用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置及其焊接方法
2023-05-31 08:30:36
專利名稱：用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置及其焊接方法
技術領域：
本發明涉及雷射焊接技術領域，特別涉及用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置及其焊接方法，採用透射焊接原理對塑料材料進行雷射焊接。
背景技術：
塑料材料，作為高分子材料的重要部分，塑料結構獨特、性能優異，廣泛應用於科學技術、國防建設和國民經濟各個領域。塑料和鋼鐵、木材、水泥並列成為四大支柱材料，以塑代鋼、以塑代木是今後我國發展的方向，這也為高新的塑料加工手段提供了機遇和市場。雷射焊接技術作為一項具有鮮明特性的高新加工技術，在金屬材料的焊接加工領域應用廣泛，成果顯著。隨著綠色環保理念在全球工業生產中的貫徹以及出於生產成本控制方面的考慮，塑料作為一種性能優異的可再生非金屬材料，被日趨廣泛的使用在各行業的零部件設計、製造上，這也使得塑料焊接逐漸成為雷射焊接的一個新興的、充滿希望的應用領域。伴隨著塑料材料和雷射設備方面的進步，憑藉著雷射焊接的優異特性，雷射塑料焊接技術作為一種連接塑料製品的專門方法在越來越多的應用領域得到了的認可，例如在醫學領域，雷射塑料焊接技術可用於製造微流體器件、液體過濾器材、軟管連接頭和液體儲槽等有嚴格潔淨要求的塑料製品；在汽車工業中，可用於製造車燈、發動機傳感器、液壓油箱、 燃油噴嘴和進氣管光歧管等；在光學和電子領域，可用於製造光學傳感器、電子元件外殼和塑料生物晶片等連接敏感性塑料製品(含有線路板)；在服裝工業中，可用於防水纖維的焊接；在包裝領域，可用於塑料薄膜的焊接。塑料雷射焊接一般採用透射焊接原理，利用近紅外線雷射(波長SlOnm 1064nm) 作為兩件疊加塑料部件的焊接熱源，兩件塑料部件中的上層部件相對於紅外雷射透射率比較高，當雷射在其內部傳輸時基本上沒有能量損耗，而下層部件對近紅外雷射則具有較高的吸收率。進行雷射焊接時首先要把兩種塑料部件在低壓力夾具作用下夾緊在一起，然後通過反射鏡、透鏡或者光纖組成的光路系統，使雷射透射過第一個部件後聚焦於第二個部件表面，近紅外線雷射被第二部件表面吸收後轉化為熱能，將兩個部件的接觸面熔化，形成焊接區，在隨後的過程中，熔化的材料凝固形成了焊接接頭(焊縫)，這樣待焊接的兩個部件就被連接在一起完成焊接。雷射透射焊接方法能夠獲得令人滿意的焊接強度，比傳統的超聲波焊接、振動焊接、熱平板焊接等工藝更具成本和性能方面的優勢。由於焊縫存在於兩層塑料材料的中間， 所以焊接件表面具有不被破壞的光潔度，此外，相對常規焊接方法，焊接製品振動應力和熱應力非常微小、焊接過程樹脂降解少，無汙染、並且可以將兩種不同的塑料材料焊接在一起。上述的優點使得雷射透射焊接塑料材料技術在光學、光電子、精密電子、生物醫療設備製造、食品醫藥等行業具有很好的應用前景。但是，在實際的塑料雷射焊接過程中，需要焊接在一起的塑料件的接觸面並不會絕對平整，所以為了保證獲得最大的熔接面積，通常需要對焊件施加一定壓力，但壓力並不是越大越好，過大的壓力會造成塑料熔融體的流失，反而不利於塑料材料間的二次聚合，影響焊接強度。由於不同的塑料材料熔點不同，熔融狀態下的流動性也不同，因而雷射透射焊接時試樣需要的壓力也不同，這使得具備壓力可調功能的焊接裝置不可缺少，但是目前並不存在滿足這方麵條件的焊接裝置。
發明內容
