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DE10004538A1 - Verfahren zum Laser-Durchstrahlschweißen von Kunststoffen und Laser-Durchstrahlschweißvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Laser-Durchstrahlschweißen von Kunststoffen und Laser-Durchstrahlschweißvorrichtung

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Publication number
DE10004538A1
DE10004538A1 DE2000104538 DE10004538A DE10004538A1 DE 10004538 A1 DE10004538 A1 DE 10004538A1 DE 2000104538 DE2000104538 DE 2000104538 DE 10004538 A DE10004538 A DE 10004538A DE 10004538 A1 DE10004538 A1 DE 10004538A1
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DE
Germany
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laser
laser radiation
layers
gas stream
feed nozzle
Prior art date
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Ceased
Application number
DE2000104538
Other languages
English (en)
Inventor
Udo Eitner
Stefan Hierl
Manfred Geiger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LPKF Laser and Electronics AG
Original Assignee
BLZ GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BLZ GmbH filed Critical BLZ GmbH
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Abstract

Ein Verfahren zum Laser-Durchstrahlschweißen von Kunststoffen weist folgende Verfahrensschritte auf: DOLLAR A - Positionieren zweier zu verschweißender Lagen (1, 2) aus unterschiedlichen Kunststoffmaterialien, von denen eines für die zum Verschweißen eingesetzte Laserstrahlung (7) transmissiv ist und von denen das zweite ein hohes Absorptionsvermögen für diese Laserstrahlung (7) aufweist, und DOLLAR A - Einstrahlen der Laserstrahlung (7) in den Grenzbereich (8) zwischen den beiden Lagen (1, 2) durch transmissive Lage (2) hindurch, derart, das die absorbierende Lage (1) durch Absorption der Laserstrahlung (7) lokal aufschmilzt und für eine Verschmelzung der beiden Lagen (1, 2) sorgt, wobei die transmissive Lage (1) während der Beaufschlagung durch die Laserstrahlung (7) an ihrer Oberfläche (14) zumindest in der Eintrittszone (12) der Laserstrahlung (7) durch einen Gasstrom (13) gekühlt wird, um Verbrennungen an der Oberseite der Lage (2) zu verhindern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laser-Durchstrahlschweißen von Kunststoffen mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Ver­ fahrensschritten sowie eine Laser-Durchstrahlschweißvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit den im Oberbegriff des Anspruches 8 angegebenen Merkmalen.
Bevor auf die eigentliche Problemstellung bei der vorliegenden Erfindung eingegangen wird, soll kurz der Hintergrund des Laser-Durchstrahlschwei­ ßens erläutert werden. So weisen die meisten Thermoplaste, sofern sie nicht mit absorbierenden Füllstoffen versehen sind, eine hohe Transparenz für bestimmte Laser-Wellenlängen, wie z. B. die Wellenlänge von Hochlei­ stungs-Diodenlasern (λ = 790 nm bis 980 nm) und Nd:YAG-Lasern (λ = 1064 nm) auf. Dies ermöglicht das Durchstrahlschweißen von thermopla­ stischen Kunststoffen. Dabei wird ein für die Strahlung des Lasers trans­ missives Teil auf ein weiteres, mit absorbierenden Stoffen gefülltes Kunst­ stoffteil gelegt und durch Einstrahlung von Laserstrahlung verschweißt. Diese dringt durch die obere transmissive Decklage hindurch und trifft auf das untere, absorbierende Kunststoffteil. Letzteres schmilzt oberflächlich auf, die dadurch gebildete Schmelze dehnt sich aus und benetzt den oben­ liegenden Fügepartner. Durch Wärmeleitung und -strahlung wird die transmissive Lage ebenfalls aufgeschmolzen. Es kommt zu thermischen Platzwechselvorgängen der Molekülketten im Grenzbereich zwischen den beiden Lagen und somit zur Ausbildung einer Schweißverbindung. Eine Schweißnaht kann dabei durch die Relativbewegung des Laserstrahls zum Werkstück erzeugt werden.
Die grundsätzlichen Vorteile des Laser-Durchstrahlschweißens von thermoplastischen Kunststoffen liegen in der hohen Prozeßgeschwindig­ keit, da die zum Aufschmelzen der Fügepartner benötigte Energie mit Lichtgeschwindigkeit an die Fügestelle transportiert wird. Dabei wird nur ein geringes Schmelzevolumen erzeugt, was einen geringen Verzug der Fügepartner mit sich bringt. Letztere werden ferner nur durch den Anpreß­ druck einer entsprechenden Werkstückaufnahme mechanisch beansprucht. Ferner findet kein Schmelzeaustrieb durch eine Relativbewegung der Füge­ partner statt. Insbesondere mit dem Hochleistungs-Diodenlaser steht eine kompakte und kostengünstige Laserstrahlquelle zur Verfügung, was geringe Betriebs- und Wartungskosten mit sich bringt.
