DE19919191A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen - Google Patents
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- B29C66/733—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the optical properties of the material of the parts to be joined, e.g. fluorescence, phosphorescence
- B29C66/7336—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the optical properties of the material of the parts to be joined, e.g. fluorescence, phosphorescence at least one of the parts to be joined being opaque, transparent or translucent to visible light
- B29C66/73365—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the optical properties of the material of the parts to be joined, e.g. fluorescence, phosphorescence at least one of the parts to be joined being opaque, transparent or translucent to visible light at least one of the parts to be joined being transparent or translucent to visible light
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- B29C35/0805—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation using electromagnetic radiation
- B29C2035/0822—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation using electromagnetic radiation using IR radiation
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- B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
- B29C65/14—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation
- B29C65/1403—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation characterised by the type of electromagnetic or particle radiation
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- B29C65/14—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation
- B29C65/1403—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation characterised by the type of electromagnetic or particle radiation
- B29C65/1412—Infrared [IR] radiation
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- Butt Welding And Welding Of Specific Article (AREA)
Abstract
Zur Verbindung zweier Flächen (41, 42) von thermoplastischem Kunststoff im Durchstrahl-Schweißverfahren wird die verdeckte Fläche (42) durch die abdeckende Fläche (41) hindurch mit einem Laserstrahl (10) im Durchlauf mehrfach abgescannt und dadurch schrittweise erwärmt. Diese Vorwärmung wird wiederholt, bis die Schmelztemperatur erreicht ist. Im Bereich der verdeckten Fläche (42) entsteht dadurch gleichzeitig über die gesamte Nahtlänge eine Schmelze, welche die abdeckende Fläche (41) benetzt und durch Wärmeleitung ebenfalls in Schmelze überführt. Mit Beginn der Materialerweichung werden die Flächen (41, 42) gegeneinander bis zum Anschlag bewegt. Dadurch verschweißen die beiden Flächen (41, 42) im Prinzip so, als wären sie über die gesamte Nahtlänge simultan plastifiziert worden, was die Dichtheit und Festigkeit der Naht wesentlich erhöht, obwohl nur ein geringer Vorrichtungsaufwand erforderlich ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zum Schweißen einer Verbindung, insbesondere für thermo
plastische Kunststoffe, mit einer Energiestrahlung, deren
Wellenlänge im oder nahe beim Infrarotbereich liegen kann.
Die kurzwellige Strahlung kann eine Wellenlänge zwischen 0,7
bis 2,0 µm haben. Die beiden Fügezonen oder Fügeflächen
werden während der Plastifizierung in Deckung bzw. in Kontakt
miteinander gehalten. Dadurch oder auf andere Weise wird
zuerst die eine Fügezone und erst danach die andere Fügezone
plastifiziert, insbesondere dadurch, daß sie mit der plasti
fizierten ersten Fügezone benetzt und so durch Wärmeleitung
ebenfalls plastifiziert wird.
Bei Stumpfschweißungen werden beide Fügezonen getrennt
voneinander, jedoch gleichzeitig, plastifiziert und im
plastischen Zustand dann gegeneinander gepreßt, um zu ver
schweißen. Durch den Anpreßdruck kann plastifizierter Werk
stoff aus der Verbindungsfuge austreten und dann einen Wulst
bilden, der meist unerwünscht ist. Die Erwärmung kann auch
durch Vibration, nämlich durch Reibung an der Fügefläche bzw.
durch Reibung beider Fügeflächen aneinander, erfolgen.
Dadurch entstehen Abriebpartikel, welche bei vielen Produkten
stören und nur sehr schwer von diesen Produkten zu entfernen
sind. Beim Durchstrahl-Schweißen dagegen wird die Schweiß
energie den einander abdeckenden Fügeflächen zugeführt,
beispielsweise durch den freiliegenden Querschnitt und dessen
Fügefläche hindurch auf die Fügezone des abgedeckten Quer
schnittes. Dessen an die Fügefläche anschließende Fügezone
wird dadurch als Teilschicht des Querschnittes plastifiziert.
Danach benetzt die plastifizierte Werkstoffmasse durch Fluß,
gegenseitige Querbewegung oder Anpressung die andere Füge
fläche und plastifiziert auch deren Fügezone. Dadurch kommt
es zur Verschweißung. Erfolgt diese Verschweißung entlang der
Verbindung bzw. Naht fortschreitend, so sind Nahtabschnitte
bereits fest verschweißt, während andere noch plastisch bzw.
zu plastifizieren sind. Dies erschwert das gleichmäßige
Anpressen der Fügeflächen in den verschiedenen Nahtabschnit
ten und auch die Nivellierung der Fügeflächen durch Abschmel
zen. Mit Abschmelzen können Toleranzunterschiede in Form und
Lage der jeweiligen Fügefläche ausgeglichen werden.
