DE10246198A1 - Anordnung zum Schweißen mittels Laserstrahlung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, mit der mittels Laserstrahlung zwei Kunststoffteile über ihre aneinanderliegenden Fügeflächen (Werkstück) quasisimultan verschweißt werden können. Das von einer Laserdiode 1 emittierte Strahlenbündel wird über eine Lichtleitfaser 2 in eine Gradienten-Index-Linse 4.1 eingekoppelt, die das Strahlenbündel auf die Werkstückoberfläche 5 konzentriert, wobei die Gradienten-Index-Linse 4.1 gegenüber der Austrittsfläche 3 der Lichtleitfaser 2 ausgelenkt wird, wodurch das Strahlenbündel auf der Werkstückoberfläche 5 eine Fügekontur überstreicht, um das Werkstück in dieser Kontur quasisimultan zu erwärmen, zu plastifizieren und zu verschweißen. Mehrere solcher Anordnungen können als Module zu einer komplexeren Anordnung zusammengefügt werden, um größere Fügekonturen simultan und quasisimultan mit der Strahlung zu beaufschlagen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum quasisimultanen Verschweißen zweier Kunststoffteile entlang einer Fügekontur mittels Laserstrahlung.
  • Unter einer Fügekontur soll im Sinne der Erfindung die Geometrie der Verschweißung zwischen den Fügeflächen der zu verschweißenden Teile (Werkstück) verstanden werden. Die Fügekontur kann grundsätzlich punktförmig, linienförmig oder flächig sein und im Raum oder nur in einer Ebene liegen. Abhängig von den zu verschweißenden Teilen kann sie sich in ihrer Ausdehnung im Bereich von nur wenigen Millimetern bis hin zu mehreren Metern unterscheiden.
  • Unter einem quasisimultanen Verschweißen soll verstanden werden, dass die Fügeflächen im Bereich der Fügekontur nahezu gleichzeitig erwärmt, plastifiziert und miteinander mit Setzweg verschweißt werden.
  • Insbesondere abhängig von der Fügekontur und deren Ausdehnung sind die aus dem Stand der Technik bekannten gattungsgleichen Anordnungen mehr oder wenig gut geeignet, die zu verbindenden Fügeflächen mit einem angemessenen zeitlichen und maschinentechnischen Aufwand zu verschweißen.
  • Aus dem Stand der Technik bekannte Anordnungen, mit denen ausgedehnte Fügekonturen geschweißt werden sollen, umfassen neben einer Laserstrahlungsquelle eine Scaneinrichtung, die grundsätzlich wenigstens aus einem strahlformenden optischen Element und einem strahlumlenkenden optischen Element bestehen. Dabei hat das strahlformende Element die Aufgabe, das Strahlenbündel auf die Werkstückoberfläche zu konzentrieren. Über die strahlumlenkenden Elemente, die mit einem Antrieb verbunden sind, wird das Strahlenbündel ein- oder zweidimensional über die Werkstückoberfläche geführt.
  • Als strahlformende optische Elemente kommen hierfür konventionelle Sammellinsen oder sammelnd wirkende Linsenanordnungen zur Anwendung.
  • Als strahlumlenkende optische Elemente finden insbesondere Polygonspiegel, Galvanometerspiegel und Prismen Anwendung, die schwingend oder rotierend angetrieben werden. Mit derartigen Anordnungen, bei denen die Scaneinrichtung zur Werkstückoberfläche in einem festen Abstand zur Werkstückoberfläche angeordnet ist, können nur begrenzte Abtastbereiche auf der Werkstückoberfläche abgetastet werden. D.h. es können nur Fügekonturen geschaffen werden, die in ihrer Ausdehnung kleiner als die Größe des Abtastbereiches sind.
  • Ist die Fügekontur nur punktförmig, so kann grundsätzlich auf die angetriebenen strahlumlenkenden Elemente verzichtet werden. Die strahlumlenkenden Elemente sind auch dann nicht nötig, wenn die Fügekontur eine Linie ist und die Lichtquelle z.B. mittels einer Zylinderlinse als Linie auf die Werkstückoberfläche abgebildet wird, um das Werkstück simultan zu verschweißen.
