專利名稱：使未被吸收的紅外激光再循環(huán)以增加紅外激光吸收的紅外塑料焊接的制作方法
技術(shù)領域：
;^/>開涉及塑料焊接，更具體地涉及塑料部件的激光焊接。
背景技術(shù)：
激光焊接一般用于在焊接區(qū)域處連接塑料或樹脂部件，比如熱塑性部 件。在美國專利第4，636，609號中可以找到激光器的這一用途的示例，通 過引用將其明確地合并于此。
眾所周知，激光器提供指定頻率的電磁輻射的準聚焦光束(即，相干 單色輻射)。有若干種可用的激光器；但是，紅外激光器或非相干源提供 了一種相對經(jīng)濟的用于加熱焊接區(qū)域的輻射能量源。紅外焊接的一個具體 例子被稱為透射紅外(TTIr)焊接。TTIr焊接采用能夠產(chǎn)生紅外輻射的 紅外激光器，該紅外輻射由透鏡、衍射光學、光纖、波導、光管或者光導 導向穿過第一塑料部件并且^第二塑料部件。第一塑料部件通常被稱作 透射件，因為它通常允許來自激光器的激光束穿過。但是，第二塑料部件 通常被稱作吸收件，因為它通常吸收激光束的輻射能量以在焊接區(qū)域中產(chǎn) 生熱。焊接區(qū)域中的該熱使得透射件和吸收件熔化并且被緊密接觸地焊接 在一起。
參照圖1A和圖1B，示出了用于塑料的激光焊接的典型的透射紅外 (TTIr)系統(tǒng)100和100，。來自紅外激光源104的紅外激光束102被導 向至所要焊接的塑料部件106、 108。紅外激光穿過透射塑料部件106到 iiit射塑料部件和吸收塑料部件108的交界處的焊接界面110。焊接界面 IIO在本領域中有時也被稱為焊接位置、焊接區(qū)或焊接區(qū)域。在焊接界面110處可以提供紅外吸收體添加物112(圖1A)。激光的吸收加熱部件106、 108的交界處的焊接界面，熔化兩個部件106、 108中位于焊接界面110 處的塑料。在適當?shù)臅r間段之后比如通過關閉激光源102來去除激光，然 后焊接界面110處的熔化的塑料冷卻，從而將兩個塑料部件106、 108焊 接在一起。
通常，吸收性的第二塑料部件108或者在焊接界面110處使用的紅外 吸收體添加物112是紅外光的相對較低的吸收體。紅外激光102的大部分 (114處指示的)隨后穿過兩個部件106、 108并從部件108穿出，在此 過程中被浪費掉。
釆用低吸收體，或者傳遞到焊接界面110的激光能量過低而不能進行 焊接，或者需要釆用相對高的激光能量以轉(zhuǎn)換成焊接界面110處的足夠能 量來進行焊接。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)4^>開的 一個方面，穿過要通過低吸收TTIr過程焊接的塑料部
中的再吸收。紅外激光束被導向到所要焊接的塑料部件處，透射性第一部 件和吸收性(或部分吸收性)第二部件。紅外激M射到透射部件并且首 先穿過所要焊接的透射部件到達兩個部件的交界處的焊接界面。在焊接界 面處，或者紅外激光部分地被附加紅外吸收體吸收，或者紅外激光部分地 被吸收部件吸收，或者兩者皆有。紅外激光的未被吸收的部分繼續(xù)通過吸 收部件并從遠端出射。然后該紅外激光被重新導向回焊接界面。在第二次 通過(以及其后任何后續(xù)的通過)時，更多紅外激光在部分吸收介質(zhì)(附 加紅外吸收體、吸收部件或者兩者皆有)中被吸收。
在一個方面中，該部件是管狀部件，其中透射部件共軸地圍繞吸收部 件。采用共軸地圍繞該管狀部件的圓筒形反射鏡對紅外激光進行重新導 向。
在一個方面中，圓筒形>^射鏡將紅外激光重新導向以使得紅外激光最 終從所有方向入射到該管狀部件。
才艮據(jù)這里提供的描述，另外的適用范圍將變得顯而易見。應該理解， 描述和具體示例只是為了說明的目的而不是旨在限制^/〉開的范圍。


這里描述的附圖只是為了說明的目的而不是旨在以任何方式限制本 公開的范圍。
圖1A和圖1B是用于采用紅外激光焊接塑料部件的現(xiàn)有技術(shù)的低吸 收TTIr激光焊接系統(tǒng)的示意性圖解；
圖2是才艮據(jù)4^>開的一個方面的具有用于將紅外激光重新導向以穿 過所要焊接的部件間的焊接界面的無限回路的低吸收TTIr激光焊接系統(tǒng) 的示意性圖解；
圖3是根據(jù)本公開的一個方面的具有用于將紅外激光多路徑重新導 向以穿過焊接界面的無限回路的低吸收TTIr激光焊接系統(tǒng)的示意性圖 解；
圖4是現(xiàn)有技術(shù)中焊接管狀部件的低吸收TTIr激光焊接系統(tǒng)中的紅 外激光的嘲:射的示意性圖解；
圖5是焊接管狀部件的低吸收TTIr激光焊接系統(tǒng)的示意性圖解，其 中未被吸收的紅外激光被再循環(huán)到管狀部件；以及
圖6是焊接管狀部件的低吸收TTIr激光焊接系統(tǒng)的示意性圖解，其 中管狀部件之一是配件，其中未被吸收的紅外激光被再循環(huán)到該部件。
具體實施例方式
