WO2011128033A1 - Laser-schweisspistole mit einer den laserstrahl flächig aufspreizenden linse; verfahren zur herstellung einer schweissverbindung mit einer solchen laser-schweisspistole - Google Patents

Laser-schweisspistole mit einer den laserstrahl flächig aufspreizenden linse; verfahren zur herstellung einer schweissverbindung mit einer solchen laser-schweisspistole Download PDF

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    • B29L2031/3044—Bumpers

Definitions

  • LASER - WELDING GUN WITH A LASER SPRAY SPREADING LENS; METHOD FOR PRODUCING A WELDING CONNECTION WITH SUCH A LASER WELDING GUN
  • the invention relates to a laser welding gun, in particular for welding plastic components, with a housing and
  • the invention has for its object to provide a laser welding gun available, which allows the production of exact, reproducible welded joints. Based on a laser welding gun with the features described above, this object is achieved in that a lens is provided which spreads one or more emerging from the laser beam / laser beam / s surface, so that emerges from the housing laser radiation whose
  • Cross-sectional area is many times greater than the cross-sectional area of the laser beam / s emerging from the laser beam source.
  • the surface acted upon by the effect of the laser radiation is so large that the desired welding connection can be produced with this high-point welding without manual feed movement of the laser welding gun.
  • the laser beam source is designed as a diode laser. This is a consisting of one or more laser diodes, pumped with electric current semiconductor laser.
  • the laser beam source can be manually operated, for example, by actuating a switch disposed on the housing of the laser welding gun.
  • the lens is designed as a plane lens.
  • a pressure glass is arranged on the housing, through which the laser radiation leaves the housing. During the production of the welded connection, the pressure glass is pressed onto the area to be welded, so that the joining partners rest against one another without a gap. Thereafter, by operating the laser beam source, the generation of a laser pulse, which produces the desired weld.
  • the laser beam source is designed such that the laser beams emerging therefrom form a line-shaped cross-sectional area.
  • the lens is expediently designed such that the laser radiation has a, at least substantially, circular or alternatively rectangular cross-sectional area.
  • a hollow profile with a preferably polished inner surface, through which the spread-out laser radiation passes, is arranged in the direction of radiation behind the lens (that is to say in the case of an existing pressure glass between lens and pressure glass).
  • This hollow profile may be, for example, a metal tube.
  • a device electronics is provided with the help of a power and / or timing of the laser beam source takes place.
  • This device electronics is e.g. also housed within the housing.
  • the invention further relates to a method for producing a welded joint with a laser welding gun according to one of claims 1 to 8, wherein the laser welding gun is placed and welded for welding two joining partners to be joined thereto, wherein thereafter by an actuation of the laser Welding pistol a time-limited laser beam pulse is triggered, which heats the joining surface and transferred to an at least gelatinous state and in which case a subsequent pressing with the laser welding gun on the joining surface until solidification thereof takes place. Since no manual feed movement is required, an exact welding result is achieved in a reproducible manner with the method described above, so that the welded connection produced has defined characteristic values (strength, etc.).
  • the laser welding gun according to the invention is particularly suitable for welding internal mounting parts of plastic vehicle bumpers and for welding plastic film pieces of the same material.
  • generally thin-walled thermoplastic materials can be welded together against all wall thicknesses of similar materials using the laser welding gun according to the invention.
  • the laser transparency is no longer a prerequisite for producing a corresponding welded connection.
  • a welding of any other materials, e.g. Metal done.
  • FIG. 1 shows a laser welding gun according to the invention in a three-dimensional
  • FIG. 2 shows the production of a welded connection with the laser welding gun according to the invention according to FIG. 1.
  • the laser welding gun has a housing 1, in which a laser beam source 2 is arranged. Further, a lens 3 is provided in the housing 2, which spreads the emerging from the laser beam source 2 laser beams 4 to a laser radiation 5 area. The lens 3 causes a laser radiation 5 to emerge from the housing 1 whose cross-sectional area A is greater by a multiple than the total cross-sectional area a of the laser beams 4 emerging from the laser beam source 2.