  • Zur Schaffung ausgedehnterer Fügekonturen wird üblicherweise das Strahlenbündel über einen mittels Roboterarm geführten Spiegelgelenkarm auf die Werkstückoberfläche gelenkt. Eine simultane oder quasisimultane Verschweißung der gesamten Fügekontur ist damit nicht möglich.
  • Auch sind Kombinationen von Spiegelgelenkarm und Scaneinrichtung bekannt. Die Abtastbewegung kann dann sowohl eine überlagerte Bewegung der strahlumlenkenden Elemente der Scaneinrichtung und des Roboterarmes sein, als auch eine ausschließliche Bewegung der strahlumlenkenden Elemente der Anordnung, mit der nebeneinander angeordnete Abtastbereiche abgetastet werden, zu denen die Anordnung nacheinander durch den Roboterarm positioniert wird. Auch mit einer solchen Lösung ist eine simultane oder quasisimultane Verschweißung der gesamten Fügefläche nicht möglich.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen zum quasisimultanen Schweißen, bestehend aus strahlformenden und strahlumlenkenden Elementen sind gerätetechnisch und konstruktiv aufwändig und erfordern in der Regel einen hohen Platzbedarf. Sie sind deshalb nicht geeignet, nebeneinander angeordnet zu werden, um durch simultane Erzeugung von jeweils benachbarten Teilfügeflächen eine größere Fügefläche quasisimultan zu schweißen.
  • Die Anordnungen zum simultanen Schweißen sind weniger platzaufwändig, sie erfordern jedoch einen hohen Justieraufwand, wenn sie nebeneinander angeordnet zu einer komplexeren Anordnung zusammengesetzt werden sollen, um eine aus mehreren Teilfügeflächen bestehende größere Fügekontur zu schweißen.
  • Dejustierungen führen dazu, dass überlappende Bereiche mit der doppelten Strahlungsmenge beaufschlagt werden bzw. dass Bereiche der Fügefläche nicht verschweißt werden.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum quasisimultanen Schweißen von Fügekonturen oder Teilfügekonturen zu schaffen, die mit geringem gerätetechnischen und konstruktiven Aufwand herstellbar ist, einen deutlich geringeren Platzbedarf erfordert und die geeignet ist, mehrfach nebeneinander angeordnet, simultan mehrere Teilfügeflächen zu verschweißen, die eine größere Fügekontur bilden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Es ist ein wesentlicher Gedanke der Erfindung, als strahlformendes optisches Element eine Gradienten-Index-Linse zu verwenden, wie sie in vielen Bereichen der Technik als Faserkopplung Verwendung findet. Anstelle von strahlumlenkenden Elementen, wie sie im Stand der Technik verwendet werden, um das Strahlenbündel über die Werkstückoberfläche zu führen, wird die Gradienten-Index-Linse gegenüber der Austrittsfläche der Lichtleitfaser bewegt, wobei die Gradienten-Index-Linse so ausgeführt ist, dass bereits eine geringe Auslenkung der Lichtleitfaser ausreicht, um auf der Werkstückoberfläche eine große Auslenkung des Strahlenbündels zu erzeugen. Eine erfindungsgemäße Anordnung, deren Masse und äußere Abmessung im Wesentlichen durch die Bewegungseinheit vorgegeben ist, ist im Verhältnis zu herkömmlichen Anordnungen zum Schweißen mittels Laser wesentlich kleiner und leichter ausführbar. Das hat insbesondere den Vorteil, dass mehrere derartige Anordnungen nebeneinander geordnet als Module zu einer komplexeren Anordnung zusammengestellt werden können, um größere Fügekonturen schweißen zu können.
    •
  • Die Erfindung soll nachfolgend an einigen Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.
