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Patent Searching and Data


Title:
CLAMPING DEVICE AND ASSOCIATED LASER WELDING APPARATUS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/149938
Kind Code:
A1
Abstract:
A clamping apparatus (5) for clamping at least two shaped parts (6, 9) which can be welded along a welding contour (14) by irradiation with a laser beam (4), comprising: - a first clamping plate (7) used as a holder for a first shaped part, - a second clamping plate (8) which is designed to apply a clamping force to the first shaped part (6) and a second shaped part (9) arranged thereon, - an outer clamping jaw (11) comprising a recess and an inner clamping jaw (12) arranged in the recess, which together form the second clamping plate (8), - a passage gap (13) for a laser beam (4) formed in sections between the outer clamping jaw (11) and the inner clamping jaw (12), - one or more fastening elements (15) which connect the outer clamping jaw (11) with the inner clamping jaw (12) in sections and which bridge the passage gap (13), wherein the clamping apparatus (5) comprises, in the region of a fastening element (15), a mirror element (17) which is arranged such that a laser beam (4) is reflected onto a section of the weld contour (14) concealed by the fastening element (15).

Inventors:
WETTER, Michael (Kapellenstr. 25, Pinzberg, 91361, DE)
KRAUS, Andreas (Ronhofer Weg 35, Fürth, 90765, DE)
AHMETI, Kreshnik (Hartmannstr. 92, Erlangen, 91052, DE)
Application Number:
EP2019/052650
Publication Date:
August 08, 2019
Filing Date:
February 04, 2019
Export Citation:
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Assignee:
EVOSYS LASER GMBH (Schallershofer Str. 108, Erlangen, 91056, DE)
International Classes:
B29C65/16; B23K26/035; B23K26/244; B23K26/324; B23K37/04
Domestic Patent References:
WO2016063720A12016-04-28
WO2008125263A12008-10-23
Foreign References:
DE102011087405A12013-06-06
JP2007313821A2007-12-06
JP2013203026A2013-10-07
EP2591910A12013-05-15
JP2001246488A2001-09-11
Attorney, Agent or Firm:
DR. GASSNER & PARTNER MBB (Wetterkreuz 3, Erlangen, 91058, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Spannvorrichtung (5) zum Spannen von wenigstens zwei durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl (4) entlang einer Schweißkontur (14) verschweißbaren Formteilen (6, 9), umfassend:

- eine erste, als Aufnahme für ein erstes Formteil dienende erste Spannplatte (7),

- eine zweite Spannplatte (8), die zum Beaufschlagen des ersten Formteils (6) und eines darauf angeordneten zweiten Formteils (9) mit einer Spannkraft ausgebildet ist,

- einen äußeren, eine Ausnehmung aufweisenden Spannbacken (11 ) und einen in der Ausnehmung angeordneten inneren Spannbacken (12), die gemeinsam die zweite Spannplatte (8) bilden,

- einen abschnittsweise zwischen dem äußeren Spannbacken (11 ) und dem inne- ren Spannbacken (12) ausgebildeten Durchtrittsspalt (13) für einen Laserstrahl (4),

- ein oder mehrere den äußeren Spannbacken (11 ) mit dem inneren Spannbacken (12) abschnittsweise verbindende, den Durchtrittsspalt (13) überbrückende Befes- tigungselemente (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (5) im Bereich eines Befestigungselements (15) ein Spiegelelement (17) umfasst, das so angeordnet ist, dass ein Laserstrahl (4) auf einen von dem jeweiligen Befesti- gungselement (15) verdeckten Abschnitt der Schweißkontur (14) reflektiert wird.

2. Spannvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei das Spiegelelement (17) an dem äußeren Spannbacken (11 ) oder an dem inneren Spannbacken (12) oder an ei- nem Befestigungselement (15) angeordnet ist.

3. Spannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Spiegelelement (17) abnehmbar an einer Flalterung angeordnet ist.

4. Spannvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Spiegelelement (17) eine ebene oder eine gekrümmte Oberfläche aufweist oder aus mehreren Spiegelabschnitten zusammengesetzt ist.

5. Spannvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Befestigungselement (15) als Platte ausgebildet ist und eine Durchtrittsöffnung (16) für den Laserstrahl (4) aufweist. 6. Spannvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Durchtrittsöffnung (16) des

Befestigungselements (15) bezüglich des Durchtrittsspalts (13) nach außen ver- setzt ist.

