專利名稱：塑料激光焊接方法
塑料激光焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接技術(shù)，特別是涉及一種塑料激光焊接方法。背景技術(shù)：
隨著石油的大規(guī)模開采使用和石油化工工業(yè)的高速發(fā)展，塑料作為一種工程材 料，成本低廉、獲取方便(由石油煉化獲取的工業(yè)產(chǎn)品)、加工成型技術(shù)簡單快捷、成品重量 輕、物理特性優(yōu)良、能提供各種工程性能，其應用非常廣泛，在工業(yè)制造和日常生活中的使 用都越來越普遍。一件塑料成品一般可能由多種材料或部件制成，或產(chǎn)品中某些塑料件部件之間連 接，在某些含塑料材料的產(chǎn)品中或塑料制品的加工過程中人們渴望一種更加快速、有效、干 凈的連接方式將各個塑料部件結(jié)合起來。傳統(tǒng)通?？墒褂脵C械固定件、粘合劑及焊接等工 藝進行連接。上述三種接合方式中，以焊接工藝的效果最佳，而且焊接形式多樣，可根據(jù)不 同材料、尺寸、用途而使用不同的焊接工藝。由于材料和設備方面的進步，使激光焊接技術(shù) 作為一種連接塑料制品的專門方法得到了生產(chǎn)廠家的認可，主要用于連接敏感性塑料制品 (含有線路板)、具有復雜幾何形狀的塑料件以及有嚴格潔凈要求的塑料制品(醫(yī)藥設備)寸寸。塑料激光焊接的基本原理是將兩種塑料在一定壓力下被夾緊在一起，激光穿過一 個制品，然后被另外一個制品吸收，吸收激光能量的制品將光能轉(zhuǎn)化為熱能，在塑料的接觸 面熔化，形成一個焊接區(qū)。但現(xiàn)有盒裝密封結(jié)構(gòu)的塑料制品中，如其中裝設電子元器件的盒裝密封結(jié)構(gòu)的塑 料制品，一般置于上層的蓋板為透明的，下層的底板為白色。原有工藝是使用UV膠之類的 黏合劑將上下的蓋板與底板進行粘接，但是由于粘接后產(chǎn)品外觀質(zhì)量、結(jié)合強度等各方面 都達不到要求，因此需要需找新的工藝進行取代。隨之開始嘗試摩擦焊、超聲波焊等方法進行連接。但由于盒體內(nèi)部裝有電子元器 件，如采用摩擦焊、超聲波焊等方法可能會對電子元器件造成損傷，同時無法保證盒體的密 封防水功能。而與傳統(tǒng)的塑料焊接技術(shù)相比，激光焊接塑料技術(shù)主要有以下幾方面的優(yōu)點① 能生成精密、牢固和密封(不透氣和不漏水)的焊接；②易于控制，具有良好的適應性；③ 極大地減小了制品的振動應力和熱應力；④能夠?qū)⒃S多種類不同的材料焊接在一起。焊接前需對待焊接工件之間進行準確定位，不然會導致產(chǎn)品焊接位置出現(xiàn)偏移或 連接不穩(wěn)定，且由于工件之間的位置出現(xiàn)偏移會導致焊接時工件的焊接位置相對于激光光 束偏位，激光光束損傷到盒體中的電子元器件，甚至造成焊接后的產(chǎn)品不合要求。由于傳統(tǒng)焊接的接頭形式一般都為平面接觸，裝配或連接過程中定位困難，在焊 接過程中就會出現(xiàn)偏位，引起一系列問題。另由于上述一類的盒裝密封結(jié)構(gòu)的塑料制品中，相連接的上下材料都為透明材 質(zhì)、或透明與白色材質(zhì)，底層白色材質(zhì)或透明材質(zhì)對激光的吸收率很低，熔化效率很不理想，無法滿足激光焊接中對底層材料吸收激光的要求。
發(fā)明內(nèi)容基于此，有必要提供一種在塑料焊接過程中對待焊接工件準確定位的塑料激光焊 接方法。一種塑料激光焊接方法，包括以下步驟成型出待焊接連接的第一工件與第二工件，并在第一工件與第二工件上分別成型 出相互配合凸起及凹槽形成凸凹式接頭；將第一工件與第二工件置于工作臺上，并通過相互配合的凸凹式接頭定位好第一 工件與第二工件之間的裝配或連接位置；使待焊接工件與焊接激光光束相對移動，使焊接激光光束相對沿待焊接工件的凸 凹式接頭位置移動并將凸凹式接頭熔融焊接連接在一起。在優(yōu)選的實施例中，所述第一工件為透明材質(zhì)制成，所述第二工件為透明材質(zhì)或 淺色材質(zhì)制成。