CN115157690A - 双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，包括在第二透明塑料件的焊接位置填充金属粉末吸收剂；将第二透明塑料件与第一透明塑料件进行装配，对待焊接样件进行夹持固定，第一透明塑料件为透射层，第二透明塑料件为吸收层；沿着金属粉末吸收剂的填充方向生成焊接路径，短波长红外激光器发射的短波长激光垂直照射在金属粉末吸收剂上，长波长近红外激光器发射的长波长激光以与水平面夹角为30～45°的姿态照射第一透明塑料件和第二透明塑料件的焊接位置；依据焊接路径完成焊接作业。本发明通过双波长激光束的协同作用发挥长波长激光的体加热效果，调节透射层内部熔池的大小和位置，确保熔池在透射层和吸收层内部分布的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及激光透射焊接技术领域，尤其是指一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法及装置。
背景技术
热塑性塑料在家电、医疗、汽车和食品包装等行业中具有广泛的应用，但是受限于传统的模塑、注塑等加工方式不能制备具有复杂结构的部件，因此针对热塑性塑料连接技术的研究日益受到关注。目前常用的连接技术主要包括胶接、机械连接和焊接等。其中焊接技术具有连接强度高、密封性好以及焊接效果稳定等优势。根据提供热源形式的差异，焊接技术包括超声波焊、热熔焊、搅拌摩擦焊和激光透射焊等。传统的激光透射焊接技术有焊缝尺寸精密、效率高、易于实现自动化等优点，目前在汽车大灯、医疗配件以及电子封装等领域得到大量的应用。但是受限于塑料的光学性能对激光吸收效率的影响，可应用激光透射焊接技术的塑料产品局限于具有特定光学性质，具体问题体现如下：1)被焊接塑料的吸收层必须有碳黑等有色染料的填充，这限制了产品在环保、卫生条件要求高的场合的应用；2)焊接需要的热量产生的位置集中在吸收层，这导致吸收层内部的熔池远大于透射层内部的熔池，进而导致焊接件内部存在较大的残余应力；3)异种透明塑料间可能存在分子链不相容特征，这导致焊接接口处易发生分子链滑移，进而导致界面分离，生成裂纹等缺陷。因此需要提供一种新的激光投射焊接技术以弥补现有技术的不足。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的问题，提出一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法及装置，其通过双波长激光束的协同作用发挥长波长激光的体加热效果，调节透射层内部熔池的大小和位置，确保熔池在透射层和吸收层内部分布的均匀性，金属粉末吸收剂在激光作用的温度场和熔融塑料的流场的协同作用下发生熔融、变形，形成不同形态的铆接体贯穿在透射层和吸收层塑料之间，增强焊接效果。
为解决上述技术问题，本发明提供一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，该方法通过短波长红外激光器和长波长近红外激光器实现，包括以下步骤：
S1：待焊接样件包括第一透明塑料件和第二透明塑料件，在第二透明塑料件的预定焊接位置填充金属粉末吸收剂；
S2：将填充有金属粉末吸收剂的第二透明塑料件与第一透明塑料件进行装配，对装配好的待焊接样件进行夹持固定，其中第一透明塑料件为透射层，第二透明塑料件为吸收层；
S3：沿着金属粉末吸收剂的填充方向生成焊接路径，短波长红外激光器发射的短波长激光垂直照射在金属粉末吸收剂上，长波长近红外激光器发射的长波长激光以与水平面夹角为30～45°的姿态照射第一透明塑料件和第二透明塑料件的预定焊接位置；
S4：依据焊接路径完成焊接作业。
在本发明的一个优选实施例中，在第二透明塑料件的预定焊接位置以热压固粉的方式填充金属粉末吸收剂。
在本发明的一个优选实施例中，在第二透明塑料件的预定焊接位置以涂敷的方式填充金属粉末吸收剂。
在本发明的一个优选实施例中，所述金属粉末吸收剂为镁锌合金粉末。
在本发明的一个优选实施例中，所述镁锌合金粉末的深度为0.05～0.1mm，宽度为2.5～3.5mm。
在本发明的一个优选实施例中，在S3中，短波长红外激光器的功率10～30W，光斑直径为2.5～3.5mm；长波长近红外激光器的功率为10～20W，光斑直径为1mm～2mm。
在本发明的一个优选实施例中，在S3中，还包括：
启动红外温度监控器自动聚焦待焊接样件，对焊接过程中的温度进行实时监控。
在本发明的一个优选实施例中，还包括控制系统，所述控制系统用于沿着金属粉末吸收剂的填充方向生成焊接路径。
在本发明的一个优选实施例中，所述控制系统部署有显示器，所述显示器用于显示待焊接样件的图像。
此外，本发明的另一个目的是还提供一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的装置，包括：
夹具，其用于对装配好的待焊接样件进行夹持固定，待焊接样件包括第一透明塑料件和第二透明塑料件，在第二透明塑料件的预定焊接位置填充金属粉末吸收剂，将填充有金属粉末吸收剂的第二透明塑料件与第一透明塑料件进行装配，其中第一透明塑料件为透射层，第二透明塑料件为吸收层；