Es ist denkbar, die gesamte Fügezone gleichzeitig mit der
Energiestrahlung zu beaufschlagen, beispielsweise mit einer
Mehrzahl benachbarter Diodenlaser bzw. Strahlfelder. Hierbei
ergibt sich ein großer Vorrichtungsaufwand, insbesondere wenn
der Nahtverlauf nicht geradlinig ist. Außerdem ist der
Strahlausgang nicht für Werkstücke unterschiedlicher Formen
geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw.
eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen Nachteile bekannter
Ausbildungen bzw. der beschriebenen Art vermieden werden
können. Ferner soll es möglich sein, jede der beiden Füge
flächen über die gesamte Nahtlänge im wesentlichen gleichzei
tig zu erweichen bzw. plastifiziert zu halten, so daß die
beiden miteinander zu verbindenden Querschnitte oder Bauteile
in diesem Zustand noch gegeneinander in die vorbestimmte Lage
gebracht werden können, in welcher sie durch die feste
Verschweißung verbunden sein sollen. Die Naht soll auch gegen
hohe Belastungen bzw. Drücke dicht sowie reißfest bleiben,
nämlich gleiche Festigkeit wie an die Naht anschließende oder
im Abstand von der Naht liegende, jedoch zu dieser benachbar
te Abschnitte der Querschnitte haben. Die Verbindung soll mit
geringem Aufwand herzustellen sein, unabhängig vom Nahtver
lauf.
Erfindungsgemäß wird nur eine der Fügeflächen oder werden
beide Fügeflächen vollständig auf eine Zwischentemperatur
vorgewärmt, die geringfügig unterhalb der Arbeits- bzw.
Schmelztemperatur liegt. Spätestens dann werden die Füge
flächen in gegenseitige Berührung gebracht und die vorgewärm
te Fügefläche wird vollends auf Schmelztemperatur erwärmt.
Die Schmelze erwärmt dann auf der gesamten Nahtlänge gleich
zeitig durch Wärmeleitung auch die andere Fügefläche auf
Schmelztemperatur. So fließen die Schmelzen der beiden
Fügezonen homogen ineinander und erstarren mit der Abkühlung
zur festen Schweißverbindung. Dadurch wird vermieden, daß die
Schmelze in irgendeinem Nahtbereich erstarrt, bevor beide
Fügezonen aller übrigen Nahtbereiche die Schmelztemperatur
erreicht haben, nämlich miteinander verschmolzen sind. Alle
Nahtbereiche verschmelzen somit nahezu gleichzeitig bzw.
jeder Nahtbereich verschmilzt, so lange alle übrigen Naht
bereiche noch weich genug sind, um die zu verbindenden
Bauteile gegeneinander so zu bewegen, daß der erweichte
Werkstoff nachgeben bzw. verdrängt werden kann. Die Naht
schmelze erstarrt über die gesamte Nahtlänge und Nahtbreite
gleichzeitig oder quasi gleichzeitig, wodurch auch das
Entstehen von Spannungen vermieden ist.
Die, Vorwärmung kann in mehreren Schritten bzw. kummulierend
von einer ersten Zwischentemperatur auf eine nächst höhere
Zwischentemperatur erfolgen. Dazu wird das Strahlfeld entlang
der Fügezone so schnell bewegt, daß jeder Feldabschnitt der
Fügezone zwischen zwei aufeinanderfolgenden Erwärmungen durch
das Strahlfeld nicht wieder bis auf die Temperatur der
vorangehenden Erwärmung abkühlen kann. Beispielsweise können
die Erwärmungen in einer, zwei oder drei Sekunden ein bis
zehn oder mehr Mal erfolgen, wobei auch jeder ganzzahlige
Zwischenwert zwischen eins und zwölf möglich ist. Diese
schrittweise oder allmähliche Erwärmung der Fügezone erfolgt,
während die Fügeflächen unter Druck in Berührung miteinander
stehen. Sobald die eine Fügefläche über die gesamte Nahtlänge
gleichzeitig weich geworden bzw. plastifiziert ist, kann der
zugehörige Bauteil durch den Anpreßdruck gegenüber dem
anderen Bauteil um ein gewünschtes Maß bewegt werden. Dadurch
können Toleranzunterschiede in den Maßen der Bauteile oder in
der Oberflächenform der Fügeflächen ausgeglichen werden.
