CN106881872A - 多层塑料的多波长激光焊接方法及多波长激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层塑料的多波长激光焊接方法及多波长激光装置。方法步骤包括：1）针对待焊接的多层塑料的激光波长吸收的选择性，选择相应波长的激光；2）采用半反半透镜片将不同波长的激光合束，同轴聚焦到待焊接的塑料层，使焊点同轴；3）采用准直聚焦镜调整不同波长的激光聚焦点的位置与不同层塑料接触面一致，实现多层塑料同时吸收激光和融化。多波长激光装置，包括主体结构、合束镜片支座、合束镜片、二维平移调整架、二维平移调整架过渡板、第一光纤适配器、一维调整架、一维调整架过渡板、第二光纤适配器转接板、第二光纤适配器、准直透镜组。本发明可以不必考虑上层塑料对激光的透过率，实现了材料选择的多样性。

Description

多层塑料的多波长激光焊接方法及多波长激光装置

技术领域

本发明涉及到多波长塑料焊接领域，具体地说，是涉及到一种基于多波长激光的用于塑料焊接的方法及激光器。

背景技术

现有的使用激光焊接的先决条件是两个零件之一能够透过激光而另一个零件能够吸收激光。大多数塑料能让足量的激光透过，与之配合的另一零件，可以通过添加吸收剂转化为能够吸收激光光束的材料（张惠中，热塑性塑料激光透射焊接的实验研究与数值模拟，2007年12月）。

能够透过激光的塑料材料可以是无色透明或者是有颜色的，但是必须能够保证有足量的激光通过，很多材料因为两个透明的塑料层都不能吸收足够的激光能量或者光束不具备足够的穿透能力，所以无法实现加热焊接接触面，无法激光焊接效果。

目前解决上述问题实现塑料焊接的技术方案主要是通过在热作用区的塑料材料中添加合适的激光吸收剂，增加塑料材料对激光的吸收。其中激光吸收剂的主要作用是吸收激光器所发出的辐射能量，将辐射能转化为热能，从而使塑料熔化。一般来说碳黑是最常用的吸收剂，基本上所有近红外区域的光波都可以被碳黑吸收（杨坤，吸收剂对热塑性塑料激光透射焊接质量的影响，出版社：激光技术，Vol.33.No.3 June，2009）。用炭黑做吸收剂会使激光焊接焊缝颜色变深，与母材颜色不同，但是很多情况，塑料焊接要求成品美观精致，因此不能使用该添加剂。Robert Arno等人公开了一种专门用于激光投射焊接的透明吸收染料（Visibly transparent dyes for through-Transmission laserwelding.US6911262B2,2005.06.28），可以得到透明的塑料焊缝。添加吸收剂的方式可以直接向待焊接材料中渗入吸收剂，或者向塑料件待焊接的表面渗吸收剂，或者在两块待焊接件的接触处喷涂上或者印刷上吸收剂，这些方式均需外加添加剂，对待焊接的塑料和吸收剂的选择有一定的要求，并不一定适合所有的待焊接塑料材料。

Dukane集团推出了一项新的激光焊接系统，能够不使用吸收激光的添加剂进行透明塑料焊接，该系统使用2μm激光器实现激光塑料焊接，通过添加透明聚合物增加吸收量，虽然未使用添加剂，但是增加了透明聚合物，其方式增加吸收剂相同。

根据上述分析，目前激光塑料焊接中存在的技术问题是，待焊接的两层塑料材料必须一个透光、一个吸收光，这样往往导致必须添加吸收剂或者透明聚合物，才能确保材料对激光的吸收，进而限制了塑料材料的种类，从而难以提高焊接效果、速率的难度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种多层塑料的多波长激光焊接方法及多波长激光装置。

一种多层塑料的多波长激光焊接方法，步骤包括：

1）针对待焊接的多层塑料的激光波长吸收的选择性，选择相应波长的激光，使不同层的塑料分别主要吸收选定波长的激光；

2）采用半反半透镜片将不同波长的激光合束，同轴聚焦到待焊接的塑料层，使焊点同轴；

3）采用准直聚焦镜调整不同波长的激光聚焦点的位置与不同层塑料接触面一致，实现多层塑料同时吸收激光和融化，焊接成一体。

步骤2）所述不同波长的激光合束时，先固定其中一束激光光束位置，然后通过改变另一束激光光束位置，调整两束激光聚焦焦点中心同轴。

步骤2）所述不同波长的激光合束时，先固定其中一束激光光束光斑大小，然后通过改变另一束激光光束光斑大小，调整两束激光聚焦焦点重合。

一种采用所述方法的多层塑料的多波长激光装置，包括主体结构、合束镜片支座、合束镜片、二维平移调整架、二维平移调整架过渡板、第一光纤适配器、一维调整架、一维调整架过渡板、第二光纤适配器转接板、第二光纤适配器、准直透镜组；

