專利名稱：一種熱塑性塑料的激光透射焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光焊接領(lǐng)域，具體涉及一種熱塑性塑料的激光透射焊接方法。
背景技術(shù)：
熱塑性塑料是一類應(yīng)用最廣的塑料，它是以熱塑性樹脂為主要成分，并添加各種助劑而配制成的一類塑料。在一定的溫度條件下，塑料能軟化或熔融成任意形狀，冷卻后形狀不變；這種狀態(tài)可多次反復(fù)而始終具有可塑性，且這種反復(fù)只是一種物理變化，稱這種塑料為熱塑性塑料。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚碳酸酯，聚酰胺、丙烯酸類塑料、其它聚烯烴及其共聚物、聚砜、聚苯醚，氯化聚醚等都是熱塑性塑料。熱塑性塑料中樹脂分子鏈都是線型或帶支鏈的結(jié)構(gòu)，分子鏈之間無(wú)化學(xué)鍵產(chǎn)生，加熱時(shí)軟化流動(dòng)，冷卻變 硬。塑料及其復(fù)合材料的連接方法通常有三種機(jī)械連接、黏合劑黏結(jié)和焊接。(I)機(jī)械連接包括使用如金屬或塑料螺釘?shù)膯为?dú)緊固件，進(jìn)行鉚合或壓合接頭連接。(2)黏合劑黏結(jié)是將黏合劑涂于將要連接的部件之間，起到連接各部件的作用。(3)焊接是通過(guò)加熱將界面處的聚合物熔融或軟化，在一定的壓力和時(shí)間作用下，從而使聚合物分子鏈通過(guò)界面進(jìn)行擴(kuò)散形成鏈纏結(jié)，最終獲得焊接點(diǎn)強(qiáng)度。焊接方法又根據(jù)所采用的加熱方式分為兩大類外加熱和內(nèi)加熱。外加熱法通過(guò)對(duì)流或傳導(dǎo)來(lái)加熱焊接表面，包括熱工具焊、熱氣焊、擠出焊、內(nèi)植感應(yīng)焊和內(nèi)植阻抗焊。內(nèi)加熱法是通過(guò)技術(shù)直接在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱源，從而取代外部加熱。它分為兩類機(jī)械加熱和電磁加熱。機(jī)械內(nèi)加熱法是通過(guò)表面摩擦或分子間摩擦將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱，包括超聲波，振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)焊接。電磁內(nèi)加熱法依賴于吸收電磁輻射從而轉(zhuǎn)化為熱，包括紅外線，激光，射頻和微波焊接。傳統(tǒng)的熱塑性塑料的連接方法有許多弊病，采用螺釘、卡環(huán)等機(jī)械連接強(qiáng)度不易達(dá)到要求且不能對(duì)連接表面質(zhì)量有所要求；黏結(jié)劑黏結(jié)方法，需經(jīng)過(guò)表面打毛、涂膠、粘接、固化、電烙鐵燙平、修整等工序，全部采用手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工序多，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量難以保證，而且黏結(jié)劑的揮發(fā)成分污染環(huán)境，影響操作人員的身體健康；采用外部加熱焊接，塑料件容易和加熱源粘結(jié)在一起，且會(huì)造成空氣污染；內(nèi)植焊接的植入物要留在焊接面上，會(huì)影響焊接接頭強(qiáng)度；機(jī)械內(nèi)加熱法會(huì)使最終產(chǎn)品有振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力的殘余，加速制品的老化。而激光焊接能生成精密、牢固和密封(不透氣和不漏水)的焊縫，而且樹脂降解少，產(chǎn)生的碎屑少，由于激光的非接觸特性，不會(huì)產(chǎn)生污染。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是激光焊接比采用其他連接方式所產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力小，意味著制品或者裝置的內(nèi)部組織的老化速度更慢，因此更適合應(yīng)用于易損壞的制品如電子傳感器或微電機(jī)系統(tǒng)的制造。