  • the laser beam source 2 is designed in such a way that the laser beams 4 emerging therefrom form a line-shaped cross-sectional area a.
  • the dimension of this line-shaped cross-section a is 0.5 mm to 1, 5 mm in width and 8 mm to 12 mm in length, for example, 1 mm x 10 mm.
  • the lens 3 is designed as a plane lens and causes the laser radiation 5 has a circular cross-sectional area A, for example, with a diameter of 8 to 12 mm, for example, about 10 mm.
  • the laser beam source 2 is designed as a diode laser.
  • a pressure glass 6 is further arranged, through which the laser radiation 5 leaves the housing 1. During the welding process, this pressure glass 6 is placed on the joining partners 7, 7 '(see Fig. 2) to be joined with slight pressure, so that a gap-free contact of the joining partners 7, 7' results.
  • a metal hollow profile 8 with a polished inner surface, through which the spread laser radiation 5 passes, is arranged behind the lens 2, ie between lens 2 and pressure glass 6, in the direction of radiation. Accordingly, this hollow section 8 is disposed within the housing 1. Furthermore, it can be seen from FIG.
  • the housing 1 for manual handling of the laser welding gun has a handle 12 on which a switch 9 for manual actuation of the diode laser 2 is arranged.
  • a (not shown) device electronics is provided within the housing 1, with the aid of a power and / or timing of the diode laser 2 takes place.
  • the laser welding gun also has a (also not shown) power connector, which serves to power the diode laser 2.
  • FIG. 2 shows a method according to the invention for producing a welded connection with a laser welding gun according to FIG. 1.
  • the laser welding gun is placed on and pressed against two joining partners 7, 7 'to be joined.
  • a time-limited laser beam pulse in the diode laser 2 is triggered by actuation of the laser welding gun by means of the switch 9, which heats the joining surface 10 and transferred into an at least gelatinous state.
  • This is followed by pressing with the laser welding gun onto the joining surface 10 until it solidifies.
  • the gel-like state of the joining surface 10 is shown in Fig. 2 by a
  • Melting region 11 shown schematically. Within the housing 2 of the laser beam gun also not shown cooling means for cooling the diode laser 2 is provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laser-Schweißpistole, insbesondere zum Verschweißen von Kunststoff-Bauteilen (7, 7'), mit einem Gehäuse (1) und einer Laserstrahlen-Quelle (2). Es ist eine Linse (3) vorgesehen, die einen oder mehrere aus der Laserstrahlen-Quelle (2) austretende/n Laserstrahl/en (4) flächig aufspreizt, so dass aus dem Gehäuse (1) eine Laserstrahlung (5) austritt, deren Querschnittsfläche (A) um ein Vielfaches größer als die Querschnittsfläche (a) des/r aus der Laserstrahlen-Quelle (2) austretenden Laserstrahls/en (4) ist. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung mit einer Laser-Schweißpistole nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

Description

LASER - SCHWEISSPISTOLE MIT EINER DEN LASERSTRAHL FLÄCHIG AUFSPREIZENDEN LINSE ; VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER SCHWEISSVERBINDUNG MIT EINER SOLCHEN LASER- SCHWEISSPISTOLE
Die Erfindung betrifft eine Laser-Schweißpistole, insbesondere zum Verschweißen von Kunststoff-Bauteilen, mit einem Gehäuse und
- einer Laserstrahlen-Quelle.
