CN108637470A - 一种激光透射焊接系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光透射焊接系统及其方法，涉及激光焊接领域，该系统包括激光发射器、真空装夹系统和控制系统；真空装夹系统包括坐标平台、装夹装置和工件系统；本发明采用激光作为能量，利用密封圈、密封垫及密封胶保证真空装夹装置内部空腔的密封性，通过对盒体密封空腔抽真空使得装夹装置内部产生负压，利用盒体内外压强差驱动活塞板对工件系统施加夹紧力，利用传感器‑计算机‑继电器来控制夹紧力的准确性，实现了同种或异种热塑性塑料以及热塑性塑料与金属之间的激光透射焊接，并提高了焊接质量。

Description

一种激光透射焊接系统及其方法

技术领域

本发明涉及激光透射焊接领域，特别涉及用于同种或异种热塑性塑料之间或者热塑性塑料与金属之间的激光透射焊接的一种激光透射焊接系统及其方法。

背景技术

由于激光透射焊接技术有诸多优点，其在很多领域得到广泛的应用，如汽车行业、电子器件封装、医疗器械等，使得激光透射焊接也将成为未来发展的主流技术。

目前激光透射焊接夹具主要有自动和手动夹具，申请号为201410496256.6的中国专利提出了一种压板式的自动焊接夹紧装置，在焊接过程中使用该夹具，会使工件系统暴露在空气中，使得空气对焊接质量产生一定的影响；而目前存在的手动夹具，不但存在空气对焊接质量的影响问题，还存在夹紧力不均匀的问题。因此迫切需要一种既能保证焊接夹紧力均匀，又能消除空气对焊接质量影响的激光透射焊接夹具。

发明内容

针对目前迫切需要一种既能保证焊接夹紧力均匀，又能消除空气对焊接质量影响的激光透射焊接夹具，本发明提供了一种激光透射焊接的真空装夹装置，实现了近真空状态下的同种或异种热塑性塑料之间的或者热塑性塑料与金属之间的透射焊接。

本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种激光透射焊接系统，包括激光发射器、真空装夹系统和控制系统，其特征在于，所述真空装夹系统包括坐标平台、装夹装置和工件系统；

所述装夹装置包括基座、上挡板、单向阀、排气管路、抽气机和抽气孔；所述基座固定设置在坐标平台上；所述基座为U形结构；基座、的上端设置有上挡板；所述上挡板上开设有抽气孔，该抽气孔用来平衡基座内部的下空腔与上空腔的压强，上空腔设置在基座的上方，且下空腔内设置有抽气机，抽气机通过排气管路与单向阀连通，将气体通过单向阀排出；

所述控制系统包括激光控制器、工作台控制器和继电器；所述激光控制器用来控制激光发射器发出的激光强度，所述工作台控制器用来控制坐标平台的移动；压力传感器会不断的将工件系统所受的夹紧力大小信号传递给计算机，当夹紧力小于计算机预先设定的夹紧力大小时，计算机会给继电器发送信号，继电器收到信号后，控制抽气机继续工作，当压力传感器递给计算机的夹紧力信号大于计算机预先设定的夹紧力大小时，计算机发送信号给继电器，继电器控制抽气机断开、停止工作，不断调整工件系统所受的夹紧力，最终保证工件系统在焊接过程中所受夹紧力的准确性。

进一步的，所述工件系统包括下工件和上工件；所述下工件置于上挡板之上；上工件置于下工件上面；且上工件与下工件均置于上空腔内；所述下工件与上挡板之间安装有压力传感器。