Ein Nachteil beim Laser-Durchstrahlschweißen liegt in der geringen Ma­ ximal-Höhe der überbrückbaren Fügespalte zwischen den beiden Fügepart­ nern. Dies liegt zum einen daran, daß das Aufschmelzen des transmissiven Fügepartners indirekt über den zweiten Fügepartner erfolgt. Der Wärme­ übergang zwischen diesen beiden Teilen verschlechtert sich jedoch dra­ stisch mit Auftreten eines Fügespaltes. Zum anderen wird bei diesem Ver­ fahren grundsätzlich nur ein kleines Schmelzevolumen erzeugt, so daß eine geringe Schmelzeexpansion auftritt. Aus diesem Grunde können also nur schmale Spalte überbrückt werden.
Aus den vorstehenden Gründen ist beim Laser-Durchstrahlschweißen eine aufwendige Spanntechnik für die zu fügenden Teile erforderlich, um über die gesamte Schweißkontur einen Fügespalt sicherzustellen, der kleiner ist als eine vorgegebene Toleranzgrenze.
Vordergründig ist zur Lösung der vorstehenden Problematik daran zu den­ ken, die Streckenenergie beim Laserstrahlschweißen - also die pro Vor­ schublänge eingestrahlte Energie - zu erhöhen, wodurch sich das Schmel­ zevolumen und die Schmelzeexpansion in der Schweißnaht erhöhen würde. Damit könnten größere Spalte überbrückt werden. Problem dabei sind je­ doch die steigende Gefahr der Überhitzung der Schmelze und das Auftreten von Verbrennungen an der Oberseite des transmissiven Fügepartners.
Die vorstehende Problematik ist insbesondere bei Kunststoffen mit relativ schlechten Transmissionseigenschaften hochrelevant, wie z. B. bei Poly­ butylenterephthalat (= PBT). Bei diesem Kunststoffmaterial wird auch im ungefüllten Zustand nur ein geringer Teil der Laserstrahlung transmittiert. Beim Durchstrahlschweißen muß deshalb mit hohen Streckenenergien ge­ arbeitet werden und deshalb ist hier die Gefahr der oberflächlichen Ver­ brennungen sehr groß. Dies ist während des Abfahrens der Schweißkontur sporadisch durch kurze Blitzerscheinungen an der Oberfläche zu erkennen. Mit zunehmender Streckenenergie erhöht sich die Häufigkeit dieser Blitzer­ scheinungen, bis bei weiterer Erhöhung der Streckenenergie teilweise Ver­ brennungen auftreten, die sich auch über eine längere Strecke hinweger­ strecken können. In diesen Zonen kann an der Grenzschicht zwischen den beiden Fügepartnern keine Verschweißung erreicht werden.
Verschärft wird das Problem der Überhitzung und Verbrennung der Füge­ partner noch durch spezielle Lagen der Schweißnaht. Wird beispielsweise entlang einer Kante der transmissiven Decklage geschweißt, so entsteht ein Hitzestau, da an den Kanten die in der Decklage entstehende Wärme nur zu einer Seite hin abfließen kann.
Zusammenfassend wird durch die geschilderten Verbrennungserscheinun­ gen das Prozeßfenster für das Verschweißen kritischer Kunststoffmateriali­ en, wie z. B. PBT, in bestimmten Fällen so stark eingeschränkt, daß eine zuverlässige Verschweißung im Durchstrahlverfahren nicht möglich ist.
Zur Lösung dieser Problematik schlägt die Erfindung nun in verfahrens­ technischer Hinsicht vor, daß die transmissive Lage während der Beauf­ schlagung durch die Laserstrahlung an ihrer Oberfläche zumindest in der Eintrittszone der Laserstrahlung durch einen Gasstrom gekühlt wird. Durch diese Oberflächenkühlung werden Verbrennungen an der Oberfläche der transparenten Decklage verhindert, da die Entzündtemperatur auch dann nicht erreicht wird, wenn mit vergleichsweise hohen Streckenenergien ge­ schweißt wird. Das Prozeßfenster für die Laserstrahlenergie beim Durch­ strahlschweißen vergrößert sich damit erheblich.
