Laserschweißen Qualität der Schweißnaht verbessern

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Das Prinzip des Laserkunststoffschweißens ist abhängig von der Wärmeleitung zwischen den Fügepartnern. Temperaturgefälle im Schweißbereich können zu Eigenspannungen führen. Evosys hat nun eine Verfahrensvariante entwickelt, um das Fügeergebnis zu verbessern.

Das Laserkunststoffschweißen ist ein etablierter Prozess, Kunststoffe zu fügen. Am häufigsten wird das sogenannte Laserdurchstrahlschweißen verwendet. Dabei werden zwei Fügepartner in überlappender Anordnung verschweißt. Der obere Fügepartner ist dabei lasertransparent, so dass der Laserstrahl durch dieses Teil hindurchgeht und an der Kontaktstelle in der unteren, absorbierenden Komponente in Wärme umgewandelt wird und diese somit direkt erwärmt. Beide Teile plastifizieren an der Kontaktstelle, wodurch eine stoffschlüssige Verbindung entsteht.

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Üblicherweise wird für dieses Verfahren ein Diodenlaser mit einer Wellenlänge von etwa 800 nm bis 1000 nm verwendet. Die meisten technischen Kunststoffe weisen in diesem Wellenlängenbereich eine relativ hohe Transmission auf, weshalb die meisten ungefärbten Materialien als transparente Fügepartner verwendet werden können. Durch den Einsatz von Additiven, wie beispielsweise Ruß, können die laserabsorbierenden Eigenschaften für den unteren Fügepartner angepasst werden. Da das Verfahren von der Wärmeleitung zwischen den Komponenten abhängig ist, kann es zu Schwierigkeiten kommen. Dadurch, dass hauptsächlich der untere Fügepartner erwärmt wird, entsteht zwischen beiden Fügepartnern ein Temperaturgefälle. Bei einigen Werkstoffen kann es dadurch zu Einschränkungen des Prozessfensters und Verminderung der Schweißnahtqualität kommen.

Selektive Energieeinbringung in beide Fügepartner

Evosys hat einen alternativen Lösungsansatz für das Fügen von Polymeren entwickelt, das so genannte Advanced Quasi-Simultaneous Welding (AQW). Bei dieser Verfahrensvariante wird die primäre Strahlquelle, ein Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 980 nm, durch eine sekundäre Laserquelle, einem Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1940 nm, ergänzt. Bei der Wellenlänge der Sekundärquelle weisen die meisten technischen Kunststoffe eine relativ geringe Transmission auf, so dass damit das obere Fügeteil direkt erwärmt werden kann. Beide Laserquellen werden zeitlich abwechselnd eingeschaltet. Dabei wird die Länge und Variation der Pulse an das zu schweißende Material angepasst. Im Gegensatz zur gleichzeitigen Bestrahlung der Kunststoffe mit beiden Strahlquellen ermöglicht diese Methode eine selektive Energieeinbringung in beide Fügepartner. Die eingesetzten Wellenlängen können hierbei gezielt ausgewählt werden. Der Prozess lässt sich damit besser kontrollieren und ist effizienter.

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Das Advanced Quasi-Simultaneous Welding lässt sich in Anlagen mit einem galvanometrischen Scanner integrieren. Um die Auslenkung mit einem Galvanometerscanner zu ermöglichen, werden beide Wellenlängen in einem gemeinsamen Laserbearbeitungskopf gekoppelt. Dazu werden beide Laserstrahlen zunächst separat fokussiert, wobei mit Hilfe von speziell entwickelten Strahlaufweitern die Strahldurchmesser der Laser unabhängig voneinander auf das zu schweißende Produkt angepasst werden können.

Schweißnaht wird mehrfach mit hoher Vorschubgeschwindigkeit abgefahren

Anschließend werden die Laserstrahlen kombiniert, exakt ausgerichtet und gemeinsam ausgelenkt. Dies ermöglicht das Arbeiten mit quasi-simultanen Schweißprozessen, bei denen die Schweißnaht nicht nur einmal, wie beim Konturschweißen, sondern mehrfach mit hoher Vorschubgeschwindigkeit abgefahren wird. Da das Quasi-Simultan-Schweißen den Standard für viele Anwendungen darstellt, ermöglicht dieser Laserbearbeitungskopf für zwei Wellenlängen viele Anwendungsfelder.

Um den Nutzen des neuen AQW-Verfahrens zu untersuchen, haben Experten bei Evosys verschiedene Tests mit Polycarbonat durchgeführt. Untersucht wurden Schweißzeit und Zugfestigkeit, wobei letztere ein Indikator für die Qualität der Schweißnaht ist. Zusätzlich fertigten sie Querschliffe durch die Schweißnaht an, um die Größe der Schweißlinse im lasertransparenten Teil zu bewerten.

AQW-Verfahren führt zu einer Vergrößerung der Schweißlinse

Es wurden zunächst Tests mit den herkömmlichen Prozessen durchgeführt, um die obere Prozessgrenze zu ermitteln. Anschließend wurden die beiden Laser mit ansonsten gleichen Parametern im neuen AQW-Prozess abgewechselt, um beide Fügepartner gezielt zu erwärmen. Die Ergebnisse zeigen, dass durch das abwechselnde Schalten der Laser und damit das gezielte Einbringen von Energie in beide Fügepartner die Schweißzeit um etwa zehn Prozent verkürzt wird, ohne dass die Schweißnaht thermisch geschädigt wird. Auch bei der Untersuchung der Zugfestigkeiten als Indikator für die Schweißnahtqualität führt das neue Verfahren zu einer Verbesserung gegenüber den herkömmlichen Verfahren.

Betrachtet man nun zusätzlich die Höhe der Schweißlinse im transparenten Bauteil, so wird sichtbar, dass das AQW-Verfahren zu einer Vergrößerung der Schweißlinse im lasertransparenten Fügepartner führt. Zurückzuführen ist dieser Effekt auf die direkte Erwärmung beider Fügepartner. Damit erhöht sich auch das plastifizierte Material im lasertransparenten Teil.

Durch die gezielte Auswahl der eingesetzten Wellenlängen und ausgereifte Systemtechnik ist es möglich, beide Fügepartner direkt und kontrolliert zu erwärmen, was zu einem effizienteren Prozess mit verbesserter Schweißnahtqualität führt. Der größere Anteil an plastifiziertem und aufgeschmolzenem Material im lasertransparenten Teil erhöht die Festigkeit und Qualität der Schweißnaht.  (jup)

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