Diese Bewegung ist anschlagbegrenzt, entweder durch Anschläge
an den Bauteilen selbst oder durch Anschläge an der Preß-
oder Spannvorrichtung. Mit ihr werden die Bauteile während
der Herstellung der Verbindung gehaltert sowie gegeneinander
gepreßt.
Der Energiestrahl durchdringt bei der Vorwärmung und/oder bei
der Verschmelzung die eine Fügefläche, die er aufgrund ihrer
physikalischen Eigenschaften nicht oder nur geringfügig
erwärmt, und trifft auf die unmittelbar benachbarte Füge
fläche, welche aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften
die Strahlung unter Erwärmung absorbiert, bis sie in Schmelze
übertritt, welche die erste Fügefläche ebenfalls bis zur
Erwärmung plastifiziert. Auch lange Schweißnähte können
dadurch in weniger als 15, 10 oder 5 Sekunden einschließlich
der Vorwärmung hergestellt werden. Das Verfahren eignet sich
insbesondere für Kunststoffe bzw. für umlaufend geschlossene
endlose Nähte, wie sie bei der Verbindung von Behälterteilen
vorkommen. Es eignet sich auch für andere Zwecke, z. B. zur
komplementären Voranpassung der Fügeflächen, falls diese
wieder zerstörungsfrei trennbar sein sollen.
Das Verfahren kann mit bekannten Vorrichtungen, nämlich mit
einem sogenannten Beschriftungs- bzw. Scanner-Kopf durchge
führt werden, welcher einen Strahlenausgang für einen Ener
giestrahl derart hat, daß der Energiestrahl bei feststehendem
Kopf kontinuierlich in unterschiedliche Richtungen abgelenkt
werden kann. Der Strahlausgang kann aber auch an einem
Roboterarm befestigt und dadurch in allen drei Raumachsen
gelenkig bewegbar sowie motorisch angetrieben sein, so daß
der Strahl bei konstantem Abstand des Strahlausganges von der
Naht entlang der Naht zu bewegen ist. Erfindungsgemäß weist
die Vorrichtung Steuermittel auf, welche das Strahlfeld
aufeinanderfolgend mehrfach über jeden der Feldabschnitte des
Fügefeldes bzw. der Naht führen, insbesondere in Zeitabstän
den von höchstens einer bis sechs oder vier Sekunden. Der
Strahlausgang kann durch einen Spiegel oder ein Focusierob
jektiv gebildet sein. Weist die Strahlführung zwei aufeinan
derfolgende Spiegel auf, die unabhängig voneinander um
gesonderte Achsen schwenkbar sind, so läßt sich der Energie
strahl dadurch in zwei zueinander rechtwinkligen Raumachsen
simultan bewegen. Mit der Focusieroptik bzw. einem Z-Achsen-
Modul läßt sich das Strahlfeld bei Konstanthaltung seiner
Flächenausdehnung auch in der dritten Raumachse motorisch
bewegen. Dadurch können variierende Abstände zwischen Strahl
ausgang und Fügefeld ausgeglichen werden.
Diese und weitere Merkmale der Erfindung gehen auch aus der
Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen
Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von
Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung
und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können,
für die hier Schutz beansprucht wird. Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden
im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in
vereinfachter perspektivischer Darstel
lung;
Fig. 1a ein Detail einer Vorrichtung nach Fig. 1
in vergrößerter Darstellung und
Fig. 2 bis 6 verschiedene Ausführungsbeispiele von
Verbindungs-Konfigurationen mit deren
Fügeflächen und Querschnitten.
Die Vorrichtung 1 hat einen Beschriftungs- bzw. Scanner-Kopf
2 mit einem Sockel 4 und eine Einrichtung 3 zur stationären
Halterung des zu bearbeitenden Werkstückes. Die stationäre
Basis 5 des Halters 3 ist mit dem Sockel 4 fest verbunden.
Jede der Einheiten 2, 3 ist unabhängig von der anderen
auswechselbar an einem Grundgestell angeordnet.
