulting deposits are not easily removed, but require a correspondingly high time and effort.
Eine im Stand der Technik bekannte Lösung zur Vermeidung der Kondensation ist, das Innere des Wellenleiters während des Verschweißens mit Luft auszublasen. Dieses Vorgehen wird auch als Luftspülung bezeichnet.One solution known in the art for preventing condensation is to blow the interior of the waveguide during welding with air. This procedure is also referred to as air purge.
Ein Beispiel, in dem ein Luftstrom durch einen Teil eines negativen Wellenleiters geleitet wird, ist in
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Wellenleiteranordnung eines Laserschweißsystems bereitzustellen, bei dem die Kondensation der Materialdämpfe von zumindest einem der zu verschweißenden Bauteile im Inneren des Wellenleiters verringert ist und das im Hinblick auf die bekannten Stand der Technik Anordnungen optimiert ist. Ebenso ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Laserschweißsystem sowie ein Laserschweißverfahren bereitzustellen.The object of the present invention is therefore to provide a waveguide arrangement of a laser welding system, in which the condensation of the material vapors of at least one of the components to be welded inside the waveguide is reduced and which is optimized with respect to the known prior art arrangements. It is likewise an object of the present invention to provide a corresponding laser welding system and a laser welding method.
Zusammenfassung der ErfindunSummary of the Invention
Die obige Aufgabe wird gelöst durch eine Wellenleiteranordnung eines Laserschweißsystems gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, ein Laserschweißsystem gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12, die Verwendung eines Materials für zumindest ein erstes Bauteil gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 13 sowie ein Laserschweißverfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 17. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen sowie den anhängigen Patentansprüchen.The above object is achieved by a waveguide arrangement of a laser welding system according to independent claim 1, a laser welding system according to
Eine erfindungsgemäße Wellenleiteranordnung eines Laserschweißsystems umfasst einen Wellenleiterkörper mit einem Eintrittsende, durch das im Betrieb Laserlicht einer Laserquelle in den Wellenleiterkörper eintritt, und einem Austrittsende, durch das im Betrieb das Laserlicht den Wellenleiterkörper verlässt und das im Betrieb benachbart zu zwei miteinander zu verschweißenden Bauteilen angeordnet ist, sowie ein Heizmittel, mit dem mindestens ein erster Bereich des Wellenleiterkörpers benachbart zum Austrittsende auf eine Temperatur erwärmbar ist, die über einem Taupunkt des Materials von mindestens einem der zwei miteinander zu verschweißenden Bauteile im Betrieb liegt.A waveguide assembly of a laser welding system according to the invention comprises a waveguide body having an entrance end through which laser light from a laser source enters the waveguide body during operation, and an exit end through which the laser light leaves the waveguide body during operation and which is adjacent to two components to be welded together during operation and a heating means for heating at least a first portion of the waveguide body adjacent the exit end to a temperature above a dew point of the material of at least one of the two components to be welded together during operation.
Zur besseren Verständlichkeit wird die erfindungsgemäße Wellenleiteranordnung nun bei Verwendung in einem Laserschweißsystem beschrieben, insbesondere einem Laserschweißsystem zu Verarbeitung von Bauteilen aus Kunststoff, wie beispielsweise einem Laserdurchstrahl-Schweißsystem. Das Laserschweißsystem umfasst dabei neben der Wellenleiteranordnung eine Laserlichtquelle sowie einen Leiter für das Laserlicht, damit das Laserlicht von der Laserlichtquelle zum Eintrittsende des Wellenleiterkörpers gelangt. Der Wellenleiterkörper selbst stellt somit entlang des Wegs des Laserlichts das letzte Element des Laserschweißsystems dar, bevor das Laserlicht auf die miteinander zu verschweißenden Bauteile trifft.For better understanding, the waveguide arrangement according to the invention is now described when used in a laser welding system, in particular a laser welding system for processing components made of plastic, such as a laser transmission welding system. The laser welding system comprises, in addition to the waveguide arrangement, a laser light source and a conductor for the laser light, so that the laser light from the laser light source reaches the entrance end of the waveguide body. The waveguide body itself thus represents along the path of the laser light, the last element of the laser welding system before the laser light strikes the components to be welded together.