激光透射焊接是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型塑料焊接工藝，其原理是紅外激光束(波長(zhǎng)一般在800-1060nm)通過(guò)反射鏡、透鏡或光纖組成的光路系統(tǒng),將激光器所產(chǎn)生的能量聚焦在待焊接區(qū)域。兩個(gè)待焊接件必須有一個(gè)對(duì)激光束是透明的，即激光光束穿透它卻沒有能量的損失，另外一個(gè)是不透明的，即吸收激光輻射的能量；為了增加材料吸收輻射能的能力，兩個(gè)待焊接件的接觸面上設(shè)置有吸收激光的添加劑涂層。輻射穿透兩個(gè)待焊接部件中的透明的焊接件，另外不透明的那個(gè)部件在接觸面上吸收激光輻射形成熱作用區(qū)，在熱影響區(qū)中的塑料被融化；在隨后的凝固過(guò)程中，已融化的材料形成接頭，待焊接的部件即被連接起來(lái)。但是，目前的激光透射焊接技術(shù)僅能起到連接的作用，不能使焊接后的熱塑性塑料材料性能如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等發(fā)生改變；由于塑料的低熔點(diǎn)、易灼燒特點(diǎn)，激光焊接工藝參數(shù)范圍很難優(yōu)化；并且焊接后的兩個(gè)工件基本都不可再分離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種熱塑性塑料的激光透射焊接方法；該熱塑性塑料的激光透射焊接方法可實(shí)現(xiàn)精確焊接路徑和焊接強(qiáng)度控制，增加焊接件的整體強(qiáng)度和剛度，任意改變焊接接頭局部部位的材料原有性能，防止發(fā)生灼燒缺陷，并可重復(fù)實(shí)現(xiàn)焊接與分離。本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種熱塑性塑料的激光透射焊接方法，包含以下步驟 (I)在兩個(gè)待焊接的上、下硬質(zhì)塑料之間擺放一焊接骨架；所述上硬質(zhì)塑料為可透射激光束的熱塑性塑料；所述焊接骨架為可吸收激光束的硬質(zhì)材料，所述焊接骨架的熔點(diǎn)高于上硬質(zhì)塑料和下硬質(zhì)塑料的熔點(diǎn)，在焊接骨架上設(shè)置有若干個(gè)通孔；(2)施加壓力使上硬質(zhì)塑料、焊接骨架和下硬質(zhì)塑料接觸壓緊；(3)將接觸壓緊的上、下硬質(zhì)塑料和焊接骨架放置在冷卻液體內(nèi)浸泡，所述冷卻液體要求可透射激光束并且不與上、下硬質(zhì)塑料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；(4)使用激光束從上硬質(zhì)塑料的一側(cè)射入，聚焦在焊接骨架上，形成焊接點(diǎn)；(5)調(diào)節(jié)激光束的功率使焊接點(diǎn)的溫度高于上硬質(zhì)塑料和下硬質(zhì)塑料的熔點(diǎn)，并低于焊接骨架的熔點(diǎn)，從而使上、下硬質(zhì)塑料與焊接點(diǎn)接觸的部分熔化；(6)熔化的塑料在壓力作用下通過(guò)焊接骨架上與焊接點(diǎn)臨近的通孔相互貫通融合；(7)停止照射或移開激光束，失去聚焦激光束照射的焊接骨架焊接點(diǎn)及附近區(qū)域迅速降溫，實(shí)現(xiàn)焊接點(diǎn)位置上、下硬質(zhì)塑料的牢固連接；(8)重復(fù)步驟(4)-(7)，使激光束連續(xù)移動(dòng)掃描可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡焊接，或者使激光束斷續(xù)掃描定點(diǎn)照射或關(guān)閉可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位焊接。與傳統(tǒng)的激光透射焊接方法相比，本發(fā)明所述熱塑性塑料的激光透射焊接方法有如下有益效果I、本發(fā)明通過(guò)在上、下硬質(zhì)塑料之間增設(shè)焊接骨架，使焊接骨架在焊接后與上、下硬質(zhì)塑料成為一體結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了焊接后熱塑性塑料的強(qiáng)度。2、本發(fā)明中由于焊接骨架的存在，當(dāng)再次使用激光束照射焊接后的熱塑性塑料中的焊接骨架，并對(duì)上、下硬質(zhì)塑料施加拉力，上、下硬質(zhì)塑料與焊接骨架的已焊位置被聚焦激光束照射迅速升溫，當(dāng)溫度超過(guò)上、下硬質(zhì)塑料的熔點(diǎn)后，接觸的部分發(fā)生熔化，在拉力作用下，可以實(shí)現(xiàn)已焊點(diǎn)的分離。