透明塑料的焊接方法、装置及计算机可读存储介质与流程

1.本发明涉及激光焊接技术领域，尤其涉及一种透明塑料的焊接方法、装置及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.对于塑料端面的焊接工艺，现有工艺需要对待焊接塑料的材料端面做楔形处理，目的是为了增大激光入射方向和被焊接端面的夹角，但形成了楔形端面后，楔形端面要进行很好的压合，因此增加了压合治具的复杂程度，焊接质量很难保证。


技术实现要素：

3.本发明实施例通过提供一种透明塑料的焊接方法、装置及计算机可读存储介质，旨在解决如何提高透明塑料的焊接质量的技术问题。
4.本发明实施例提供一种透明塑料的焊接方法，所述透明塑料的焊接方法包括以下步骤：
5.将透明塑料放置在焊接平台上；
6.检测所述透明材料的贴合缝，并将所述贴合缝所在的区域确定为目标焊接区域；
7.控制激光焊接设备在所述目标焊接区域形成贝塞尔光束，以完成所述透明材料的焊接。
8.在一实施例中，所述控制激光焊接设备在所述目标焊接区域形成贝塞尔光束的步骤包括：
9.控制激光焊接设备出射高斯光，其中，所述高斯光在所述目标焊接区域聚焦形成所述贝塞尔光束。
10.在一实施例中，所述控制激光焊接设备出射高斯光的步骤包括：
11.根据所述目标焊接区域的位置调整所述激光焊接设备中的轴锥透镜、第一聚焦镜以及第二聚焦镜；
12.开启所述激光焊接设备中的高斯光源以出射高斯光，其中，所述高斯光依次入射至所述轴锥透镜、所述第一聚焦镜以及所述第二聚焦镜时，在所述目标焊接区域聚焦成为所述贝塞尔光束。
13.在一实施例中，所述控制激光焊接设备出射高斯光的步骤包括：
14.控制所述激光焊接设备出射波长为1900nm至2100nm的所述高斯光。
15.在一实施例中，所述贴合缝的宽度小于等于20mm。
16.在一实施例中，所述控制激光焊接设备出射高斯光的步骤包括：
17.控制所述激光焊接设备向预设方向出射高斯光，所述预设方向与所述贴合缝平行。
18.在一实施例中，所述将透明塑料放置在焊接平台上的步骤包括：
19.通过压合治具将所述透明塑料固定在所述焊接平台上。
20.在一实施例中，所述透明塑料的吸光率相同。
21.本发明实施例还提供一种透明塑料的焊接装置，所述透明塑料的焊接装置包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的透明塑料的焊接方法的各个步骤。
22.本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的透明塑料的焊接方法的各个步骤。
23.在本实施例的技术方案中，透明塑料的焊接装置将透明塑料放置在焊接平台上；检测所述透明材料的贴合缝，并将所述贴合缝所在的区域确定为目标焊接区域；控制激光焊接设备在所述目标焊接区域形成贝塞尔光束，以完成所述透明材料的焊接。由于透明塑料的焊接装置控制了激光焊接设备在目标焊接区域形成贝塞尔光束，而贝赛尔光束的特点决定了聚焦后的光束具有较长的焦深，而且聚焦后的光斑直径较小，焊缝宽度较小，因此，可以对较厚的透明材料进行焊接，无需进行楔形角预处理，降低了压合治具的复杂程度，从而提高了透明材料的焊接质量。
附图说明
24.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他的附图。
25.图1为本发明实施例涉及的透明塑料的焊接装置的硬件构架示意图；
26.图2为本发明透明塑料的焊接方法第一实施例的流程示意图；
27.图3为本发明透明塑料的焊接方法第一实施例的参考图；
28.图4为本发明透明塑料的焊接方法第一实施例的参考图；
29.图5为本发明透明塑料的焊接方法第一实施例的参考图；
30.图6为本发明透明塑料的焊接方法第一实施例的参考图；
31.图7为本发明透明塑料的焊接方法第二实施例的流程示意图；
32.图8为本发明透明塑料的焊接方法第三实施例的流程示意图；
33.图9为本发明透明塑料的焊接方法第三实施例的参考图；
34.图10为本发明透明塑料的焊接方法第三实施例的参考图；
35.图11为本发明透明塑料的焊接方法第三实施例的参考图。