不同激光器通过第一光纤适配器和第二光纤适配器固定到主体结构上，其中固定在第一光纤适配器上的激光器固定不动，第二光纤适配器固定于第二光纤适配器转接板上，第二光纤适配器转接板固定在一维调整架上，一维调整架固定在二维调整架过渡板上，二维调整架过渡板固定在二维平移调整架上，二维平移调整架通过二维平移调整架过渡板固定在主体结构上；

合束镜片固定在合束镜片支座上，合束镜片支座通过插拔结构固定在主体结构上。

所述的准直透镜组包含准直透镜和聚焦透镜两部分，准直透镜组通过准直透镜滑动螺丝组件实现上下调节，得到距离待焊材料的最佳位置，准直透镜滑动螺丝组件通过准直透镜组固定螺丝组件固定于主体结构上，实现准直透镜组位置固定并且实现焦点固定。

本发明的有益效果是：

1.本发明用于塑料焊接的多波长激光器采用主体结构，光纤适配器和实现多波长激光器输出激光合二为一的功能；

2.本发明通过二维平移调节架、二维平移调节架过渡板、一维调节架、一维调节架过渡板控制一个激光器的输出光光光束距离另一个激光器输出光束的位置和距离，从而实现两束互不相干的光束重合于同一位置；

3.本发明用于塑料焊接的多波长激光器采用合束镜片支座和合束镜片将两束不同波长激光聚焦合束成一束互不相干的激光光束，自由的控制两个焊点高度差，实现不同厚度的待焊接件的焊接；

4.本发明采用第二光纤适配器转接板固定一个半导体激光器光纤；

5.本发明采用准直透镜组实现合并后的一束发散光的准直；

6.本发明采用准直透镜滑动螺丝组件实现对准直光束的调节，获得最优化的准直光束直径和发散角；

7.本发明采用实现准直透镜组的固定功能；

8.本发明不用添加吸收剂，实现激光焊接牢固、气密性和外观要求；

9.本发明用于塑料焊接的多波长激光器可以不必考虑上层塑料对激光的透过率，实现了材料选择的多样性；

10. 本发明用于塑料焊接的多波长激光器可以选择使用不同波长的多波长激光器，可以实现更多塑料材料的焊接。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图中,主体结构1、合束镜片支座2、合束镜片3、二维平移调整架4、二维平移调整架过渡板5、第一光纤适配器6、一维调整架7、一维调整架过渡板8、第二光纤适配器转接板9、第二光纤适配器10、准直透镜组11、准直透镜滑动螺丝组件12、准直透镜组固定螺丝组件13。

具体实施方式

一种多层塑料的多波长激光焊接方法，步骤包括：

1）针对待焊接的多层塑料的激光波长吸收的选择性，选择相应波长的激光，使不同层的塑料分别主要吸收选定波长的激光；

2）采用半反半透镜片将不同波长的激光合束，同轴聚焦到待焊接的塑料层，使焊点同轴；

3）采用准直聚焦镜调整不同波长的激光聚焦点的位置与不同层塑料接触面一致，实现多层塑料同时吸收激光和融化，焊接成一体。

步骤2）所述不同波长的激光合束时，先固定其中一束激光光束位置，然后通过改变另一束激光光束位置，调整两束激光聚焦焦点中心同轴。

步骤2）所述不同波长的激光合束时，先固定其中一束激光光束光斑大小，然后通过改变另一束激光光束光斑大小，调整两束激光聚焦焦点重合。

如图1所示，一种采用所述方法的多层塑料的多波长激光装置，包括主体结构1、合束镜片支座2、合束镜片3、二维平移调整架4、二维平移调整架过渡板5、第一光纤适配器6、一维调整架7、一维调整架过渡板8、第二光纤适配器转接板9、第二光纤适配器10、准直透镜组11。

不同激光器通过第一光纤适配器6和第二光纤适配器10固定到主体结构1上，其中固定在第一光纤适配器6上的激光器固定不动，第二光纤适配器10固定于第二光纤适配器转接板9上，第二光纤适配器转接板9固定在一维调整架7上，一维调整架7固定在二维调整架过渡板8上，二维调整架过渡板8固定在二维平移调整架4上，二维平移调整架4通过二维平移调整架过渡板5固定在主体结构1上；

