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News: 09/09/2012

Einflussparameter im Maskenschweissverfahren

Job Image

Präzises Lasermaskenschweissen ist abhängig von der genauen Positionierung der Maske zum Bauteil und von der Berechnung der Maskendimension in der Anwendung.

Die Positionierung der Maske zum Bauteil findet in der Einstellung des Schweissprozesses statt. Die Berechnung und die darauffolgende Herstellung der Maskendimension finden jedoch im Vorfeld statt. Bei der Berechnung sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen:

  1. Optische Eigenschaften des Lasers
  2. Optische Eigenschaften transparenter Materialien
  3. Abstand zwischen Maske und Schweissebene

Optische Eigenschaften des Lasers

Die optischen Eigenschaften des Lasers sind abhängig von der Laserquelle und den verwendeten Optiken. Ein Diodenlaser z.B wird durch spezielle Optiken in slow und fast axis geformt. Dabei wird die fast axis fokussiert und die slow axis unter einem Öffnungswinkel β zur Linie geformt. Die Linienlänge ist also abhängig von den eingebauten Optiken und dem Abstand von Quelle zur Bearbeitungsebene.
Damit keine Strahlung von der Maske in den Laser zurückreflektiert wird, wird der Laserkopf unter einem Winkel α montiert. Dieser Winkel muss in der Relativbewegung von Laser zur Maske eingerechnet werden.

Optische Eigenschaften transparenter Materialien
Bei der Berechnung der Maske sind die optischen Eigenschaften der transparenten Materialien, die die Laserstrahlung durchdringen muss, von entscheidendem Einfluss. Das Laserlicht durchstrahlt die Materialien nach dem snelliusschen Brechungsgesetz, welches besagt, dass ein Lichtstrahl seine Richtung ändert, oder gebrochen wird, wenn er von einem transparenten Medium in ein anderes transparentes Medium übergeht. Dies geschieht auf Grund unterschiedlicher Brechungsindices der Materialien. Idealisiert ist dieser Verlauf in Bild 2 dargestellt. Das Licht wird beim Übergang von Luft in Glas um einen Winkel gebrochen, durchläuft das Glas und tritt unter dem Einfallswinkel, mit einem Versatz, wieder aus.

Das Gesetz besagt:

 Der Versatz ändert sich demnach mit dem Einfallswinkel und hat daher über die Breite der Linie Einfluss auf die Abbildungsgenauigkeit. Bei Übergängen von mehreren Schichten muss jede dieser Schichten in der Berechnung berücksichtigt werden.

Abstand zwischen Maske und Schweissebene
Für die Berechnung ist der Versatz der Strahlung von Bedeutung, also neben den optischen Verhältnissen auch die Weglänge durch jede einzelne Schicht. Die vereinfachte Darstellung in Bild 2 wird durch den Einsatz einer Maske noch komplexer. Die Maske schattet die Strahlung überall dort ab wo sie nicht benötigt wird und transmittiert sie angepasst auf die Schweisskontur. Die unterschiedlichen Einfallswinkel auf die transmittierenden Stellen der Maske bewirken eine Abbildverzerrung über die Linienbreite. Der Abstand von Maske zur Schweissebene vergrössert diese Verzerrung zusätzlich. In der Praxis muss die Abbildung auf der Maske also kleiner sein als die Schweisskontur. Bild 3: Maskenverzerrung Die lokale Verzerrung der Maskenabbildung in der Schweissebene ist also abhängig von den Einfallswinkeln auf die Maske, den optischen Eigenschaften der einzelnen Schichten und der Weglänge durch die Schichten. Wenn die Bauteile, in Material und Dimension, und das Spannkonzept definiert sind, ist eine Kompensierung dieser Verzerrungseffekte durch den Einsatz geeigneter Algorithmen möglich. Die Schweissergebnisse lassen sich somit entscheidend verbessern.

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