Im Betrieb des Laserschweißsystems mit der Wellenleiteranordnung gast insbesondere aufgrund der Erwärmung der Kunststoffbauteile das Material von zumindest einem der Bauteile aus. Ein beispielhaftes Bauteilmaterial ist hierbei ein Kunststoff aus der Gruppe der Polyamide. Aufgrund dieser Ausgasungen und der damit verbunden Materialdämpfe ist nun vorgesehen, den Wellenleiterkörper vor einem Verschweißen der zwei Bauteile miteinander zu erwärmen. Dies erfolgt über das Heizmittel der Wellenleiteranordnung. Die Erwärmung erfolgt auf eine Temperatur, die verlässlich oberhalb des Taupunkts des Materials von mindestens einem der zwei miteinander zu verschweißenden Bauteile liegt. Auf diese Weise ist eine Kondensation der beim Verschweißen entstehenden Dämpfe oder Ausgasungen des Materials von mindestens einem der zwei Bauteile verringert oder vorzugsweise verhindert. Die Erwärmung erfolgt dabei ausgehend vom Austrittsende, da der Wellenleiterkörper hier üblicherweise in direktem Kontakt mit einem der Bauteile steht, die Materialdämpfe also vom Austrittsende her mit dem Wellenleiterkörper in Kontakt treten. Vorzugsweise wird der Wellenleiterkörper auf eine Temperatur erwärmt, die über dem Taupunkt der Materialien bzw. Materialdämpfe für beide oder alle verwendeten Bauteile liegt.During operation of the laser welding system with the waveguide arrangement, the material of at least one of the components is in particular due to the heating of the plastic components. An exemplary component material here is a plastic from the group of polyamides. Due to these outgassing and the associated material vapors is now provided to heat the waveguide body before welding the two components together. This is done via the heating means of the waveguide arrangement. The heating takes place at a temperature which is reliably above the dew point of the material of at least one of the two components to be welded together. In this way, condensation of the vapors or outgassing of the material during welding is reduced or preferably prevented by at least one of the two components. The heating takes place starting from the outlet end, since the waveguide body is usually in direct contact with one of the components, so the material vapors thus come into contact with the waveguide body from the outlet end. Preferably, the waveguide body is heated to a temperature which is above the dew point of the materials or material vapors for both or all components used.
Ein Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass eine Kondensation der entsprechenden Materialdämpfe effektiv verringert oder verhindert wird. Dementsprechend wird die Transmission des Laserlichts im Wellenleiterkörper auch nicht mehr negativ beeinflusst. Die erfindungsgemäße Lösung stellt dabei eine im Vergleich zur Luftspülung konstruktiv einfache und kostengünstige Alternative dar. Da vorzugsweise die Kondensation insgesamt verhindert ist, kann ein Reinigungszyklus des Wellenleiterkörpers auch entsprechend vergrößert werden, was sich wiederum vorteilhaft auf die Betriebszeiten des entsprechenden Laserschweißsystems auswirkt.An advantage of this approach is that condensation of the corresponding material vapors is effectively reduced or prevented. Accordingly, the transmission of the laser light in the waveguide body is no longer adversely affected. The solution according to the invention is a structurally simple and cost-effective alternative to air flushing. Since the condensation is preferably prevented altogether, a cleaning cycle of the waveguide body can also be correspondingly increased, which in turn has an advantageous effect on the operating times of the corresponding laser welding system.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Wellenleiterkörper zwischen dem Eintrittsende und dem Austrittsende ein Kanal gebildet, durch den das Laserlicht im Betrieb läuft und an dessen Seitenflächen das Laserlicht reflektiert wird. Durch diese Merkmale ist der Wellenleiterkörper als negativer Wellenleiter ausgebildet, so dass die zur Verhinderung der Kondensation erforderliche Temperatur an den Wänden des Kanals erreicht werden muss. Somit handelt sich bei diesem Wellenleiterkörper nicht um einen Vollkörper, sondern im Inneren des Wellenleiterkörpers ist ein mit einer reflektierenden Schicht beschichteter kanalförmiger Hohlraum vorhanden, in dem das Laserlicht geführt wird.In a preferred embodiment, a channel is formed in the waveguide body between the inlet end and the outlet end, through which the laser light runs during operation and on whose side surfaces the laser light is reflected. By these features, the waveguide body is formed as a negative waveguide, so that the temperature required to prevent condensation on the walls of the channel must be achieved. Thus, in this waveguide body is not a solid body, but in the interior of the waveguide body is a coated with a reflective layer channel-shaped cavity exists in which the laser light is guided.
