CN114871582A - 一种塑料和金属激光焊接的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于塑料的成型连接，特别是塑料和金属工件的成型连接，具体提供了一种塑料和金属激光焊接的系统及方法，包括：待加工元件、夹紧元件、激光发射单元、激光校准单元、温度在线检测单元、成像单元；通过比较激光发射单元的入射光和出射光的光学像差，校准照射到工件表面的激光光斑形态；温度在线检测单元、成像单元反馈的任一数据超过预定阈值，将会发出报警信号，并将该信号反馈至激光发射单元，进而调整激光发射单元的输入数据，通过上述设置，能够对焊接过程进行多方位实时检测和调整，进而提高焊接质量。

Description

一种塑料和金属激光焊接的系统和方法

技术领域

本发明涉及塑料的成型连接领域，特别是塑料和金属工件的成型连接，涉及一种塑料和金属激光焊接的系统和方法。

背景技术

塑料作为一种比强度很高的材料正被广泛应用于各个领域。随着塑料工业的发展，一些强度更高的复合增强塑料被开发出来，进一步拓宽了塑料产品在工业制造领域中的应用。因为塑料和金属在机械性能、物理性能、化学性能等各方面都存在较大差异，如塑料的刚度远低于金属，而塑性远高于金属材料，所以在连接过程中会出现各种缺陷。目前针对金属塑料材料连接常用的方法有机械连接、化学粘接、熔接等。近年来，由于激光制造技术的飞速发展，激光焊接由于其效率高、无接触连接、有利于实现自动化等优点在塑料与金属连接领域倍受关注。

如“一种新型激光透射焊接连接方法”的中国专利(申请号201210581561.6)通过在金属表面制备凹坑改变表面形貌，后采用激光透射连接的实现塑料与金属材料连接。但该技术使用化学腐蚀的方法制备凹坑不够环保，凹坑难以控制，难以针对金属件的局部进行处理，同时由于该技术不具备在线监测焊接温度和表面状态的功能，导致焊接过程中无法对焊接质量进行在线监控，并最终使得焊接的可靠性无法得到保证。

通过研究发现，在塑料与金属激光焊接中还存在焊缝结合强度低、焊缝成形差、工艺稳定性不足等问题。同时由于塑料母材热分解温度较低而对热输入较为敏感，容易出现过烧现象。因此，为了提高焊接质量，焊接过程中的多方位实时检测和调整就显的异常重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种塑料和金属激光焊接的系统及方法，解决现有技术中焊缝结合强度低、焊缝成形差、塑料母材过烧、工艺稳定性不足，无法对焊接过程实时监控、在线调整等问题。

本申请的实施例提供一种塑料和金属激光焊接的系统，包括：

待加工元件，包括位于底层的金属工件以及位于金属工件上方的塑料工件；

夹紧元件，用于夹紧待加工元件；

激光发射单元，通过光学元件产生高频振荡激光光束，该激光光束直接照射位于上层的塑料工件，通过激光光束照射实现塑料工件和金属工件的焊接；

激光校准单元，通过比较激光发射单元的入射光和出射光的光学像差，校准照射到工件表面的激光光斑形态；

温度在线检测单元，通过光学元件反射焊接时焊点辐射光，实时监测焊接过程中焊点的温度变化；

成像单元，通过光学元件反射照在焊接面上的照射光，进而形成焊接面实时图像；

温度在线检测单元、成像单元的光学元件与激光发射单元的光学元件均有部分重合；温度在线检测单元、成像单元反馈的任一数据超过预定阈值，将会发出报警信号，并将该信号反馈至激光发射单元，进而调整激光发射单元的输入数据，该输入数据至少包括激光功率和振动频率。

进一步地，该系统还包括焊前处理单元，通过脉冲电路和具有凹凸表面的绝缘压板对金属工件进行焊前处理；所述焊前处理单元具体布置如下：将金属工件置于绝缘板上夹紧，随后接通脉冲电路，金属工件通电后发生塑性变形；位于金属工件上方的绝缘压板具有凹凸不平的表面，绝缘压板在预定压力下对通电后的金属工件进行按压，以在金属工件的焊接面加工出预定的凹凸结构。

进一步地，脉冲电路满足如下条件：

J表示工件单位面积的电流大小，Js表示使金属工件达到塑性变形时单位面积电流大小的阈值；T表示温度升高值；T_S表示温度升高的临界值；ρ_r表示工件比电阻；ρ_m表示为工件密度；C表示物体温度每升高1℃所需要的热量；t表示电流的延续时间。

