一种塑料的激光焊接方法
阅读说明：本技术 一种塑料的激光焊接方法 (Laser welding method for plastic ) 是由 江硕 江柏霖 刘承杰 李芷菲 张坤 王建刚 于 2021-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种塑料的激光焊接方法,包括：将两个不透光塑料工件对接,使两塑料工件的表面平齐,并在二者表面覆一平面玻璃以至少对两塑料工件的接缝处施与平面压力；采用可穿透平面玻璃的红外激光照射在接缝处,使两塑料工件熔化粘接,红外激光为连续激光,激光波长为700～1500nm,离焦量为负离焦；将平面玻璃与两塑料工件分离,获得所需产品。本发明采用不透光塑料作为加工对象进行对接拼焊,采用波长为700～1500nm的红外激光进行负离焦式焊接,焊接效果可控并且能获得较高的焊接质量,扩大了塑料激光焊接的可适用范围,而且能显著地降低加工成本；采用平面玻璃,在便于激光通过的同时,其施与的平面压力能显著地提高焊缝质量,使焊缝平滑整齐更牢固。(The invention relates to a laser welding method of plastic, which comprises the following steps: butting the two light-tight plastic workpieces to enable the surfaces of the two plastic workpieces to be flush, and covering a plane glass on the surfaces of the two plastic workpieces to apply plane pressure to at least the joint of the two plastic workpieces; irradiating the joint by adopting infrared laser capable of penetrating through the plane glass to melt and bond the two plastic workpieces, wherein the infrared laser is continuous laser, the laser wavelength is 700-1500 nm, and the defocusing amount is negative defocusing; separating the plane glass from the two plastic workpieces to obtain the required product. The invention adopts opaque plastics as a processing object to carry out butt-joint tailor-welding, adopts infrared laser with the wavelength of 700-1500 nm to carry out negative defocusing type welding, has controllable welding effect, can obtain higher welding quality, enlarges the applicable range of plastic laser welding, and can obviously reduce the processing cost; by adopting the plane glass, the laser can conveniently pass through, and the applied plane pressure can obviously improve the quality of the welding seam, so that the welding seam is smooth, regular and firmer.)
技术领域
本发明涉及一种塑料的激光焊接方法。
背景技术