7. Laserschweißeinrichtung, mit einem Laser (2) zum Emittieren eines Laser- Strahls (4) und einem Bewegungssystem (3) für den Laser (2), dadurch gekenn- zeichnet, dass die Laserschweißeinrichtung (1 ) eine Spannvorrichtung (5) nach ei- nem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.

8. Laserschweißeinrichtung nach Anspruch 7, wobei der Laserstrahl (4) eine Wellenlänge zwischen 600 nm und 2.500 nm besitzt.

9. Laserschweißeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Bewegungs- system (3) als Galvanometerscanner ausgebildet ist.

Description:
Spannvorrichtung und zugehörige Laserschweißeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum Spannen von wenigstens zwei durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl entlang einer Schweißkontur verschweiß- baren Formteilen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Derartige, an sich bekannte Spannvorrichtungen werden als Komponenten von Laserschweißeinrichtungen eingesetzt, mit denen Kunststoffe, insbesondere ther- moplastische Kunststoffe, gefügt werden können. Dazu werden zwei Formteile übereinander angeordnet, mit der Spannvorrichtung in Kontakt gebracht und ge- geneinander verspannt. Während des Schweißverfahrens berühren sich die Füge- flächen der beiden Formteile. Mittels eines Laserstrahls werden die Fügeteile im Bereich der Fügeflächen geschmolzen, wodurch sie miteinander verschweißen.

Beim Kunststoffschweißen mit Laserstrahl im Durchstrahlverfahren besteht das obere, einer Laserquelle zugewandte Formteil zumeist aus einem für den Laser- strahl transparenten Material und das untere Formteil aus einem für den Laser- strahl absorbierenden Material. Durch die Bestrahlung mit dem Laser mit einer Wellenlänge im nahen Infrarot schmelzen die aneinandergrenzenden Kontaktflä- chen auf und verbinden sich während der anschließenden Abkühlung unter Druck. Die dabei benutzte Spannvorrichtung hat die Aufgabe, die beiden Fügeteilhälften präzise zu positionieren und einen möglichst gleichmäßigen Fügedruck entlang der herzustellenden Schweißnaht einzuleiten. Dementsprechend kommt der Spannvorrichtung eine große Bedeutung für die Erzeugung einer qualitativ hoch- wertigen Schweißverbindung zu.

Laserschweißeinrichtungen mit einer derartigen Spannvorrichtung benötigen ein Bewegungssystem für den Laser, um den Laserstrahl entlang einer vorgegebenen Schweißkontur zu bewegen. Wenn ein Galvanometerscanner als Bewegungssys- tem eingesetzt wird, kann es zu Einschränkungen kommen, da die vorgegebene Schweißnaht für den durch den Galvanometerscanner abgelenkten Laserstrahl frei zugänglich sein muss. Objekte oder Hindernisse entlang des Laserstrahls wür- den hingegen zu einer Beeinträchtigung der Qualität der herzustellenden

Schweißverbindung führen.

In der WO 2008/125263 A1 wird eine Spannvorrichtung beschrieben, die Folgen- des umfasst: eine erste, als Aufnahme für ein erstes Formteil dienende erste Spannplatte, eine zweite Spannplatte, die zum Beaufschlagen des ersten Form- teils und eines darauf angeordneten zweiten Formteils mit einer Spannkraft ausge- bildet ist, einen äußeren, eine Ausnehmung aufweisenden Spannbacken und ei- nen in der Ausnehmung angeordneten inneren Spannbacken, die beide gemein- sam die zweite Spannplatte bilden, sowie einen abschnittsweise zwischen dem äußeren Spannbacken und dem inneren Spannbacken ausgebildeten Durchtritts- spalt für einen Laserstrahl. Daneben umfasst die Spannvorrichtung ein oder meh- rere den äußeren Spannbacken mit dem inneren Spannbacken abschnittsweise verbindende, den Durchtrittsspalt überbrückende Befestigungselemente.