控制系统，其用于沿着金属粉末吸收剂的填充方向生成焊接路径；
短波长红外激光器，其用于发射垂直照射在金属粉末吸收剂上的短波长激光；
长波长近红外激光器，其用于发射以与水平面夹角为30～45°的姿态照射第一透明塑料件和第二透明塑料件的预定焊接位置的长波长激光；
焊接系统，其用于依据焊接路径完成焊接作业。
在本发明的一个优选实施例中，还包括：
红外温度监控器，其用于对焊接过程中的温度进行实时监控。
在本发明的一个优选实施例中，还包括：
第一组扫描振镜，其用于供短波长激光透过第一组扫描振镜垂直照射在金属粉末吸收剂上；
第二组扫描振镜，其用于供长波长激光透过第二组扫描振镜以与水平面夹角为45°的姿态照射第一透明塑料件和第二透明塑料件的预定焊接位置。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1.本发明提出的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，其通过双波长激光束的协同作用发挥长波长激光的体加热效果，调节透射层内部熔池的大小和位置，确保熔池在透射层和吸收层内部分布的均匀性，金属粉末吸收剂在激光作用的温度场和熔融塑料的流场的协同作用下发生熔融、变形，形成不同形态的铆接体贯穿在透射层和吸收层塑料之间，增强焊接效果；
2.本发明提出的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，其在预定焊接位置填充金属粉末吸收剂，不影响待焊接样件的整体透光性，整个过程卫生、环保。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法的流程示意图。
图2为本发明双波长激光协作的原理图。
图3为本发明双波长激光共同作用效果图。
附图标记说明如下：
1、短波长红外激光器；2、第一组扫描振镜；3、红外温度监控器；4、第一透明塑料件；5、长波长近红外激光器；6、第二组扫描振镜；7、金属粉末吸收剂；8、第二透明塑料件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
请参阅图1至图3所示，本发明实施例提供一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，该方法通过短波长红外激光器1和长波长近红外激光器5实现，包括以下步骤：
S1：待焊接样件包括第一透明塑料件4和第二透明塑料件8，在第二透明塑料件8的预定焊接位置填充金属粉末吸收剂7；
S2：将填充有金属粉末吸收剂7的第二透明塑料件8与第一透明塑料件4进行装配，对装配好的待焊接样件进行夹持固定，其中第一透明塑料件4为透射层，第二透明塑料件8为吸收层；
S3：沿着金属粉末吸收剂7的填充方向生成焊接路径，短波长红外激光器1发射的短波长激光垂直照射在金属粉末吸收剂7上，长波长近红外激光器5发射的长波长激光以与水平面夹角为30～45°的姿态照射第一透明塑料件4和第二透明塑料件8的预定焊接位置；
S4：依据焊接路径完成焊接作业。
在本发明实施例公开的一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法中，本发明提出的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，其通过双波长激光束的协同作用发挥长波长激光的体加热效果，调节透射层内部熔池的大小和位置，确保熔池在透射层和吸收层内部分布的均匀性。
在本发明实施例公开的一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法中，本发明提出的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，其在预定焊接位置填充金属粉末吸收剂7，金属粉末吸收剂7在激光作用的温度场和熔融塑料的流场的协同作用下发生熔融、变形，形成不同形态的铆接体贯穿在透射层和吸收层塑料之间，增强焊接效果。
在本发明实施例公开的一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法中，在第二透明塑料件8的预定焊接位置以热压固粉的方式填充金属粉末吸收剂7；或在第二透明塑料件8的预定焊接位置以涂敷的方式填充金属粉末吸收剂7。
在本发明实施例公开的一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法中，所述金属粉末吸收剂7优选镁锌合金粉末，所述镁锌合金粉末的深度为0.05～0.1mm，宽度为2.5～3.5mm。作为优选地，所述镁锌合金粉末的深度为0.1mm，宽度为3mm，长度为30mm，其中深度为0.1mm以保证金属粉末吸收剂7与激光具有良好的相互作用效果，并且不影响塑料的熔融流动；其宽度为3mm以保证与激光离焦之后的光斑直径相匹配，以避免中心过强的激光能量分布导致被焊接件的破坏；其长度与被焊接件的长度特征相适应。
