Hochpräzises Laser- schweißen von Kunststoffen

Im Jahr 2017 startete das Fraunhofer ILT mit der Aachener Amtron GmbH, der Attendorner Ortmann Digitaltechnik GmbH und der Dortmunder Bartels Mikrotechnik GmbH das Projekt SeQuLas. Das Akronym steht für die „segmentale Quasisimultan-Laserbestrahlung“, bei der in diesem Fall als Strahlquelle ein Thulium-Faserlaser mit einer Emissionswellenlänge von 1940 nm verwendet wurde. In diesem Wellenlängenbereich besitzen Kunststoffe eine natürliche Absorption.

Doch diese Form des absorberfreien Laserdurchstrahlschweißens weist ein Problem auf: durch die Volumenabsorption entsteht eine Wärmeeinflusszone (WEZ), die sich vertikal über den gesamten Bauteilquerschnitt erstreckt. Die thermische Expansion während des Aufschmelzvorgangs begünstigt die Bildung von Lunkern und Rissen.

Um die vertikale Ausdehnung der Wärmeeinflusszone zu verringern, bietet sich die quasisimultane Bestrahlung an, bei der ein Laserstrahl mit Hilfe eines Scannersystems mit hoher Geschwindigkeit mehrmals entlang der Schweißkontur geführt wird.

Im zweiten Schritt entwickelten die Projektpartner eine Prozessregelung für den Laserschweißprozess. Ein in den Strahlengang integriertes Pyrometer misst während des Schweißprozesses die Temperatur im Bauteil. Die Kopplung des Messsignals mit der Position der Scannerspiegel ermöglicht eine ortsaufgelöste Aufnahme der Wärmeverteilung im Bauteil. Auf diese Weise lassen sich thermische Schäden schon während des Schweißprozesses erfassen und zielgenau lokalisieren.