DE102021131399A1

DE102021131399A1 - Verfahren und vorrichtung zum aufbringen einer aktiven verbindungskraft beim laserschweissen von sich überlappenden werkstücken

Info

Publication number: DE102021131399A1
Application number: DE102021131399.6A
Authority: DE
Inventors: Hongping Gu; Aldo van Gelder
Original assignee: Magna International Inc
Current assignee: Magna International Inc
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2022-06-15
Also published as: US11819942B2; US20220184737A1; CN114619143A

Abstract

Eine Pressvorrichtung für ein Laserschweißgerät umfasst ein Armelement mit gegenüberliegenden Montage- und Pressenden. Ein Presskissen am Pressende hat eine Öffnung, durch die ein Laserstrahl eine Werkstückanordnung bestrahlen kann, die durch die Pressvorrichtung gepresst wird. Das Montageende weist eine Befestigungsstruktur auf, um die Pressvorrichtung abnehmbar an der Laserschweißvorrichtung zu befestigen. Das Armelement ist so geformt, dass die Öffnung in einem bekannten festen Abstand zu einer Laserquelle des Laserschweißgeräts positioniert wird. Das Presskissen hat eine Pressfläche auf einer dem Werkstück zugewandten Seite, um eine Verbindungskraft auf die Werkstückanordnung an einer Schweißstelle auszuüben. Mindestens eines der Merkmale Größe, Form und Glätte der Pressfläche ermöglicht eine Gleitkontaktbewegung der Pressfläche entlang einer Oberfläche der Werkstückanordnung während des Aufbringens der Presskraft.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Verfahren und Vorrichtungen zum Laserschweißen von Werkstücken aus Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen ein Pressarm verwendet wird, um eine Verbindungskraft auf eine zu schweißende Stelle auszuüben.
HINTERGRUND
Verfahren zum Verbinden von Kunststoffwerkstücken mit Hilfe eines Laserstrahls sind bekannt und werden als Durchstrahlschweißen bezeichnet. Die Kunststoffwerkstücke werden durch eine Spann- oder Verbindungskraft in dem zu verbindenden Bereich zusammengehalten, während der Laserstrahl relativ zu den Werkstücken bewegt wird. Der Laserstrahl durchdringt ein erstes (z. B. oberes) Werkstück, das für die Laserstrahlung durchlässig ist, und wird an der Oberfläche eines zweiten (z. B. unteren) Werkstücks, das in Kontakt mit dem ersten Werkstück steht, absorbiert. Bei der Absorption der Laserstrahlung wird an der Oberfläche des zweiten Werkstücks Wärme erzeugt, und ein Teil dieser erzeugten Wärme wird auf die Oberfläche des ersten Werkstücks übertragen, das sich unter der aufgebrachten Spannkraft in engem Kontakt mit dem zweiten Werkstück befindet. Durch diese Erwärmung schmilzt das Material an den Oberflächen des ersten und des zweiten Werkstücks. Bei ausreichender Spannkraft ist der Spalt zwischen den beiden Werkstücken klein genug, um eine Vermischung der geschmolzenen Werkstoffe zu ermöglichen, und beim anschließenden Abkühlen und Erstarren des Materials im Fügebereich entsteht eine zuverlässige Verbindung.
Wichtig ist, dass die Werkstücke während des Schweißvorgangs zusammengespannt werden, denn eine wesentliche Voraussetzung für die Herstellung einer qualitativ guten Schweißverbindung der Kunststoffe mittels Laserstrahlung ist nicht nur die Energiedosierung, sondern auch der saubere und mechanische Kontakt zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Fügeflächen. Hierzu sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die in der Lage sind, eine ausreichende Kontaktkraft aufzubringen, jedoch ist diese Anforderung bei großformatigen Formteilen unter normalen Schweißbedingungen nur schwer dauerhaft zu erreichen.
Ein früherer Ansatz verwendet einen Laserbearbeitungskopf mit einem integrierten Rollenelement, wie es in CN102079135 und CN101486255 beschrieben ist. Das Rollenelement ist aus einem Material gefertigt, das für die Wellenlänge der beim Schweißen verwendeten Laserstrahlung transparent ist. Über das Rollenelement wird eine Anpresskraft auf die zu verschweißenden Werkstücke ausgeübt, die ausreicht, um den Spalt zwischen den einzelnen Werkstücken zu schließen, während gleichzeitig der Laserstrahl das Rollenelement durchläuft und eine Erwärmung an den an den Spalt angrenzenden Flächen bewirkt. Während sich der Laserbearbeitungskopf in Schweißrichtung bewegt, rollt das Rollenelement an den Werkstücken entlang, so dass immer dort Druck ausgeübt wird, wo geschweißt wird. Vorteilhaft ist, dass das Rollenelement entlang verschiedener Bahnen gelenkt oder geführt werden kann, um Bauteile unterschiedlicher Form und Größe miteinander zu verbinden. Ein Nachteil dieses Ansatzes ist, dass eine komplizierte Montagestruktur erforderlich ist, um das Rollenelement so drehbar zu montieren, dass die Übertragung des Laserstrahls durch das Rollenelement nicht beeinträchtigt wird. Außerdem muss die Befestigungsstruktur so robust sein, dass das Rollenelement unter der Last der Spannkraft rollen kann.
Ein anderer früherer Ansatz verwendet eine Vorrichtung, die für das Zusammenschweißen eines bestimmten Satzes von Werkstücken ausgelegt ist, wie in CN110814518 beschrieben. Die miteinander zu verschweißenden Werkstücke werden zwischen einem Träger und einer Druckblockbaugruppe eingefügt. Die Druckblockbaugruppe ist so ausgebildet, dass sie die Werkstücke zusammenpresst, und verfügt über einen Laserstrahlkanal, der zwischen einem inneren und einem äußeren Teil definiert und auf die gewünschte Schweißstelle ausgerichtet ist. Bei der Anwendung wird ein Laserstrahl in den Laserstrahlkanal gerichtet und von einer spiegelnden Oberfläche desselben in Richtung der zu verschweißenden Stelle reflektiert, während über die Druckblockanordnung eine Verbindungskraft aufgebracht wird, um einen engen Kontakt zwischen den Werkstücken zu gewährleisten. Vorteilhaft ist, dass die Kraft über die gesamte Anordnung der zu verschweißenden Werkstücke aufgebracht werden kann. Leider muss für jedes Produkt, das geformt werden soll, eine andere Vorrichtung hergestellt werden. Außerdem sind der innere und der äußere Teil der Druckblockbaugruppe über ein Paar von Verbindungen verbunden, die die Durchgangsnut unterbrechen und dementsprechend Unstetigkeiten in der entstehenden Schweißnaht erzeugen. Darüber hinaus ist die Wirksamkeit dieser Art von Spannmechanismus auf Werkstücke mit relativ einfacher Geometrie beschränkt.
Es wäre vorteilhaft, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, die zumindest einige der oben genannten Nachteile und/oder Einschränkungen überwinden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt mindestens einer Ausführungsform wird eine Laserschweißvorrichtung zum Zusammenschweißen einer Werkstückanordnung bereitgestellt, die ein erstes Werkstück umfasst, das in einer zumindest teilweise überlappenden Beziehung mit einem zweiten Werkstück angeordnet ist, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Laseroptikeinheit zum Bereitstellen eines Laserlichtstrahls zum Bilden einer Schweißverbindung zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück in der Werkstückanordnung, ein Armelement mit einem Presskissen mit einer dadurch definierten Öffnung, wobei das Armelement so geformt ist, dass die Öffnung in dem Presskissen in einem bekannten festen Abstand von der Laseroptikeinheit angeordnet ist, um einen optischen Pfad zwischen der Laseroptikeinheit und der Werkstückanordnung bereitzustellen, wobei das Presskissen eine Pressfläche auf einer dem Werkstück zugewandten Seite desselben zum Aufbringen einer Verbindungskraft auf die Werkstückanordnung an der Schweißstelle während des Laserschweißens aufweist, und Mittel zum Bewegen des Presskissens in einer Schweißrichtung relativ zu der Werkstückanordnung, wobei mindestens eines von einer Größe, einer Form und einer Glätte der Pressfläche ausgebildet ist, um eine Gleitkontaktbewegung der Pressfläche entlang einer Oberfläche der Werkstückanordnung während des gleichzeitigen Aufbringens der Verbindungskraft zu unterstützen.
