一種針對兩種透光塑料的雷射焊接方法與流程
2023-06-07 00:39:21
本發明涉及一種針對兩種透光塑料的雷射焊接方法。
背景技術：
塑料由於其成本低廉、獲取方便、加工成形技術簡單快捷、成品重量輕、導熱導電性能極低和較小的摩擦阻力等優點，被廣泛的應用於航空、船舶、汽車、電器、包裝、玩具、電子等行業。但是，大多數塑料製品都是模製品，由於注塑、擠壓等工藝限制，相當一部分製品因尺寸、形狀及結構的限制，不能一次加工成型，需要二次加工進行連接。
雷射焊接能生成精密、牢固和密封(不透氣和不漏水)的焊縫，而且樹脂分解少，產生的碎屑少，由於雷射的非接觸特性，不會產生汙染。與傳統的雷射焊接工藝相比，雷射塑料焊接工藝具有如下不可比擬的優點：1)能射能生成精密、牢固和密封的焊接；2)易於控制，可焊接具有複雜空間外形的塑料製件，具有很好的適應性；3)極大地減小了焊接產品的振動應力和熱應力，增加了產品的使用壽命；4)能夠將許多種類不同的塑料材料焊接在一起。
塑料雷射焊接領域的最大難點是透光-透光塑料的雷射透射焊接。目前實現透光-透光塑料雷射焊接的途徑主要有三種：一，大多數塑料能吸收1400nm到2200nm波段的電磁輻射，利用這一波段的雷射可能可以焊接某些透光塑料；二，採用焦距小於50mm光柵口徑大於30mm的專用短焦焊接頭，並且在上層試板表面施加冷卻的方法也能焊接部分透光塑料；三，在兩層透光塑料之間添加一層雷射吸收劑，可實現大多數透光-透光塑料的雷射焊接。
但是，第一、二種方法對焊接設備有特殊要求，通用性不強；第三種方法由於現有的雷射吸收劑通用性低，難以實現，質量較差，使用起來效率較低。這三種方法都無法滿足生產的需求。因此，有必要進一步改進。
技術實現要素：
本發明的目的旨在提供一種簡單合理、性能優異、實施成本低、易實現、安全可靠且通用性強的針對兩種透光塑料的雷射焊接方法，以克服現有技術中的不足之處。
按此目的設計的一種針對兩種透光塑料的雷射焊接方法，其特徵在於：包括雷射打標機、塑料雷射焊接機和至少二個待焊工件a和工件b，其焊接步驟如下：
步驟一，工件a和工件b均為透明或淺色塑料，使用雷射打標機調節至焦距附近位置，在一定的打標工藝參數下將工件b表面打黑。
步驟二，將工件a和表面已打黑的工件b固定於塑料雷射焊接機的工作檯上，其中工件a置於工件b上方，通過夾具使兩工件待焊接面緊密貼合在一起。
步驟三，在一定的焊接工藝參數下，調節塑料雷射焊接機的雷射焊接頭到工件a和工件b的待焊接面處垂直距離，讓近紅外線雷射以偏離焦點的方式透射過工件a，然後被工件b吸收，工件b所吸收的雷射轉化為熱能，將兩個工件的接觸表面熔化並形成焊接區，最後將工件a和工件b焊接在一起。
所述雷射打標機所用雷射器為光纖雷射器，發出波長為1064nm的雷射；或者，雷射打標機所用雷射器為co2雷射器，發出波長為10640nm的雷射。
所述塑料雷射焊接機所用的雷射器為半導體雷射器，發出波長為915nm的雷射。
所述步驟一中的打標工藝參數如下：打標速度為500－6000mm/min，功率為10－100w，頻率為10－1200hz，脈寬為10－350ns。
所述步驟三中的焊接工藝參數如下：焦點偏離的距離為5－20mm，功率為20－150w。
本發明通過上述結構的改良，為透光與透光塑料的雷射焊接提供了一種新的方法，可有效的解決透光與透光塑料雷射焊接的難題。具體地，利用雷射打標技術，將下層透光塑料表面打黑，從而增大了下層透光塑料對雷射的吸收率，再利用雷射透射焊接原理，在一定夾緊力的作用下實現透光塑料的焊。其具有以下優點：
1、本方法採用將下層透光塑料待焊區域打黑來吸收雷射，無需添加額外材料，不引入其他物質，進一步確保接頭的質量；
2、本方法針對不同的塑料可採取不同的打黑工藝以適用於不同塑料的焊接，通用性強；
3、本方法對焊接設備無特殊要求，易於實現，降低生產成本；
4、本方法操作簡單，易於操控，易於實現自動化。
