專利名稱：用激光焊接熱塑性塑料件的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種激光焊接技術(shù)領(lǐng)域，尤其指一種用激光焊接熱塑性塑料件的 裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單或復(fù)雜塑料工件的加工。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，原先許多傳統(tǒng)使用金屬的零部件逐漸被塑料所代替， 這些領(lǐng)域所使用的塑料材料不僅要求數(shù)量大，而且使用種類(lèi)多，科技含量高，是塑料 制品加工業(yè)中能獲得高經(jīng)濟(jì)效益的最佳領(lǐng)域。因此，在塑料制品的加工過(guò)程中人們渴 望一種更加快速、有效、干凈的塑料焊接方式。由于材料和設(shè)備方面的進(jìn)步，使激光 焊接技術(shù)作為一種連接塑料制品的專門(mén)方法，得到了生產(chǎn)廠家的認(rèn)可，主要用于連接 敏感性塑料制品(含有線路板)、具有復(fù)雜幾何形狀的塑料件以及有嚴(yán)格潔凈要求的塑料 制品(醫(yī)藥設(shè)備)等等。
傳統(tǒng)的激光塑料焊接的方法一般有兩種點(diǎn)焊接；掃描焊接。點(diǎn)焊接，即在工件 的不同位置進(jìn)行激光點(diǎn)焊，激光束光斑大小即為焊接區(qū)域大小。在實(shí)際的生產(chǎn)中，點(diǎn) 焊接的速度較慢、效率較低，不適合批量的工件加工；點(diǎn)焊接工件不能保證有足夠的 焊接強(qiáng)度；對(duì)于焊接線較長(zhǎng)的工件，點(diǎn)焊接無(wú)法加工。掃描焊接，即一束激光透射到 待焊接工件，然后激光束沿著待焊接區(qū)域的輪廓掃描一周，從而完成焊接。由于掃描 焊接是讓激光束沿著焊接線掃描一周才能完成，對(duì)于焊接線較長(zhǎng)的工件，焊接速度就 比較慢，而且先連接起來(lái)的一部分焊接線會(huì)由于塑料的熱脹冷縮而影響到后面一部分 焊接線的質(zhì)量，從而影響到整個(gè)焊接線的質(zhì)量、均勻性和強(qiáng)度。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種焊接精密、 牢固且能焊接二維或三維復(fù)雜外形制品的用激光焊接熱塑性塑料件的裝置。
本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為該用激光焊接熱塑性塑料件 的裝置，包括焊接工作頭、可調(diào)焦機(jī)構(gòu)和激光器，其特征在于所述可調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)置 于焊接工作頭內(nèi)，所述焊接工作頭通過(guò)光纖與激光器相連接，焊接工作頭下端部設(shè)置 有可滾動(dòng)的球形聚焦透鏡，焊接工作頭通過(guò)管道去連接在吹氣和塑料件的反作用力的 作用下能使球形聚焦透鏡處于懸浮狀態(tài)的吹氣裝置，在可調(diào)聚機(jī)構(gòu)和工作頭進(jìn)風(fēng)口之 間設(shè)置有密封的全透明的擋風(fēng)鏡，且球形聚焦透鏡的直徑必須大于工作頭出光口的直徑。
作為改進(jìn)，所述可調(diào)焦機(jī)構(gòu)包括凸透鏡和可調(diào)聚焦透鏡，在工作頭內(nèi)的直線上依 次排列著相互配合的凸透鏡、可調(diào)聚焦透鏡、球形聚焦透鏡，且可調(diào)聚焦透鏡可移動(dòng) 地與位于焊接工作頭外的調(diào)節(jié)裝置相連接。
作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述調(diào)節(jié)裝置包括有帶有內(nèi)螺紋的夾具和螺桿，可調(diào)聚焦透鏡 的一端被夾置于夾具中，夾具的一端與螺桿相適配而連接在一起，螺桿設(shè)置在調(diào)節(jié)盒 上。
再改進(jìn)，所述激光器其功率選擇為20W-150W，其發(fā)射的波長(zhǎng)選擇為800 1064nm。