In einer Ausführungsform ist das Armelement aus einem verschleißfesten Material hergestellt, und wobei mindestens ein Teil der Pressfläche durch eine polierte, dem Werkstück zugewandte Oberfläche des verschleißfesten Materials des Armelements definiert ist.
In einer Ausführungsform ist das verschleißfeste Material ein Hartmetall.
In einer Ausführungsform wird das verschleißfeste Material aus der Gruppe ausgewählt, die aus Werkzeugstahl und keramischem Material besteht.
In einer Ausführungsform befindet sich die Pressfläche in einer einzigen Ebene und erstreckt sich kontinuierlich um die Öffnung.
In einer Ausführungsform ist die Pressfläche in einer einzigen Ebene enthalten und erstreckt sich um die Öffnung mit mindestens einer Diskontinuität in der Pressfläche, wobei die mindestens eine Diskontinuität entlang einer hinteren Kante des Presskissens relativ zur Schweißrichtung angeordnet ist.
In einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine Diskontinuität eine kanalartige Vertiefung, die in der dem Werkstück zugewandten Oberfläche des verschleißfesten Materials des Armelements ausgebildet ist, und wobei die kanalartige Vertiefung einen Freiraum für eine Schweißraupe bietet, die während des Laserschweißens erzeugt wird.
In einer Ausführungsform besteht die mindestens eine Diskontinuität aus einem Spalt, der in dem verschleißfesten Material des Armelements gebildet wird, so dass das Presskissen im Allgemeinen U-förmig oder C-förmig ist.
In einer Ausführungsform umfasst das Presskissen eine optische Komponente, die in der Öffnung angeordnet ist.
In einer Ausführungsform ist die optische Komponente eine Linse mit einer polierten, dem Werkstück zugewandten Oberfläche, die bündig mit der polierten, dem Werkstück zugewandten Oberfläche des verschleißfesten Materials des Armelements ausgerichtet ist, und wobei mindestens ein anderer Teil der Pressfläche durch die polierte, dem Werkstück zugewandte Oberfläche der Linse definiert ist.
In einer Ausführungsform umfasst das Presskissen eine optische Komponente, die in der Öffnung angeordnet ist.
In einer Ausführungsform ist die optische Komponente eine zylindrische Linse mit einer polierten, gekrümmten Oberfläche, die von der dem Werkstück zugewandten Seite des Presskissens vorsteht, und wobei die Pressfläche durch einen Teil der polierten, gekrümmten Oberfläche definiert ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Halterung zur Anbringung der Laserschweißvorrichtung als Endeffektor eines Gelenkarmroboters, und wobei das Mittel zum Bewegen des Presskissens in der Schweißrichtung relativ zu der Werkstückanordnung der Gelenkarmroboter ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Linearantrieb, der zwischen der Halterung und einer Unterbaugruppe angeordnet ist, die die laseroptische Einheit enthält, wobei der lineare Antrieb zum Ausfahren und Zurückziehen der Unterbaugruppe relativ zur Halterung dient, um die auf die Werkstückanordnung ausgeübte Verbindungskraft steuerbar zu verändern.
In einer Ausführungsform ist der Linearantrieb ein Luftzylinder oder ein Hydraulikzylinder.
In einer Ausführungsform ist das Armelement über lösbare Befestigungsstrukturen lösbar befestigt, um den Austausch des Armelements durch ein anderes Armelement zu unterstützen.
In einer Ausführungsform ist das Armelement reversibel auslenkbar, wenn eine Verbindungskraft aufgebracht wird, die eine vorbestimmte maximale Verbindungskraft für die Werkstückanordnung überschreitet.
Gemäß einem Aspekt von mindestens einer Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt, das Folgendes umfasst: Anordnen eines ersten Werkstücks in einer zumindest teilweise überlappenden Beziehung mit einem zweiten Werkstück, um eine miteinander zu verbindende Werkstückanordnung zu bilden, Aufbringen einer Verbindungskraft an einer Schweißstelle unter Verwendung einer Pressvorrichtung einer Laserschweißvorrichtung, wobei die Pressvorrichtung ein Armelement mit einem Presskissen mit einer dadurch definierten Öffnung umfasst, wobei das Armelement so geformt ist, dass die Öffnung in dem Presskissen in einem bekannten festen Abstand von einer Laseroptikeinheit der Laserschweißvorrichtung angeordnet ist, um einen optischen Pfad zwischen der Laseroptikeinheit und der Werkstückanordnung bereitzustellen, wobei das Presskissen eine Pressfläche auf einer dem Werkstück zugewandten Seite davon aufweist, um die Verbindungskraft auf die Werkstückanordnung an der Schweißstelle während des Laserschweißens aufzubringen, während des Aufbringens der Verbindungskraft, Bestrahlen der Schweißstelle durch Richten eines Laserlichtstrahls von der laseroptischen Einheit auf die Schweißstelle durch die Öffnung in dem Presskissen, und Bewegen des Presskissens relativ zu der Werkstückanordnung entlang einer Schweißrichtung mit einer Gleitkontaktbewegung zwischen der Pressfläche und einer Kontaktfläche der Werkstückanordnung, während gleichzeitig die Verbindungskraft aufgebracht und bestrahlt wird, um eine Verbindung zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück entlang der Schweißrichtung zu bilden.
In einer Ausführungsform ist das erste Werkstück aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, und der Laserstrahl breitet sich durch das erste Werkstück aus, um eine Erwärmung an einer Grenzfläche zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück zu bewirken, um das erste Werkstück und das zweite Werkstück durch Laserdurchstrahlschweißen zu verbinden.
In einer Ausführungsform wird das zweite Werkstück aus einem Material hergestellt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die Folgendes umfasst: ein Kunststoffmaterial, das die Laserstrahlung absorbiert, ein Kunststoffmaterial, das die Laserstrahlung nicht absorbiert und mit einer Oberflächenbeschichtung aus einem Material, das die Laserstrahlung absorbiert, eine Keramik, ein Metall oder eine Metalllegierung.
In einer Ausführungsform bleibt die Pressfläche während der Bestrahlung in ständigem Kontakt mit der Kontaktfläche der Werkstückanordnung, so dass eine kontinuierliche Verbindung zwischen dem ersten Kunststoffwerkstück und dem zweiten Kunststoffwerkstück entlang der Schweißrichtung entsteht.
Gemäß einem Aspekt von mindestens einer Ausführungsform wird eine Pressvorrichtung für eine Laserschweißvorrichtung bereitgestellt, die Folgendes umfasst: ein Armelement mit einem Montageende und einem gegenüberliegenden Pressende, wobei das Pressende ein Presskissen mit einer sich durch dieses hindurch erstreckenden Öffnung definiert, um zu ermöglichen, dass ein Laserlichtstrahl auf eine Werkstückanordnung auftrifft, die durch die Pressvorrichtung gepresst wird, wobei das Montageende eine Montagestruktur zum abnehmbaren Befestigen der Pressvorrichtung an der Laserschweißvorrichtung aufweist, das Armelement so geformt ist, dass es die Öffnung in dem Presskissen in einem bekannten festen Abstand von einer Laseroptikeinheit der Laserschweißvorrichtung positioniert, und das Presskissen eine Pressfläche auf einer dem Werkstück zugewandten Seite desselben aufweist, um während des Laserschweißens eine Verbindungskraft auf die Werkstückanordnung an einer Schweißstelle auszuüben, wobei mindestens eines von einer Größe, einer Form und einer Glätte der Pressfläche so ausgebildet ist, dass sie eine Gleitkontaktbewegung der Pressfläche entlang einer Oberfläche der Werkstückanordnung während des Aufbringens der Presskraft unterstützt.
In einer Ausführungsform ist das Armelement aus einem verschleißfesten Material hergestellt, und wobei mindestens ein Teil der Pressfläche durch eine polierte, dem Werkstück zugewandte Oberfläche des verschleißfesten Materials des Armelements definiert ist.
In einer Ausführungsform ist das verschleißfeste Material ein Hartmetall.
In einer Ausführungsform wird das verschleißfeste Material aus der Gruppe ausgewählt, die aus Werkzeugstahl und keramischem Material besteht.
