DE10243005A1 - Laser welding and marking for workpiece containing two thermoplastics uses single process with different wavelengths for welding and for marking - Google Patents

Laser welding and marking for workpiece containing two thermoplastics uses single process with different wavelengths for welding and for marking Download PDF

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Abstract

A transparent thermoplastic part (12) is welded by a laser beam (16) to an absorbent thermoplastic part (14). In order to produce markings, e.g. a barcode, the wavelength is then changed so that it is largely absorbed by the first part (12). The first part (12) can contain a dye so that it absorbs visible light but transmits light in the infra-red region. An Independent claim is also included for an arrangement for welding and marking that includes a laser and optics (40) and means to alter the wavelength of the beam (16), e.g. for doubling (54) or tripling the frequency. The mirror (50) can be replaced by a scanner to produce an extended weld zone and provide markings.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von thermoplastischen Materialien mittels Laserstrahlen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie ein geeignetes Werkstückteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.The present invention relates to a method of welding of thermoplastic materials using laser beams after The preamble of claim 1, an apparatus for performing this Method according to the preamble of claim 9 and a suitable one Workpiece part according to the preamble of claim 15.

Ein Verfahren zum Verschweißen zweier thermoplastischer Werkstücke mittels Laserstrahlen ist unter der Bezeichnung Laserdurchstrahlschweißen bekannt. Das Prinzip des Laserdurchstrahlstrahlschweißens ist in 1 schematisch dargestellt. Üblicherweise werden beim Laserdurchstrahlschweißen zwei Werkstückteile aus unterschiedlichen Kunststoffmaterialien miteinander verbunden, wobei das erste Kunststoffmaterial für Laserstrahlen weitgehend transparent ist und das zweite Kunststoffmaterial aufgrund eines farbigen Zusatzes, z.B. Rußpartikeln, Laserstrahlen weitgehend absorbiert.A method for welding two thermoplastic workpieces by means of laser beams is known as laser transmission welding. The principle of laser transmission beam welding is in 1 shown schematically. Usually, in laser transmission welding, two workpiece parts made of different plastic materials are connected to one another, the first plastic material being largely transparent to laser beams and the second plastic material largely absorbing laser beams due to a colored additive, for example soot particles.

Typischerweise werden bei diesem Verfahren Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm eingesetzt, da bei dieser Wellenlänge die meisten Kunststoffe transparent und somit prinzipiell zur Verwendung als erstes Kunststoffmaterial geeignet sind.Typically, this one Method Nd: YAG laser with a wavelength of 1064 nm used, there at this wavelength most plastics are transparent and therefore principally for use are suitable as the first plastic material.

Beim Bestrahlen der aneinandergrenzenden Kunststoffe mit dem Laserstrahl 16 durchdringt der Laserstrahl 16 das transparente Kunststoffmaterial 12 und wird vom zweiten Kunststoffmaterial 14 an dessen Oberflächenbereich 15 absorbiert (1A). Aufgrund der durch die Energieabsorption erzeugten Wärme schmilzt das zweite Kunststoffmaterial 14 in dem bestrahlten Oberflächenbereich 15 (1B). Durch Aufbringen des ersten transparenten Kunststoffmaterials 12 auf den Schmelzbereich 18 des zweiten Kunststoffmaterials 14 (1C) wird die Wärme auf den Kontaktbereich des ersten Kunststoffmaterials 12 übertragen, so daß sich auch in dem durchstrahlten Oberflächenbereich des ersten transparenten Kunststoffmaterials 12 ein korrespondierender Schmelzbereich 20 bildet (1D). Durch weiteres Zusammenpressen der beiden Kunststoffmaterialien 12, 14 verbinden sich die aneinandergrenzenden Schmelzbereiche 18, 20 und bilden ggf, unter seitlicher Verdrängung von Schmelze 24 eine Schweißnaht 22 aus (1E), die nach Abschalten bzw. Entfernen des Laserstrahls 16 erkaltet und sich verfestigt (1F) .When irradiating the adjoining plastics with the laser beam 16 penetrates the laser beam 16 the transparent plastic material 12 and is made of the second plastic material 14 on its surface area 15 absorbed ( 1A ). The second plastic material melts due to the heat generated by the energy absorption 14 in the irradiated surface area 15 ( 1B ). By applying the first transparent plastic material 12 on the melting range 18 of the second plastic material 14 ( 1C ) the heat on the contact area of the first plastic material 12 transferred so that there is also in the irradiated surface area of the first transparent plastic material 12 a corresponding melting range 20 forms ( 1D ). By further pressing the two plastic materials together 12 . 14 join the contiguous melting ranges 18 . 20 and possibly form, displacing the melt from the side 24 a weld 22 out ( 1E ) after switching off or removing the laser beam 16 cools and solidifies ( 1F ).