因此，通過(guò)施加壓力或拉力，采用同樣的激光掃描運(yùn)動(dòng)，即可重復(fù)實(shí)現(xiàn)上、下硬質(zhì)塑料件的焊接或分離。3、本發(fā)明中增設(shè)了焊接骨架，而焊接骨架的材質(zhì)可以為金屬片、陶瓷片或者硅片等，也可以是由多種材料堆疊組成的夾層結(jié)構(gòu)或拼接組成的拼圖結(jié)構(gòu)；因而，通過(guò)設(shè)計(jì)不同材料、不同尺寸形狀的焊接骨架，可使得焊接后的熱塑性塑料焊接接頭的質(zhì)量分布、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和絕緣性等材料性能發(fā)生局部改變，獲得任意的質(zhì)量分布特征以及良好的導(dǎo)電/絕緣、導(dǎo)熱/隔熱特性。4、本發(fā)明中通過(guò)在焊接骨架上設(shè)置若干個(gè)通孔，使得熔融塑料可以穿過(guò)通孔滲透到另一側(cè)，從而使上、下硬質(zhì)塑料的結(jié)合更加緊密。通孔的位置、大小、形狀可以任意設(shè)置，滿足不同位置具有不同焊接接頭強(qiáng)度的特定需要，這對(duì)于非均勻分布載荷場(chǎng)合十分適用。5、本發(fā)明通過(guò)在冷卻液體中實(shí)施焊接，通過(guò)對(duì)激光束的局部加熱作用和良好的液體冷卻作用進(jìn)行熱平衡操縱，使得更易于通過(guò)調(diào)節(jié)激光束功率控制焊接點(diǎn)的溫度，可有效防止塑料灼燒，加快焊縫冷卻速度；同時(shí)減少焊縫的熱影響區(qū)，使焊點(diǎn)細(xì)小，焊接精度更高。冷卻液體包圍的焊接環(huán)境，可以防止焊縫氧化，使焊接接頭強(qiáng)度更高、成形更美觀。與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)焊接方法相比，本發(fā)明所述熱塑性塑料的激光透射焊接方法有如下有益效果 I、本發(fā)明無(wú)需導(dǎo)磁片，而采用了可用材料廣泛的焊接骨架，其材料可以是金屬或非金屬，只要求焊接骨架基體能有效吸收激光或者表面刷涂吸收激光涂料以及導(dǎo)熱性良好(激光直接作用深度很淺，幾十納米至幾微米，需靠導(dǎo)熱快速加熱與之接觸的上下硬質(zhì)塑料)，因此，本焊接方法的適用性更加廣泛。2、焊接骨架的材質(zhì)可以為金屬片、陶瓷片或者硅片等，也可以是由多種材料堆疊組成的夾層結(jié)構(gòu)或拼接組成的拼圖結(jié)構(gòu)；因而，通過(guò)設(shè)計(jì)不同材料、不同尺寸形狀的焊接骨架，可使得焊接后的熱塑性塑料焊接接頭的質(zhì)量分布、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和絕緣性等材料性能發(fā)生局部改變，獲得任意的質(zhì)量分布特征以及良好的導(dǎo)電/絕緣、導(dǎo)熱/隔熱特性。3、電磁感應(yīng)焊接是整個(gè)導(dǎo)磁片的接觸面都被焊接，不能控制精確的焊接路徑，不易實(shí)現(xiàn)精細(xì)焊接。本發(fā)明所述的焊接方法中只有激光掃描過(guò)的地方才會(huì)被焊接，從而可使焊接路徑可選，焊接位置更精確，較容易實(shí)現(xiàn)精細(xì)焊接；通孔的位置、大小、形狀可以任意設(shè)置，滿足不同位置不同的焊接接頭強(qiáng)度需要，這對(duì)于非均勻分布載荷場(chǎng)合十分適用。


圖I為本發(fā)明所述熱塑性塑料的激光透射焊接方法實(shí)施情況示意圖；圖中各標(biāo)號(hào)的含義如下上硬質(zhì)塑料-1，下硬質(zhì)塑料_2，焊接骨架-3，通孔-4，夾持機(jī)構(gòu)_5，冷卻液體_6，激光束_7，激光器-8。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述的上硬質(zhì)塑料為可透射激光束的熱塑性塑料，本發(fā)明不對(duì)其具體類型進(jìn)行限制，只要該塑料具有熱塑性并且能夠透射激光束即可。這種塑料包括尼龍6 (PA6)或尼龍66(PA66)的聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯、ABS、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)等?！巴干浼す馐笔侵讣す馐耐干渎室笥?0%。本發(fā)明不對(duì)下硬質(zhì)塑料做要求，其可以透射激光束，也可以吸收激光束，只要其可與上硬質(zhì)塑料熔接即可。
