专利名称：一种基于动态掩模技术的激光塑料微焊接方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及塑料焊接领域，特指一种基于动态掩模技术的激光塑料微焊接方法及装置， 其适用于塑料材料间的快速焊接，特别适合于塑料微器件的焊接，能够保证微焊接的高效率、 批量化生产。发明背景传统的塑料焊接技术包括超声波焊接、振动焊接、热平板焊接等。激光塑料焊接的优 点是树脂降解少，产生的碎屑少，由于激光的非接触性，在焊接过程中不会产生污染。另一 个主要优点是激光塑料焊接比其他连接方式所产生的振动应力和热应力小，这样就大大提高 了制品或装置内部组件的使用寿命，因此激光塑料焊接方法更适合应用于易损坏的电子传感器、微流体装置、微机电系统。在20世纪70年代，激光开始被应用到塑料焊接上，由于激 光塑料焊接技术的独特优势以及激光技术的发展，到了20世纪90年代，激光塑料焊接技术 取得了大规模的工业应用。见于文献报道的最早激光塑料焊接应用是在1972年，使用100 瓦的C02激光光源，以每秒10毫米的速度焊接聚乙烯薄板(最大厚度为1.5毫米)。激光塑料焊接作为一种新型的塑料焊接技术近年来得到了快速的发展，国内外各研究机 构对这种技术的方法、工艺、设备都有了较为深入的研究。其中，在焊接方法方面，瑞士莱 斯特加工技术公司发表的专利号为CN00101924.4的技术焊接塑料工件或塑料与其他材料 的激光焊接方法及装置，就是在焊接方法上进行研究，根据预知焊缝形状设计掩模板，利用 掩模板遮挡掉激光光束的一部分，掩模板透光的形状与预知焊缝相同，最后利用透过掩模板 后的光束对塑料进行焊接，但是存在以下问题1. 不能够焊接微精细制件；2. 光源与待焊件之间有速率较高的相对移动，容易引起塑料件的翘曲变形；3. 掩模制作困难，针对不同的焊缝需要制作不同的掩模，成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于动态掩模技术的激光塑料微焊接方法。设计激光塑料焊接 系统中的光路部分，对激光束进行选择透过，使得激光束的光斑形状与预知的焊缝形状相同， 最终对待焊接区域进行同步焊接。所说的基于动态掩模技术的激光塑料微焊接方法，是激光器发出的激光束，经散光系 统后形成大直径的平行光束，并照射到液晶显示屏上，激光束通过液晶显示屏后，形成与液 晶显示屏图像成反转关系的镂空图形光斑，经过聚焦系统的会聚形成与焊缝形状一致的镂空 光斑，透过第一种塑料，作用于两种塑料工件接合面处后，自然冷却后形成焊缝。其工作原 理，是在两种塑料工件接合面处被第二种塑料吸收产生热量并传入第一种塑料。在热作用区 域(焊接区域)，塑料就被融化，在压力作用下，自然冷却后形成焊缝，实现两种塑料的同 步焊接。本发明还提供一种基于动态掩模技术的激光塑料微焊接装置，是包括激光器1、散光 系统、液晶显示屏5、计算机6和聚焦系统，其中，散光系统、液晶显示屏5和聚焦系统依 次自上而下设置、且轴心在同一中心线上；计算机6与液晶显示屏5相连。上述所说的散光系统由两片不同焦距的凸透镜组成，焦距小的凸透镜放置在上方离激光 器近，焦距大的凸透镜放置在下方离激光器远。根据设计的功能需要，散光系统中两块凸透 镜之间的距离等于两者焦距之和，大焦距与小焦距之比，就是激光束放大的比例，保持两凸 透镜之间的距离不变，可以保证激光束通过散光系统后仍为平行光束。经散光系统放大使激 光束能量密度低于液晶显示屏的损坏阈值，使得显示屏寿命延长，不存在普通掩模受激光烧 蚀易损的特点。