在優(yōu)選的實施例中，所述凸凹式接頭于焊接激光光束的出射方向相對上下位置設 置，所述凸凹式接頭的凹槽底面為吸收激光部位。在優(yōu)選的實施例中，所述第一工件與第二工件裝配或連接前，于第二工件的凹槽 底面上涂覆激光吸收劑；所述凸凸起高度不低于所述凹槽深度設置。在優(yōu)選的實施例中，所述激光吸收劑為對可見光透明的染料。在優(yōu)選的實施例中，所述待焊接連接的第一工件與第二工件置于工作臺時通過夾 具定位夾緊，所述第一工件與第二工件于焊接激光光束的出射方向相對上下位置設置。在優(yōu)選的實施例中，所述夾具包括覆蓋在所述第一工件上的壓板、設置在第二工 件底部并與第二工件外形相匹配的底部支撐塊及提供壓力給所述壓板的動力裝置，所述壓 板為透明板。在優(yōu)選的實施例中，所述焊接激光光束于待焊接部位的激光光斑直徑不小于所述 凸凹式接頭中的凹槽寬度。在優(yōu)選的實施例中，所述激光光束提供的能量由能量密度決定，能量密度由以下 公式確定能量密度=(焊接功率X焊接速度)/光斑直徑，所述光斑直徑通過調(diào)節(jié)焦點位 置進行調(diào)節(jié)。在優(yōu)選的實施例中，所述待焊接工件與激光光束之間的相對運動通過工作臺運動 帶動待測工件運動而相對出射的激光光束運動，所述激光器的功率根據(jù)工作臺的運動速度 進行調(diào)節(jié)并調(diào)節(jié)補償工作臺加速或減速過程中的能量變化。上述塑料激光焊接方法，在待相互焊接連接的工件上成型出相互配合的凸凹式接 頭結(jié)構(gòu)，通過凸凹式接頭解決了待焊接連接工件之間的定位問題，減小待焊接連接工件之 間裝配帶來的誤差、及錯位；使兩者之間良好定位，并提高了工件之間的裝配效率。

圖1為本發(fā)明一實施例的激光焊接機的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明一實施例的待焊接工件的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明一實施例的待焊接工件與夾具結(jié)合的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明一實施例的工作臺速度與相應的能量補償示意圖。
具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明一實施例進行具體說明。本發(fā)明一實施例的塑料激光焊接方法，包括以下步驟成型出待焊接連接的第一 工件20與第二工件40，并在第一工件20與第二工件40上分別成型出相互配合凸起及凹槽 形成凸凹式接頭(如圖2所示)。將第一工件20與第二工件40置于工作臺100上，并通過相互配合的凸凹式接頭 定位好第一工件20與第二工件40之間的裝配或連接位置。使待焊接工件與焊接激光光束相對移動，使焊接激光光束相對沿待焊接工件的凸 凹式接頭位置移動并將凸凹式接頭熔融焊接連接在一起。另待焊接工件于焊接連接前，在工作臺100上設置夾具以定位夾緊待焊接工件。 夾具同時提供一定的壓力給待焊接工件，以使第一工件20與第二工件40更好的接觸。第一工件20與第二工件40裝配前先涂覆激光吸收劑于凸凹式接頭的凹槽底面 上。如圖1至3所示，第一工件20與第二工件40于激光光束的出射方向上相對上下 位置設置。凸凹式接頭于激光光束的出射方向相對上下設置，包括凸起200及凹槽400。凸 起200突設于第一工件20上的與第二工件40相接觸的一面。凹槽400設置在第二工件40 上并與凸起200對應配合設置。凹槽400的凹槽底面為吸收激光部位。第一工件20及第 二工件40設置的凸凹式接頭提供了相互連接工件之間良好定位，并提高了兩個工件之間 的裝配效率。特別當?shù)谝还ぜ?0由透明塑料材質(zhì)制成，第二工件40由透明塑料材質(zhì)制成或由 淺色塑料材質(zhì)如白色塑料材質(zhì)制成。相對置于下層的第二工件40由于為透明或白色等淺色部件無法吸收或不能很好 吸收激光能量，待焊接連接部位的熔化效率不理想，無法滿足激光焊接中對下層部件吸收 激光的要求。