  • Hierzu zeigen:
  • 1 Prinzipanordnung für eine Anordnung mit einer Gradienten-Index-Linse und einer Bewegungseinheit
  • 2 Prinzipanordnung für eine Anordnung mit einer Gradienten-Index-Linse und zwei Bewegungseinheiten
  • 3 Prinzipanordnung für eine Anordnung mit zwei Gradienten-Index-Linsen In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung gezeigt. Sie umfasst als technische Mittel eine Laserdiode 1, eine Lichtleitfaser 2, eine erste Gradienten-Index-Linse 4.1, einen ersten Piezosteller 6.1 und eine Werkstückhalterung, in der die zu verschweißenden Teile (nachfolgend Werkstück genannt) gehalten werden. Die aus der Laserdiode 1 emittierende Strahlung wird unmittelbar in die Lichtleitfaser 2 eingekoppelt. Die Austrittsfläche 3 der Lichtleitfaser 2 ist in der Nähe einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche 5 des Werkstückes in einem Arbeitsabstand 7 eines nur geringen Luftspaltes vor der ersten Gradienten-Index-Linse 4.1 fixiert. Dabei liegen die Austrittsfläche 3 und eine erste Planfläche der Gradienten-Index-Linse in zueinander parallelen Ebenen und der Flächenmittelpunkt der Austrittsfläche 3 auf der optischen Achse der ersten Gradienten-Index-Linse 4.1. Die erste Gradienten-Indexlinse 4.1 ist so ausgeführt, dass Ihre Objektebene in der Ebene der Austrittsfläche 3 liegt, wobei der Arbeitsabstand 7 möglichst klein, kleiner 0,3 mm, gewählt ist, damit das auf die erste Planfläche auftreffende Strahlenbündel, bestimmt durch die Apertur der Lichtleitfaser 2, im Durchmesser deutlich kleiner ist als der Durchmesser der ersten Gradienten-Index-Linse 4.1. Geeignete Faserdurchmesser liegen im Bereich zwischen 50 und 1000 μm. Der Durchmesser der Gradienten-Index-Linsen liegt zwischen 0,5 und 2 mm.
  • Die erste Gradienten-Index-Linse 4.1 ist des Weiteren so ausgeführt, dass sie die Austrittsfläche 3 auf die Werkstückoberfläche 5 mit einem großen Abbildungsmaßstab abbildet. Je größer der Abbildungsmaßstab gewählt wird, desto geringer ist der Auslenkweg, um den die erste Gradienten-Index-Linse 4.1 ausgelenkt werden muss, um eine große Auslenkung des Strahlenbündels auf der Werkstückoberfläche 5 zu bewirken.
  • Um die erste Gradienten-Index-Linse 4.1 gegenüber der Austrittsfläche 3 auszulenken, ist diese mit dem ersten Piezosteller 6.1 verbunden, der die Gradienten- Index-Linse 4.1 innerhalb seines möglichen Stellweges mit einer Frequenz bis zu 100 Hz hin- und her bewegt bzw. diese über den Stellweg in verschiedene Positionen führen kann, d.h. es sind statische und dynamische Positionierungen im Bereich des gesamten Stellweges möglich. Ein Stellweg (Amplitude) von kleiner 500 μm reicht aus, um Linien bis zu einer Länge von 20 mm zu generieren, wenn z.B. eine Lichtleitfaser 2 mit einem Durchmesser von 50 μm um das 40-fache vergrößert wird. Besonders vorteilhaft ist hier gegenüber einer konventionellen Sammellinse, dass die entstehenden achsfernen Abbildungen keine so starke Verzeichnung aufweisen, d.h. der auf der Werkstückoberfläche 5 entstehende Brennfleck von ca. 2 mm bleibt auf der generierten Linie im Durchmesser konstant.
  • Eine Anordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist insbesondere geeignet zur Ausführung von Punktschweißungen entlang einer Geraden kürzer 30 mm oder zur Ausführung einer Schweißnaht mit einer Fügekontur gleich einer Geraden kürzer 30 mm.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel, nicht dargestellt in den Zeichnungen, soll sich gegenüber dem ersten durch eine zusätzliche Stelleinrichtung 9 unterscheiden. Um die Breite der Fügekontur variieren zu können, kann mittels der Stelleinrichtung 9 der Werkstückabstand 8 (Abstand zwischen der Werkstückoberfläche 5 im nicht ausgelenkten Zustand der ersten Gradienten-Index-Linse 4.1 und der zweiten Planfläche der ersten Gradienten-Index-Linse 4.1 verändert werden, um den Brennfleck in seinem Durchmesser zu verändern. Diese Stelleinrichtung 9 ist auch dann nützlich, wenn die Werkstückoberfläche 5 keine ebene Fläche ist. Die Stelleinrichtung 9 sorgt dann für einen konstanten Werkstückabstand B. Soweit die Abweichungen der Werkstückoberfläche 5 von einer Ebene allerdings innerhalb des Schärfentiefenbereiches liegen, ist eine Nachstellung des Werkstückabstandes 8 nicht notwendig.