进一步地，所述激光发射单元包括光线传输装置、高频振荡发生器、光学元件；高频振荡发生器连接于光线传输装置的输出端，用于产生高频振荡激光；

所述高频振动发生器由高频振荡模块和弹性元件组成，高频振荡模块和弹性元件相对光线传输装置对称设置，且沿圆周方向交替设置，高频振荡模块和弹性元件分别至少设置三组；

所述光学元件至少包括一个准直镜和一个聚光镜，准直镜用于加密激光束，聚光镜用于将准直后的光线聚焦到焊接点。

进一步地，所述激光校准单元包括至少一个光束分离器，用于将聚光镜聚焦的激光束以一定角度进行反射；准直光元件，用于将反射后的激光束进行准直；

激光检测器，其用于接收前述准直激光束，并对该准直激光束进行检测；

光路修整元件，其包括至少一个可调表面光学元件，通过改变该光学元件的表面形状调整通过其表面激光的光学参数；

处理器，用于将激光检测器检测到的激光束与激光发射单元入射光进行比较，通过比较结果调整可调表面光学元件的表面形状，进而减小二者的光学像差。

优选地，所述光路修整元件还包括一移动装置，所述激光发射单元的聚光镜设置在该移动装置上，所述处理器还可通过调整该聚光镜的位置减小激光的光学像差，进而调整焊点激光光斑。

优选地，所述激光发射单元还包括冷却装置，冷却装置包括冷却气源、多个环形通道、喷嘴，冷却气源为多个相互联通的环形通道供气，激光发射单元的光学元件外侧均环绕一个环形通道，通过多个环形通道的气源从喷嘴处喷出，喷嘴指向焊点附近。

进一步地，所述温度在线检测单元包括分束器、滤光镜、光电测量电路、单片微控器，分束器接收从焊点反射出的光线，分离后将焊点辐射光传递至滤光镜，滤光镜筛选出焊点辐射光的两个波段的辐射，并被光电测量电路分别感应，随后单片微控器将该光电信号转换为焊点温度，焊点温度T_焊计算方式如下：

其中，λ₁、λ₂为筛选出两个波段的波长，V₁、V₂为光电测量电路检测两波长辐射的输出电压，∆₁、∆₂为两测量电路的电压偏差，N为辐射常数，n为调整系数。

进一步地，所述成像单元包括照射源、滤光片、信号转化单元、显示器；照射源发出的光线照射在焊接面上，该照射源经光学元件、滤光片传输后进入信号转化单元，该信号转化单元将输入的光信号转化为焊接面的实时图像，由显示器进行呈现。

本发明还提出了一种塑料和金属激光焊接的方法，包括如下步骤：

S1、焊前处理：将金属工件置于绝缘板上夹紧，随后接通脉冲电路，金属工件通电后发生塑性变形；位于金属工件上方的绝缘压板具有凹凸不平的表面，绝缘压板在预定压力下对通电后的金属工件进行按压，以在金属工件的焊接面加工出预定的凹凸结构；随后将塑料工件搭接在金属工件上；

S2、激光通过光线传输装置、高频振荡发生器后形成入射光，入射光依次通过准直镜、可调表面光学元件、第一分束器、聚光镜后形成出射光，出射光用于对金属工件和塑料工件结合面的焊接；一部分出射光在到达焊接表面前被光束分离器反射，经准直后进入激光检测器，处理器将激光检测器检测到的激光束与入射光进行比较，通过比较结果调整可调表面光学元件的表面形状,或同时调节可调表面光学元件的表面形状和聚光镜的上下位置，进而减小出射光与入射光的光学像差；

S3、焊接时焊点的温度升高产生焊点辐射光，该焊点辐射光经分束器分离后传输至滤光镜，滤光镜筛选出焊点辐射光两个波段的辐射，并被光电测量电路分别感应，随后单片微控器将该光电信号转换为焊点温度；

S4、焊接时，照射源发出的光线照射在焊接面上，该照射光经光学元件、滤光片传输后进入信号转化单元，该信号转化单元将输入的光信号转化为焊接面的实时图像，由显示器进行呈现；

S5、温度在线检测单元、成像单元反馈的任一数据超过预定阈值将会发出报警信号，并将该信号反馈至激光发射单元，进而调整激光发射单元的输入数据，该输入数据至少包括激光发射功率和高频振动发生器的振动频率。