因此需要在相對置于下層的第二工件中加入吸收激光的物質(zhì)，如炭黑之類。但 是加入炭黑之類的物質(zhì)后無可避免的會改變下層的第二工件40的顏色，無法滿足要求。故本實施例中的，采用對可見光透明的激光吸收劑。其中可采用英國焊接學會研 制的一種對可見光透明的染料，用這種染料做激光吸收劑，可以得到透明的塑料焊縫。該染 料為液體成分，焊接前將其涂覆在相對置于下層的第二工件40上需焊接的部位。如果是第一工件20與第二工件40為平面接觸方式，則涂覆的焊接位置無法準確 保證。且由于第一工件20與第二工件40之間是平面接觸則涂覆工序中可能導致第一工件 20與第二工件40之間的相互之間的相對位置偏移，造成焊接連接位移位。同時由于是平面 接觸，在平面上涂覆液體狀態(tài)的激光吸收劑會因采用的涂覆方式不同，涂覆的均勻度也無 法保證。本實施例中，將傳統(tǒng)的第一工件與第二工件之間的平面接觸焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化為凸凹 式接頭結(jié)構(gòu)。第一工件20與第二工件40通過注塑模注塑成型，并分別在第一工件20及第 二工件40上成型出凸起200及凹槽400。激光吸收劑通過專用的點膠設備(如Needle Tip點膠機)或涂覆筆手工涂覆在底部的第二工件40的凹槽400中，并可避免污染工件上的其 他部位。優(yōu)選的，第一工件20的凸起200高度不能小于第二工件40的凹槽400的深度，即 凸起200高度設置為等于或略大于第二工件40的凹槽400的深度。第一工件20與第二工件40設置的相互配合的凸凹式接頭結(jié)構(gòu)，一方面可以解決 工件之間的定位問題，減小裝配帶來的誤差和錯位；同時有助于激光吸收染料的涂覆，染料 通過點膠設備或手工涂覆在置于下層的第二工件40的凹槽400中，避免污染待焊接工件的 其他部位。同時激光器通過激光焊接頭發(fā)射出的激光光斑設置成等于或大于凹槽400寬度。 本實施例中，為了獲得更好的焊接效果，將激光光斑調(diào)節(jié)為略大于凹槽400寬度的激光光 斑，并選擇匹配的焊接功率和速度，即可實現(xiàn)無痕跡的焊接。待焊接工件上連接設置有將待焊接工件定位在工作臺上的夾具，包括設置在底部 與第二工件40外形相匹配的底部支撐塊60、相對置于第一工件20上部的壓板80及與壓板 80連接的動力裝置。動力裝置本實施例中采用氣缸90，當然也可采用電機或其他動力傳動
直ο底部支撐塊60本實施例中為金屬模具，支撐待焊接工件，與第二工件40的外形相 匹配并定位、固定第二工件40。壓板80設置在第一工件20上方，由氣缸90帶動上下移動而壓制在第一工件20 上。壓板80為透明板，如可采用透明材質(zhì)PC或PMMA等制成，可90%以上透過激光。優(yōu)選 的，壓板的厚度設置為約為8mm 10mm。壓板80大厚，激光透過率會受到影響，而太薄則無 法保證其剛性，對待焊接工件施加的壓力均勻性較差。氣缸90可根據(jù)需要對實施的壓力可 以進行調(diào)節(jié)，以適應不同材質(zhì)、強度制品的裝夾。壓板80與底部支撐塊60配合夾緊待焊接 工件。且保證第一工件20的凸起200高度不能小于第二工件40的凹槽的400深度，以 保證通過氣缸90帶動的壓板80覆蓋壓制在第一工件20上對第一工件20施加壓力，實現(xiàn) 第一工件20與第二工件40之間的待焊接面的良好貼合，進而保證焊接時不會出現(xiàn)因工件 之間貼合不好出現(xiàn)的燒焦、氣泡等焊接缺陷，得到無缺陷的焊縫。如圖1所示，本實施例中，承載待焊接工件的工作臺選用三維工作臺104。三維工 作臺包括帶動待焊接工件作X、Y方向的運動的水平工作臺、及可帶動激光器的光纖準直焦 頭作Z方向運動的垂直工作臺。本實施例的三維工作臺104可焊接點、直線、圓、方形或由 直線、圓弧等組成的任意平面圖形的工件。由于塑料本身有其自身的融化溫度、分解溫度的限制，塑料焊接過程中需要提供 的能量使塑料焊接部位處于融化溫度的區(qū)間內(nèi)，又不能達到其分解溫度導致其失效。