Gerade bei dieser Ausgestaltung des Wellenleiterkörpers stellt das Erwärmen des Wellenleiterkörpers auf eine Temperatur, die verlässlich oberhalb des Taupunkts von zumindest einem der Bauteile liegt, eine besonders vorteilhafte Vorgehensweise dar. Insbesondere muss der Kanal aufgrund der Erwärmung deutlich seltener gereinigt werden im Vergleich zu einem Wellenleiterkörper gemäß Stand der Technik. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, dass der Wellenleiterkörper aus Stahl besteht und der Kanal mit Gold beschichtet ist. Ebenso sind jedoch andere wärmeleitfähige Materialien für den Wellenleiterkörper sowie andere besonders reflektierende Schichten für die Beschichtung des Kanals bevorzugt.Especially in this embodiment of the waveguide body, the heating of the waveguide body to a temperature that is reliably above the dew point of at least one of the components, a particularly advantageous approach is. In particular, the channel must be cleaned significantly less often due to the heating compared to a waveguide body according to State of the art. In this connection, it is preferable that the waveguide body is made of steel and the channel is coated with gold. However, other thermally conductive materials are preferred for the waveguide body as well as other particularly reflective layers for coating the channel.
Vorteilhafterweise ist der Wellenleiterkörper über seine Gesamtlänge beheizt oder der erste Bereich beträgt 50 % einer Länge des Wellenleiterkörpers, vorzugsweise 1/3 der Länge. Die Länge des Wellenleiterkörpers bestimmt sich durch den Abstand zwischen dem Eintrittsende und dem Austrittsende entlang des Wegs, den das Laserlicht durch den Wellenleiterkörper nimmt. Bezogen auf den Wellenleiterkörper mit Kanal bedeutet dies also entlang des Verlaufs des Kanals.Advantageously, the waveguide body is heated over its entire length or the first region is 50% of a length of the waveguide body, preferably 1/3 of the length. The length of the waveguide body is determined by the distance between the entrance end and the exit end along the path that the laser light passes through the waveguide body. With reference to the waveguide body with channel, this also means along the course of the channel.
Eine Auswahl der beheizten Länge hängt dabei insbesondere von dem jeweiligen Anwendungsfall und somit auch von den miteinander zu verschweißenden Bauteilen bzw. deren Materialien ab. Üblicherweise findet eine Kondensation in einem Bereich benachbart zum Austrittsende des Wellenleiterkörpers statt. Im Falle des Kanals im Wellenleiterkörper können Materialdämpfe entgegen des Wegs des Laserlichts in den Kanal strömen. Daher ist eine Erwärmung des Wellenleiterkörpers gerade in dieser Ausgestaltung beginnend beim Austrittsende besonders wichtig. Dabei wird gemäß einer ersten Alternative der Wellenleiterkörper so erwärmt, dass der Kanal über seine gesamte Länge eine Temperatur aufweist, die verlässlich über dem entsprechenden Taupunkt liegt. In einer zweiten Alternative wird nur ein Bereich des Wellenleiterköpers beginnend beim Austrittsende erwärmt. Dieses Vorgehen ist in der Feststellung begründet, dass eine Kondensation hauptsächlich in der unteren Hälfe des Wellenleiterkörpers und insbesondere im unteren Drittel stattfindet. Die obere Hälfte bzw. der obere Teil des Wellenleiterkörpers ist meistens nicht so stark betroffen. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise ist daher, dass sie besonders effizient und gezielt eine Kondensation verhindert, ohne eine generelle Erwärmung des Wellenleiterkörpers mit den damit verbundenen Kosten zu erfordern. A selection of the heated length depends in particular on the particular application and thus also on the components to be welded together or their materials. Usually, condensation takes place in a region adjacent to the exit end of the waveguide body. In the case of the channel in the waveguide body, material vapors may flow into the channel opposite the path of the laser light. Therefore, heating of the waveguide body is particularly important in this embodiment, starting at the exit end. In this case, according to a first alternative, the waveguide body is heated so that the channel over its entire length has a temperature which is reliably above the corresponding dew point. In a second alternative, only a portion of the waveguide body is heated beginning at the exit end. This procedure is based on the observation that condensation takes place mainly in the lower half of the waveguide body and in particular in the lower third. The upper half or the upper part of the waveguide body is usually not affected so much. An advantage of this approach is therefore that it particularly efficient and targeted condensation prevents, without requiring a general heating of the waveguide body with the associated costs.
