CN104385577A - 一种可实现任意曲面焊接的激光透射焊接夹紧装置 - Google Patents

Abstract

一种用于热塑性塑料间或者热塑性塑料与金属材料间的可实现任意曲面焊接的激光透射焊接夹紧装置，其包括PC机，PLC控制器，液压系统，压力传感器，光源控制系统，还包括：施压系统，压紧组件和外围固件;施压系统在二维压紧组件表面上施加均匀的压紧力，压紧组件将压紧力传递给上工件和下工件且压紧力分布均匀，从而实现对复杂工件的夹紧,激光在PC机的控制下对工件进行焊接；该热塑性塑料的激光透射焊接夹紧装置可以实现对任意曲面工件的焊接，同时能精确控制焊接路径和压紧力，提高焊接件的整体强度和刚度，采用上下模压紧，压紧力均匀分布在表面，避免加工后出现应力集中，提高加工工件的质量。

Description

一种可实现任意曲面焊接的激光透射焊接夹紧装置

技术领域

本发明涉及一种激光焊接技术，尤其是一种热塑性塑料间或者热塑性塑料与金属材料间的激光透射焊接夹紧装置，具体地说是一种可实现任意曲面焊接的激光透射焊接夹紧装置。

背景技术

塑料制品具有重量轻、强度高、密度低、成本低、弹性优良、耐腐蚀等优点，因为这些优点，塑料制品应用越来越多，且热塑性塑料应用更为广泛。但受注塑、挤塑加工工艺和模具制作等多方面的影响，很多形状不规则或结构复杂的塑料制品很难一次注塑成型，通常最经济、有效的方法是将多个简单的注塑件组合在一起，因此，出现了各种各样的热塑性塑料的连接方法。传统的机械连接方法由于易损伤元器件、连接不牢固和外来物质的引入等缺点而得不到广泛使用。激光透射焊接相比于传统的焊接方法有着诸多的优点，比如，焊接速度快，精度高，无污染，非接触式焊接，自由灵活，是目前热塑性塑料间以及热塑性塑料与金属之间最具有潜力的焊接方法。

激光透射焊接技术是一种新兴的热塑性塑料的焊接方法，它采用的是近红外激光束（800~1060nm）作为激光热源，通过透镜、反射镜或光钎组成的光路传输系统，将激光能量传输到待焊区域，激光能量在下层材料的上表面被高效的吸收，光能转变为热能，形成一定的温度梯度，在热传导的作用下，热量向上、下两个方向传输，上、下层材料紧接着被加热、熔化。在压紧力的作用下分子间相互扩散，经过一段时间后熔池冷却，最终形成焊缝。

激光透射焊接技术是未来发展的趋势，但是其也面临一大难题，就是焊接夹紧装置。专利《激光透射焊接随动夹紧装置》，申请号为：201210462627.X，该装置虽然可以实现三维焊缝的焊接，但是夹紧力不均匀，根据相关研究，焊接过程中，压紧力的大小和是否均匀对焊接件的质量有很大影响。其次，莱丹公司发明的Globo焊接装置比较巧妙，其焊接头部有一个玻璃球，这个玻璃球既能对激光束聚焦，又能施加压紧力，其主要优点是能够实现任意三维焊缝的焊接，且结构紧凑，但是它采用的是单个点接触，容易导致焊接后应力集中，此外该玻璃球长时间滚动摩擦容易导致玻璃球表面磨损，使玻璃球光学性能变差，所以，迫切需要一种能克服以上缺点的装置。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，设计一种适用于热塑性塑料间及热塑性塑料与金属之间的激光透射焊接夹紧装置，它不仅能实现对任意曲面工件的焊接，而且能精确控制焊接路径和压紧力，提高焊接件的整体强度和刚度，采用上下模压紧，压紧力均匀分布在表面，避免加工后出现应力集中，提高加工工件的质量。

