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Pyrometergeregeltes Laserschweissen transparenter Kunststoffe

Johannes Eckstädta , Alexander Frankea

aLEISTER Technologies AG, Galileostrasse 10, 6056 Kaegiswil, Switzerland

 

1. Motivation

 

Das Laserdurchstrahlschweissen ist eine bewährte Technik für Applikationen in verschiedenen Industrien und Märkten. Dabei wird ein für die Laserstrahlung transparenter Kunststoff mit einem absorbierenden Kunststoff verschweisst.

 

Die Vorteile des berührungslosen Energieeintrages liegen in höchster Präzision bei geringer thermischer und mechanischer Belastung der Komponenten [1-3].

 

Insbesondere in der Medizintechnik hat das Schweissen von ausschliesslich transparenten Kunststoffen in den letzten Jahren deutlich an Bedeutung gewonnen. Beim Schweissen im Wellenlängenbereich von 1 µm sind dazu allerdings Infrarotabsorber erforderlich (z. B. Clearweld der Gentex Technology Corp.) [4-5]. Dieser Zusatzstoff ist kostspielig und aufwendig zu applizieren.

 

Bei Wellenlängen von circa 2 µm wird ein deutlich grösserer Anteil der Laserstrahlung absorbiert, wodurch das Schweissen der transparenten Kunststoffe ermöglicht wird (Bild 1) [6].

 

Bild 1: Spektralanalyse von 2 mm PET

 

Mit hohen Qualitätsforderungen an die Schweissungen steigt die Bedeutung einer verlässlichen Prozesskontrolle. Insbesondere in der Medizintechnik wird oftmals die Pyrometrie für Messungen zur Prozessbeobachtung bis hin zur Regelung der Temperatur innerhalb der Schweissnaht verwendet.

 

Die Aussagekraft der Messung hängt vom Material, der Wellenlänge des Lasers und des Messbereichs des Detektors ab. Deshalb ist ein neuer, unkomplizierter Ansatz zur Temperaturmessung entwickelt worden.

 

 

2. Theoretische Grundlage des Pyrometers

 

Die Temperatur wird mittels Wärmestrahlung bestimmt. Das Planck-Strahlungsspektrum ist ein Vergleichsmodell, das das von einem idealen Schwarzkörper emittierte Wellenlängen-Spektrum und dessen elektromagnetische Energieverteilung für definierte Temperaturen darstellt (siehe Bild 2).

 

Ein realer grauer Körper, wie die hier verwendeten Schweissproben, emittiert nur einen Bruchteil der Strahlung eines idealen Schwarzkörpers. Dieser Bruchteil ist von dem jeweiligen Material und dessen Oberfläche abhängig. Die Wärmestrahlung wird mit einer Photodiode gemessen. Sie ist die grundlegende Komponente des Pyrometers und wandelt die eintreffende Strahlung in einen proportionalen photoelektrischen Strom um.

 

Bild 2: Planck-Strahlungsspektrum

 

Der typische Temperaturbereich beim Schweissen reicht von 400 K bis 600 K. Daher beginnt das Spektrum der Wärmestrahlung bei einer Wellenlänge von etwa 1 µm. Das obere Limit des Messbereichs liegt bei 2.5 µm, weil die obere Kunststoffkomponente höhere Wellenlängen absorbiert und dieser Teil der Wärmestrahlung somit nicht auf die Photodiode auftrifft. Zudem beinhaltet der schmale Messbereich nicht das Maximum der energetischen Verteilung, weswegen das Messsignal beeinträchtigt werden kann.

 

Wird bei einer Wellenlänge von 2  µm geschweisst, überlappt die reflektierte und gestreute Laserstrahlung mit der Wärmestrahlung und verfälscht so das Messergebnis. Aufgrund des hohen Energieniveaus des Lasers wird das Wärmespektrum überstrahlt und die Messung ist nutzlos. Daher muss die Laserstrahlung von der Wärmestrahlung getrennt werden. Dazu wurde ein optischer Filter mit spezieller Beschichtung entwickelt. Dieser sogenannte „Notch“-Filter (Notch: englisch für Einschnitt oder Kerbe) ist hochtransparent (fast 100 %) für Wellenlängen von 1 µm bis 2.5 µm. Ausgenommen ist der „Einschnitt“ um die Laserwellenlänge, bei dem die Transparenz nahezu 0 % ist. In diesem Fall liegt der Einschnitt bei 1960 nm ± 50 nm (Bild 3). Der gefilterte Wellenlängenbereich sollte möglichst klein sein, um eine Verminderung der Qualität des Messsignals zu vermeiden.