Es ist weiterhin bevorzugt, benachbart zum ersten Bereich am dem Eintrittsende des Wellenleiterkörpers zugewandten Ende des ersten Bereichs eine Strömungsbarriere vorzusehen, insbesondere mittels Sperrluft. Diese Ausgestaltung ist insbesondere in Verbindung mit einer Erwärmung nur eines Teilbereichs der Länge des Kanals oder des Wellenleiterkörpers sinnvoll. Auf diese Weise kann die Erwärmung auf den für die Kondensation relevantesten Bereich, wie oben erläutert, beschränkt werden, wobei zusätzlich aufgrund der Strömungsbarriere aus insbesondere Sperrluft ein weiteres Strömen der Materialdämpfe entgegen des Wegs des Laserlichts durch den Wellenleiterkörper verhindert wird. Vorteilhafterweise weist das für die Strömungsbarriere verwendete Fluid dabei mindestens Umgebungstemperatur auf oder ist über Umgebungstemperatur erwärmt.It is furthermore preferred to provide a flow barrier adjacent to the first region at the end of the first region facing the inlet end of the waveguide body, in particular by means of sealing air. This embodiment is particularly useful in connection with a heating of only a portion of the length of the channel or the waveguide body. In this way, the heating to the most relevant for the condensation area, as explained above, be limited, in addition due to the flow barrier from particular blocking air further flow of material vapors against the path of the laser light is prevented by the waveguide body. Advantageously, the fluid used for the flow barrier in this case has at least ambient temperature or is heated above ambient temperature.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Wellenleiteranordnung weist diese weiterhin eine Kühlfalle auf, so dass eine Kondensation an einem definierten Ort stattfindet. Aufgrund der Kühlfalle kann die Kondensation gezielt an einer vorgebbaren Stelle im oder benachbart zum Wellenleiterkörper erfolgen. Die Auswahl dieser Stelle erfolgt dabei so, dass sie von außen leicht zugänglich ist, so dass ein einfaches Reinigen möglich ist.In a particularly advantageous embodiment of the waveguide arrangement, this further has a cold trap, so that condensation takes place at a defined location. Due to the cold trap, the condensation can take place deliberately at a predeterminable point in or adjacent to the waveguide body. The selection of this point is made so that it is easily accessible from the outside, so that a simple cleaning is possible.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Wellenleiteranordnung weist diese benachbart zum Eintrittsende des Wellenleiterkörpers eine Platte für Lichtleitfasern eines Lichtleitfaserbündels auf, die das Licht von der Laserquelle in Richtung des Wellenleiterkörpers leiten, wobei die Platte insbesondere Aluminium aufweist. Auf diese Weise erfolgt eine sichere Einkopplung des Laserlichts in den Wellenleiterkörper im gewünschten Eintrittswinkel, insbesondere in den Kanal des Wellenleiterkörpers.In a further preferred embodiment of the waveguide arrangement, this has, adjacent to the input end of the waveguide body, a plate for optical fibers of an optical fiber bundle which guide the light from the laser source in the direction of the waveguide body, the plate in particular comprising aluminum. In this way, a reliable coupling of the laser light in the waveguide body at the desired entrance angle, in particular in the channel of the waveguide body.
Gemäß vorteilhafter und alternativer Ausführungsformen sind verschiedene Heizmittel im Rahmen der Wellenleiteranordnung vorgesehen. Generell gilt hierbei, dass das Heizmittel den Wellenleiterkörper erwärmt, wobei es insbesondere im Fall des negativen Wellenleiters vorzugsweise nicht in direktem Kontakt mit dem Kanal steht, also insbesondere nicht in diesem angeordnet ist oder durch diesen geleitet wird. Somit ist eine Trennung zwischen Heizmittel und Weg des Laserlichts vorhanden.According to advantageous and alternative embodiments, different heating means are provided in the context of the waveguide arrangement. In general, it applies here that the heating means heats the waveguide body, wherein it is preferably not in direct contact with the channel, in particular in the case of the negative waveguide, ie in particular is not arranged in this or is passed through it. Thus, there is a separation between the heating means and the path of the laser light.
