CN108031971A - 不透光塑料的激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不透光塑料的激光焊接方法，分别在两待焊接的不透光塑料工件的对接处开设坡口，在坡口内填充透光材料形成透光材料层；通过压紧件将透光材料压紧在坡口内，并将激光光束穿透透光材料层入射到不透光塑料工件与透光材料层之间形成的接触焊接面，使得不透光塑料工件在接触焊接面处吸收激光能量后开始熔化，并经过压紧件加压冷却后，两不透光塑料工件与透光材料层连为一体，实现不透光塑料之间的对接。

Description

不透光塑料的激光焊接方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，尤其涉及一种不透光塑料的激光焊接方法。

背景技术

激光塑料焊接是一种新型的塑料加工方法，激光塑料焊接具有清洁高效的特点，使用日渐广泛，目前常用的塑料焊接接头形式为上下叠焊，激光透过上层的透光塑料后被下层吸光塑料所吸收，同时加压使两层间熔化，在接触面形成焊接区。

然而，对接作为较为常见的接头形式应用较少，尤其是对于不透光塑料的对接，目前都没有很好的解决方案，使得激光在塑料焊接中的应用受到极大的限制，无法突破技术瓶颈。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够实现对接不透光塑料的激光焊接方法。

一种不透光塑料的激光焊接方法，分别在两待焊接的不透光塑料工件的对接处开设坡口，在所述坡口内填充透光材料形成透光材料层；通过压紧件将透光材料压紧在坡口内，并将激光光束穿透所述透光材料层入射到不透光塑料工件与所述透光材料层之间形成的接触焊接面，使得不透光塑料工件在接触焊接面处吸收激光能量后开始熔化，并经过所述压紧件加压冷却后，两所述不透光塑料工件与所述透光材料层连为一体。

在其中一个实施例中，所述激光光束由激光器发出，通过调节激光器使光斑的照射面可覆盖所述坡口相对焊接轨迹的横向宽度。

在其中一个实施例中，两所述不透光塑料工件之间的坡口呈方形或V形。

在其中一个实施例中，所述压紧件上至少具有一反射面，以改变所述激光光束的光路，使所述激光光束倾斜穿透所述透光材料层入射所述接触焊接面。

在其中一个实施例中，所述反射面至少有一处具有透光区，以便所述激光光束竖直透过所述透光区入射所述坡口底部区域。

在其中一个实施例中，所述压紧件由对激光光束透明的板材制成，并于所述板材的一侧设置激光全反射膜，以形成所述反射面。

在其中一个实施例中，所述压紧件具有上下相对的第一表面与第二表面，所述反射面形成于所述第一表面与所述第二表面之间，激光光束对两待焊接的不透光塑料工件进行焊接时，第二表面压在所述透光材料层上并沿两待焊接的不透光塑料工件之间的对接缝移动。

在其中一个实施例中，所述激光光束竖直入射所述反射面时，经所述反射面反射后的激光光束可倾斜透过所述透光材料层而入射所述坡口侧面区域。

在其中一个实施例中，所述反射面相对于水平面的倾斜角度呈锐角α，且α大于45°。

在其中一个实施例中，两所述不透光塑料工件之间的坡口处具有倾斜的接触焊接面时，该倾斜的接触焊接面与水平面的夹角β等于2倍的α。

本发明提供的不透光塑料的激光焊接方法，在两不透光塑料工件的对接处开设坡口，并于该坡口内填充透光材料形成透光材料层，使得激光光束穿过透光材料层后入射到不透光塑料工件和透光材料层之间形成的接触焊接面时，不透光塑料工件在接触焊接面处吸收激光能量熔化而与透光材料层连为一体，实现不透光塑料之间的对接。

附图说明

图1为一实施例中采用激光对开设方形坡口的两不透光塑料对接示意图；

图2为一实施例中采用激光对开设V形坡口的两不透光塑料对接示意图；

图3为一实施例中采用激光对开设喇叭状坡口的两不透光塑料对接示意图；

图4为一实施例中利用压紧件的反射面改变激光光束的光路，对坡口侧面区域进行焊接示意图；

图5为一实施例提供的激光焊接方法中压紧件的结构以及激光光束经反射面反射时的光路示意图；

图6为另一实施例中对坡口侧面区域进行焊接示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1所示，一实施例中的不透光塑料的激光焊接方法，分别在两待焊接的不透光塑料工件200的对接处开设坡口，在坡口内填充透光材料形成透光材料层300。通过压紧件(图中未示出)将透光材料压紧在坡口内，并将激光光束穿透透光材料层300入射到不透光塑料工件200与透光材料层300之间形成的接触焊接面，使得不透光塑料工件200在接触焊接面处吸收激光能量后开始熔化，并经过压紧件加压冷却后，两不透光塑料工件200与透光材料层300连为一体，从而实现不透光塑料之间的对接。该实施例中，产生激光光束的激光器100可以是半导体激光器100或紫外激光器100，不透光塑料工件200的材质可以是PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、POM(聚甲醛)等易结晶塑料，使得不透光塑料工件200对于激光的吸收率较高，在此不作限定。