以下描i^E性質(zhì)上僅僅是示例性的，并不旨在限制^/>開、申請或應 用。應該理解，貫穿這些附圖，對應的附圖標記表示相似或?qū)牟考?特征。
根據(jù)本公開的 一個方面，穿過要通過低吸收TTIr過程焊接的塑料部
的再吸收。紅外激光束被導向到所要焊接的塑料部件處，透射性第一部件 和吸收性(或部分吸收性)第二部件。紅外激光/^射到透射部件并且首先 穿過所要焊接的透射部件到達兩個部件交界處的焊接界面。在焊接界面 處，或者紅外激光部分地被附加紅外吸收體吸收，或者紅外激光部分地被 吸收部件吸收，或者兩者皆有。
紅外激光的未被吸收的部分繼續(xù)通過吸收部件并從遠端出射。然后通 過采用^Jt鏡、波導或者光纖將該紅外激光重新導向返回到焊接界面。在第二次通過時，更多紅外激光在部分吸收介質(zhì)(附加紅外吸收體、吸收部 件或者兩者皆有)中被吸收。
再一次，對于第二次通過， 一些紅外激光將不被吸收，并且將穿過所 要焊接的部件。該紅外激光可以再一次被重新導向返回到焊接界面。該過 程可以被重復任意次，并且在某些變型中，可以具有無限次重復。即使在 每次通過時部件的絕對紅外激光吸收率較低，最終4艮大百分比的紅外激光 將在焊接界面處被吸收。
當紅外激光被重新導向到所要焊接的部件處時，其可以被重新導向為 在與最初入射光的方向相同的方向上，或者可以凈皮重新導向為來自指向該
焊接區(qū)域的某個其它角度。圖2示出了包含具有無限回路的光子再循環(huán)器 202的激光焊接系統(tǒng)200。在圖2所示的說明性實施例中，無限光子再循 環(huán)器包括光纖回路204，光纖回路204從紅外激光出射吸收部件108的位 置延伸回到紅外激光最初入射到透射部件106的位置。通過將紅外激光重 新導向為在與直接從激光102的源104最初入射到透射部件上的紅外激光 102的方向相同的方向上，如圖2所示建立了無限回路。
在一個變型中，紅外激光被從另一角度重新導向到焊接界面，即，在 與最初的入射紅外激光的方向不同的方向上重新導向到焊接界面。在該變 型中，如圖3所示說明性地建立了多個通過角，并且紅外激光的路徑可以 由一個或更多個反射鏡重新導向以提供光子再循環(huán)器301，光子再循環(huán)器 301提供紅外激光102穿過焊接界面110的兩次或更多次通過。在圖3所 示的說明性實施例中，激光焊接系統(tǒng)300包括多個反射鏡，比如三個>^射 鏡302、 304、 306。紅外激光束102被導向至所要焊接的部件106、 108。 紅外激光102首先穿itit射部件106到達焊接界面110。紅外激光102的 未被吸收的部分^L^射鏡302反射到反射鏡304，由反射鏡304反射返回 通過部件106、 108,其中它穿過焊接界面110。紅外激光102的祐^Jt鏡
過部件106、 108，其中它穿過焊接界面110。紅外激光102的*1射鏡 306反射的未被吸收的部分^L^射鏡304反射到反射鏡302，反射鏡302 將其>^射返回通過部件106、 108，其中它穿過焊接界面110。在圖3的實 施例中，紅外激光102四次穿過部件106、 108和焊接界面110。
參考圖4，對于管狀塑料部件，當紅外激光穿過部件402、 404時， 入射到管狀部件402、404上的紅外激光102發(fā)生折射，如同管狀部件402、 404形成透鏡。如圖4中所示，這在紅外激光102最初入射到外部部件402上的相反側(cè)在大約半圓內(nèi)散出紅外激光102。說明性地，部件402是透射 性塑料部件并且共軸地圍繞部件404，部件404是吸收性塑料部件。
圖5示出了激光焊接系統(tǒng)500 ，其包含將散出的紅外激光102再循環(huán) 返回到所要焊接的部件402、 404的光子再循環(huán)器502。在圖5的實施例 中，光子再循環(huán)器502包括共軸地"&置在管狀部件402、 404周圍的圓筒 形反射鏡504。說明性地，圓筒形反射鏡504包括開口，在該開口中由紅 外激光源104導入紅外激光102。圓筒形反射鏡504反射散出的紅外激光 102以將散出的紅外激光再循環(huán)返回到管狀部件402、 404。如圖5所示， 圓筒形反射鏡504具有連續(xù)對激光進行再循環(huán)的幾何形狀以^f吏得最終紅 外激光從所要焊接的管狀部件402、 404周圍的所有方向入射。最終，激 光102的大部分被焊接過程中所用的低吸收的吸收體吸收，其中該吸收體 是吸收性塑料部件404、布置在管狀部件402、 404的交界處的諸如紅外 吸收體添加物112 (圖1)的紅外吸收體添加物、或者兩者皆有。
應該理解，圓筒形反射鏡504不必是連續(xù)的圓筒。例如，圓筒形反射 鏡504可以包括縫以利于4吏用傳送系統(tǒng)將管狀部件402、 404移入和移出 圓筒形《Jt鏡504。