具体实施方式
36.为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
37.本发明的主要解决方案是：透明塑料的焊接装置将透明塑料放置在焊接平台上；检测所述透明材料的贴合缝，并将所述贴合缝所在的区域确定为目标焊接区域；控制激光
焊接设备在所述目标焊接区域形成贝塞尔光束，以完成所述透明材料的焊接。
38.由于透明塑料的焊接装置控制了激光焊接设备在目标焊接区域形成贝塞尔光束，而贝赛尔光束的特点决定了聚焦后的光束具有较长的焦深，而且聚焦后的光斑直径较小，焊缝宽度较小，因此，可以对较厚的透明材料进行焊接，无需进行楔形角预处理，降低了压合治具的复杂程度，从而提高了透明材料的焊接质量。
39.作为一种实现方式，透明塑料的焊接装置可以如图1。
40.本发明实施例方案涉及的是透明塑料的焊接装置，透明塑料的焊接装置包括：处理器101，例如cpu，存储器102，通信总线103。其中，通信总线103用于实现这些组件之间的连接通信。
41.存储器102可以是高速ram存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatilememory)，例如磁盘存储器。如图1，作为一种计算机可读存储介质的存储器103中可以包括检测程序；而处理器101可以用于调用存储器102中存储的检测程序，并执行以下操作：
42.将透明塑料放置在焊接平台上；
43.检测所述透明材料的贴合缝，并将所述贴合缝所在的区域确定为目标焊接区域；
44.控制激光焊接设备在所述目标焊接区域形成贝塞尔光束，以完成所述透明材料的焊接。
45.在一实施例中，处理器101可以用于调用存储器102中存储的检测程序，并执行以下操作：
46.控制激光焊接设备出射高斯光，其中，所述高斯光在所述目标焊接区域聚焦形成所述贝塞尔光束。
47.在一实施例中，处理器101可以用于调用存储器102中存储的检测程序，并执行以下操作：
48.根据所述目标焊接区域的位置调整所述激光焊接设备中的轴锥透镜、第一聚焦镜以及第二聚焦镜；
49.开启所述激光焊接设备中的高斯光源以出射高斯光，其中，所述高斯光依次入射至所述轴锥透镜、所述第一聚焦镜以及所述第二聚焦镜时，在所述目标焊接区域聚焦成为所述贝塞尔光束。
50.在一实施例中，处理器101可以用于调用存储器102中存储的检测程序，并执行以下操作：
51.控制所述激光焊接设备出射波长为1900nm至2100nm的所述高斯光。
52.在一实施例中，处理器101可以用于调用存储器102中存储的检测程序，并执行以下操作：
53.控制所述激光焊接设备向预设方向出射高斯光，所述预设方向与所述贴合缝平行。
54.在一实施例中，处理器101可以用于调用存储器102中存储的检测程序，并执行以下操作：
55.通过压合治具将所述透明塑料固定在所述焊接平台上。
56.在本实施例的技术方案中，透明塑料的焊接装置将透明塑料放置在焊接平台上；
检测所述透明材料的贴合缝，并将所述贴合缝所在的区域确定为目标焊接区域；控制激光焊接设备在所述目标焊接区域形成贝塞尔光束，以完成所述透明材料的焊接。由于透明塑料的焊接装置控制了激光焊接设备在目标焊接区域形成贝塞尔光束，而贝赛尔光束的特点决定了聚焦后的光束具有较长的焦深，而且聚焦后的光斑直径较小，焊缝宽度较小，因此，可以对较厚的透明材料进行焊接，无需进行楔形角预处理，降低了压合治具的复杂程度，从而提高了透明材料的焊接质量。
57.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
58.参照图2，图2为本发明透明塑料的焊接方法的第一实施例，方法包括以下步骤：
59.步骤s10，将透明塑料放置在焊接平台上。