Weiterhin kann in jeder der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ein Temperatursensor vorhanden sein, der in Kombination mit einer Steuereinheit die erfasste Ist-Temperatur auf eine vorgebbare Soll-Temperatur einstellt, d.h. insbesondere einregelt. Gerade in Kombination mit dem Temperatursensor besteht die Möglichkeit, die Temperatur im Kanal des Wellenleiterkörpers auf eine Temperatur T einzustellen, die beispielsweise 10 K, vorzugsweise 5 K, über dem Taupunkt liegt. Auf diese Weise kann die Kondensation effektiv verringert oder verhindert werden, während gleichzeitig die Erwärmung des Wellenleiterkörpers auf ein erforderliches Mindestmaß beschränkt wird. In diesem Zusammenhang muss der Temperatursensor nicht die Temperatur beispielsweise im Kanal selbst erfassen, sondern eine Erfassung der Temperatur des Heizmittels ist ausreichend. Die Temperatur des Heizmittels wird dann in Korrelation zur Temperatur im Kanal gesetzt, was vom Material abhängt, das für den Wellenleiterkörper verwendet wird, sowie vom verwendeten Heizmittel, was nachfolgend deutlich wird.Furthermore, in each of the embodiments described below, a temperature sensor may be present which, in combination with a control unit, adjusts the detected actual temperature to a predefinable setpoint temperature, i. in particular regulates. Especially in combination with the temperature sensor, it is possible to set the temperature in the channel of the waveguide body to a temperature T, which is for example 10 K, preferably 5 K, above the dew point. In this way, the condensation can be effectively reduced or prevented while at the same time limiting the heating of the waveguide body to a required minimum. In this context, the temperature sensor does not have to detect the temperature in the channel itself, for example, but a detection of the temperature of the heating medium is sufficient. The temperature of the heating means is then correlated with the temperature in the channel, which depends on the material used for the waveguide body as well as the heating means used, which will become clear hereinafter.
In einer ersten Alternative ist das Heizmittel ein elektrisches Heizmittel. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine elektrische Heizung, die um den Wellenleiterkörper angeordnet ist und diesen erwärmt. In Abhängigkeit von der Größe des Wellenleiterkörpers und dem dafür verwendeten Material ergeben sich unterschiedliche Vorheizzeiten, bis die gewünschte Temperatur insbesondere im Kanal des Wellenleiterkörpers erreicht wird, damit die Kondensation effektiv verhindert werden kann. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das elektrische Heizmittel daher in den Wellenleiterkörper integriert. Dies reduziert insbesondere eine Vorheizzeit deutlich und macht die Anordnung insgesamt energieeffizienter.In a first alternative, the heating means is an electrical heating means. This is, for example, an electric heater which is arranged around the waveguide body and heats it. Depending on the size of the waveguide body and the material used for this purpose, different preheating times arise until the desired temperature is achieved, in particular in the channel of the waveguide body, so that the condensation can be effectively prevented. In a particularly advantageous embodiment, the electrical heating means is therefore integrated in the waveguide body. This significantly reduces preheating time in particular and makes the arrangement more energy efficient overall.
Gemäß einer zweiten Alternative ist das Heizmittel ein flüssiges Heizmittel. Hierzu kann der Wellenleiterkörper mit einem Mantel versehen sein, der vom flüssigen Heizmittel durchströmt wird und so die Wärme an den Wellenleiterkörper überträgt, analog zum außen angeordneten elektrischen Heizmittel. Bevorzugt ist es, dass das flüssige Heizmittel durch den Wellenleiterkörper strömt. Hierzu sind im Wellenleiterkörper entsprechende Kanäle vorgesehen, insbesondere mäanderförmige Kanäle, die sich über eine erste Länge des Wellenleiterkörpers erstrecken, so dass der erste Bereich wie gewünscht erwärmbar ist. Insbesondere bei der Verwendung eines flüssigen Heizmittels kann ein zweiter Temperatursensor vorhanden sein. Auf diese Weise kann die Temperatur beim Eintritt in den Wellenleiterkörper sowie beim Austritt aus dem Wellenleiterkörper erfasst werden, was einen Rückschluss erlaubt, ob die gewünschte Temperatur im Kanal des Wellenleiterkörpers bereits erreicht wurde. According to a second alternative, the heating means is a liquid heating means. For this purpose, the waveguide body may be provided with a jacket which is flowed through by the liquid heating means and thus transfers the heat to the waveguide body, analogous to the externally arranged electrical heating means. It is preferred that the liquid heating medium flows through the waveguide body. For this purpose, corresponding channels are provided in the waveguide body, in particular meander-shaped channels, which extend over a first length of the waveguide body, so that the first region can be heated as desired. In particular, when using a liquid heating means, a second temperature sensor may be present. In this way, the temperature can be detected on entering the waveguide body and on exit from the waveguide body, which allows a conclusion as to whether the desired temperature has already been reached in the channel of the waveguide body.