本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：

本发明利用金属材料通电后发生塑性变形导致材料软化的特性，焊前对金属工件表面进行处理，提高焊接质量，且加工过程脉冲参数可调，能够确保金属表面产生塑性变形又不至于温度过高；相比于现有技术中的化学腐蚀、激光处理更加环保、简单、成本低，且加工面形状可控。

本发明采用高频振荡模块和弹性元件配合实现对激光光束的高频振荡，能够满足对不同材料不同激光的加工要求，且不会影响激光的功率密度，调节方便，可调范围大。

本发明采用加设可调表面光学元件、移动装置补偿入射光和出射光之间的光学相差，保证焊点光斑形态；同时加设冷却系统一方面能够降低光学元件的表面温度，减小温度对光学元件的影响；另一方面经过多级环形通道加热后的气源通过喷嘴喷出，能够清除焊接表面的杂质，方便激光穿透，保证焊接质量。

本发明温度在线检测单元和成像单元能够实时检测焊点温度和焊面成像情况，并能够在监测到异常情况后及时对激光发射单元的输入数据进行调整，响应迅速，自动化程度高。同时，在焊点温度计算时采用两个不同波长下的辐射强度作比较处理，可抵消其他干扰光线对焊点辐射强度检测结果的影响，提升了温度检测的可靠性。

本发明将激光发射单元、激光校准单元、温度在线检测单元和成像单元的光路巧妙结合在一起，集成化程度高、结构简单。

附图说明

图1为本发明焊接系统的整体示意图；

图2为本发明实施例所述的往复摆动器的侧视示意图；

图3为本发明实施例所述的往复摆动器的俯视示意图；

图4为本发明实施例所述的另一实施例往复摆动器的侧视示意图；

图5为本发明实施例所述的第一直线导轨的装配侧视示意图；

图6为本发明实施例所述的传导拨叉杆的装配示意图；

图7为本发明实施例所述的无级变位器的结构示意图；

图8为本发明实施例所述的自动调谐摆动器的结构示意图；

图9为本发明实施例所述的自动焊接臂的总装示意图；

图10为高频振荡发生器的结构示意图。

附图标记说明：

1-梅花峰谷轮；2-齿轮轴；3-峰谷轮轴承；4-减速器连接轴；5-轴头紧固螺栓；6-沿边轮；7-第一直线导轨；8-第一导轨卡座；9-传导拨叉杆；10-往复轮；11-弹簧档盖；12-弹簧；13-弹簧后档盖；14-调整螺栓；15-弹簧后座；16-输出轴；17-轴承挡圈；18-传导轴承；19-后座紧固螺栓；20-变位伺服电机；21-定桶；22-变位轴承；23-转桶；24-锁紧密封盖；25-旋转座；26-自锁伺服电机；27-第二直线导轨；28-第二导轨卡座；29-滚珠丝杆；30-滚珠丝母；31-滑台底座；32-焊枪卡座；33-焊枪螺栓；34-连接转换座；100-塑料工件；200-金属工件；111-光线传输装置；112-高频振荡模块；113-弹性元件；301-准直镜；302-聚光镜；303-可调表面光学元件；304-第一分束器；305-光束分离器；306-准直光元件；307-激光检测器；308-处理器；309-第二分束器；3010-滤光镜；3011-光电测量电路；3012-单片微控器；3013-滤光片；3014-信号转化单元；3015-显示器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“顶”、“底”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、以及类似的表述只是为了说明的目的。

下面结合附图，对本申请的一些实施例作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供一种塑料和金属激光焊接的系统。如图1所示，待加工元件包括塑料工件100和金属工件200，塑料工件100位于金属工件200上方，且二者搭接设置，搭接处形成焊缝。一般地，焊接时待加工元件均由夹紧元件夹紧，最优地，该夹紧力垂直于焊接表面施加，以进一步提高塑料工件100和金属工件200的焊接效果。

由于塑料与金属材料激光焊接焊缝的强度普遍较低，可通过改变材料界面状态的方法来优化工艺提高焊缝的强度。因此，本发明采用对金属工件200进行焊前处理，主要利用金属材料通电后发生塑性变形导致材料软化的特性对其焊接表面进行处理。

在一实施例中，焊前处理单元包括脉冲电路、绝缘压板；绝缘压板具有凹凸不平的加工表面，该加工表面的凹凸轮廓可根据金属工件的加工需求进行适应性调整。所述焊前处理单元具体布置如下：焊接开始前，清理金属工件200，随后将其置于绝缘板上夹紧，通过导线将金属工件200接通至脉冲电路，电源发出一定频率的脉冲信号，脉冲参数将由允许的温度升高量和材料软化效果的程度决定。受到脉冲电流影响，金属工件200发生塑性变形，表面材料软化；随后绝缘压板在预定压力下对通电后的金属工件200的待焊接面进行按压，金属工件200的待焊接面在绝缘压板凹凸不平加工表面的压力作用下产生预定的凹凸结构。