再改進(jìn)，所述工作頭下端可設(shè)計(jì)呈錐體狀。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用球形滾動(dòng)焊接，激光束(波長(zhǎng)為800 1064nm)經(jīng) 由氣墊式，可無(wú)摩擦任意滾動(dòng)的玻璃球點(diǎn)狀式的聚焦于焊接截面，沿著產(chǎn)品的輪廓周 線進(jìn)行焊接。其優(yōu)點(diǎn)在于能生成精密、牢固和密封(不透氣和不漏水)的焊接；極大地減 小了制品的振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力，比傳統(tǒng)焊接更精確美觀；在焊接過(guò)程中樹(shù)脂降解少、 產(chǎn)生碎屑少；由于焊接工作頭設(shè)計(jì)成錐體狀，當(dāng)球型聚焦透鏡壓住透明塑料進(jìn)行焊接 時(shí)，在吹氣系統(tǒng)吹氣和塑料制品的反作用力的作用下，球型聚焦透鏡處于懸浮狀態(tài)， 光束經(jīng)由氣墊式、可無(wú)摩擦任意滾動(dòng)的玻璃球點(diǎn)狀式的聚焦于焊接面，且球型聚焦透 鏡不僅僅進(jìn)行聚焦而且也充當(dāng)機(jī)械夾緊夾具，所以擅長(zhǎng)焊接具有復(fù)雜外形的二維或三 維塑料件制品，并且也能夠焊接其他方法不易達(dá)到區(qū)域的優(yōu)點(diǎn)；采用光纖連接，便于 焊接工作頭操作，使用更方便、靈活自由，整體結(jié)構(gòu)合理實(shí)用。


圖l為本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
如圖1和圖2所示，本實(shí)施例的用激光焊接熱塑性塑料件的裝置，包括焊接工作頭 1、可調(diào)焦機(jī)構(gòu)和激光器9，激光器9的功率為20W-150W，其發(fā)射的波長(zhǎng)為800 1064nm。所述可調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)置于工作頭l內(nèi)。所述工作頭1通過(guò)光纖2與激光器9相連 接，工作頭l下端呈錐體狀，并在工作頭1下端部設(shè)置有可滾動(dòng)的球形聚焦透鏡7，焊接 工作頭1通過(guò)管道5去連接在吹氣和塑料件的反作用力的作用下能使球形聚焦透鏡7處于 懸浮狀態(tài)的吹氣裝置，在可調(diào)聚機(jī)構(gòu)和工作頭l進(jìn)風(fēng)口之間設(shè)置有密封的全透明的擋風(fēng) 鏡6，且球形聚焦透鏡7的直徑必須大于工作頭1出光口的直徑。所述可調(diào)焦機(jī)構(gòu)包括凸透鏡3和可調(diào)聚焦透鏡4，在工作頭1內(nèi)的直線上依次排列著相互配合的凸透鏡3、可調(diào) 聚焦透鏡4、球形聚焦透鏡7，且可調(diào)聚焦透鏡4可移動(dòng)地與位于焊接工作頭2外的調(diào)節(jié) 裝置相連接。該調(diào)節(jié)裝置包括有帶有內(nèi)螺紋的夾具42和螺桿41，可調(diào)聚焦透鏡4的一端 被夾置于夾具42中，夾具42的一端與螺桿41相適配而連接在一起，螺桿41設(shè)置在調(diào)節(jié) 盒11上。
以下對(duì)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)與工作原理作進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型主要包括有激光 器、焊接工作頭、可調(diào)聚焦機(jī)構(gòu)、球形聚焦透鏡、吹氣系統(tǒng)，其中激光器通過(guò)光纖與 把焊接工作頭相連，把焊接工作頭里面包含有球形聚焦透鏡、吹氣系統(tǒng)。激光器可采
用半導(dǎo)體激光器或者YAG激光器，波長(zhǎng)可在800 1064nm之間。焊接工作頭可以是一個(gè) 手持的把手，也可以是一個(gè)供機(jī)械手臂把持的把手。