Aufgrund der unterschiedlichen Absorptionseigenschaften der durch das bekannte Laserdurchstrahlschweißverfahren verbindbaren Werkstückteile entsteht ein fertiges Werkstück mit sichtbar unterschiedlich gefärbten Teilen. Bei vielen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise für die Herstellung von Schaltergehäusen, ist jedoch ein optisch einheitlicher Gesamteindruck des zusammengeschweißten Werkstücks erwünscht. Zu diesem Zweck ist aus der EP 0 751 865 B1 ein Durchstrahlschweißverfahren bekannt, bei dem für beide der zu verbindenden Werkstückteile ein jeweiliger bestimmter Anteil an absorbierenden Additiven so gewählt wird, daß das erste Werkstückteil wenigstens teilweise für den Laserstrahl transparent ist und das zweite Werkstückteil den Laserstrahl wenigstens teilweise absorbiert. So wird erreicht, daß das Werkstück insgesamt einen weitgehend homogenen optischen Gesamteindruck für das menschliche Auge aufweist.Due to the different absorption properties of the workpiece parts that can be connected by the known laser transmission welding method, a finished workpiece is produced with parts that are visibly differently colored. In many areas of application, such as for the manufacture of switch housings, however, an optically uniform overall impression of the welded workpiece is desirable. For this purpose, the EP 0 751 865 B1 a transmission welding method is known in which a certain proportion of absorbent additives is selected for both of the workpiece parts to be connected such that the first workpiece part is at least partially transparent to the laser beam and the second workpiece part at least partially absorbs the laser beam. It is thus achieved that the workpiece as a whole has a largely homogeneous overall optical impression for the human eye.

Für andere Anwendungsbereiche kann es erwünscht sein, ein schwarz gefärbtes erstes Werkstückteil zu verwenden. Gemäß dem aus der EP 0 751 865 B1 bekannten Laserdurchstrahlverfahren kann das erste Werkstückteil einen Farbstoff enthalten, der im sichtbaren Wellenlängenbereich (ca. 300 bis 800 nm) absorbiert, im Infrarotbereich, d.h. im Arbeitsbereich des typischerweise für das Laserdurchstrahlschweißverfahren verwendeten Nd:YAG-Lasers, jedoch transparent ist.For other areas of application it may be desirable to use a black colored first workpiece part. According to the from the EP 0 751 865 B1 In known laser transmission processes, the first workpiece part can contain a dye which absorbs in the visible wavelength range (approx. 300 to 800 nm), but is transparent in the infrared range, ie in the working range of the Nd: YAG laser typically used for the laser transmission welding process.

Im Anschluß an das Laserdurchstrahlverschweißen ist oftmals eine Beschriftung solcher verschweißter Kunststoffe erwünscht. Die Beschriftung erfolgt in einem anschließenden Bearbeitungsschritt mit einem Beschriftungslaser.Following the laser transmission welding labeling of such welded plastics is often desired. The Labeling takes place in a subsequent processing step a marking laser.

Eine Beschriftung von Kunststoffen kann beispielsweise mittels eines CO2-Lasers erfolgen. Der CO2-Laser emittiert Strahlung mit einer Wellenlänge von ca. 10 μm, bei der alle Kunststoffe absorbieren. Bei Verwendung eines CO2-Lasers zum Beschriften wird das Kunststoffmaterial jedoch graviert. Dies ist mit dem Nachteil verbunden, daß die durch Gravieren erreichbare Kontrast gering ist und sich beispielsweise nicht zum Beschriften mit einem Barcode eignet.Plastics can be labeled, for example, using a CO 2 laser. The CO 2 laser emits radiation with a wavelength of approx. 10 μm, at which all plastics absorb. If a CO 2 laser is used for marking, however, the plastic material is engraved. This has the disadvantage that the contrast that can be achieved by engraving is low and is, for example, not suitable for labeling with a bar code.

Ist eine Beschriftung mit hohem Kontrast erwünscht, werden üblicherweise Nd:YAG-Laser eingesetzt. Der Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm eignet sich jedoch nicht zur Beschriftung transparenter Kunststoffe. Aufgrund dieser Tatsache wurden bisher das Laserdurchstrahlschweißen und das Beschriften des geschweißten Werkstücks stets als getrennte Verfahren in zwei verschiedenen Stationen durchgeführt.Is a label with high contrast he wishes, are common Nd: YAG laser used. The Nd: YAG laser with a wavelength of However, 1064 nm is not suitable for labeling more transparent Plastics. Due to this fact, laser transmission welding and the labeling of the welded workpiece always carried out as separate processes in two different stations.