进一步的，所述工件系统置于定位块内；所述定位块有四块，定位块用来保证工件系统位置的准确。

进一步的，所述上工件为透光性好的热塑性塑料，下工件为吸光性好的热塑性塑料或金属材料。

进一步的，所述上空腔包括圆形盒体和上挡板；所述上挡板上表面开设有凹槽，圆形盒体的一端置于凹槽内；圆形盒体的另一端为通过安装有活塞的活塞板密封。

进一步的，所述活塞板上开设有圆孔，且圆孔通过透光玻璃密封。

进一步的，所述圆形盒体内壁设有凸起A，凸起A通过弹簧与活塞板连接。

进一步的，所述上挡板与基座之间设置有密封圈；圆形盒体与上挡板上的凹槽通过密封胶连接。

进一步的，所述单向阀置于基座竖直的一侧。

基于一种激光透射焊接系统的方法，包括如下步骤：

S1、接通电源，打开计算机，然后打开激光控制器和工作台控制器；

S2、在定位块之间放入下工件，然后将上工件放到下工件之上，且都在定位块之间，以保证工件系统位置的准确性；在上挡板上面的凹槽中放入密封垫，将带有活塞板的圆形盒体插入到上挡板上面的凹槽中，并用密封胶涂抹在圆形盒体和上挡板的外围接触处，构成密封环境；

S3、操作计算机，计算机会将操作信号传达到工作台控制器进而控制坐标平台的运动，首先在焊接过程之前实现对激光光斑的对焦，提高焊接质量，并使得工件系统待焊接部位位于激光发射器发射的激光光路上；

S4、打开抽气机，抽气机会将上空腔中的空气通过抽气孔经过下空腔、抽气机、排气管路、单向阀，最终被排到装夹装置外部，造成上空腔的气压低于外界大气压，由于上空腔内外存在着一定的压强差，外界大气压会压动活塞板向下运动，当活塞板运动到工件系统上表面，此时会提供给工件系统夹紧力，随着抽气机不断工作，上空腔内部的气压越来越低、内外压强差越来越大，活塞板施加给工件系统的夹紧力也越来越大，在此过程中，压力传感器会不断的将工件系统所受的夹紧力大小信号传递给计算机，当夹紧力小于计算机预先设定的夹紧力大小时，计算机会给继电器发送信号，继电器收到信号后，控制抽气机继续工作，当压力传感器传递给计算机的夹紧力信号大于计算机预先设定的夹紧力大小时，计算机发送信号给继电器，继电器控制抽气机断开、停止工作，不断调整工件系统所受的夹紧力，最终保证工件系统在焊接过程中所受夹紧力的准确性；

S5、将焊缝的长度值输入到计算机中，由于激光控制器、工作台控制器均与计算机连接在一起，所以可以利用计算机控制工作台控制器和激光控制器的工作状态；计算机将焊缝长度值的信号发送给工作台控制器来控制坐标平台沿焊缝方向运动；坐标平台开始运动的同时，激光控制器控制激光发射器打开激光，激光透过透光玻璃，到达上工件上表面，由于上工件对激光的透过性好，使得损耗较少的激光到达下工件的上表面，由于下工件对激光的吸收性好，吸收的激光能量导致上工件与下工件的接触面受热融化，在夹紧力的作用下产生焊缝、形成一定的焊接强度。当焊接完成瞬间，激光控制器控制激光发射器的关闭，工作台控制器控制坐标平台停止运动，焊接过程完毕；

S6、当焊接完成后，向下按压驱动推杆顶开单向阀的阀芯，此时接通单向阀的进气口和出气口，使得外界空气会进入到装夹装置的密封空间中，使圆形盒体的内外大气压强相同，此时由于压缩状态弹簧的反推力，使得活塞板恢复原位，完成对工件系统夹紧力的卸载；

S7、去掉密封胶，拿下圆形盒体，然后取下焊接在一起的工件系统，可以进入下一个焊接周期。

本发明的有益效果是：

本焊接装夹装置在关键位置都使用了密封圈、密封垫以及密封胶，充分保证了装夹装置内部空腔的密封性；在抽气机与外界大气之间安装有单向阀，保证装夹装置内部被抽空的空气可以排放到外界大气中，而外界大气中的空气不能进入装夹装置的内部，以便于在焊接过程中维持装夹装置内部的真空状态；按压单向阀上部的驱动推杆可以顶开单向阀阀芯，使得装夹装置内部与外界大气接通，恢复装夹装置内部的大气压，并配合压缩状态弹簧的反推力，使得活塞板恢复原位，便于夹紧力的卸载以及工件的取下；压力传感器-计算机-继电器的控制系统，能够自动调整密封空腔内部的气压(即工件系统所受的夹紧力)，提供给工件系统准确可靠的夹紧力；由于整个焊接过程是在近真空状态下进行的，也提高了工件的焊接质量。

