CN107433389A - 一种金属与塑料混合薄壁结构连接装置和连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种金属与塑料混合薄壁结构连接装置，包括可发出激光束的飞秒激光器、可进行平面运动的四轴运动平台、设置于四轴运动平台顶面且可对金属工件和/或透明塑料工件边沿施以夹紧作用力的夹具以及计算机；计算机分别与飞秒激光器以及四轴运动平台电连接，飞秒激光器发出激光束照射于被夹具夹紧的工件照射表面，本发明还提出一种使用金属与塑料混合薄壁结构连接装置的连接方法。相对于现有技术，本发明技术方案解决了塑料与金属异种不相容材料焊接技术问题，以及提高金属与塑料之间激光相连的工作可靠性以及工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种金属与塑料混合薄壁结构连接装置和连接方法。
背景技术
随着新材料和新结构的涌现，金属材料和非金属材料复合形成的材料得到极大的发展。特别地，塑料和金属的混合结构因为具有轻质以及高强度等机械以及物理特性，因此在医疗器械、包装工业、汽车零部件、电子器件封装等技术领域中拥有巨大的优势。
现有技术中，塑料和金属相连时主要采用粘接、机械铆接、NMT技术、铜焊和超声波焊接，但是上述的这些工艺方法中，或存在外观形貌不佳、或接头强度不够理想、或生产效率较低等缺点。而通过激光加工以将金属和塑料两种不同类型的材料进行相连因为具有较好的优势因此得到应用，但是该工艺中，因为两种类型的材料熔点相差较大，使得两种类型材料的相容性较低，熔合区难以生成金属和塑料间化合物；另外金属材料的表面存在氧化膜，阻碍两种不同类型材料的结合，还有塑料和金属进行加工相连时容易产生气泡并存在两种材料的结合面，因此使得两者相连形成的结构不稳定。
因此对通过激光加工使金属和塑料进行相连的生产工艺进行进一步优化设计具有极其重要的意义。
发明内容
本发明的主要目的是提出结构简单、工作可靠的一种金属与塑料混合薄壁结构连接装置，本发明还提出一种使用金属与塑料混合薄壁结构连接装置的连接方法，旨在解决塑料与金属异种不相容材料焊接技术问题，以及提高金属与塑料之间激光相连的工作可靠性以及工作效率。
为实现上述目的，本发明提出的一种金属与塑料混合薄壁结构连接装置，包括可发出激光束的飞秒激光器、可进行平面运动的四轴运动平台、设置于所述四轴运动平台顶面且可对金属工件和/或透明塑料工件边沿施以夹紧作用力的夹具以及计算机；所述计算机分别与所述飞秒激光器以及所述四轴运动平台电连接，所述飞秒激光器发出激光束照射于被所述夹具夹紧的工件顶面。
优选地，所述四轴运动平台包括工作台以及驱动所述工作台沿X轴方向移动的X轴方向步进电机和驱动所述工作台沿Y轴方向移动的Y轴方向步进电机，所述X轴方向步进电机和所述Y轴方向步进电机的传动方向相互垂直。
优选地，所述飞秒激光器发出照射于工件顶面的激光束在路径上设置有聚光镜。
优选地，所述飞秒激光器发出照射于工件顶面的激光束在路径上设置有反射镜。
优选地，所述计算机控制和调整所述飞秒激光器的工作参数包括激光功率、激光脉冲频率、激光脉冲宽度、激光器出光直径。
本发明还提出一种使用所述金属与塑料混合薄壁结构连接装置的连接方法，包括以下步骤：
S1：将待加工的金属工件和透明塑料工件抛光冲洗，并使两者表面无任何杂质且干燥；
S2：所述计算机控制所述飞秒激光器向所述金属工件表面发射激光束，使所述金属工件表面形成凹陷结构；
