專利名稱：結(jié)構(gòu)塑料制品的激光連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種連接用塑料制成的不同工件或使塑料與不同材料連接的激光連接方法，正對激光光源的上層工件用激光光束可透過的材料制成，第二工件用吸收激光光束的材料制成，從而在后面的加壓冷卻過程中兩工件的相鄰接觸面熔融、粘合在一起。
背景技術(shù)：
這一方法是公知的，例如參見EP-A1-997 261。在該方法中，屏幕形激光光束照射在所述工件上，不要加熱的區(qū)域用掩膜蓋住。用公知方法把結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)工件連接在一起。只在接觸面上焊接這兩工件，因此使用一掩膜。
用激光光束焊接塑料需要對熱能的計(jì)量進(jìn)行控制。這一計(jì)量的決定性因素是能量密度和照射持續(xù)時(shí)間，能量密度和照射持續(xù)時(shí)間決定著熱量累積過程的快慢和塑料可達(dá)到的最大溫度。
可用上述公知的掩膜焊接原理在工件的具有所需焊接結(jié)構(gòu)的表面區(qū)域上進(jìn)行焊接。此時(shí)，在焊接平面上直線移動的屏幕形激光光束掃過期望的表面區(qū)域，熱能的計(jì)量受激光功率和掃描速度的控制。熱能的空間分布決定于該掩膜，因?yàn)樵谄聊恍渭す夤馐丈湎拢芰棵芏仍诩す鈧鞑シ较蛏洗笾卤３植蛔?。因此，該部件上處于不同高度、未被照射的部位必需用一掩膜蓋住。這當(dāng)然同樣適用于在對應(yīng)表面上高速掃描的點(diǎn)狀激光光束。
在公知方法中，使用掩膜有時(shí)是不利的，因?yàn)楸匦鑼ρ谀みM(jìn)行調(diào)節(jié)，因此部件的生產(chǎn)率降低。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提高一種可能途徑，在該途徑中，可以高產(chǎn)量按照本文第一段所述光透射焊接方法把結(jié)構(gòu)工件連接在一起。
按照本發(fā)明，用具有獨(dú)立權(quán)利要求的特征的方法實(shí)現(xiàn)該目的。進(jìn)一步的有利改進(jìn)見各從屬權(quán)利要求。
使用本發(fā)明方法，用光學(xué)系統(tǒng)聚焦激光光束，使得能量密度在接觸面區(qū)域最大。在這種情況下根據(jù)應(yīng)用場合，通過合適選擇透鏡來選擇該光學(xué)系統(tǒng)，使得該區(qū)域的橫截面變大或變小。結(jié)果是，盡管接觸面和位于下面的表面區(qū)域受到激光光束的照射，但第二工件的材料只在接觸面上發(fā)生熔融。因此，兩工件只在接觸面區(qū)域中熔融、互相連接在一起。因此無需掩膜就可結(jié)構(gòu)性焊接兩接觸面。對激光光束來說，重要的是，能量密度較高的區(qū)域足以使得兩工件熔合并且能夠位于從激光光源看去的激光傳播方向上。為了使兩工件熔合在一起，重要的是，結(jié)構(gòu)高度d遠(yuǎn)比最大能量密度區(qū)的高度h大。因此，在很集中的高能量密度下，至少激光不透過的第二工件中的結(jié)構(gòu)可相應(yīng)地小而位于下面的結(jié)構(gòu)不軟化，因?yàn)槲挥谙旅娴慕Y(jié)構(gòu)上的能量密度不夠。在最有利情況中，該最大能量密度區(qū)只是一表面區(qū)域。
最好使用具有高能量密度的光束縮聚部的激光光束，因?yàn)檫@使得高能量密度以與上述條件對應(yīng)的方式只集中在小區(qū)域中。最好根據(jù)激光光束不透過的結(jié)構(gòu)化第二工件中的待焊接區(qū)域來設(shè)定該光束縮聚部的高度h和寬度b。
按照該方法的一種發(fā)展，用柱面透鏡生成該激光光束。用圓柱形會聚透鏡把該線性激光光束只照射到該透鏡的聚焦平面上。這意味著，激光光束在傳播方向上的能量密度決定于距離激光光源的距離。最大能量密度出現(xiàn)在光束縮聚部上。該光束縮聚部的幾何形狀(高度h和寬度b)決定于該透鏡的光學(xué)孔徑和焦距長度。會聚角越大，焦距越短，光束縮聚部越薄。該光束縮聚部的厚度也可稱為清晰影像投影區(qū)厚度。
在一結(jié)構(gòu)工件的情況下，如這些結(jié)構(gòu)的高度差顯著大于光束縮聚部的厚度，則焊縫的形態(tài)只決定于聚焦平面上的表面區(qū)結(jié)構(gòu)。


下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明例示性實(shí)施例，附圖中圖1簡示出焊接兩塑料工件；圖2為光束縮聚部的放大圖；圖3示出包括標(biāo)準(zhǔn)二極管激光器的基本結(jié)構(gòu)；以及圖4示出基本結(jié)構(gòu)，其中，激光光束經(jīng)光引導(dǎo)件輸入。