60.激光设备可分为三大类：激光打标机、激光焊接机、激光切割机。而激光打标机有半导体激光打标机、co2激光打标机、光纤激光打标机、紫外激光打标机等；激光焊接机目前有yag激光自动焊接机以及光纤传输自动激光焊接机等；激光切割机有yag激光切割机和光纤激光切割机等。本实施例优选激光焊接机，激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于10^10w/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于10^10w/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。其中热传导型激光焊接原理为:激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”(key-hole)结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500摄氏度左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料(而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部)。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。
61.塑料焊接的基本原理属于热熔焊范畴，即塑料吸收激光注入的部分能量，将其转化成热能而达到焊接的目的，因此某种塑料对于不同波长的吸收率，材料的厚度，以及塑料的颜色和表面纹理等对焊接效果起到至关重要的作用，不同塑料材料在不同波长下的透过率如图3所示。
62.在塑料焊接过程中，现有普遍采用的激光波长为808nm、915nm、976nm等(波长范围在800nm-1100nm)，而且由于大部分塑料在该波段的吸收率较低，因此，为了使激光成功地熔化和焊接热塑性塑料，必须通过颜料或碳黑这样的添加剂来增加吸收率。因此现在通常的做法是一个零部件是透明的塑料，一个是可吸收塑料(颜色较深或添加红外吸收剂)。使
用这种焊接方法，激光光束可以穿透上层的透明塑料并直达可吸收塑料的底层。然后激光就可以熔化可吸收塑料的表面因为热传输，透明零部件的底部也熔化了。对于不透明的零部件，事实上产生了美观的但不可见的焊缝，常见的焊接工艺包括叠焊和端面焊接如图4所示。
63.随着2μm的各种掺铥光纤激光器的研制和产业化步伐的不断加快，为塑料焊接，特别是透明塑料焊接带来全新的解决方案，从图3可以看出，大多数塑料材料对波长1900nm-2100nm的吸收率介于红外(750nm-1100nm)和co2(10.6μm)之间，对于pmma、pp、pc等材料吸收率在25％-40％之间，对于pa6可高达70％，因此2.0μm波长的激光对于塑料材料来说，较好地兼顾了激光能量吸收和能量透射的平衡，通过对光束质量的选择，以及对焦深的调整，使得落在工件上表面的光束直径要远大于焦点的光斑，在激光通过上层工件时，由于光束直径较大，因此其能量密度不足以熔化上层工件，而激光的焦点就在焊缝处，由于焦点有足够的能量密度，再加上工件的结合接触面形成折射率的陡降，容易产生能量聚集效果，熔化塑料完成焊接如图5所示。
64.但是对于图4和图5中的塑料端面焊接工艺，现有的焊接工艺需要对被焊接的材料端面做楔形处理，这是为了增大激光入射方向和被焊端面的夹角，提高端面的吸收效率，达到焊接的目的，具体内容如图6所示，这对于焊接工艺不但增加了成本，由于楔形端面的处理工艺的质量会严重影焊接质量。而且也会增加压力治具的复杂程度。
65.在本实施例中，透明塑料可为未进行楔形预处理的透明材料，焊接平台为透明塑料的焊接装置上设置的用于放置待焊接透明材料的平台。
66.可选的，通过压合治具将所述透明塑料固定在所述焊接平台上。
67.步骤s20，检测所述透明材料的贴合缝，并将所述贴合缝所在的区域确定为目标焊接区域。
68.在本实施例中，透明材料的贴合缝可理解为焊接区域，容易理解的是，对焊接角度无要求的情况下，可使得贴合缝尽可能小，降低了焊接区域面积，可使得需要焊接的区域变少，从而提高焊接质量。
69.步骤s30，控制激光焊接设备在所述目标焊接区域形成贝塞尔光束，以完成所述透明材料的焊接。
70.在本实施例中，控制的激光焊接设备采用的焊接头为贝塞尔焊接头，结合波长1900nm-2100nm的激光光源，对透明塑料进行端面直接焊接。