In einer Ausführungsform befindet sich die Pressfläche in einer einzigen Ebene und erstreckt sich kontinuierlich um die Öffnung.
In einer Ausführungsform ist die Pressfläche in einer einzigen Ebene enthalten und erstreckt sich um die Öffnung mit mindestens einer Diskontinuität in der Pressfläche, wobei die mindestens eine Diskontinuität entlang einer hinteren Kante des Presskissens relativ zur Schweißrichtung angeordnet ist.
In einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine Diskontinuität eine kanalartige Vertiefung, die in der dem Werkstück zugewandten Oberfläche des verschleißfesten Materials des Armelements ausgebildet ist, und wobei die kanalartige Vertiefung einen Freiraum für eine Schweißraupe bietet, die während des Laserschweißens erzeugt wird.
In einer Ausführungsform besteht die mindestens eine Diskontinuität aus einem Spalt, der in dem verschleißfesten Material des Armelements gebildet wird, so dass das Presskissen allgemein U-förmig oder allgemein C-förmig ist.
In einer Ausführungsform umfasst das Presskissen eine optische Komponente, die in der Öffnung angeordnet ist.
In einer Ausführungsform ist die optische Komponente eine Linse mit einer polierten, dem Werkstück zugewandten Oberfläche, die bündig mit der polierten, dem Werkstück zugewandten Oberfläche des verschleißfesten Materials des Armelements ausgerichtet ist, und wobei mindestens ein anderer Teil der Pressfläche durch die polierte, dem Werkstück zugewandte Oberfläche der Linse definiert ist.
In einer Ausführungsform umfasst das Presskissen eine optische Komponente, die in der Öffnung angeordnet ist.
In einer Ausführungsform ist die optische Komponente eine zylindrische Linse mit einer polierten, gekrümmten Oberfläche, die von der dem Werkstück zugewandten Seite des Presskissens vorsteht, und wobei die Pressfläche durch einen Teil der polierten, gekrümmten Oberfläche definiert ist.
Figurenliste
Die Ausführungsformen werden im Folgenden nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen ähnliche Bezugsziffern ähnliche Elemente in den verschiedenen Ansichten bezeichnen und in denen:

1 ist ein vereinfachtes Diagramm, das das Prinzip des Zusammenfügens zweier Kunststoffteile durch Laserdurchstrahlschweißen zeigt.
2 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Geräts gemäß einer Ausführungsform.
3 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht, die einen Pressarm mit Presskissen gemäß einer Ausführungsform zeigt.
4 ist eine vereinfachte Seitenansicht des Pressarms von 3 während des Zusammenschweißens von zwei Kunststoffwerkstücken.
5 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Pressarms mit Presskissen, das eine zylindrische Linse gemäß einer Ausführungsform enthält.
6a ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht der Zylinderlinse, die aus dem Pressarm von 5 entfernt wurde.
6b ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer alternativen optischen Komponente, die in der Öffnung des Pressarms angebracht werden kann, in Form einer Linse mit einer im Wesentlichen ebenen, polierten Oberfläche.
7a ist eine vereinfachte Seitenansicht des Pressarms von 5 mit der in der Öffnung des Presskissens montierten Zylinderlinse von 6a während des Zusammenschweißens von zwei Kunststoffwerkstücken.
7b ist eine vereinfachte Seitenansicht des Pressarms von 5 mit der Linse von 6b, die in der Öffnung des Presskissens montiert ist, während des Zusammenschweißens von zwei Kunststoffwerkstücken.
8 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Pressarms mit einem Presskissen mit offener Seite gemäß einer Ausführungsform.
9 ist eine vereinfachte Seitenansicht des Pressarms von 8 während des Zusammenschweißens von zwei Blechwerkstücken.
10 ist eine vereinfachte Draufsicht auf den Pressarm von 8 während des Zusammenschweißens von zwei Blechwerkstücken.
11 ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Pressarms mit einem Presskissen, dessen Unterseite eine Diskontinuität in Form einer kanalartigen Vertiefung beim Zusammenschweißen von zwei Blechwerkstücken aufweist.
12 ist eine vereinfachte Draufsicht auf den Pressarm mit einem Presskissen, dessen Unterseite eine Diskontinuität in Form einer kanalartigen Vertiefung beim Zusammenschweißen von zwei Blechwerkstücken aufweist.
13 ist eine perspektivische Ansicht einer Anordnung, die durch Zusammenfügen zweier thermoplastischer Teile gebildet wird.
14 ist eine weitere Ansicht der Anordnung von 13, die die Positionen der Schweißnähte zeigt, die während des Verbindungsvorgangs gebildet werden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgende Beschreibung soll den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und wird im Zusammenhang mit einer bestimmten Anwendung und deren Anforderungen gegeben. Verschiedene Modifikationen der offengelegten Ausführungsformen werden für den Fachmann leicht ersichtlich sein, und die hierin definierten allgemeinen Grundsätze können auf andere Ausführungsformen und Anwendungen angewandt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die offengelegten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern den größtmöglichen Anwendungsbereich haben, der mit den hier offengelegten Prinzipien und Merkmalen vereinbar ist.
1 ist eine vereinfachte Darstellung des Prinzips des Zusammenfügens zweier Werkstücke mittels Laserdurchstrahlschweißen. In dem in 1 dargestellten Beispiel umfasst der Laserstrahl 10 Strahlung im Infrarotbereich (IR) des elektromagnetischen Spektrums. Ein erstes (z.B. oberes) Werkstück 12 aus einem IR-transparenten Material ist relativ zu einem zweiten (z.B. unteren) Werkstück 14 aus einem IR-absorbierenden Material angeordnet. In dem in 1 gezeigten speziellen und nicht begrenzten Beispiel sind das erste und das zweite Werkstück aus Kunststoff. Eine untere Fläche 16 des ersten Werkstücks 12 ist einer oberen Fläche 18 des zweiten Werkstücks 14 gegenüberliegend angeordnet, um eine Überlappungsverbindung zu bilden. Der Laserstrahl 10 durchdringt das erste Werkstück 12 und trifft auf die Oberseite 18 des zweiten Werkstücks 14 an einer Schweißstelle 20 an einer Schnittstelle zwischen den beiden Werkstücken. Die Laserstrahlung wird an der Oberseite 18 des zweiten Werkstücks 14 absorbiert, wodurch Wärme erzeugt wird, die zum Teil auf die Unterseite 16 des ersten Werkstücks 12 übertragen wird. Gleichzeitig mit der Bestrahlung werden die obere Fläche 18 des zweiten Werkstücks 14 und die untere Fläche 16 des ersten Werkstücks 12 durch Aufbringen einer Verbindungskraft 22 in engen Kontakt miteinander gebracht, so dass sich das geschmolzene und/oder erweichte Material der Flächen 16 und 18 vermischen kann. Nach dem Abkühlen bildet das vermischte Material eine feste Verbindung zwischen dem ersten Werkstück 12 und dem zweiten Werkstück 14. Der Fügeprozess wird entlang einer Schweißrichtung 24 fortgesetzt, um eine gewünschte Verbindung zwischen dem ersten Werkstück 12 und dem zweiten Werkstück 14 herzustellen.
Das zweite Werkstück 14 kann im Wesentlichen vollständig aus dem IR-absorbierenden Material hergestellt sein, wobei das erste Werkstück 12 und das zweite Werkstück 14 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind. Alternativ kann das zweite Werkstück, um ein weiteres, nicht einschränkendes Beispiel zu nennen, im Wesentlichen vollständig aus demselben IR-transparenten Material wie das erste Werkstück 12 hergestellt werden und nur eine Oberflächenschicht aufweisen, die aus dem IR-absorbierenden Material hergestellt ist. Gemäß dieser alternativen Konfiguration können das erste Werkstück 12 und das zweite Werkstück 14 im Wesentlichen vollständig aus ähnlichen Materialien hergestellt werden, wobei zwischen ihren einander zugewandten Oberflächen nur eine dünne IR-absorbierende Schicht vorgesehen ist, um die Wärme zu erzeugen, die zur Herstellung der Verbindung zwischen den Werkstücken erforderlich ist. Als weitere Alternative kann das zweite Werkstück aus einem Nicht-Kunststoff-, aber IR-absorbierenden Material hergestellt werden, z. B. aus einem Keramik- oder Metallwerkstück. Andere geeignete Konfigurationen sind für den Fachmann ebenfalls denkbar.