  • In 2 ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es soll sich gegenüber dem zweiten durch Ergänzung mit einem zweiten Piezosteller 6.2 unterscheiden. Dieser zweite Piezosteller 6.2 greift ebenfalls an der ersten Gradienten-Index-Linse 4.1 an und ermöglicht deren Auslenkung in senkrechter Richtung zur Auslenkungsrichtung des ersten Piezostellers 6.1. Durch Überlagerung der beiden Auslenkbewegungen kann eine willkürlich geformte Linie generiert werden.
  • In einem vierten Ausführungsbeispiel, gezeigt in 3, soll anstelle nur einer ersten Gradienten-Index-Linse 4.1 eine erste und eine zweite Gradienten-Index-Linse 4.1, 4.2 verwendet werden. Optisch erfüllen die beiden Gradienten-Index-Linsen 4.1, 4.2 die gleiche Funktion, wie sie in den Ausführungsbeispielen 1–3 von nur einer ersten Gradienten-Index-Linse 4.1 erfüllt wurden. Rein konstruktiv kann es jedoch einfacher sein, wenn nicht zwei Piezosteller 6.1, 6.2 an einer Gradienten-Index-Linse 4.1 angreifen, was sich aufgrund deren kleinen Abmessungen als schwierig erweist. Auch müssen zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, damit der erste Piezosteller 6.1 einer Auslenkung folgen kann, die vom zweiten Piezosteller 6.2 bewirkt wird und umgekehrt. Demgegenüber müssen bei der Verwendung von zwei Gradienten-Index-Linsen 4.1, 4.2 diese so ausgeführt werden, dass das die erste Gradienten-Index-Linse 4.1 verlassende und in die zweite Gradienten-Index-Linse 4.2 eintretende Strahlenbündel in keiner der möglichen Positionen der beiden Gradienten-Index-Linsen 4.1, 4.2 zueinander abgeschattet wird.
  • In einem fünften Ausführungsbeispiel, nicht dargestellt in der Zeichnung, soll die Anordnung mehrerer solcher Module umfassen, wie sie als Anordnung in den Ausführungsbeispielen 1–4 aufgezeigt wurden. Die Ausführungsbeispiele 1–4 haben gemeinsam, dass eine Fügekontur quasisimultan erzeugt werden kann, die in Ihrer Ausdehnung durch den Auslenkungsbereich, den das Strahlenbündel auf der Werkstückoberfläche 5 überstreichen kann, bestimmt ist. Hier wird nun der Vorteil der Erfindung besonders deutlich. Durch den geringen Platzbedarf, der im Wesentlichen nur durch die Piezosteller 6.1, 6.2 bestimmt wird, können dicht zueinander mehrere Module angeordnet werden, die funktionell aufeinander abgestimmt gemeinsam eine größere Fügekontur, zusammengesetzt aus einzelnen Fügekonturteilen, simultan erzeugen können. Indem alle Module gleichzeitig jeder einen Fügekonturteil quasisimultan überstreichen, wird die gesamte Fügekontur mit der Strahlung beaufschlagt. D.h. das Werkstück, bestehend aus zwei Teilen, dessen Fügeflächen aneinander liegen, wird im Bereich der Fügekontur simultan und quasisimultan erwärmt, plastifiziert und verschweißt.
  • In allen beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass die strahlformende optische Einheit 4, bestehend aus einer oder auch zwei Gradienten-Index-Linsen 4.1, 4.2 die Austrittsfläche 3 der Lichtleitfaser 2 auf die Werkstückoberfläche 5 abbildet. Ebenso können die Gradienten-Index-Linsen 4.1, 4.2 so dimensioniert und zur Austrittsfläche 3 angeordnet sein, dass das Strahlenbündel kollimiert bzw. auf die Werkstückoberfläche 5 fokussiert wird.
  • Anstelle der Piezosteller können auch andere aus dem Stand der Technik bekannte lineare Bewegungseinheiten, wie kapazitive Steller oder elektromagnetische Steller verwendet werden.
  • Es liegt auf der Hand, dass die erfindungsgemäße Anordnung auch in Verbindung mit einem Roboterarm angewendet werden kann. Gegenüber herkömmlichen artgleichen Anordnungen ist hier vor allem ihr geringes Gewicht von Vorteil.