塑料具有制造成本低、耐腐蚀、绝缘性好、易加工、使用寿命长等优良特性，近些年的发展更是已经与钢材、水泥、木材等基础材料并行成为新型人造材料，在医疗、机械、食品、农业、航空等领域的应用日益广泛。随着塑料的发展，对其二次连接势在必行，传统的塑料焊接方式有超声波焊接、摩擦焊接、振动焊接、热板焊接、热气焊接、植入焊接等，其中：超声波焊接、摩擦焊接、振动焊接虽然工艺简单、重复性强，但容易产生碎屑、印记等，降低了塑料的性能；热板焊接、热气焊接、植入焊接对操作人员要求高且容易破坏塑料的一致性。
目前，激光焊接技术已应用于塑料焊接，一般采用透射激光焊接方式，即激光束通过上层透明塑料材料，被下层塑料材料吸收，激光能量被吸收使得下层材料温度上升，熔化上、下层的塑料。该方法具有效率高、精密度高、密封性好、热影响小等优点，也同样存在着一些问题：(1)对试样塑料的材料本身要求较多，为搭接结构，需满足上层试样透光率较高(至少达到20％)，下层试样对激光吸收能力强这一基本要求；(2)对于下层试样，若想增加对激光的吸收能力，需采用添加剂(如碳黑)或表面涂层的方法实现，但不能焊接有较多填料或较厚的塑料，对添加剂使用的多少及材料的厚度要求较高，这增加了塑料焊接的复杂性，适用范围也较小。
发明内容
本发明涉及一种塑料的激光焊接方法，至少可解决现有技术的部分缺陷。
本发明涉及一种塑料的激光焊接方法，包括：
将两个不透光塑料工件对接，使两塑料工件的表面平齐，并在二者表面覆一平面玻璃以至少对两塑料工件的接缝处施与平面压力；
采用可穿透所述平面玻璃的红外激光照射在接缝处，使两塑料工件熔化粘接，所述红外激光为连续激光，激光波长为700～1500nm，离焦量为负离焦；
将所述平面玻璃与两塑料工件分离，获得所需产品。
作为实施方式之一，其中一个塑料工件的表面采用台阶结构，另一塑料工件搭接在该台阶结构的台阶面上。
作为实施方式之一，对至少其中一个塑料工件施与预压紧作用力，以便在激光照射之前使两塑料工件的对接面贴合。
作为实施方式之一，控制所述红外激光的摆动幅度和摆动频率，以实现激光束的摆动焊接。
作为实施方式之一，对焊缝区进行多次激光照射，以达到设定熔深。
作为实施方式之一，所述红外激光由半导体激光器发出，激光器功率为600～800W。
本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的塑料的激光焊接方法，采用不透光塑料作为加工对象进行对接拼焊，采用波长为700～1500nm的红外激光进行负离焦式焊接，激光能量汇聚到两塑料工件的交界处并被两塑料工件表面吸收，使两塑料工件熔化粘接，焊接效果可控并且能获得较高的焊接质量，产品返工率低；相较于传统塑料激光加工方案，本方法无需采用搭接结构，不用使激光穿透材料上层结构让下层结构吸收，无需采用添加剂，避免了因添加剂的量不同导致的焊接深度不稳定等情况，扩大了塑料激光焊接的可适用范围，而且能显著地降低加工成本。采用平面玻璃，在便于激光通过的同时，该平面玻璃施与的平面压力能显著地提高焊缝质量，使焊缝平滑整齐更牢固。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的塑料的激光焊接方法的示意图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1，本发明实施例提供一种塑料的激光焊接方法，包括：
将两个不透光塑料工件1对接，使两塑料工件1的表面平齐，并在二者表面覆一平面玻璃2以至少对两塑料工件1的接缝处施与平面压力；
采用可穿透所述平面玻璃2的红外激光照射在接缝处，使两塑料工件1熔化粘接，所述红外激光为连续激光，激光波长为700～1500nm，离焦量为负离焦；
将所述平面玻璃2与两塑料工件1分离，获得所需产品。
可以理解地，区别于常规的两个塑料工件1搭接焊的方式，本实施例中，上述两个塑料工件1之间采用的是对接拼接焊的方式；两塑料工件1之间的对接方式与常规对接焊接方式无异，以该两个塑料工件1水平放置为例，塑料工件1表面与水平面平行，两个塑料工件1的对接面均平行于竖向，所形成的接缝也平行于竖向，两个对接面是正对的，二者之间可采用贴合接触方式，也可采用间隔设置方式。
本实施例中，两个塑料工件1的对接面优选为是贴合接触的，尽量使二者贴合无缝隙，可提高焊缝的牢固度和美观性，使激光加工成型产品不易损坏。优选地，在通过上述平面玻璃2施与平面压力的情况下，可进一步对至少其中一个塑料工件1施与预压紧作用力，以便在激光照射之前使两塑料工件1的对接面贴合；该预压紧作用力可通过工件夹具实现，通过工件夹具夹紧待焊工件为焊接领域常规技术，此处不作赘述，一般地，上述预压紧作用力的方向垂直于上述接缝。
