Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen einer Verbindung zwischen einer ersten Fügefläche eines ersten Formteils und einer zweiten Fügefläche eines zweiten Formteils, deren Fügeflächen durch eine Spannvorrichtung miteinander in Kontakt gebracht und verspannt werden, wobei das erste Formteil für eine Primärstrahlung einer ersten Strahlungsquelle zumindest teilweise transparent und für eine Sekundärstrahlung einer zweiten Strahlungsquelle zumindest teilweise absorbierend und das zweite Formteil für die Primärstrahlung zumindest teilweise absorbierend ist. Derartige Schweißverfahren sind im Stand der Technik bekannt und werden insbesondere zum Fügen von Kunststoffen, beispielsweise thermoplastischen Kunststoffen, verwendet. Dabei werden die beiden Formteile übereinander angeordnet und mit einer Spannvorrichtung miteinander in Kontakt gebracht und gegeneinander verspannt, so dass während des Schweißverfahrens die Fügeflächen der bei- den Formteile in Kontakt stehen und verschweißt werden können. Bei einem so genannten„Durchschweißverfahren" oder„Laserdurchschweißverfahren" ist das erste Formteil über dem zweiten Formteil und somit hinsichtlich der Strahlwege näher an der ersten Strahlungsquelle und der zweiten Strahlungsquelle angeordnet. Da das erste Formteil für die Primärstrahlung transparent ist, kann diese das erste Formteil durchdringen, so dass die Primärstrahlung erst im zweiten Formteil absorbiert wird und dieses erwärmt. Als zumindest teilweise transparent bzw. zumindest teilweise absorbierend wird im Rahmen dieser Anmeldung verstanden, dass das entsprechende Formteil für die zugehörige Strahlung zum größten Teil transparent bzw. absorbierend ist. Selbstverständlich ist ein teilweise transparen- tes Material stets zu einem gewissen Grad absorbierend und ein teilweise absorbierendes Material ist auch teilweise transparent. Durch das Absorbieren der Primärstrahlung wird das zweite Formteil erhitzt, so dass sich ein Schmelzzustand im Bereich des zweiten Formteils einstellt. Durch die Erhitzung des zweiten Formteils wird durch Wärmeleitung auch das erste Formteil an dessen Fügefläche erhitzt. Da das Erhitzen des zweiten Formteils in diesem Fall lediglich durch Wärmeleitung erfolgt, sind höhere Prozesszeiten die Folge. Im Stand der Technik wird daher das simultane Bestrahlen des ersten Formteils mit der Sekundärstrahlung einer zweiten Strahlungsquelle vorgeschlagen, um das erste Formteil ebenfalls unabhängig von der Primärstrahlung, also der Erhitzung des zweiten Formteils zu erhitzen.

