ES2248672T3

ES2248672T3 - Procedimiento de soldadura laser para plasticos estructurados.

Info

Publication number: ES2248672T3
Application number: ES03011610T
Authority: ES
Inventors: Jie-Wei Chen; Andreas Danzer
Original assignee: Leister Process Technologies
Current assignee: Leister Process Technologies
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2023-05-22
Also published as: ATE302683T1; EP1479506A1; CN100471656C; DE50301047D1; CN1572471A; HK1070325A1; EP1479506B1; JP3866732B2; JP2005178351A; US20040231788A1

Abstract

Procedimiento de soldadura láser para la unión de diferentes piezas de trabajo (5, 6) de plástico, o de plástico con otros materiales, siendo la pieza de trabajo (5) superior, dirigida a la fuente láser, de un material transparente para el rayo láser (3) y la segunda pieza (6) de un material absorbente del rayo láser (3), de tal manera que las superficies de contacto (7) que limitan entre sí de las dos piezas de trabajo (5, 6) se funden y con el enfriamiento que tiene lugar a continuación se unen entre sí bajo presión, presentando por lo menos la segunda pieza de trabajo (6) una superficie estructurada dirigida hacia la otra pieza de trabajo (5) con zonas de superficie más bajas (8), y el rayo láser (3) y los componentes se desplazan relativamente entre ellos, caracterizado porque el rayo láser (3) se focaliza, de tal manera con una óptica, que la densidad de energía en la zona de las superficies de contacto (7) se maximaliza, y la fusión del material de la segunda pieza de trabajo (6) tiene lugar sólo en las superficies de contacto (7), las superficies de contacto (7), radiándose como también en las zonas de las superficies que se encuentran más bajas (8) por el rayo láser y las piezas de trabajo (5, 6) sólo se funden en la zona de las superficies de contacto (7) y entre ellas.

Description

Procedimiento de soldadura láser para plásticos estructurados.

La presente tendencia se refiere a un procedimiento de soldadura láser para la unión de diferentes piezas de trabajo de plástico, o de plástico con otros materiales, siendo la pieza de trabajo superior, dirigida a la fuente láser, de un material transparente para el rayo láser y la segunda pieza de un material absorbente del rayo láser, de tal manera que las superficies de contacto que limitan entre sí de las dos piezas de trabajo se funden y con el enfriamiento que tiene lugar a continuación se unen entre sí bajo presión.

Un procedimiento esta clase se conoce, por ejemplo, por el documento EP-A1-997 261. En este procedimiento se dirige un rayo láser tipo cortina sobre las piezas de trabajo, cubriendo la zona que no se debe calentar mediante una máscara. Con el procedimiento conocido se unen piezas de trabajo estructuradas y no estructuradas. Una soldadura de ambas piezas de trabajo debe tener lugar sólo en las superficies de contacto que se tocan, de tal manera que, por esta razón, se utiliza una correspondiente máscara.

La soldadura de plásticos mediante rayo láser necesita una dosificación de energía térmica regulable. El factor decisivo para esta dosificación es la densidad de energía y la duración de la radiación, que determina la rapidez del proceso de calentamiento y la temperatura máxima alcanzable del plástico.

Una soldadura plana con estructuras de soldadura deseadas, correspondientes a las piezas de trabajo, se puede realizar mediante el conocido principio de soldadura con máscara anteriormente citado. Para ello, la superficie deseada se recorre con una radiación láser tipo cortina que reproduce una línea sobre el plano de soldadura, controlándose la dosificación de energía mediante la potencia láser y la velocidad de la trama. La distribución espacial de la energía térmica se determina por la máscara, porque con una radiación tipo cortina, la densidad de energía permanece invariable a lo largo de la dirección de propagación de la luz. Por ello, los lugares del componente que se encuentran a diferentes alturas y no se deben irradiar, se cubren por una máscara. Esto es válido también, naturalmente, para una un rayo láser puntiforme, que con una elevada velocidad escanea la correspondiente superficie.

En el procedimiento conocido, la utilización de la máscara es de vez en cuando desventajosa y éste se hace necesario un ajuste y como consecuencia de ello su producción de componentes es reducida.

La presente invención tiene por ello el objetivo de proponer una posibilidad con la cual se puede realizar una unión de las piezas de trabajo estructuradas, según el procedimiento de radiación citado al principio, mediante láser con una elevada velocidad.

