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DE10235892A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen von thermoplastischen Materialien mittels Strahlungsenergie - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen von thermoplastischen Materialien mittels Strahlungsenergie

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Publication number
DE10235892A1
DE10235892A1 DE2002135892 DE10235892A DE10235892A1 DE 10235892 A1 DE10235892 A1 DE 10235892A1 DE 2002135892 DE2002135892 DE 2002135892 DE 10235892 A DE10235892 A DE 10235892A DE 10235892 A1 DE10235892 A1 DE 10235892A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
welding
workpiece part
workpiece
welding path
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
DE2002135892
Other languages
English (en)
Inventor
Frieder Haag
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch 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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE2002135892 priority Critical patent/DE10235892A1/de
Publication of DE10235892A1 publication Critical patent/DE10235892A1/de
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen einer Verbindung zwischen einer ersten Fügefläche (13) eines ersten thermoplastischen Werkstückteils (12, 22) und einer zweiten Fügefläche (15) eines zweiten thermoplastischen Werkstückteils (14, 24) mittels eines Energiestrahls (16, 26) entlang einer Schweißbahn (28), wobei der Energiestrahl (16, 26) durch das erste Werkstückteil (12) wenigstens zum Teil hindurchtritt und im Bereich der zweiten Fügefläche (15) des zweiten Werkstückteils (14, 24) im wesentlichen absorbiert wird, wodurch das zweite Werkstückteil (14, 24) im Bereich der zweiten Fügefläche (15) erwärmt und Wärme auf die erste Fügefläche (13) des ersten Werkstückteils (12, 22) übertragen wird, bis die jeweiligen Schmelztemperaturen der Werkstückteile (12, 22, 14, 24) erreicht sind. Erfindungsgemäß wird mindestens eines der Werkstückteile (12, 22, 14, 24) zumindest im Bereich der Schweißbahn (18) durch eine zusätzliche Energiequelle (30, 32) auf eine Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur geheizt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können kürzere Schweißzeiten erreicht und größere Werkstücke bearbeitet werden. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von thermoplastischen Materialien mittels Strahlungsenergie nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff von Anspruch 12.
  • Stand der Technik
  • Ein Verfahren zum Verschweißen zweier thermoplastischer Werkstücke mittels Laserstrahlen ist unter der Bezeichnung Laserdurchstrahlschweißen bekannt. Das Prinzip des Laserdurchstrahlstrahlschweißens ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Üblicherweise werden beim Laserdurchstrahlschweißen zwei Kunststoffmaterialien 12, 14 miteinander verbunden, wobei das erste Kunststoffmaterial 12 für Laserstrahlen weitgehend transparent ist, wohingegen das zweite Kunststoffmaterial 14 aufgrund eines farbigen Zusatzes, z. B. Rußpartikeln, Laserstrahlen absorbiert. Beim Bestrahlen der aneinandergrenzenden Kunststoffe mit einem Laserstrahl 16 durchdringt der Laserstrahl 16 das transparente Kunststoffmaterial 12 und wird vom zweiten Kunststoffmaterial 14 im Bereich seiner Oberfläche 15 absorbiert (Fig. 1A). Aufgrund der durch die Energieabsorption erzeugten Wärme schmilzt das zweite Kunststoffmaterial 14 in dem bestrahlten Oberflächenbereich (Fig. 1B). Durch Aufbringen des ersten transparenten Kunststoffmaterials 12 auf den Schmelzbereich 18 des zweiten Kunststoffmaterials 14 (Fig. 1C) wird die Wärme auf den Kontaktbereich des ersten Kunststoffmaterials übertragen, so daß sich auch in dem durchstrahlten Oberflächenbereich des ersten transparenten Kunststoffmaterials ein korrespondierender Schmelzbereich 20 bildet (Fig. 1D). Dies ist jedoch nur möglich, wenn der Schmelzpunkt des ersten transparenten Kunststoffmaterials 12 etwas niedriger als der des zweiten absorbierenden Kunststoffmaterials 14 ist, da bei der Wärmeübertragung zwischen dem absorbierenden Werkstückteil 12 und dem transparenten Werkstückteil 14 stets ein Energieverlust auftritt. Durch weiteres Zusammenpressen der beiden Kunststoffmaterialien 12, 14 verbinden sich die aneinandergrenzenden Schmelzbereiche 18, 20 und bilden ggf. unter seitlicher Verdrängung von Schmelze eine Schweißnaht 22 aus ( Fig. 1E), die nach Abschalten bzw. Entfernen des Laserstrahls 16 aushärtet (Fig. 1F).