In vorrichtungstechnischer Hinsicht ist gemäß der Erfindung eine zur Ein­ trittszone der Laserstrahlung in die Decklage hin gerichtete Zuführungsdüse für einen Kühl-Gasstrom vorgesehen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in verfahrens- und vorrich­ tungstechnischer Hinsicht sind in den Unteransprüchen angegeben. Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich ferner aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele einer Laser- Durchstrahlschweißvorrichtung gemäß der Erfindung anhand der beige­ fügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Laser-Durchstrahlschweißvor­ richtung in einer ersten Ausführungsform, und
Fig. 2 eine Ansicht einer Durchstrahlschweißvorrichtung analog Fig. 1 in einer zweiten Ausführungsform.
In Fig. 1 sind mit den Bezugszeichen 1 und 2 jeweils zwei Kunststofflagen im Querschnitt angedeutet, die entlang einer Schweißnaht miteinander zu verschweißen sind. Die untere Kunststofflage 1 besteht beispielsweise aus schwarz eingefärbtem PBT-GF30-Kunststoffmaterial. Die obere Decklage 2 ist z. B. PBT-GF30 ohne Füllstoff in einer Dicke von etwa 1 mm. Diese beiden Fügepartner sind in einer nur höchst schematisch dargestellten Werkstückaufnahme 3 eingespannt.
Zur Herstellung einer Schweißnaht ist ein Laserschweißkopf 4 vorgesehen, der oberhalb der Kunststofflagen 1, 2 an einem nicht näher dargestellten, CNC-gesteuerten Manipulationsarm angebracht ist. Der Schweißkopf 4 weist eine Laserstrahlquelle 5 in Form eines Hochleistungs-Diodenlasers auf, dessen Wellenlänge in dem in der Beschreibungseinleitung angegebe­ nen Bereich liegt. Statt der direkten Anordnung der Laserstrahlquelle 5 im Laserschweißkopf 4 kann die Laserstrahlung auch über geeignete Lichtlei­ terkabel von einer stationär angeordneten Laserquelle herangeführt werden.
Im vorliegenden Fall ist die Laserstrahlquelle 5 in üblicher Weise mit einer vorgesetzten Fokussieroptik 6 versehen, die der Strahlführung und Fokus­ sierung des Laserstrahls 7 dient. Dieser tritt von oben in die obere Kunst­ stofflage 2 ein (Eintrittszone 12) und läuft aufgrund der transmissiven Ei­ genschaften dieser Decklage bis zur absorbierenden unteren Kunststofflage 1. Dort wird der fokussierte Laserstrahl 7 absorbiert und sorgt für ein loka­ les Aufschmelzen der unteren Kunststofflage 1 sowie - durch Wärmeleitung und -strahlung - auch der oberen Kunststofflage 2. In der Grenzschicht 8 zwischen den beiden Lagen 1, 2 bildet sich also eine lokale Schmelze, die nach dem Abkühlen zu einer Verschweißung der beiden Lagen 1, 2 führt.
In Fig. 1 ist nun eine Sondersituation dargestellt, wobei nämlich die beiden Kunststofflagen 1, 2 im Bereich einer Randkante 9 miteinander ver­ schweißt werden sollen. Hierbei bestehen besondere Probleme bezüglich der Empfindlichkeit der oberen Kunststofflage 2 gegen Verbrennungser­ scheinungen. Um diesen vorzubeugen, weist die Laser-Durchstrahl­ schweißvorrichtung eine Zuführungsdüse 10 für ein Gas auf, die konzen­ trisch zum Laserstrahl 7 vor der Fokussieroptik 6 angebracht ist. Über ei­ nen seitlichen Anschlußstutzen 11 kann in diese Zuführungsdüse 10 Druckluft eingeblasen werden, so daß das ein auf die Eintrittszone 12 des Laserstrahls 7 in die obere Kunststofflage 2 gerichtete Gasstrom 13 aus der Zuführungsdüse 10 austritt. Dieser kühlt die Oberfläche der oberen Kunst­ stofflage 2 so, daß die beiden Kunststofflagen 1, 2 unproblematisch mitein­ ander verschweißt werden können. Die mittlere Streckenenergiedichte der eingestrahlten Laserstrahlung kann dabei auf bis zu 370 J/cm2 erhöht wer­ den, ohne daß Verbrennungen an der Oberfläche 14 der oberen Kunst­ stofflage 2 auftreten. Der Druck der den Gasstrom 13 erzeugenden Druck­ luftquelle kann im Bereich von 2 bis 20 bar liegen. Geeignete Öffnungs­ durchmesser für die Zuführungsdüse 10 liegen zwischen 1 und 10 mm, der Abstand zur Oberfläche 14 beträgt vorzugsweise 1 bis 20 mm. Aufgrund der direkten Anbringung der Zuführungsdüse 10 am Laserschweißkopf 4 erfolgt automatisch eine synchrone Bewegung der Zuführungsdüse 10 und des Laserstrahls 7, so daß jederzeit gewährleistet ist, daß die Eintrittszone 12 gekühlt wird.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der Laser-Durchstrahlschweißvor­ richtung unterscheidet sich von der gemäß Fig. 1 lediglich in der Ausbil­ dung der Zuführungsdüse 10'. Alle anderen Bauteile stimmen überein und sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Eine nochmalige Erörterung derselben erübrigt sich daher.