綜合而言，其具有簡單合理、性能優異、實施成本低、易實現、安全可靠且通用性強等特點，實用性強。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步描述。
本針對兩種透光塑料的雷射焊接方法，包括雷射打標機、塑料雷射焊接機和至少二個待焊工件a和工件b，其焊接步驟如下：
步驟一，工件a和工件b均為透明或淺色塑料，首先依據雷射打標工作原理，雷射發生器產生的雷射經聚焦對工件局部進行作用，使工件表層材料汽化或發生顏色變化的化學反應。使用雷射打標機，調節至焦距附近位置，雷射經聚焦後快速掃過工件b表面，在一定的打標工藝參數下將，使得雷射作用到工件b的區域在高溫下被打黑。
進一步地講，步驟一中的打標工藝參數如下：打標速度為500－6000mm/min，功率為10－100w，頻率為10－1200hz，脈寬為10－350ns。具體數值隨材料的特性而定，通常對工件進行打標時處在雷射偏離焦點4mm內。由於塑料表面易灼燒，故需採用較高的速度，較低的速度使得塑料工件表面僅達到變黑的程度而非灼燒產生不規則氣孔。一般速度在2000mm/s以上時，比較好控制打黑工藝。
進一步地講，雷射打標機所用雷射器為光纖雷射器，發出波長為1064nm的雷射；或者，雷射打標機所用雷射器為co2雷射器，發出波長為10640nm的雷射。
步驟二，將工件a和表面已打黑的工件b固定於塑料雷射焊接機的工作檯上，其中工件a置於工件b上方，通過夾具使兩工件待焊接面緊密貼合在一起。
步驟三，在一定的焊接工藝參數下，調節塑料雷射焊接機的雷射焊接頭到工件a和工件b的待焊接面處垂直距離，讓近紅外線雷射以偏離焦點的方式透射過工件a，然後被工件b吸收，工件b所吸收的雷射轉化為熱能，將兩個工件的接觸表面熔化並形成焊接區，最後將工件a和工件b焊接在一起。
進一步地講，步驟三中的焊接工藝參數如下：焦點偏離的距離為5－20mm，功率為20－150w。具體數值隨焊接材料的透光性、厚度以及焊接速度而改變。通常焊接工件時處在雷射偏離焦點4mm內，長距離的偏焦是用在焊接成型後起到整平美觀的作用。使用塑料焊接機時必須離焦焊，原因是正焦點焊接時由於功率密度高，塑料對雷射波長的吸收一般在810－980mm，而採用1064nm波長時，塑料對雷射的吸收就不是很好，這樣在正焦點焊接時容易將塑料的上表面燒傷，達不到焊接要求。實驗證明在焦點位置偏移不遠的位置上進行焊接，其上表面透光塑料會有嚴重的燒傷，而且會出現不規則的打孔點。
進一步地講，塑料雷射焊接機所用的雷射器為半導體雷射器，發出波長為915nm的雷射。
下面，給出用本發明的針對透光塑料與透光塑料的一些具體實例。
實例1：透明pp與透明pp的雷射焊接
(1)雷射打標：
雷射功率：100w
焊接速度：2000mm/min
頻率：200hz
脈寬：60ns
(2)雷射焊接：
雷射功率：30w
焊接速度：1000mm/min
離焦量：+10mm
經雷射打標後，待焊區域表面被掃黑，再進行雷射焊接，能夠實現透明pp與透明pp的焊接，獲得具有足夠強度的焊接接頭。
實例2：白色pp與綠色pp的雷射焊接
(1)雷射打標：
雷射功率：100w
焊接速度：3000mm/min
頻率：65hz
脈寬：250ns
(2)雷射焊接：
雷射功率：40w
焊接速度：200mm/min
離焦量：+5mm
綠色pp經掃黑後，表面吸光能力增強，與白色pp搭接進行雷射焊接，能夠緊密焊接在一起，接頭強度良好。
因此，本發明提出的針對透光塑料與透光塑料的雷射焊接方法，能夠解決兩種透光材料雷射透射焊接時下層塑料不吸收雷射的問題。同時，由於打黑工藝簡單，可以應用於自動化生產線，能夠有效的提升透光塑料的雷射焊接效率。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本領域的技術人員應該了解本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等同物界定。