具體實(shí)施例方式
圖1放大示出照射到柱面透鏡2上的激光光束1。該柱面透鏡2把激光光束1重新形成能量密度在傳播方向上變動的激光光束3。結(jié)果，激光光束在整個(gè)縱向剖面上不具有不同的寬度或直徑。高能量密度區(qū)域的直徑或光束寬度比低能量密度區(qū)域小。在該例示性實(shí)施例中，激光光束3形成有縮聚部4。圖2放大示出激光光束3的縮聚部4區(qū)域。該圖示出受對應(yīng)光學(xué)措施影響的光束縮聚部4的寬度b和高度h。寬度b為激光光束3的最小寬度。高度h具有最小寬度b的區(qū)域的長度。
圖1還示出激光光束可透過的第一工件5和位于第一工件下方、激光光束不可透過的第二工件6。為簡明起見，工件5在該圖中畫成透明，盡管這并不意味著第一工件不能是彩色的。工件6具有位于下面的表面區(qū)8和接觸面7相對比的結(jié)構(gòu)，表面區(qū)8不被激光光束3軟化。與圖1所示相反，透明工件5也可如現(xiàn)有技術(shù)所示具有結(jié)構(gòu)。但是，在這種情況中，下層工件6中沒有表面可被上層工件5蓋住，因?yàn)檫@會導(dǎo)致不適當(dāng)加熱。圖1示出光束縮聚部4周圍的高能量密度區(qū)域位于接觸面7區(qū)域中。激光光束3的形狀使得位于下面的表面區(qū)域8中的能量密度不足以熔化兩工件。因此，軟化只發(fā)生在接觸面區(qū)域中，從而兩工件5、6以公知方式在該區(qū)域中連接。因此與現(xiàn)有技術(shù)比較，激光光束是否照射到位于下面的表面區(qū)域并無差別。因此無需掩膜。重要的是，工件5、6布置成其接觸面7位于光束縮聚部4的區(qū)域中?？筛鶕?jù)工件5、6中結(jié)構(gòu)的幾何形狀來改變高度h和寬度b。
圖3簡示出把圓錐形激光光束1照射到該柱面透鏡2上的標(biāo)準(zhǔn)二極管激光器9。如結(jié)合圖1所述，柱面透鏡2把激光光束1重新形成激光光束3，激光光束3然后照射到待焊接表面區(qū)域10而與底下表面區(qū)域8無關(guān)。應(yīng)該指出，待焊接表面區(qū)域10不必與工件的整個(gè)表面重合。還可看出，重要的是工件5、6與激光光束3之間的相對運(yùn)動。在該例示性實(shí)施例中，移動工件5、6。
在圖4所示例示性實(shí)施例中，圓錐形激光光束12用球面會聚透鏡13從光引導(dǎo)件1被引導(dǎo)到柱面透鏡2。
在該例示性實(shí)施例中，線性激光光束與兩工件相對移動。同樣也可生成點(diǎn)狀激光而不是線狀激光，該點(diǎn)狀激光然后必需受引導(dǎo)照射到表面區(qū)域上。
權(quán)利要求
1.一種連接由塑料制成的不同工件(5，6)或使塑料與不同材料連接的激光連接方法，正對激光光源的上層工件(5)用激光光束(3)可透過的材料制成，第二工件(6)用吸收激光光束(3)的材料制成，從而在隨后加壓冷卻過程中兩工件(5，6)的相鄰接觸面(7)熔融、粘合在一起，至少第二工件(6)的結(jié)構(gòu)表面具有位于下面的表面區(qū)域(8)正對另一工件(5)，激光光束(3)和這兩工件作相對運(yùn)動，其中，用光學(xué)系統(tǒng)把該激光光束(3)聚焦成能量密度在接觸面區(qū)域(7)上最大，第二工件(6)的材料的熔化只發(fā)生在接觸面(7)上，接觸面(7)和位于下面的表面區(qū)域(8)受激光光束的照射，工件(5，6)只在接觸面(7)的區(qū)域中熔化、連接在一起。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，由該聚焦生成的光束縮聚部的高度(h)和寬度(b)按照待焊接的工件(5，6)的結(jié)構(gòu)設(shè)定。
全文摘要
用透射焊接方法連接不同工件的激光連接方法。此時(shí)，如此形成激光光束激光光束在傳播方向上的能量密度決定于離開激光光源的距離。因此生成能量密度最大的光束被定位的縮聚部。把兩工件之間的接觸面布置成使該接觸面位于該高能量密度區(qū)域上。因此，光束縮聚部區(qū)域之外的塑料材料得不到有效加熱。因此用該方法可大規(guī)模生產(chǎn)焊接結(jié)構(gòu)工件。
文檔編號B23K26/06GK1572471SQ200410047529
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月22日
發(fā)明者陳杰偉, A·丹策爾 申請人:萊斯特加工技術(shù)公司