需要说明的是，通过调节激光器100，可以使得光斑的照射面覆盖坡口相对焊接轨迹的横向宽度，确切的说，光斑的尺寸不小于两不透光塑料工件200之间坡口的宽度，从而在激光器100沿着两不透光塑料工件200的对接缝隙移动时，实现整个接触焊接面的一次焊接成型，提高焊接效率的同时，确保两不透光塑料工件200之间的对接稳定性。

结合图1和图2所示，两不透光塑料工件200之间的坡口可以是方形，也可以是V形，当然也可以如图3示出的喇叭状。需要说明的是，根据不同的坡口类型，填充透光材料的方式也可以适当的调整。例如，坡口呈方形时，可以预先利用透光材料制成与坡口相适应的透光材料层300，在进行焊接时，将预制的透光材料层300覆设在两不透光塑料工件200之间的坡口内，便可以利用激光焊接将两不透光塑料工件200与透光材料层300相连而实现对接，这种方式便于批量预制透光材料层300，提高生产效率，同时可以实现流水线分工作业。再如，对于V形坡口和喇叭状坡口，其开口比底部大，便于向坡口内填充不透光材料，从而可以通过边填充边焊接的方式实施对接，节省工序，提高流水作业效率。

结合图4所示，在对坡口处的接触焊接面进行焊接时，考虑到坡口的形状，可以通过改变激光光路的方向，对接触焊接面的各个部分进行焊接，以便将不透光塑料工件200和透光材料层300之间的接触焊接面完全对接，提高焊接效果，增强两不透光塑料工件200之间的对接牢固度。本实施例中，在压紧件400上至少设置一反射面400b，以通过反射面400b改变激光光束的光路，使激光光束倾斜穿透透光材料层300入射接触焊接面，确切的说，以合适的角度对坡口处的接触焊接面实施焊接。例如，对于坡口呈方形时，若激光光束始终保持竖直状态，位于坡口侧面区域的部分接触焊接面便不容易被激光光束照射，此时，利用压紧件400上的反射面400b便可以将激光光束倾斜的透过透光材料层300而入射该坡口侧面区域实施焊接，从而确保坡口处的接触焊接面可以被激光光束完全的覆盖。此外，该反射面400b设置在压紧件400上，从而节省结构设置空间，而且在不改变激光器100的空间姿态下，可以通过压紧件400上的反射面400b实现侧焊，降低激光器100驱动装置的复杂性，使激光焊接更为简便。

需要说明的是，在一些实施例中，反射面400b至少有一处具有透光区(图中未示出)，以便激光光束竖直透过透光区入射坡口底部区域。从而可以通过改变激光器100和压紧件400在水平面上的相对位置，使激光器100出射的激光光束选择性的对坡口底部区域和坡口侧面区域的接触焊接面实施焊接。具体的，以方形坡口为例，当需要对方形坡口底部区域实施焊接时，可以移动激光器100和压紧件400的相对位置，使激光器100出射的激光光束透过反射面400b的透光区，从而不影响激光光束的光路，使激光光束入射到坡口底部区域；相应的，在需要对方形坡口侧面区域实施焊接时，便可以将激光光束移开反射面400b的透光区，使激光光束在反射面400b的作用下倾斜的透过透光材料层300入射到坡口侧面区域。

下面将以通过反射面400b改变激光光路实施侧焊对按压件的结构及工作原理作进一步说明。

结合图4所示，在对坡口侧面区域实施焊接时，实际上，该侧面区域是由不透光塑料工件200和透光材料层300在对接的接壤处形成的接触焊接面b，也就是在利用反射面400b对坡口侧面实施焊接时，激光光束最终入射的区域。该实施例中，激光光束经压紧件400的反射面400b反射而倾斜入射到接触焊接面b时，激光光束的聚焦点也会相应的位于该接触焊接面b上而形成一光斑，光斑照射的区域便会升温，近而使得不透光塑料工件200熔化与透光材料层300连为一体。

在本实施方式中，由于激光光束经过压紧件400的反射面400b反射后，透过透光材料层300入射到接触焊接面b，即，激光光束的能量集中到不透光塑料工件200和透光材料层300相接壤的侧面上，而不会在不透光塑料工件200和透光材料层300的表面形成焊接痕迹。此外，这种倾斜入射到接触焊接面b的侧焊方式，可以将不透光塑料工件200和透光材料层300相接壤的整个侧面(即坡口侧面区域)熔接在一起，从而避免虚焊而导致焊接效果不佳的问题。