  • Zur Durchführung eines Laserdurchstrahlschweißverfahrens sind verschiedene Verfahrensprinzipien bekannt.
  • Beim Konturschweißen wird die Schweißbahnkontur des zu bearbeitenden Werkstücks mit dem Laserstrahl langsam abgefahren. Da die Schweißbahn punktweise erwärmt und an jedem Punkt sofort fest verschweißt wird, kann insbesondere ein Verzug der zu verbindenden Werkstückteile kaum ausgeglichen werden. Soll eine dichte Schweißnaht erhalten werden, ist das Konturschweißen daher nur geeignet, wenn besonders hohe Anforderungen an die Planarität der miteinander zu verbindenden Oberflächen der Werkstückteile erfüllt werden.
  • Beim Simultanschweißen wird die Schweißbahn gleichzeitig mittels mehrerer Lasersegmente bearbeitet, so daß ein Verzug der zu verbindenden Werkstückteile besser vermieden werden kann. Um ein rechteckiges Gehäuse zu schweißen, können beispielsweise vier separate Laser eingesetzt werden, die jeweils eine Gerade abbilden. Dieses Verfahren erfordert jedoch einen hohen apparativen Aufwand ist daher relativ kostenaufwendig und unflexibel.
  • In der EP 1 048 439 A2 ist ein Durchstrahlschweißverfahren beschrieben, das heute auch als Quasisimultanschweißverfahren bekannt ist. Beim Quasisimultanschweißen wird die Schweißbahn mittels eines Scanners vom Laserstrahl mehrfach aufeinanderfolgend mit einer hohen Umlaufgeschwindigkeit abgefahren. Somit wird die gesamte Schweißbahn schrittweise quasi simultan bis zur gewünschten Arbeitstemperatur erwärmt. Durch diese gleichmäßige Erwärmung der gesamten Schweißbahn ist es möglich, einen Abschmelzweg vorzusehen, so daß Unregemäßigkeiten der zu verbindenden Werkstückoberflächen, wie z. B. Spalte ausgeglichen werden können. Aufgrund der geringeren Anforderungen an die Formschlüssigkeit der zu verbindenden Werkstückteile sowie der höheren Flexibilität der Vorrichtung ist das Quasisimultanschweißen derzeit das bevorzugte Verfahren.
  • Die Anwendung des Quasisimultanschweißverfahrens ist jedoch auf die Bearbeitung relativ kurzer Schweißbahnen begrenzt. Dies beruht darauf, daß jeder soeben durch den fortlaufenden Laserstrahl erwärmte Schweißbahnabschnitt schnell wieder auf die Ausgangstemperatur abkühlt. Beim Quasisirnultanschweißverfahren folgt demnach die Temperaturkennlinle jedes Schweißbahnabschnitts einem ansteigenden Sägezahnprofil (Fig. 2, rechte Kurve). Für eine wirtschaftliche Durchführung des Quasisimultanschweißverfahrens sollte daher die Umlaufzeit des Laserstrahls erheblich kürzer als die für die Rückkehr zur Ausgangstemperatur benötigte Abkühlzeit des zu schweißenden Materials sein. Hieraus ergibt sich bei vorgegebener Geschwindigkeit des Laserstrahls eine Begrenzung des während der Umlaufzeit durch den Laserstrahl zurücklegbaren Wegs. Dieses Problem wird auch nicht durch eine Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit des Laserstrahls gelöst, da aufgrund der dadurch bewirkten kürzeren Verweildauer des Laserstrahls an jedem Schweißbahnabschnitt eine geringere Erwärmung des Materials verursacht wird.
  • Es soll demnach ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen thermoplastischer Materialien mittels Strahlungsenergie, insbesondere zum Quasisimultanschweißen geschaffen werden, mit dem kürzere Schweißzeiten erreicht und größere Werkstücke bearbeitet werden können.