Es soll demnach ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein geeignetes Werkstückteil geschaffen werden, mit dem das Laserdurchstrahlschweißen und das Beschriften in einer einzigen Vorrichtung durchgeführt werden können.It should therefore be a procedure, a Device and a suitable workpiece part are created with which the laser transmission welding and the labeling can be carried out in a single device can.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Erfindungsgemäß wird somit bei einem bekannten Laserdurchstrahlschweißverfahren zum Verschweißen eines aus mindestens zwei thermoplastischen Werkstückteilen bestehenden Werkstücks mittels eines Laserstrahls einer Schweißwellenlänge die Wellenlänge des Laserstrahls von der Schweißwellenlänge in eine Markierwellenlänge geändert, bei der das erste thermoplastische Werkstückteil den Laserstrahl überwiegend absorbiert. Bei der Markierwellenlänge wird das erste thermoplastische Werkstückteil mit dem Laserstrahl markiert.According to the invention, a known laser transmission welding method is used to weld a workpiece consisting of at least two thermoplastic workpiece parts By means of a laser beam of a welding wavelength, the wavelength of the laser beam is changed from the welding wavelength to a marking wavelength at which the first thermoplastic workpiece part predominantly absorbs the laser beam. At the marking wavelength, the first thermoplastic workpiece part is marked with the laser beam.

Durch Ändern der Wellenlänge des Laserstrahls von einer Schweißwellenlänge in eine Markierwellenlänge wird somit eine Zeitersparnis bei der Durchführung des Schweiß- und Markierverfahrens erzielt, da das Verfahren in einer einzigen Vorrichtung mit einer einzigen Laserstrahlenquelle durchgeführt werden kann und somit der Schritt entfällt, die zu bearbeitenden Werkstücke von einer Schweißanlage in eine Markieranlage zu transportieren. Eine solche kombinierte Anlage kann in einer kompakten Bauweise mit nur einer einzigen Laserstrahlenquelle und einem Mittel zum reversiblen Ändern der Wellenlänge des Laserstrahls verwirklicht werden, so daß gegenüber herkömmlichen getrennten Vorrichtungen Kostenersparnisse erzielt werden können.By changing the wavelength of the Laser beam from a welding wavelength into a Markierwellenlänge this saves time when performing the welding and marking process, since the process in a single device with a single Laser beam source can be performed can and thus the step is omitted, the workpieces to be machined from a welding machine to be transported to a marking system. Such a combined System can be built in a compact design with only a single laser beam source and means for reversibly changing the wavelength of the Laser beam can be realized, so that compared to conventional separate devices Cost savings can be achieved.

Es ist im Rahmen der Erfindung unerheblich, ob bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Markieren des ersten thermoplastischen Werkstückteils vor oder nach dem Verschweißen der thermoplastischen Werkstückteile erfolgt.It is irrelevant within the scope of the invention whether during execution of the method according to the invention marking the first thermoplastic workpiece part before or after welding of the thermoplastic workpiece parts he follows.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird ein erstes Werkstückteil verwendet, das zumindest teilweise mit einem Farbstoff gefärbt ist, der Laserstrahlen im Bereich sichtbarer Wellenlängen absorbiert und Laserstrahlen im Infrarotbereich durchläßt. Bei Verwendung derartiger Farbstoffe lassen sich Werkstücke mit verschiedenartiger farblicher Gestaltung der Werkstückteile entsprechend den aktuellen Markterfordernissen unter Verwendung üblicher Schweiß- und Markierlaser, z.B. Nd:YAG-Laser, erfindungsgemäß verschweißen und markieren.In an advantageous embodiment of the Invention becomes a first workpiece part used that is at least partially colored with a dye, the laser beams are absorbed in the visible wavelength range and laser beams transmits in the infrared range. at Workpieces can be used with such dyes different color design of the workpiece parts according to current market requirements using more common welding and marking lasers, e.g. Nd: YAG laser, weld according to the invention and to mark.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Schweißwellenlänge des Laserstrahls das Doppelte oder das Dreifache der Markierwellenlänge, so daß das Verfahren unter Verwendung üblicher Frequenzverdoppler oder Frequenzverdreifacher durchgeführt werden kann, die in die Strahlenquelle ein- und ausfahrbar sind. Beispielsweise eignet sich für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Nd:YAG-Laser mit einer Schweißwellenlänge von 1064 nm, der üblicherweise für die Durchführung eines Laserdurchstrahlschweißverfahrens zum Verschweißen eines bei 1064 nm weitgehend transparenten ersten thermoplastischen Werkstückteils mit einem bei 1064 nm weitgehend absorbierenden zweiten thermoplastischen Werkstückteil verwendet wird. Nach Durchführung des Laserdurchstrahlschweißens wird zur Durchführung des Markierungsvorgangs die Wellenlänge des Nd:YAG-Laserstrahls mittels eines in die Laserstrahlenquelle einschwenkbaren Frequenzverdopplers in eine Markierwellenlänge von 532 nm geändert.In a particularly advantageous embodiment of the invention the welding wavelength of the Laser beam twice or three times the marking wavelength, see above that this Methods using common Frequency doubler or frequency tripler can be performed can, which are retractable and extendable into the radiation source. For example, is suitable for the implementation of the method according to the invention an Nd: YAG laser with a welding wavelength of 1064 nm, which is usually for the execution a laser transmission welding process for welding a first thermoplastic largely transparent at 1064 nm Workpiece part with a second thermoplastic largely absorbing at 1064 nm Workpiece part is used. After implementation of laser transmission welding becomes the implementation of the marking process the wavelength of the Nd: YAG laser beam by means of a frequency doubler that can be swiveled into the laser beam source into a marking wavelength changed from 532 nm.