Der Kopf 2 hat eine Strahlführung mit einem Lichtleiter 6,
dessen Ausgang 7, einer Lenkeinrichtung 8 für den Strahl,
einem, zwei oder mehr Spiegeln 9, einem Objektiv 11, einem
Strahlausgang 12 und einem Motor 13 bzw. 14 für jeden Spiegel
9, die am Sockel 4 angeordnet sind. Der Leiter 6, beispiels
weise ein Glasfaserkabel, leitet das polarisierte Laserlicht
von einer Lichtquelle zum Zwischenausgang 7. Von diesem
trifft der Strahl 10 unmittelbar auf den Spiegel 9, von dem
der Strahl 10 unmittelbar durch das Objektiv 11 geführt wird.
Der Spiegel 9 oder das Objektiv 11 bildet den Strahlausgang
12, von welchem der Strahl über eine freie Strecke direkt auf
das Arbeitsfeld des Werkstückes geleitet ist. Der Motor 13
trägt den Spiegel 9 so auf einer Welle, daß die Schwenkachse
15 bzw. 16 in der Spiegelebene und im Winkel zur Achse des
Ausgangs 12 liegt. Der Spiegel 9 kann auch um zwei zueinander
rechtwinklige Achsen schwenkbar sein. Sein Schwenkwinkel
beträgt z. B. 20° bis 30°. Gemäß Fig. 1a ist dem Spiegel 9 ein
weiterer Spiegel 9' mit gesondertem Motor 14 vorgeschaltet.
Die Schwenkachse 16 des Spiegels 9' liegt im Winkel zur Achse
15 des Spiegels 9 und zur Achse des Focusier-Objektives 11.
Die Einheit 3 hat eine Vorrichtung 17 mit zwei einander
gegenüberstehenden Wangen 18, 19 zur gegenseitigen Verspan
nung der miteinander zu verbindenden Bauteile. Die Wange 18
ist mit den Konsolen 4, 5 fest verbunden. Die Wange 19 ist
mit einem Antrieb 20, wie einem Pneumatikzylinder, gegenüber
der Wange 18 bewegbar. An jeder Wange 18 bzw. 19 ist eine
Backe 21 bzw. 22 auswechselbar befestigt, welche zur sicheren
Spannung an das jeweilige Werkstück angepaßt ist und unmit
telbar an diesem anliegt. Die Wange 19 ist mit einer Führung
23 reversibel an der Basis 5 gelagert. Ein Aufnehmer 24 mißt
den Bewegungsweg der Wange 19 gegenüber der Wange 18 kontinu
ierlich. Ein Aufnehmer 25 mißt die Kraft kontinuierlich, mit
welcher die Wange 19 gegen die Wange 18 bzw. das Werkstück
verspannt.
Steuermittel 30 zur Betätigung der Lenkeinrichtung 8 und zur
Steuerung des Spannweges sowie der Spannkraft umfassen eine
Einrichtung 26 zur Eingabe der zugehörigen Daten, welcher ein
elektronischer Datenspeicher mit den entsprechenden Program
men für unterschiedliche Werkstücke zugeordnet ist. Über die
Eingabe bzw. Tastatur 26 können diese Programme eingegeben,
verändert und so abgerufen werden, daß die Einrichtungen 3, 8
entsprechend dem vorgesehenen Verfahrensablauf arbeiten. Die
Daten können auf einem Monitor 27 sichtbar gemacht werden,
welcher mit der Eingabe 26 über eine Signalleitung 28 und mit
den Einrichtungen 13, 24, 25 sowie mit dem Antrieb 20 über
jeweils gesonderte Signal- und Steuerleitungen 29 verbunden
ist.
Fig. 1a zeigt stellvertretend für ein Werkstück ein ebenes
Arbeitsfeld 34, in dessen Ebene zwei zueinander rechtwinklige
Raumachsen 31, 32 gezeigt sind. Eine zu den Achsen 31, 32
rechtwinklige, dritte Raumachse 33 liegt rechtwinklig zum
Arbeitsfeld. Mit der Einrichtung 8 wird der Strahl 10 konti
nuierlich über das Arbeitsfeld 34 bewegt, indem seine zu den
Achsen 31, 32 parallelen Bewegungen überlagert werden. Auf
das Feld 34 trifft der Strahl 10 mit einem Strahlfeld 35 auf,
dessen Größe durch die Optik 11 bzw. den Abstand zwischen
Ausgang 12 und Feld 34 verändert wird. Bei Annäherung des
Feldes 34 an den Ausgang 12 wird das Feld 35 größer und
umgekehrt kleiner. Erstreckt sich das Feld 34 statt nur in
einer Ebene auch in Richtung 33, so wird mit der Optik 11 das
Feld 35 über das gesamte Feld 34 konstant groß gehalten.