 

Bild 3: Optische Eigenschaften des Notch-Filters

 

 

3. Temperaturregelung des Schweissprozesses

 

Das so entwickelte Pyrometer wird nicht nur zur Temperaturmessung, sondern auch zur Temperaturregelung eingesetzt. Hierbei wird ein eingestelltes Temperaturniveau gehalten, indem zwischen zwei vorgegebenen Laserleistungen gewechselt wird. Ist die gemessene Temperatur unter der Zielvorgabe, wird die höhere Laserleistung eingestellt. Sobald die Temperatur über den eingestellten Zielwert schwingt, wird auf die geringere Leistung umgeschaltet.

 

Bei den Schweissversuchen wird der Laserstrahl entlang eines Rechteckes mit vier verschiedenen Radien über die PET-Komponenten geführt (Bild 4).

 

Bild 4: Schweisskontur bei PET-Muster (Abmass in mm)

 

Die Bearbeitungsoptik wird hierbei von einem Achssystem gesteuert. Um eine gleichmässige Strahlführung in den Kurven zu gewährleisten, wird der Trägheit der Achsen durch eine geringere Geschwindigkeit entgegengewirkt. Dementsprechend variiert der Vorschub entlang der Kontur.

 

Wird mit konstanter Laserleistung geschweisst, steigt der Energieeintrag ins Bauteil bei geringerem Vorschub, was zu lokalen Verbrennungen in den Ecken führen kann. Diese Schwankungen in der Schweissnaht sollen durch die Pyrometerregelung vermieden werden.

 

Zur Untersuchung der Effektivität der Pyrometerregelung werden zwei 2 mm dicke PET-Muster entsprechend der Kontur in Bild 4 geschweisst. Nach grundlegenden Parameterstudien wurde erst einmal die Temperatur des Schweissprozesses ohne Regelung aufgenommen. Danach wurden die PET-Muster bei gleichen Parametern mit Temperaturregelung geschweisst. Um die Vergleichbarkeit zu gewährleisten, ist bei der geregelten Variante eine Zieltemperatur eingestellt worden, die meistens auch bei der ungeregelten Variante erreicht wurde.

 

Die exakte Kalibrierung des Stroms der Photodiode auf die Temperatur hängt von der Applikation, also den Transmissionseigenschaften des Materials im Strahlengang des Pyrometers ab. Zur allgemeinen Gültigkeit wird das Pyrometer jedoch auf einen Schwarzkörper kalibriert. Die Signalstärke unterscheidet sich also bei einer Schweissung von PET-Material mit der eines schwarzen Körpers. Die reale Temperatur wird demnach nicht gemessen. Aus diesem Grund werden die Versuche mit abstrakten Pyrometerwerten anstatt mit der Temperatur durchgeführt.

 

 

4. Ergebnisse

 

Ohne den Notch-Filter misst das Pyrometer hauptsächlich die Intensität der Laserstrahlung statt der Wärmestrahlung. Wenn der Laser eingeschaltet wird, misst das Pyrometer also Maximalwerte, unabhängig von der Temperatur in der Schweissnaht. Mit integriertem Notch-Filter kann die Laserstrahlung, die auf die Photodiode trifft, auf ein Minimum reduziert werden. So können Temperaturen gemessen werden, die für den Schweissprozess relevant sind.

 

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Laser im Quasi-Dauerstrich-Modus statt im normalen Dauerstrich-Modus zu betreiben. Im Quasi-Dauerstrich-Modus wird die Laserleistung periodisch ausgeschaltet; innerhalb dieser Zeitintervalle ist die Leistung aber konstant. In den Intervallen, in denen der Laser ausgeschaltet ist, kann das Pyrometer die Wärmestrahlung auch ohne Notch-Filter messen. Allerdings vergrössern diese Intervalle die Zykluszeit, was ein kritischer Aspekt für viele Applikationen ist. Der Notch-Filter amortisiert sich also innerhalb kurzer Zeit aufgrund kleiner Zykluszeiten.

 

Zu Demonstrationszwecken sind die Schweissparameter an der oberen Prozessgrenze angesetzt. Ein zu hoher Energieeintrag wird dann wegen Blasenbildung sehr gut sichtbar.