S3：所述金属工件和所述透明塑料工件自下而上放置且通过所述夹具夹持固定于所述工作台顶面，所述计算机控制所述飞秒激光器再次向所述透明塑料工件发射激光束；
S4：所述透明塑料工件朝向所述金属工件顶面的顶面发生熔融状态并镶嵌入所述凹陷结构内；冷却后，所述金属工件和所述透明塑料工件相连形成整体。
优选地，所述步骤S2中所述飞秒激光器的工作参数为激光功率2.0-3.0kW、激光脉冲频率10-24Hz、激光脉冲宽度10-20ms、激光器出光直径0-2mm。
优选地，所述步骤S3中所述飞秒激光器的工作参数为激光功率0.5-2.0kW、激光脉冲频率2-10Hz、激光脉冲宽度3-10ms、激光器出光直径2-8mm。
优选地，所述凹陷结构为沟槽或连接孔，所述沟槽和所述连接孔的内径小于300μm。
优选地，所述透明塑料工件的材质为聚丙烯、聚酰胺、聚丙烯。
本发明技术方案采用金属与塑料混合薄壁结构连接装置的连接方法，首先通过飞秒激光器对金属工件表面加工出凹陷结构，如沟槽或连接孔。然后通过将透明塑料工件放置于加工过的金属工件顶面，并通过飞秒激光器再次发出激光束照射于金属工件表面，使得金属工件顶面受热后传递至透明塑料工件底面，这样透明塑料工件底面变成熔融状并流入金属工件顶面的凹陷结构内，冷却后金属工件和透明塑料工件之间形成紧密相连的结构体。本发明技术方案可降低整体重量，实现节能减排，同时采用金属和塑料混合结构，不需要对原有的制造设备和生产工艺做出大面积的调整，因此经济效益较好且具有较为广泛的应用范围。
本发明技术方案中，计算机控制X轴方向步进电机和Y轴方向步进电机分别驱动工作台沿X轴方向和Y轴方向进行移动，以便于调整工作台的加工位置，以满足金属工件不同位置的加工。
本发明技术方案中设置有聚焦镜将激光束聚焦作用于待加工的金属工件表面，使得飞秒激光器发出的激光束光线能够更加集中作用于金属工件的表面。而在激光素的传播路径上设置有反光镜，以将激光束进行反射以满足金属工件不同位置的加工。另外，金属工件加工位置上可设置有用于保护的保护气体例如氩气，可保护激光束对金属工件进行加工时防止工件表面发生氧化反应。
本发明技术方案金属与塑料混合薄壁结构连接装置和连接方法与铆接技术相对，具有更好的密封性、成本更低且省时省力，解决了铆接方法中体积较大、厚度较厚的技术问题，能够适用于厚度更薄、体积更小的金属工件和塑料工件相连，且金属工件的表面处理方式更加简单，可提高焊接相连工作效率。
与粘接技术相比，本发明技术方案解决了粘接方案中容易出现粘接不牢固、固化时间较长且不能长期有效的技术问题，可提高生产效率和提高焊接相连位置的结构强度。与传统的铜焊技术相比，本发明技术方案因为使用激光焊接相连使得熔池和热影响区更小，可实现精准焊接相连，克服了现有技术中容易造成热变形的技术问题，并且本发明技术方案具有绿色环保以及适用性更强等优点。与NMT技术相比，本发明技术方案解决了连接强度有限、化学工艺不环保、不能局部表面处理的技术问题。综上所述，本发明技术方案适用于各种塑料工件与金属工件之间焊接相连，可极大提高制造技术的自动化程度，符合当今绿色制造的潮流。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明金属与塑料混合薄壁结构连接装置的结构示意图；
图2为本发明四轴运动平台的结构示意图；
图3为本发明一实施例中透明塑料工件与金属工件相连关系示意图；
图4为本发明另一实施例中透明塑料工件与金属工件相连关系示意图；
图5为图3中透明塑料工件与金属工件部分剖视图；