Das Werkstück 36 umfaßt zwei zu verschweißende Bauteile 37,
38, die gemäß Fig. 2 ein Behälter 38 und ein diesen schlie
ßender Deckel 37 aus thermoplastischem Kunststoff sind. Dabei
sind die Querschnitte 39, 40, nämlich ein ringförmiger Rand
39 und der Behältermantel 40 miteinander an ringförmigen
Fügeflächen 41, 42 ringförmig bzw. durchgehend dicht zu
verschweißen. Der Teil 37 wird zur Montage in Richtung 45
bzw. entgegen Richtung 46 auf den Teil 38 aufgesetzt. Die
Teile 37, 38 werden mit der Einrichtung 17 in den Richtungen
45, 46 gegeneinander verspannt. Der Abstand zwischen den
Flächen 41, 42 nimmt dann in Richtung 45 geringfügig, bei
spielsweise unter wenigen Winkelgraden, zu. Das in Richtung
46 vorderste Ende des Teiles 38 bzw. des Querschnittes 40
bildet eine Querfläche 44, welche quer bzw. rechtwinklig zu
den Flächen 41, 42 liegt und an die Fläche 42 scharfwinklig
anschließt. Eine entsprechende Fläche 43 schließt in gleicher
Weise an die Fläche 41 an und liegt der Fläche 44 als An
schlag mit Abstand gegenüber. Dadurch liegt die scharfe
Übergangskante zwischen den Flächen 42, 44 mit diesem Abstand
von der Fläche 43 entfernt unter Spannung an der Schrägfläche
41 an. Der Abstand zwischen dem von der Fläche 43 entfernten
Ende 47 der Fläche 41 und der Fläche 43 bestimmt die Breite
der Schweißnaht, deren Längsrichtung rechtwinklig zur Zei
chenebene liegt. Das zentrisch symmetrische Strahlfeld 35 hat
eine Weite oder einen Durchmesser, der gleich dieser Naht
breite und daher vielfach kleiner als die Nahtlänge ist.
Der Querschnitt 39 ist für den Strahl 10 ohne wesentliche
Energieabsorption durchlässig, also transparent. Der Quer
schnitt 40 absorbiert im Anschluß an die Fläche 35 demgegen
über die Energie des Strahls 10 wesentlich stärker, so daß er
durch den Strahl 10 erwärmt wird. Dies kann durch Einlagerung
von Zusatz- bzw. Absorptionsstoffen erreicht werden, wie
Pigmente, Ruß, Talkum o. dgl.
Der Strahl 10 wird mit der Einrichtung 8 vollständig durch
den Querschnitt 39 geführt, wobei die Größe des Strahlfeldes
35 auf der Fläche 42 stets konstant gehalten wird. Der Strahl
10 wird gleichzeitig mit der Einrichtung 8 so abgelenkt, daß
das Feld 35 mit hoher Geschwindigkeit stets die Fläche 42
über die gesamte Nahtlänge in einer einzigen Richtung ab
fährt. Dadurch steigt die Temperatur des Querschnittes 40 im
Bereich der Fügezone 42 von Raumtemperatur stetig an, nämlich
von einer Zwischentemperatur zur nächsthöheren Zwischentempe
ratur, während der Querschnitt 39 im Bereich der Fügezone 41
zunächst nicht oder allenfalls wesentlich weniger erwärmt
wird. Zwischen zwei Durchläufen, in denen das Feld 35 nach
einander auf den Nahtbereich gemäß Fig. 3 fällt, kühlt die
Fügezone 42 nur unwesentlich oder gar nicht ab.
Nach einer Vielzahl von mehr als fünf oder zehn Durchläufen
ist die Temperatur der Fügezone 42 bis zur Schmelztemperatur
angestiegen und die Schmelze dehnt sich über die Nahtbreite
bis zur Anlage an der Fläche 41 aus. Dadurch wird die Wärme
der Fügezone 42 durch die Fläche 41 in den Querschnitt 39
geleitet, so daß die Fügezone 41 über die gesamte Nahtlänge
gleichzeitig ebenfalls Schmelztemperatur erreicht. Zuvor oder
gleichzeitig werden durch die Spannkraft 45, 46 die Teile 37,
38 gegeneinander bewegt, bis die nicht plastifizierten
Flächen 43, 44 aneinander anschlagen. Die Steuermittel 30
verhindern dabei einen größeren Stellweg durch entsprechende
Steuerung des Antriebes 20. Die Schweißschmelze tritt aus dem
Spalt zwischen den Zonen 41, 42 nicht aus, sondern wird in
diesen Spalt hineingezogen, so daß sich am Ende 47 kein
Nahtwulst bildet. Zu Beginn entspricht der Spaltabstand
zwischen den Flächen 43, 44 der mittleren Spaltweite zwischen
den Flächen 41, 42, wobei diese Spaltweite unter einem oder
einem halben Millimeter liegt. Der Rand 39 umgibt den Behäl
termantel 40 am Außenumfang, so daß das Durchstrahl-Schweißen
von der Außenseite des Behälters her erfolgen kann. Nach der
Füllung des Spaltes mit Schmelze wird diese abgekühlt und die
Naht ist fest sowie durchgehend dicht. Danach wird das
Werkstück 36 entspannt und aus der Einrichtung 17 herausge
nommen.