Este objetivo se consigue, según la invención, con el procedimiento con las características de la reivindicación principal. Otras configuraciones ventajosas se pueden deducir de las subreivindicaciones.

De acuerdo con el procedimiento según la invención se focaliza de tal manera mediante una óptica el rayo láser que la densidad de energía en la zona de las superficies de contacto es máxima. Según sea el caso de aplicación se selecciona una óptica mediante la selección correspondiente de las lentes, de tal manera que la sección transversal de la zona sea mayor o menor. Mediante este ajuste tiene lugar la fusión del material de la segunda pieza de trabajo, sólo en las superficies de contacto, aunque las superficies de contacto, como también las zonas de la superficie más profundas, se irradian por el rayo láser. De este modo se funden las piezas de trabajo sólo en la zona de las superficies de contacto y se unen entre ellas. De este modo tiene lugar una soldadura estructurada de las superficies de contacto sin máscara. Con el rayo láser es importante que la zona de una densidad de energía más elevada es suficiente para alcanzar una fusión de las dos piezas de trabajo y se puede ajustar en la dirección de expansión, vista desde la fuente láser. Para una soldadura deseada es importante que la altura de estructura d sea mucho mayor que la altura h de la zona de densidad de energía máxima. Entonces se puede elegir, por ejemplo, con una zona corta, de una densidad de energía elevada, la estructura por lo menos en la segunda pieza de trabajo no transparente para el rayo láser, correspondientemente pequeña, sin que tenga lugar un reblandecimiento de las estructuras que se encuentran más bajas, ya que, en este caso, la densidad de energía no es suficiente. En el caso más favorable es esta zona de densidad de energía máxima sólo una superficie.

De forma ventajosa, se utiliza un rayo láser con un talle de rayo con elevada densidad de energía, ya que esto permite una elevada densidad de energía sólo en una zona pequeña correspondiente de las especificaciones anteriormente citadas. Preferentemente, se ajusta la altura h y la anchura b del talle de rayo en función de las zonas a soldar en la segunda pieza estructurada no transparente para el rayo láser.

Según otra configuración del procedimiento, se genera el rayo láser mediante una lente cilíndrica. El rayo láser lineal se reproduce por una lente convergente cilíndrica, sólo en el plano del foco de la lente. Esto significa que la densidad de energía de la radiación láser, a lo largo de la dirección de la anchura, depende de la distancia a la fuente láser. La densidad de energía máxima se encuentra en el talle de rayo. La geometría de este talle de rayo (altura h y anchura b) depende de la apertura óptica y de la distancia focal de la lente. Cuanto mayor sea el ángulo convergente y cuanto menor la distancia focal, tanto menor será el talle del rayo. El espesor del talle del rayo se puede designar también como espesor de la zona de reproducción nítida.

Con una pieza estructurada se determina la figura de la costura de soldadura, sólo por la estructura plana en el plano del foco, si la diferencia de altura de las estructuras es claramente mayor que el espesor del talle del rayo.

A continuación se explica con mayor detalle la invención mediante ejemplos de realización junto con los dibujos adjuntos en los que representan:

la figura 1, un esquema de principio para la soldadura de dos piezas de plástico;

la figura 2, la presentación ampliada del talle del rayo;

la figura 3, la estructura de principio con un diodo láser estándar; y

la figura 4, la estructura de principio con la alimentación de los rayos láser a través de un conductor de fibra óptica.

La figura 1 muestra, en una presentación ampliada, un rayo láser 1, que incide en una lente cilíndrica 2. La lente cilíndrica 2 conforma el rayo láser 1 en un rayo láser 3, que en la dirección de propagación varía en la densidad de energía. Esto origina que el rayo láser, en la sección longitudinal, no presenta la misma anchura continua o el mismo diámetro, extendiéndose las zonas con una elevada densidad de energía por un diámetro o anchura del rayo más reducida con relación a las zonas con tensión energía más reducida. En el ejemplo de realización, en el rayo láser 3 se ha conformado de tal manera que presenta un talle de rayo 4. El rayo láser 3 se ha representado en la figura 2 en la zona del talle del rayo 4 todavía más ampliado. En la figura se muestra la anchura b y la altura h del talle de rayo 4, que se puede influir mediante las medidas ópticas correspondientes. Con la anchura b se define la anchura más reducida del rayo láser 3. Con la altura h, la longitud de la zona con la anchura más
reducida b.

