專利名稱：用于激光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(fā)明涉及激光焊接技術領域，特別涉及用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置及其焊接方法，采用透射焊接原理對塑料材料進行激光焊接。
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(yōu)異，廣泛應用于科學技術、國防建設和國民經(jīng)濟各個領域。塑料和鋼鐵、木材、水泥并列成為四大支柱材料，以塑代鋼、以塑代木是今后我國發(fā)展的方向，這也為高新的塑料加工手段提供了機遇和市場。激光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(huán)保理念在全球工業(yè)生產(chǎn)中的貫徹以及出于生產(chǎn)成本控制方面的考慮，塑料作為一種性能優(yōu)異的可再生非金屬材料，被日趨廣泛的使用在各行業(yè)的零部件設計、制造上，這也使得塑料焊接逐漸成為激光焊接的一個新興的、充滿希望的應用領域。伴隨著塑料材料和激光設備方面的進步，憑借著激光焊接的優(yōu)異特性，激光塑料焊接技術作為一種連接塑料制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(yī)學領域，激光塑料焊接技術可用于制造微流體器件、液體過濾器材、軟管連接頭和液體儲槽等有嚴格潔凈要求的塑料制品；在汽車工業(yè)中，可用于制造車燈、發(fā)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，可用于制造光學傳感器、電子元件外殼和塑料生物芯片等連接敏感性塑料制品(含有線路板)；在服裝工業(yè)中，可用于防水纖維的焊接；在包裝領域，可用于塑料薄膜的焊接。塑料激光焊接一般采用透射焊接原理，利用近紅外線激光(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于紅外激光透射率比較高，當激光在其內(nèi)部傳輸時基本上沒有能量損耗，而下層部件對近紅外激光則具有較高的吸收率。進行激光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，然后通過反射鏡、透鏡或者光纖組成的光路系統(tǒng)，使激光透射過第一個部件后聚焦于第二個部件表面，近紅外線激光被第二部件表面吸收后轉(zhuǎn)化為熱能，將兩個部件的接觸面熔化，形成焊接區(qū)，在隨后的過程中，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。激光透射焊接方法能夠獲得令人滿意的焊接強度，比傳統(tǒng)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(yōu)勢。由于焊縫存在于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(guī)焊接方法，焊接制品振動應力和熱應力非常微小、焊接過程樹脂降解少，無污染、并且可以將兩種不同的塑料材料焊接在一起。上述的優(yōu)點使得激光透射焊接塑料材料技術在光學、光電子、精密電子、生物醫(yī)療設備制造、食品醫(yī)藥等行業(yè)具有很好的應用前景。但是，在實際的塑料激光焊接過程中，需要焊接在一起的塑料件的接觸面并不會絕對平整，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，但壓力并不是越大越好，過大的壓力會造成塑料熔融體的流失，反而不利于塑料材料間的二次聚合，影響焊接強度。由于不同的塑料材料熔點不同，熔融狀態(tài)下的流動性也不同，因而激光透射焊接時試樣需要的壓力也不同，這使得具備壓力可調(diào)功能的焊接裝置不可缺少，但是目前并不存在滿足這方面條件的焊接裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服上述現(xiàn)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于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置。本發(fā)明的另一目的在于提供由上述裝置實現(xiàn)的焊接方法。為達上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置，包括支撐板、激光光源和壓力調(diào)節(jié)機構，所述壓力調(diào)節(jié)機構包括壓板機構、導向?qū)к壓万?qū)動機構，所述壓板機構與驅(qū)動機構連接，且通過導向?qū)к壟c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于支撐板上，且對應地設置在透光窗的下方；激光光源發(fā)射激光束穿過透光窗，作用于被焊接的塑料材料，即激光光源通過激光束依次連接透光窗、被焊接的塑料材料。所述驅(qū)動機構包括氣缸、電磁閥、調(diào)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，且其活塞桿與壓板機構連接；所述電磁閥、調(diào)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(diào)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，導向?qū)к壍囊欢伺c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(nèi)鑲嵌有所述透光窗體；所述底板與驅(qū)動機構的活塞桿連接。導向?qū)к墐?yōu)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桿伸縮動作的帶動下，隨導向?qū)к壪蛳逻\動，對放置于支撐板上的焊接件(被焊接的塑料材料)施加大小可調(diào)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制成的窗體，使紅外激光可自上而下傳輸?shù)奖缓附拥乃芰喜牧系暮附用?。所述支撐板上開設有導柱孔，所述導向?qū)к壟c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，當上壓板對放置于支撐板上的焊接件(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(shù)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，并與支撐板連接。由上述用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置實現(xiàn)的焊接方法，包括如下步驟(1)開啟調(diào)壓閥，電磁閥接通電源，通過電磁閥開關控制電磁閥實現(xiàn)氣路反向?qū)?