Gemäß Fig. 2 liegt die Fläche 42 parallel zu den Richtungen
45, 46 und die Fläche 41 schräg dazu.
Gemäß Fig. 3 liegt umgekehrt die Fläche 41 parallel zur
Spannrichtung 45, 46 und die Fläche 42 unter weniger als 2°
oder 3° schräg dazu. Die Fläche 43 ist eine ringförmige
Endfläche der Wand 39 und nicht eine versenkte Fläche wie in
Fig. 2. Die Fläche 44 ist eine gegenüber dem freien Ende der
Fläche 42 zurückversetzte Schulterfläche, so daß der Spalt
zwischen den Flächen 43, 44 zur Außenseite des Werkstückes
frei liegt. Auch durch den Spalt zwischen den Flächen 43, 44
tritt keine Schmelze aus, zumal vermieden ist, daß Schmelze
in diesen Spalt eintritt.
In Fig. 4 ist der Querschnitt 40 ein ringförmiger Steg. Er
steht im Querschnitt frei über die dickere zugehörige Wandung
des Teiles 38 vor, so daß seine Flanken jeweils an eine
Schulterfläche dieser Wand anschließen. Diese Schulterflächen
bilden die Flächen 43, 44. Beide Stegflanken können als
Fügeflächen 42 vorgesehen sein, welche mit den Fügeflächen 41
des Teiles 37 verschweißt werden. Diese Fügeflächen 41 sind
durch die Flanken einer Nut im Querschnitt 39 gebildet, deren
Nutflanken zum Nutboden spitzwinklig konvergieren. Auch der
Nutboden und die Längskante des Steges 40 können die An
schlagflächen bilden. Der Querschnitt 40 ist dünn genug, um
ihn als Ganzes in Schmelze zu überführen, bis diese die Nut
vollständig ausfüllt und beide Stegflanken mit beiden Nut
flanken verschweißt sind.
Gemäß Fig. 5 ist der Querschnitt 40 eine Behälterwand und
deren Außenfläche die Fügefläche 42. Der Querschnitt 39 ist
ein Steg oder eine Hülse, deren Längs- bzw. Stirnfläche die
Fügefläche 41 bildet. Der Steg 39 ist der frei abstehende
Rand eines Nippels 37, dessen Durchlaßkanal so an eine
Öffnung in der Behälterwand anzuschließen ist, daß die Naht
diese Öffnung dicht umgibt. Der Strahl 10 wird hier durch den
Rand 39 parallel zu dessen Achse hindurchgeleitet, nämlich
auch durch die an den Rand 39 anschließende Stirnwand des
Nippels 37, die im Abstand von der Fläche 42 liegt. Die Teile
37, 38 werden rechtwinklig bzw. quer zu den Flächen 41, 42 in
den Richtungen 45, 46 gegeneinander gespannt. Gleichzeitig
mit dem Plastifizieren werden die Teile 37, 38 in diesen
Richtungen 45, 46 einander weiter unter Druck angenähert bis
die Steuermittel 30, 24 diesen Weg begrenzen.
Gemäß Fig. 6 werden zwei Teile bzw. Rohre 38 in Längsrichtung
oder koaxial aneinander gesetzt und mit dem Teil 37 verbun
den. Die Rohre 38 sind von entgegengesetzten Richtungen in
die Muffe 37 eingesteckt und schlagen vor der Plastifizierung
mit ihren Enden 44 an voneinander abgekehrten Flächen 43 an.