上述在预定焊接位置填充金属粉末吸收剂7，金属粉末吸收剂7在激光作用的温度场和熔融塑料的流场的协同作用下发生熔融、变形，形成不同形态的铆接体贯穿在透射层和吸收层塑料之间，增强焊接效果。
上述在预定焊接位置填充金属粉末吸收剂7，不影响待焊接样件的整体透光性，整个过程卫生、环保。
在本发明的一个优选实施例中，还包括控制系统，所述控制系统用于沿着金属粉末吸收剂7的填充方向生成焊接路径。所述控制系统部署有显示器，所述显示器用于显示待焊接样件的图像。
在本发明实施例公开的一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法中，还包括：
启动红外温度监控器3自动聚焦待焊接样件，对焊接过程中的温度进行实时监控，双波长激光束的协同作用配合红外温度监控器3，实时调控焊接过程中的温度水平，缩短焊接过程温度变化的响应时间，实现焊接过程中冷却速率的定点调控，进而实现对焊接接头处塑料结晶行为的准确调控。
本发明长波长近红外激光器5发射的长波长激光以与水平面夹角为30～45°的姿态照射第一透明塑料件4和第二透明塑料件8的预定焊接位置，其入射角度的变化需要根据被焊接件接合处焊缝的大小和位置特征进行调整，同时有效避免两种激光器发射出的激光相互干涉，保证设备安全性。
图3为本发明双波长激光共同作用效果图，图中a为传统980nm波长激光作用下具有面吸热特征的焊接件的焊缝熔池形貌，由于接触热阻的存在，热量从下层塑料向上传递过程中具有能量损失，熔池具有上小下大的特征；图中b为体吸热1710nm波长激光作用下具有体吸热特征的焊接件的焊缝熔池形貌，由于激光透过上层塑料过程中存在一定的能量消耗，到达下层塑料的能量偏低，熔池具有上小下大的特征；而本发明采用的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，其通过双波长激光束的协同作用发挥长波长激光的体加热效果，调节透射层内部熔池的大小和位置，确保熔池在透射层和吸收层内部分布的均匀性，其可以实现焊缝均匀大小一致焊接件的制备。
下面对本发明实施例公开的一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的装置进行介绍，下文描述的一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的装置与上文描述的一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法可相互对应参照。
相应于上述实施例的一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，本发明另一实施例还提供一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的装置，包括：
夹具，其用于对装配好的待焊接样件进行夹持固定，待焊接样件包括第一透明塑料件4和第二透明塑料件8，在第二透明塑料件8的预定焊接位置填充金属粉末吸收剂7，将填充有金属粉末吸收剂7的第二透明塑料件8与第一透明塑料件4进行装配，其中第一透明塑料件4为透射层，第二透明塑料件8为吸收层；
控制系统，其用于沿着金属粉末吸收剂7的填充方向生成焊接路径；
短波长红外激光器1，其用于发射垂直照射在金属粉末吸收剂7上的短波长激光；
长波长近红外激光器5，其用于发射以与水平面夹角为45°的姿态照射第一透明塑料件4和第二透明塑料件8的预定焊接位置的长波长激光；
焊接系统，其用于依据焊接路径完成焊接作业。
在本发明的一个优选实施例中，还包括：
红外温度监控器3，其用于对焊接过程中的温度进行实时监控，双波长激光束的协同作用配合红外温度监控器3，实时调控焊接过程中的温度水平，缩短焊接过程温度变化的响应时间，实现焊接过程中冷却速率的定点调控，进而实现对焊接接头处塑料结晶行为的准确调控。
在本发明的一个优选实施例中，还包括：
第一组扫描振镜2，其用于供短波长激光透过第一组扫描振镜2垂直照射在金属粉末吸收剂7上；
第二组扫描振镜6，其用于供长波长激光透过第二组扫描振镜6以与水平面夹角为45°的姿态照射第一透明塑料件4和第二透明塑料件8的预定焊接位置。
本实施例的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的装置用于实现前述的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法的实施例部分，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。
另外，由于本实施例的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的装置用于实现前述的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，因此其作用与上述方法的作用相对应，这里不再赘述。
下面以尺寸为1200×30×2mm3的聚芳砜(PASF)平板作为第一透明塑料件4，尺寸为1200×30×2mm3的聚碳酸酯(PC)平板作为第二透明塑料件8，镁锌合金粉末作为金属粉末吸收剂7，对上述发明内容的具体实施方式进行陈述。