合束镜片3固定在合束镜片支座2上，合束镜片支座2通过插拔结构固定在主体结构1上，合束镜片3中心距离第一光纤适配器6的距离可以通过激光器光纤输出光束参数计算得到的。

所述的准直透镜组11包含准直透镜和聚焦透镜两部分，准直透镜组通过准直透镜滑动螺丝组件12实现上下调节，得到距离待焊材料的最佳位置，准直透镜滑动螺丝组件12通过准直透镜组固定螺丝组件13固定于主体结构1上，实现准直透镜组位置固定并且实现焦点固定。

其中，主体结构1是通过互相有角度的两个通孔结构将不同波长激光器集成一体，在通孔中心将多波长激光光束合束并聚焦；改变两个通孔之间的角度，实现不同角度入射激光光束；改变两个通孔与中心距离，可实现不同尺寸不同波长激光光束合束；

合束镜片支座2可以采用可插拔结构和不同角度斜面结构设计，针对不同的多波长激光使用需求可以方便替换不同结构、尺寸的可插拔结构；本发明使用斜面45°角度的合束镜片支座固定合束镜片3，实现互相垂直入射激光光束合束；更换合束镜片支座角度为0~90之间的任何角度，可实现两束入射光束间角度为两倍合束镜片支座角度的激光光束合束；更换合束镜片支座外观形状，匹配不同外观的合束镜片3使用。

合束镜片3采用镀膜满足对其中一束激光光束增透，对另一束激光光束高反，实现不同波长、互不相干的激光光束合束成一束互不相干的激光光束；更换不同的合束镜片3的镀膜结构，实现多种波长的激光合束；更换不同外观镜片，匹配不同结构合束镜片支座2。

二维平移调整架4的主要技术特征是两个方位调节，通过匹配二维平移调整架过渡板5和主体结构1的孔位固定在二维平移调整过渡板5上，通过左右和上下调节，改变匹配第二光纤适配器10的激光光束位置，实现该激光光斑在合束镜片3上能够与另一束激光光束尺寸一致，合束后光束同轴。

二维平移调整架过渡板5采用平板结构设计，通过匹配主体结构1孔位和二维平移调整架4孔位将二者固定，更改该结构的外观尺寸、孔位结构可匹配不同结构的主体结构1。

第一光纤适配器6采用不同规格的插拔式光纤适配器，用于匹配不同芯径的光纤跳线，实现激光器光束输出到主体结构1内的合束镜片3上；更换第一光纤适配器1的规格，实现不同规格光纤跳线连接。

一维调整架7是单方向前后调节，用于固定光纤适配器转接板与二维调整架过渡板，通过前后调节光纤适配器转接板，进而调节第二光纤适配器10距离合束镜片3的间距，实现匹配第二光纤适配器10的激光光束入射到合束镜片的光斑尺寸与另一束激光光束一致。

二维调整架过渡板8采用垂直结构设计，通过匹配二维平移调整架4的螺纹孔和匹配二维调整架7的螺纹孔将两个结构固定，更改该结构的外观尺寸、孔位结构可匹配不同结构的主体结构1。

第二光纤适配器转接板9采用平板结构设计，同时采用圆弧槽结构设计匹配第二光纤适配器10的圆弧结构。

第二光纤适配器10采用圆弧结构固定，该圆弧结构能够实现光纤跳线装配同时不与第二光纤适配器转接板9干涉；同时该组件采用垂直结构设计将光纤适配器与垂直板设计成一体结构，无需增加孔位节省空间。

准直透镜组11采用镜筒结构固定透镜组，镜筒采用台阶式结构，侧边有螺纹孔，透镜组采用准直透镜和聚焦透镜组成，准直透镜和聚焦透镜均镀多波长的增透膜，实现低损耗光束输出，同时针对不同波长激光光束的对材料折射率不同，采用不同曲率半径、厚度、数值孔径、外观尺寸等透镜组参数，实现不同波长光束的准直聚焦并控制焦深、焦点位置，通过准直透镜和聚焦透镜采用不同焦距比例，实现聚焦焦点尺寸要求。

准直透镜滑动螺丝组件12采用螺纹副结构螺钉，前端直径小的螺纹固定在准直透镜组的螺纹孔内，可在主体结构1上实现上下调节，进而改变光束焦距位置。后端直径大的螺纹使用准直透镜组固定螺丝组件固定。