Derartige Handgeräte zur Herstellung von Schweißverbindungen sind im Markt hinlänglich bekannt. Bei den bekannten Laser-Schweißpistolen muss während des Schweißvorgangs eine Vorschubbewegung von Hand vorgenommen werden, um die gewünschte Schweißflä- che herzustellen. Aufgrund dieser freihändigen Vorschubbewegung ist das Schweißergebnis häufig ungenau und es sind daher keine reproduzierbaren Schweißungen möglich. Ohne die beschriebene Vorschubbewegung können keine ausreichenden Festigkeiten der Schweißverbindungen erzeugt werden, da der austretende Strahl bei einem maximalen Durchmesser von 0,5 mm keine hinreichend große Schweißfläche erzeugt.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Laser-Schweißpistole zur Verfügung zu stellen, welche die Herstellung von exakten, reproduzierbaren Schweißverbindungen ermöglicht. Ausgehend von einer Laser-Schweißpistole mit den eingangs beschriebenen Merkmalen wird diese Aufgabe erfindungsgemäße dadurch gelöst, dass eine Linse vorgesehen ist, die einen oder mehrere aus der Laserstrahlen-Quelle austretende/n Laserstrahl/en flächig aufspreizt, so dass aus dem Gehäuse eine Laserstrahlung austritt, deren
Querschnittsfläche um ein Vielfaches größer als die Querschnittsfläche des/r aus der La- serstrahlen-Quelle austretenden Laserstrahls/en ist. Erfindungsgemäß ist die durch den Effekt der Linse von der Laserstrahlung beaufschlagte Fläche so groß, dass mit dieser Großpunkt-Schweißung ohne manuelle Vorschubbewegung der Laser-Schweißpistole die gewünschte Schweißverbindung hergestellt werden kann. Vorzugsweise ist die
Querschnittsfläche der Laserstrahlung mehr als zehn Mal, z.B. mehr als 20 bzw. mehr als fünfzig Mal so groß wie die Querschnittsfläche des aus der Laserstrahlen-Quelle austretenden Laserstrahls / die gesamte Querschnittsfläche der aus der Laserstrahlen-Quelle austretenden Laserstrahlen. Zweckmäßigerweise ist die Laserstrahlen-Quelle als Diodenlaser ausgebildet. Hierbei handelt es sich um einen aus einem oder mehreren Laserdioden bestehenden, mit elektrischem Strom gepumpten Halbleiterlaser. Die Laserstrahlen-Quelle kann beispielsweise durch Betätigung eines am Gehäuse der Laser-Schweißpistole angeordneten Schalters manuell betätigt werden.
Vorzugsweise ist die Linse als Planlinse ausgebildet. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist an dem Gehäuse ein Andruckglas angeordnet, durch das die Laserstrahlung das Gehäuse verlässt. Bei der Herstellung der Schweißverbindung wird das Andruckglas auf den zu verschweißenden Bereich aufgedrückt, so dass die Fügepartner spaltfrei aneinander anliegen. Danach erfolgt durch Betätigung der Laserstrahlen-Quelle die Erzeugung eines Laser-Impulses, welcher die gewünschte Schweißverbindung herstellt. Vorzugsweise ist die Laserstrahlen-Quelle derart ausgebildet, dass die daraus austretenden Laserstrahlen eine linienförmige Querschnittsfläche bilden. Die Linse ist zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass die Laserstrahlung eine, zumindest im Wesentlichen, kreisförmige oder alternativ rechteckige Querschnittsfläche aufweist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in Strahlungsrichtung gesehen hinter der Linse (also bei vor- handenem Andruckglas zwischen Linse und Andruckglas) ein Hohlprofil mit einer vorzugsweise polierten inneren Oberfläche angeordnet, durch das die aufgespreizte Laserstrahlung hindurchtritt. Bei diesem Hohlprofil kann es sich beispielsweise um ein Metallrohr handeln.
Zweckmäßigerweise ist eine Geräte-Elektronik vorgesehen, mit deren Hilfe eine Leistungs- und / oder Zeitsteuerung der Laserstrahlen-Quelle erfolgt. Diese Geräte-Elektronik ist z.B. ebenfalls innerhalb des Gehäuses untergebracht.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung mit einer Laser-Schweißpistole nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Laser-Schweißpistole zum Schweißen von zwei zu verbindenden Fügepartnern auf diese aufgesetzt und angedrückt wird, wobei danach durch eine Betätigung der Laser-Schweißpistole ein zeitlich begrenzter Laserstrahl-Impuls ausgelöst wird, der die Fügefläche erwärmt und in einen zumindest gelartigen Zustand überführt und wobei danach ein Nachdrücken mit der Laser-Schweißpistole auf die Fügefläche bis zur Verfestigung derselben erfolgt. Da keine manuelle Vorschubbewegung erforderlich ist, wird mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren in reproduzierbarer Weise ein exaktes Schweißergebnis erzielt, so dass die hergestellte Schweißverbindung definierte Kennwerte (Festigkeit etc.) aufweist.