Das in 1 dargestellte Verfahren stellt das Aufbringen einer Verbindungskraft 22 nur sehr allgemein dar. In der Praxis sollten die Mittel, die zum Aufbringen der Verbindungskraft 22 verwendet werden, eine Reihe von Kriterien erfüllen. Insbesondere sollte die Verbindungskraft 22 so aufgebracht werden, dass ein Spalt zwischen dem ersten Werkstück 12 und dem zweiten Werkstück 14 an der Schweißstelle 20 ausreichend klein ist, um eine gute Verbindung herzustellen. Die Verbindungskraft 22 sollte auch so aufgebracht werden, dass der Spalt zwischen dem ersten Werkstück 12 und dem zweiten Werkstück 14 weiterhin ausreichend klein ist, wenn sich die Schweißstelle 20 entlang der Schweißrichtung 24 bewegt. Darüber hinaus sollte die Verbindungskraft 22 so aufgebracht werden, dass der Schweißvorgang entlang der Schweißrichtung 24 nicht unterbrochen wird, d.h. die Mittel zum Aufbringen der Verbindungskraft 22 sollten nicht entlang der Schweißkontur angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Mittel, die zum Aufbringen der Verbindungskraft 22 verwendet werden, einfach, robust und wartungsfreundlich.
In der Praxis kann es zu Schwierigkeiten kommen, wenn man versucht, Werkstücke, wie z. B. zwei Kunststoffteile, mit dem in 1 dargestellten Verfahren zusammenzufügen, insbesondere wenn es sich um großformatige thermoplastische Formteile handelt, die eine große Maßabweichung oder Formtoleranz aufweisen können. Solche Maßabweichungen stellen eine besondere Herausforderung für das Zusammenführen der Werkstücke in engem Kontakt miteinander entlang der gesamten zu verschweißenden Kontur dar. Wie bereits erwähnt, kann eine komplizierte Vorrichtung erforderlich sein, um die Werkstücke zusammenzuspannen, die viele Spannpunkte entlang der zu schweißenden Kontur umfassen kann. Dadurch kann der Spannmechanismus den Schweißweg stören oder den Laserstrahl daran hindern, die Verbindungsstelle zu erreichen. Andererseits weisen Systeme, bei denen eine optisch transparente Rolle gegen die Werkstücke drückt, während der Laserstrahl durch sie hindurchgeht, ebenfalls verschiedene Nachteile auf, da die für die Montage der Rolle erforderliche Struktur sperrig sein kann und daher den Zugang zu engen Schweißbereichen verhindert.
Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, auf die im Folgenden näher eingegangen wird, wird eine Verbindungskraft über einen Pressarm mit einem Presskissen aufgebracht. Das Presskissen hat eine Pressfläche, die während des Fügevorgangs mit der Oberseite einer Anordnung von Werkstücken in Kontakt gebracht werden kann. Durch das Presskissen ist eine Öffnung definiert, die so bemessen ist, dass ein Laserstrahl durch sie hindurchtreten und auf die obere Fläche der Werkstückanordnung auftreffen kann. Ein transparentes Element, wie z. B. eine zylindrische Linse, kann in der Öffnung untergebracht werden, in diesem Fall kann die Pressfläche eine polierte Oberfläche der zylindrischen Linse sein, die aus der Öffnung nach außen ragt. Alternativ kann die Öffnung auch einfach ein Luftraum sein, in welchem Fall die Pressfläche aus poliertem Material des Pressarms bestehen kann, der an die Öffnung angrenzt und sie umgibt. Alternativ kann auch eine Linse in der Öffnung untergebracht werden, deren Oberfläche bündig mit dem polierten Material des Pressarms ausgerichtet ist, so dass die Pressfläche teilweise durch die Oberfläche der Linse und teilweise durch das polierte Material des Pressarms, das an die Öffnung angrenzt und sie umgibt, definiert ist.
Während des Gebrauchs wird die Pressfläche gegen eine Oberfläche der Werkstückanordnung gepresst, um die erforderliche Verbindungskraft zu erzeugen, die erforderlich ist, um die Größe eines Spalts zwischen den Werkstücken zu verringern, und ein Laserstrahl wird durch die Öffnung im Presskissen gerichtet, um die Verbindung zwischen den Werkstücken herzustellen. Es hat sich herausgestellt, dass die Oberfläche eines geformten thermoplastischen Werkstücks in der Regel so glatt ist, dass das Presskissen dort mit einer Gleitkontaktbewegung bewegt werden kann, selbst wenn das Presskissen verwendet wird, um eine hohe Presskraft auf das Werkstück auszuüben. Mit Hilfe eines Roboters oder eines anderen geeigneten Systems kann das Presskissen entlang einer gewünschten Fügekontur in Schweißrichtung verschoben werden, wobei die Verbindungskraft weiterhin aufgebracht wird und gleichzeitig ein Laserstrahl durch die Öffnung des Presskissens geleitet wird. Die über das Presskissen aufgebrachte Verbindungskraft reicht aus, um die Größe des Spalts an der Schnittstelle zwischen den zu fügenden Werkstücken an der Stelle entlang der Fügekontur, die gerade vom Laser bestrahlt wird, zu verringern und so eine qualitativ gute Verbindung zwischen den Werkstücken zu gewährleisten.
In 2 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Vorrichtung 200 gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Insbesondere umfasst die Vorrichtung 200 eine optische Einheit 202 mit einer Anordnung von Strahlformungsoptiken, die Laserlicht z. B. von einer nicht abgebildeten optischen Faser empfängt, die mit einem optischen Faseranschluss 204 verbunden ist, und einen kollimierten Laserstrahl 10 bildet. Der kollimierte Laserstrahl 10 wird durch eine Öffnung 206 in einem Presskissen 208 eines Armelements, d. h. eines Pressarms 210, geleitet. Der Pressarm 210 hält einen bekannten, festen Abstand zwischen der optischen Einheit 202 und dem Presskissen 208 aufrecht. Vorteilhafterweise kann die Strahlformungsoptik so ausgebildet werden, dass die Punktgröße des Laserstrahls 10 für den Schweißprozess optimiert wird und/oder vollständig in die Öffnung 206 des Presskissens 208 passt. Der Aufbau der Strahlformungsoptik und der Lichtleitfaser ist natürlich in der Technik des Laserdurchstrahlschweißens wohlbekannt und wird daher hier nicht im Detail erörtert.
Die Vorrichtung 200 umfasst ferner eine Roboterhalterung 212 zur Montage der Vorrichtung 200 als Endeffektor an einem Gelenkarm-Roboter oder an einem anderen geeigneten Robotertyp für den automatischen Betrieb. Zum Beispiel kann die Vorrichtung 200 als Endeffektor an einem Roboterarm mit fünf oder mehr Bewegungsachsen montiert werden. Mit einem solchen Robotersystem kann die Vorrichtung 200 in drei zueinander senkrechten Richtungen bewegt werden, um Teile mit komplexen dreidimensionalen Formen zusammenzufügen. Ein Druckluftzylinder 214 oder ein anderer geeigneter Aktuator, wie z. B. ein Miniatur-Hydraulikzylinder, ist zwischen dem robotermontierten Ende und dem Pressarmende der Vorrichtung 200 vorgesehen. Wie ersichtlich wird, werden die optische Einheit 202 und der Pressarm 210 zusammen bewegt, so dass der Abstand zwischen ihnen konstant bleibt. Der Druckluftzylinder 214 kann ausgefahren werden, um das Presskissen 208 in Kontakt mit den zu verschweißenden Kunststoffteilen zu drücken und so die aktive Verbindungskraft zu erzeugen, die für eine gute Verbindung zwischen den Teilen erforderlich ist. Darüber hinaus ermöglicht die aktive Verbindungskraft eine Änderung der Abmessungen der Teile, ohne dass der Prozessweg verändert wird.