本發明的主要目的在於克服上述現有技術的缺點與不足，提供一種結構簡單、合理，可提供合適壓力的用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置。本發明的另一目的在於提供由上述裝置實現的焊接方法。為達上述目的，本發明採用如下的技術方案用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置，包括支撐板、雷射光源和壓力調節機構，所述壓力調節機構包括壓板機構、導嚮導軌和驅動機構，所述壓板機構與驅動機構連接，且通過導嚮導軌與支撐板連接；所述壓板機構上設有由透光窗口和透光窗體構成的透光窗；被焊接的塑料材料置於支撐板上，且對應地設置在透光窗的下方；雷射光源發射雷射束穿過透光窗，作用於被焊接的塑料材料，即雷射光源通過雷射束依次連接透光窗、被焊接的塑料材料。所述驅動機構包括氣缸、電磁閥、調壓閥和空氣壓縮機，所述氣缸通過管道與所述空氣壓縮機連接，且其活塞杆與壓板機構連接；所述電磁閥、調壓閥依次連接在氣缸與所述空氣壓縮機之間的管道上。所述調壓閥可以改變氣缸的工作氣壓，進而改變被焊接的塑料材料之間的壓力， 獲得符合焊接工藝需要的壓力條件。所述壓板機構包括上壓板和底板，上壓板設置在支撐板的上方，底板設置在支撐板的下方，導嚮導軌的一端與底板連接，其另一端穿過支撐板與上壓板連接；所述上壓板設有構成所述透光窗口的通孔，所述通孔內鑲嵌有所述透光窗體；所述底板與驅動機構的活塞杆連接。導嚮導軌優選為四個，平均分布在支撐板的四角處。上壓板在氣缸的活塞杆伸縮動作的帶動下，隨導嚮導軌向下運動，對放置於支撐板上的焊接件(被焊接的塑料材料)施加大小可調的壓力。所述透光窗體為由強度高、透光性好的石英玻璃材料製成的窗體，使紅外雷射可自上而下傳輸到被焊接的塑料材料的焊接面。所述支撐板上開設有導柱孔，所述導嚮導軌與導柱孔活動地配合連接。在支撐板上設有壓力傳感器，被焊接的塑料材料放置在壓力傳感器的上方，當上壓板對放置於支撐板上的焊接件(被焊接的塑料材料)施加壓力的時候，壓力傳感器會反應出壓力的大小。在支撐板的前側壁上連接有壓力顯示器，可以實時顯示出焊接件(被焊接的塑料材料)所受上壓板壓力的數值，所述壓力顯示器與壓力傳感器連接。所述氣缸倒置地安裝在底板的上表面，且氣缸的氣缸底座通過螺絲與支撐板的下表面連接在一起。該裝置還包括有底座，所述底座設置在底板的下方，並與支撐板連接。由上述用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置實現的焊接方法，包括如下步驟(1)開啟調壓閥，電磁閥接通電源，通過電磁閥開關控制電磁閥實現氣路反嚮導通，空氣壓縮機向氣缸提供反向氣壓，以使氣缸的活塞杆縮回，活塞杆依次帶動底板、上壓板隨導嚮導軌向上運動，當上壓板處於最高點時，將被焊接的塑料材料置於支撐板上，並對應地放在透光窗的下方；(2)通過電磁閥開關控制電磁閥實現氣路正嚮導通，空氣壓縮機向氣缸提供正向氣壓，氣缸的活塞杆伸出，活塞杆依次帶動底板、上壓板隨導嚮導軌向下運動，上壓板接觸被焊接的塑料材料並對其施加壓力，設置在支撐板上的壓力傳感器採集壓力信號，並將所採集的壓力信號發送至壓力顯示器，壓力顯示器實時顯示其壓力值；同時，通過調節調壓閥，實時改變被焊接的塑料材料受到的壓力大小，直至壓力顯示器上顯示的壓力值達到被焊接的塑料材料的焊接壓力大小，所述被焊接的塑料材料的焊接壓力大小優選為165N 1154N ；(3)雷射光源通過透光窗向被焊接的塑料材料發射雷射束，雷射束透過被焊接的塑料材料的上層塑料材料，並聚焦於上下兩層塑料材料的接觸面上；外部的作用力驅使雷射束在所述接觸面上發生相對運動，並在所述接觸面上形成焊縫，從而實現塑料材料的焊接；(4)完成焊接後，通過電磁閥開關控制電磁閥實現氣路反嚮導通，以使氣缸的活塞杆縮回，活塞杆依次帶動底板、上壓板隨導嚮導軌向上運動，上壓板解除對被焊接的塑料材料的壓力，將焊接成型的塑料材料取出，完成加工。