上述所说的聚焦系统由两片不同焦距的凸透镜以及一片凹透镜组成，三片透镜自上而下 依次为大焦距凸透镜、小焦距凸透镜、凹透镜。根据设计的功能需要，聚焦系统三块透镜之 间的距离由工件焊缝的尺寸决定，调节大焦距凸透镜、小焦距凸透镜以及凹透镜之间的距离， 确保激光束通过聚焦系统以后得到与焊缝形状一致的光斑。在使用本发明方法和装置进行焊接时，待焊工件放置在聚焦系统正下方，透光性塑料工件在上，吸光性塑料工件在下。更好的方法是，在透光性塑料工件和吸光性塑料工件接合面 上涂上一层吸收剂，确保激光束能被更好的吸收。本发明中，将激光光束、散光系统、液晶显示屏、聚焦系统的轴心保持在同一条中心线 上，避免激光束在传输过程中发生偏移，保证得到预期想要形成的光斑。根据设计的功能需要，计算机通过数据线将信息传输到液晶显示屏上，液晶显示屏上显 示着焊缝形状的反转放大图像，即工件上不需要焊接的部位在液晶显示屏上的图形显示黑 色，需要焊接的部位显示无色，液晶显示屏主要起到对光束的阻断作用。不同形状的焊缝只 需要调节液晶显示屏上显示的图像即可，避免了重复制作掩模，同时显示屏显示的是焊缝的 放大图形，避免了加工线度太小产生衍射而使焊缝模糊不清的缺陷。本发明将液晶动态掩模技术融入到塑料的透射微焊接工艺，可以适应不同形状焊缝的同 步焊接，实现了微器件焊接的低成本和大批量，工艺简单， 一致性好，而且适于自动化生产。
-图1是根据本发明提出的基于动态掩模技术的激光塑料微焊接装置示意图。 l.激光器；2.激光束；3.小焦距凸透镜；4.大焦距凸透镜；5.液晶显示屏；6.计算机；7. 大焦距凸透镜；8.小焦距凸透镜；9.凹透镜；IO.透光性塑料工件；ll.接合面；12.吸光性塑 料工件；13.中心线
具体实施例方式本发明提出的基于动态掩模技术的激光塑料微焊接装置如图l所示。由激光器l、散 光系统、液晶显示屏5、计算机6、聚焦系统组成；散光系统由两片不同焦距的凸透镜组成，焦距小的凸透镜3放置在上方离激光器1近，焦距大的凸透镜4放置在下方离激光器 l远；散光系统正下方是液晶显示屏5，液晶显示屏5通过数据线连接到计算机6;液晶显 示屏5正下方是聚焦系统，聚焦系统由两片不同焦距的凸透镜以及一片凹透镜组成，三片 透镜自上而下依次为大焦距凸透镜7、小焦距凸透镜8、凹透镜9。参照图1，实施过程具体如下，以直径为300um，宽度为75n m的圆形焊缝为例。首先是透光性塑料工件10和吸光性塑料工件12的准备，选用两块长25mm，宽25ram， 厚lmm的聚碳酸酯为待焊接工件，在两工件的接合面11处，涂上一层clearweld吸收剂， 保证能够更好的吸收激光束2。然后在计算机6中利用软件绘制焊缝形状，绘制的焊缝形状比实际的焊缝形状大20 倍，并将图案文件传输到液晶显示屏5上，液晶显示屏5上显示着焊缝形状的反转图像， 即需要焊接的部位显示无色，不需要焊接的部位显示黑色，无色的部位激光束2可以透过， 黑色的部位激光束2被阻断。根据液晶显示屏5上显示的焊缝形状，以及散光系统扩束的倍数，来调节激光器l产 生的激光光斑大小。散光系统的扩束倍数，由小焦距凸透镜3和大焦距凸透镜4决定，以 散光系统扩束倍数10为例，调节激光器1的激光光斑大小为l咖。通过液晶显示屏5后的激光束2光斑大小是实际焊缝大小的20倍，为此需要通过聚 焦系统来等比例縮小光斑大小，通过调节大焦距凸透镜7、小焦距凸透镜8以及凹透镜9 之间的距离，使得激光束2通过聚焦系统后得到与实际焊缝尺寸一致的光斑。