Aus der Druckschrift EP 1 575 756 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Konturschweißen dreidimensionaler Formteile bekannt. Dort wird das erste Formteil mit einer elektromagnetischen Sekundärstrahlung simultan zu dem Bestrahlen des zweiten Formteils durch die Primärstrahlung bestrahlt, so dass das Tempera- turfeld in der Schweißzone homogenisiert wird. Mithin wird erreicht, dass das Erhitzen des ersten Formteils nicht allein durch die Wärmeleitung von dem zweiten Formteil erfolgt, sondern die Sekundärstrahlung wird hauptsächlich im ersten Formteil absorbiert, so dass diese eine Erhitzung des ersten Formteils bewirkt. Bei dem bekannten Schweißverfahren dringt jedoch stets Sekundärstrahlung durch das erste Formteil hindurch und wird erst im zweiten Formteil absorbiert. Dabei handelt es sich zumeist um einen erheblichen Anteil der eingestrahlten Sekundärstrahlung, so dass bei der simultanen Bestrahlung die Energie der beiden Strahlungsquellen reduziert werden muss, um ein Überhitzen des zweiten Form- teils zu verhindern. Durch die Reduzierung der Energie der beiden Strahlungsquellen resultiert eine Verlängerung der gesamten Prozessdauer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde ein Schweißverfahren anzugeben, bei dem die Prozessdauer verkürzt ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das zweite Formteil mit der Primärstrahlung und das erste Formteil mit der Sekundärstrahlung sequentiell bestrahlt werden. Erfindungsgemäß wird vorteilhafter Weise erreicht, dass jede Strahlungsquelle mit ihrer maximal möglichen Energie eingesetzt werden kann und diese in das erste bzw. das zweite Formteil einstrahlen kann, so dass die Prozessdauer gegenüber den bekannten Schweißverfahren reduziert werden kann. Insbesondere ist dafür das sequentielle Bestrahlen durch die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung des ersten und zweiten Formteils essentiell. Somit kann verhindert werden, dass das Erhitzen des zweiten Formteils lediglich durch Wärmeleitung von dem ersten Formteil bzw. durch Bestrahlung des ersten Formteils durch die Primärstrahlung erfolgt. Ferner wird vermieden, dass die eingestrahlte Sekundärstrahlung, die das erste Formteil erhitzt, zu einer Überhitzung des zweiten Formteils führt. Durch die sequentielle, wechselnde Bestrahlung ist es möglich das erste Formteil und das zweite Formteil gezielter zu erwärmen, so dass eine Bestrahlung mit der maximalen Energie jeder Strahlungsquelle erfolgen kann und das Schweißverfahren somit besonders effizient durchgeführt werden kann. Der in dieser Anmeldung verwendete Begriff "sequentiell" ist so zu verstehen, dass die Bestrahlungsvorgänge mit der Primärstrahlung bzw. der Sekundärstrahlung zeitlich nacheinander und somit abwechselnd erfolgen. Der Begriff ist indes nicht im Sinne von "fortlaufend" zu verstehen. Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorsehen, dass ein erster Fokus der Primärstrahlung auf der zweiten Fügefläche und ein zweiter Fokus der Sekundärstrahlung innerhalb des Volumens des ersten Formteils liegt. Demnach kann die Primärstrahlung bevorzugt auf die zweite Fügefläche fokussiert werden, so dass die Energie der Primärstrahlung im Wesentli- chen auf der zweiten Fügefläche, also der Fläche des zweiten Formteils, die der ersten Fügefläche, also der unteren Fläche des ersten Formteils, zugewandt ist, deponiert wird. Die Sekundärstrahlung wird bevorzugt innerhalb des Volumens des ersten Formteils fokussiert, so dass eine großflächige Erwärmung des ersten Formteils erfolgt.

Besonders bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Primärstrah- lung eine monochromatische und als Sekundärstrahlung eine polychromatische Strahlung verwendet. Die erste Strahlungsquelle, die die Primärstrahlung abstrahlt, kann sonach bevorzugt als Laser ausgebildet sein. Die Sekundärstrahlung kann beispielsweise als breitbandige Strahlungsquelle ausgebildet sein, beispielsweise als Halogen-Lampe. Die Sekundärstrahlung der breitbandigen Strah- lungsquelle wird dabei bevorzugt im ersten Formteil absorbiert, wobei die monochromatische Primärstrahlung in einer oberflächennahen Schicht des zweiten Formteils absorbiert wird. Durch das sequentielle Bestrahlen mit der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung können sonach sowohl das erste Formteil, also das zweite Formteil erhitzt werden, so dass sich ein Temperaturgradient weniger stark ausbildet als bei herkömmlichen Verfahren, beispielsweise dem herkömmlichen Laserdurchstrahlschweißen, bei dem die Energie des Primärstrahls im zweiten Formteil deponiert wird und das Erhitzen des ersten Formteils lediglich durch Wärmeleitung erfolgt. Dabei bildet sich ein großer Temperaturgradient zwischen dem ersten Formteil und dem zweiten Formteil aus, was sich zum einen in einer höheren Prozesszeit niederschlägt und dazu führen kann, dass im zweiten Formteil die Zersetzungstemperatur des Materials des zweiten Formteils überschritten werden kann.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner darin beste- hen, dass als Primärstrahlung oder als Primärstrahlung und als Sekundärstrahlung Laserstrahlung verwendet wird. Besonders bevorzugt ist dabei, dass sowohl als Primärstrahlung als auch als Sekundärstrahlung Laserstrahlung verwendet wird. Demnach können die erste und die zweite Strahlungsquelle Laser sein, die sich beispielsweise hinsichtlich ihrer Wellenlängen unterscheiden. Ebenso ist es mög- lieh als Sekundärstrahlung eine breitbandige Strahlungsquelle und als Primärstrahlung einen Laser zu verwenden. Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die Wellenlänge der Primärstrahlung und/oder die Wellenlänge der Sekundärstrahlung in einem ersten Intervall von 500 bis 1 100 nm oder in einem zweiten Intervall von 900 bis 2400 nm liegt. Selbstverständlich kann die Wellenlänge der beiden Strahlungsquellen, die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, beliebig auf einen konkreten Anwendungsfall, insbesondere auf Materialeigenschaften der beiden Formteile, abgestimmt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner dahingehend weitergebildet wer- den, dass eine Steuerungseinrichtung die Primärstrahlung in Abhängigkeit eines ersten Parameters einschaltet und ausschaltet und die Sekundärstrahlung in Abhängigkeit eines zweiten Parameters einschaltet und ausschaltet. Demnach bestimmt ein erster Parameter, wann die Primärstrahlung eingeschaltet und ausgeschaltet wird und der zweite Parameter bestimmt bzw. legt fest, wann die Sekun- därstrahlung eingeschaltet und ausgeschaltet wird. Sonach kann mittels des ersten und des zweiten Parameters geregelt werden, wie die Sequenz, in der die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung abwechselnd eingeschaltet und ausgeschaltet sind, abläuft. Als sequentielles Einschalten und Ausschalten wird im Rahmen dieser Anmeldung verstanden, dass entweder die Primärstrahlung oder die Sekundärstrahlung eingeschaltet ist und die jeweils andere Strahlung ausgeschaltet ist. Eine Sequenz der Bestrahlung besteht damit aus einem Intervall, in dem die Primärstrahlung eingeschaltet und die Sekundärstrahlung ausgeschaltet ist, an das sich ein Intervall anschließt, in dem die Primärstrahlung ausgeschaltet und die Sekundärstrahlung eingeschaltet ist, oder umgekehrt.

Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die Primärstrahlung und die Sekundärstrahlung in wenigstens zwei Sequenzen im Wechsel eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Selbstverständlich ist es möglich, beliebig viele Sequenzen hintereinander auszuführen, so dass der Wechsel der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung bzw. deren Ein- und Ausschaltzeiten beliebig ange- passt werden können. Insbesondere kann die Ein- und Ausschaltzeit der Primärstrahlung von der der Sekundärstrahlung abweichen. Ferner kann die Ein- und Ausschaltzeit der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung in jeder der aufeinander folgenden Sequenzen unterschiedlich lang ausgeprägt sein. Ferner können weitere Parameter, wie beispielsweise die Intensität der Primärstrahlung und/oder der Sekundärstrahlung, die Schreibgeschwindigkeit der Primärstrahlung und/oder der Sekundärstrahlung beliebig für jede Ein- und Ausschaltzeit festgelegt werden. Es können sonach mehrere Sequenzen hintereinander ausgeführt werden, bei denen sich die genannten Parameter zum einen zwischen der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung unterscheiden und zum anderen können die Parameter von Sequenz zu Sequenz variieren.

Gemäß dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner bevorzugt vorgesehen sein, dass der erste Parameter und/oder der zweite Parameter und/oder eine Schreibgeschwindigkeit der Primärstrahlung und/oder der Sekundärstrahlung und/oder eine Intensität der Primärstrahlung und/oder der Sekun- därstrahlung derart festgelegt wird oder werden, dass der Energieeintrag durch die Bestrahlung im ersten und im zweiten Formteil größer ist als der Energieaustrag durch Wärmeleitung. Es kann sonach vorteilhafterweise geregelt werden, dass mehr Energie durch die Bestrahlung in dem ersten Formteil und zweiten Formteil deponiert wird als durch die Wärmeleitung verloren geht bzw. abgeführt wird. Als Schreibgeschwindigkeit wird dabei die Bewegungsgeschwindigkeit der Strahlung bzw. die Bewegungsgeschwindigkeit des Fokus der Strahlung entlang der zu verschweißenden Kontur verstanden. Eine hohe Schreibgeschwindigkeit bedeutet somit, dass die Strahlung sich schneller über die zu verschweißende Kontur bewegt, bzw. der Strahl schnell über die zu verschweißende Kontur geführt wird. Bei einer niedrigeren Schreibgeschwindigkeit verweilt die Strahlung bzw. deren Fokus länger auf einem Abschnitt der Kontur als bei einer höheren Schreibgeschwindigkeit.