进一步地，为使金属工件200表面产生塑性变形又不至于温度过高，脉冲参数需在一定范围内选择，具体标准如下：

J表示工件单位面积的电流大小，Js表示使金属工件达到塑性变形时单位面积电流大小的阈值；T表示温度升高值；T_S表示温度升高的临界值；ρ_r表示工件比电阻；ρ_m表示为工件密度；C表示物体温度每升高1℃所需要的热量；t表示电流的延续时间。

待加工元件上方设置有激光发射单元以及带动激光发射单元动作的自动焊接臂。所述自动焊接臂包括往复摆动器、自动调谐摆动器及无级变位器。如图2所示，该往复摆动器包括外壳、梅花峰谷轮1、沿边轮6、第一直线导轨7、往复轮10、传导拨叉杆9及输出轴16；

所述梅花峰谷轮1与摆动减速器连接，所述摆动减速器控制梅花峰谷轮1单向旋转；如图4-5所示，所述沿边轮6设置在第一直线导轨7上并可通过第一直线导轨7做直线运动，所述沿边轮6通过轮架设置在第一直线导轨上并可自由旋转，所述第一直线导轨7设置在第一导轨卡座上8上，第一导轨卡座8设置在外壳上；所述第一直线导轨7上还设置有回弹机构，所述回弹机构将沿边轮6始终贴合接触在所述梅花峰谷轮1的外周上，所述梅花峰谷轮1单向旋转带动所述沿边轮6及第一直线导轨7通过回弹机构直线往复运动。

所述第一直线导轨7上还设置有往复轮10，所述往复轮10通过传导拨叉杆9与输出轴16连接，所述输出轴16固定在所述传导拨叉杆9的轴孔内，在所述往复轮10随第一直线导轨7直线往复运动时，所述输出轴16通过传导拨叉杆9与往复轮10连接并做往复旋转运动。

往复摆动器的具体连接方式为：所述梅花峰谷轮1通过齿轮轴2、峰谷轮轴承3与摆动减速器的减速器连接轴4连接，所述梅花峰谷轮1通过轴头紧固螺栓5装配在齿轮轴2上。摆动减速器通过减速器连接轴4控制梅花峰谷轮1单向旋转。

该梅花峰谷轮1具有梅花状外形，该梅花状外形的梅花峰谷轮1的外周为与圆形沿边轮6外周相匹配的连续间隔设置的凹面及凸面。梅花峰谷轮1材质选用钢件材质，钢件耐磨、工作面精度高，具有与沿边轮6贴合的平滑工作面，保证往复摆动器传输平稳。也可采用聚四氟塑料。

齿轮轴2材质选用钢轴，齿轮轴2与减速器连接轴4同心设置。

如图5所示，沿边轮6的作用为将梅花峰谷轮1的单向旋转行走传递至第一直线导轨7且保证第一直线导轨7平稳滑动，沿边轮6材质选用钢件材质，钢件耐磨，精度高。

如图3所示，回弹机构包括弹簧12、弹簧档盖11、弹簧后档盖13，所述弹簧档盖11设置在第一直线导轨7上，所述弹簧后档盖13设置在外壳上，所述弹簧12套设在第一直线导轨7上并与弹簧档盖11及弹簧后档盖13连接，所述弹簧12通过第一直线导轨7将沿边轮6始终抵压贴合在梅花峰谷轮1上。所述回弹装置设置在第一直线导轨7远离沿边轮6的一端，所述弹簧后档盖13通过弹簧后座15装配在外壳上，所述弹簧后座15上还设置有可调整弹簧后档盖13位置的调整螺栓14。或者，如图4所示，所述回弹装置设置在第一直线导轨7的沿边轮6一侧。

第一直线导轨7设置在第一导轨卡座8上，第一导轨卡座8设置在外壳上，第一直线导轨7通过第一导轨卡座8将沿边轮6的运动传递至往复轮10，沿边轮6和往复轮10同时随第一直线导轨7做直线往复运动。

如图2、6所示，所述传导拨叉杆9通过传导轴承装配在外壳上。输出轴16通过轴承挡圈17遮挡传导轴承及密封。传导拨叉杆9的作用为将往复轮10的作用传递至输出轴16。往复轮10和传导拨叉杆9配合间隙接近于0。

