Laserdurchstrahlschweißen

Laserdurchstrahlschweißen

Wichtigste Erkenntnisse

• Ein Teil transmittiert, das andere absorbiert. Der Strahl durchdringt das obere Bauteil und gibt seine Energie an der Grenzfläche ab.
• Wärme entsteht nur dort, wo sie gewünscht ist, sodass der Prozess weder Vibration noch Partikel erzeugt.
• Ist die Absorption ausreichend, entscheidet die Passung über die Schweißqualität – ein Spalt lässt sich nicht mit mehr Leistung schließen.
• Ruß ist der traditionelle Absorber, weshalb so viele lasergeschweißte Baugruppen dunkel sind.

Laserdurchstrahlschweißen

Das Laserdurchstrahlschweißen ist ein Fügeverfahren, bei dem ein Nahinfrarot-Strahl ein transmittierendes oberes Bauteil durchdringt und an der Oberfläche eines unteren Bauteils absorbiert wird. Dadurch entsteht die Wärme exakt an der Fügegrenzfläche, sodass beide Flächen unter Spanndruck aufschmelzen und verschmelzen. Es ist die vorherrschende Laserschweißkonfiguration für Thermoplaste und der Grund, warum das Verfahren bei Werkstoffen überhaupt möglich ist, die durch Oberflächenerwärmung sonst geschädigt würden.

Der Vorteil der Anordnung liegt darin, dass die Energie im Inneren der Baugruppe statt an ihrer Außenseite eingebracht wird. Nichts an der sichtbaren Oberfläche wird nennenswert erwärmt, sodass Sichtflächen unversehrt bleiben, und es wird überhaupt keine mechanische Energie in die Baugruppe eingeleitet – weshalb sich das Verfahren für Gehäuse mit Elektronik, Sensoren oder Fluidpfaden eignet, die Ultraschall- oder Vibrationsschweißen stören würde.

Was jede Fügehälfte leisten muss

Beide Teile sollten in der Regel aus demselben Polymer bestehen oder aus Polymeren mit nachgewiesener Verträglichkeit. Unterschiedliche Werkstoffe mit verschiedenen Schmelztemperaturen und Viskositäten ergeben unabhängig von der optischen Anordnung selten eine einwandfreie Schweißnaht.

Nahtgestaltung und Passung

Ist die Absorption ausreichend, ist die Schweißqualität eine mechanische Frage. Hier entscheidet sich, ob die meisten Programme gelingen oder scheitern:

• Enger Kontakt ist zwingend. Die Schmelze muss die Grenzfläche überbrücken, und ein Spalt gibt ihr nichts, woran sie sich anschließen kann. Energie über einen Spalt hinweg zuzuführen, verbrennt Material, statt zu schweißen.
• Die Spalttoleranz ist enger als beim Ultraschall- oder Vibrationsschweißen. Verzug und Formtoleranz müssen speziell an der Fügenaht kontrolliert werden, nicht nur an den Gesamtabmessungen des Teils.
• Konstruieren Sie eine Zentrierverbindung. Eine Stufe, Nut-Feder- oder Scherverbindung positioniert die Teile und konzentriert die Schmelze dort, wo sie gewünscht ist, statt darauf zu vertrauen, dass ebene Flächen perfekt aufeinandertreffen.
• Die Spannkraft muss entlang der Schweißbahn gleichmäßig sein. Ungleichmäßiger Druck erzeugt eine Naht, die an manchen Stellen fest ist und an anderen fehlt.
• Das Spannwerkzeug liegt im Strahlengang. Druckplatten aus Glas oder Acryl müssen sauber und unverkratzt bleiben, weil ihr Zustand die eingebrachte Energie unmittelbar verändert.
• Halten Sie die Schweißbahn von Anschnitten und Bindenähten im transmittierenden Teil fern, die den Strahl lokal streuen und eine reproduzierbare Schwachstelle erzeugen.

Schweißstrategien

Diagnose von Schweißfehlern

Verwandte Begriffe und weiterführende Informationen

• Laser-Kunststoffschweißen
• Laseradditive mit Doppelfunktion
• Laserschweißen von Kunststoffen
• Rußauswahl für das Laserdurchstrahlschweißen

Anwendung in der Produktion

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Häufig gestellte Fragen

Warum muss ein Teil transmittieren und das andere absorbieren?

Damit die Wärme an der Fügegrenzfläche entsteht und nicht an der Außenseite der Baugruppe. Der Strahl durchdringt das obere Bauteil, ohne nennenswert Energie abzugeben, wird an der Oberfläche des unteren absorbiert, und die entstehende Wärme schmilzt beide Flächen unter Spanndruck zusammen. Dadurch überstehen Sichtflächen und innenliegende Komponenten einen Prozess, der nur wenige Millimeter entfernt schweißt.

Transmittiert ein klares Teil den Strahl zwangsläufig gut?

Nein, und diese Annahme verursacht viel unnötigen Entwicklungsaufwand. Sichtbare Klarheit und Nahinfrarot-Transmission sind verschiedene Eigenschaften: Ein Teil kann wasserklar aussehen und bei 1064 nm dennoch abschwächen, und ein teilkristallines Polymer streut den Strahl an seinen kristallinen Bereichen, unabhängig davon, wie es aussieht. Messen Sie die Transmission bei der Arbeitswellenlänge, statt nach Augenschein zu urteilen.

Warum ist die Naht schwach, obwohl die Absorberkonzentration stimmt?

Meist wegen der Passung. Die Flächen müssen unter Spanndruck in engem Kontakt stehen, weil die Schmelze die Grenzfläche überbrücken muss; wo ein Spalt besteht, verbrennt zusätzliche Energie das Material, statt ihn zu schließen. Das Laserschweißen toleriert Spalte schlechter als Ultraschall- oder Vibrationsschweißen, sodass Fügetoleranz und Verzug speziell an der Naht kontrolliert werden müssen.

Muss eine lasergeschweißte Baugruppe schwarz sein?

Nicht mehr. Ruß ist der traditionelle Absorber und weiterhin der günstigste, weshalb so viele lasergeschweißte Baugruppen dunkel sind; Additive mit Doppelfunktion und Nahinfrarot absorbierende Additive bieten inzwischen jedoch Absorption, ohne optisch schwarz zu sein. Das ermöglicht helle, farbige und in manchen Systemen nahezu klare geschweißte Baugruppen – bei höheren Additivkosten.

Welche Schweißstrategie sollte gewählt werden?

Das Konturschweißen eignet sich für große oder komplexe Bahnen bei moderaten Werkzeugkosten; das Quasi-Simultanschweißen (Scannen) schmilzt die gesamte Naht gemeinsam auf, was ein Nachsetzen der Teile erlaubt und kleine Spalte besser toleriert – die übliche Wahl für hermetische Dichtungen; das Simultanschweißen liefert die kürzeste Zykluszeit für hohe Stückzahlen bei fester Geometrie, aber die höchsten Werkzeugkosten. Über die Wahl entscheiden normalerweise Spalttoleranz und Stückzahl.

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