Laserdurchstrahlschweißen transparenter Thermoplaste. Inbetriebnahme, Charakterisierung und Erweiterung eines Versuchsstands (PDF)

Das Projekt TRANSPAWELD hat zum Ziel, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem transparente Kunststoffe ohne Zusatz von Absorbern verschweißt werden können. Es beruht auf der Verwendung kurzbrennweitiger Fokussierung. Dadurch wird erst in der Fügeebene eine Leistungsdichte erreicht, die ausreicht, den Kunststoff aufzuschmelzen und eine Schweißnaht zu bilden. Außerhalb des Fokus nimmt die Leistungsdichte dagegen so schnell ab, dass es nicht zu einer Schmelzebildung kommt. In den Strahlengang integriert ist eine konvektive Luftdruckkühlung, die das Durchtreten der Kunststoffschmelze bis an die Werkstückoberfläche verhindern, die Wärmeeinflusszone verkleinern und zusätzlichen Spanndruck auf die Fügepartner ausüben soll. In bereits durchgeführten Arbeiten konnte gezeigt werden, dass es mit diesem Verfahren möglich ist Schweißnähte herzustellen, die den Qualitätsanforderungen genügen. Aufbauend darauf wurde ein Versuchsstand konstruiert und gefertigt, auf dem weitere experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden sollen. Ziel dieser Arbeit ist es, diesen Versuchsstand in Betrieb zu nehmen, die erzeugbare Strahlkaustik zu charakterisieren und das Konzept der konvektiven Kühlung zu optimieren. Die Charakterisierung der Laserstrahlung umfasst Kaustik- und Leistungsmessungen und geschieht in Abhängigkeit der Parameter, durch die die Form des Laserstrahls verändert werden kann. Es sind dies das Aufweitungsverhältnis des kollimierten Strahls und die Brennweite der Fokussierlinse. In den Kaustikmessungen wird untersucht, welche Fokusdurchmesser und Divergenzwinkel mit dem Versuchsstand realisierbar sind. Daraus werden anschließend Intensitätsverteilungen ermittelt, mit denen analysiert werden kann, mit welchen Parametereinstellungen eine Schweißaufgabe durchgeführt werden kann. Für die konvektive Druckluftkühlung werden vier verschiedene Düsenkonzepte entwickelt. Anschließend werden Messungen durchgeführt, um die Kühl- und Kraftwirkung der einzelnen Düsen zu evaluieren. Dabei wird auch untersucht, welchen Einfluss der Düsenspeisedruck und der Abstand der Düse zur Werkstückoberfläche auf die Kühl- und Kraftwirkung hat.
Basierend auf diesen Ergebnissen wird schließlich eine Entscheidung getroffen, welche Düse und welche Prozessparameter bei Schweißungen verwendet werden sollten, um den Anforderungen an die konvektive Kühlung bestmöglich zu genügen.