  • Vorteile der Erfindung
  • Erfindungsgemäß ist bei einem gattungsgemäßen Schweißverfahren eine zusätzliche Beheizung mindestens eines Werkstückteils zumindest im Bereich der Schweißbahn vorgesehen, die durch eine zusätzliche Energiequelle durchgeführt wird. Durch den erfindungsgemäßen Heizschritt wird die Ausgangstemperatur mindestens eines der zu verbindenden Werkstückteile auf eine Temperatur unterhalb seines Schmelzpunktes angehoben. Somit ist der durch die Strahlungsenergie zu bewirkende Temperaturhub auf die Schmelztemperatur des Werkstückteils im Schweißbahnbereich kleiner als bei einem konventionellen Quasisimultanschweißverfahren. Dadurch wird die Anzahl der mit einem Energiestrahl durchzuführenden Umläufe entlang der vorgesehenen Schweißbahn erheblich verringert und somit eine schnellere Durchführung des Schweißvorgangs ermöglicht.
  • Weiterhin können bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens größere Werkstücke mit längeren Schweißnähten als bei dem herkömmlichen Verfahren bearbeitet werden. Dieser Vorteil kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn die Zwischentemperatur so nahe an der Schmelztemperatur gewählt ist, daß nur ein oder zwei Energiestrahlumläufe genügen, um die Arbeitstemperatur, i. a. die Schmelztemperaturen der zu verbindenden Werkstückteile, zu erreichen.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird aufgrund einer Beheizung mindestens eines Werkstückteils in seiner Gesamtheit auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Vorteil erzielt, daß eine Ableitung der durch die Strahlungsenergie lokal entlang der Schweißbahn erzeugten Wärme an benachbarte Werkstückbereiche eine wesentlich geringere Rolle als bei dem herkömmlichen Verfahren spielt. Selbstverständlich wird dieser Vorteil insbesondere bei großen Werkstückteilen auch dann erreicht, wenn der die Schweißbahn enthaltende beheizte Bereich entsprechend groß gewählt ist.
  • Vorteilhafterweise wird zumindest das erste transparente Werkstückteil beheizt. In dieser Anordnung ist es im Gegensatz zu den bekannten Verfahren auch möglich, ein erstes transparentes Werkstückteil aus einem Material zu verwenden, das eine gleich hohe oder sogar etwas höhere Schmelztemperatur als das Material des zweiten Werkstückteils aufweist. Dadurch wird eine größere Unabhängigkeit bezüglich der Auswahl der zu verschweißenden Materialien erreicht.
  • Der Heizschritt kann vor und/oder während des eigentlichen Durchstrahlschweißvorgangs durchgeführt werden. Es hat sich jedoch als günstig erwiesen, bereits vor dem Beaufschlagen mit dem Energiestrahl eine Erwärmung mindestens eines Werkstückteils vorzunehmen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüche, der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, daß die vorstehend benannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
    • Zeichnung
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Fig. 1A-1F zeigen in schematischer Darstellung den Ablauf eines Laserdurchstrahlschweißverfahrens nach dem Stand der Technik.
  • Fig. 2 zeigt ein Diagramm der Aufheizkurven eines Schweißbahnabschnitts mit und ohne Vorheizung.
  • Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
    • Bevorzugte Ausführungsformen
  • Fig. 1 zeigt in 6 Schritten (Fig. 1A bis 1F) schematisch den Verlauf eines Laserdurchstrahlschweißverfahrens. In dem an sich bekannten Verfahren wird eine erste Fügefläche 13 eines ersten Werkstückteils 12 mit einer zweiten Fügefläche 15 eines zweiten Werkstückteils 14 mittels eines Laserstrahls 16 verschweißt. Das erste Werkstückteil 12 besteht aus einem thermoplastischen Material, das für den Laserstrahl 16 transparent ist, d. h. die Energie des Laserstrahls nicht oder in nur sehr geringen Ausmaß absorbiert. Das zweite Werkstückteil 14 besteht aus einem farbigen thermoplastischen Kunststoffmaterial, das zum Beispiel durch Rußpartikel eingefärbt ist, und daher die Energie des Laserstrahls absorbiert. In einer Schweißvorrichtung sind die zu verbindenden Fügeflächen 13, 15 in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet und können mittels eines Niederhalters oder dergleichen (nicht dargestellt), der eine Druckkraft F in Richtung der Pfeile 30 auf das erste Werkstückteil 12 ausübt, aufeinander gepreßt werden. Die den Laserstrahl 16 aussendende Strahlenquelle ist so angeordnet, daß der Laserstrahl 16 durch das erste Werkstückteil 12 und die erste Fügefläche 13 hindurch auf die zweite Fügefläche 15 des zweiten Werkstückteils 14 auftrifft (Fig. 1A). Die Energie des Laserstrahls 16 wird an der zweiten Fügefläche 15 absorbiert, so daß sich ein Schmelzbereich 18 im Bereich des Strahlenfelds des Laserstrahls 16 an der zweiten Fügefläche 15 des zweiten Werkstückteils 14 ausbildet (Fig. 1B). Das erste transparente Werkstückteil 12 wird dann auf den Schmelzbereich 18 des zweiten Werkstückteils 14 herabgesenkt, bis die erste Fügefläche 13 mit dem Schmelzbereich 18 in direkten Kontakt tritt. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß die Fügeflächen 13, 15 bereits vor Beaufschlagung mit dem Laserstrahl 16 eng beieinander angeordnet sind oder im Kontakt miteinander stehen, so daß ein weiteres Herabsenken des ersten Werkstückteils 12 nicht erforderlich ist. (Fig. 1C).
  • Aufgrund des Kontakts der ersten Fügefläche 13 mit dem heißen Schmelzbereich 18 der zweiten Fügefläche 15 schmilzt auch die erste Fügefläche 13 in einem Kontaktbereich 20 durch Wärmeübertragung auf (Fig. 1D).
  • Unter weiterer Druckbeaufschlagung verschmelzen die korrespondierenden Schmelzbereiche 18, 20 miteinander und bilden somit eine Schweißnaht 22 aus. Aufgrund der Druckbeaufschlagung kann überschüssiges Schweißmaterial 24 seitlich entlang der Schweißnaht 22 austreten oder abfließen (Fig. 1E).
  • Nach Abschalten des Laserstrahls 16 (Fig. 1F) verfestigen sich die vereinigten Schmelzbereiche der Schweißnaht 22 und bilden somit die gewünschte Verbindung zwischen den Werkstückteilen 12, 14 aus.
  • Bei einem bekannten Quasisimultanschweißverfahren wird der Laserstrahl 16 im Sinne einer Bewegung in die Bildebene hinein bzw. aus der Bildebene hinaus (Fig. 1A-1F) fortbewegt, so daß sich fortlaufend aneinandergrenzende Abschnitte des zweiten Werkstückteils 14 erwärmen. Durch wiederholtes Abfahren der aus diesen Abschnitten gebildeten Schweißbahn erfolgt eine schrittweise Erhöhung der Temperatur jedes Abschnitts.
  • In Fig. 2 ist beispielhaft der Temperaturverlauf für einen bestimmten Abschnitt einer solchen Schweißbahn dargestellt. Aus der rechten Kurve, die den Temperaturverlauf beim konventionellen Verfahren darstellt, ist ersichtlich, daß die Temperatur jedes Schweißbahnabschnitts bei Beaufschlagen durch den Laserstrahl um ein bestimmtes Temperaturintervall angehoben wird, und die Temperatur bis zum erneuten Auftreffen des Laserstrahls auf denselben Abschnitt der Schweißbahn, d. h. nach einem Umlauf, wieder etwas abkühlt. Mit steigender Temperatur der Schweißbahnabschnitte nimmt auch das Abkühlintervall zu, weil die, Temperaturdifferenz zwischen der Schweißbahn und den benachbarten Bereichen des erwärmten Werkstückteils größer wird, so daß eine erhöhte Wärmeableitung in die benachbarten Bereichen erfolgt. Die somit absolut erreichte Temperaturerhöhung pro Laserstrahlumlauf d. h. die Differenz zwischen der durch den Laserstrahl bewirkten Temperaturerhöhung und der nachfolgenden durch Wärmeableitung erfolgten Temperaturabnahme, wird daher mit steigender Schweißbahntemperatur immer geringer. Bei dem in Fig. 2 dargestellten konventionellen Schweißvorgang sind insgesamt 11 Laserstrahlumläufe erforderlich, um die Schweißbahn von Raumtemperatur auf die gewünschte Schmelztemperatur zu bringen.
