專利名稱：用高焊接速度連接塑料材料的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用高焊接速度連接塑料材料的一種方法和一種裝置。
根據這種穿射技術進行焊接過程的前提條件是塑料在紅外線照射(IR-Bestrahlung)下的受熱反應。涂有吸收紅外線物質的塑料在受照射時吸收來自紅外線光源(激光源)的熱能從而變熱。熱能的集聚從而在塑料中達到的溫度取決于能量的配給方式，例如能量密度和照射時間。此外還有材料特性例如導熱性也很重要。焊接過程的決定性的步驟是從固態(tài)到液態(tài)的相過渡，下面也將稱為熔化溫度。為了達到熔化溫度，由于塑料的導熱性很低因此需要一定的加熱時間。原則上可以用較高的吸收輻射劑量來縮短照射時間。但這一措施縮小了在其中可以進行過程參數的個體匹配的過程窗，從而使焊接質量明顯變差。
連續(xù)的薄膜材料例如可以用作一個微觀結構的構件、傳感器、促動器等的一部分，其中薄膜材料同時也是構件的輸送機構。連續(xù)的薄膜材料也可以用于包裝這種在薄膜上輸送的構件或其它待包裝的物品。為了制造這種被焊接的連續(xù)薄膜，重要的是實現一種盡可能精確的迅速的焊接過程。
根據本發(fā)明，這一技術問題是通過方法權利要求的特征和裝置權利要求的特征來解決的。其它優(yōu)選的設計方案由各從屬權利要求給出。
根據本發(fā)明的方法，為了產生一條沿縱向延伸的焊縫，設置一個加工區(qū)，在該加工區(qū)中，材料借助激光束在一個預熱區(qū)連續(xù)地被加熱到熔化溫度，接著在一個熔化區(qū)熔化。加工區(qū)的第三階段即冷卻階段沒有被激光束覆蓋。根據本發(fā)明，希望的較高焊接速度通過激光束覆蓋區(qū)域的尺寸匹配實現。為此沿運動方向設置一個加長的加工區(qū)，其自動地延長了照射時間從而可以在較好的焊接質量前提下實現高的焊接速度。因此，焊接速度的提高可以通過延長加工區(qū)來實現。為此要求激光束以一種特殊照射形式實施，其使熔化過程和預熱過程能夠在一個緊湊的加工過程中同時進行。集成在激光束中的塑料預熱過程(預熱區(qū))是可能實現的高焊接速度的一個重要特征。
為此，最好設置一個線形的加工區(qū)。該加工區(qū)至少部分地借助這樣一種準直的激光束產生，該激光束在其寬度內可以通過相應的光學系統(tǒng)調節(jié)。在垂直方向，激光線的形狀取決于接觸面到激光光學系統(tǒng)的距離。
在本發(fā)明的方法中重要的是，沿運動方向對齊的線形激光束在整個加工區(qū)內到達接觸面上。因此支承基礎必須至少有相當于該長度的一個區(qū)域。
為了在達到熔化溫度之后有附加能量用于焊接過程，根據本發(fā)明方法的另一種設計方案，在線形的照射區(qū)之后接著設置另一個高能量密度的點狀激光束。
為了測量溫度，也可以在該處設置一個高溫計以進行溫度的紅外線測量，其中為了提供點狀激光束以及為了紅外線測量可以使用用于輻射導向的同一光學系統(tǒng)。通過這種測量可以觀察熔化區(qū)并相應調整激光功率。
根據本發(fā)明的一種優(yōu)選設計方案，通過兩個對向轉動的相互壓在一起的輥引導材料，其中激光束通過能透過激光束的第一輥進到照射區(qū)。由此可以保證薄膜的相應的進給。這里重要的是，如前所述，接觸面由線形的激光束遍及。這意味著，第一輥具有較大的直徑。同時，根據本發(fā)明的另一種優(yōu)選設計方案，第二輥設計成在外周面上很容易變形因此提供了一個理想的較長的加工區(qū)，因為兩個輥之間的接觸部位不是僅僅限于垂直于輸送方向的一條線上。
此外，如開頭所述，對本發(fā)明的方法來說重要的是，材料在壓力下相互連在一起。這一點緊接著加工區(qū)之后進行。根據本發(fā)明方法的一種優(yōu)選設計方案，材料在照射區(qū)已經被壓在一起。
通過第二輥的變形，兩塊待連接的材料以相應的壓力直接在熔融過程中壓在一起。第二輥的變形也迫使兩塊被連接的材料相應于第一透明輥的半徑彎曲。因此，必須使被連接的材料隨后沿焊接過程出現的彎曲方向被卷起。對向轉動的卷取不利于焊接連接以及相互連接的材料。在具有大半徑的第一輥處這種彎曲效應最小。
透明的輥例如可以用玻璃、透明塑料如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或者其它合適的材料制成。為了使激光束在接觸面上有希望的寬度，可以或者通過相應的光學系統(tǒng)產生希望寬度的射束，或者通過以足夠的速度進行相應的來回掃描產生一個比激光線寬的照射區(qū)。為了使激光束通過第一輥施加到材料上，可以將一個相應的激光源設置在輥上。但該激光源最好設置在輥的外部，通過輥中相應的轉向機構使激光束分布在希望的部位。