Ein erfindungsgemäßes Laserschweißsystem umfasst eine Laserlichtquelle, einen Leiter für das Laserlicht sowie eine erfindungsgemäße Wellenleiteranordnung, wobei Laserlicht von der Laserlichtquelle mittels des Leiters zum Eintrittsende des Wellenleiterkörpers leitbar ist. Vorzugsweise umfasst der Leiter für das Laserlicht mindestens ein Lichtleitfaserbündel, mit dem das Laserlicht zum Eintrittsende des Wellenleiterkörpers im Betrieb leitbar ist. Da das erfindungsgemäße Laserschweißsystem die erfindungsgemäße Wellenleiteranordnung verwendet, wird im Hinblick auf die sich daraus ergebenden Vorteile auf die obigen Ausführungen verwiesen, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.A laser welding system according to the invention comprises a laser light source, a conductor for the laser light and a waveguide arrangement according to the invention, wherein laser light can be conducted from the laser light source by means of the conductor to the entrance end of the waveguide body. The conductor for the laser light preferably comprises at least one optical fiber bundle, with which the laser light can be conducted to the inlet end of the waveguide body during operation. Since the laser welding system according to the invention uses the waveguide arrangement according to the invention, reference is made to the above explanations in order to avoid unnecessary repetition in view of the resulting advantages.
Erfindungsgemäß ist zudem eine Verwendung eines Materials für zumindest ein erstes Bauteil der mit einem Laserschweißsystem zu verschweißenden Bauteile vorgesehen, dessen Taupunkt unterhalb der Temperatur eines Wellenleiterkörpers benachbart zu einem Austrittsende des Wellenleiterkörpers im Betrieb des Laserschweißsystems liegt. Bei dem Material handelt es sich insbesondere um einen Kunststoff. Gerade aufgrund der Verwendung des entsprechend ausgewählten Materials kann die Kondensation von Materialdämpfen beim Verschweißen des Bauteils mit einem anderen Bauteil im Inneren eines negativen Wellenleiterkörpers eines Laserschweißsystems verringert oder vorzugsweise verhindert werden. Das andere oder zweite Bauteil besteht vorzugsweise ebenfalls aus Kunststoff, wobei eine Materialauswahl insbesondere analog zum ersten Bauteil erfolgt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird daher für das zweites Bauteil ein Material verwendet, dessen Taupunkt unterhalb der Temperatur des Wellenleiterkörpers benachbart zu einem Austrittsende des Wellenleiterkörpers im Betrieb des Laserschweißsystems liegt.According to the invention, a use of a material for at least a first component of the components to be welded with a laser welding system is provided whose dew point is below the temperature of a waveguide body adjacent to an exit end of the waveguide body during operation of the laser welding system. The material is in particular a plastic. Precisely because of the use of the appropriately selected material, the condensation of material vapors when welding the component to another component inside a negative waveguide body of a laser welding system can be reduced or preferably prevented. The other or second component is preferably also made of plastic, wherein a material selection is carried out in particular analogous to the first component. In a further preferred embodiment, therefore, a material is used for the second component whose dew point is below the temperature of the waveguide body adjacent to an exit end of the waveguide body during operation of the laser welding system.
In einer ebenso vorteilhaften Ausführungsform wird zum Verschweißen ein erfindungsgemäßes Laserschweißsystem verwendet. Im Hinblick auf die sich daraus ergebenden Vorteile wird daher auf die obigen Ausführungen verwiesen. Somit findet neben einer gezielten Auswahl des Materials für zumindest eines der Bauteile auch ein Erwärmen des Wellenleiterkörpers statt, um eine Kondensation besonders effektiv zu verhindern.In an equally advantageous embodiment, a laser welding system according to the invention is used for welding. With regard to the resulting advantages, reference is therefore made to the above statements. Thus, besides a selective selection of the material for at least one of the components, heating of the waveguide body also takes place in order to prevent condensation particularly effectively.
