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)簡單或復(fù)雜塑料工件的加工。
背景技術(shù)：
隨著我國工業(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；對于焊接線較長的工件，點(diǎn)焊接無法加工。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，對于焊接線較長的工件，焊接速度就 比較慢，而且先連接起來的一部分焊接線會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)問題是針對上述現(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光纖與激光器相連接，焊接工作頭下端部設(shè)置 有可滾動的球形聚焦透鏡，焊接工作頭通過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 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焊接，激光束(波長為800 1064nm)經(jīng) 由氣墊式，可無摩擦任意滾動的玻璃球點(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 小了制品的振動應(yīng)力和熱應(yīng)力，比傳統(tǒng)焊接更精確美觀；在焊接過程中樹脂降解少、 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、可無摩擦任意滾動的玻璃球點(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)置有可滾動的球形聚焦透鏡7，焊接 工作頭1通過管道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。
以下對本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)與工作原理作進(jìn)一步說明本實(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，通過旋轉(zhuǎn)螺桿來帶動夾具前后移動從而 來調(diào)節(jié)可調(diào)聚焦透鏡來改變焦點(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時(shí)，a值減小，整個(gè)系統(tǒng)的焦距減?。划?dāng)可調(diào)聚焦透 鏡從d/2處向球形聚焦透鏡方向移動時(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 透鏡能夠無摩擦任意滾動。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。
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、 可無摩擦任意滾動的玻璃球點(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、可移動的圓珠筆型焊接工作頭，擅長焊接具有復(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)置有可滾動的球形聚焦透鏡(7)，焊接工作頭(1)通過管道(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)置有可滾動的球形聚焦透鏡(7)，焊接工作頭(1)通過管道(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應(yīng)力和熱應(yīng)力，比傳統(tǒng)焊接更精確美觀；在焊接過程中樹脂降解少、產(chǎn)生碎屑少。
文檔編號B23K26/04GK201151190SQ20082008219
公開日2008年11月19日 申請日期2008年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月16日
發(fā)明者俞國麟, 松 武, 威 譚 申請人:俞國麟