根據本發(fā)明方法的另一種設計方案，透明的第一輥在材料接觸到外表面之前被清潔，以便去除可能粘在上面的來自材料的臟顆粒，從而不損害通過輥進行的焊接過程必需的能量傳遞。這一點，例如可以通過適當的刷子機械式地進行和/或通過壓縮空氣或真空、電的方式(抗靜電涂層)或其它對當前應用場合合適的方式方法進行。
對最佳的連接來說另一個重要參數是施加必要的壓力。為了控制該壓力，可以借助布置在第二輥表面上的平面壓力傳感器獲知這個壓緊力，所述壓力傳感器是公知的并且商業(yè)上通用的。由壓力傳感器提供的值在一個與之相連的控制單元中分析并相應地調節(jié)一個輥，最好是可變形的那個輥。
為了產生一種不同于正常線形的焊接輪廓，可以在透明的輥上布置一個掩模。根據輻射質量，可以將該掩模布置在內部或外部。布置掩模的一種典型的例于是在輥旋轉過程中掩模覆蓋待焊接材料的一定部位，從而產生沿輸送方向連續(xù)的間斷焊縫。
用于連接連續(xù)材料的裝置包括兩個對向轉動的相互壓在一起的輥，其中第一輥由一種能透過激光束的材料制成并設計成管狀，第二配對輥由一種表面可輕微變形的材料制成。此外，在第一輥中布置用于在接觸面上產生至少一個激光束的機構。在這些機構中，可以是產生激光束的機構，也可以是將輥外部產生的激光束施加到希望位置上的轉向機構。在外周面上可輕微變形的輥至少在外部范圍內由一種以相應柔軟性制造成的橡膠彈性材料。
根據本發(fā)明的一種優(yōu)選設計方案，在第一輥中有一個用于紅外線測量溫度的機構，其最好是相對測量點可移動。這就可以檢查希望的加工階段和在控制機構中進行相應的分析。
用于產生至少一個激光束的機構在接觸區(qū)產生一個沿材料運動方向布置的激光束。最好可以沿運動方向在該線形激光束后面再設置一個點狀激光束。
下面借助附圖詳細描述本發(fā)明。
圖2中為舉例說明原理示出了一種結構，其示出了

圖1的簾式激光束2，該激光束照到沿箭頭方向移動的材料3例如薄膜上。由激光源1產生的激光束借助一個轉向機構6轉向，該轉向機構實現了一種可以垂直于材料3運動方向的相應運動。在激光源1的旁邊可以設置另一個激光源7，和/或一個用于紅外線測量的高溫計。該機構具有一個可旋轉的頭部8，該頭部允許沿材料可自由限定的運動，從而在此可以根據使用情況而逐點地附加加熱或相應的溫度測量，而不必替換光學元件9。用相應的高溫計可以在沿著焊接線的任一個位置測量溫度。點激光和高溫計的使用也可以通過安裝在線光源旁邊集成在一起，也就是將點激光通過光學系統(tǒng)聚集到材料中并將熱輻射經同樣的光學路徑聚集并導入高溫計中。
圖3示出了裝置中的各個元件的示意布置方案。圖中示意表示了在一個透明輥17中的一個激光源11。這只是示例性的，因為原則上也可以而且實踐中也更容易實現的是使用一個轉向鏡6，如圖4所示。激光源11產生了一個簾式激光束12，該激光束在例如用石英玻璃或PMMA制成的透明輥17和例如用橡膠彈性材料制成的易變形的輥18之間的部位16產生一個線形的照射區(qū)。薄膜形的材料13，14由輥21及22展直并在兩個對向旋轉的被動輥17和18之間通過。材料的前進通過驅動輥25和26實現。易變形的配對輥18在壓緊力方面可調節(jié)，如箭頭13所示。相互連接的薄膜13，14在兩個輥17，18之間按照輥17的曲率稍微彎曲。因此以焊縫15相互連接的薄膜24在繼續(xù)運行時繞輥17引導并以相同的曲率卷到卷繞輥20上。如圖所示，通過配對輥18的變形實現了一個比照射區(qū)16更長的較長壓緊面。
在該實施例中兩塊材料相互連在一起。原則上也可以將三塊材料相互連在一起，其中當中間的材料足夠薄時，在接觸面上產生的熱量就傳遞到第三塊薄膜上。
附圖中還用19表示了一個刷子形狀的清潔機構。此外，在圖中沒有示出，但對專業(yè)人士來說很容易想到并實現在輥17中設置一個或多個掩模，以便產生一定輪廓的焊縫15。另外在第二輥18的外周面上可以設置平面的壓力傳感器(圖中未示出)，通過該壓力傳感器可以控制壓緊力。也可以為輥18設置一個橡膠彈性的外套，將傳感器放在該外套下面。
借助這樣一種裝置，在激光功率為70W、焊接線長15毫米情況下可以實現每秒400毫米的焊接速度。在點狀焊接或者用激光束垂直于運動方向在相同寬度(1毫米)的情況下，焊接過程要慢15倍。
圖4再次放大示出了透明輥17和易變形的輥18，其中在輥17中設置一個轉向鏡6，該轉向鏡使來自激光源的激光束轉向到線16上。