，空氣壓縮機向氣缸提供反向氣壓，以使氣缸的活塞桿縮回，活塞桿依次帶動底板、上壓板隨導向?qū)к壪蛏线\動，當上壓板處于最高點時，將被焊接的塑料材料置于支撐板上，并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(xiàn)氣路正向?qū)?，空氣壓縮機向氣缸提供正向氣壓，氣缸的活塞桿伸出，活塞桿依次帶動底板、上壓板隨導向?qū)к壪蛳逻\動，上壓板接觸被焊接的塑料材料并對其施加壓力，設置在支撐板上的壓力傳感器采集壓力信號，并將所采集的壓力信號發(fā)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(diào)節(jié)調(diào)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(yōu)選為165N 1154N ；(3)激光光源通過透光窗向被焊接的塑料材料發(fā)射激光束，激光束透過被焊接的塑料材料的上層塑料材料，并聚焦于上下兩層塑料材料的接觸面上；外部的作用力驅(qū)使激光束在所述接觸面上發(fā)生相對運動，并在所述接觸面上形成焊縫，從而實現(xiàn)塑料材料的焊接；(4)完成焊接后，通過電磁閥開關控制電磁閥實現(xiàn)氣路反向?qū)?，以使氣缸的活塞桿縮回，活塞桿依次帶動底板、上壓板隨導向?qū)к壪蛏线\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。所述激光束為810nm 1064nm波段的近紅外線激光束，優(yōu)選為810nm 1064nm 波段的光纖激光束、半導體激光束或者Nd: YAG激光束(即釔鋁石榴石晶體激光束)。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果1、本發(fā)明為近紅外激光(SlOnm 1064nm)的塑料材料透射焊接技術提供關鍵裝置，由于被焊接的塑料材料的壓力是通過上壓板對其施加實現(xiàn)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(fā)生變動，保證焊縫位置的準確性和可重復性；更重要的是，本發(fā)明設有調(diào)壓閥，激光塑料焊接時本裝置所施加的壓力大小可通過調(diào)壓閥進行實時調(diào)節(jié)，可以使焊接部件獲得合適的壓力條件，進而更好的發(fā)生二次聚合而結合在一起，保證焊接質(zhì)量和焊接強度。2、本發(fā)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(fā)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(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例1如圖1所示，本用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置，包括支撐板4、激光光源、 壓力調(diào)節(jié)機構，所述壓力調(diào)節(jié)機構包括壓板機構、導向?qū)к?和驅(qū)動機構，所述壓板機構與驅(qū)動機構連接，且通過導向?qū)к?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激光高透射的透光窗體構成的透光窗2 ；被焊接的塑料材料6置于支撐板4上，且對應地設置在透光窗2的下方；激光光源通過激光束1依次連接透光窗2、被焊接的塑料材料6，即發(fā)射激光束1穿過透光窗2，作用于被焊接的塑料材料6。所述驅(qū)動機構包括氣缸8、電磁閥10、調(diào)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，且其活塞桿與壓板機構連接；所述電磁閥10、調(diào)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(diào)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，導向?qū)к?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(nèi)鑲嵌有所述透光窗體； 所述底板14與驅(qū)動機構的活塞桿連接。導向?qū)к?為四個，平均分布在支撐板4的四角處。上壓板3在氣缸8的活塞桿伸縮動作的帶動下，隨導向?qū)к?向下運動，對放置于支撐板4上的焊接件(被焊接的塑料材料6)施加大小可調(diào)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制成的窗體，使紅外激光可自上而下傳輸?shù)奖缓附拥乃芰喜牧?的焊接面。 所述支撐板4上開設有導柱孔，所述導向?qū)к?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對放置于支撐板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(shù)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，并與支撐板4連接。由上述用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置實現(xiàn)的焊接方法，包括如下步驟(1)開啟調(diào)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(xiàn)氣路反向?qū)?，空氣壓縮機12向氣缸8提供反向氣壓，以使氣缸8的活塞桿縮回，活塞桿依次帶動底板14、上壓板3隨導向?qū)к?向上運動，當上壓板3處于最高點時，將需要被焊接的塑料材料6置于支撐板4上，并對應地放在透光窗2的下方；(2)通過電磁閥開關控制電磁閥10實現(xiàn)氣路正向?qū)?，空氣壓縮機12向氣缸8提供正向氣壓，氣缸8的活塞桿伸出，活塞桿依次帶動底板14、上壓板3隨導向?qū)к?向下運動，當上壓板3接觸到被焊接的塑料材料6后，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，采集其感受到的壓力信號，并將所采集的壓力信號發(fā)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(diào)節(jié)調(diào)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(shù)(壓力大小為165N 11MN)；(3)激光光源通過透光窗2向被焊接的塑料材料6發(fā)射激光束1，激光束1透過被焊接的塑料材料6的上層塑料材料，并聚焦于上下兩層塑料材料的接觸面上；激光束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(fā)生位置相對運動時，并在兩層塑料材料的接觸面上形成焊縫，從而實現(xiàn)塑料材料的焊接；(4)完成焊接后，通過電磁閥開關控制電磁閥10實現(xiàn)氣路反向?qū)?，以使氣?的活塞桿縮回，活塞桿依次帶動底板14、上壓板3隨導向?qū)к?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。