本發(fā)明所述的激光束包括由Nd = YAG激光器、紅寶石激光器、氦氖激光器、光纖激光器、準(zhǔn)分子激光器或半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光束。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。實(shí)施例一如圖I所示，本發(fā)明提供了一種熱塑性塑料的激光透射焊接方法，包含以下步驟(I)在兩個(gè)待焊接的上硬質(zhì)塑料I和下硬質(zhì)塑料2之間擺放一焊接骨架3 ;所述上硬質(zhì)塑料I為可透射激光束的熱塑性塑料，所述焊接骨架3為可吸收激光束的硬質(zhì)材料，本實(shí)施例中上硬質(zhì)塑料I和下硬質(zhì)塑料2采用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET),厚度為IOmm,下 硬質(zhì)塑料2采用聚碳酸酯(PC)，厚度IOmm ;焊接骨架3采用厚度為Imm的薄銅片；所述焊接骨架3的熔點(diǎn)高于上硬質(zhì)塑料I和下硬質(zhì)塑料2的熔點(diǎn)，在焊接骨架3上設(shè)置有若干個(gè)通孔4 ;通孔4的位置、大小、形狀可以根據(jù)實(shí)際需要任意設(shè)置。(2)采用夾緊機(jī)構(gòu)5夾緊上硬質(zhì)塑料I和下硬質(zhì)塑料2，即施加壓力使上硬質(zhì)塑料I、焊接骨架3和下硬質(zhì)塑料2接觸壓緊；(3)將接觸壓緊的上硬質(zhì)塑料I、焊接骨架3和下硬質(zhì)塑料2放置在冷卻液體6內(nèi)浸泡；本實(shí)施例中的冷卻液體6為水。(4)采用波長(zhǎng)為1064納米的Nd: YAG激光器8，激光功率為10W，輸出激光束7，使激光束7從上硬質(zhì)塑料I的一側(cè)射入，聚焦在焊接骨架3上，形成焊接點(diǎn)A ；(5)調(diào)節(jié)激光束7的功率使焊接點(diǎn)A的溫度高于上硬質(zhì)塑料I和下硬質(zhì)塑料2的熔點(diǎn)，并低于焊接骨架3的熔點(diǎn)；上、下硬質(zhì)塑料1、2與焊接點(diǎn)A接觸的部分熔化；(6)熔化的塑料在壓力作用下通過(guò)焊接骨架3上與焊接點(diǎn)A臨近的通孔4相互貫通融合；(7)停止照射或移開激光束7，失去聚焦激光束照射的焊接骨架3上的焊接點(diǎn)及附近區(qū)域迅速降溫，實(shí)現(xiàn)焊接點(diǎn)位置上、下硬質(zhì)塑料的牢固連接；(8)重復(fù)步驟(4)-(7)，使激光束7連續(xù)移動(dòng)掃描可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡焊接。實(shí)施例二 本發(fā)明提供了一種熱塑性塑料的激光透射焊接方法，包含以下步驟(I)在兩個(gè)待焊接的上硬質(zhì)塑料I和下硬質(zhì)塑料2之間擺放一焊接骨架3 ;所述上硬質(zhì)塑料I為可透射激光束的熱塑性塑料；所述焊接骨架3為可吸收激光束的硬質(zhì)材料，所述焊接骨架3的熔點(diǎn)高于上硬質(zhì)塑料I和下硬質(zhì)塑料2的熔點(diǎn)，在焊接骨架3上設(shè)置有若干個(gè)通孔4 ;本實(shí)施例中上硬質(zhì)塑料I采用聚碳酸酯(PC)，厚度為50mm ;下硬質(zhì)塑料2采用聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，厚度100mm，焊接骨架3采用厚度為O. 5mm的氧化鋁陶瓷片；(2)采用夾緊機(jī)構(gòu)5夾緊上硬質(zhì)塑料I和下硬質(zhì)塑料2，即施加壓力使上硬質(zhì)塑料I、焊接骨架3和下硬質(zhì)塑料2接觸壓緊；(3)將接觸壓緊的上硬質(zhì)塑料I、焊接骨架3和下硬質(zhì)塑料2放置在冷卻液體6內(nèi)浸泡；本實(shí)施例中的冷卻液體6為乙醇。(4)采用波長(zhǎng)為500_1000nm的半導(dǎo)體激光器8，功率為900W，輸出激光束7，使用激光束7從上硬質(zhì)塑料I的一側(cè)射入，聚焦在焊接骨架3上，形成焊接點(diǎn)A ；(5)調(diào)節(jié)激光束7的功率使焊接點(diǎn)A的溫度高于上硬質(zhì)塑料I和下硬質(zhì)塑料2的熔點(diǎn)，并低于焊接骨架3的熔點(diǎn)；上、下硬質(zhì)塑料1、2與焊接點(diǎn)A接觸的部分熔化；