Alternativ sind auch andere dem Fachmann bekannte Laser zur Durchführung des Verfahrens geeignet, beispielsweise Diodenlaser.Alternatively, others known to those skilled in the art are also available Laser to carry out suitable for the method, for example diode lasers.

Das für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete thermoplastische Werkstückteil weist demnach erfindungsgemäß zumindest im Bereich der vorgesehenen Markierung einen Farbstoff auf, der für eine Schweißwellenlänge des Laserstrahls weitgehend transparent ist und eine Markierwellenlänge des Laserstrahls weitgehend absorbiert.That for the implementation of the inventive method suitable thermoplastic workpiece part accordingly at least according to the invention in the area of the intended marking on a dye that for one Welding wavelength of the Laser beam is largely transparent and a marking wavelength of Laser beam largely absorbed.

Insbesondere sind Farbstoffe geeignet, die Laserstrahlen im Bereich der sichtbaren Wellenlängen weitgehend absorbieren und für Laserstrahlen im infraroten Bereich weitgehend transparent sind. Dadurch wird die Verwendung eines üblichen Nd:YAG-Lasers mit einer Schweißwellenlänge von 1064 nm für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.Dyes are particularly suitable the laser beams largely in the visible wavelength range absorb and for Laser beams in the infrared range are largely transparent. Thereby will use a standard Nd: YAG laser with a welding wavelength of 1064 nm for the implementation of the method according to the invention allows.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüche, der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and configurations result from the respective subclaims, the description and the enclosed drawing.

Es versteht sich, daß die vorstehend benannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the above not only named and the features to be explained below in the specified combination, but also in others Combinations or alone can be used without the frame to leave the present invention.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is based on an embodiment shown schematically in the drawing and is described below Described in detail with reference to the drawing.

1A – 1F zeigen in schematischer Darstellung den Ablauf eines Laserdurchstrahlschweißverfahrens nach dem Stand der Technik. 1A - 1F show a schematic representation of the sequence of a laser transmission welding method according to the prior art.

2 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 2 shows a schematic representation of the structure of a device according to the invention.