本发明的技术方案是：

一种可实现任意曲面焊接的激光透射焊接夹紧装置，它包括PC机、PLC控制器、液压系统、压力传感器、上顶板和下底板，液压系统受控于PLC控制器，PLC控制器受控于PC机，压力传感器与PC机电气连接，其特征是所述的下底板上安装有液压小顶针，液压小顶针的进排油口与液压系统相连，液压小顶针的上端与工作台相抵，工作台上安装有下模，下模上安装有下工件，上模和下模组成压紧组件；上顶板通过支柱与下底板相连，上顶板上设有玻璃窗，玻璃窗的下部是与下模相对的能透过激光的上模，上模下是能透过激光的上工件，压力传感器安装在上模与上顶板的接触面之间，激光头位于玻璃窗的上部并与驱动其移动的伺服电机相连。

所述的液压小顶针的进油管道和回油管道分别连接液压系统的电磁阀，液压系统的电磁阀的信号控制线连接PLC控制器；下底板上开设有十字形凹槽，凹槽内均匀开设沉头通孔，孔内安置液压小顶针,所有液压小顶针的顶针杆末端竖直向上放置，液压小顶针的顶针杆末端连接在工作台上。

所述的上模是根据上工件定制的，所述的下模是根据下工件定制的，上模与上工件配合，下模与下工件配合，上模与下模之间留有方便夹紧的空隙，上模为玻璃材质，下模为铝合金或钢质材料。

所述的上工件对激光透明，激光可穿透上工件，所述下工件对激光不透明，具有较强吸收激光的能力。

所述的PC机根据压力传感器的数据与预压紧力的对比结果控制PLC控制器做出相应的动作，PLC控制器再控制液压系统做出相应的动作，使由液压小顶针和液压系统组成的施压系统在二维压紧组件表面上施加均匀的压紧力，压紧组件将压紧力传递到上工件的上表面和下工件的下表面上且压紧力分布均匀，从而实现对任意曲面工件的夹紧，且夹紧力精确可控，分布均匀；然后，根据平台上工件的形状和预焊接区域，PC机生成控制程序指令，然后控制伺服电机，接着伺服电机控制激光沿着特定路线移动，从而实现对工件的焊接。

本发明的有益效果是：

1、 本发明不仅能在平面工件上进行简单的二维焊接，而且也能在三维曲面上进行焊接。

2、本装置采用数控编程技术，能精确控制焊接位置，实现精细焊接，焊接路径也可以任意选择。

3、本发明采用上下模压紧，压紧力均匀分布，避免加工后出现应力集中，提高加工工件的质量。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的下底板的结构示意图。

图3是本发明的上顶板的结构示意图。

图中：1为伺服电机，2为激光头，3为激光，4为玻璃窗，5为上顶板，6为压力传感器，7为上工件，8为上模，9为下工件，10为下模，11为支柱，12为工作台，13为液压小顶针，14为下底板，15为液压系统，16为 PLC控制器，17为PC机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示。

一种可实现任意曲面焊接的激光透射焊接夹紧装置，它包括PC机17、PLC控制器16、液压系统15、压力传感器6、上顶板5和下底板14，如图1所示，液压系统15受控于PLC控制器16，PLC控制器16受控于PC机17，压力传感器6与PC机17电气连接，所述的下底板14上安装有液压小顶针13，所述的液压小顶针13的进油管道和回油管道分别连接液压系统15的电磁阀，液压系统15的电磁阀的信号控制线连接PLC控制器16，下底板14上开设有十字形凹槽，凹槽内均匀开设沉头通孔，孔内安置液压小顶针13，如图2所示，所有液压小顶针13的顶针杆末端竖直向上放置，液压小顶针13的顶针杆末端连接在工作台12上。工作台12上安装有下模10，下模10上安装有下工件9，上模8和下模10组成压紧组件，所述上模8是根据上工件7定制的，所述下模10是根据下工件9定制的，上模8与上工件7配合，下模10与下工件9配合，上模8与下模10之间留有方便夹紧的空隙，上模8为玻璃材质，下模10为铝合金或钢质材料，上工件7对激光3透明，下工件9对激光3不透明，能强烈吸收激光3；上顶板5通过支柱11与下底板14相连，上顶板5上设有玻璃窗4，如图3所示，玻璃窗4的下部是与下模10相对的能透过激光3的上模8，上模8下是能透过激光3的上工件7，压力传感器6安装在上模8与上顶板5的接触面之间，激光头2位于玻璃窗4的上部并与驱动其移动的伺服电机1相连。PC机17根据压力传感器6的数据与预压紧力的对比结果控制PLC控制器16做出相应的动作，PLC控制器16再控制液压系统15做出相应的动作，使由液压小顶针13和液压系统15组成的施压系统在二维压紧组件表面上施加均匀的压紧力，压紧组件将压紧力传递到上工件7的上表面和下工件9的下表面上且压紧力分布均匀，从而实现对任意曲面工件的夹紧，且夹紧力精确可控，分布均匀；然后，根据平台上工件的形状和预焊接区域，PC机17生成控制程序指令，然后控制伺服电机1，接着伺服电机1控制激光3沿着特定路线移动，从而实现对工件的焊接。