附图说明

图1为本发明涉及到的一种激光透射焊接的真空装夹装置的结构示意图；

图2为本发明图1中的单向阀的细节示意图；

图3为本发明图1中的上挡板与基座的局部放大图。

附图标记如下：

1-坐标平台；2-单向阀；3-继电器；4-排气管路；5-抽气机；6-下空腔；7-密封垫；8-驱动推杆；9-抽气孔；10-弹簧；11-圆形盒体；12-活塞；13-活塞板；14-上空腔；15-透光玻璃；16-激光发射器；17-工作台控制器；18-基座；19-密封圈；20-上挡板；21-密封胶；22-计算机；23-压力传感器；24-下工件；25-定位块；26-上工件；27-激光控制器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

结合附图1所示，本发明涉及到的一种激光透射焊接的真空装夹装置，包括真空装夹系统和控制系统。

所述真空装夹系统包括坐标平台1、装夹装置和工件系统；

装夹装置包括基座18、上挡板20、单向阀2、排气管路4、抽气机5、密封垫7、密封圈19、密封胶21、抽气孔9、弹簧10、圆形盒体11、活塞12、活塞板13、透光玻璃15；基座18固定在坐标平台1上；

单向阀2位于基座18右侧，用于保证装夹装置内部的气体在抽气机9的作用下只出不进，保证真空系统的稳定性；所述的驱动推杆8位于单向阀2阀芯的上部；所述的抽气机5位于基座18的内腔；排气管路4位于基座18上，用以连接抽气机5的排气口和单向阀2的进气口；所述的继电器3与计算机22和抽气机5相连接，用于接受计算机22发射的信号来控制抽气机5的工作状态；所述的上挡板20上方开有圆形凹槽，用以固定圆形盒体11的位置，开有两个抽气孔9，用于连接上空腔14和下空腔6，且上挡板20通过螺栓和密封圈19与基座18密封固定在一起；所述的压力传感器23位于下工件24正下方的上挡板20之上；所述的定位块25有4块，都通过沉头螺栓固定在上挡板20上；压力传感器23位于下工件24正下方的上挡板20之上，用以感受夹紧力大小，并将夹紧力大小反馈给计算机22；所述的定位块25有4块，都通过沉头螺栓固定在上挡板20上，用以保证工件系统的位置；所述的圆形盒体11，当工件系统安装完后，需要将圆形盒体11插到上挡板20上方的圆形凹槽中，并在圆形盒体11和凹槽之间放入密封垫7以保证装置的气密性；所述的活塞板13外侧套有活塞12，以保证装置的气密性；所述的透光玻璃15为K9玻璃，且固定在活塞板13上，以保证焊接过程激光能够透过透光玻璃15照射到工件上；所述的圆形盒体11内侧有2处凸起A，在凸起A与活塞板13之间设置有弹簧10，用以保证在焊接完成后，顶开单向阀2，外界空气进入密封盒体后，在弹簧的作用下使活塞板13能够恢复原位；所述的密封胶21，在圆形盒体11插入上挡板20上方凹槽后，用密封胶21涂抹在圆形盒体11和上挡板20的外围接触处，以保证装夹装置的密封性。

工件系统是包括下工件24和上工件26，其置于上挡板20之上，且位于4块定位块25之间，以保证工件系统位置的准确；所述的上工件26位透光性好的热塑性塑料，下工件24为吸光性好的热塑性塑料或金属材料。