图6为图4中透明塑料工件与金属工件部分剖视图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 1 | 飞秒激光器 | 7 | 金属工件 |
| 2 | 反射镜 | 71 | 连接孔 |
| 3 | 激光束 | 72 | 沟槽 |
| 4 | 夹具 | 8 | 计算机 |
| 5 | 四轴运动平台 | 9 | 聚光镜 |
| 6 | 透明塑料工件 |
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种金属与塑料混合薄壁结构连接装置。
请参见图1和图2，在本发明实施例的金属与塑料混合薄壁结构连接装置包括可发出激光束3的飞秒激光器1、可进行平面运动的四轴运动平台5、设置于四轴运动平台5顶面且可对金属工件7和/或透明塑料工件6边沿施以夹紧作用力的夹具4以及计算机8；计算机8分别与飞秒激光器1以及四轴运动平台5电连接，飞秒激光器1发出激光束3照射于被夹具4夹紧的工件顶面。
本发明实施例中，四轴运动平台5包括工作台以及驱动工作台沿X轴方向移动的X轴方向步进电机和驱动工作台沿Y轴方向移动的Y轴方向步进电机，X轴方向步进电机和Y轴方向步进电机的传动方向相互垂直。
本发明实施例中，飞秒激光器1发出照射于工件顶面的激光束3在路径上设置有聚光镜9。优选地，飞秒激光器1发出照射于工件顶面的激光束3在路径上设置有反射镜2。
本发明实施例中，计算机8控制和调整飞秒激光器1的工作参数包括激光功率、激光脉冲频率、激光脉冲宽度、激光器出光直径。
本发明还提出一种使用金属与塑料混合薄壁结构连接装置的连接方法，请参见图1至图6，包括以下步骤：
S1：将待加工的金属工件7和透明塑料工件6抛光冲洗，并使两者表面无任何杂质且干燥；
S2：计算机8控制飞秒激光器1向金属工件7表面发射激光束，使金属工件7表面形成凹陷结构；
S3：金属工件7和透明塑料工件6自下而上放置且通过夹具4夹持固定于工作台顶面，计算机8控制飞秒激光器1再次向透明塑料工件6发射激光束3；
S4：透明塑料工件6朝向金属工件7顶面的顶面发生熔融状态并镶嵌入凹陷结构内；冷却后，金属工件7和透明塑料工件6相连形成整体。
上述步骤S2中飞秒激光器1的工作参数为激光功率2.0-3.0kW、激光脉冲频率10-24Hz、激光脉冲宽度10-20ms、激光器出光直径0-2mm。
上述步骤S3中飞秒激光器1的工作参数为激光功率0.5-2.0kW、激光脉冲频率2-10Hz、激光脉冲宽度3-10ms、激光器出光直径2-8mm。
请参见图1至图6，在本发明实施例中，凹陷结构为沟槽72或连接孔71，沟槽和连接孔的内径小于300μm。
在本发明实施例中，透明塑料工件6的材质为聚丙烯、聚酰胺、聚丙烯。
本发明实施例采用金属与塑料混合薄壁结构连接装置的连接方法的工作原理为：
首先分别对待加工的板状的金属工件7和透明塑料工件6进行抛光，其中可采用砂纸将金属工件7表面的污染物打磨去掉，然后将金属工件7放置于去离子水中超声波清洗10-20分钟，去除金属工件7表面杂质，保持金属工件7表面干净且无任何杂质，最后将金属工件7取出并作干燥处理。另外将透明塑料工件6放置于去离子水中超声波清洗10-20分钟，去除透明塑料工件6表面的杂质，最后将透明塑料工件6取出并作干燥处理，最终金属工件7和透明塑料工件6相互接触的表面均为平整。