Die erfindungsgemäße Laser-Schweißpistole ist insbesondere zum Verschweißen von In- nenanbauteilen von Kfz-Stoßfängern aus Kunststoff sowie zum Verschweißen von Kunststofffolienstücken gleichen Materials geeignet. Darüber hinaus können generell dünnwandige thermoplastische Materialien gegen alle Wandstärken gleichartiger Materialien mit Hilfe der erfindungsgemäßen Laser-Schweißpistole miteinander verschweißt werden. Die Lasertransparenz ist nicht mehr Voraussetzung zur Herstellung einer entsprechenden Schweißverbindung. Generell kann mit der erfindungsgemäßen Lehre jedoch auch eine Verschweißung von beliebigen anderen Materialien, z.B. Metall, erfolgen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Laser-Schweißpistole in einer dreidimensionalen
Darstellung und
Fig. 2 das Herstellen einer Schweißverbindung mit der erfindungsgemäßen Laser- Schweißpistole gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine als Handgerät ausgebildete Laser-Schweißpistole, die insbesondere zum Verschweißen von Kunststoff-Bauteilen vorgesehen ist. Generell wird das Verschweißen anderer Materialien jedoch ausdrücklich nicht ausgeschlossen. Die Laser-Schweißpistole weist ein Gehäuse 1 auf, in dem eine Laserstrahlen-Quelle 2 angeordnet ist. Ferner ist im Gehäuse 2 eine Linse 3 vorgesehen, die die aus der Laserstrahlen-Quelle 2 austretenden Laserstrahlen 4 zu einer Laserstrahlung 5 flächig aufspreizt. Die Linse 3 bewirkt, dass aus dem Gehäuse 1 eine Laserstrahlung 5 austritt, deren Querschnittsfläche A um ein Vielfaches größer als die gesamte Querschnittsfläche a der aus der Laserstrahlen-Quelle 2 aus- tretenden Laserstrahlen 4 ist. Die Laserstrahlen-Quelle 2 ist derart ausgebildet, dass die daraus austretenden Laserstrahlen 4 eine linienförmige Querschnittsfläche a bilden. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Abmessung dieses linienförmigen Querschnitts a 0,5 mm bis 1 ,5 mm in der Breite und 8 mm bis 12 mm in der Länge, beispielsweise 1 mm x 10 mm. Die Linse 3 ist als Planlinse ausgebildet und bewirkt, dass die Laserstrahlung 5 eine kreisförmige Querschnittsfläche A aufweist, beispielsweise mit einem Durchmesser von 8 bis 12 mm, z.B. ca. 10 mm.
Die Laserstrahlen-Quelle 2 ist als Diodenlaser ausgebildet. In dem Gehäuse 1 ist ferner ein Andruckglas 6 angeordnet, durch das die Laserstrahlung 5 das Gehäuse 1 verlässt. Während des Schweißvorganges wird dieses Andruckglas 6 auf die zu verbindenden Fügepart- ner 7,7' (s. Fig. 2) mit leichtem Druck aufgesetzt, so dass sich eine spaltfreie Anlage der Fügepartner 7,7' ergibt. Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, ist in Strahlungsrichtung gesehen hinter der Linse 2, also zwischen Linse 2 und Andruckglas 6, ein Metall-Hohlprofil 8 mit einer polierten inneren Oberfläche angeordnet, durch das die aufgespreizte Laserstrahlung 5 hindurchtritt. Entsprechend ist auch dieses Hohlprofil 8 innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet. Ferner kann der Fig. 1 entnommen werden, dass das Gehäuse 1 zur manuellen Handhabung der Laser-Schweißpistole einen Griff 12 aufweist, an dem ein Schalter 9 zur manuellen Betätigung des Diodenlasers 2 angeordnet ist. Zusätzlich ist innerhalb des Gehäuses 1 eine (nicht näher dargestellte) Geräte-Elektronik vorgesehen, mit deren Hilfe eine Leistungs- und / oder Zeitsteuerung des Diodenlasers 2 erfolgt. Die Laser- Schweißpistole weist ferner einen (ebenfalls nicht näher dargestellten) Stromanschluss auf, der zur Energieversorgung des Diodenlasers 2 dient.