Bevorzugte AusführungsformenPreferred embodiments

1 zeigt in 6 Schritten (1A bis 1F) schematisch den Verlauf eines an sich bekannten Laserdurchstrahlschweißverfahrens. Bei diesem Verfahren wird eine erste Fügefläche 13 eines ersten Werkstückteils 12 mit einer zweiten Fügefläche 15 eines zweiten Werkstückteils 14 mittels eines Laserstrahls 16 verschweißt. Das erste Werkstückteil 12 besteht aus einem thermoplastischen Material, das für den Laserstrahl 16 transparent ist, d.h. die Energie des Laserstrahls nicht oder in geringem Ausmaß absorbiert. Das zweite Werkstückteil 14 besteht aus einem farbigen thermoplastischen Kunststoffmaterial, das zum Beispiel durch Rußpartikel eingefärbt ist, und daher die Energie des Laserstrahls weitgehend absorbiert. In einer Schweißvorrichtung sind die zu verbindenden Fügeflächen 13, 15 in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet und können mittels eines Niederhalters oder dergleichen (nicht dargestellt), der eine Druckkraft F in Richtung der Pfeile 30 auf das erste Werkstückteil 12 ausübt, aufeinander gepreßt werden. Die den Laserstrahl 16 emittierende Strahlenquelle ist so angeordnet, daß der Laserstrahl 16 durch das erste Werkstückteil 12 und die erste Fügefläche 13 hindurch auf die zweite Fügefläche 15 des zweiten Werkstückteils 14 auftrifft (1A). Die Energie des Laserstrahls 16 wird an der zweiten Fügefläche 15 absorbiert, so daß sich ein Schmelzbereich 18 im Bereich des Strahlenfelds des Laserstrahls 16 an der zweiten Fügefläche 15 des zweiten Werkstückteils 14 ausbildet (1B). Das erste transparente Werkstückteil 12 wird dann auf den Schmelzbereich 18 des zweiten Werkstückteils 14 herabgesenkt, bis die erste Fügefläche 13 mit dem Schmelzbereich 18 in direkten Kontakt tritt. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß die Fügeflächen 13, 15 bereits vor Beaufschlagung mit dem Laserstrahl 16 eng beieinander angeordnet sind oder im Kontakt miteinander stehen, so daß ein weiteres Herabsenken des ersten Werkstückteils 12 nicht erforderlich ist. (1C). 1 shows in 6 steps ( 1A to 1F ) schematically the course of a known laser transmission welding process. With this method, a first joining surface is created 13 of a first workpiece part 12 with a second joining surface 15 a second part of the workpiece 14 by means of a laser beam 16 welded. The first workpiece part 12 consists of a thermoplastic material for the laser beam 16 is transparent, ie the energy of the laser beam is not absorbed or is absorbed to a small extent. The second part of the workpiece 14 consists of a colored thermoplastic material, which is colored, for example, by soot particles and therefore largely absorbs the energy of the laser beam. The joining surfaces to be connected are in a welding device 13 . 15 arranged in close proximity to each other and can by means of egg nes hold-down device or the like (not shown), which has a pressure force F in the direction of the arrows 30 on the first workpiece part 12 exercises, are pressed together. The the laser beam 16 emitting radiation source is arranged so that the laser beam 16 through the first part of the workpiece 12 and the first joining surface 13 through to the second joining surface 15 of the second part of the workpiece 14 hits ( 1A ). The energy of the laser beam 16 is on the second joining surface 15 absorbed so that there is a melting range 18 in the area of the beam field of the laser beam 16 on the second joining surface 15 of the second part of the workpiece 14 educates ( 1B ). The first transparent workpiece part 12 is then on the melting range 18 of the second part of the workpiece 14 lowered until the first joint surface 13 with the melting range 18 comes into direct contact. Of course, it is also possible that the joining surfaces 13 . 15 even before exposure to the laser beam 16 are arranged closely together or are in contact with one another, so that a further lowering of the first workpiece part 12 is not required. ( 1C ).

Aufgrund des Kontakts der ersten Fügefläche 13 mit dem heißen Schmelzbereich 18 der zweiten Fügefläche 15 schmilzt auch die erste Fügefläche 13 in einem Kontaktbereich 20 durch Wärmeübertragung auf (1D).Due to the contact of the first joint surface 13 with the hot melting range 18 the second joining surface 15 the first joint surface also melts 13 in a contact area 20 by heat transfer to ( 1D ).

Unter weiterer Druckbeaufschlagung verschmelzen die korrespondierenden Schmelzbereiche 18, 20 miteinander und bilden somit eine Schweißnaht 22 aus. Rufgrund der Druckbeaufschlagung kann überschüssiges Schweißmaterial 24 seitlich entlang der Schweißnaht 22 austreten oder abfließen (1E).The corresponding melting ranges merge under further pressure 18 . 20 with each other and thus form a weld seam 22 out. The reason for the pressurization can be excess welding material 24 along the side of the weld 22 emerge or drain ( 1E ).

Nach Abschalten des Laserstrahls 16 (1F) verfestigen sich die vereinigten Schmelzbereiche der Schweißnaht 22 und bilden somit die gewünschte Verbindung zwischen den Werkstückteilen 12, 14 aus.After switching off the laser beam 16 ( 1F ) the combined melting areas of the weld solidify 22 and thus form the desired connection between the workpiece parts 12 . 14 out.

In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Schweiß- und Markiervorrichtung dargestellt, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Strahlenquelle 40 zur Erzeugung eines Laserstrahls 16 auf, die aus zwei Resonatorspiegeln 48, 49 und einem zwischen den Resonatorspiegeln 48, 49 angeordneten aktiven Medium 46 besteht. In der Strahlenquelle 40 ist ein den rechten Resonatorspiegel 49 abdeckender Q-Switch 44 zur Einstellung des Operationsmodus des Laserstrahls 16 vorgesehen. Durch Anregung des aktiven Mediums 46 in der Strahlenquelle 40 wird ein gepulster Laserstrahl 16 erzeugt.In 2 An embodiment of a welding and marking device is shown, which is suitable for performing the method according to the invention. The device according to the invention has a radiation source 40 to generate a laser beam 16 on that consist of two resonator mirrors 48 . 49 and one between the resonator mirrors 48 . 49 arranged active medium 46 consists. In the radiation source 40 is a right resonator mirror 49 covering Q-Switch 44 for setting the operating mode of the laser beam 16 intended. By stimulating the active medium 46 in the radiation source 40 becomes a pulsed laser beam 16 generated.