将清洗干燥完毕后的金属工件7放置于四轴运动平台5顶面并通过夹具4对金属工件7的顶端边沿夹紧固定。通过计算机8调整飞秒激光器1的工作参数，具体地，参数包括激光功率2.0-3.0kW、激光脉冲频率10-24Hz、激光脉冲宽度10-20ms，激光器出光直径0-2mm。通过计算机8控制飞秒激光器1发出激光束3并使激光束3垂直照射于金属工件7顶面，金属工件7被激光束3照射过的位置根据激光深熔焊原理发生空化效应产生凹陷结构，而本实施中的凹陷结构为连接孔71，在本发明的其他实施例中，凹陷结构可为沟槽72。通过计算机8控制X轴方向步进电机和Y轴方向步进电机分别驱动工作台进行X轴方向移动或Y轴方向移动，而飞秒激光器1可在Z轴方向进行上下移动以调整激光束3的光斑大小，使得本发明实施例的金属工件7顶面沿着边沿走向形成的具有一定排列规律的多个连接孔71。
金属工件7加工完毕后，通过夹具将金属工件7和透明塑料工件6自下而上依次夹紧固于工作台顶面，并且需要保证透明塑料工件6和金属工件7相互紧密贴合在一起。通过计算机8调整飞秒激光器1的工作参数，具体地，参数包括激光功率0.5-2.0kW、激光脉冲频率2-10Hz、激光脉冲宽度3-10ms，激光器出光直径2-8mm。通过计算机8控制飞秒激光器1发出激光束并向透明塑料工件6照射，激光束3透过透明塑料工件6后照射于金属工件7顶面，并且激光束3沿原连接孔71加工路径进行移动。从而激光束3使得金属工件7顶面吸收热量并发热，金属工件7表面的热量向透明塑料工件6底面传递。因为透明塑料工件6的材质可为聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PET)，因此透明塑料工件6与金属工件7紧密贴合在一起的底面发生熔融现象，通过夹具4对透明塑料工件6施以一定压力，使得透明塑料工件6压向金属工件7表面，处于熔融状态的液体塑料进入金属工件7表面的连接孔71内。金属工件7和透明塑料工件6冷却完毕后，金属工件7和透明塑料工件6将会相连形成一体结构。
本发明技术方案适用于较薄的加工材料，因此本实施的金属工件7和透明塑料工件7均为薄板且透明塑料工件6的厚度大于金属工件7的厚度。
本发明技术方案首先通过飞秒激光器1对金属工件7表面加工出凹陷结构，如沟槽72或连接孔71。然后通过将透明塑料工件6放置于已加工过的金属工件7顶面，并通过飞秒激光器1再次发出激光束3照射于金属工件7表面，使得金属工件7顶面受热后传递至透明塑料工件6底面，这样透明塑料工件6底面变成熔融状并流入金属工件7顶面的凹陷结构内，冷却后金属工件7和透明塑料工件6之间形成紧密相连的结构体。
本发明技术方案可降低整体重量，实现节能减排，同时采用金属和塑料混合结构，不需要对原有的制造设备和生产工艺做出大面积的调整，因此经济效益较好且具有较为广泛的应用范围。
本发明技术方案金属与塑料混合薄壁结构连接装置和连接方法与铆接技术相对，具有更好的密封性、成本更低且省时省力，解决了铆接方法中体积较大、厚度较厚的技术问题，能够适用于厚度更薄、体积更小的金属工件和塑料工件相连，且金属工件的表面处理方式更加简单，可提高焊接相连工作效率。
与粘接技术相比，本发明技术方案解决了粘接方案中容易出现粘接不牢固、固化时间较长且不能长期有效的技术问题，可提高生产效率和提高焊接相连位置的结构强度。
与传统的铜焊技术相比，本发明技术方案因为使用激光焊接相连使得熔池和热影响区更小，可实现精准焊接相连，克服了现有技术中容易造成热变形的技术问题，并且本发明技术方案具有绿色环保以及适用性更强等优点。
与NMT技术相比，本发明技术方案解决了连接强度有限、化学工艺不环保、不能局部表面处理的技术问题。
综上所述，本发明技术方案适用于各种塑料工件与金属工件之间焊接相连，可极大提高制造技术的自动化程度，符合当今绿色制造的潮流。