Ein erfindungsgemäßes Laserschweißverfahren bei dem zwei Bauteile mittels eines Laserschweißsystems miteinander verschweißt werden, insbesondere ein erstes und ein zweites Kunststoffbauteil, umfasst die Schritte: Anordnen der zu verschweißenden Bauteile benachbart zu einem Austrittsende eines Wellenleiterkörpers des Laserschweißsystems, Ansteuern einer Laserquelle und Verschweißen der beiden Bauteile miteinander, wobei während des Verschweißens ein Taupunkt des Materials von zumindest einem der zwei miteinander zu verschweißenden Bauteile unterhalb einer Temperatur eines ersten Bereichs des Wellenleiterkörpers benachbart zum Austrittsende liegt, und danach Abschalten des Laserlichts und Entnehmen der miteinander verschweißten Bauteile aus dem Laserschweißsystem. Der vorteilhafte Effekt, der sich aufgrund der Berücksichtigung des Taupunkts ergibt, wurde bereits weitere oben ausführlich erläutert. Daher verweisen wir im Hinblick auf die entsprechenden Vorteile auf die obigen Ausführungen.An inventive laser welding method in which two components are welded together by means of a laser welding system, in particular a first and a second plastic component, comprising the steps of arranging the components to be welded adjacent to an outlet end of a waveguide body of the laser welding system, driving a laser source and welding the two components together wherein, during welding, a dew point of the material of at least one of the two components to be welded is below a temperature of a first portion of the waveguide body adjacent to the exit end, and then turning off the laser light and removing the welded components from the laser welding system. The advantageous effect resulting from the consideration of the dew point has already been explained in detail above. Therefore, with regard to the corresponding advantages, we refer to the above statements.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Laserschweißverfahren den weiteren Schritt auf: gezieltes Auswählen des Materials von zumindest einem Bauteil so, dass während des Verschweißens der Taupunkt des Materials unterhalb einer Temperatur eines ersten Bereichs des Wellenleiterkörpers benachbart zum Austrittsende liegt.In a preferred embodiment, the laser welding method comprises the further step of: selectively selecting the material of at least one component so that, during the welding, the dew point of the material lies below a temperature of a first region of the waveguide body adjacent to the outlet end.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Laserschweißsystem vorhanden. Das Laserschweißverfahren umfasst daher vorzugsweise den weiteren Schritt: Erwärmen des ersten Bereichs des Wellenleiterkörpers mittels eines Heizmittels auf eine Temperatur oberhalb des Taupunkts für das Material von mindestens einem der zu verschweißenden Bauteile. Im Hinblick auf die resultierenden Vorteile wird auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Laserschweißsystem verwiesen.In a further advantageous embodiment, a laser welding system according to the invention is present. The laser welding method therefore preferably comprises the further step of heating the first region of the waveguide body by means of a heating means to a temperature above the dew point for the material of at least one of the components to be welded. With regard to the resulting advantages, reference is made to the above explanations of the laser welding system according to the invention.
Vorzugsweise weist das Laserschweißverfahren gerade bei Vorhandensein des Laserschweißsystems den weiteren Schritt auf: Erfassen der Ist-Temperatur des Wellenleiterkörpers im ersten Bereich mittels eines Temperatursensors und Übermitteln der erfassten Ist-Temperatur an eine Steuerung sowie Vergleichen der erfassten und übermittelten Ist-Temperatur mit einer vorgegebenen Soll-Temperatur für den Wellenleiterkörper im ersten Bereich und Einstellen der Ist-Temperatur des Wellenleiterkörpers auf die vorgegebene Soll-Temperatur. Gemäß einer Alternative ist es bevorzugt, dass das Erfassen der Ist-Temperatur indirekt mittels des Erfassens der Ist-Temperatur einer Heizflüssigkeit erfolgt. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin vorteilhaft, dass die Temperatur unterhalb eines Schmelzpunkts von zumindest einem der miteinander zu verschweißenden Bauteile liegt. Auf diese Weise wird ein Einprägen oder Eindrücken beispielsweise der Form des Wellenleiterkörpers in das Bauteil verhindert, so dass eine ungewünschte Veränderung der Optik des Bauteils ebenfalls verhindert ist.The laser welding method preferably has the further step in the presence of the laser welding system: detecting the actual temperature of the waveguide body in the first region by means of a temperature sensor and transmitting the detected actual temperature to a controller and comparing the detected and transmitted actual temperature with a predetermined target - Temperature for the waveguide body in the first region and adjusting the actual temperature of the waveguide body to the predetermined target temperature. According to an alternative, it is preferred that the detection of the actual temperature takes place indirectly by means of detecting the actual temperature of a heating fluid. In this context, it is further advantageous that the temperature is below a melting point of at least one of the components to be welded together. In this way, impressing or impressing, for example, the shape of the waveguide body is prevented in the component, so that an unwanted change in the appearance of the component is also prevented.
Diese Schritte erfolgen vorzugsweise vor dem Verschweißen der beiden Bauteile miteinander, so dass der Wellenleiterkörper entsprechend vorgeheizt wird. Die ausgewählte Soll-Temperatur hängt dabei von den Materialen der miteinander zu verschweißenden Bauteile, insbesondere Kunststoffbauteile, ab.These steps are preferably carried out before welding the two components together, so that the waveguide body is preheated accordingly. The selected target temperature depends on the materials of the components to be welded together, in particular plastic components.
Figurenlistelist of figures
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnen dabei gleiche Bauteile und/oder Elemente. Es zeigen:
-
1 eine schematische Schnittansicht eines Wellenleiters, -
2 eine schematische Schnittansicht eines Wellenleiters mit Kanälen für Spülluft, -
3 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenleiteranordnung und -
4 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens.