Die Flächen 43 sind durch einen Bund gebildet, welcher über
den Innenumfang des Teiles 37 vorsteht. Die Fügeflächen 41,
42 haben hier Abstand von den Flächen 44. Bei dieser Ausbil
dung werden die Rohre 38 nicht parallel zu den Flächen 41, 42
gegeneinander während der Verschweißung bewegt, sondern die
Schmelze kann ohne Verspannung von der Fügezone 42 zur
Fügezone 41 fließen. Die Flächen 41, 42 können aber auch quer
zueinander bewegt werden, z. B. durch radiale Spannung des
Querschnittes 39 gegen den Querschnitt 40.
Statt eines einzigen Strahles 10 können auch gleichzeitig
mehrere Strahle 10 so vorgesehen sein, daß ihre Strahlfelder
35 über die Länge der Naht verteilt sind. Diese Felder 35
liegen im Abstand voneinander und laufen die Naht mit
gleicher oder unterschiedlicher Geschwindigkeit ab. Dadurch
kann die Schweißenergie noch schneller in die Querschnitte
39, 40 eingetragen werden, so daß der jeweilige, vom Strahl
feld 35 erwärmte Feldabschnitt der Fläche 42 noch weniger
abkühlt, bis er beim nächsten Durchlauf wieder erwärmt wird.
Alle angegebenen Eigenschaften und Wirkungen können genau
oder nur etwa bzw. im wesentlichen wie beschrieben vorgesehen
sein und auch, je nach den Erfordernissen, stärker davon
abweichen.
Claims (10)
1. Verfahren zum Schweißen einer Verbindung, insbesondere
für thermoplastische Kunststoffe, zwischen einer ersten
Fügefläche (41) und einer zweiten Fügefläche (42),
welche erste und zweite Querschnitte (39, 40) begrenzen
und eine Ausgangstemperatur haben, bei dem durch den
ersten Querschnitt (39) hindurch mit einem Energiestrahl
(10), wie einem Laserstrahl, der zweite Querschnitt (40)
einschließlich seiner zweiten Fügefläche (42) auf eine
Arbeitstemperatur erwärmt und plastifiziert sowie die
Wärme vom zweiten Querschnitt (40) zurück zum ersten
Querschnitt (39) geleitet und dadurch der erste Quer
schnitt (39) einschließlich seiner ersten Fügefläche
(41) auf im wesentlichen die Arbeitstemperatur erwärmt
und ebenfalls plastifiziert wird, und bei dem der
Energiestrahl (10) auf einem gegenüber dem Fügefeld
kleineren Strahlfeld (35) das Fügefeld trifft sowie das
Strahlfeld (35) und das Fügefeld relativ zueinander
durch eine Vorschubbewegung so bewegt werden, daß
nacheinander aufeinanderfolgende Feldabschnitte des
Fügefeldes erwärmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß
das Fügefeld auf eine näher bei der Arbeitstemperatur
als bei der Ausgangstemperatur liegende Zwischentempe
ratur vorgewärmt und dann die Feldabschnitte im wesent
lichen in einem Durchlauf der Vorschubbewegung von der
Zwischentemperatur auf die Arbeitstemperatur gebracht
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Fügefeld mit dem Energiestrahl (10) vorgewärmt wird,
daß insbesondere das Strahlfeld (35) mehrfach über jeden
Feldabschnitt bewegt und dabei dessen Temperatur
schrittweise erhöht wird, und daß vorzugsweise das
Strahlfeld (35) kontinuierlich umlaufend entlang einer
Längsrichtung des Fügefeldes mehrfach wiederholt über
das Fügefeld geführt wird, bis die Arbeitstemperatur
erreicht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die zweite Fügefläche (42) entsprechend der
Vorschubbewegung entlang den Feldabschnitten fortschrei
tend von einer ersten Ausgangstemperatur auf eine erste
Zwischentemperatur erwärmt und nach dieser ersten
Erwärmung sowie bis zu einer zweiten Erwärmung auf eine
erste Mindesttemperatur abkühlen gelassen wird, die
oberhalb der ersten Ausgangstemperatur liegt, daß
insbesondere die erste Mindesttemperatur näher bei der
ersten Zwischentemperatur als bei der ersten Ausgangs
temperatur gehalten wird, und daß vorzugsweise der
zweiten Erwärmung so viele weitere Erwärmungen folgen,
bis der zweite Querschnitt (40) an der zweiten Füge
fläche (42) zu einer die erste Fügefläche (41) berühren
den zweiten Fließschicht plastifiziert ist, die die
Wärme des zweiten Querschnittes (40) durch die erste
Fügefläche (41) in den ersten Querschnitt (39) leitet,
bis dieser an der ersten Fügefläche (41) zu einer ersten