可調(diào)聚焦機(jī)構(gòu)，由一個(gè)凸透鏡和一個(gè)可調(diào)聚焦透鏡組成，用一個(gè)帶有內(nèi)螺紋的夾 具夾住可調(diào)聚焦透鏡，再用一螺桿與其吻合，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺桿來(lái)帶動(dòng)夾具前后移動(dòng)從而 來(lái)調(diào)節(jié)可調(diào)聚焦透鏡來(lái)改變焦點(diǎn)的位置的大小，使聚焦后的激光束的焦點(diǎn)能夠精確照 射到焊接面上，可針對(duì)不同厚度的透明塑料進(jìn)行透射焊接。
在可調(diào)聚焦透鏡和吹氣系統(tǒng)之間有個(gè)密封的擋風(fēng)鏡，該鏡是全透鏡，主要是為了 擋住吹氣系統(tǒng)吹出的氣體從而保護(hù)上面的光學(xué)系統(tǒng)。
本實(shí)用新型的光學(xué)原理圖，如圖1所示，由于采用光纖耦合接口，輸出的聚焦激光 束經(jīng)由凸透鏡把聚焦光束轉(zhuǎn)換為平行光，再經(jīng)可調(diào)聚焦透鏡聚焦照在球形聚焦透鏡 上，球形聚焦透鏡在可調(diào)聚焦透鏡焦距以內(nèi)，再經(jīng)過(guò)球型透鏡聚焦于焊接面。當(dāng)可調(diào) 聚焦透鏡處于d/2處時(shí)，可調(diào)聚焦透鏡的中心到球形聚焦透鏡球心的距離為b，出射光 束的焦點(diǎn)離球形聚焦透鏡球心的距離為a，可調(diào)聚焦透鏡的焦距為f， a+b<f。當(dāng)可調(diào)聚 焦透鏡從d/2處向凸透鏡方向移動(dòng)時(shí)，a值減小，整個(gè)系統(tǒng)的焦距減??；當(dāng)可調(diào)聚焦透 鏡從d/2處向球形聚焦透鏡方向移動(dòng)時(shí)，a值增大，整個(gè)系統(tǒng)的焦距增大。球形聚焦透 鏡的直徑必須要大于出光口的直徑，當(dāng)球形聚焦透鏡壓住透明塑料進(jìn)行焊接時(shí)，在吹 氣系統(tǒng)吹氣和塑料制品的反作用力的作用下，球形聚焦透鏡處于懸浮狀態(tài)，球形聚焦 透鏡能夠無(wú)摩擦任意滾動(dòng)。該球形聚焦透鏡不僅僅進(jìn)行聚焦而且也充當(dāng)機(jī)械夾緊夾 具。當(dāng)該球在表面上滾動(dòng)時(shí)，為結(jié)合面提供了持續(xù)壓力。這就確保了在激光加熱材料 的同時(shí)有壓力夾緊。該球型聚焦透鏡取代了機(jī)械夾具，同時(shí)擴(kuò)大了激光焊接在連續(xù)三 維焊接中的應(yīng)用范圍。整個(gè)激光束經(jīng)過(guò)球形聚焦透鏡聚焦于透明塑料8和深色塑料之間 的接觸面，激光束透過(guò)透明塑料8，在深色塑料吸收，并形成熱作用區(qū)，在熱作用區(qū)中 的塑料被熔化，熱熔狀態(tài)下的塑料大分子在球形聚焦透鏡給的壓力下互相擴(kuò)散，產(chǎn)生 范德華力，從而緊密的連接起來(lái)。
主要功能由激光器發(fā)出的激光經(jīng)由光纖傳輸?shù)奖銛y式焊接工作頭，再經(jīng)過(guò)焊接 工作頭里的可調(diào)聚焦系統(tǒng)和球形聚焦透鏡聚焦于透明塑料和深色塑料之間的接觸面上，對(duì)這兩個(gè)塑料制品進(jìn)行激光焊接。
工作要求及工作原理
要針對(duì)一些平面或立體的熱塑性塑料進(jìn)行焊接，需要高效率、高性能的焊接方
法及設(shè)備。
1、 將兩個(gè)待焊接塑料零部件夾在一起，然后將一束激光經(jīng)由可調(diào)聚焦系統(tǒng)和球型 聚焦透鏡定向到待粘結(jié)的部位。激光束過(guò)上層透明材料，然后被下層材料吸收。激光 能量被吸收使得下層材料溫度升高，熔化上層以及和下層的塑料，在球形聚焦透鏡的 壓力作用下把兩個(gè)塑料焊接在一起。
2、 采用球形聚焦透鏡，當(dāng)球形聚焦透鏡壓住透明塑料進(jìn)行焊接時(shí)，在吹氣系統(tǒng)吹 氣和塑料制品的反作用力的作用下，球形聚焦透鏡處于懸浮狀態(tài)，光束經(jīng)由氣墊式、 可無(wú)摩擦任意滾動(dòng)的玻璃球點(diǎn)狀式的聚焦于焊接面，該球形聚焦透鏡不僅僅進(jìn)行聚焦 而且也充當(dāng)機(jī)械夾緊夾具。