  • Erfindungsgemäß wird mindestens eines der zu verbindenden Werkstückteile 12, 14 zumindest im Bereich der Schweißbahn durch eine zusätzliche Energiequelle vorgeheizt und somit auf eine gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhte Zwischentemperatur gebracht. Diese Zwischentemperatur liegt vorteilhafterweise nahe an der Schmelztemperatur des jeweiligen Werkstückteils. So kann beispielsweise bei einer Schmelztemperatur von 220°C die Zwischentemperatur 200°C betragen, so daß die durch den Laserstrahl 16 zu erbringende Temperaturdifferenz 20°C beträgt. Die Temperaturkurve für ein erfindungsgemäßes Schweißverfahren ist in Fig. 2 als linke, unterbrochen gezeichnete Kurve dargestellt. Es ist ersichtlich, daß in dem dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich zwei Laserstrahlumläufe erforderlich sind, um das betreffende Werkstückteil von der Zwischentemperatur auf die Schmelztemperatur zu bringen. Aus dem Vergleich der in Fig. 2 dargestellten Temperaturkurven wird deutlich, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine erhebliche Verkürzung der Schweißzeit verbunden ist. Außerdem wird deutlich, daß der Temperaturabfall während eines Umlaufs geringer ist als in einem vergleichbaren Temperaturbereich beim konventionellen Schweißverfahren. Somit können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren längere Umlaufzeiten in Kauf genommen werden und größere Schweißbahnlängen bearbeitet werden. Besonders vorteilhaft ist es, die Zwischentemperatur so nahe an der Schmelztemperatur zu wählen, daß nur ein Umlauf des Laserstrahls genügt, um die jeweiligen Schmelztemperaturen der zu verbindenden Werkstückteile zu erreichen.
  • In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung dargestellt, die zum Verschweißen eines Gehäuses 24 mit einem zugehörigen Deckel 22 entlang einer Schweißbahn 28 eingesetzt wird. Die Schweißvorrichtung umfaßt eine Heizstation 35, in der die zu verschweißenden Werkstückteile 22, 24 vorgeheizt werden und die an eine Schweißstation 33 angrenzt, in der der eigentliche Schweißvorgang durchgeführt wird. Ein Transportband 40 ist im Bodenbereich der Schweißvorrichtung vorgesehen und dient zum Transportieren der zu verschweißenden Werkstückteile 22, 24 in Richtung des Pfeils 38 durch die Heizstation 35 und anschließend durch die Schweißstation 33. Auf dem Transportband 40 werden in dem dargestellten Ausführungsbeispiel quaderförmige Gehäuse 24 transportiert, die vor Eintritt in die Heizstation 35 mit formschlüssigen Deckeln 22 versehen werden. Die Deckel 22 bestehen aus einem für Laserstrahlen zumindest teilweise transparenten thermoplastischen Kunststoffmaterial, wohingegen die Gehäuse 24 aus einem Laserstahlen zumindest teilweise absorbierenden thermoplastischen Kunststoffmaterial bestehen.
  • In der Heizstation 35 wird im Betrieb ein darin befindliches Gehäuse 24 durch eine im Bereich des Transportbands 40 angeordnete Vorheizung 30 von unten vorgeheizt. Die Vorheiztemperatur wird dabei so gewählt, daß sie etwas unterhalb der Schmelztemperatur des das Gehäuse 24 bildenden thermoplastischen Kunststoffmaterials liegt. Durch Wärmeübertragung von dem Gehäuse 24 auf den Deckel 22 wird dieser ebenfalls vorgewärmt.
