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DE102004000030B4 - Vorrichtung zum Spannen von Werkstücken beim Strahlungsschweißen - Google Patents

Vorrichtung zum Spannen von Werkstücken beim Strahlungsschweißen Download PDF

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Abstract

Abrollende Spannvorrichtung zum Laser-Strahlungsschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass das abrollende Spannelement ein Ring ist, der mindestens an drei Punkten entlang seines Umfanges durch auf der Ringinnenseite tangential abrollende Laufrollen in einer Position gehalten wird, so dass ein Drehen des abrollenden Ringes um seinen Mittelpunkt möglich und der Ring mit einem seitlichen Versatz zum Auftreffpunkt der Laserstrahlung angeordnet ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Spannen der Fügepartner beim Verschweißen von thermoplastischen Kunststoffen mit Strahlungsenergie, vorzugsweise im Durchstrahlverfahren.
  • Beim Durchstrahlschweißen von thermoplastischen Kunststoffen werden die beiden Fügepartner derart angeordnet, dass ein für die einfallende Strahlung durchlässiger Kunststoff einen Strahlungsabsorbierenden überlappt. Nach dem Durchdringen der Strahlung durch den oberen Fügepartner wird diese am unteren Fügepartner mit nur sehr geringer Eindringtiefe in Wärme umgewandelt, worauf die entstandene Wärme durch Wärmeleitung in den angrenzenden oberen Fügepartner transportiert wird. Um eine ausreichende Wärmeleitung in den oberen Fügepartner zu ermöglichen, müssen die beiden Fügepartner mit Spanndruck beaufschlagt werden, um den thermischen Widerstand in der Fügezone so gering wie möglich zu halten.
  • Zum Aufbringen des Spanndrucks werden zum aktuellen Stande der Technik verschiedene Vorrichtungen eingesetzt. Spannrahmen sind der Schweißkontur angepasste Frästeile, die die Schweißnaht entlang ihrer gesamten Länge mit Fügedruck beaufschlagen. Als nachteilig bei der Verwendung von Spannrahmen hat sich erwiesen, dass deren Anwendbarkeit auf längere oder komplexe Nahtgeometrien mit stark im Raum variierenden Nahtnormalenvektoren keine gleichmäßige Verteilung des Spanndruckes mehr unter dem Ein fluss geometrischer Formabweichung der Fügepartner ermöglicht. Ferner bietet die Verwendung von Spannrahmen keine Flexibilität hinsichtlich der Schweißnahtgeometrie bei wechselnden Schweißkonturen.
  • Es ist die Verwendung einer strahlungsdurchlässigen Platte bekannt, die die Fügepartner mit Spanndruck beaufschlagen kann und gleichzeitig eine freie Zugänglichkeit der Strahlung in die Fügezone ermöglicht. Die Vorrichtung bietet eine höhere Flexibilität hinsichtlich der Schweißnahtgeometrie als die oben erwähnten Spannrahmen, jedoch beschränkt sich deren Einsatz auf Schweißnahtgeometrien, die sich vorwiegend in einer Ebene erstrecken. Ferner hat sich bei der Verwendung entsprechender strahlungsdurchlässiger Platten als Spannwerkzeug als nachteilig erwiesen, dass Verschmutzungen und Anhaftungen der Spannplatte zu einer oberflächlichen Verbrennung der Spannplatte führen können.
  • Aus den Druckschriften US 6,270,599 B1 und EP 1 366 890 A1 sind Spannvorrichtungen bekannt, die bei Schweißeinrichtungen für das Fügen von bandförmigen Materialien eingesetzt werden. Dementsprechend erstrecken sich deren Spannelemente in Form von Walzen über die gesamte Breite der von der Walze beaufschlagten Bandmaterialien. Bei diesen Schweißvorrichtungen ist folglich eine Strahlungsquelle im Inneren dieser Walzen angeordnet. Bei der erstgenannten Druckschrift wird diese Walze auf einem massiven inneren Reflektorblock über Kugellager drehbar geführt. In diesem inneren Block ist ferner eine Lampenanordnung zur Bestrahlung der unter der Walze hindurch geführten Lagen und deren Vereinigung angeordnet.