往复摆动器的摆动减速器及摆动器电机只需要向一个方向旋转，运行稳定，且由于对摆动器电机的力矩要求不像闪摆器那样高，因而可以使用体积更小、更易安装的电机。

如图7所示，无级变位器包括：变位伺服电机20、定桶21、转桶23、变位轴承22、锁紧密封盖24及旋转座25；

所述变位伺服电机20与定桶21固定连接，所述定桶21内设置有变位轴承22及转桶23，所述转桶23与变位伺服电机20连接，旋转座25设置在转桶23上，所述变位伺服电机20控制所述转桶23旋转，转动旋转带动旋转座25旋转，所述无级变位器的旋转座25与往复摆动器的外壳连接，变位伺服电机20控制往复摆动器的外壳实现360°旋转，继而实现焊枪在任何角度完成焊接作业。

如图8所示，自动调谐摆动器包括滑台底座31、自锁伺服电机26、滚珠丝杆29、滚珠丝母30、第二导轨卡座28、第二直线导轨27、焊枪卡座32及焊枪螺栓33；

所述滑台底座31上设置有第二导轨卡座28，所述第二直线导轨27设置在第二导轨卡座28上，所述第二直线导轨27通过自锁伺服电机26、滚珠丝杆29及滚珠丝母30控制做直线运动，所述焊枪卡座32通过焊枪螺栓33固定在第二直线导轨27上。

自动调谐摆动器是为往复摆动器调整摆动角度大小所用，因为往复摆动器是通过梅花峰谷轮1来摆动的，摆动角度大小及进退尺寸是固定的，不能实现调谐角度大小。通过本实施例方案中的自动调谐摆动器可补偿往复摆动器的角度变换，使本自动焊接臂更广泛地焊接各种焊缝的手法，保证焊接质量和提高焊接速度。

如图9所示，所述往复摆动器的输出轴16与自动调谐摆动器连接，焊枪设置在自动调谐摆动器的焊枪卡座32上，所述往复摆动器通过连接转换座34设置在无级变位器旋转座25上。

通过往复摆动器、自动调谐摆动器及无级变位器的配合，实现焊枪全角度、无死角的自动焊接动作。

进一步地，如图1所示，激光发射单元通过高频振荡发生器和光学元件产生高频振荡出射光B，该出射光B聚焦到焊接点，通过激光光束照射实现金属工件200和塑料工件100的焊接；激光发射单元的入射光A由光线传输装置111输出，高频振荡发生器连接在光线传输装置111末端10-80mm之间，主要作用是对光线传输装置111施加超高频率周期性作用力，使光线传输装置111高频振荡，从而让激光也做高频振荡。

高频振荡发生器的具体结构如图10所示，主要由高频振荡模块112和弹性元件113组成，高频振荡模块112和弹性元件113相对光线传输装置111对称设置，且二者沿圆周方向交替设置，高频振荡模块112和弹性元件113分别至少设置三组；高频振荡模块112和弹性元件113共同作用于光线传输装置111。一般地，光线传输装置111在圆心位置保持不动，当高频振荡模块112高频振荡时，弹性元件113为光线传输装置111提供辅助作用力，提高光线传输装置111的响应速度；进一步地，将高频振荡模块112和弹性元件113交替设置能够保证高频振荡发生器的整体稳定性，防止由高频振荡模块112的高频振荡时导致光线传输装置111的传输方向偏差过大。

入射光A至少经过准直镜301的准直加密以及聚光镜302的聚焦作用后形成出射光B。然而，在实际使用过程中，由于激光的高能量特性，往往会导致光学元件的温度升高，进而使光学元件折射率和形状发生变化，由温度升高引起的折射率和透镜形状的变化会导致光线移位，同时吸热还会导致进一步的激光像差，以上种种均会导致激光光斑的形态发生变化。激光光斑是激光光束同被作业工件的交面，直接决定了激光的作用位置、大小及能量密度分布。因此，实现激光光斑的动态调节是提升激光焊接质量的关键因素。

基于此，本发明在激光发射单元的基础上设置了激光校准单元，该激光较准单元包括至少一个光束分离器305、准直光元件306、激光检测器307、光路修整元件、处理器308；其中光束分离器305位于聚光镜302的下方，用于将聚光镜302聚焦的激光束以一定角度进行反射，反射角度在20°-80°之间；准直光元件306位于光束分离器305的一侧，用于将光束分离器305反射后的激光束进行准直；激光检测器307接收前述准直激光束，并对该准直激光束进行相位检测；处理器308将激光检测器307检测到的激光束与激光发射单元入射光A进行比较，通过比较结果调整光路修整元件，进而减小二者的光学像差。