详述如下：

如图1所示，本发明的激光透射焊接夹紧装置除包括PC机17，PLC控制器16，液压系统15，压力传感器6，光源控制系统外，还包括：施压系统，压紧组件和外围固件。光源控制系统为：PC机17连接伺服电机1，伺服电机1控制X轴伺服电机，Y轴伺服电机和Z轴伺服电机。激光头2安装于Z向导轨上，Z轴伺服电机控制激光头2在Z向导轨上作Z向运动；Z向导轨安装于Y向导轨上，Y轴伺服电机控制Z向导轨在Y向导轨上作Y向运动；Y向导轨又安装于X向导轨上，X轴伺服电机控制Y向导轨在X向导轨上作X向运动；这样就可以控制激光头2在空间任意位置发出激光3。所述施压系统具体如下：所有液压小顶针13的进油管道和回油管道分别连接液压系统15的电磁阀，液压系统15的电磁阀的信号控制线连接PLC控制器16；下底板14上开设十字形凹槽，凹槽内均匀开设沉头通孔，孔内安置液压小顶针13,所有液压小顶针13的顶针杆末端竖直向上放置，液压小顶针13的顶针杆末端连接在工作台12上。所述外围固件具体如下：支柱11的上端连接在上顶板5上，下端连接在下底板14上，上顶板5中央开设有一透明玻璃窗4，玻璃窗4能使激光3透过。所述压紧组件由上模8和下模10所组成，压紧组件放置在工作台12之上，上顶板5之下，焊接区域位于玻璃窗4正下方。所述上模8是根据上工件7定制的，所述下模10是根据下工件9定制的，上模8与上工件7配合，下模10与下工件9配合，上模8与下模10之间留有一定空隙，方便夹紧，上模8为玻璃材质，下模10为铝合金或钢质材料。所述上工件7对激光3（在一定波长下）透明，所述下工件9对激光3（在一定波长下）不透明，能强烈吸收激光3（在一定波长下）。在PC机17中输入预压紧力，PC机17根据压力传感器6的数据与预压紧力的对比结果，控制PLC控制器16做出相应的动作，PLC控制器16再控制液压系统15做出相应的动作，液压系统15控制液压小顶针13伸出或者缩回；当压力传感器6的数据小于预压紧力时，液压系统15控制液压小顶针13伸出；当压力传感器6的数据等于预压紧力时，液压系统15控制液压小顶针13保持原状；当压力传感器6的数据大于预压紧力时，液压系统15控制液压小顶针13缩回；然后液压小顶针13对压紧组件施加一定的压紧力，压紧组件再把此压紧力传递给工件，上下工件就会被压紧在一起；根据平台上工件的形状和预焊接区域，PC机17生成控制程序指令，然后控制伺服电机1，接着伺服电机1控制激光3沿着特定路线移动，从而实现对工件的焊接。

利用本发明的夹紧装置进行热塑性塑料激光透射焊接方法为：

（1）设有不规则上工件7和下工件9，根据上工件7和下工件9制作上模8和下模10，上工件7和上模8配合，下工件9和下模10配合，上模8和下模10之间留有一定的距离，方便夹紧，上模8上表面和下模10下表面都为平面，上模8的材质为玻璃，以便激光3透过，下模10为铝合金或钢质。

（2）上模8，上工件7，下工件9和下模10按照从上到下的顺序放置在工作台12上，且焊接区域位于玻璃窗4正下方。

（3）在PC机17中输入预压紧力，PC机17根据压力传感器6的数据与预压紧力的对比结果，控制PLC控制器16做出相应的动作，PLC控制器16再控制液压系统15做出相应的动作，液压系统15控制液压小顶针13伸出或者缩回；当压力传感器6的数据小于预压紧力时，液压系统15控制液压小顶针13伸出；当压力传感器6的数据等于预压紧力时，液压系统15控制液压小顶针13保持原状；当压力传感器6的数据大于预压紧力时，液压系统15控制液压小顶针13缩回；这样就可以使工件上夹紧力达到预定值。