所述雷射束為810nm 1064nm波段的近紅外線雷射束，優選為810nm 1064nm 波段的光纖雷射束、半導體雷射束或者Nd: YAG雷射束(即釔鋁石榴石晶體雷射束)。與現有技術相比，本發明具有如下優點和有益效果1、本發明為近紅外雷射(SlOnm 1064nm)的塑料材料透射焊接技術提供關鍵裝置，由於被焊接的塑料材料的壓力是通過上壓板對其施加實現的，通過本裝置可以保證焊接過程中每個焊件(被焊接的塑料材料)在空間上的相對位置不發生變動，保證焊縫位置的準確性和可重複性；更重要的是，本發明設有調壓閥，雷射塑料焊接時本裝置所施加的壓力大小可通過調壓閥進行實時調節，可以使焊接部件獲得合適的壓力條件，進而更好的發生二次聚合而結合在一起，保證焊接質量和焊接強度。2、本發明具有結構緊湊、操作簡便快捷、實用有效的特點。
圖1是本發明裝置的總體結構示意圖。圖2是圖1所示支撐板的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。實施例1如圖1所示，本用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置，包括支撐板4、雷射光源、 壓力調節機構，所述壓力調節機構包括壓板機構、導嚮導軌5和驅動機構，所述壓板機構與驅動機構連接，且通過導嚮導軌5與支撐板4連接；所述壓板機構上設有由透光窗口和對紅外雷射高透射的透光窗體構成的透光窗2 ；被焊接的塑料材料6置於支撐板4上，且對應地設置在透光窗2的下方；雷射光源通過雷射束1依次連接透光窗2、被焊接的塑料材料6，即發射雷射束1穿過透光窗2，作用於被焊接的塑料材料6。所述驅動機構包括氣缸8、電磁閥10、調壓閥11和空氣壓縮機12，所述氣缸8通過管道與所述空氣壓縮機12連接，且其活塞杆與壓板機構連接；所述電磁閥10、調壓閥11依次連接在氣缸8與所述空氣壓縮機12之間的管道上。所述調壓閥11可以改變氣缸8的工作氣壓，進而改變被焊接的塑料材料6之間的壓力，獲得符合焊接工藝需要的壓力條件。所述壓板機構包括上壓板3和底板14，上壓板3設置在支撐板4的上方，底板14 設置在支撐板4的下方，導嚮導軌5的一端與底板14連接，其另一端穿過支撐板4與上壓板3連接；所述上壓板3設有構成所述透光窗口的通孔，所述通孔內鑲嵌有所述透光窗體； 所述底板14與驅動機構的活塞杆連接。導嚮導軌5為四個，平均分布在支撐板4的四角處。上壓板3在氣缸8的活塞杆伸縮動作的帶動下，隨導嚮導軌5向下運動，對放置於支撐板4上的焊接件(被焊接的塑料材料6)施加大小可調的壓力。所述透光窗體為由強度高、透光性好的石英玻璃材料製成的窗體，使紅外雷射可自上而下傳輸到被焊接的塑料材料6的焊接面。 所述支撐板4上開設有導柱孔，所述導嚮導軌5與導柱孔可上下活動地配合連接。如圖2所示，在支撐板4上設有壓力傳感器9，被焊接的塑料材料6放置在壓力傳感器9的上方，當上壓板3對放置於支撐板4上的焊接件(被焊接的塑料材料6)施加壓力的時候，壓力傳感器9會反應出壓力的大小。在支撐板4的前側壁上連接有壓力顯示器7，可以實時顯示出焊接件(被焊接的塑料材料6)所受上壓板3壓力的數值，所述壓力顯示器7與壓力傳感器9連接。所述氣缸8倒置地安裝在底板14的上表面，且氣缸8的氣缸底座通過螺絲與支撐板4的下表面連接在一起。該裝置還包括有底座13，所述底座13設置在底板14的下方，並與支撐板4連接。