准直透镜组固定螺丝组件13的主要技术特征是匹配准直透镜滑动螺丝组件的直径大的螺纹，固定准直透镜组11的位置。

实施例

目前塑料焊接材料多种多样，在没有公开上方焊接材料和下方焊接材料的材质和光学特性，波长应该是根据焊接材料来选，而不是固定不变的。因此采用符号实现案例描述。

待焊接塑料材料分别为A和B，其中A材料在B材料的上方，两者接触。材料A对于波长为Xnm的激光吸收强，材料B对波长为Ynm的激光吸收强，同时材料A对波长为Ynm的激光吸收弱，材料B对波长为Xnm的激光吸收弱。选择波长分别为Xnm和Ynm的激光器作为激光光源，其中X的绝对值大于Y，在此称波长为Xnm的激光器为X激光器，波长为Ynm的激光器为Y激光器，使用光纤做为光束传输器。将X激光器光纤连接第一光纤适配器6，将Y激光器光纤连接第二光纤适配器10。使用镀有Ynm45°高反膜和Xnm增透膜的的合束镜片3装配到斜面角度是45°的合束镜片支座2上，通过上下左右调节二维平移调整架4，将Y激光器输出光束的光斑中心与X激光器输出光束的光斑中心重合，通过前后调节一维调整架7，将Y激光器输出的光束光斑尺寸比X激光器输出光斑尺寸大。两束光束在合束镜片3上实现合束，使用参数设计好曲率半径和焦距比例的、镀有Xnm和Ynm增透膜的准直透镜组的准直透镜将Xnm激光光束准直，同时Ynm激光光束发散，再通过准直透镜组的聚焦透镜将两束光束聚焦同一点，该点位于AB材料接触面上，则材料A吸收Xnm激光融化，材料B吸收Ynm激光融化，从而实现多波长激光塑料焊接。

Claims (7)

1.一种多层塑料的多波长激光焊接方法，其特征在于，步骤包括：

1）针对待焊接的多层塑料的激光波长吸收的选择性，选择相应波长的激光，使不同层的塑料分别主要吸收选定波长的激光；

2）采用半反半透镜片将不同波长的激光合束，同轴聚焦到待焊接的塑料层，使焊点同轴；

3）采用准直聚焦镜调整不同波长的激光聚焦点的位置与不同层塑料接触面一致，实现多层塑料同时吸收激光和融化，焊接成一体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）所述不同波长的激光合束时，先固定其中一束激光光束位置，然后通过改变另一束激光光束位置，调整两束激光聚焦焦点中心同轴。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）所述不同波长的激光合束时，先固定其中一束激光光束光斑大小，然后通过改变另一束激光光束光斑大小，调整两束激光聚焦焦点重合。

4.一种采用根据权利要求1所述方法的多层塑料的多波长激光装置，其特征在于，包括主体结构（1）、合束镜片支座（2）、合束镜片（3）、二维平移调整架（4）、二维平移调整架过渡板（5）、第一光纤适配器（6）、一维调整架（7）、一维调整架过渡板（8）、第二光纤适配器转接板（9）、第二光纤适配器（10）、准直透镜组（11）；

不同激光器通过第一光纤适配器（6）和第二光纤适配器（10）固定到主体结构（1）上，其中固定在第一光纤适配器（6）上的激光器固定不动，第二光纤适配器（10）固定于第二光纤适配器转接板（9）上，第二光纤适配器转接板（9）固定在一维调整架（7）上，一维调整架（7）固定在二维调整架过渡板（8）上，二维调整架过渡板（8）固定在二维平移调整架（4）上，二维平移调整架（4）通过二维平移调整架过渡板（5）固定在主体结构（1）上。

5.根据权利要求1所述方法的多层塑料的多波长激光装置，其特征在于，合束镜片（3）固定在合束镜片支座（2）上，合束镜片支座（2）通过插拔结构固定在主体结构（1）上。

6.根据权利要求1所述方法的多层塑料的多波长激光装置，其特征在于，所述的合束镜片（3）采用镀膜满足对其中一束激光光束增透，对另一束激光光束高反，实现不同波长、互不相干的激光光束合束成一束互不相干的激光光束。

7.根据权利要求4所述的多波长激光装置，其特征在于，所述的准直透镜组（11）包含准直透镜和聚焦透镜两部分，准直透镜组通过准直透镜滑动螺丝组件（12）实现上下调节，得到距离待焊材料的最佳位置，准直透镜滑动螺丝组件（12）通过准直透镜组固定螺丝组件（13）固定于主体结构（1）上，实现准直透镜组位置固定并且实现焦点固定。