3、 激光焊接頭是便攜式、可移動(dòng)的圓珠筆型焊接工作頭，擅長(zhǎng)焊接具有復(fù)雜外形 (甚至是三維)的制品，能夠焊接其他方法不易達(dá)到的區(qū)域。
權(quán)利要求1、一種用激光焊接熱塑性塑料件的裝置，包括焊接工作頭(1)、可調(diào)焦機(jī)構(gòu)和激光器(9)，其特征在于所述可調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)置于焊接工作頭(1)內(nèi)，所述焊接工作頭(1)通過(guò)光纖(2)與激光器(9)相連接，焊接工作頭(1)下端部設(shè)置有可滾動(dòng)的球形聚焦透鏡(7)，焊接工作頭(1)通過(guò)管道(5)去連接在吹氣和塑料件的反作用力的作用下能使球形聚焦透鏡(7)處于懸浮狀態(tài)的吹氣裝置，在可調(diào)聚機(jī)構(gòu)和工作頭(1)進(jìn)風(fēng)口之間設(shè)置有密封的全透明的擋風(fēng)鏡(6)，且球形聚焦透鏡(7)的直徑必須大于工作頭(1)出光口的直徑。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于所述可調(diào)焦機(jī)構(gòu)包括凸透鏡(3)和可 調(diào)聚焦透鏡(4)，在工作頭(1)內(nèi)的直線上依次排列著相互配合的凸透鏡(3)、可調(diào)聚焦透 鏡(4)、球形聚焦透鏡(7)，且可調(diào)聚焦透鏡(4)可移動(dòng)地與位于焊接工作頭(2)外的調(diào)節(jié)裝 置相連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述調(diào)節(jié)裝置包括有帶有內(nèi)螺紋的 夾具(42)和螺桿(41)，可調(diào)聚焦透鏡(4)的一端被夾置于夾具(42)中，夾具(42)的一端與 螺桿(41)相適配而連接在一起，螺桿(41)設(shè)置在調(diào)節(jié)盒(11)上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述激光器(9)其功率為20W-150W。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于所述激光器(9) 其發(fā)射的波長(zhǎng)為800 1064nm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于所述工作頭(l) 下端呈錐體狀。
專利摘要一種用激光焊接熱塑性塑料件的裝置，包括焊接工作頭(1)、可調(diào)焦機(jī)構(gòu)和激光器(9)，其特征在于所述可調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)置于焊接工作頭(1)內(nèi)，所述焊接工作頭(1)通過(guò)光纖(2)與激光器(9)相連接，焊接工作頭(1)下端部設(shè)置有可滾動(dòng)的球形聚焦透鏡(7)，焊接工作頭(1)通過(guò)管道(5)去連接在吹氣和塑料件的反作用力的作用下能使球形聚焦透鏡(7)處于懸浮狀態(tài)的吹氣裝置，在可調(diào)聚機(jī)構(gòu)和工作頭(1)進(jìn)風(fēng)口之間設(shè)置有密封的全透明的擋風(fēng)鏡(6)，且球形聚焦透鏡(7)的直徑必須大于工作頭(1)出光口的直徑。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用球形滾動(dòng)焊接，其優(yōu)點(diǎn)在于能生成精密、牢固和密封的焊接；極大地減小了制品的振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力，比傳統(tǒng)焊接更精確美觀；在焊接過(guò)程中樹(shù)脂降解少、產(chǎn)生碎屑少。
文檔編號(hào)B23K26/04GK201151190SQ20082008219
公開(kāi)日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月16日
發(fā)明者俞國(guó)麟, 松 武, 威 譚 申請(qǐng)人:俞國(guó)麟