Der Laserstrahl 16 erreicht seinen Wirkort auf einem aus zwei thermoplastischen Werkstückteilen 12, 14 bestehenden Werkstück 52 durch Reflexion an einem Spiegel 50, der üblicherweise an einem Gelenkarm (nicht dargestellt) installiert ist, so daß eine genaue Ausrichtung des Laserstrahls bezüglich des Werkstücks möglich ist.The laser beam 16 reaches its place of action on one of two thermoplastic workpiece parts 12 . 14 existing workpiece 52 by reflection on a mirror 50 , which is usually installed on an articulated arm (not shown), so that an exact alignment of the laser beam with respect to the workpiece is possible.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner eine Optik 40 auf, die in dem Strahlengang des Laserstrahls 16 zwischen dem Spiegel 50 und dem Werkstück 52 angeordnet ist und zur Aufweitung des Laserstrahls 16 für das Simultanschweißen größerer Werkstückabschnitte dient.The device according to the invention also has optics 40 on that in the beam path of the laser beam 16 between the mirror 50 and the workpiece 52 is arranged and for expanding the laser beam 16 is used for the simultaneous welding of larger workpiece sections.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann alternativ anstelle des Spiegels 50 einen Scanner zum Verschieben des Laserstrahls entlang einer festgelegten Schweißbahn auf dem Werkstück 52 aufweisen. Somit kann auch ein sich bekanntes Quasisimultanschweißverfahren mit einem Markierverfahren erfindungsgemäß kombiniert werden. Beim Quasisimultanschweißverfahren wird der Laserstrahl 16 im Sinne einer Bewegung in die Bildebene hinein bzw. aus der Bildebene hinaus und/oder nach rechts bzw. links fortbewegt, so daß sich fortlaufend aneinandergrenzende Abschnitte des Werkstücks 52 erwärmen. Durch wiederholtes Abfahren einer aus diesen Abschnitten gebildeten Schweißbahn kann eine schrittweise Erhöhung der Temperatur jedes Abschnitts bis zu der für die Verschweißung erforderlichen Schmelztemperatur erreicht werden.A device according to the invention can alternatively be used instead of the mirror 50 a scanner for shifting the laser beam along a defined welding path on the workpiece 52 exhibit. Thus, a known quasi-simultaneous welding process can also be combined with a marking process according to the invention. In the quasi-simultaneous welding process, the laser beam 16 in the sense of a movement into the image plane or out of the image plane and / or to the right or left, so that continuously adjoining sections of the workpiece 52 heat. By repeating a welding path formed from these sections, a gradual increase in the temperature of each section up to the melting temperature required for the welding can be achieved.

Die in 2 dargestellte Vorrichtung weist ferner einen Frequenzverdoppler 54 auf, der in die Strahlenquelle 40 einschwenkbar oder einfahrbar ist. Bei in die Strahlenquelle 40 eingefahrenem Frequenzverdoppler 54 wird ein Laserstrahl 16 mit halbierter Wellenlänge erzeugt.In the 2 The device shown also has a frequency doubler 54 on that in the radiation source 40 is pivotable or retractable. In the radiation source 40 retracted frequency doubler 54 becomes a laser beam 16 generated with halved wavelength.

Es ist ersichtlich, daß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Idee zugrundeliegt, durch geeignete fachmännische Auswahl von thermoplastischen Materialen mit bestimmten Absorptionseingenschaften für die Verwendung als Werkstückteile 12, 14 und eines Lasers, der bei verschiedenen Wellenlängen zum Verschweißen und zum Markieren dieser Werkstückteile nutzbar ist, eine Durchführung des Verschweiß- und Markiervorgangs in einer einzigen kompakten Vorrichtung mit einer einzigen Strahlenquelle 40 zu verwirklichen.It can be seen that the method according to the invention is based on the idea of selecting suitable thermoplastic materials with certain absorption properties for use as workpiece parts 12 . 14 and a laser that can be used at different wavelengths for welding and for marking these workpiece parts, performing the welding and marking process in a single compact device with a single radiation source 40 to realize.