另外，本发明实施例中，通过将透明塑料工件6放置于金属工件7顶面上，可避免在较小能量密度下金属表面的氧化以及金属工件7表面受热后应力作用而导致的变形。
本发明实施例中，飞秒激光器1发射激光束3后经过聚焦镜9将激光束聚焦作用于待加工的金属工件7表面，使得飞秒激光器1发出的激光束3光线能够更加集中作用于金属工件7的表面。另外，飞秒激光器1的激光头侧面可设置有用于保护的保护气体例如氩气，可保护激光束对金属工件7进行加工时防止工件表面发生氧化反应。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种金属与塑料混合薄壁结构连接装置，其特征在于，包括可发出激光束的飞秒激光器、可进行平面运动的四轴运动平台、设置于所述四轴运动平台顶面且可对金属工件和/或透明塑料工件边沿施以夹紧作用力的夹具以及计算机；所述计算机分别与所述飞秒激光器以及所述四轴运动平台电连接，所述飞秒激光器发出激光束照射于被所述夹具夹紧的工件顶面。
2.如权利要求1所述的金属与塑料混合薄壁结构连接装置，其特征在于，所述四轴运动平台包括工作台以及驱动所述工作台沿X轴方向移动的X轴方向步进电机和驱动所述工作台沿Y轴方向移动的Y轴方向步进电机，所述X轴方向步进电机和所述Y轴方向步进电机的传动方向相互垂直。
3.如权利要求1所述的金属与塑料混合薄壁结构连接装置，其特征在于，所述飞秒激光器发出照射于工件顶面的激光束在路径上设置有聚光镜。
4.如权利要求3所述的金属与塑料混合薄壁结构连接装置，其特征在于，所述飞秒激光器发出照射于工件顶面的激光束在路径上设置有反射镜。
5.如权利要求1所述的金属与塑料混合薄壁结构连接装置，其特征在于，所述计算机控制和调整所述飞秒激光器的工作参数包括激光功率、激光脉冲频率、激光脉冲宽度、激光器出光直径。
6.一种使用如权利要求1至5所述金属与塑料混合薄壁结构连接装置的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将待加工的金属工件和透明塑料工件抛光冲洗，并使两者表面无任何杂质且干燥；
S2：所述计算机控制所述飞秒激光器向所述金属工件表面发射激光束，使所述金属工件表面形成凹陷结构；
S3：所述金属工件和所述透明塑料工件自下而上放置且通过所述夹具夹持固定于所述工作台顶面，所述计算机控制所述飞秒激光器再次向所述透明塑料工件发射激光束；
S4：所述透明塑料工件朝向所述金属工件顶面的顶面发生熔融状态并镶嵌入所述凹陷结构内；冷却后，所述金属工件和所述透明塑料工件相连形成整体。
7.如权利要求6所述的金属与塑料混合薄壁结构连接装置，其特征在于，所述步骤S2中所述飞秒激光器的工作参数为激光功率2.0-3.0kW、激光脉冲频率10-24Hz、激光脉冲宽度10-20ms、激光器出光直径0-2mm。
8.如权利要求6所述的金属与塑料混合薄壁结构连接装置，其特征在于，所述步骤S3中所述飞秒激光器的工作参数为激光功率0.5-2.0kW、激光脉冲频率2-10Hz、激光脉冲宽度3-10ms、激光器出光直径2-8mm。
9.如权利要求6所述的金属与塑料混合薄壁结构连接装置，其特征在于，所述凹陷结构为沟槽或连接孔，所述沟槽和所述连接孔的内径小于300μm。
10.如权利要求6所述的金属与塑料混合薄壁结构连接装置，其特征在于，所述透明塑料工件的材质为聚丙烯、聚酰胺、聚丙烯。
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