Diese Befestigungselemente können z. B. als schmale Verbindungsstreben aus- gebildet sein, um den Laserstrahl möglichst wenig abzuschatten. Bei dieser her- kömmlichen Spanntechnik ist ein Innenspannstempel üblicherweise über dünne Metallstege mit einer Außenspanntechnik fest verbunden. Unterhalb der Metall- stege kann keine Laserenergie direkt eingebracht werden, da der Laserstrahl dort durch den Metallsteg abgeschattet ist. Stattdessen wird die Fügezone in dem Be- reich unterhalb der Metallstege nur indirekt durch den Fluss des schmelzflüssigen Materials zu einem gewissen Grad aufgeschmolzen, wodurch eine Schweißverbin- dung der Fügepartner entsteht.

Diese herkömmliche Spannvorrichtung weist allerdings einige Nachteile auf. Da die Stege direkt mit dem Laserstrahl bestrahlt werden, kann es nach einer gewis- sen Betriebsdauer zu einer Schädigung der Stege kommen, so dass die Lebens- dauer der Spannvorrichtung begrenzt ist. Da im Bereich der Stege durch die Ab- schattung eine Strahlabschwächung auftritt, muss diese über die Prozessführung, d.h. durch die Steuerung und Modulation des Laserstrahls, kompliziert kompen- siert werden. Aufgrund des ungleichmäßigen Energieeintrags ist es schwierig, eine absolut dichte Schweißnaht herzustellen, die für bestimmte Anwendungen je- doch zwingend erforderlich ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine Spannvorrichtung anzuge- ben, die die Herstellung einer homogenen und ununterbrochenen Schweißnaht er- möglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Spannvorrichtung mit den Merkmalen des An- spruchs 1 vorgesehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angege- ben.

Die Erfindung beruht auf der Idee, eine Spannvorrichtung vorzusehen, die im Be- reich eines Befestigungselements ein Spiegelelement umfasst, das so angeordnet ist, dass ein Laserstrahl auf einen von dem jeweiligen Befestigungselement ver- deckten Abschnitt der Schweißkontur reflektiert wird. Der Spiegel wird dazu in der Nähe derjenigen Bereiche angeordnet, in denen sich ein Befestigungselement be- findet. Das Befestigungselement würde bei einer herkömmlichen Spannvorrich- tung eine Abschattung eines Abschnitts der herzustellenden Schweißvorrichtung bewirken. Mittels des Spiegels wird der Laserstrahl jedoch so umgelenkt, dass er sich unterbrechungsfrei an die zuvor ohne Umlenkung hergestellte Schweißnaht anschließt. Auf diese Weise kann eine kontinuierliche Schweißnaht erzeugt wer- den. Mittels des Spiegelelements wird der Laserstrahl lediglich im Bereich des Be- festigungselements umgelenkt, so dass der Laserstrahl von dem Spiegelelement reflektiert wird und auf die Kontaktflächen der beiden zu verbindenden Formteile auftrifft. Dort findet durch die Energie des Laserstrahls ein Aufschmelzen der Kunststoffe statt. Das Abkühlen der Fügepartner erfolgt unter der Wirkung des von der Spannvorrichtung aufgebrachten Drucks, wodurch die gewünschte Schweiß- verbindung entsteht. Die erfindungsgemäße Spannvorrichtung weist den Vorteil auf, dass auch im Bereich der Befestigungselemente keine kompliziere Prozess- führung, beispielsweise eine Anpassung der Leistung des Lasers, erforderlich ist. Somit kann der Laserstrahl praktisch ohne eine wesentliche Änderung von Pro- zessparametern entlang der gewünschten Schweißkontur geführt werden.

Eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung sieht vor, dass das Spiegelelement an dem äußeren Spannbacken oder an dem inneren Spannbacken oder an einem Befestigungselement angeordnet ist. Grundsätzlich kommen alle erwähnten Positionen für die Anordnung des Spiegelelements in- frage. Die Auswahl der jeweiligen Positionen erfolgt dabei anhand der Form und Größe des äußeren und des inneren Spannbackens und der Platzverhältnisse.

Bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung wird es besonders bevorzugt, dass das Spiegelelement abnehmbar an einer Halterung angeordnet ist. Der Begriff "Halterung" bezeichnet eine mechanische Befestigung, die das Spiegelelement in irgendeiner Weise haltert. Beispielsweise kann die Befestigung durch eine

Schraubverbindung, eine Klemmverbindung, eine kraftschlüssige und/oder eine formschlüssige Verbindung erfolgen. Das Spiegelelement kann beispielsweise in eine entsprechende Nut eingeschoben und ggf. in der Nut fixiert sein. Eine ab- nehmbare Befestigung des Spiegelelements erleichtert einen späteren Austausch im Falle einer Beschädigung oder wenn eine Änderung der Schweißkontur erfor- derlich ist.