Fließschicht plastifiziert ist und die erste sowie
zweite Fließschicht miteinander verschweißen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Quer
schnitt (39, 40) spätestens unmittelbar vor Erreichen
der Arbeitstemperatur gegeneinander gepreßt werden, daß
insbesondere die Querschnitte (39, 40) bereits beim
Vorwärmen gegeneinander gepreßt werden, und daß vorzugs
weise die Querschnitte (39, 40) vom Vorwärmen bis zur
Verbindung der ersten mit der zweiten Fließschicht
ununterbrochen gegeneinander gepreßt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeflächen (41, 42) bei
der Erwärmung im Querschnitt durch die Verbindung unter
einem Winkel, wie einem spitzen Winkel, zueinander
gehalten werden, daß insbesondere die Fügeflächen (41,
42) während der Erwärmung quer zur Vorschubbewegung und
im wesentlichen parallel zu mindestens einer der Füge
flächen (41, 42) gegeneinander gepreßt werden, und daß
vorzugsweise die Querschnitte (39, 40) spätestens bei
Erreichen der Arbeitstemperatur gegeneinander bewegt
werden, bis sie anschlagbegrenzt relativ zueinander
festsitzen, wonach durch Abkühlung der Fließschichten
die Verbindung verfestigt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Feldabschnitt min
destens ein- bis zehnmal je Sekunde mit dem Strahlfeld
(35) bestrichen wird, daß insbesondere der Energiestrahl
(10) an mindestens einem Spiegel (9) reflektiert und das
Strahlfeld (35) durch Bewegen des Spiegels (9) über das
Fügefeld bewegt wird, und daß vorzugsweise der Energie
strahl (10) mit einem Gelenkarm eines Roboters über das
Fügefeld bewegt wird.
7. Vorrichtung zum Schweißen einer Verbindung zwischen
einer ersten Fügefläche (41) und einer zweiten Füge
fläche (42), welche erste und zweite Querschnitte (39,
40) begrenzen und an einem Fügefeld aus aneinander
schließenden Feldabschnitten zu verbinden sind, mit
einer Strahlführung für einen Energiestrahl (10), wie
einen Laserstrahl, mit einem durch den ersten Quer
schnitt (39) auf die zweite Fügefläche (42) gerichteten
Strahlausgang (12) zur Projezierung eines Strahlfeldes
(35) des Energiestrahles (10) auf die zweite Fügefläche
(42), mit einer Vorschubeinrichtung (13, 14) zur Bewe
gung des Strahlfeldes (35) entlang der zweiten Füge
fläche (42), und mit Steuermitteln (30) zur Steuerung
der Vorschubeinrichtung (13, 14), dadurch gekennzeich
net, daß die Steuermittel (30) das Strahlfeld (35) des
den ersten Querschnitt (39) durchdringenden Energie
strahles (10) aufeinanderfolgend mehrfach über jeden der
Feldabschnitte führen, insbesondere in Zeitabständen von
höchstens zwei bis drei Sekunden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Energiestrahl (10) von der Vorschubeinrichtung (13,
14) motorisch bewegt ist, daß insbesondere der Strahl
ausgang durch eine Spiegel der Strahlführung, ein
Focusier-Objektiv o. dgl. gebildet ist, und daß vorzugs
weise die Strahlführung zwei im Strahlgang aufeinander
folgende Spiegel (9, 9') umfaßt, die um quer zueinander
bzw. parallel zur jeweils zugehörigen Spiegelebene
liegende Achsen (15, 16) unabhängig voneinander drehbar
sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich
net, daß eine Halterung (3) mit einer Spannvorrichtung
(17) für die die Querschnitte (39, 40) umfassenden
Bauteile (37, 38) vorgesehen ist, daß insbesondere die
Spannvorrichtung (17) auswechselbare Spannbacken (21,
22) zur Anlage an den Bauteilen (37, 38) aufweist, und
daß vorzugsweise die Steuermittel (30) den Stellweg
und/oder die Stellkraft der Spannvorrichtung (17)
steuern.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Spannvorrichtung (17) mindestens einen Aufnehmer
(24, 25) zur Messung des Spannweges bzw. der Spannkraft
umfassen, daß insbesondere der Aufnehmer (24, 25) über
eine Signalleitung (29) mit den Steuermitteln (30)
verbunden ist, und daß vorzugsweise die Steuermittel
(30) über eine Steuerleitung mit einem Antrieb (20), wie
einem Pneumatikzylinder, der Spannvorrichtung (17)
verbunden sind.
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