  • Die zweit genannte Druckschrift stellt schematisch ein Paar gegenläufig aufeinander abrollender Walzen dar, zwischen denen das Endlosmaterial hindurchgeführt und für das Anbringen einer Schweißnaht mit Hilfe eines Laserstrahls aufeinandergepresst wird. Die untere Walze ist dabei aus einem leicht deformierbaren Material ausgebildet, das sich um den Außenumfang der starren Walze auf einer gewissen Umfangslänge schmiegt.
  • Eine andere Möglichkeit, die Fügepartner zu spannen, besteht in der Verwendung von Spannrollen, die im Gegensatz zu den oben dargestellten Spanntechniken einen lokal begrenzten Bereich der Fügepartner mit Spanndruck beaufschlagen. In der DE 102 61 642 A1 wird eine Vorrichtung offenbart, die die Fügepartner mit einer entsprechenden Spannrolle andrückt und somit als konturunabhängiges Spannmittel dient. Nachteilig wirkt sich bei der offenbarten Anordnung aus, dass der Radius der Spannrolle klein sein muss, um noch Platz in der Schweißvorrichtung für die weiteren Systemkomponenten, wie beispielsweise Fokussieroptiken, zu lassen. Der somit erforderliche kleine Spannrollenradius zieht jedoch eine starke Konzentration des Spanndruckes unter dem Rollenaufsatzpunkt nach sich.
  • Unter der Annahme eines rein elastischen Materialverhaltens wird der resultierende Spannungszustand im transmissiven Fügepartner durch die Hertzsche Kontaktpaarung von Rolle und Ebene beschrieben. Aus den entsprechenden Formeln ergibt sich, dass die Länge, auf der der Spanndruck in Richtung der Schweißnaht verteilt wird, mit zunehmendem Rollenradius vergrößert wird, was sich posi tiv auf den Schweißprozess auswirkt. Des Weiteren kommt es insbesondere bei der Verwendung inkohärenter Strahlung als Schweißstrahlung zu einer Erwärmung der Spannrolle durch Absorption von Anteilen der Schweißstrahlung, deren Auftreffort von der Spannrolle abgeschattet wird. Diese Erwärmung der Spannrolle wirkt sich negativ auf die Oberflächenqualität des transparenten Fügepartners aus, da dieser unter dem Einfluss des Spanndrucks bei erhöhter Temperatur zu plastischen Verformungen und somit zu oberflächlichen Abzeichnungen neigt.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Rollenspanntechnik zum Laserstrahlkunststoffschweißen, vorzugsweise im Durchstrahlverfahren, zur Verfügung zu stellen, die nicht die oben genannten Nachteile bezüglich der Spanndruckkonzentration und den Rollenerwärmung aufweist, aber gleichzeitig genug Bauraum in der Schweißvorrichtung zur Unterbringung anderer Systemkomponenten lässt.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe weist die erfindungsgemäße Vorrichtung die Merkmale des Anspruchs 1 auf.
  • Anstelle der dem Stande der Technik entsprechenden Verwendung einer Spannrolle, die drehbar in ihrem Mittelpunkt gelagert ist, verwendet die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Spannring, der an mindestens 3 Punkten entlang seines Umfanges auf tangential auf dem Spannring abrollenden Laufrollen gelagert ist. Spannring und Laufrollen können vorzugsweise diametrale Profilquerschnitte auf weisen, durch die der Spannring von den Laufrollen in seiner axialen Richtung geführt werden kann, beispielsweise durch eine umlaufende Nut am Umfang der Laufrollen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet somit gegenüber den dem Stand der Technik entsprechenden Rollenspannmitteln die vorteilhafte Möglichkeit, eine abrollende Spannvorrichtung mit großem Radius einzusetzen, die dennoch Platz zur Anordnung anderer Systemelemente innerhalb ihres Umfangs bietet. Eine Anordnung der mechanischen Elemente, Prozessdiagnostiksysteme, Einrichthilfen und Strahlführungselemente innerhalb des Umfanges des abrollenden Spannringes ermöglicht somit den Aufbau einer kompakten Schweißvorrichtung, die dennoch eine breitere Verteilung des Spanndrucks gemäß den Formeln der Hertzschen Flächenpressung entlang der Schweißvorschubrichtung in der Fügenaht ermöglicht.