Das Spiegelelement der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung kann eine ebene oder eine gekrümmte Oberfläche aufweisen und/oder aus mehreren Spiegelab- schnitten zusammengesetzt sein. Dadurch ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, um den Laserstrahl von dem Galvanometerscanner mittels des Spiegelelements abzulenken, um eine bestimmte Stelle des Formteils zu bestrahlen.

Das bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung vorgesehene Befestigungsele- ment ist vorzugsweise als Platte ausgebildet und weist eine Durchtrittsöffnung für den Laserstrahl auf. Alternativ kann anstelle einer Durchtrittsöffnung auch eine einseitig offene Platte vorgesehen sein; aus Gründen der Stabilität wird jedoch eine die Durchtrittsöffnung aufweisende Platte bevorzugt.

Die Durchtrittsöffnung kann beispielsweise viereckig, quadratisch, rund oder ellip- tisch ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang kann es vorgesehen sein, dass die Durchtrittsöffnung des Befestigungselements bezüglich des Durchtrittsspalts nach außen versetzt ist. Demnach befindet sich die Durchtrittsöffnung vorzugs- weise außerhalb der herzustellenden Schweißkontur.

Das vorzugsweise als Platte ausgebildete Befestigungselement kann lösbar mit den inneren und den äußeren Spannbacken verbunden sein. Dementsprechend bildet das Befestigungselement eine die beiden Spannbacken überbrückende Ver- bindung.

Daneben betrifft die Erfindung eine Laserschweißeinrichtung, mit einem Laser zum Emittieren eines Laserstrahls und einem Bewegungssystem für den Laser. Die erfindungsgemäße Laserschweißeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Spannvorrichtung der beschriebenen Art aufweist.

Vorzugsweise weist der Laserstrahl der erfindungsgemäßen Laserschweißeinrich- tung eine Wellenlänge zwischen 600 nm und 2.500 nm auf.

Vorzugsweise ist das Bewegungssystem der erfindungsgemäßen Laserschweiß- einrichtung als Galvanometerscanner ausgebildet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug- nahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Dar- stellungen und zeigen:

Fig. 1 die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Laserschweiß- einrichtung, Fig. 2 eine vergrößerte geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Spannvor- richtung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Spannvorrichtung, und

Fig. 4 eine geschnittene Ansicht eines Befestigungselements der erfindungsge- mäßen Spannvorrichtung entlang der Linie IV-IV von Fig. 3.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Laserschweißeinrichtung 1 umfasst einen Laser 2 (Lasersystem) einschließlich einer Steuerung sowie eine Laseroptik ein- schließlich eines als Galvanometerscanner ausgebildeten Bewegungssystems 3. Der Galvanometerscanner ist dazu ausgebildet, den Laserstrahl auf eine be- stimmte Position eines Formteils zu richten. Der Laser 2 umfasst eine Strahlquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls 4 (Bearbeitungsstrahlung), das Bewegungssys- tem 3 dient zur Bewegung des Laserstrahls.

Daneben umfasst die Laserschweißeinrichtung 1 eine Spannvorrichtung 5, die in Fig. 2 in einer vergrößerten Darstellung gezeigt ist. Die Spannvorrichtung 5 um- fasst eine erste, als Aufnahme für ein erstes Formteil 6 dienende erste Spann- platte 7 sowie eine zweite Spannplatte 8, die zum Beaufschlagen des ersten Formteils 6 und eines darauf angeordneten zweiten Formteils 9 mit einer Spann- kraft ausgebildet ist. In Fig. 2 wird die Spannkraft, die die beiden Formteile 6, 9 zu- sammendrückt, durch zwei Pfeile 10 dargestellt. In Fig. 2 erkennt man, dass es sich bei der ersten Spannplatte 7 um die untere Spannplatte handelt, auf der in dieser Reihenfolge das erste Formteil 6 und das zweite Formteil 9 angeordnet sind. Das obere, zweite Formteil 9 wird durch die zweite, obere Spannplatte 8 mit der Spannkraft (Druckkraft) beaufschlagt.