Der Pressarm 210 ist ein austauschbares Bauteil, und dementsprechend ist der Pressarm 210 lösbar in der Vorrichtung 200 befestigt, wie z.B. mit einer Anzahl von (z.B. drei) mechanischen Befestigungselementen (z.B. Maschinenschrauben) 216. Wenn der Pressarm 210 verschlissen ist oder wenn ein anders geformter/großer Pressarm zur Durchführung eines anderen Schweißvorgangs verwendet werden soll, können die mechanischen Befestigungselemente 216 entfernt und der Pressarm 210 abgenommen und durch einen anderen Pressarm ersetzt werden. Der Pressarm 210 ist vorzugsweise aus einem Hartmetall, wie z. B. Werkzeugstahl, oder einem keramischen Material hergestellt, um eine gute Verschleißfestigkeit zu gewährleisten. Optional ist zumindest ein Teil des Pressarms 210 aus einem Material geformt, das es dem Pressarm 210 erlaubt, sich zu biegen, wenn eine aufgebrachte Verbindungskraft eine vorbestimmte maximale Verbindungskraft für die zu bearbeitende Werkstückanordnung überschreitet. Alternativ kann die Montagestruktur, die verwendet wird, um den Pressarm 210 in der Vorrichtung 210 zu montieren, einen Mechanismus zum Auslenken/Einfahren des Pressarms 210 oder zur anderweitigen Begrenzung der auf die zu bearbeitende Werkstückanordnung ausgeübten Verbindungskraft umfassen.
Zumindest in einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 200 einen optionalen Kraftsensor 218 (in 2 durch gestrichelte Linien dargestellt) zum Erfassen der Größe der aufgebrachten Verbindungskraft enthalten. Der Kraftsensor 218 wird beispielsweise an der Oberfläche 212 der Vorrichtung 200 angebracht, um den Roboter-Endeffektor anzuschließen. Der Kraftsensor 218 ist so ausgebildet, dass er die aufgebrachte Verbindungskraft überwacht und ein Rückkopplungssignal an den Roboter zur Anpassung der aufgebrachten Verbindungskraft liefert. Die rückkopplungsbasierte Anpassung der aufgebrachten Verbindungskraft kann verwendet werden, um eine Beschädigung der Werkstückanordnung aufgrund der Aufbringung einer übermäßigen Kraft zu vermeiden oder um die aufgebrachte Verbindungskraft zu variieren, wenn das Presskissen 208 während des Schweißvorgangs entlang einer Schweißrichtung bewegt wird, z. B. um strukturelle und/oder Materialeigenschaftsunterschiede der Werkstückanordnung entlang der Schweißrichtung zu berücksichtigen.
In 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Pressarms 210 gemäß einer Ausführungsform dargestellt. An seinem Montageende hat der Pressarm 210 einen ersten Armteil 300, der mit einer Montagestruktur 302 zur lösbaren Montage des Pressarms in der Vorrichtung 200 ausgebildet ist. In dem in 3 dargestellten Beispiel besteht die Befestigungsstruktur 302 aus drei Durchgangslöchern oder Öffnungen zur Aufnahme von Maschinenschrauben oder anderen geeigneten mechanischen Befestigungsmitteln. Der Pressarm 200 hat auch einen zweiten Armteil 304, der relativ zum ersten Armteil 300 abgewinkelt ist. Am Ende des zweiten Armteils 304 ist ein Presskissen 208 ausgebildet, und die Öffnung 206 ist durch das Presskissen 208 definiert. Die Länge des ersten und des zweiten Armteils 300 und 304 und der dazwischen gebildete Winkel bestimmen die feste Position des Presskissens 208 in Bezug auf die optische Einheit 202 (in 3 nicht dargestellt).
Die Öffnung 206 ist ein Luftraum, der sich zwischen einer oberen Fläche 306 und einer unteren Fläche 308 des Presskissens 208 erstreckt (siehe auch 3). Im Gebrauch wird die im Allgemeinen ringförmige untere Pressfläche 308, die die Öffnung 206 umgibt, gegen die Anordnung der Werkstücke gedrückt, um die Verbindungskraft 22 aufzubringen. Das Presskissen 208 hat abgeschrägte Kanten 310 und einen gekrümmten Fersenabschnitt 312 zwischen der unteren Fläche 308 und dem zweiten Armteil 304, wodurch scharfe Kanten, die die Oberfläche der Werkstückanordnung markieren könnten, vermieden werden und die Gesamtoberfläche der unteren Fläche 308, die mit der Oberfläche der Werkstückanordnung in Kontakt ist, zusätzlich minimiert wird. Der Oberflächenbereich, die Form und die Glätte der unteren Oberfläche 308 sind so ausgebildet oder optimiert, dass die Fähigkeit des Presskissens 208, in eine Schweißrichtung bewegt zu werden, während die Verbindungskraft kontinuierlich auf die Oberfläche der zusammenzufügenden Werkstückanordnung ausgeübt wird, verbessert wird.
4 ist eine Seitenansicht, die den Pressarm 200 aus 3 während des Zusammenschweißens von zwei Kunststoffwerkstücken zeigt. Die Verbindungskraft 22 wird über die Unterseite 308 des Presskissens 208 auf die Oberfläche des Werkstücks 12 aufgebracht, wodurch die Werkstücke 12 und 14 an der Fügestelle 20 in engen Kontakt gepresst werden. Gleichzeitig tritt der Laserstrahl 10 durch die Öffnung 206 im Presskissen 208 und breitet sich dann durch das Werkstück 12 aus, um an der Fügestelle 20 auf die Oberfläche des Werkstücks 14 zu treffen. Das Oberflächenmaterial von jedem der Werkstücke 12 und 14 vermischt sich in der Fügestelle 20 und bildet nach dem Abkühlen eine Verbindung zwischen den Werkstücken 12 und 14. Das Schweißen wird entlang der Schweißrichtung, die senkrecht zur Ebene der Seite in 4 verläuft, unter kontinuierlicher Aufbringung der Verbindungskraft fortgesetzt. Optional wird die Verbindungskraft variiert, wenn sich das Presskissen 208 entlang der Schweißrichtung bewegt, um z. B. Unterschiede in der Struktur und/oder den Materialeigenschaften der Werkstückanordnung entlang der Schweißrichtung auszugleichen.
In 5 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen Pressarms 210a gemäß einer Ausführungsform dargestellt. An seinem Montageende weist der Pressarm 210a einen ersten Armteil 500 auf, der mit einer Montagestruktur 502 zur lösbaren Montage des Pressarms 210a in der Vorrichtung 200 ausgebildet ist. In dem in 5 dargestellten Beispiel hat die Befestigungsstruktur 502 drei Öffnungen zur Aufnahme von Maschinenschrauben oder anderen geeigneten mechanischen Befestigungsmitteln. Der Pressarm 210a hat auch einen zweiten Armteil 504, der gegenüber dem ersten Armteil 500 abgewinkelt ist. Am Ende des zweiten Armteils 504 ist ein Presskissen 506 ausgebildet, und durch das Presskissen 506 ist eine Öffnung 508 definiert. In diesem Beispiel ist ein optisches Bauteil in Form einer Zylinderlinse 510 (in 6a näher dargestellt) in der Öffnung 508 angebracht. Die Längen des ersten und des zweiten Armteils 500 und 504 und der dazwischen gebildete Winkel bestimmen die feste Position des Presskissens 506 in Bezug auf die optische Einheit 202, wenn der Pressarm 210a in der Vorrichtung 200 von 2 montiert ist.
6a zeigt die zylindrische Linse 510 getrennt vom Rest des Pressarms 210a. Die zylindrische Linse 510 hat eine gekrümmte, polierte Oberfläche 600, die aus der Öffnung 508 und unter der unteren Fläche 512 des Presskissens 506 herausragt, um eine allgemein gekrümmte Kontakt- oder Pressfläche zu bilden. Während des Gebrauchs wird die polierte Oberfläche 600 der Zylinderlinse 510 gegen die Anordnung der Werkstücke gedrückt, um die Verbindungskraft 22 aufzubringen. Die Strahlformungsoptik der optischen Einheit 202 ist so ausgelegt, dass sie alle fokussierenden oder anderen optischen Effekte der Zylinderlinse 510 berücksichtigt.
In 6b ist eine alternative optische Komponente dargestellt, die in der Öffnung 508 in Form einer Linse 650 mit einer im Wesentlichen ebenen, polierten Oberfläche 652 montiert werden kann. In diesem Beispiel ist die Linse 650 so in der Öffnung 508 angebracht, dass die polierte Oberfläche 652 bündig mit der unteren Oberfläche 512 des Presskissens 506 ist. Bei der Verwendung wirken die polierte Oberfläche 652 der Linse 650 und die untere Oberfläche 512, die die Öffnung 508 umgibt, zusammen, um eine Pressfläche zu bilden, die gegen die Anordnung von Werkstücken gedrückt wird, um die Verbindungskraft 22 aufzubringen. Die Strahlformungsoptik der optischen Einheit 202 ist so ausgelegt, dass sie etwaige Fokussierungs- oder andere optische Effekte der Linse 650 berücksichtigt.