  • Eine weitere vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der geringeren Erwärmung durch absorbierte Schweißstrahlung, da der umlaufende Spannring nur zu einem geringen Anteil seiner Umfangslänge der Bestrahlung ausgesetzt ist, wobei ein bestrahltes Umfangsteilstück anschließend eine zu dieser Bestrahlungszeit in Bezug auf die Dauer eines kompletten Ringumlaufes komplementären Zeitspanne nicht der Strahlungsexposition unterliegt und somit abkühlen kann. Dieser Effekt kann durch eine zusätzliche Kühlung am Umfang des Spannrings noch unterstützt werden, beispielsweise durch eine konvektive Luftkühlung. Insbesondere dann, wenn Randbereiche der Schweißstrahlung zur präziseren Festlegung der Schweißnahtbreite abgeschattet werden sollen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung somit besonders vor teilhaft eingesetzt werden.
  • Ausführungsbeispiel
  • Zeichnung 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Vorrichtung in der Seitenansicht, Zeichnung 2 in der Frontansicht. An der Hauptträgerplatte (4) ist eine Flanschplatte (1) über mehrere Streben (2) befestigt, die eine Kopplung des Systems an eine beliebige Kinematik ermöglicht. Auf der Hauptträgerplatte (4) sind Auslegerarme (5) befestigt, die die beiden unteren Laufrollen (6), die mit einem Kugellager (9) auf einer Achse (13) gelagert sind, tragen. Mit einem Lagerbock (12), der ebenfalls auf dem Hauptträger (4) montiert ist, wird die obere Laufrolle (14) in Analogie zu den unteren Laufrollen (6) gelagert. Der Spannring (3) läuft mit einem geeigneten Querschnittsprofil tangential um alle 3 Laufrollen (6, 14) um, die an ihrem Umfang eine Nut zur axialen Fixierung des Spannringes (3) aufweisen. Die Schweißstrahlung (10), die durch eine geeignete Fokussiereinrichtung (11) auf die beiden Fügepartner (7, 8) gerichtet wird, hat durch den gering bemessenen seitlichen Versatz des Spannringes (3) zum Auftreffpunkt der Laserstrahlung (15) freien Zugang zur Fügezone, wobei durch den geringen räumlichen Abstand des Spannrings (3) zur Fügezone noch genügend Spanndruck in die Fügezone eingebracht werden kann. Um eine bessere Zugänglichkeit zur Flanschplatte (1) zu gewährleisten, ist der Spannring (3) gegenüber der Hauptträgerplatte schräg geneigt.

Claims (5)

  1. Abrollende Spannvorrichtung zum Laser-Strahlungsschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass das abrollende Spannelement ein Ring ist, der mindestens an drei Punkten entlang seines Umfanges durch auf der Ringinnenseite tangential abrollende Laufrollen in einer Position gehalten wird, so dass ein Drehen des abrollenden Ringes um seinen Mittelpunkt möglich und der Ring mit einem seitlichen Versatz zum Auftreffpunkt der Laserstrahlung angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse des abrollenden Spannelements gegenüber der horizontalen Hauptebene der Schweißvorrichtung geneigt ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Spannringe symmetrisch um den Strahlungsauftreffort angeordnet sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Laufrollen radial federnd gelagert ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der abrollende Spannring an einer vom Ringaufsetzpunkt auf die Fügepartner verschiedenen Stelle gekühlt wird.
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