Beispielsweise eignet sich für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Nd:YAG-Laser mit einer Schweißwellenlänge von 1064 nm, der üblicherweise für die Durchführung eines Laserdurchstrahlschweißverfahrens zum Verschweißen eines bei 1064 nm weitgehend transparenten ersten thermoplastischen Werkstückteils mit einem bei 1064 nm weitgehend absorbierenden zweiten thermoplastischen Werkstückteil verwendet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit unter Verwendung eines ersten thermoplastischen Werkstückteils aus einem bei 1064 nm weitgehend transparenten und bei 532 nm weitgehend absorbierenden Material durchgeführt werden. Ein solches Material kann beispielsweise ein übliches thermoplastisches Kunststoffmaterial sein, das zumindest teilweise mit einem bei 1064 nm transparenten und bei 532 nm absorbierenden Farbstoff eingefärbt ist. Das zweite Werkstückteil ist entsprechend den Anforderungen des Laserdurchstrahlschweißverfahrens aus einem bei 1064 nm absorbierenden Material ausgebildet, beispielsweise aus einem mit Rußpartikeln gefärbten herkömmlichen thermoplastischen Kunststoffmaterial. Nach Ändern der Wellenlänge des Nd:YAG-Laserstrahls mittels eines in die Laserstrahlenquelle einschwenkbaren Frequenzverdopplers 54 von der Schweißwellenlänge von 1064 nm in eine Markierwellenlänge von 532 nm kann das erste thermoplastische Werkstückteil beispielsweise mit einem Barcode beschriftet werden.For example, an Nd: YAG laser with a welding wavelength of 1064 nm is suitable for carrying out the method according to the invention, which is usually used to carry out a laser transmission welding method for welding a first thermoplastic workpiece part that is largely transparent at 1064 nm to a second thermoplastic workpiece part that is largely absorbent at 1064 nm is used. The method according to the invention can thus be carried out using a first thermoplastic workpiece part made of a material that is largely transparent at 1064 nm and largely absorbent at 532 nm. Such a material can be, for example, a conventional thermoplastic material that is at least partially colored with a dye that is transparent at 1064 nm and absorbent at 532 nm. The second workpiece part is in accordance with the requirements The laser transmission welding process is made from a material that absorbs at 1064 nm, for example from a conventional thermoplastic material that is colored with soot particles. After changing the wavelength of the Nd: YAG laser beam by means of a frequency doubler that can be swiveled into the laser beam source 54 From the welding wavelength of 1064 nm to a marking wavelength of 532 nm, the first thermoplastic workpiece part can be labeled with a barcode, for example.

Claims (16)