结合附图2所示为本发明中所使用的单向阀的细节示意图，所述的单向阀2位于基座18右侧，用于保证装夹装置内部的气体在抽气机9的作用下只出不进，保证真空系统的稳定性；所述的驱动推杆8位于单向阀2的上部，当焊接完成后，向下按压驱动推杆8可以顶开单向阀，外部空气能够进入装夹装置，使得装夹装置内部的气压与外部大气压相同，便于圆形盒体11和工件系统的拆卸。

抽气机5位于基座18的内腔，用于抽出装夹装置内部的气体，提供真空环境；所述的通气管路4位于基座18上，用以连接抽气机5的排气口和单向阀2的进气口，保证抽气机5抽出的空气能够到达单向阀2并通过单向阀排出去；所述的继电器3与计算机22和抽气机5相连接，用于接受计算机22发射的信号来控制抽气机5的工作状态。

结合附图3所示为上挡板与基座的局部放大图，所述的上挡板20上方开有圆形凹槽，用以固定圆形盒体11的位置，开有两个抽气孔，用于连接上空腔14和下空腔6，保证上空腔14中的空气能够被抽气机5排到外界去，且上挡板20通过螺栓和密封圈19与基座18密封固定在一起，保证下空腔6的密封性。

所述的一种激光透射焊接的方法，具体包括如下步骤：

S1、接通电源，打开计算机22，然后打开激光控制器27和工作台控制器17；

S2、先在定位块25之间放入下工件24，然后将上工件26放到下工件24之上，且都在定位块之间，以保证工件系统位置的准确性；在上挡板20上面的凹槽中放入密封垫7，将带有活塞板13的圆形盒体11插入到上挡板20上面的凹槽中，并用密封胶21涂抹在圆形盒体11和上挡板20的外围接触处，构成密封环境；

S3、操作计算机22，计算机22会将操作信号传达到工作台控制器17进而控制坐标平台1的运动，首先在焊接过程之前实现对激光光斑的对焦，提高焊接质量，并使得工件系统待焊接部位位于激光光路上；

S4、打开抽气机5，抽气机5会将上空腔14中的空气通过抽气孔9然后经过下空腔6、抽气机5、排气管路4、单向阀2，最终被排到装夹装置外部，造成上空腔14的气压低于外界大气压，由于上空腔14内外存在着一定的压强差，外界大气压会压动活塞板13向下运动，当活塞板13运动到工件系统上表面，此时会提供给工件系统夹紧力，随着抽气机5不断工作，上空腔14内部的气压越来越低、内外压强差越来越大，活塞板13施加给工件系统的夹紧力也越来越大，在此过程中，压力传感器23会不断的将工件系统所受的夹紧力大小信号传递给计算机22，当夹紧力小于计算机22预先设定的夹紧力大小时，计算机22会给继电器3发送信号，继电器3收到信号后，控制抽气机5继续工作，当压力传感器23传递给计算机22的夹紧力信号大于计算机22预先设定的夹紧力大小时，计算机22发送信号给继电器3，继电器3控制抽气机5断开、停止工作，不断调整工件系统所受的夹紧力，最终保证工件系统在焊接过程中所受夹紧力的准确性；

S5、将焊缝的长度值输入到计算机22中，由于激光控制器27、工作台控制器17均与计算机22连接在一起，所以可以利用计算机22控制工作台控制器17和激光控制器27的工作状态；计算机22将焊缝长度值的信号发送给工作台控制器17来控制坐标平台1沿焊缝方向运动；坐标平台1开始运动的同时，激光控制器27控制激光发射器16打开激光，激光透过透光玻璃15，到达上工件26上表面，由于上工件26对激光的透过性好，使得损耗较少的激光到达下工件24的上表面，由于下工件24对激光的吸收性好，吸收的激光能量导致上工件26与下工件24的接触面受热融化，在夹紧力的作用下产生焊缝、形成一定的焊接强度。当焊接完成瞬间，激光控制器27控制激光发射器16的关闭，工作台控制器17控制坐标平台1停止运动，焊接过程完毕；