Besonders bevorzugt ist in dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah- rens vorgesehen, dass ein Minimalwert des Energieeintrags im ersten und/oder im zweiten Formteil derart festgelegt wird, dass ein Schmelzzustand der ersten und/oder der zweiten Fügefläche aufrechterhalten wird. Somit wird gewährleistet, dass der Energieeintrag minimal derart gewählt wird, dass ein erreichter Schmelzzustand aufrechterhalten wird, und ein Verschweißen der beiden Formteile somit ermöglicht wird. Selbstverständlich wird dieser Minimalwert nach Beenden des Schweißvorgangs unterschritten, so dass die geschmolzenen Fügeflächen der beiden Formteile abkühlen und sich somit verbinden können. Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass das erste und/oder das zweite Formteil derart beweglich gelagert ist bzw. sind, dass sich die Ausdehnungen bzw. Abmessungen der beiden Formteile während des Schmelzzustands durch Verschmelzen um eine definierte Längendifferenz ändern. Dazu ist die Spannvorrichtung bevorzugt derart gelagert bzw. ausgebildet, dass eine Formänderung der beiden Formteile unter der Wirkung der Spannkraft ermöglicht wird. Die sich dadurch ergebende Längenänderung kann sonach zur Regelung des Prozesses verwendet werden. Sonach kann der Schmelzzustand weggesteuert aufrechterhalten werden, so dass nach Erreichen einer bestimmten Länge und/oder Längenänderung bzw. dem Zurückle- gen eines bestimmten Weges die Strahlung abgestellt wird, so dass die beiden Formteile miteinander verschmelzen. Alternativ kann der Prozess zeitgesteuert ausgeführt werden, so dass die Strahlung nach dem Ablauf einer bestimmten Zeit ausgeschaltet wird. Bei beiden Varianten kann entsprechend eine Zeitauswertung bzw. eine Wegauswertung erfolgen. Die sich durch den Schmelzvorgang erge- bende Formänderung dient sonach bevorzugt als Steuerparameter für das erfindungsgemäße Verfahren.

Daneben kann besonders bevorzugt ein Maximalwert des Energieeintrags festgelegt werden, derart, dass eine Zersetzungstemperatur des ersten und/oder des zweiten Formteils nicht erreicht wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Energie, die durch die Bestrahlung des ersten und des zweiten Formteils in das Material eingebracht wird, nicht dazu führt, dass das erste und das zweite Formteil durch Überschreiten ihrer Zersetzungstemperatur beschädigt werden. Insbesondere durch das erfindungsgemäß vorgesehene sequentielle Bestrahlen des ersten und des zweiten Formteils mit der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung im Wechsel wird dabei erreicht, dass das erste Formteil durch die Sekundärstrahlung erhitzt wird, so dass die Erhitzung nicht ausschließlich über Wärmeleitung erfolgt und somit ein Erhitzen des zweiten Formteils über die Zersetzungstemperatur ausgeschlossen werden kann.

Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass als Bewegungssystem ein Galvanometerscanner verwendet wird. Durch einen mittels eines Galvanometers bewegten Spiegel können somit hohe Schreibgeschwindigkeiten erreicht werden, so dass die Primärstrahlung besonders zügig über die zu verschweißende Kontur geführt werden kann. Daneben betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Schweißen einer Verbindung zwischen einer ersten Fügefläche eines ersten Formteils und einer zweiten Fügefläche eines zweiten Formteils, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen: eine erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 2 ein Detail der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Fig. 1 ;

Fig. 3 eine Schweißkontur an einer Fügefläche eines Formteils; und Fig. 4 ein Energie-/Zeit-Diagramm.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Schweißen einer Verbindung zwischen einem ersten Formteil 2 und einem zweiten Formteil 3. Beide Formteile 2, 3 sind thermoplastische Kunststoffe. Die Vorrichtung 1 weist eine Spannvorrichtung 4 auf, die dazu ausgebildet ist, die beiden Formteile 2, 3 miteinander in Anlage zu bringen und zu verspannen. Das Verspannen ist durch die Pfeile 5, 6 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist ferner zwei Strahlungsquellen 7, 8 auf, die in einem gemeinsamen Gehäuse 9 angeordnet sind. Die erste Strahlungsquelle 7 emittiert dabei eine Primärstrahlung 10 und die zweite Strahlungsquelle 8 emittiert eine Sekundärstrahlung 1 1 (vgl. Fig. 2). In diesem Ausführungsbeispiel sind die Strahlungsquellen 7, 8 als einzelne Strahlungsquellen ausgebildet, die mit je einem Laser bestückt sind, die in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittieren. Die beiden Strahlungsquellen 7, 8 sind hinsichtlich ihrer Emission und Intensität getrennt voneinander ansteuerbar. Ferner ist ein Bewegungssystem 12, in diesem Fall ein Galvanometerscanner, ge- zeigt, in das die Strahlung der beiden Strahlungsquellen 7, 8 geführt wird.