Die zweite Spannplatte 8 wird durch einen äußeren Spannbacken 11 und einen in- neren Spannbacken 12 gebildet. Zwischen dem äußeren Spannbacken 11 und dem inneren Spannbacken 12 ist ein Durchtrittsspalt 13 für den Laserstrahl ge- bildet. In der geschnittenen Ansicht von Fig. 2 sind zwei verschiedene Stellen des Durchtrittsspalts 13 zu sehen.

Fig. 3 zeigt die obere, zweite Spannplatte 8 mit dem äußeren Spannbacken 1 1 , dem inneren Spannbacken 12 und den dazwischen angeordneten Durchtrittsspalt 13. Der äußere Spannbacken 1 1 ist wie ein Rahmen ausgebildet, der den inneren Spannbacken 12 umgibt. In dem Durchtrittsspalt 13 ist durch eine punktierte Linie eine Schweißkontur 14 dargestellt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel be- sitzt die Schweißkontur 14 eine rechteckige Grundform mit abgerundeten Ecken.

Der äußere Spannbacken 1 1 und der innere Spannbacken 12 sind durch mehrere Befestigungselemente 15 miteinander verbunden. Jedes Befestigungselement überbrückt den Durchtrittsspalt 13. Die Befestigungselemente 15 sind plattenför- mig ausgebildet und einerseits mit dem äußeren Spannbacken 1 1 und anderer- seits mit dem inneren Spannbacken 12 verschraubt.

In Fig. 3 erkennt man, dass jedes Befestigungselement 15 an seinen gegenüber- liegenden längeren Seiten näherungsweise halbkreisförmige Ausnehmungen auf- weist.

Fig. 4 ist eine geschnittene Ansicht eines Befestigungselements entlang der Linie IV-IV von Fig. 3. An dem Befestigungselement 15 ist eine Durchtrittsöffnung 16 für den Laserstrahl 4 ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Durchtrittsöff nung 16 rechteckig, bei anderen Ausführungen kann die Durchtrittsöffnung jedoch auch eine andere Form besitzen.

In Fig. 4 ist dargestellt, dass an dem Befestigungselement 15 ein Spiegelelement 17 angeordnet ist, das an einer Außenseite 18 des äußeren Spannbackens 1 1 an- gebracht ist. Das Spiegelelement 17 ist unter einem Winkel, d. h. schräg bezüglich der durch das plattenförmige Befestigungselement 15 gebildeten Ebene, angeord- net. Zwischen dem Spiegelelement 17 und einer Fläche 19 des inneren Spannba- ckens 12 erstreckt sich ein Freiraum 20. Ein von dem Laser 2 emittierter Laser- strahl 4 passiert die Durchtrittsöffnung 16 des plattenförmigen Befestigungsele- ments 15 und trifft auf das Spiegelelement 17 und wird reflektiert. Der Einfallswin- kel des Laserstrahls 4 ist gleich dem Ausfallswinkel. Anschließend passiert der La- serstrahl 4 den Freiraum 20 und trifft auf das zweite Formteil 9 auf. Die Stelle, an der Laserstrahl 4 auf das zweite Formteil 9 auftrifft, befindet sich unterhalb des plattenförmigen Befestigungselements 15, jedoch nicht senkrecht unterhalb der Durchtrittsöffnung 16. Auf diese Weise ist es möglich, durch Umlenken des Laser- strahls 4 mittels des Spiegelelements 17 den Laserstrahl auf solche Stellen zu richten, die ansonsten durch das Befestigungselement 15 verdeckt wären, so dass eine kontinuierliche, ununterbrochene Schweißkontur erzeugt werden kann, ohne dass während des Schweißprozesses eine aufwändige Regelung des Laser- strahls, beispielsweise durch eine Verringerung oder Erhöhung der Strahlungsleis- tung, erforderlich ist.

Bezugszeichenliste

1 Laserschweißeinrichtung

2 Laser

3 Bewegungssystem

4 Laserstrahl

5 Spannvorrichtung

6 erstes Formten

7 erste Spannplatte 8 zweite Spannplatte

9 zweites Formteil

10 Pfeil

11 äußere Spannbacke

12 innere Spannbacke 13 Durchtrittsspalt

14 Schweißkontur

15 Befestigungselement

16 Durchtrittsöffnung

17 Spiegelelement

18 Außenseite

19 Fläche

20 Freiraum