Industrie-Lexikon

Laserdurchstrahlschwei├čen

Das Laserdurchstrahlschwei├čen ist im Vergleich zu anderen Kunststoffschwei├čverfahren, wie dem Ultraschallschwei├čen oder dem Heizelementschwei├čen, ein erst seit Mitte der 1990er Jahre auch industriell etabliertes Verfahren. Bei allen dieser Kunststoffschwei├čverfahren handelt es sich um einen stoffschl├╝ssigen F├╝geprozess, bei dem der Kunststoff durch Energieeinbringung plastifiziert wird.

Funktionsprinzip des Laserdurchstrahlschwei├čens[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Beim Laserdurchstrahlschwei├čen handelt sich um einen einstufigen Prozess, bei dem die Erw├Ąrmung des Kunststoffes und der F├╝gevorgang nahezu gleichzeitig ablaufen. Dabei muss ein F├╝gepartner im Bereich der Laserwellenl├Ąnge einen hohen Transmissionsgrad und der andere einen hohen Absorptionsgrad aufweisen. Vor dem Schwei├čprozess werden beide Bauteile in der gew├╝nschten Endlage positioniert und der F├╝gedruck aufgebracht.

Prinzip Laserdurchstrahlschwei├čen
Der transparente F├╝gepartner wird vom Laserstrahl ohne nennenswerte Erw├Ąrmung durchstrahlt. Erst im zweiten F├╝gepartner wird der Laserstrahl in einer oberfl├Ąchennahen Schicht vollst├Ąndig absorbiert, wobei die Laserenergie in W├Ąrmeenergie umgewandelt und der Kunststoff aufgeschmolzen wird. Aufgrund von W├Ąrmeleitungsprozessen wird auch das transparente Bauteil im Bereich der F├╝gezone plastifiziert. Durch den von au├čen aufgebrachten sowie durch den aus der Ausdehnung der Kunststoffschmelze resultierenden inneren F├╝gedruck kommt es zu einer stoffschl├╝ssigen Verbindung der Bauteile. ├ťbliche, bei diesem F├╝geverfahren eingesetzte Laserquellen sind Hochleistungsdiodenlaser (HDL, ╬╗ = 900-1100 nm) und Festk├Ârperlaser (Faserlaser, Nd:YAG-Laser, ╬╗ = 1060-1090 nm), da nahezu alle naturfarbenen und unverst├Ąrkten Thermoplaste in diesem Wellenl├Ąngenbereich einen hohen Transmissionsgrad aufweisen. Somit ist die Hauptbedingung an die optischen Eigenschaften des transparenten F├╝gepartners erf├╝llt. Dem absorbierenden F├╝gepartner werden absorbierende Pigmente zugesetzt, bei denen es sich meist um Ru├čpigmentierungen handelt, woraus die f├╝r das menschliche Auge schwarze Farbe dieser Bauteile resultiert. Es existieren jedoch auch so genannte Infrarot Absorber, die im sichtbaren Wellenl├Ąngenbereich eine nicht schwarze Farbe aufweisen k├Ânnen. Dar├╝ber hinaus werden aktuell verschiedene Ans├Ątze zum Schwei├čen transparenter Bauteile mittels Laserstrahlung intensiv untersucht.


Verfahrensvarianten
Grunds├Ątzlich lassen sich die vier verschiedenen Verfahrensvarianten Konturschwei├čen, Maskenschwei├čen, Simultanschwei├čen und Quasi-Simultanschwei├čen unterscheiden. Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale liegen in der Art der Energieeinbringung sowie der Strahlformung. Dar├╝ber hinaus gibt es Variationen dieser Verfahren, wie das TWIST-Verfahren oder das GLOBO-Welding.

Die Auswahl einer Variante ist von Kriterien, wie z. B. der Komplexit├Ąt der F├╝genahtgeometrie (2D oder 3D), der zu fertigenden St├╝ckzahl, der zur Verf├╝gung stehenden Investitionskosten sowie der Anforderungen an die Schwei├čnahteigenschaften abh├Ąngig.

Konturschwei├čen
Beim Konturschwei├čen arbeitet ein punktf├Ârmiger Strahl die Geometrie ab. Dies kann entweder ├╝ber die Bewegung des Laserstrahls oder des Bauteils erfolgen. Das Verfahren ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass jeder Punkt der Schwei├čnaht nur ein einziges Mal mit der Laserstrahlung in Kontakt tritt. Die Gr├Â├če der Wechselwirkungszeit h├Ąngt dabei von zwei Faktoren ab: dem Strahldurchmesser im Fokus und dem Vorschub. Durch das Abfahren der gesamten Nahtkontur beeinflusst die Nahtl├Ąnge – zus├Ątzlich zum gew├Ąhlten Vorschub – die erzielbaren Schwei├čzeiten.

Maskenschwei├čen
Beim Maskenschwei├čen entsteht die Schwei├čnahtgeometrie mithilfe einer Maske, welche entweder im Konturverfahren sequentiell abgefahren oder im Simultanverfahren vollst├Ąndig ausgeleuchtet wird. Vor allem bei komplexen Nahtgeometrien eignet sich das Maskenschwei├čen, wobei minimale Nahtbreiten von 100 ╬╝m m├Âglich sind. Die Maske besteht aus d├╝nnen Blechen oder metallisierten Gl├Ąsern.