Das erste Formteil 2 ist für die Primärstrahlung 10 transparent, so dass diese das erste Formteil 2 durchstrahlen und im zweiten Formteil 3 absorbiert werden kann. Das zweite Formteil 3 absorbiert die Primärstrahlung 10 dabei in einer oberflä- chennahen Schicht. Die Sekundärstrahlung 1 1 wird vom ersten Formteil 2 absorbiert, so dass das erste Formteil 2 durch das Bestrahlen mit der Sekundärstrahlung 1 1 erhitzt werden kann. Das erste Formteil 2 und das zweite Formteil 3 können bei entsprechender Steuerung der Strahlungsquellen 7, 8 sequentiell mit der Primärstrahlung 10 und der Sekundärstrahlung 1 1 bestrahlt werden. Demnach werden die beiden Formteile 2, 3 zeitlich nacheinander und somit abwechselnd mit der Primärstrahlung 10 und der Sekundärstrahlung 1 1 bestrahlt.

Fig. 2 zeigt ein Detail der Vorrichtung 1 von Fig. 1 . Ersichtlich wird die Sekundärstrahlung 1 1 im ersten Formteil 2, insbesondere in dessen Volumen deponiert. Ein Fokus 13 der Sekundärstrahlung 1 1 liegt daher im Volumen des ersten Formteils

2. Die Primärstrahlung 10 weist einen Fokus 14 auf, der in einer oberflächennahen Schicht im zweiten Formteil 3 liegt, so dass die Fügefläche des zweiten Formteils

3, die dem ersten Formteils 2 zugewandt ist, gezielt erhitzt wird. Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Bearbeitungskontur des ersten Formteils 2 und des zweiten Formteils 3 von oben, also von dem Bewegungssystem 12 aus gesehen. Die Primärstrahlung 10 und die Sekundärstrahlung 1 1 werden mit hohen Schreib- geschwind ig keiten entlang einer gezeigten Kontur 15 geführt und im frei wählbaren zeitlichen Wechsel mit frei wählbaren Intensitäten eingeschaltet. Dadurch erfolgt eine gezielte und zügige Erhitzung der beiden Formteile 2, 3 an ihren Fügeflächen.

Fig. 4 zeigt ein Energie-/Zeit-Diagramm für einen beispielhaften Schweißvorgang. Dabei ist die Zeit auf der Abszisse und die Energie der jeweiligen Strahlungsquelle 7, 8 bzw. der Primärstrahlung 10 und der Sekundärstrahlung 1 1 auf der Ordinate aufgetragen. Die Energie der Primärstrahlung 10 ist in einem ersten Intervall mit Bezugszeichen 16 und die Energie der Sekundärstrahlung 1 1 ist in einem zweiten Intervall mit Bezugszeichen 17 versehen. Ersichtlich werden die beiden Formteile 2, 3 sequentiell durch die Primärstrahlung 10 und die Sekundärstrahlung 1 1 bestrahlt. Zu Beginn des Schweißvorgangs ist zunächst die Primärstrahlung 10 eingeschaltet, was durch den Energiewert 16 dargestellt ist. Die Sekundärstrahlung 1 1 ist dabei ausgeschaltet. Zu einem Zeitpunkt 18 wird die Primärstrahlung 10 ausgeschaltet und die Sekundärstrahlung 1 1 eingeschaltet, was durch den Energiewert 17 der Sekundärstrahlung 1 1 im Diagramm anzeigt wird. Zu einem Zeitpunkt 19 wird die Sekundärstrahlung 1 1 ausgeschaltet und die Primärstrahlung 10 wird wieder eingeschaltet, jedoch mit einer höheren Intensität, was zu einem er- höhten Energiewert 20 der Primärstrahlung 10 gegenüber dem Energiewert 16 führt. Zu einem Zeitpunkt 21 wird anschließend die Primärstrahlung 10 wieder ausgeschaltet und die Sekundärstrahlung 1 1 wieder eingeschaltet, jedoch mit einer niedrigeren Intensität als zwischen den Zeitpunkten 18 und 19, so dass sich ein gegenüber dem Energiewert 17 geringerer Energiewert 22 einstellt. Zu einem Zeitpunkt 23 wird die Sekundärstrahlung 1 1 ausgeschaltet, so dass sich die Fügeflächen der beiden Formteile 2, 3 abkühlen und miteinander verbinden können.

Durch das wechselseitige (abwechselnde) Einschalten und Ausschalten der Primärstrahlung 10 und der Sekundärstrahlung 1 1 können diese mit im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren höheren Energien betrieben werden, da die Energie der beiden Strahlungsquellen 7, 8, also der Primärstrahlung 10 oder Sekundärstrahlung 1 1 jeweils gezielt in einem der beiden Formteile 2, 3 deponiert werden kann. Somit wird vermieden, dass durch die Primärstrahlung 10 und die Sekundärstrahlung 1 1 gleichzeitig zu viel Energie in das zweite Formteil 3 eingebracht wird, und dies somit beschädigt werden kann.