La figura 1 muestra, además, una primera pieza de trabajo 5 transparente al rayo láser y una segunda pieza de trabajos 6, que se encuentra debajo, que no es transparente a la radiación láser. En la figura se ha representado la pieza de trabajo 5 transparente, lo que no significa que esta pieza de trabajo no puede ser de color. La pieza de trabajo 6 presenta una estructura con zonas de superficie 8 que se encuentran más bajo con relación a las superficies se contacto 7, que no se deben ablandar por el rayo láser 3. La pieza transparente 5 puede presentar, al contrario de la representación de la figura 1, asimismo una estructura como ya se muestra en el estado de la técnica. Para ello ninguna superficie que se encuentra debajo de la pieza de trabajos 6 no se debe cubrir por la pieza de trabajo superior 5, ya que de lo contrario podría provocar calentamientos erróneos. En la figura 1 se puede reconocer que la zona de elevada densidad de energía se encuentra alrededor del taller de rayo 4 en la zona de las superficies de contacto 7. Mediante la formación del rayo láser 3 no es suficiente la densidad de energía en la zona de las zonas de superficie más bajas 8 para fundir ésta. Tiene lugar sólo un reblandecimiento en la zona de las superficies de contacto, de tal manera que ésta, en esta zona, une las dos piezas de trabajo 5, 6 de la forma en sí conocida. Al contrario del estado de la técnica no importa si el rayo láser irradia también la zona de superficie más baja. Como consecuencia de ello es necesario una máscara. Es esencial que la pieza de trabajo 5, 6 se disponga con su superficie de contacto 7 en la zona del talle del rayo 4. Mediante la modificación de la altura h y de la anchura b se puede adaptar el rayo láser a las formas geométricas de las estructuras de dos piezas de trabajo 5, 6.

La figura 3 muestra, en representación esquemática, un láser de diodo estándar 9, que lleva un rayo láser cónico 1 en la lente cilíndrica 2. Como se describe con relación con la figura 1, la lente cilíndrica 2 convierte el rayo láser 1 en el rayo láser 3, que entonces se desplaza sobre la zona de la superficie a soldar, sin consideración a las zonas de superficie más bajas 8. Con ello se hace hincapié en que la zona de la superficie a soldar 10 no tiene por qué coincidir con la superficie total de las piezas de trabajo. También queda claro que depende sólo del desplazamiento relativo entre dos piezas de trabajo 5, 6 y el rayo láser 3. En el ejemplo de realización se desplazan las piezas de trabajo 5, 6.

En el ejemplo de realización, según la figura 4, se guía el rayo láser 12 que sale en forma cónica del conductor de fibra óptica 11 a través de una lente convergente esférica 13 a la lente cilíndrica 2.

En el ejemplo de realización, se desplaza un rayo láser lineal y la pieza de trabajo relativamente entre ellos. También se puede generar un punto láser en vez de la línea láser, que entonces se ha de guiar de acuerdo con una radiación superficial.

Claims

1. Procedimiento de soldadura láser para la unión de diferentes piezas de trabajo (5, 6) de plástico, o de plástico con otros materiales, siendo la pieza de trabajo (5) superior, dirigida a la fuente láser, de un material transparente para el rayo láser (3) y la segunda pieza (6) de un material absorbente del rayo láser (3), de tal manera que las superficies de contacto (7) que limitan entre sí de las dos piezas de trabajo (5, 6) se funden y con el enfriamiento que tiene lugar a continuación se unen entre sí bajo presión, presentando por lo menos la segunda pieza de trabajo (6) una superficie estructurada dirigida hacia la otra pieza de trabajo (5) con zonas de superficie más bajas (8), y el rayo láser (3) y los componentes se desplazan relativamente entre ellos, caracterizado porque el rayo láser (3) se focaliza, de tal manera con una óptica, que la densidad de energía en la zona de las superficies de contacto (7) se maximaliza, y la fusión del material de la segunda pieza de trabajo (6) tiene lugar sólo en las superficies de contacto (7), las superficies de contacto (7), radiándose como también en las zonas de las superficies que se encuentran más bajas (8) por el rayo láser y las piezas de trabajo (5, 6) sólo se funden en la zona de las superficies de contacto (7) y entre ellas.

2. Procedimientos, según la reivindicación 1, caracterizado porque la altura (h) y la anchura (b) del talle de rayo (4), originado por la focalización, se ajusta en función de la estructura de las piezas de trabajo (5, 6) a soldar.