激光器105提供的激光光束所能提供能量大小由激光提供的能量密度來決定能 量密度J/mm2 =(焊接功率WX焊接速度mm/s) /光斑直徑mm。光斑直徑大小可通過改變激光器105的焦點位置進行改變，以獲得需要的光斑尺 寸。另夾具壓力是外部因素，壓力的大小會影響待焊接工件之間的導熱條件和焊接效 果。夾具提供給待焊接工件的夾緊力在焊接過程中根據(jù)需要進行調(diào)試。如圖1及圖5所示，待焊接工件的平面移動由水平工作臺在X、Y方向的運動實現(xiàn)。激光器在工作過程中發(fā)射出的激光能量為連續(xù)能量。激光器提供的激光能量根據(jù)水平工作 臺的運動速度進行調(diào)節(jié)。如圖5所示，水平工作臺在焊接開始及結(jié)束位置在X/Y平面上的運行設置為漸進 漸出。焊接過程中包括上升段、設定值工作段、拐角段、設定值工作段、及下降段。焊接開始階段為上升段，水平工作臺在X/Y平面上的運動屬于加速過程，此時激 光器提供的能量也與水平工作臺在χ/γ平面上的運動速度進行相適應調(diào)節(jié)，能量逐漸升高 至設定值。焊接結(jié)束段或焊接過程中拐角段，水平工作臺會減速，此時能量會降低到設定數(shù) 值，以此來保證能量和速度的協(xié)調(diào)。水平工作臺在上升階段、拐角段及下降階段的加速度根 據(jù)需要進行設定，且可根據(jù)需要設定為任意數(shù)值。上升段的加速度、下降段的加速度、工作 段的速度設定值及工作段的激光器105的功率設定值、拐角段的速度及激光器的功率下降 設定值都根據(jù)實際焊接需要進行設置。整個焊接過程由控制裝置109進行控制，并設置有監(jiān)控器107對整個焊接過程進 行監(jiān)控。根據(jù)塑料對激光的透射與反射特性，同時結(jié)合不同激光器的光束特點，本實施例 中激光器選用半導體激光器。如圖4所示，半導體激光器與Nd: YAG激光器的光束對比示意 圖。半導體激光器光束為平頂波光束，焊縫一致性好。而Nd: YAG激光器或光纖激光器光束 為高斯光束，峰值較高，容易損傷工件，焊縫一致性較差。且從經(jīng)濟上來說，半導體激光器的 電光轉(zhuǎn)換效率及運行成本較Nd: YAG激光器也具有很大的優(yōu)勢。本實施例中，優(yōu)選的，半導體激光器選用波長為980nm的半導體連續(xù)激光器，透明 塑料對此波長的激光透過率可達90%左右。并選用最大功率可達120W的半導體連續(xù)激光 器，焊接起始段上升時間及焊接結(jié)束下降段時間均可根據(jù)焊接速度的需要進行調(diào)節(jié)，以消 除工作臺加速或減速造成的能量變化。本實施例中，第一工件20與第二工件40的相配合 凸凹式接頭結(jié)構(gòu)需考慮兩工 件之間結(jié)合面尺寸，不適合于結(jié)合面尺寸過小的工件或制品。本實施例中，使用半導體激光器進行制品的焊接，可以獲得優(yōu)于粘接及傳統(tǒng)焊接 方法所得到的制品，外觀一致性、結(jié)合的強度及制品的密防水封性能都得到了很好的提高; 同時大幅提高了制品的生產(chǎn)效率，為制品生產(chǎn)的半自動化和自動化創(chuàng)造了有利的條件。創(chuàng)新性地采用凹凸式結(jié)合面，提高了工件或制品間的裝配速度，解決了工件之間 的裝配定位問題，同時為激光吸收染料的涂覆提供了良好的通道，提高了制品的生產(chǎn)效率 和質(zhì)量水平。以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并 不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保 護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權(quán)利要求為準。
權(quán)利要求