(6)熔化的塑料在壓力作用下通過(guò)焊接骨架3上與焊接點(diǎn)A臨近的通孔4相互貫通融合；
(7)停止照射或移開激光束，失去聚焦激光束照射的焊接骨架焊接點(diǎn)及附近區(qū)域迅速降溫，實(shí)現(xiàn)焊接點(diǎn)位置上、下硬質(zhì)塑料的牢固連接；(8)重復(fù)步驟(4)-(7)，使激光束斷續(xù)掃描定點(diǎn)照射或關(guān)閉可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位焊接。
權(quán)利要求
1.一種熱塑性塑料的激光透射焊接方法，其特征在于，包含以下步驟 (1)在兩個(gè)待焊接的上、下硬質(zhì)塑料之間擺放一焊接骨架；所述上硬質(zhì)塑料為可透射激光束的熱塑性塑料；所述焊接骨架為可吸收激光束的硬質(zhì)材料，所述焊接骨架的熔點(diǎn)高于上硬質(zhì)塑料和下硬質(zhì)塑料的熔點(diǎn)，在焊接骨架上設(shè)置有若干個(gè)通孔； (2)施加壓力使上硬質(zhì)塑料、焊接骨架和下硬質(zhì)塑料接觸壓緊； (3)將接觸壓緊的上、下硬質(zhì)塑料和焊接骨架放置在冷卻液體內(nèi)浸泡；所述冷卻液體要求可透射激光束并且不與上硬質(zhì)塑料和下硬質(zhì)塑料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； (4)使用激光束從上硬質(zhì)塑料的一側(cè)射入，聚焦在焊接骨架上，形成焊接點(diǎn)； (5)調(diào)節(jié)激光束的功率使焊接點(diǎn)的溫度高于上硬質(zhì)塑料和下硬質(zhì)塑料的熔點(diǎn)，并低于焊接骨架的熔點(diǎn)；上、下硬質(zhì)塑料與焊接點(diǎn)接觸的部分熔化； (6)熔化的塑料在壓力作用下通過(guò)焊接骨架上與焊接點(diǎn)臨近的通孔相互貫通融合； (7)停止照射或移開激光束，失去聚焦激光束照射的焊接骨架焊接點(diǎn)及附近區(qū)域迅速降溫，實(shí)現(xiàn)焊接點(diǎn)位置上、下硬質(zhì)塑料的牢固連接。
(8)重復(fù)步驟(4)-(7)，使激光束連續(xù)移動(dòng)掃描可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡焊接，或者使激光束斷續(xù)掃描定點(diǎn)照射或關(guān)閉可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱塑性塑料的激光透射焊接方法，其特征在于，所述焊接骨架為金屬片、陶瓷片或者硅片。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱塑性塑料的激光透射焊接方法，其特征在于，所述冷卻液體為水溶液。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種熱塑性塑料的激光透射焊接方法，包含(1)在上、下硬質(zhì)塑料之間擺放焊接骨架；(2)使上硬質(zhì)塑料、焊接骨架和下硬質(zhì)塑料接觸壓緊；(3)將上、下硬質(zhì)塑料和焊接骨架放置在冷卻液體內(nèi)；(4)使用激光束從上硬質(zhì)塑料的一側(cè)射入，聚焦在焊接骨架上，形成焊接點(diǎn)；(5)使上、下硬質(zhì)塑料與焊接點(diǎn)接觸的部分熔化；(6)熔化的塑料通過(guò)焊接骨架上與焊接點(diǎn)臨近的通孔相互貫通融合；(7)停止照射或移開激光束；(8)重復(fù)步驟(4)-(7)。該激光透射焊接方法可實(shí)現(xiàn)精確焊接路徑和焊接強(qiáng)度控制，增加焊接件的整體強(qiáng)度和剛度，任意改變焊接接頭局部部位的材料原有性能，防止發(fā)生灼燒缺陷，并可重復(fù)實(shí)現(xiàn)焊接與分離。
文檔編號(hào)B29C65/16GK102950766SQ20121045472
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者曹宇, 李峰平, 趙宗禮, 王隴花, 李劍陽(yáng) 申請(qǐng)人:溫州大學(xué)