在一实施例中，光路修整元件包括至少一个可调表面光学元件303，可调表面光学元件303位于准直镜301和聚光镜302之间，其具有至少一个可调整轮廓的表面，处理器308能够通过控制电压或电磁信号调节该表面的形状，经准直镜301准直后的光线通过该可调整轮廓表面后进入聚光镜302，通过改变可调表面光学元件303的表面轮廓能够改变通过其表面激光的相位，进而补偿入射光A和出射光B的光学像差。

在另一实施例中，光路修整元件还包括一移动装置，激光发射单元的聚光镜302设置在该移动装置上，通过移动装置的上下运动改变聚光镜302的聚焦点，进而影响光斑形态。在该基础上，处理器308还可以通过控制聚光镜302在移动装置上的位置减小入射光A和出射光B的光学像差，进而调整焊点激光光斑。

进一步地，为了防止光学元件过热造成光学像差过大，本发明在激光发射单元加设冷却装置（图中未示出）。冷却装置包括冷却气源、多个环形通道、喷嘴；冷却气源为多个相互联通的环形通道供气，环形通道至少环绕激光发射单元的光学元件，即准直镜301、聚光镜302。当然，可根据实际需要将本发明其他光学元件外侧也环绕该环形通道。从冷却气源发出、通过各环形通道的气源从喷嘴喷出，喷嘴倾斜设置在焊枪底部靠近焊接面处，喷嘴的倾斜方向指向焊点附近。冷却装置的设置一方面能够降低光学元件的表面温度，减小温度对光学元件的影响；另一方面经过多级环形通道加热后的气源通过喷嘴喷出，能够清除焊接表面的杂质，方便激光穿透，保证焊接质量。

如图1所示，本发明焊接系统还包括温度在线检测单元和成像单元，温度在线检测单元包括分束器、滤光镜3010、光电测量电路3011、单片微控器3012，为了使整体光学电路简化，分束器包括第一分束器304和第二分束器309，第一分束器304位于可调表面光学元件303和聚光镜302之间，用于发射从焊点反射回的光线，第二分束器309位于第一分束器304的一侧，用于将第一分束器304反射的光线分成两路，分别用于温度检测和焊面成像。

焊接过程中，焊点在激光光斑处快速形成，焊点因温度升高产生辐射光，因光路可逆，故焊点辐射光及部分被反射的激光及其他干扰光线经分束器传输至后方的滤光镜3010，滤光镜3010过滤筛选出焊点辐射光的两个波段的辐射，并被光电测量电路3011分别感应，随后单片微控器3012将该光电信号转换为焊点温度，焊点温度T_焊计算方式如下：

其中，λ₁、λ₂为筛选出两个波段的波长，V₁、V₂为光电测量电路检测两波长辐射的输出电压，∆₁、∆₂为两测量电路的电压偏差，N为辐射常数，n为调整系数。

该计算方式将焊点辐射光的两个不同波长下的辐射强度作比较处理，可抵消其他干扰光线对焊点辐射强度检测结果的影响，提升了温度检测的可靠性。

进一步地，成像单元包括照射源O、滤光片3013、信号转化单元3014、显示器3015；照射源O发出的光线可以是不同于焊接激光波长的激光、紫外线、红外线或者可见光，照射源O以合适的角度照射焊接面，该照射光通过分束器传输至其下方的滤光片3013，滤光片3013分离过滤出所需的照射光线后传输至信号转化单元3014，信号转化单元3014将输入的光信号转化为焊接面的实时图像，由显示器3015进行呈现。

需要说明的是，当照射源O发出的光线照射在焊接表面时，在无焊点的情况下，由于塑料工件100表面相对比较平整，照射光反射出的光线趋于规律，而在焊点形成时，塑料工件100的焊接表面发生变形，进而导致照射源O发出的光线照射到焊接点时光线的反射路径发生改变，基于该光线路径的变化检测焊点的形状。

在另一实施例中，为了提高检测的精确性，可以从多个方向设置照射源。

通过上述描述可知，温度在线检测单元能够根据焊点辐射光的情况实时监测焊接过程中焊点的温度变化，成像单元能够根据照射源的照射光情况，实时监测焊点图像；当温度在线检测单元、成像单元反馈的任一数据超过预定阈值，将会发出报警信号，并将该信号反馈至激光发射单元，进而调整激光发射单元的输入数据，该输入数据至少包括激光功率和振动频率，激光的振动频率通过高频振荡模块112调节。进一步地，对透射焊接而言，其透射率除了与塑料母材的透光率有关之外，还与激光波长有关，因此也可通过调整激光波长对焊接质量进行调整。