7a ist eine Seitenansicht, die den Pressarm 210a von 5 während des Zusammenschweißens von zwei Kunststoffwerkstücken zeigt. Die Verbindungskraft 22 wird über die polierte Oberfläche 600 der in der Öffnung 508 des Presskissens 506 angebrachten Zylinderlinse 510 auf die Oberfläche des Werkstücks 12 aufgebracht, um die Werkstücke 12 und 14 an der Fügestelle 20 in engen Kontakt zu drücken. Gleichzeitig tritt der Laserstrahl 10 durch die in der Öffnung 508 angebrachte Zylinderlinse 510 und breitet sich durch das Werkstück 12 aus, um auf die Oberfläche des Werkstücks 14 an der Fügestelle 20 zu treffen. Das Oberflächenmaterial von jedem der Werkstücke 12 und 14 vermischt sich an der Fügestelle und bildet nach dem Abkühlen eine Verbindung zwischen den Werkstücken 12 und 14. Das Schweißen wird entlang einer Schweißrichtung fortgesetzt, die senkrecht zur Ebene der Seite in 7 verläuft.
Vorteilhaft ist, dass die Zylinderlinse 510 beim Laserdurchstrahlschweißen mindestens zwei Aufgaben erfüllt. Zum einen dient sie als optisches Bauteil zur Übertragung des Laserlichts an die Stelle der Lasernaht 20 in 1, die zwischen den zu verschweißenden Kunststoffwerkstücken liegt. Zweitens dient die polierte Oberfläche 600 als Kontaktfläche zum Aufbringen der Verbindungskraft auf die Oberfläche eines der Kunststoffwerkstücke, um die Klemm- oder Verbindungskraft bereitzustellen, die erforderlich ist, um den Spalt zwischen den Kunststoffwerkstücken zu minimieren und dadurch die Bildung einer qualitativ hochwertigen Schweißnaht zu ermöglichen. Fläche, Form und Glätte der polierten Oberfläche 600 der Zylinderlinse 510 sind so gestaltet bzw. optimiert, dass sich das Presskissen 506 in Schweißrichtung bewegen lässt, während es kontinuierlich die Verbindungskraft auf die Oberfläche der zu verbindenden Werkstücke ausübt. Optional wird die Verbindungskraft variiert, während sich das Presskissen 506 entlang der Schweißrichtung bewegt, um beispielsweise strukturelle und/oder Materialeigenschaftsunterschiede der Werkstückanordnung entlang der Schweißrichtung auszugleichen.
7b ist eine Seitenansicht, die den Pressarm 210a aus 5 während des Zusammenschweißens von zwei Kunststoffwerkstücken zeigt, jedoch mit der alternativen Linse 650, die in der Öffnung 508 des Presskissens 506 montiert ist. Da die Linse 650 so in der Öffnung 508 angebracht ist, dass die polierte Oberfläche 652 bündig mit der unteren Oberfläche 512 des Presskissens 506 ist, wirken die polierte Oberfläche 652 der Linse 650 und die untere Oberfläche 512, die die Öffnung 508 umgibt, zusammen, um eine Pressfläche zu bilden, die gegen die Anordnung der Werkstücke gepresst wird, um die Verbindungskraft 22 aufzubringen und die Werkstücke 12 und 14 an der Fügestelle 20 in engen Kontakt zu drücken. Gleichzeitig tritt der Laserstrahl 10 durch die in der Öffnung 508 angebrachte Linse 650 und breitet sich durch das Werkstück 12 aus, um auf die Oberfläche des Werkstücks 14 an der Fügestelle 20 aufzutreffen. Das Oberflächenmaterial der beiden Werkstücke 12 und 14 vermischt sich an der Fügestelle und bildet nach dem Abkühlen eine Verbindung zwischen den Werkstücken 12 und 14. Das Schweißen wird entlang einer Schweißrichtung fortgesetzt, die senkrecht zur Ebene der Seite in 7b verläuft.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Pressarms 210b gemäß einer Ausführungsform. Der Pressarm 210b eignet sich zur Verwendung beim Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffwerkstücken, wie in den vorangegangenen Abschnitten beschrieben, sowie zum Verbinden anderer geeigneter Materialien, wie z. B. Werkstücke aus Blech. Insbesondere ist der Pressarm 210b so angepasst, dass er eine Diskontinuität in seiner Pressfläche aufweist, um eine Bewegung entlang einer nicht glatten Oberfläche der Werkstücke zu ermöglichen, wie z. B. eine Schweißraupe, die über die Oberfläche eines während des Schweißvorgangs gebildeten Blechwerkstücks herausragt.
An einem Befestigungsende weist der Pressarm 210b einen ersten Armteil 800 auf, der mit einer Befestigungsstruktur 802 zur lösbaren Befestigung des Pressarms 210b in der Vorrichtung 200 von 2 ausgebildet ist. In dem in 8 dargestellten Beispiel umfasst die Befestigungsstruktur 802 drei Öffnungen zur Aufnahme von Maschinenschrauben oder anderen geeigneten mechanischen Befestigungsmitteln. Der Pressarm 210b hat auch einen zweiten Armteil 804, der gegenüber dem ersten Armteil 800 abgewinkelt ist. Am Ende des zweiten Armteils 804 ist ein Presskissen 806 ausgebildet, und durch das Presskissen 806 ist eine Öffnung 808 definiert. Insbesondere bildet das Presskissen 806 eine nicht kontinuierliche Seitenwand um die Öffnung 808, so dass eine Diskontinuität in Form eines Spalts 810 entlang einer Seite des Presskissens 806 definiert ist. Der Spalt 810 ist so bemessen, dass er größer ist als die erwartete Breite einer Schweißraupe, die während eines Schweißvorgangs gebildet werden soll, und führt dazu, dass das Presskissen 806 im Allgemeinen C-förmig (wie in 10 gezeigt) oder sogar im Allgemeinen U-förmig ist. Die Längen des ersten und des zweiten Armteils 800 und 804 und der dazwischen gebildete Winkel bestimmen die feste Position des Presskissens 806 relativ zur optischen Einheit 202, wenn der Pressarm 210b in der Vorrichtung 200 von 2 montiert ist.
Die Öffnung 808 ist ein Luftraum, der sich zwischen einer oberen Fläche 812 und einer unteren Fläche 814 des Presskissens 806 erstreckt (siehe auch 8). Während des Gebrauchs wird die nicht durchgehende, aber im Allgemeinen ringförmige untere Pressfläche 814, die die Öffnung 808 umgibt, gegen die Anordnung der Werkstücke gedrückt, um die Verbindungskraft 22 aufzubringen. Das Presskissen 806 hat abgeschrägte Kanten 816 und einen gekrümmten Fersenabschnitt 818 zwischen der unteren Fläche 814 und dem zweiten Armteil 804, wodurch scharfe Kanten, die die Oberfläche der Werkstückanordnung markieren könnten, vermieden werden und die Gesamtoberfläche der unteren Fläche 814, die mit der Oberfläche der Werkstückanordnung in Kontakt ist, zusätzlich minimiert wird. Fläche, Form und Glätte der Unterseite 814 sind so gestaltet bzw. optimiert, dass das Presskissen 806 besser in Schweißrichtung bewegt werden kann, während die Verbindungskraft kontinuierlich auf die Oberfläche der zu fügenden Werkstückanordnung aufgebracht wird.