Verfahren zum Verschweißen und Markieren eines Werkstücks aus mindestens zwei thermoplastischen Werkstückteilen, wobei ein erstes thermoplastisches Werkstückteil (12) mit einem Laserstrahl (16) einer Schweißwellenlänge beaufschlagt wird und der Laserstrahl (16) der Schweißwellenlänge durch das erste thermoplastische Werkstückteil (12) überwiegend hindurchtritt und von einem zweiten Werkstückteil (14) überwiegend absorbiert wird, wodurch das zweite Werkstückteil (14) in dem von dem Laserstrahl beaufschlagten Bereich erwärmt und Wärme auf einen angrenzenden Bereich des ersten Werkstückteils (12) übertragen wird, bis die zum Verschweißen notwendigen Temperaturen der Werkstückteile (12, 14) erreicht sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Markieren des ersten thermoplastischen Werkstückteils (12) die Wellenlänge des Laserstrahls (16) von der Schweißwellenlänge in eine Markierwellenlänge geändert wird, wobei das erste thermoplastische Werkstückteil (12) Laserstrahlen der Markierwellenlänge zumindest in dem für die Markierung vorgesehenen Bereich überwiegend absorbiert.Method for welding and marking a workpiece from at least two thermoplastic workpiece parts, a first thermoplastic workpiece part ( 12 ) with a laser beam ( 16 ) is applied to a welding wavelength and the laser beam ( 16 ) the welding wavelength through the first thermoplastic workpiece part ( 12 ) mainly passes through and from a second workpiece part ( 14 ) is predominantly absorbed, whereby the second workpiece part ( 14 ) is heated in the area exposed to the laser beam and heat is applied to an adjacent area of the first workpiece part ( 12 ) is transmitted until the temperatures of the workpiece parts necessary for welding ( 12 . 14 ) are reached, characterized in that for marking the first thermoplastic workpiece part ( 12 ) the wavelength of the laser beam ( 16 ) is changed from the welding wavelength to a marking wavelength, the first thermoplastic workpiece part ( 12 ) Laser beams of the marking wavelength are predominantly absorbed at least in the area provided for the marking. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes Werkstückteil (12) ein zumindest teilweise mit einem Farbstoff, der Laserstrahlen im Bereich sichtbarer Wellenlängen absorbiert und Laserstrahlen im Infrarotbereich durchläßt, gefärbtes Werkstückteil verwendet wird.Method according to Claim 1, characterized in that the first workpiece part ( 12 ) a workpiece part colored at least partially with a dye that absorbs laser beams in the visible wavelength range and passes laser beams in the infrared range is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schweißwellenlänge des Laserstrahls (16) das Doppelte der Markierwellenlänge gewählt wird.Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the welding wavelength of the laser beam ( 16 ) double the marking wavelength is selected. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schweißwellenlänge des Laserstrahls (16) das Dreifache der Markierwellenlänge gewählt wird.Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the welding wavelength of the laser beam ( 16 ) three times the marking wavelength is selected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Laserstrahl (16) ein Nd:YAG-Laser mit einer Schweißwellenlänge von 1064 nm verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the laser beam ( 16 ) an Nd: YAG laser with a welding wavelength of 1064 nm is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (16) aufgeweitet wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the laser beam ( 16 ) is expanded. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (16) entlang einer Schweißbahn verschoben wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the laser beam ( 16 ) is moved along a welding path. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste thermoplastische Werkstückteil (12) mit einem Barcode markiert wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the first thermoplastic workpiece part ( 12 ) is marked with a barcode. Vorrichtung zum Verschweißen und Markieren eines Werkstücks (52) aus mindestens zwei thermoplastischen Werkstückteilen (12, 14), wobei ein erstes thermoplastisches Werkstückteil (12) für Laserstrahlen (16) einer Schweißwellenlänge überwiegend durchlässig ist und ein zweites thermoplastisches Werkstückteil (14) für Laserstrahlen (16) der Schweißwellenlänge überwiegend absorbierend ist, mit einer Laserstrahlenquelle (40) zum Erzeugen eines Laserstrahls (16), und einer Einrichtung (50) zum Ausrichten des Laserstrahls (16) bezüglich des Werkstücks (52), gekennzeichnet durch Mittel (42) zum reversiblen Ändern der Wellenlänge des Laserstrahls (16) zwischen einer Schweißwellenlänge und einer Markierwellenlänge.Device for welding and marking a workpiece ( 52 ) from at least two thermoplastic workpiece parts ( 12 . 14 ), a first thermoplastic workpiece part ( 12 ) for laser beams ( 16 ) a welding wavelength is predominantly permeable and a second thermoplastic workpiece part ( 14 ) for laser beams ( 16 ) the welding wavelength is predominantly absorbent, with a laser beam source ( 40 ) to generate a laser beam ( 16 ), and a facility ( 50 ) to align the laser beam ( 16 ) regarding the workpiece ( 52 ), characterized by means ( 42 ) for reversibly changing the wavelength of the laser beam ( 16 ) between a welding wavelength and a marking wavelength. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (42) zum Ändern der Wellenlänge des Laserstrahls (16) ein Frequenzverdoppler (54) ist, der in die Laserstrahlenquelle (40) einschwenkbar ist.Device according to claim 9, characterized in that the means ( 42 ) to change the wavelength of the laser beam ( 16 ) a frequency doubler ( 54 ) which is in the laser beam source ( 40 ) can be swiveled in. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (42) zum Ändern der Wellenlänge des Laserstrahls (16) ein Frequenzverdreifacher ist, der in die Laserstrahlenquelle (40) einschwenkbar ist.Device according to claim 9, characterized in that the means ( 42 ) to change the wavelength of the laser beam ( 16 ) is a frequency tripler that enters the laser beam source ( 40 ) can be swiveled in. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Optik (54) zur Aufweitung des Laserstrahls (16) vorgesehen ist.Device according to one of claims 9 to 11, characterized in that an optical system ( 54 ) to expand the laser beam ( 16 ) is provided. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorschubeinrichtung zum Verschieben des Laserstrahls (16) entlang einer Schweißbahn vorgesehen ist.Device according to one of claims 9 to 12, characterized in that a feed device for displacing the laser beam ( 16 ) is provided along a welding path. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlenquelle (40) eine Nd:YAG-Laserstrahlenquelle oder eine Diodenlaserstrahlenquelle ist.Device according to one of claims 8 to 11, characterized in that the laser beam source ( 40 ) is an Nd: YAG laser beam source or a diode laser beam source. Thermoplastisches Werkstückteil zum Verschweißen und Markieren mittels eines Laserstrahls (16), dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstückteil (12) zumindest im Bereich der vorgesehenen Markierung einen Farbstoff enthält, der für eine Schweißwellenlänge des Laserstrahls (16) weitgehend transparent ist und eine Markierwellenlänge des Laserstrahls (16) weitgehend absorbiert.Thermoplastic workpiece part for welding and marking using a laser beam ( 16 ), characterized in that the workpiece part ( 12 ) at least in the area of the intended markie tion contains a dye that is suitable for a welding wavelength of the laser beam ( 16 ) is largely transparent and a marking wavelength of the laser beam ( 16 ) largely absorbed. Thermoplastisches Werkstückteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbstoff Laserstrahlen (16) im Bereich der sichtbaren Wellenlängen weitgehend absorbiert und für Laserstrahlen (16) im infraroten Bereich weitgehend transparent ist.Thermoplastic workpiece part according to claim 16, characterized in that the dye is laser beams ( 16 ) largely absorbed in the visible wavelength range and for laser beams ( 16 ) is largely transparent in the infrared range.
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