Simultanschwei├čen
Beim Simultanschwei├čen wird mit mehreren, ggf. nahtangepasst geformten Strahlen gearbeitet, um die gesamte Nahtkontur gleichzeitig zu bestrahlen. Dies sorgt f├╝r eine extreme Verk├╝rzung der Prozesszeiten (auf < 1 s) und erm├Âglicht das ├ťberbr├╝cken der Spaltma├če durch Abschmelzen. Zus├Ątzlich ist die Schwei├čnaht fester als beispielsweise beim Konturschwei├čen, da das Simultanschwei├čen eine h├Âhere Wechselwirkungszeit hat. Je aufw├Ąndiger die Nahtkontur, desto aufw├Ąndiger f├Ąllt das Erstellen der passenden Strahlgeometrie aus und insbesondere das Einstellen einer homogenen Leistungsdichteverteilung.

Quasisimultanschwei├čen
Beim Quasisimultanschwei├čen wird ein Laserstrahl so schnell zwischen den Schwei├čorten hin- und her abgelenkt, dass quasi an allen Orten gleichzeitig W├Ąrme eingebracht wird. Es kann somit als eine Kombination des Konturschwei├čens mit dem Simultanschwei├čen verstanden werden. Der hohe Vorschub des Verfahrens bewirkt, wie beim Simultanschwei├čen, eine Plastifizierung der gesamten Nahtfl├Ąche.

TWIST-Verfahren
Das TWIST-Verfahren (Transmission Welding by an Incremental Scanning Technique, dt. etwa ├ťbertragendes Schwei├čen durch eine inkrementale Scantechnik) wurde 2009 vom Fraunhofer-Institut f├╝r Lasertechnik vorgestellt und vereinigt die Eigenschaften des Konturschwei├čens mit denen des quasisimultanen Schwei├čens. Dabei wird die Vorschubbewegung des Lasers mit einer Bewegung senkrecht zur Verfahrrichtung ├╝berlagert. Entlang der Vorschubbewegung wird die Laserstrahlung auf einer Kreisbahn gef├╝hrt und passiert jedes Konturinkrement mehrmals. Die Kopplung der beiden Bewegungsrichtungen erm├Âglicht auch die Nutzung der hohen Intensit├Ąten der wenige Mikrometer gro├čen Fokusdurchmesser. Somit lassen sich letztendlich kleinste Schwei├čnahten mit Breiten < 100 ╬╝m realisieren. Da mit einer sehr hohen Bahngeschwindigkeit geschwei├čt wird, findet innerhalb der Konturinkremente ein homogener Energieeintrag ├╝ber der Schwei├čnaht statt. Dies wiederum sorgt f├╝r eine minimale Tiefe der W├Ąrmeeinflusszone.

Die Vorteile des TWIST-Verfahrens sind die hohe Prozessgeschwindigkeit und Flexibilit├Ąt bei der Gestaltung von Schwei├čkonturen. Es ist besonders geeignet f├╝r Klein- und Mittelserien, die einer schnellen Umr├╝stung bed├╝rfen.

GLOBO-Welding
Das GLOBO-Welding ist eine Variante des Konturschwei├čverfahrens. Es hat jedoch im Unterschied zu diesem Verfahren eine Aufbringung des F├╝gedrucks lediglich an der F├╝gestelle und nicht ├╝ber der gesamten Fl├Ąche der Schwei├čnaht. Die Laserstrahlung gelangt ├╝ber eine Kugel, welche f├╝r den notwendigen F├╝gedruck sorgt, in die F├╝geebene.

Das GLOBO-Welding erm├Âglicht das Schwei├čen von Bauteilen mit dreidimensionaler Nahtkontur (Bsp. PKW-R├╝ckleuchten). 


Anwendungsgebiete
Die Hauptanwendungsgebiete des Laserdurchstrahlschwei├čens sind:
ÔÇó Geh├Ąuse, Beh├Ąlter und Leuchten (Kraftfahrzeug-Bereich)
ÔÇó Sensorik
ÔÇó Elektronik (z. B. Laminieren von Leiterbahnen  )
ÔÇó Medizintechnik


Vor- und Nachteile
Gegen├╝ber anderen Schwei├čverfahren bietet das Laserdurchstrahlschwei├čen eine Reihe von Vorteilen:
ÔÇó ber├╝hrungslose Energieeinbringung
ÔÇó keine mechanische Belastung der F├╝gepartner durch den Energieeintrag
ÔÇó keine schwingende Belastung der F├╝gepartner
ÔÇó sowohl f├╝r den Mikro- als auch f├╝r den Makrobereich einsetzbar
ÔÇó geringe W├Ąrmeeinflusszone durch lokal begrenzten Energieeintrag
ÔÇó keine thermische Belastung empfindlicher Bauteilbereiche
ÔÇó keine Oberfl├Ąchenmarkierungen durch den Schwei├čprozess
ÔÇó gro├če Designfreiheit der zu schwei├čenden Bauteile
ÔÇó gute Automatisierbarkeit und Integrierbarkeit in Serienfertigungen
ÔÇó Schwei├čen von vormontierten Bauteilen m├Âglich
ÔÇó gutes ├Ąu├čeres Erscheinungsbild f├╝r N├Ąhte in Sichtbereichen

Demgegen├╝ber stehen jedoch auch einige Limitationen:
ÔÇó F├╝gepartner m├╝ssen unterschiedliche optische Eigenschaften besitzen
ÔÇó Laser absorbierende Pigmentierung muss verwendet werden
ÔÇó m├Âglichst spaltfreies Ber├╝hren der F├╝gepartner ist notwendig
ÔÇó Schwei├čnaht muss vom Laserstrahl erreichbar sein

Quelle: Wikipedia

 

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