9 ist eine Seitenansicht, die den Pressarm 210b aus 8 während des Zusammenschweißens von zwei Blechwerkstücken 900 und 902 zeigt. Selbstverständlich kann der Pressarm 210b auch zum Verschweißen von zwei Kunststoffwerkstücken verwendet werden. Wie in 9 zu sehen ist, wird die Verbindungskraft 22 über die Unterseite 814 des Presskissens 806 auf die Oberfläche des Werkstücks 900 aufgebracht, wodurch die Werkstücke 900 und 902 in engen Kontakt gepresst werden. Gleichzeitig tritt der Laserstrahl 10 durch die Öffnung 808 und erzeugt ein Schweißbad 904, das Material von beiden Werkstücken 900 und 902 enthält. Wenn nun das Schweißen entlang der durch den Blockpfeil 1000 angezeigten Schweißrichtung fortgesetzt wird, bildet sich eine Schweißraupe 1002, wodurch die beiden Werkstücke 900 und 902 miteinander verbunden werden (siehe 10). Die Schweißraupe 1002 unterbricht die Oberfläche des Werkstücks 900 und verursacht eine Oberflächenunregelmäßigkeit, die die Gleitbewegung des Presskissens 208 oder 506 entlang der Schweißrichtung 1000 verhindern würde. Wie in 10 am deutlichsten zu sehen ist, ist der Spalt 810 so bemessen und im Presskissen 806 positioniert, dass die Schweißraupe nicht mit dem Presskissen 806 in Kontakt kommt, wenn das Presskissen in Schweißrichtung 1000 vorgeschoben wird. Insbesondere ist der Spalt 810 entlang der hinteren Kante des Presskissens 806 angeordnet, d. h. an der Seite des Presskissens, die dem Schweißbad 904 während des Schweißens in Schweißrichtung 1000 folgt.
11 zeigt eine Seitenansicht eines weiteren Pressarms 210c während des Zusammenschweißens von zwei Blechwerkstücken 900 und 902. Der Pressarm 210c hat einen ersten Armteil 1100, der mit einer Befestigungsstruktur 1102 zur lösbaren Befestigung des Pressarms 210c in der Vorrichtung 200 von 2 ausgebildet ist. Als spezifisches und nicht einschränkendes Beispiel besteht die Montagestruktur 1102 aus drei Öffnungen zur Aufnahme von Maschinenbolzen oder anderen geeigneten mechanischen Befestigungsmitteln. Der Pressarm 210c hat auch einen zweiten Armteil 1104, der relativ zum ersten Armteil 1100 abgewinkelt ist. Am Ende des zweiten Armteils 1104 ist ein Presskissen 1106 ausgebildet, und durch das Presskissen 1106 ist eine Öffnung 1108 definiert. Die Öffnung 1108 ist ein Luftraum, der sich zwischen einer oberen Fläche 1110 und einer unteren Fläche 1112 des Presskissens 1106 erstreckt. Die Längen des ersten und des zweiten Armteils 800 und 804 und der dazwischen gebildete Winkel bestimmen die feste Position des Presskissens 1106 relativ zur optischen Einheit 202, wenn der Pressarm 210b in der Vorrichtung 200 von 2 montiert ist.
Die untere Fläche 1112 des Presskissens 1106 weist eine Diskontinuität in Form einer darin definierten kanalartigen Vertiefung 1114 auf, so dass eine nicht kontinuierliche, aber im Allgemeinen ringförmige untere Pressfläche 1112 entsteht. Die Pressfläche 1112 befindet sich in einer einzigen Ebene PS, wie in 11 dargestellt, und die dem Werkstück zugewandte Oberfläche des Presskissens 1106 innerhalb der kanalartigen Vertiefung ist nicht Teil der Pressfläche 1112. Der Oberflächenbereich, die Form und die Glätte der unteren Pressfläche 1112 sind so ausgebildet oder optimiert, dass die Fähigkeit des Presskissens 1106 verbessert wird, in Schweißrichtung bewegt zu werden, während die Verbindungskraft kontinuierlich auf die Oberfläche der zusammenzufügenden Werkstückanordnung aufgebracht wird.
Die kanalartige Aussparung 1114 ist größer als die erwartete Breite und Höhe einer Schweißraupe 1002, die während eines Schweißvorgangs gebildet wird (siehe auch 12). Bei der Anwendung wird die Verbindungskraft 22 über die Unterseite 1112 des Presskissens 1106 auf die Oberfläche des Werkstücks 900 aufgebracht, wodurch die Werkstücke 900 und 902 in engen Kontakt gepresst werden. Gleichzeitig tritt der Laserstrahl 10 durch die Öffnung 1108 und erzeugt ein Schweißbad 904, das Material von beiden Werkstücken 900 und 902 enthält. Wenn das Schweißen entlang der Schweißrichtung 1000 fortgesetzt wird, bildet sich eine Schweißraupe 1002, wodurch die beiden Werkstücke 900 und 902 miteinander verbunden werden. Die Schweißraupe 1002 unterbricht die Oberfläche des Werkstücks 900 und verursacht eine Oberflächenunregelmäßigkeit, die die Gleitbewegung des Presskissens 208 oder 506 entlang der Schweißrichtung 1000 verhindern würde. Wie in 12 gezeigt, ist die kanalartige Aussparung 1114 so bemessen und im Presskissen 1106 positioniert, dass die Schweißraupe 1002 nicht mit dem Presskissen 1106 in Kontakt kommt, wenn das Presskissen in Schweißrichtung 1000 vorgeschoben wird. Insbesondere ist die kanalartige Aussparung 1114 entlang der Hinterkante des Presskissens 1106 angeordnet, d. h. an der Seite des Presskissens, die dem Schweißbad 904 während des Schweißens entlang der Schweißrichtung 1000 folgt.
13 ist eine perspektivische Ansicht einer Anordnung, die durch Zusammenfügen von zwei thermoplastischen Teilen gebildet wird. Die Teile 1300 (z. B. IR-transparent) und 1302 (z. B. IR-absorbierend) sind an Verbindungsstellen 1304 miteinander verbunden, die sich im Wesentlichen kontinuierlich über die gesamte Länge der Überlappung zwischen den beiden Teilen erstrecken. Die Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung 200, die mit einem der Pressarme 210, 210a, 210b oder 210c ausgestattet ist, ermöglicht es, dass sich die Verbindungsstellen 1304, wie in 14 dargestellt, durchgehend erstrecken, da keine komplizierten Befestigungen oder Klemmungen erforderlich sind. Darüber hinaus unterstützt die geringe Größe des Presskissens, das zum Aufbringen der Verbindungskraft verwendet wird, in Kombination mit der abgewinkelten Form des Pressarms das Schweißen entlang der Fügestellen 1304 sogar in engen Überlappungsbereichen, die an hervorstehende Merkmale des Werkstücks 1300 (z. B. Punkte „A“ in 14) angrenzen, sowie durch gekrümmte oder anderweitig nicht lineare Bereiche (z. B. Punkte „B“ in 14). Andere Arten von Anordnungen können in ähnlicher Weise mit entsprechend geformten Bauteilen aus ähnlichen oder unterschiedlichen Kunststoffmaterialien oder mit entsprechend geformten Kunststoff- und Keramik- oder Metallbauteilen usw. hergestellt werden.
Optional ist der Pressarm 210, 210a, 210b oder 210c flexibel gestaltet, um die Unmöglichkeit der kontrollierten Kraftaufbringung zu kompensieren, wenn die Vorrichtung als Endeffektor eines Roboters montiert ist. Vorteilhafterweise biegt sich der Pressarm durch, wenn eine auf die Werkstückanordnung ausgeübte Last einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, um zu vermeiden, dass der Pressarm durch das Werkstück gedrückt wird.
Es versteht sich von selbst, dass Variationen der vorstehenden Ausführungsformen möglich sind und dennoch in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Jedes in dieser Beschreibung offengelegte Merkmal kann, sofern nicht anders angegeben, durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, gleichwertigen oder ähnlichen Zweck dienen. Sofern nicht anders angegeben, ist jedes offengelegte Merkmal daher nur ein Beispiel aus einer allgemeinen Reihe gleichwertiger oder ähnlicher Merkmale.
Alle in dieser Spezifikation beschriebenen Schritte können in beliebiger Reihenfolge oder gleichzeitig durchgeführt werden, sofern nicht anders angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich.
Alle in dieser Beschreibung offengelegten Merkmale können in jeder beliebigen Kombination kombiniert werden, mit Ausnahme von Kombinationen, bei denen sich zumindest einige dieser Merkmale und/oder Schritte gegenseitig ausschließen. Insbesondere sind die bevorzugten Merkmale der Erfindung auf alle Aspekte der Erfindung anwendbar und können in jeder beliebigen Kombination verwendet werden. Ebenso können Merkmale, die in nicht wesentlichen Kombinationen beschrieben sind, separat (nicht in Kombination) verwendet werden.