Der kühlende Gasstrom 13' bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird nun durch eine seitlich schräg herangeführte Zuführungsdüse 10' erzeugt. Die oben erörterten Parameter für Gasdruck, Öffnungsdurchmesser und Abstand der Gasaustrittsöffnung der Zuführungsdüse 10 zur Oberfläche 14 der oberen Kunststofflage 2 können aus dem Beispiel zu Fig. 1 übernom­ men werden. In Fig. 2 ist im übrigen eine von der Außenseite 15 der Rand­ kante 9 her stattfindende Heranführung des Gasstroms 13' gezeigt. Der Zu­ führungsstutzen 10' kann jedoch auch bezüglich der rechtwinklig zur Zeichnungsebene von Fig. 2 stehenden Vorschubrichtung des Laserstrahls 7 schleppend - also schräg von vorn - oder stechend - also schräg von hin­ ten - angeordnet sein.
Statt Druckluft kann auch ein inertes Gas oder Schutzgas, wie Argon oder Stickstoff, für den Kühl-Gasstrom 13, 13' verwendet werden.

Claims (12)

1. Verfahren zum Laser-Durchstrahlschweißen von Kunststoffen mit fol­ genden Verfahrensschritten:
  • - Positionieren zweier zu verschweißender Lagen (1, 2) aus unter­ schiedlichen Kunststoffmaterialien, von denen eines für die zum Verschweißen eingesetzte Laserstrahlung (7) transmissiv ist und von denen das zweite ein hohes Absorptionsvermögen für diese Laser­ strahlung (7) aufweist, und
  • - Einstrahlen der Laserstrahlung (7) in den Grenzbereich (8) zwischen den beiden Lagen (1, 2) durch die transmissive Lage (2) hindurch derart, das die absorbierende Lage (1) durch Absorption der Laser­ strahlung (7) lokal aufschmilzt und für eine Verschmelzung der bei­ den Lagen (1, 2) sorgt,
dadurch gekennzeichnet, daß die transmissive Lage (2) während der Beaufschlagung durch die Laser­ strahlung (7) an ihrer Oberfläche (14) zumindest in der Eintrittszone (12) der Laserstrahlung (7) durch einen Gasstrom (13, 13') gekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Erzeugung einer Schweißnaht die Laserstrahlung (7) relativ zu den zu verschweißenden Lagen (1, 2) definiert vorgeschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszu­ führung für den Kühl-Gasstrom (13, 13') synchron mit der Eintrittszone (12) der Laserstrahlung (7) vorgeschoben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom (13, 13') durch Druckluft gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom (13, 13') durch ein inertes Gas, insbesondere durch Stickstoff oder Argon, gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom (13, 13') von der Seite her zur Eintrittszone (12) der Laserstrahlung (7) geführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom (13, 13') koaxial zum Laserstrahl (7) herangeführt wird.
7. Verfahren mindestens nach Anspruch 2, wobei eine Schweißnaht ent­ lang einer Randkante (9) der beiden Lagen (1, 2) gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom (13, 13') von der Außenseite (15) der Randkante (9) her herangeführt wird.
8. Laser-Durchstrahlschweißvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit
  • - einer Werkstückaufnahme (3), und
  • - einem relativ zur Werkstückaufnahme (3) verschiebbaren Laser­ schweißkopf (4) mit einer Laserstrahlquelle (7) und einem Fokus­ sieroptik (6), gekennzeichnet durch
  • - eine zur Eintrittszone (12) der Laserstrahlung (7) gerichtete Zufüh­ rungsdüse (10, 10') für den Kühl-Gasstrom (13, 13').
9. Laser-Durchstrahlschweißvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zuführungsdüse (10, 10') mit dem Laser­ schweißkopf (4) gemeinsam verschiebbar gelagert ist.
10. Laser-Durchstrahlschweißvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zuführungsdüse (10, 10') von der Seite her an die Eintrittszone (12) herangeführt ist.
11. Laser-Durchstrahlschweißvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zuführungsdüse (10, 10') konzentrisch zum Laserstrahl (7) an die Eintrittszone (12) herangeführt ist.
12. Laser-Durchstrahlschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsdüse (10, 10') mit ei­ ner Gasquelle, insbesondere einer Druckluftquelle (5) verbunden ist.
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