本實施例中采用的激光束1為1064nm的近紅外光纖激光束，激光束1透過上層塑料材料聚焦于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激光束1在塑料焊接所在平面發(fā)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(xiàn)塑料材料的激光透射焊接過程。實施例2本實施例除下述特征外其他結構特征同實施例1 激光束1為1064nm波段的近紅外半導體激光束。實施例3本實施例除下述特征外其他結構特征同實施例1 激光束1為980nm波段的近紅外半導體激光束。實施例4本實施例除下述特征外其他結構特征同實施例1 激光束1為SlOnm波段的近紅外半導體激光光束。實施例5本實施例除下述特征外其他結構特征同實施例1 激光束1為1064nm波段的近紅外Nd:YAG激光束(即近紅外釔鋁石榴石晶體激光束)。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)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(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置，包括支撐板和激光光源，其特征在于還包括壓力調(diào)節(jié)機構，所述壓力調(diào)節(jié)機構包括壓板機構、導向?qū)к壓万?qū)動機構，所述壓板機構與驅(qū)動機構連接，且通過導向?qū)к壟c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于支撐板上，且對應地設置在透光窗的下方；激光光源通過激光束依次連接透光窗、被焊接的塑料材料。
2.根據(jù)權利要求1述的用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置，其特征在于所述驅(qū)動機構包括氣缸、電磁閥、調(diào)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，且其活塞桿與壓板機構連接；所述電磁閥、調(diào)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(jù)權利要求2所述的用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置，其特征在于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，導向?qū)к壍囊欢伺c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(nèi)鑲嵌有所述透光窗體；所述底板與驅(qū)動機構的活塞桿連接。
4.根據(jù)權利要求3所述的用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置，其特征在于所述透光窗體為由石英玻璃材料制成的窗體。
5.根據(jù)權利要求3所述的用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置，其特征在于所述支撐板上開設有導柱孔，所述導向?qū)к壟c導柱孔活動地配合連接。
6.根據(jù)權利要求3所述的用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置，其特征在于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(jù)權利要求3所述的用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置，其特征在于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(jù)權利要求3所述的用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置，其特征在于該裝置還包括有底座，所述底座設置在底板的下方，并與支撐板連接。
9.由權利要求6所述用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置實現(xiàn)的焊接方法，其特征在于，包括如下步驟(1)開啟調(diào)壓閥，電磁閥接通電源，通過電磁閥開關控制電磁閥實現(xiàn)氣路反向?qū)?，空氣壓縮機向氣缸提供反向氣壓，以使氣缸的活塞桿縮回，活塞桿依次帶動底板、上壓板隨導向?qū)к壪蛏线\動，當上壓板處于最高點時，將被焊接的塑料材料置于支撐板上，并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(xiàn)氣路正向?qū)?，空氣壓縮機向氣缸提供正向氣壓， 氣缸的活塞桿伸出，活塞桿依次帶動底板、上壓板隨導向?qū)к壪蛳逻\動，上壓板接觸被焊接的塑料材料并對其施加壓力，設置在支撐板上的壓力傳感器采集壓力信號，并將所采集的壓力信號發(fā)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(diào)節(jié)調(diào)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?。?3)激光光源通過透光窗向被焊接的塑料材料發(fā)射激光束，激光束透過被焊接的塑料材料的上層塑料材料，并聚焦于上下兩層塑料材料的接觸面上；外部的作用力驅(qū)使激光束在所述接觸面上發(fā)生相對運動，并在所述接觸面上形成焊縫，從而實現(xiàn)塑料材料的焊接；(4)完成焊接后，通過電磁閥開關控制電磁閥實現(xiàn)氣路反向?qū)ǎ允箽飧椎幕钊麠U縮回，活塞桿依次帶動底板、上壓板隨導向?qū)к壪蛏线\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(jù)權利要求9所述由用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置實現(xiàn)的焊接方法， 其特征在于所述激光束為SlOnm 1064nm波段的近紅外線激光束。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于激光透射焊接塑料材料的焊接裝置，包括支撐板、激光光源和壓力調(diào)節(jié)機構，所述壓力調(diào)節(jié)機構包括壓板機構、支撐板、導向?qū)к壓万?qū)動機構，所述壓板機構與驅(qū)動機構連接，且通過導向?qū)к壟c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于支撐板上，且對應地設置在透光窗的下方；激光光源通過激光束依次連接透光窗、被焊接的塑料材料。本發(fā)明還提供了由上述裝置實現(xiàn)的焊接方法。本發(fā)明可以使被焊接材料獲得合適的壓力條件，進而更好的發(fā)生二次聚合而結合在一起，保證焊接質(zhì)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(yōu)先權日2011年4月29日
發(fā)明者宋杰, 龐振華, 梁錫輝, 趙博 申請人:廣州市光機電技術研究院