一種塑料激光焊接方法，其特征在于，包括以下步驟成型出待焊接連接的第一工件與第二工件，并在第一工件與第二工件上分別成型出相互配合凸起及凹槽形成凸凹式接頭；將第一工件與第二工件置于工作臺上，并通過相互配合的凸凹式接頭定位好第一工件與第二工件之間的裝配或連接位置；使待焊接工件與焊接激光光束相對移動，使焊接激光光束相對沿待焊接工件的凸凹式接頭位置移動并將凸凹式接頭熔融焊接連接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塑料激光焊接方法，其特征在于，所述第一工件為透明材質(zhì) 制成，所述第二工件為透明材質(zhì)或淺色材質(zhì)制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塑料激光焊接方法，其特征在于，所述凸凹式接頭于焊接激 光光束的出射方向相對上下位置設置，所述凸凹式接頭的凹槽底面為吸收激光部位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塑料激光焊接方法，其特征在于，所述第一工件與第二工件 裝配或連接前，于第二工件的凹槽底面上涂覆激光吸收劑；所述凸凸起高度不低于所述凹 槽深度設置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的塑料激光焊接方法，其特征在于，所述激光吸收劑為對可見 光透明的染料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塑料激光焊接方法，其特征在于，所述待焊接連接的第一工 件與第二工件置于工作臺時通過夾具定位夾緊，所述第一工件與第二工件于焊接激光光束 的出射方向相對上下位置設置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的塑料激光焊接方法，其特征在于，所述夾具包括覆蓋在所述 第一工件上的壓板、設置在第二工件底部并與第二工件外形相匹配的底部支撐塊及提供壓 力給所述壓板的動力裝置，所述壓板為透明板。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塑料激光焊接方法，其特征在于，所述焊接激光光束于待焊 接部位的激光光斑直徑不小于所述凸凹式接頭中的凹槽寬度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塑料激光焊接方法，其特征在于，所述激光光束提供的能量 由能量密度決定，能量密度由以下公式確定能量密度=(焊接功率X焊接速度)/光斑直 徑，所述光斑直徑通過調(diào)節(jié)焦點位置進行調(diào)節(jié)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塑料激光焊接方法，其特征在于，所述待焊接工件與激光光 束之間的相對運動通過工作臺運動帶動待測工件運動而相對出射的激光光束運動，所述激 光器的功率根據(jù)工作臺的運動速度進行調(diào)節(jié)并調(diào)節(jié)補償工作臺加速或減速過程中的能量 變化。
全文摘要
一種塑料激光焊接方法，包括以下步驟成型出待焊接連接的第一工件與第二工件，并在第一工件與第二工件上分別成型出相互配合凸起及凹槽形成凸凹式接頭；將第一工件與第二工件置于工作臺上，并通過相互配合的凸凹式接頭定位好第一工件與第二工件之間的裝配或連接位置；使待焊接工件與焊接激光光束相對移動，使焊接激光光束相對沿待焊接工件的凸凹式接頭位置移動并將凸凹式接頭熔融焊接連接在一起；上述塑料激光焊接方法，在待相互焊接連接的工件上成型出相互配合的凸凹式接頭結(jié)構(gòu)，通過凸凹式接頭解決了待焊接連接工件之間的定位問題，減小待焊接連接工件之間裝配帶來的誤差、及錯位；使兩者之間良好定位，并提高了工件之間的裝配效率。
文檔編號B29C65/16GK101898419SQ20101014221
公開日2010年12月1日 申請日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者朱寶華, 胡學安, 高云峰 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司