由上述用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置實現的焊接方法，包括如下步驟(1)開啟調壓閥11，電磁閥10接通電源，通過電磁閥開關控制電磁閥10實現氣路反嚮導通，空氣壓縮機12向氣缸8提供反向氣壓，以使氣缸8的活塞杆縮回，活塞杆依次帶動底板14、上壓板3隨導嚮導軌5向上運動，當上壓板3處於最高點時，將需要被焊接的塑料材料6置於支撐板4上，並對應地放在透光窗2的下方；(2)通過電磁閥開關控制電磁閥10實現氣路正嚮導通，空氣壓縮機12向氣缸8提供正向氣壓，氣缸8的活塞杆伸出，活塞杆依次帶動底板14、上壓板3隨導嚮導軌5向下運動，當上壓板3接觸到被焊接的塑料材料6後，對其施加壓力，此時，設置在支撐板4上的壓力傳感器9會對壓力有所反映，採集其感受到的壓力信號，並將所採集的壓力信號發送至壓力顯示器，在壓力顯示器7上實時顯示出壓力的大小，通過調節調壓閥11，實時改變被焊接的塑料材料受到的壓力大小，直至壓力顯示器上顯示的壓力值達到被焊接的塑料材料6 的合適的焊接壓力參數(壓力大小為165N 11MN)；(3)雷射光源通過透光窗2向被焊接的塑料材料6發射雷射束1，雷射束1透過被焊接的塑料材料6的上層塑料材料，並聚焦於上下兩層塑料材料的接觸面上；雷射束1在外部作用力下(即通過振鏡掃描或者機械運動的方式)，在塑料材料焊接所在平面上(即所述接觸面上)發生位置相對運動時，並在兩層塑料材料的接觸面上形成焊縫，從而實現塑料材料的焊接；(4)完成焊接後，通過電磁閥開關控制電磁閥10實現氣路反嚮導通，以使氣缸8的活塞杆縮回，活塞杆依次帶動底板14、上壓板3隨導嚮導軌5向上運動，上壓板3解除對被焊接的塑料材料6的壓力，此時將焊接成型的塑料材料取出，完成加工。本實施例中採用的雷射束1為1064nm的近紅外光纖雷射束，雷射束1透過上層塑料材料聚焦於上下兩層塑料材料的接觸面上，當通過振鏡掃描或者機械運動的方式使雷射束1在塑料焊接所在平面發生位置相對運動時，會在兩層塑料材料的接觸面上形成焊縫， 從而實現塑料材料的雷射透射焊接過程。實施例2本實施例除下述特徵外其他結構特徵同實施例1 雷射束1為1064nm波段的近紅外半導體雷射束。實施例3本實施例除下述特徵外其他結構特徵同實施例1 雷射束1為980nm波段的近紅外半導體雷射束。實施例4本實施例除下述特徵外其他結構特徵同實施例1 雷射束1為SlOnm波段的近紅外半導體雷射光束。實施例5本實施例除下述特徵外其他結構特徵同實施例1 雷射束1為1064nm波段的近紅外Nd:YAG雷射束(即近紅外釔鋁石榴石晶體雷射束)。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置，包括支撐板和雷射光源，其特徵在於還包括壓力調節機構，所述壓力調節機構包括壓板機構、導嚮導軌和驅動機構，所述壓板機構與驅動機構連接，且通過導嚮導軌與支撐板連接；所述壓板機構上設有由透光窗口和透光窗體構成的透光窗；被焊接的塑料材料置於支撐板上，且對應地設置在透光窗的下方；雷射光源通過雷射束依次連接透光窗、被焊接的塑料材料。
2.根據權利要求1述的用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置，其特徵在於所述驅動機構包括氣缸、電磁閥、調壓閥和空氣壓縮機，所述氣缸通過管道與所述空氣壓縮機連接，且其活塞杆與壓板機構連接；所述電磁閥、調壓閥依次連接在氣缸與所述空氣壓縮機之間的管道上。
3.根據權利要求2所述的用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置，其特徵在於所述壓板機構包括上壓板和底板，上壓板設置在支撐板的上方，底板設置在支撐板的下方，導嚮導軌的一端與底板連接，其另一端穿過支撐板與上壓板連接；所述上壓板設有構成所述透光窗口的通孔，所述通孔內鑲嵌有所述透光窗體；所述底板與驅動機構的活塞杆連接。
4.根據權利要求3所述的用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置，其特徵在於所述透光窗體為由石英玻璃材料製成的窗體。