  • Auch können Punktschweißungen simultan in einem festen Abstand zueinander erzeugt werden mit einer gleichen Anzahl von Anordnungen zueinander positioniert, wie Schweißpunkte erzeugt werden sollen. Derartige Anordnungen bedürfen dann keiner linearen Bewegungseinheiten.
    • 1
    Laserdiode
    2
    Lichtleitfaser
    3
    Austrittsfläche
    4
    strahlformende optische Einheit
    4.1
    erste Gradienten-Index-Linse
    4.2
    zweite Gradienten-Index-Linse
    5
    Werkstückoberfläche
    6
    lineare Bewegungseinheit
    6.1
    erster Piezosteller
    6.2
    zweiter Piezosteller
    7
    Arbeitsabstand
    8
    Werkstückabstand
    9
    Stelleinrichtung

Claims (8)

  1. Anordnung zum Schweißen mittels Laserstrahlung mit einem Modul umfassend eine Laserdiode (1), eine in deren Strahlungsrichtung vorgeordnete Lichtleitfaser (2), in dessen Eintrittsfläche das emittierende Strahlenbündel der Laserdiode (1) eingekoppelt wird und dessen Austrittsfläche (3) in Strahlungsrichtung vor einer strahlformenden optischen Einheit (4) angeordnet ist, so dass das Strahlenbündel über die strahlformende optische Einheit (4) auf eine der strahlformenden optischen Einheit (4) nachgeordnete Werkstückoberfläche (5) konzentriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlformende optische Einheit (4) aus wenigstens einer Gradienten-Index-Linse (4.1, 4.2) besteht, die mit wenigstens einer linearen Bewegungseinheit (6) verbunden ist, mittels der die Gradienten-Index-Linse (4.1, 4.2) radial zur Lichtleitfaser (2) ausgelenkt wird, um eine Auslenkung des Strahlenbündels auf der Werkstückoberfläche (5) zu erzeugen, die eine Fügekontur beschreibt.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlformende optische Einheit (4) aus genau einer Gradienten-Index-Linse (4.1) besteht, die mit zwei linearen Bewegungseinheiten (6) verbunden ist, die jeweils eine Auslenkung in zueinander senkrechte Richtungen bewirken.
  3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlformende optische Einheit (4) aus genau zwei Gradienten-Index-Linsen (4.1, 4.2) besteht, die in Strahlungsrichtung hintereinander angeordnet sind und mit jeweils einer linearen Bewegungseinheit (6) verbunden sind, um gegenüber der Austrittsfläche (3) in zueinander senkrechte Richtungen ausgelenkt zu werden.
  4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1–3 , dadurch gekennzeichnet, dass die strahlformende optische Einheit (4) so ausgeführt ist, dass die Austrittsfläche (3) in einem Abstand kleiner 0,3 mm vor der ersten optischen Fläche und die Werkstückoberfläche (5) in einem Abstand größer 10 mm hinter der letzten optischen Fläche der strahlformenden optischen Einheit (4) angeordnet sind und die strahlformende optische Einheit (4) einen Abbildungsmaßstab größer 30 aufweist.
  5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheit (6) ein Piezosteller ist.
  6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Module gleichen Aufbaus vorhanden sind, die so zueinander angeordnet sind, dass die jeweils von ihnen auf die Werkstückoberfläche (5) konzentrierten Strahlenbündel jeweils einen Teil der Fügekontur quasisimultan beschreiben, wodurch größere Konturen simultan verschweißt werden können.
  7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlformende optische Einheit (4) so ausgeführt ist, dass die Austrittsfläche (3) in deren Objektebene und die Werkstückoberfläche (5) im nicht ausgelenkten Zustand in deren Bildebene liegt und die strahlformende Einheit (4) einen Tiefenschärfebereich aufweist, der größer ist als eine maximale Abstandsänderung, die eine unebene Werkstückoberfläche (5) über den Bereich der Auslenkung gegenüber der letzten optischen Fläche der strahlformenden optischen Einheit (4) hat.
  8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlformende optische Einheit (4) senkrecht zu den Bewegungsrichtungen der linearen Bewegungseinheiten (6) verschiebbar ist, um den Durchmesser des auf die Werkstückoberfläche (5) auftreffenden Strahlenbündels zu variieren.
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