基于该一种塑料和金属激光焊接的系统的焊接方法如下：包括如下步骤：

S1、焊前处理：将金属工件200置于绝缘板上夹紧，随后接通脉冲电路，金属工件200通电后发生塑性变形；位于金属工件200上方的绝缘压板具有凹凸不平的表面，绝缘压板在预定压力下对通电后的金属工件200进行按压，以在金属工件200的焊接面加工出预定的凹凸结构；随后将塑料工件100搭接在金属工件200上；

S2、激光通过光线传输装置111、高频振荡发生器后形成入射光A，入射光A依次通过准直镜301、可调表面光学元件303、第一分束器304、聚光镜302后形成出射光B，出射光B用于对金属工件200和塑料工件100结合面的焊接；一部分出射光B在到达焊接表面前被光束分离器305反射，经准直后进入激光检测器307，处理器308将激光检测器307检测到的激光束与入射光A进行比较，通过比较结果调整可调表面光学元件303的表面形状，或同时调节可调表面光学元件303的表面形状和聚光镜302的上下位置，进而减小出射光B与入射光A的光学像差；

S3、焊接时焊点的温度升高产生焊点辐射光，该焊点辐射光经分束器分离后传输至滤光镜3010，滤光镜3010筛选出焊点辐射光两个波段的辐射，并被光电测量电路3011分别感应，随后单片微控器3012将该光电信号转换为焊点温度；

S4、焊接时，照射源O发出的光线照射在焊接面上，该照射光经光学元件、滤光片3013传输后进入信号转化单元3014，该信号转化单元3014将输入的光信号转化为焊接面的实时图像，由显示器3015进行呈现；

S5、温度在线检测单元、成像单元反馈的任一数据超过预定阈值，将会发出报警信号，并将该信号反馈至激光发射单元，进而调整激光发射单元的输入数据，该输入数据至少包括激光发射功率和高频振动发生器的振动频率。

以上所述的仅是本申请的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种塑料和金属激光焊接的系统，其特征在于：包括：

待加工元件，包括位于底层的金属工件以及位于金属工件上方的塑料工件；

夹紧元件，用于夹紧待加工元件；

激光发射单元，通过光学元件产生高频振荡激光光束，该激光光束直接照射位于上层的塑料工件，通过激光光束照射实现塑料工件和金属工件的焊接；

激光校准单元，通过比较激光发射单元的入射光和出射光的光学像差，校准照射到工件表面的激光光斑形态；

温度在线检测单元，通过光学元件反射焊接时焊点辐射光，实时监测焊接过程中焊点的温度变化；

成像单元，通过光学元件反射照在焊接面上的照射光，进而形成焊接面实时图像；

温度在线检测单元、成像单元的光学元件与激光发射单元的光学元件均有部分重合；温度在线检测单元、成像单元反馈的任一数据超过预定阈值，将会发出报警信号，并将该信号反馈至激光发射单元，进而调整激光发射单元的输入数据，该输入数据至少包括激光功率和振动频率。

2.根据权利要求1所述的一种塑料和金属激光焊接的系统，还包括焊前处理单元，通过脉冲电路和具有凹凸表面的绝缘压板对金属工件进行焊前处理；所述焊前处理单元具体布置如下：将金属工件置于绝缘板上夹紧，随后接通脉冲电路，金属工件通电后发生塑性变形；位于金属工件上方的绝缘压板具有凹凸不平的表面，绝缘压板在预定压力下对通电后的金属工件进行按压，以在金属工件的焊接面加工出预定的凹凸结构。

3.根据权利要求2所述的一种塑料和金属激光焊接的系统，所述脉冲电路满足如下条件：

J表示工件单位面积的电流大小，Js表示使金属工件达到塑性变形时单位面积电流大小的阈值；T表示温度升高值；T_S 表示温度升高的临界值；ρ_r表示工件比电阻；ρ_m表示为工件密度；C表示物体温度每升高1℃所需要的热量；t表示电流的延续时间。

4.根据权利要求1所述的一种塑料和金属激光焊接的系统，所述激光发射单元包括光线传输装置、高频振荡发生器、光学元件；高频振荡发生器连接于光线传输装置的输出端，用于产生高频振荡激光；