S6、当焊接完成后，向下按压驱动推杆8顶开单向阀2的阀芯，此时接通单向阀2的进气口和出气口，使得外界空气会进入到装夹装置的密封空间中，使圆形盒体11的内外大气压强相同，此时由于压缩状态弹簧10的反推力，使得活塞板13恢复原位，完成对工件系统夹紧力的卸载；

S7、去掉密封胶21，拿下圆形盒体11，然后取下焊接在一起的工件系统，可以进入下一个焊接周期。

本发明中涉及的激光透射焊接真空装夹装置，利用密封圈、密封垫及密封胶保证真空装夹装置内部空腔的密封性，通过对盒体密封空腔抽真空使得装夹装置内部产生负压，利用盒体内外压强差驱动活塞板对工件系统施加夹紧力，并利用传感器-计算机-继电器来控制夹紧力的准确性，提高了焊接质量。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光透射焊接系统，包括激光发射器(16)、真空装夹系统和控制系统；其特征在于，所述真空装夹系统包括坐标平台(1)、装夹装置和工件系统；

所述装夹装置包括基座(18)、上挡板(20)、单向阀(2)、排气管路(4)、抽气机(5)和抽气孔(9)；所述基座(18)固定设置在坐标平台(1)上；所述基座(18)为U形结构；基座(18)的上端设置有上挡板(20)；所述上挡板(20)上开设有抽气孔(9)，该抽气孔(9)用来平衡设置在基座(18)内的下空腔(6)与上空腔(14)的压强，上空腔(6)设置在基座(18)的上方；所述下空腔(6)内设置有抽气机(5)，抽气机(5)通过排气管路(4)与单向阀(2)连通，将气体通过单向阀(2)排出；

所述控制系统包括激光控制器(27)、工作台控制器(17)和继电器(3)；所述激光控制器(27)用来控制激光发射器(16)发出的激光强度，所述工作台控制器(17)用来控制坐标平台(1)的移动；压力传感器(23)会不断的将工件系统所受的夹紧力大小信号传递给计算机(22)，当夹紧力小于计算机(22)预先设定的夹紧力大小时，计算机(22)会给继电器(3)发送信号，继电器(3)收到信号后，控制抽气机(5)继续工作，当压力传感器(23)传递给计算机(22)的夹紧力信号大于计算机(22)预先设定的夹紧力大小时，计算机(22)发送信号给继电器(3)，继电器(3)控制抽气机(5)断开、停止工作，不断调整工件系统所受的夹紧力，最终保证工件系统在焊接过程中所受夹紧力的准确性。

2.根据权利要求1所述的一种激光透射焊接系统，其特征在于，所述工件系统包括下工件(24)和上工件(26)；所述下工件(24)置于上挡板(20)之上；上工件(26)置于下工件(24)上面；且上工件(26)与下工件(24)均置于上空腔(14)内；所述下工件(24)与上挡板(20)之间安装有压力传感器(23)。

3.根据权利要求2所述的一种激光透射焊接系统，其特征在于，所述工件系统置于定位块(25)内；所述定位块(25)有四块，定位块(25)用来保证工件系统位置的准确。

4.根据权利要求2所述的一种激光透射焊接系统，其特征在于，所述上工件(26)为透光性好的热塑性塑料，下工件(24)为吸光性好的热塑性塑料或金属材料。

5.根据权利要求1所述的一种激光透射焊接系统，其特征在于，所述上空腔(14)包括圆形盒体(11)和上挡板(20)；所述上挡板(20)上表面开设有凹槽，圆形盒体(11)的一端置于凹槽内；圆形盒体(11)的另一端为通过安装有活塞(12)的活塞板(13)密封。

6.根据权利要求5所述的一种激光透射焊接系统，其特征在于，所述活塞板(13)上开设有圆孔，且圆孔通过透光玻璃(15)密封。

7.根据权利要求5所述的一种激光透射焊接系统，其特征在于，所述圆形盒体(11)内壁设有凸起A，凸起A通过弹簧(10)与活塞板(13)连接。

8.根据权利要求5所述的一种激光透射焊接系统，其特征在于，所述上挡板(20)与基座(18)之间设置有密封圈(19)；圆形盒体(11)与上挡板(20)上的凹槽通过密封胶(21)密封。