In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung mit einer Laser-Schweißpistole gemäß Fig. 1 dargestellt. Zunächst wird die Laser-Schweiß- pistole zum Schweißen von zwei zu verbindenden Fügepartnern 7,7' auf diese aufgesetzt und angedrückt. Danach wird durch eine Betätigung der Laser-Schweißpistole mittels des Schalters 9 ein zeitlich begrenzter Laserstrahl-Impuls im Diodenlaser 2 ausgelöst, der die Fügefläche 10 erwärmt und in einen zumindest gelartigen Zustand überführt. Danach erfolgt ein Nachdrücken mit der Laser-Schweißpistole auf die Fügefläche 10 bis zur Verfesti- gung derselben. Der gelartige Zustand der Fügefläche 10 wird in Fig. 2 durch einen
Schmelzebereich 11 schematisch dargestellt. Innerhalb des Gehäuses 2 der Laserstrahlen- Pistole ist ferner eine nicht näher dargestellte Kühlungseinrichtung zur Kühlung des Diodenlasers 2 vorgesehen.

Claims

Patentansprüche
Laser-Schweißpistole, insbesondere zum Verschweißen von Kunststoff-Bauteilen, mit einem Gehäuse (1) und
einer Laserstrahlen-Quelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Linse (3) vorgesehen ist, die einen oder mehrere aus der Laserstrahlen-Quelle (2) austretende/n Laserstrahl/en (4) flächig aufspreizt, so dass aus dem Gehäuse (1) eine Laserstrahlung (5) austritt, deren
Querschnittsfläche (A) um ein Vielfaches größer als die Querschnittsfläche (a) des/r aus der Laserstrahlen-Quelle (2) austretenden Laserstrahls/en ist.
Laser-Schweißpistole nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen-Quelle (2) als Diodenlaser ausgebildet ist.
Laser-Schweißpistole nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (3) als Planlinse ausgebildet ist.
Laser-Schweißpistole nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gehäuse (1) ein Andruckglas (6) angeordnet ist, durch das die Laserstrahlung (5) das Gehäuse (1) verlässt.
Laser-Schweißpistole nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen-Quelle (2) derart ausgebildet ist, dass die daraus austretenden Laserstrahlen (4) eine linienförmigen Querschnittsfläche (a) bilden.
Laser-Schweißpistole nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (3) derart ausgebildet ist, dass die Laserstrahlung (5) eine, zumindest im Wesentlichen, kreisförmige oder rechteckige Querschnittsfläche (A) aufweist.
Laser-Schweißpistole nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Strahlungsrichtung gesehen hinter der Linse (3) ein Hohlprofil (8) mit einer, vorzugsweise polierten, inneren Oberfläche angeordnet ist, durch das die
aufgespreizte Laserstrahlung (5) hindurchtritt.
Laser-Schweißpistole nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Geräte-Elektronik vorgesehen ist, mit deren Hilfe eine Leistungs- und / oder Zeitsteuerung der Laserstrahlen-Quelle (2) erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung mit einer Laser-Schweißpistole nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Laser-Schweißpistole zum Schweißen von zwei zu verbindenden Fügepartnern auf diese aufgesetzt und angedrückt wird, wobei danach durch eine Betätigung der Laser-Schweißpistole ein zeitlich begrenzter Laserstrahl-Impuls ausgelöst wird, der die Fügefläche erwärmt und in einen zumindest gelartigen Zustand überführt und wobei danach ein Nachdrücken mit der Laser-Schweißpistole auf die Fügefläche bis zur Verfestigung derselben erfolgt.
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