  • Als Vorheizung 30 ist beispielsweise eine Heißluftheizung geeignet. Jedoch ist auch die Verwendung jeder anderen dem Fachmann bekannten Heizeinrichtung, z. B. eine Infrarotheizung, möglich.
  • Von der Heizstation 35 wird das somit vorgewärmte Gehäuse 22 mit Deckel 22 auf dem Transportband 40 in die Schweißstation 33 überführt.
  • Die Schweißstation 33 umfaßt eine Strahlenquelle 36, die einen Laserstrahl 26 erzeugt. Als Laserstrahl 26 ist insbesondere ein Nd:YAG-Laser oder ein Diodenlaser geeignet. Der Laserstrahl 26 wird mittels eines Scanners 34 auf einen Punkt in dem Bereich des Deckels 22 abgebildet, der in direktem Kontakt mit dem Gehäuse 24 steht. Der Scanner dient zum Verschieben des Laserstrahls 26 entlang einer in dem Kontaktbereich zwischen Deckel 24 und Gehäuse 22 vorgesehenen umlaufenden Schweißbahn 28 und wird vorteilhafterweise mittels einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung angesteuert, so daß nach dem vorstehend allgemein erläuterten Prinzip der für Laserstrahlen zumindest teilweise transparente Deckel 22 und das Laserstrahlen absorbierende Gehäuse 24 durch eine umlaufende Schweißnaht entlang der vorgesehenen Schweißbahn 28 verbunden werden können.
  • In der Schweißstation 33 ist weiterhin eine Strahlungsheizung 32 vorgesehen, die so eingestellt ist, daß der gesamte Deckel 22 durch Strahlungsenergie auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Deckelmaterials beheizt werden kann. Selbstverständlich ist es insbesondere bei großen Werkstücken auch möglich, lediglich den Bereich der vorgesehenen Schweißnaht 28 zu beheizen, um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erreichen. Als Strahlungsheizung 32 ist vorteilhafterweise eine Infrarotheizung geeignet.
  • Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, den für den Laserstrahl weitgehend transparenten Deckel 22 zu beheizen. In dieser Anordnung ist es prinzipiell möglich, den Deckel 22 und somit jedes erste Werkstückteil 12 aus einem Material zu bilden, dessen Schmelztemperatur gleich hoch oder sogar etwas höher als die des Gehäuses 24 bzw. jedes zweiten Werkstückteils 14 ist. Dies war mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht möglich, da die an der zweiten Fügefläche 15 des zweiten Werkstückteils 14 erzeugte Wärme stets nur unter Verlust auf die erste Fügefläche 13 des ersten Werkstückteils 12 übertragen werden konnte. Erfindungsgemäß wird somit eine größere Auswahl an für den Schweißvorgang zur Verfügung stehenden thermoplastischen Materialien möglich.
  • Die in Fig. 3 dargestellte Schweißvorrichtung weist somit als zusätzliche Energiequelle eine zweiteilige Heizeinrichtung auf, wobei die Vorheizung 30 das Gehäuse 24 vorheizt und die Strahlungsheizung 32 den Deckel 22 vor und/oder während des Schweißvorgangs beheizt. Mit dieser Anordnung wird der Vorteil erzielt, daß jedes Werkstückteil entsprechend seiner individuellen materialbedingten Eigenschaften auf unterschiedliche Zwischentemperaturen gebracht werden kann.
  • Es ist jedoch ersichtlich, daß es im Rahmen der vorliegenden Erfindung genügt, nur eine der in dem Ausführungsbeispiel dargestellten Heizvorrichtungen 30, 32 vorzusehen, um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erzielen. Vorzugsweise erfolgt die Beheizung vor Beginn der Beaufschlagung mit dem Laserstrahl 26.
  • Weiterhin ist es denkbar, in Fig. 3 die Vorheizung 30 in den Bereich der Schweißanlage 33 einzubeziehen. Somit kann auf eine gesonderte vorgelagerte Heizstation 30 verzichtet und eine kompaktere Schweißanlage 33 verwirklicht werden. In dieser Anordnung ist es zudem möglich, die Beizung auch nach Beginn der Laserbeaufschlagung fortzuführen.