-
1 a schematic sectional view of a waveguide, -
2 a schematic sectional view of a waveguide with channels for scavenging air, -
3 a schematic sectional view of an embodiment of a waveguide assembly according to the invention and -
4 a flowchart of an embodiment of a laser welding process according to the invention.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten AusführungsformenDetailed Description of the Preferred Embodiments
Nachfolgend und insbesondere Bezugnehmend auf
Im Betrieb des Laserschweißsystems gast aufgrund der Erwärmung der Kunststoffbauteile
Nun Bezugnehmend auf
Demnach strömt die Spülluft vom Eintrittsende
Nun Bezugnehmend auf
Weiterhin sind im dargestellten Beispiel Heizmittel
Die Heizmittel
Weiterhin, und bezogen auf die dargestellte Ausführungsform, sind die Heizmittel
Eine Auswahl der beheizten Länge hängt dabei insbesondere von dem jeweiligen Anwendungsfall und somit auch von den miteinander zu verschweißenden Bauteilen bzw. deren Materialien ab. Allerdings wurde festgestellt, dass eine Kondensation hauptsächlich in der unteren Hälfe des Wellenleiterkörpers
Neben der oben beschriebenen Ausführung ist es alternativ jedoch auch bevorzugt, den Wellenleiterkörper
Der im Wellenleiterkörper
Alternativ zum Durchströmen des Kanals im Wellenleiterkörper
Im Rahmen der Wellenleiteranordnung sind verschiedene Heizmittel
Weiterhin kann ein Temperatursensor vorhanden sein, der in Kombination mit einer Steuereinheit die Temperatur einstellt, d.h. insbesondere einregelt. Gerade in Kombination mit einem Temperatursensor besteht die Möglichkeit, die Temperatur im Kanal des Wellenleiterkörpers
In diesem Zusammenhang muss der Temperatursensor nicht die Temperatur beispielsweise im Kanal selbst erfassen, sondern eine Erfassung der Temperatur des Heizmittels
In einer ersten Alternative ist das Heizmittel
Bevorzugt ist es, dass das flüssige Heizmittel durch den Wellenleiterkörper
Gerade bei der Verwendung eines flüssigen Heizmittels kann ein zweiter Temperatursensor vorhanden sein. Auf diese Weise kann die Temperatur des flüssigen Heizmittels beim Eintritt in den Wellenleiterkörper
Nun bezugnehmend auf
In einem ersten Schritt D erfolgt ein gezieltes Auswählen des Materials von zumindest einem Bauteil so, dass während des Verschweißens der Taupunkt des Materials unterhalb einer Temperatur eines ersten Bereichs des Wellenleiterkörpers
Das Laserschweißverfahren verwendet vorzugsweise die oben beschriebene Ausführungsform des Laserschweißsystems, in der die Wellenleiteranordnung Heizmittel
In Schritt
In diesem Zusammenhang ist es weiterhin vorteilhaft, dass die Ist-Temperatur unterhalb eines Schmelzpunkts von zumindest einem der miteinander zu verschweißenden Bauteile liegt. Auf diese Weise werden unerwünschte Einprägungen beispielsweise durch den Wellenleiterkörper
In Schritt
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- WellenleiterkörperFiber body
- 1212
- Eintrittsendeentry end
- 1414
- Austrittsendeexit end
- 2020
- Leiter für LaserlichtHead for laser light
- 3030
- Bauteilecomponents
- 4040
- Materialdämpfe material vapors
- 110110
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- 112112
- Eintrittsendeentry end
- 114114
- Austrittsendeexit end
- 116116
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- 120120
- Leiter für LaserlichtHead for laser light
- 130130
- Bauteilecomponents
- 150150
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- 152152
- Eintrittsendeentry end
- 154154
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- 156156
- Austrittsende exit end
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- WellenleiterkörperFiber body
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- Eintrittsendeentry end
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- Austrittsendeexit end
- 216 216
- Platteplate
- 220220
- Leiter für LaserlichtHead for laser light
- 250250
- Spülkanalirrigation channel
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- Eintrittsendeentry end
- 256256
- Austrittsendeexit end
- 260260
- Heizmittelheating
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102004058221 A1 [0004]DE 102004058221 A1 [0004]
- DE 112007002109 T5 [0004]DE 112007002109 T5 [0004]
- EP 1987944 A1 [0007]EP 1987944 A1 [0007]
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