最后进行激光塑料微焊接，利用光斑形状与实际焊缝一致的激光照射透光性塑料工件10 和吸光性塑料工件12的接合面11。形成热作用区，在热作用区(即接合面ll)中的塑料被 熔化，热熔状态下的塑料大分子在焊接压力的作用下互相扩散，产生范德华力，从而紧密的 连接在一起，这样已熔化的材料形成接头，被焊部件即被连接起来。综上所述，本发明所涉及的一种基于动态掩模技术的激光塑料微焊接方法及装置，将液 晶动态掩模技术融入到塑料的透射微焊接工艺，可以适应不同形状焊缝的同步焊接，实现了 微器件焊接的低成本和大批量，工艺简单， 一致性好，而且适于自动化生产。
权利要求
1、一种基于动态掩模技术的激光塑料微焊接方法，其特征在于，激光器发出的激光束，经散光系统后形成大直径的平行光束，并照射到液晶显示屏上，激光束通过液晶显示屏后，形成与液晶显示屏图像成反转关系的镂空图形光斑，经过聚焦系统的会聚形成与焊缝形状一致的镂空光斑，透过第一种塑料，作用于两种塑料工件接合面处后，自然冷却后形成焊缝。
2、 如权利要求1所说的基于动态掩模技术的激光塑料微焊接方法，其特征在于，液晶 显示屏显示计算机传递来的焊缝形状信息，不焊接的部位在液晶显示屏上显示黑色，需要焊 接的部位显示无色，液晶显示屏对激光束选择性透过。
3、 一种实施权利要求1所述的一种基于动态掩模技术的激光塑料微焊接方法的装置， 其特征在于，包括激光器l、散光系统、液晶显示屏5、计算机6和聚焦系统，其中，散光 系统、液晶显示屏5和聚焦系统依次自上而下设置、且轴心在同一中心线上；计算机6与液 晶显示屏5相连。
4、 如权利要求3所说的装置，其特征在于，所说的散光系统由两片不同焦距的凸透镜 组成，焦距小的凸透镜(3)放置在上方，焦距大的凸透镜(4)放置在下方。
5、 如权利要求4所述的装置，其特征在于，散光系统中小焦距凸透镜(3)、大焦距凸 透镜(4)之间的距离等于两者焦距之和，大焦距与小焦距之比为散光系统的扩束倍数。
6、 如权利要求3所说的装置，其特征在于，所说的聚焦系统由两片不同焦距的凸透镜 以及一片凹透镜组成，三片透镜自上而下依次为大焦距凸透镜(7)、小焦距凸透镜(8)、凹 透镜(9)。
7、 如权利要求6所述的装置，其特征在于，聚焦系统中大焦距凸透镜(7)、小焦距凸 透镜(8)、凹透镜(9)之间的距离由焊缝尺寸决定，保证激光束(2)通过聚焦系统以后得 到与焊缝形状一致的光斑。
8、 如权利要求3所说的装置，其特征在于，液晶显示屏(5)显示计算机(6)传递来 的焊缝形状信息，不需要焊接的部位在液晶显示屏(5)上显示黑色，需要焊接的部位显示 无色，液晶显示屏(5)对激光束(2)选择性透过。
全文摘要
本发明涉及塑料焊接领域，特指一种基于动态掩模技术的激光塑料微焊接方法及装置，其适用于塑料材料间的快速焊接，特别适合于塑料微器件的焊接，其装置由激光器、散光系统、液晶显示屏、计算机、聚焦系统组成。微焊接方法是利用计算机精确控制液晶显示屏上显示的图形形状，使激光束通过液晶显示屏后，经过聚焦系统会聚得到与焊缝形状一致的光斑，光斑照射到工件上实现两种塑料的同步焊接。本发明将液晶动态掩模技术融入到塑料的透射微焊接工艺，可以适应不同形状焊缝的同步焊接，实现了微器件焊接的低成本和大批量，工艺简单，一致性好，而且适于自动化生产。
文档编号B29C65/16GK101323172SQ200810122609
公开日2008年12月17日 申请日期2008年6月3日 优先权日2008年6月3日
发明者刘会霞, 季进清, 昆 杨, 霄 王, 安 邢, 成 陈 申请人:江苏大学