Claims (17)

1. Verfahren zum Schweißen einer Verbindung zwischen einer ersten Fügefläche (13) eines ersten thermoplastischen Werkstückteils (12, 22) und einer zweiten Fügefläche (15) eines zweiten thermoplastischen Werkstückteils (14, 24) mittels eines Energiestrahls (16, 26) entlang einer Schweißbahn (28), wobei der Energiestrahl (16, 26) durch das erste Werkstückteil (12, 22) wenigstens zum Teil hindurchtritt und im Bereich der zweiten Fügefläche (15) des zweiten Werkstückteils (14, 24) im wesentlichen absorbiert wird, wodurch das zweite Werkstückteil (14, 24) im Bereich der zweiten Fügefläche (15) erwärmt und Wärme auf die erste Fügefläche (13) des ersten Werkstückteils (12, 22) übertragen wird, bis die jeweiligen Schmelztemperaturen der Werkstückteile (12, 22, 14, 24) erreicht sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Werkstückteile (12, 22, 14, 24) zumindest im Bereich der Schweißbahn (28) durch eine zusätzliche Energiequelle (30, 32) auf eine Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur geheizt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Werkstückteil (12, 22) zumindest im Bereich der Schweißbahn (28) auf eine Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur geheizt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Werkstückteile (12, 22, 14, 24) zumindest im Bereich der Schweißbahn (28) auf eine Temperatur unterhalb ihrer jeweiligen Schmelztemperatur geheizt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Werkstückteil (12, 22, 14, 24) zumindest im Bereich der Schweißbahn (28) vorgeheizt wird, bevor die Schweißbahn (28) mit dem Energiestrahl (16) beaufschlagt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Werkstückteil (12, 22, 14, 24) zumindest im Bereich der Schweißbahn (28) geheizt wird, während die Schweißbahn (28) mit dem Energiestrahl (16) beaufschlagt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte mindestens eine Werkstückteil (12, 22, 14, 24) geheizt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur so gewählt ist, daß die Schmelztemperaturen der Werkstückteile (12, 22, 14, 24) durch einmaliges Fortbewegen des Energiestrahls (16, 26) entlang der Schweißbahn (29) erreicht werden, wobei aufeinanderfolgende Schweißbahnabschnitte erwärmt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur so gewählt ist, daß die Schmelztemperaturen der Werkstückteile (12, 14) durch wiederholtes Fortbewegen des Energiestrahls (16, 26) entlang der Schweißbahn (28) erreicht werden, wobei aufeinanderfolgende Schweißbahnabschnitte schrittweise erwärmt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Werkstückteil (12, 22, 14, 24) durch Infrarotstrahlung (32) auf die Zwischentemperatur geheizt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiestrahl (16, 26) ein Laserstrahl verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Laserstrahl (16, 26) ein Nd:YAG-Laserstrahl oder ein Diodenlaserstrahl verwendet wird.
12. Vorrichtung zum Schweißen einer Verbindung zwischen einer ersten Fügefläche (13) eines ersten thermoplastischen Werkstückteils (12, 22) und einer zweiten Fügefläche (15) eines zweiten thermoplastischen Werkstückteils (14, 24) entlang einer Schweißbahn (28),
mit einer Strahlenquelle (36) zur Erzeugung eines Energiestrahls (16, 26), der durch das erste Werkstückteil (12, 22) wenigstens zum Teil hindurchtritt und im Bereich der zweiten Fügefläche (15) des zweiten Werkstückteils (14, 24) absorbiert wird,
einer Vorschubeinrichtung (34) zur relativen Verschiebung des Energiestrahls (16, 26) und der Werkstückteile (12, 22, 14, 24) entlang der Schweißbahn (28),
dadurch gekennzeichnet,
daß eine zusätzliche Energiequelle (30, 32) zum Erwärmen mindestens eines der Werkstückteile (12, 22, 14, 24) zumindest im Bereich der Schweißbahn (28) auf eine Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung zum Steuern der Vorschubeinrichtung (34) entlang der Schweißbahn (28) vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Energiequelle eine Infrarotheizung (32) ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Energiequelle eine Heißluftheizung (30) ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle (36) ein Laser ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Nd:YAG-Laser oder ein Diodenlaser ist.
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