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

CN 102079135 [0004]
CN 101486255 [0004]
CN 110814518 [0005]

Claims

Laserschweißgerät zum Zusammenschweißen einer Werkstückanordnung, die ein erstes Werkstück umfasst, das in einer zumindest teilweise überlappenden Beziehung zu einem zweiten Werkstück angeordnet ist, wobei das Gerät aufweist: eine Laseroptikeinheit zur Erzeugung eines Laserlichtstrahls zur Bildung einer Schweißverbindung zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück in der Werkstückanordnung, ein Armelement mit einem Presskissen mit einer dadurch definierten Öffnung, wobei das Armelement so geformt ist, dass die Öffnung in dem Presskissen in einem bekannten festen Abstand von der Laseroptikeinheit angeordnet ist, um einen optischen Pfad zwischen der Laseroptikeinheit und der Werkstückanordnung bereitzustellen, wobei das Presskissen eine Pressfläche auf einer dem Werkstück zugewandten Seite davon aufweist, um eine Verbindungskraft auf die Werkstückanordnung an der Schweißstelle während des Laserschweißens auszuüben, und Mittel zum Bewegen des Presskissens in einer Schweißrichtung relativ zur Werkstückanordnung, wobei mindestens eines von einer Größe, einer Form und einer Glätte der Pressfläche so ausgebildet ist, dass sie eine Gleitkontaktbewegung der Pressfläche entlang einer Oberfläche der Werkstückanordnung während des gleichzeitigen Aufbringens der Verbindungskraft unterstützt.
Laserschweißgerät nach Anspruch 1, wobei das Armelement aus einem verschleißfesten Material hergestellt ist und wobei mindestens ein Teil der Pressfläche durch eine polierte, dem Werkstück zugewandte Oberfläche des verschleißfesten Materials des Armelements definiert ist.
Die Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das verschleißfeste Material ein Hartmetall oder ein keramisches Material ist und/oder wobei die Pressfläche in einer einzigen Ebene enthalten ist und sich kontinuierlich um die Öffnung herum erstreckt.
Laserschweißgerät nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Pressfläche in einer einzigen Ebene enthalten ist und sich um die Öffnung herum mit mindestens einer Diskontinuität in der Pressfläche erstreckt, wobei die mindestens eine Diskontinuität entlang einer hinteren Kante des Presskissens relativ zur Schweißrichtung angeordnet ist und entweder umfasst: eine kanalartige Vertiefung, die in der dem Werkstück zugewandten Oberfläche des verschleißfesten Materials des Armelements ausgebildet ist, und wobei die kanalartige Vertiefung einen Freiraum für eine Schweißraupe bietet, die während des Laserschweißens erzeugt wird, oder einen Spalt im verschleißfesten Material des Armelements, so dass das Presskissen im Allgemeinen U-förmig oder im Allgemeinen C-förmig ist.
Laserschweißgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Presskissen eine in der Öffnung angeordnete Linse umfasst, die eine polierte, dem Werkstück zugewandte Oberfläche aufweist, die bündig mit der polierten, dem Werkstück zugewandten Oberfläche des verschleißfesten Materials des Armelements ausgerichtet ist, und wobei mindestens ein weiterer Teil der Pressfläche durch die polierte, dem Werkstück zugewandte Oberfläche der Linse definiert ist.
Die Laserschweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Presskissen eine in der Öffnung angeordnete zylindrische Linse umfasst, die eine polierte, gekrümmte Oberfläche aufweist, die von der dem Werkstück zugewandten Seite des Presskissens vorsteht, und wobei die Pressfläche durch einen Teil der polierten, gekrümmten Oberfläche definiert ist.
Laserschweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Halterung zur Befestigung des Laserschweißgeräts als Endeffektor eines Gelenkarmroboters, wobei das Mittel zum Bewegen des Presskissens in Schweißrichtung relativ zur Werkstückanordnung der Gelenkarmroboter ist, vorzugsweise mit einem linearen Aktuator, der zwischen der Halterung und einer Unterbaugruppe angeordnet ist, die die Laseroptikeinheit enthält, wobei der lineare Aktuator zum Ausfahren und Zurückziehen der Unterbaugruppe relativ zur Halterung dient, um die auf die Werkstückanordnung ausgeübte Verbindungskraft steuerbar zu verändern, wobei der lineare Aktuator ferner vorzugsweise ein Luftzylinder oder ein Hydraulikzylinder ist.
Verfahren, das aufweist: Anordnen eines ersten Werkstücks in einer zumindest teilweise überlappenden Beziehung mit einem zweiten Werkstück, um eine zusammenzufügende Werkstückanordnung zu bilden, Aufbringen einer Verbindungskraft an einer Schweißstelle unter Verwendung einer Pressvorrichtung einer Laserschweißvorrichtung, wobei die Pressvorrichtung ein Armelement mit einem Presskissen mit einer dadurch definierten Öffnung aufweist, wobei das Armelement so geformt ist, dass die Öffnung in dem Presskissen in einem bekannten festen Abstand von einer Laseroptikeinheit der Laserschweißvorrichtung angeordnet ist, um einen optischen Pfad zwischen der Laseroptikeinheit und der Werkstückanordnung bereitzustellen, wobei das Presskissen eine Pressfläche auf einer dem Werkstück zugewandten Seite davon aufweist, um die Verbindungskraft auf die Werkstückanordnung an der Schweißstelle während des Laserschweißens aufzubringen, während des Aufbringens der Verbindungskraft, Bestrahlen der Schweißstelle durch Richten eines Laserlichtstrahls von der Laseroptikeinheit auf die Schweißstelle durch die Öffnung in dem Presskissen und Bewegen des Presskissens relativ zu der Werkstückanordnung entlang einer Schweißrichtung, mit einer Gleitkontaktbewegung zwischen der Pressfläche und einer Kontaktfläche der Werkstückanordnung, während gleichzeitig die Verbindungskraft aufgebracht und bestrahlt wird, um eine Verbindung zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück entlang der Schweißrichtung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das erste Werkstück aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist und wobei sich der Laserstrahl durch das erste Werkstück ausbreitet, um eine Erwärmung an einer Grenzfläche zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück zu bewirken, um das erste Werkstück und das zweite Werkstück durch Laserdurchstrahlschweißen zu verbinden, und/oder wobei das zweite Werkstück aus einem Material hergestellt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die ein Kunststoffmaterial, das die Laserstrahlung absorbiert, ein Kunststoffmaterial, das die Laserstrahlung nicht absorbiert und mit einer Oberflächenbeschichtung aus einem Material, das die Laserstrahlung absorbiert, eine Keramik, ein Metall oder eine Metalllegierung umfasst, und/oder wobei die Pressfläche während der Bestrahlung in kontinuierlichem Kontakt mit der Kontaktfläche der Werkstückanordnung bleibt, um eine kontinuierliche Verbindung zwischen dem ersten Kunststoffwerkstück und dem zweiten Kunststoffwerkstück entlang der Schweißrichtung zu bilden.
Pressvorrichtung für ein Laserschweißgerät, die aufweist: ein Armelement mit einem Montageende und einem gegenüberliegenden Pressende, wobei das Pressende ein Presskissen mit einer sich durch dieses hindurch erstreckenden Öffnung definiert, um zu ermöglichen, dass ein Laserlichtstrahl auf eine Werkstückanordnung auftrifft, die durch die Pressvorrichtung gepresst wird, wobei das Montageende eine Montagestruktur zum abnehmbaren Befestigen der Pressvorrichtung an der Laserschweißvorrichtung aufweist, das Armelement so geformt ist, dass es die Öffnung in dem Presskissen in einem bekannten festen Abstand von einer Laseroptikeinheit der Laserschweißvorrichtung positioniert, und das Presskissen eine Pressfläche auf einer dem Werkstück zugewandten Seite desselben aufweist, um während des Laserschweißens eine Verbindungskraft auf die Werkstückanordnung an einer Schweißstelle auszuüben, wobei mindestens eine von einer Größe, einer Form oder einer Glätte der Pressfläche so ausgebildet ist, dass sie eine Gleitkontaktbewegung der Pressfläche entlang einer Oberfläche der Werkstückanordnung während der Anwendung der Presskraft unterstützt.