權利要求
1.用于連接連續(xù)的塑料材料的方法，其中借助一個激光束使上面的材料被激光束穿透，在上面的透明材料和下面的不能透過激光束的材料之間的接觸面上，兩塊材料熔化并在壓力下相互連接在一起，其中激光束和待連接的材料相對運動，其特征在于，為了產生縱向的焊縫在接觸面上設置一個加工區(qū)(P)，在該加工區(qū)，材料借助激光束在預熱區(qū)(I)被持續(xù)加熱到熔化溫度(Tm)，然后在熔化區(qū)(II)熔化。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述材料在激光束(2)的照射區(qū)(D)范圍內已經壓在一起。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，設置一個線形的加工區(qū)(P)，該加工區(qū)最好至少部分地借助一個簾式準直的激光束(2)產生。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，在熔化區(qū)(II)另外設置一個隨后的點狀激光束。
5.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述材料通過兩個對向旋轉的相互壓在一起的輥(17，18)引導，其中激光束(12)通過一個能透過激光束的第一輥(17)到達照射區(qū)。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，第二輥(18)由于第一輥(17)作用而在周向稍微變形。
7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，相連的材料接著沿對應于第一輥(17)的曲率方向被卷取。
8.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，第一輥(17)在材料接觸到外表面之前被清潔。
9.根據前述權利要求之一所述的方法，其特征在于，借助在第一輥中的一個掩模影響焊接輪廓。
10.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，壓緊力借助布置在第二輥(18)上或表面部位中的壓力傳感器獲得。
11.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，在加工區(qū)(P)之后借助一個高溫計測量溫度。
12.借助激光束(12)連接塑料材料的裝置，由于上面的材料(13)的透明性激光束穿過該上面的材料，在與下面的吸收激光束的材料(14)的接觸面上加熱和熔化材料，以及一個將材料壓在一起的機構，其特征在于，為了連接連續(xù)的材料，材料通過兩個對向旋轉的相互壓在一起的輥(17，18)引導，其中第一輥(17)用一種能透過激光束的材料制成并設計成管狀，第二輥(18)用一種表面易變形的材料制成，在第一輥(17)中設置用于在接觸面上產生至少一個激光束(12)的機構(11)。
13.根據權利要求12所述的裝置，其特征在于，在第一輥(17)中設置一個機構(7)用于紅外線測量溫度，其最好設計成測量點可移動。
14.根據權利要求12所述的裝置，其特征在于，機構(11)在接觸區(qū)產生一種沿材料運動方向的線形激光束(12)。
15.根據權利要求13所述的裝置，其特征在于，機構(11)在接觸區(qū)接著線形激光束之后沿運動方向產生一種點狀激光束。
16.根據前述權利要求12-15之一所述的裝置，其特征在于，在第一輥(17)的外周面上有一個清潔機構(19)。
全文摘要
借助穿射技術連接連續(xù)塑料材料的方法和裝置。根據本發(fā)明，為了連接連續(xù)的材料通過兩個對向旋轉的相互壓在一起的輥引導。第一輥由一種能透過激光束的材料制成并設計成管狀。第二輥由一種表面易變形的材料制成，因此其表面可以與第一輥的形狀匹配。在第一輥中設置機構用于在待連接的材料之間的接觸面上產生激光束。該激光束設計成沿材料運動方向的線形激光束，從而在運行時連續(xù)地加熱材料直到熔點，而不需要過高的機構功率。借助該方法和裝置可以實現高速的連續(xù)連接。
文檔編號B23K26/20GK1460589SQ03136038
公開日2003年12月10日 申請日期2003年5月15日 優(yōu)先權日2002年5月16日
發(fā)明者陳杰偉, A·尼德爾伯格 申請人:萊斯特加工技術公司