圖6示出了用于焊接管狀部件602、 604的激光焊接系統(tǒng)600,其中 管狀部件604是諸如接頭、彎管、套管等的配件。說明性地，管狀部件 602的末端^L接納在配件604中。在該i兌明性實施例中，部件602、 604 的表面的彼此鄰接處是焊接界面。說明性地，配件604可以是透射部件而 管狀部件602是吸收部件。應該理解，管狀部件602可以是透射部件而配 件604是吸收部件，在該情況下配件604可以i兌明性地被接納于配件602 的末端。應該理解，可以將紅外吸收體添加物布置在管狀部件602和接頭 604之間的焊接界面處。
激光焊接系統(tǒng)600包括光子再循環(huán)器606，其將由部件602、 604散 出的穿過部件602、 604的激光102再循環(huán)返回到焊接界面110。光子再 循環(huán)器606包括球面反射鏡608。在圖6的實施例中，球面反射鏡608包 括相對的第一和第二半球面反射鏡610,第一和第二半球面反射鏡610由 空間612彼此隔開以利于在光子循環(huán)器606中放置部件602、 604。
應該理解，^^射鏡、波導或光纖可以用于重新導向紅外激光。^Jt鏡 具有高效率的優(yōu)點。波導和光纖相比于反射鏡所必需的直光路而言具有幾 何形狀更靈活的優(yōu)點。波導和光纖與反射鏡隊列相比具有更大的光學接收 角，這在無限回路設置中是有用的。紅外激光可以被重新導向到焊接界面以實現(xiàn)任意次數(shù)的通過。單次額 外的通過或者較少次數(shù)的通過具有簡單的優(yōu)點。大量次數(shù)的通過具有所要 焊接的部件的總體吸收效率更高的優(yōu)點。
對于管狀部件，共軸圓筒形反射鏡設置有利地將紅外激光從所有角度 導向所要焊接的管狀部件，并且建立在焊接過程中產(chǎn)生低吸收吸收體的高 總體吸收的再循環(huán)的無限回路。
反射鏡可以是具有高反射率薄膜涂層的金屬的，或者^L^射棱鏡。波 導可以是正透射電介質(zhì)波導或者是負反射波導。光纖可以是單模光纖、多 模光纖、自聚焦光纖、多孔光纖或空心光纖。
所要焊接的塑料部件可以在焊接界面處采用紅外吸收添加物，或者可 以在一個(或兩個)部件中采用體紅外吸收體。假定采用紅外激光再循環(huán) 時紅外吸收體不是黑體，以使得一些紅外光在最初的通過中從所要焊接的 部件中漏出。
該過程中所用的紅外激光器可以是紅外激光器或者寬帶紅外源。準直 紅外激光更具有可導向性因此更適合于采用>^射鏡。
對紅外激光進行再循環(huán)大大提高了焊接效率，并且允許在低吸收過程 中焊接其它方式無法焊接的部件。需要使用的激光或?qū)拵Ъt外激光功率較 小，從而降低了焊接機的消耗。
針對管狀部件的再循環(huán)紅外激光既改進了過程的總體吸收，又降低了 從所有角度向管狀組件傳遞紅外光所需要的光學器件的復雜度。
權(quán)利要求
1.一種用于在低吸收透射紅外焊接過程中焊接塑料部件的方法，所述塑料部件包括透射部件和吸收部件，所述方法包括將來自紅外激光源的紅外激光的光束導向至所述部件，其中所述紅外激光的光束入射到所述透射部件上，穿過所述透射部件到達所述透射部件和所述吸收部件的交界處的焊接界面，所述紅外激光的一部分穿過所述吸收部件并且從所述吸收部件出射；以及將未被吸收的紅外激光重新導向至所述焊接界面以增加所述紅外激光的總體吸收。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括用光纖重新導向所述未被吸收 的紅外激光。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括用反射鏡重新導向所述未被吸 收的紅外激光。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括用多個反射鏡重新導向所述未 被吸收的紅外激光，以使得除了所述紅外激光第一次穿過所述焊接界面之 外所述紅外激光還多次穿過所述焊接界面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括用波導重新導向所述未被吸收 的紅外激光。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括將所述未被吸收的紅外激光重 新導向以在與所述紅外激光最初入射到所述透射部件上的方向相同的方 向上入射到所述透射部件上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括將所述未被吸收的紅外激光重 新導向在與所述紅外激光最初入射到所述透射部件上的方向不同的方向 上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括在通過所述焊接界面的無限回 路中將所述未被吸收的紅外激光重新導向。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述部件是管狀部件，其中 所^it射部件共軸地圍繞所述吸收部件，并且重新導向所述未被吸收的紅 外激光包括用共軸地圍繞所述管狀部件的圓筒形反射鏡重新導向所述未 被吸收的激光。