结合图5所示，压紧件400由对激光光束透明的板材制成，并于板材的一侧设置激光全反射膜，以形成上述反射面400b。需要说明的是，该实施例中，压紧件400是由透光的板材制成，例如PMMA板；这样，在激光光束入射该压紧件400后不会被吸收，以确保激光光束的激光能量不受损失。

压紧件400具有上下相对的第一表面400a与第二表面400c，反射面400b形成于第一表面400a与第二表面400c之间。激光光束对两待焊接的不透光塑料工件200进行对接时，第二表面400c压在不透光塑料工件200上并沿两待焊接的不透光塑料工件200之间的对接缝移动。进而压紧件400不仅使得激光光束倾斜的入射接触焊接面b，此外，还可以在激光光束在对接两不透光塑料工件200时，将两不透光塑料工件200以及透光材料层300的表面压平，进而使得对接在一起的两不透光塑料工件200表面更平整。

上述实施方式中，激光光束竖直入射反射面400b，以将激光光束倾斜入射接触焊接面b。需要说明的是，本实施方式中，反射面400b相对于水平面的倾斜角度呈锐角α，且α大于45°，进而使得激光光束竖直入射到反射面400b后，出射光与入射光的夹角大于90°，也就是说，经过反射面400b反射后的激光光束倾斜朝压紧件400的第二表面400c出射。在本实施方式中，激光光束经反射后，激光光束的聚焦点位于距离压紧件400的第二表面400c下方的d₁处，也就是说，激光光束可以从压紧件400底部的第二表面400c出射到接触焊接面b，以确保激光光束可以将两不透光塑料工件200焊接到透光材料层300。

结合图6所示，由于倾斜入射到接触焊接面b上的激光光束是由压紧件400的反射面400b反射而来，因此，光路改变前的激光光束的焦点f₁和经过压紧件400的反射面400b改变光路后的激光光束的焦点f₂以反射面400b所在平面为对称面相互对称。在激光器100相对压紧件400的聚焦高度不变的情况下，相对该压紧件400的反射面400b横向平移(即图6中左右方向)时，即，激光光束未经反射而使焦点f₁保持距离压紧件400的第二表面400c下方d₂处平移时，经过压紧件400的反射面400b改变光路后，激光光束的焦点f₂会沿一倾斜的轨迹移动，也就是说，不改变激光器100的聚焦高度而相对压紧件400的反射面400b横向平移时，激光光束经压紧件400反射后的聚焦点与压紧件400的第二表面400c之间的距离d₁是呈线性变化的，因此，可以通过激光器100相对压紧件400的反射面400b横向平移，使得激光光束在接触焊接面b内上下移动，进而配合激光器100的激光光束沿两不透光塑料工件200之间的对接缝移动，实现对接触焊接面b全幅面激光焊接，以提高两不透光塑料工件200与透光材料层300的连接稳定性。

需要说明的是，在一些实施方式中，可以在激光器100相对压紧件400的反射面400b横向平移时，调节激光器100的聚焦，使得激光光束经过压紧件400的反射面400b改变光路后，激光光束的焦点f₂会在相对压紧件400的第二表面400c上下移动时始终位于接触焊接面b上，进而保证激光光束的能量较为集中，提高焊接精度。例如，如图4所示出，不透光塑料工件200与透光材料层300在坡口侧面的接触焊接面b呈竖直的侧立状态时，随着激光器100相对压紧件400的反射面400b横向平移(即图4中左右方向)时，如果不对激光器100进行调焦，激光光束经过压紧件400的反射面400b反射后，就会如图6所示，焦点f₂会沿一倾斜的轨迹移动。相应的，在不移动该激光器100时，可以经过对激光器100进行调节，使得激光光束聚焦到接触焊接面b，因此，在激光器100相对压紧件400的反射面400b横向平移过程中的每一个的瞬间状态，都可以通过调节激光器100的聚焦状态，使得激光光束聚焦到接触焊接面b。也就是说，在激光器100相对压紧件400的反射面400b横向平移时，是可以通过对激光器100的实时调焦，将经压紧件400的反射面400b反射的激光光束始终保持聚焦到接触焊接面b上。

继续参照图6所示，由于经压紧件400的反射面400b改变光路前后的激光光束的焦点f₁和焦点f₂以反射面400b所在平面为对称面相互对称，因此，在不改变激光器100的聚光焦点而使激光器100相对压紧件400的反射面400b横向平移时，焦点f₁的移动轨迹和焦点f₂的移动轨迹也是以反射面400b所在平面为对称面相互对称的，也就是说，在反射面400b相对于水平面的倾斜角度呈锐角α时，焦点f₁的移动轨迹所在线和焦点f₂的移动轨迹所在线之间的夹角是α角的2倍。