（4）开始加工后，PC机17根据焊接点的位置，通过伺服电机1控制X轴伺服电机和Y轴伺服电机，从而控制激光3沿着焊缝运行；同时PC机17根据焊接点的位置，通过伺服电机1控制Z轴伺服电机，从而控制激光3焦点的位置。

（5）加工完成后，PC机17控制激光器关闭，同时PC机17通过PLC控制器16和液压系统15控制液压小顶针13缩回，方便成品的取出。至此，上工件7和下工件9的激光透射焊接完成了。

在未背离本发明原理的情况下，所作的任何修改，简化等替换方式，都包括在本发明的保护范围之内。如：对于很复杂的工件，可以把三轴加工修改为五轴加工。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现技术加以实现。

Claims (5)

1.一种可实现任意曲面焊接的激光透射焊接夹紧装置，它包括PC机（17）、PLC控制器（16）、液压系统（15）、压力传感器（6）、上顶板（5）和下底板（14），液压系统（15）受控于PLC控制器（16），PLC控制器（16）受控于PC机（17），压力传感器（6）与PC机（17）电气连接，其特征是所述的下底板（14）上安装有液压小顶针（13），液压小顶针（13）的进排油口与液压系统（15）相连，液压小顶针（13）的上端与工作台（12）相抵，工作台（12）上安装有下模（10），下模（10）上安装有下工件（9），上模（8）和下模（10）组成压紧组件；上顶板（5）通过支柱（11）与下底板（14）相连，上顶板（5）上设有玻璃窗（4），玻璃窗（4）的下部有与下模（10）相对的能透过激光（3）的上模（8），上模（8）下是能透过激光（3）的上工件（7），压力传感器（6）安装在上模（8）与上顶板（5）的接触面之间，激光头（2）位于玻璃窗（4）的上部并与驱动其移动的伺服电机（1）相连。

2. 根据权利要求1所述的激光透射焊接夹紧装置，其特征是所述的液压小顶针（13）的进油管道和回油管道分别连接液压系统（15）的电磁阀，液压系统（15）的电磁阀的信号控制线连接PLC控制器（16）；下底板（14）上开设有十字形凹槽，凹槽内均匀开设沉头通孔，孔内安置液压小顶针（13）,所有液压小顶针（13）的顶针杆末端竖直向上放置，液压小顶针（13）的顶针杆末端连接在工作台（12）上。

3. 根据权利要求1所述的激光透射焊接夹紧装置，其特征是所述的上模（8）是根据上工件（7）定制的，所述的下模（10）是根据下工件（9）定制的，上模（8）与上工件（7）配合，下模（10）与下工件（9）配合，上模（8）与下模（10）之间留有方便夹紧的空隙，上模（8）为玻璃材质，下模（10）为铝合金或钢质。

4.根据权利要求1所述的激光透射焊接夹紧装置，其特征是所述的上工件（7）是对激光（3）透明的热塑性聚合物，所述的下工件（9）是对激光（3）不透明的具有较强吸收激光（3）能力的热塑性聚合物或钛合金、不锈钢等金属材料。

5. 根据权利要求1所述的激光透射焊接夹紧装置，其特征是所述的PC机（17）根据压力传感器（6）的数据与预压紧力的对比结果控制PLC控制器（16）做出相应的动作，PLC控制器（16）再控制液压系统（15）做出相应的动作，使由液压小顶针（13）和液压系统（15）组成的施压系统在二维压紧组件表面上施加均匀的压紧力，压紧组件将压紧力传递到上工件（7）的上表面和下工件（9）的下表面上且压紧力分布均匀，从而实现对任意曲面工件的夹紧，且夹紧力精确可控，分布均匀；然后，根据平台上工件的形状和预焊接区域，PC机（17）生成控制程序指令，然后控制伺服电机（1），接着伺服电机（1）控制激光（3）沿着特定路线移动，从而实现对工件的焊接。