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，用所述圓筒形反射鏡重新導 向所述未被吸收的紅外激光包括重新導向所述未被吸收的紅外激光以使 得所述未被吸收的紅外激光最終從所有方向入射到所述焊接界面。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述部件是包括配件的管狀 部件，并且重新導向所述未被吸收的紅外激光包括用圍繞所述部件的球面 反射鏡重新導向所述未被吸收的激光。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，用所述球面反射鏡重新導 向所述未被吸收的紅外激光包括重新導向所述未被吸收的紅外激光以使 得所述未被吸收的紅外激光最終從所有方向入射到所述焊接界面。
13. —種用于使用低吸收透射紅外焊接過程焊接塑料部件的紅外激光 焊接系統(tǒng)，所述塑料部件包括透射部件和吸收部件，所述紅外、激光焊接系 統(tǒng)包括紅外激光源；以及光子再循環(huán)器，其將未被吸收的紅外激光重新導向至所述塑料部件的 交界處的焊接界面。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述光子再循環(huán)器包括光纖。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述光纖從所述吸收部件的 出射所述未被吸收的紅外激光的位置延伸至所述透射部件的最初入射所 述紅外激光的位置。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述光子再循環(huán)器包括波導。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述光子再循環(huán)器包括反射鏡。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中，所述反射鏡包括關于所述 部件設置的多個反射鏡，以便除了所述紅外激光第一次穿過所述焊接界面 之外還將未被吸收的紅外激光多次重新導向通過焊接路徑。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述光子再循環(huán)器包括多個 反射鏡。
20. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述部件是管狀部件，其 中所述透射部件共軸地圍繞所述吸收部件，所述光子再循環(huán)器包括共軸地 圍繞所述管狀部件的圓筒形應Jt鏡。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中，所述圓筒形及^射鏡重新導 到所述管狀部件。
22. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述部件是包括配件的管 狀部件，所述光子再循環(huán)器包括圍繞所述部件的球面反射鏡。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中，所述球面反射鏡重新導向所述焊接界面。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述球面反射鏡包括彼此隔 開的相對的第 一半球面反射鏡和第二半球面反射鏡。
全文摘要
穿過要通過低吸收TTIr過程焊接的塑料部件的未被吸收的紅外激光被再循環(huán)返回到低吸收焊接界面以用于該過程中的再吸收。紅外激光束被導向到所要焊接的塑料部件處，透射性第一部件和吸收性(或部分吸收性)第二部件。紅外激光入射到透射部件并且首先穿過所要焊接的透射部件到達兩個部件的交界處的焊接界面。在焊接界面處，或者紅外激光部分地被附加紅外吸收體吸收，或者紅外激光部分地被吸收部件吸收，或者兩者皆有。紅外激光的未被吸收的部分繼續(xù)通過吸收部件并從遠端出射。然后該紅外激光被重新導向返回焊接界面。在第二次通過(以及其后任何后續(xù)的通過)時，更多紅外激光在部分吸收介質(zhì)(附加紅外吸收體、吸收部件、或者兩者皆有)中被吸收。在一個方面中，部件是管狀部件，其中透射部件共軸地圍繞吸收部件。采用共軸地圍繞該管狀部件的圓筒形反射鏡重新導向紅外激光。在一個方面中，該部件包括管狀部件和配件，并且采用圍繞該部件的球面反射鏡重新導向紅外激光。
文檔編號F21V7/00GK101681015SQ200880014452
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月4日
發(fā)明者保羅·魯尼, 斯科特·考德威爾 申請人:必能信超聲公司