 

Bild 5: Schweissmuster und dazugehöriges Pyrometersignal mit/ ohne Regelung

 

Die Schweissmuster in Bild 5 sind mit den gleichen Parametern geschweisst, jedoch eine Probe mit und eine ohne Pyrometerregelung. Die Eck-Positionen sind im Diagramm durch blau gestrichelte Linien markiert. Die gelbe Kurve stellt das Pyrometersignal des ungeregelten Prozesses dar. Sie zeigt, dass die Temperatur während der gesamten Schweissung kontinuierlich ansteigt, weil das Material stetig erwärmt wird. Eine sprunghafte Auslenkung der Temperatur ist nur bei den beiden kleinsten Radien zu erkennen (R=0, R=1). Bei 2 mm Radius erhöht sich die Temperatur mit leicht grösserer Steigung als auf der Geraden der Kontur. Bei 4 mm Kurvenradius scheinen die Achsen nicht mehr zu bremsen. Daher ändert sich hier der Energieeintrag kaum.

 

Die ansteigende Temperatur beeinflusst die Schweissung wie links oben in Bild 5 gezeigt wird. Die Schweissung beginnt „auf 9 Uhr“ und verläuft im Uhrzeigersinn (Bild 4). Während die erste Hälfte der Schweissung noch gleichmässig und fehlerfrei ist, wird ab dem Eckpunkt mit R=0 die obere Prozessgrenze überschritten und es kommt zu Blasenbildung in der Schweissnaht.

 

Vom ungeregelten Pyrometersignal ausgehend, wird ein Zielwert für den geregelten Prozess festgelegt. Er befindet sich geringfügig unterhalb der ersten Kurve, sodass die Temperaturregelung fast von Anfang an eingreift. Überschreitet der gemessene Wert den Zielwert, wird zur geringeren Leistung gewechselt. In Bild 5 zeigen die rote Kurve sowie das Bild unten links den geregelten Schweissprozess. Das Pyrometersignal und damit der Temperaturverlauf sind entsprechend des Zielwertes sehr beständig. Die ersten beiden abgerundeten Ecken können als kleine Auslenkungen im Signal wiedererkannt werden. Sie beeinflussen das Schweissergebnis nicht. Für die nicht abgerundete Ecke greift die Regelung nicht schnell genug und das Pyrometersignal schlägt aus – allerdings mit einer geringeren Amplitude als im ungeregelten Prozess. Der Maximalwert des Pyrometers befindet sich trotz des Sprungs unter der oberen Prozessgrenze an der Blasenbildung einsetzt. Der Zielwert wird innerhalb einer halben Sekunde wieder erreicht. Entsprechend des Pyrometersignals ist die Schweissnaht blasenfrei und zudem gleichmässiger. Die Regelung gleicht also den Energieeintrag an und beweist so ihre Effektivität.

 

 

5. Zusammenfassung und Ausblick

 

Eine Laserquelle mit einer Wellenlänge von 1960 nm ist dazu geeignet, transparente Kunststoffe miteinander zu verschweissen. Die Überwachung und Regelung des Schweissprozesses wird durch die Verwendung eines Pyrometers mit Notch-Filter ermöglicht. Der Notch-Filter blendet für die Messung einen kleinen Bereich um die Wellenlänge von 1960 nm aus. Ohne diesen Filter wird ein Signal gemessen, das hauptsächlich auf die Laserstrahlung und nicht auf die Wärmestrahlung zurückzuführen ist.

Die Versuchsreihen haben die Funktionalität der Temperaturregelung im Schweissprozess erwiesen. Im Vergleich zu den Versuchen ohne Pyrometerregelung bleibt die Temperatur beständig, statt zu steigen. Das erhöht die Qualität der Schweissung und stellt einen stabileren Prozess beim Laserschweissen von transparenten Kunststoffen sicher.

 

 

[1] Russek, U. A.: Prozesstechnische Aspekte des Laserdurchstrahlschweißens von Thermoplasten, Dissertation, RWTH Aachen University, Shaker Verlag: Aachen (2006).

[2] Grewell, D.; Benatar, A.; Park, J.: Plastics and Composites Welding Handbook, Carl Hanser Verlag, Munich, S. 271–311 (2003).

[3] Rösner, A.; Olowinsky, A.: Laser welding of polymers, Industrial Laser Solutions, 28(1), S. 29-31 (2013).

[4] Wenzlau, C.: Component Welding for Blood Analysis Device, Laser Technik Journal, S.44-46 (2014/01)

[5] N.N.: Clearweld® Weldable Resins Guide. URL: http://www.clearweld.com/cms-assets/documents/31194-492207.resintechbulletin.pdf, 02.08.2018

[6] Mingareev, I.; Weirauch, F.; Olowinski, A.; Shah, L.; Kadwani, P.; Richardson, M.: Welding of polymers using a 2 µm thulium fiber laser. Optics & LaserTechnology, 44, S. 2095–2099 (2012)

 

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