在一些实施方式，两不透光塑料工件200之间的坡口处具有倾斜的接触焊接面b时，该倾斜的接触焊接面b与水平面的夹角β等于2倍的α。需要说明的是，这种倾斜的接触焊接面b是由坡口的形状觉得的，因此，可以通过切削的方式在不透光塑料工件200上开设具有斜面的坡口，也即斜面与水平面的夹角β等于2倍的α，此时，焦点f₂的移动轨迹所在线与该倾斜的接触焊接面b相平行，进而将压紧件400与激光器100水平移至一定位置时，可以使得焦点f₂的移动轨迹位于接触焊接面b上，即，激光器100相对压紧件400的反射面400b横向平移时，不对激光器100调焦就能使经反光镜反射后的激光光束始终垂直聚焦到接触焊接面b，以具有较好的激光焊接效果。

在一些实施方式，在将压紧件400移入激光光束进行改变激光光束入射透光材料层300前，将激光光束聚焦于倾斜的接触焊接面b的底部，即透光材料层200在沿倾斜的接触焊接面b上填料的厚度d＝d₂。进而可以快捷的将激光器100所发射出的激光光束调焦至经过压紧件400反射后的激光光束刚好聚焦到接触焊接面b，也就是说，在将压紧件400移入激光光束的光路中且于焊接处接触焊接面b的底部轮廓位于压紧件400的反射面400b时，激光光束经压紧件400反射后聚焦上接触焊接面b。

需要说明的是，在激光光束沿两不透光塑料工件200之间的对接缝移动进行焊接时，压紧件400随激光光束沿两不透光塑料工件200之间的对接缝移动，且利用紧贴反射面400b的校准光束入射透明材料层300并始终保持校准光束经过接触焊接面b的底部轮廓，由于倾斜的接触焊接面b与水平面的夹角β是2倍的α，因此，此时经过接触焊接面b的底部轮廓的夹角β的角平分线位于压紧件400的反射面400b，也就是说，经过压紧件400的反射面400b反射的激光光束沿对接缝移动的过程中保持聚焦在接触焊接面b上，对不透光塑料工件200和透光材料层300侧面接壤处的接触焊接面b进行精确焊接。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.不透光塑料的激光焊接方法，其特征在于，分别在两待焊接的不透光塑料工件的对接处开设坡口，在所述坡口内填充透光材料形成透光材料层；通过压紧件将透光材料压紧在坡口内，并将激光光束穿透所述透光材料层入射到不透光塑料工件与所述透光材料层之间形成的接触焊接面，使得不透光塑料工件在接触焊接面处吸收激光能量后开始熔化，并经过所述压紧件加压冷却后，两所述不透光塑料工件与所述透光材料层连为一体。

2.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述激光光束由激光器发出，通过调节激光器使光斑的照射面可覆盖所述坡口相对焊接轨迹的横向宽度。

3.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，两所述不透光塑料工件之间的坡口呈方形或V形。

4.根据权利要求1-3任一项所述的激光焊接方法，其特征在于，所述压紧件上至少具有一反射面，以改变所述激光光束的光路，使所述激光光束倾斜穿透所述透光材料层入射所述接触焊接面。

5.根据权利要求4所述的激光焊接方法，其特征在于，所述反射面至少有一处具有透光区，以便所述激光光束竖直透过所述透光区入射所述坡口底部区域。

6.根据权利要求4所述的激光焊接方法，其特征在于，所述压紧件由对激光光束透明的板材制成，并于所述板材的一侧设置激光全反射膜，以形成所述反射面。

7.根据权利要求6所述的激光焊接方法，其特征在于，所述压紧件具有上下相对的第一表面与第二表面，所述反射面形成于所述第一表面与所述第二表面之间，激光光束对两待焊接的不透光塑料工件进行焊接时，第二表面压在所述透光材料层上并沿两待焊接的不透光塑料工件之间的对接缝移动。

8.根据权利要求7所述的激光焊接方法，其特征在于，所述激光光束竖直入射所述反射面时，经所述反射面反射后的激光光束可倾斜透过所述透光材料层而入射所述坡口侧面区域。

9.根据权利要求8所述的激光焊接方法，其特征在于，所述反射面相对于水平面的倾斜角度呈锐角α，且α大于45°。

10.根据权利要求9所述的激光焊接方法，其特征在于，两所述不透光塑料工件之间的坡口处具有倾斜的接触焊接面时，该倾斜的接触焊接面与水平面的夹角β等于2倍的α。