1.在第二透明塑料件8(PC板)的预定焊接位置以热压固粉的方式填充金属粉末吸收剂7，金属粉末吸收剂7优选镁锌合金粉末，其中镁锌合金粉末的深度为0.1mm，宽度为3mm，长度为30mm。
2.将填充有镁锌合金粉末的第二透明塑料件8(PC板)与第一透明塑料件4(PASF板)按照搭接焊的方式装配，将装配好的样件放置在气动夹紧装置上完成夹持，其中PASF板作为透射层，PC板作为吸收层。
3.在控制系统沿着镁锌合金粉末的填充方向生成焊接路径。短波长红外激光器1(980nm激光器)发射的激光透过第一组扫描振镜2后垂直照射在镁锌合金粉末上，短波长红外激光器1的功率为15W，光斑直径为3mm；长波长近红外激光器5(1710nm激光器)发射的激光透过第二组扫描振镜6以与水平面夹角为45°的姿态照射PASF板和PC板的预定焊接位置，长波长近红外激光器5的功率为20W，光斑直径为2mm。启动固定不动的红外温度监控器3自动聚焦待焊接塑料件，直至控制系统的显示器上样件图像清晰。
4.启动焊接系统，指定扫描次数50次完成后，关闭激光器，打开气动夹紧装置，完成焊接。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，该方法通过短波长红外激光器和长波长近红外激光器实现，其特征在于，包括以下步骤：
S1：待焊接样件包括第一透明塑料件和第二透明塑料件，在第二透明塑料件的预定焊接位置填充金属粉末吸收剂；
S2：将填充有金属粉末吸收剂的第二透明塑料件与第一透明塑料件进行装配，对装配好的待焊接样件进行夹持固定，其中第一透明塑料件为透射层，第二透明塑料件为吸收层；
S3：沿着金属粉末吸收剂的填充方向生成焊接路径，短波长红外激光器发射的短波长激光垂直照射在金属粉末吸收剂上，长波长近红外激光器发射的长波长激光以与水平面夹角为30～45°的姿态照射第一透明塑料件和第二透明塑料件的预定焊接位置；
S4：依据焊接路径完成焊接作业。
2.根据权利要求1所述的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，其特征在于：所述金属粉末吸收剂为镁锌合金粉末。
3.根据权利要求2所述的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，其特征在于：所述镁锌合金粉末的深度为0.05～0.1mm，宽度为2.5～3.5mm。
4.根据权利要求1所述的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，其特征在于：在S3中，短波长红外激光器的功率10～30W，光斑直径为2.5～3.5mm；长波长近红外激光器的功率为10～20W，光斑直径为1mm～2mm。
5.根据权利要求1所述的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，其特征在于：在S3中，还包括：
启动红外温度监控器自动聚焦待焊接样件，对焊接过程中的温度进行实时监控。
6.根据权利要求1所述的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，其特征在于：还包括控制系统，所述控制系统用于沿着金属粉末吸收剂的填充方向生成焊接路径。
7.根据权利要求6所述的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的方法，其特征在于：所述控制系统部署有显示器，所述显示器用于显示待焊接样件的图像。
8.一种双波长激光协同实现异种透明塑料连接的装置，其特征在于，包括：
夹具，其用于对装配好的待焊接样件进行夹持固定，待焊接样件包括第一透明塑料件和第二透明塑料件，在第二透明塑料件的预定焊接位置填充金属粉末吸收剂，将填充有金属粉末吸收剂的第二透明塑料件与第一透明塑料件进行装配，其中第一透明塑料件为透射层，第二透明塑料件为吸收层；
控制系统，其用于沿着金属粉末吸收剂的填充方向生成焊接路径；
短波长红外激光器，其用于发射垂直照射在金属粉末吸收剂上的短波长激光；
长波长近红外激光器，其用于发射以与水平面夹角为30～45°的姿态照射第一透明塑料件和第二透明塑料件的预定焊接位置的长波长激光；
焊接系统，其用于依据焊接路径完成焊接作业。
9.根据权利要求8所述的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的装置，其特征在于：还包括：
红外温度监控器，其用于对焊接过程中的温度进行实时监控。
10.根据权利要求8所述的双波长激光协同实现异种透明塑料连接的装置，其特征在于：还包括：
第一组扫描振镜，其用于供短波长激光透过第一组扫描振镜垂直照射在金属粉末吸收剂上；
第二组扫描振镜，其用于供长波长激光透过第二组扫描振镜以与水平面夹角为45°的姿态照射第一透明塑料件和第二透明塑料件的预定焊接位置。
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