上述平面玻璃2覆于两塑料工件1表面之后，可通过压块等构件压紧该平面玻璃2，可达到对两塑料工件1的接缝处施与平面压力的目的，当平面玻璃2面积足够时，该平面玻璃2可均匀地对两个塑料工件1的表面全域施与平面压力。
进一步优选地，如图1，其中一个塑料工件1的表面采用台阶结构，另一塑料工件1搭接在该台阶结构的台阶面上。为便于描述，在该台阶结构中，包括第一阶梯面、第二阶梯面和衔接两个阶梯面的转接面，其中，第一阶梯面为该塑料工件1的顶面(也即由平面玻璃2压紧的表面)，则另一塑料工件1承托在第二阶梯面上，上述转接面即构成为对应塑料工件1的对接面，另一塑料工件1的对接面即与该转接面贴合。基于上述结构，一方面便于两个塑料工件1之间的定位，可相应地提高焊接质量；另一方面，可便于不同规格的塑料工件1之间的焊接操作，例如两个塑料工件1厚度/高度不同时，采用上述台阶结构，能通过塑料工件1自身结构的变化，使两塑料工件1的表面保持平齐，从而提高焊接质量。
进一步优选地，在上述设有台阶结构的方案中，当台阶高度(即上述转接面的高度)大于预设焊缝深度时，可在该转接面或另一塑料工件1的对接面上贴设导热铜片，该导热铜片宜位于预设焊缝区以下，在对塑料工件1表面进行激光照射形成熔池后，熔池热量可经上述导热铜片传递给铜片两侧的塑料面域，使这部分塑料面域受热熔化，从而可相应地增大熔池深度，提高两塑料工件1的连接可靠性。进一步可设置该导热铜片上开设有渗透孔或渗透槽，以连通其两侧的塑料面域，可提高两侧塑料面域熔化粘接的效果。
上述平面玻璃2优选为能容许波长700～1500nm的红外激光基本完全透过，本实施例中，该平面玻璃2对波长为700～1500nm的红外激光的透过率控制在90％以上，可有效地降低能量损耗，提高加工效率、降低加工成本。
上述不透光塑料优选为采用黑色热塑性塑料。
本实施例提供的塑料的激光焊接方法，采用不透光塑料作为加工对象进行对接拼焊，采用波长为700～1500nm的红外激光进行负离焦式焊接，激光能量汇聚到两塑料工件1的交界处并被两塑料工件1表面吸收，使两塑料工件1熔化粘接，焊接效果可控并且能获得较高的焊接质量，产品返工率低；相较于传统塑料激光加工方案，本方法无需采用搭接结构，不用使激光穿透材料上层结构让下层结构吸收，无需采用添加剂，避免了因添加剂的量不同导致的焊接深度不稳定等情况，扩大了塑料激光焊接的可适用范围，而且能显著地降低加工成本。采用平面玻璃2，在便于激光通过的同时，该平面玻璃2施与的平面压力能显著地提高焊缝质量，使焊缝平滑整齐更牢固。
在进一步优选的方案中，上述红外激光的波长选控在900～1020nm范围内，其中，选择波长在980nm左右(960～990nm)的激光波长能获得最佳的焊接质量，同时保证加工效率。
进一步优化上述焊接方法，在塑料激光焊接时，易产生气孔，进而削弱焊缝的有效工作面，并且会带来应力集中的问题，影响焊接气密性，降低焊缝强度和韧性，在其中一个实施例中，控制所述红外激光的摆动幅度和摆动频率，以实现激光束3的摆动焊接，激光束3摆动焊接不仅能减小焊缝的深宽比，相应地提高焊缝质量，同时，能对焊接熔池起到一定的搅拌作用，有利于减少焊接过程中气孔的产生；一般地，激光束3的摆动可通过振镜实现。
一般地，塑料具有良好的热塑性，激光束3照射在塑料表面时，塑料受热熔化，高强度的激光束3可能会使塑料气化、熔池塌陷，本实施例中，选择合适的激光功率进行加工，控制塑料工件1熔化但不气化，尤其基于负离焦的激光加工方式，结合平面玻璃2的作用，可使熔池向下发展，达到所需的熔深，获得目标焊缝深度。本实施例中，优选地，所述红外激光由半导体激光器发出，激光器功率为600～800W，进一步优选为控制在700～800W。
另外，为达到所需的焊接质量，对焊缝区进行多次激光照射，以达到设定熔深。所述多次激光照射，可以是对同一焊点位置进行预设时间的激光照射，在加工完该焊点位置后，再进行下一焊点位置的操作；优选为沿着焊缝延伸方向往复地进行多轮焊接操作。由于采用了平面玻璃2对两塑料工件1进行平面压紧，因此热影响区的横向扩散对于成型产品的质量并无影响；但仍可采用冷却手段以控制热影响区的横向扩散，例如向平面玻璃2表面喷吹冷却气。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。