所述高频振动发生器由高频振荡模块和弹性元件组成，高频振荡模块和弹性元件相对光线传输装置对称设置，且沿圆周方向交替设置，高频振荡模块和弹性元件分别至少设置三组；

所述光学元件至少包括一个准直镜和一个聚光镜，准直镜用于加密激光束，聚光镜用于将准直后的光线聚焦到焊接点。

5.根据权利要求4所述的一种塑料和金属激光焊接的系统，所述激光校准单元包括至少一个光束分离器，用于将聚光镜聚焦的激光束以一定角度进行反射；准直光元件，用于将反射后的激光束进行准直；

激光检测器，其用于接收前述准直激光束，并对该准直激光束进行检测；光路修整元件，其包括至少一个可调表面光学元件，通过改变该光学元件的表面形状调整通过其表面激光的光学参数；

处理器，用于将激光检测器检测到的激光束与激光发射单元入射光进行比较，通过比较结果调整可调表面光学元件的表面形状，进而减小二者的光学像差。

6.根据权利要求5所述的一种塑料和金属激光焊接的系统，所述光路修整元件还包括一移动装置，所述激光发射单元的聚光镜设置在该移动装置上，所述处理器还可通过调整该聚光镜的位置减小激光的光学像差，进而调整焊点激光光斑。

7.根据权利要求4所述的一种塑料和金属激光焊接的系统，所述激光发射单元还包括冷却装置，冷却装置包括冷却气源、多个环形通道、喷嘴，冷却气源为多个相互联通的环形通道供气，激光发射单元的光学元件外侧均环绕一个环形通道，通过多个环形通道的气源从喷嘴处喷出，喷嘴指向焊点附近。

8.根据权利要求1所述的一种塑料和金属激光焊接的系统，所述温度在线检测单元包括分束器、滤光镜、光电测量电路、单片微控器，分束器接收从焊点反射出的光线，分离后将焊点辐射光传递至滤光镜，滤光镜筛选出焊点辐射光的两个波段的辐射，并被光电测量电路分别感应，随后单片微控器将该光电信号转换为焊点温度，焊点温度T_焊计算方式如下：

其中，λ₁、λ₂为筛选出两个波段的波长，V₁、V₂为光电测量电路检测两波长辐射的输出电压，∆₁、∆₂为两测量电路的电压偏差，N为辐射常数，n为调整系数。

9.根据权利要求1所述的一种塑料和金属激光焊接的系统，所述成像单元包括照射源、滤光片、信号转化单元、显示器；照射源发出的光线照射在焊接面上，该照射源经光学元件、滤光片传输后进入信号转化单元，该信号转化单元将输入的光信号转化为焊接面的实时图像，由显示器进行呈现。

10.一种使用权利要求1-9任一项所述的一种塑料和金属激光焊接的系统的焊接方法，包括如下步骤：

S1、焊前处理：将金属工件置于绝缘板上夹紧，随后接通脉冲电路，金属工件通电后发生塑性变形；位于金属工件上方的绝缘压板具有凹凸不平的表面，绝缘压板在预定压力下对通电后的金属工件进行按压，以在金属工件的焊接面加工出预定的凹凸结构；随后将塑料工件搭接在金属工件上；

S2、激光通过光线传输装置、高频振荡发生器后形成入射光，入射光依次通过准直镜、可调表面光学元件、第一分束器、聚光镜后形成出射光，出射光用于对金属工件和塑料工件结合面的焊接；一部分出射光在到达焊接表面前被光束分离器反射，经准直后进入激光检测器，处理器将激光检测器检测到的激光束与入射光进行比较，通过比较结果调整可调表面光学元件的表面形状，或同时调节可调表面光学元件的表面形状和聚光镜的上下位置，进而减小出射光与入射光的光学像差；

S3、焊接时焊点的温度升高产生焊点辐射光，该焊点辐射光经分束器分离后传输至滤光镜，滤光镜筛选出焊点辐射光两个波段的辐射，并被光电测量电路分别感应，随后单片微控器将该光电信号转换为焊点温度；

S4、焊接时，照射源发出的光线照射在焊接面上，该照射光经光学元件、滤光片传输后进入信号转化单元，该信号转化单元将输入的光信号转化为焊接面的实时图像，由显示器进行呈现；

S5、温度在线检测单元、成像单元反馈的任一数据超过预定阈值将会发出报警信号，并将该信号反馈至激光发射单元，进而调整激光发射单元的输入数据，该输入数据至少包括激光发射功率和高频振动发生器的振动频率。

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