5.根據權利要求3所述的用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置，其特徵在於所述支撐板上開設有導柱孔，所述導嚮導軌與導柱孔活動地配合連接。
6.根據權利要求3所述的用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置，其特徵在於在支撐板上設有壓力傳感器，被焊接的塑料材料放置在壓力傳感器的上方；在支撐板的前側壁上連接有壓力顯示器，所述壓力顯示器與壓力傳感器連接。
7.根據權利要求3所述的用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置，其特徵在於所述氣缸倒置地安裝在底板的上表面，且氣缸的氣缸底座通過螺絲與支撐板連接在一起。
8.根據權利要求3所述的用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置，其特徵在於該裝置還包括有底座，所述底座設置在底板的下方，並與支撐板連接。
9.由權利要求6所述用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置實現的焊接方法，其特徵在於，包括如下步驟(1)開啟調壓閥，電磁閥接通電源，通過電磁閥開關控制電磁閥實現氣路反嚮導通，空氣壓縮機向氣缸提供反向氣壓，以使氣缸的活塞杆縮回，活塞杆依次帶動底板、上壓板隨導嚮導軌向上運動，當上壓板處於最高點時，將被焊接的塑料材料置於支撐板上，並對應地放在透光窗的下方；(2)通過電磁閥開關控制電磁閥實現氣路正嚮導通，空氣壓縮機向氣缸提供正向氣壓， 氣缸的活塞杆伸出，活塞杆依次帶動底板、上壓板隨導嚮導軌向下運動，上壓板接觸被焊接的塑料材料並對其施加壓力，設置在支撐板上的壓力傳感器採集壓力信號，並將所採集的壓力信號發送至壓力顯示器，壓力顯示器實時顯示其壓力值；同時，通過調節調壓閥，實時改變被焊接的塑料材料受到的壓力大小，直至壓力顯示器上顯示的壓力值達到被焊接的塑料材料的焊接壓力大小；(3)雷射光源通過透光窗向被焊接的塑料材料發射雷射束，雷射束透過被焊接的塑料材料的上層塑料材料，並聚焦於上下兩層塑料材料的接觸面上；外部的作用力驅使雷射束在所述接觸面上發生相對運動，並在所述接觸面上形成焊縫，從而實現塑料材料的焊接；(4)完成焊接後，通過電磁閥開關控制電磁閥實現氣路反嚮導通，以使氣缸的活塞杆縮回，活塞杆依次帶動底板、上壓板隨導嚮導軌向上運動，上壓板解除對被焊接的塑料材料的壓力，將焊接成型的塑料材料取出，完成加工。
10.根據權利要求9所述由用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置實現的焊接方法， 其特徵在於所述雷射束為SlOnm 1064nm波段的近紅外線雷射束。
全文摘要
本發明提供了用於雷射透射焊接塑料材料的焊接裝置，包括支撐板、雷射光源和壓力調節機構，所述壓力調節機構包括壓板機構、支撐板、導嚮導軌和驅動機構，所述壓板機構與驅動機構連接，且通過導嚮導軌與支撐板連接；所述壓板機構上設有由透光窗口和透光窗體構成的透光窗；被焊接的塑料材料置於支撐板上，且對應地設置在透光窗的下方；雷射光源通過雷射束依次連接透光窗、被焊接的塑料材料。本發明還提供了由上述裝置實現的焊接方法。本發明可以使被焊接材料獲得合適的壓力條件，進而更好的發生二次聚合而結合在一起，保證焊接質量和焊接強度。
文檔編號B29C65/16GK102189684SQ20111010996
公開日2011年9月21日 申請日期2011年4月29日 優先權日2011年4月29日
發明者宋傑, 龐振華, 梁錫輝, 趙博 申請人:廣州市光機電技術研究院