9.根据权利要求1所述的一种激光透射焊接系统，其特征在于，所述单向阀(2)置于基座(18)竖直的一侧。

10.根据权利要求1至9所述的基于一种激光透射焊接系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、接通电源，打开计算机(22)，然后打开激光控制器(27)和工作台控制器(17)；

S2、在定位块(25)之间放入下工件(24)，然后将上工件(26)放到下工件(24)之上，且都在定位块(25)之间，以保证工件系统位置的准确性；在上挡板(20)上面的凹槽中放入密封垫(7)，将带有活塞板(13)的圆形盒体(11)插入到上挡板(20)上面的凹槽中，并用密封胶(21)涂抹在圆形盒体(11)和上挡板(20)的外围接触处，构成密封环境；

S3、操作计算机(22)，计算机(22)会将操作信号传达到工作台控制器(17)进而控制坐标平台(1)的运动，首先在焊接过程之前实现对激光光斑的对焦，提高焊接质量，并使得工件系统待焊接部位位于激光发射器(16)发射的激光光路上；

S4、打开抽气机(5)，抽气机(5)会将上空腔(14)中的空气通过抽气孔(9)经过下空腔(6)、抽气机(5)、排气管路(4)、单向阀(2)，最终被排到装夹装置外部，造成上空腔(14)的气压低于外界大气压，由于上空腔(14)内外存在着一定的压强差，外界大气压会压动活塞板(13)向下运动，当活塞板(13)运动到工件系统上表面，此时会提供给工件系统夹紧力，随着抽气机(5)不断工作，上空腔(14)内部的气压越来越低、内外压强差越来越大，活塞板(13)施加给工件系统的夹紧力也越来越大，在此过程中，压力传感器(23)会不断的将工件系统所受的夹紧力大小信号传递给计算机(22)，当夹紧力小于计算机(22)预先设定的夹紧力大小时，计算机(22)会给继电器(3)发送信号，继电器(3)收到信号后，控制抽气机(5)继续工作，当压力传感器(23)传递给计算机(22)的夹紧力信号大于计算机(22)预先设定的夹紧力大小时，计算机(22)发送信号给继电器(3)，继电器(3)控制抽气机(5)断开、停止工作，不断调整工件系统所受的夹紧力，最终保证工件系统在焊接过程中所受夹紧力的准确性；

S5、将焊缝的长度值输入到计算机(22)中，由于激光控制器(27)、工作台控制器(17)均与计算机(22)连接在一起，所以可以利用计算机(22)控制工作台控制器(17)和激光控制器(27)的工作状态；计算机(22)将焊缝长度值的信号发送给工作台控制器(17)来控制坐标平台(1)沿焊缝方向运动；坐标平台(1)开始运动的同时，激光控制器(27)控制激光发射器(16)打开激光，激光透过透光玻璃(15)，到达上工件(26)上表面，由于上工件(26)对激光的透过性好，使得损耗较少的激光到达下工件(24)的上表面，由于下工件(24)对激光的吸收性好，吸收的激光能量导致上工件(26)与下工件(24)的接触面受热融化，在夹紧力的作用下产生焊缝、形成一定的焊接强度；当焊接完成瞬间，激光控制器(27)控制激光发射器(16)的关闭，工作台控制器(17)控制坐标平台(1)停止运动，焊接过程完毕；

S6、当焊接完成后，向下按压驱动推杆(8)顶开单向阀(2)的阀芯，此时接通单向阀(2)的进气口和出气口，使得外界空气会进入到装夹装置的密封空间中，使圆形盒体(11)的内外大气压强相同，此时由于压缩状态弹簧(10)的反推力，使得活塞板(13)恢复原位，完成对工件系统夹紧力的卸载；

S7、去掉密封胶(21)，拿下圆形盒体(11)，然后取下焊接在一起的工件系统，可以进入下一个焊接周期。