71.可选的，所述透明塑料的吸光率相同。控制待焊接透明塑料的吸光率相同，可防止待焊接透明塑料存在不同吸光率子材料的情况下，子材料各自发生不同反应，从而使得透明塑料的焊接质量更高。
72.可选的，焊接可以采用焊接头和移动xy工作台的方式，也可采用贝赛尔光束振镜的方法。
73.在本实施例的技术方案中，由于透明塑料的焊接装置控制了激光焊接设备在目标焊接区域形成贝塞尔光束，而贝赛尔光束的特点决定了聚焦后的光束具有较长的焦深，而且聚焦后的光斑直径较小，焊缝宽度较小，因此，可以对较厚的透明材料进行焊接，无需进行楔形角预处理，降低了压合治具的复杂程度，从而提高了透明材料的焊接质量。
74.参照图7，图7为本发明透明塑料的焊接方法的第二实施例，基于第一实施例，步骤
s30包括：
75.步骤s31，控制激光焊接设备出射高斯光，其中，所述高斯光在所述目标焊接区域聚焦形成所述贝塞尔光束。
76.在本实施例中，激光焊接设备出射的高斯光通过聚焦可得到贝塞尔光束。
77.可选的，控制所述激光焊接设备出射波长为1900nm至2100nm的所述高斯光。贝赛尔光束结合波长1900nm-2100nm的激光源，可以对厚度较厚(达到20mm)的透明塑料进行端面直接焊接，无需进行楔形面预处理。而且焊接的焊缝较窄，焊接平滑，焊接效率高，焊接强度高。
78.可选的，所述贴合缝的宽度小于等于20mm。控制贴合缝的宽度，可使得贴合缝较大导致的焊接质量差的情况下出现。
79.在本实施例的技术方案中，和现有技术相比，本实施例在进行透明塑料端面焊接时，无需对塑料端面进行楔形处理，极大地降低了塑料端面焊接的成本，简化和焊接工艺。本实施例在进行透明塑料端面焊接时，无需对激光的入射角度进行调整，无需对激光的焦点进行调整，因此大大提高了焊接速度。本实施例在进行透明塑料端面焊接时，由于本发明采用了贝塞尔光斑进行焊接，焊接端面对激光的吸收均匀，大大地提高了焊缝一致性和质量，极大的提高了产品良率。
80.参照图8，图8为本发明透明塑料的焊接方法的第三实施例，基于第一至第二任一实施例，步骤s31包括：
81.步骤s311，根据所述目标焊接区域的位置调整所述激光焊接设备中的轴锥透镜、第一聚焦镜以及第二聚焦镜。
82.步骤s312，开启所述激光焊接设备中的高斯光源以出射高斯光，其中，所述高斯光依次入射至所述轴锥透镜、所述第一聚焦镜以及所述第二聚焦镜时，在所述目标焊接区域聚焦成为所述贝塞尔光束。
83.在本实施例中，贝赛尔光束的形成是将普通的高斯光入射到轴锥透镜，在经过透镜组(如图9所示)，聚焦高斯光束形成的贝塞尔光束(如图10所示)，通常楔形角不超过30度。较普通的高斯光斑，贝塞尔光斑光束具有光斑直径小，聚焦焦深长的特点。
84.在本实施例的技术方案中，贝塞尔光束和普通高斯光斑在焊接透明材料方面的不同。普通的高斯入射光，在保证一定的能量密度的情况下，聚焦后的光斑焦深一般较小(一般不超过1mm)，要想得到较长的焦深，就要采用焦距较长的聚焦透镜，这样会大大减小能量密度，这样的光斑焊接的深度非常有限，而且焊缝宽度较宽(如图11中的a)，贝赛尔光束的特点决定了聚焦后的光束具有较长的焦深(可以达到10mm)，而且聚焦后的光斑直径较小(一般小于5mm)，焊缝宽度较小，因此可以焊接较厚的透明材料，无需进行楔形角预处理(如图11中的b)。
85.为实现上述目的，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的透明塑料的焊接方法的各个步骤。
86.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机
可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
87.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
88.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
89.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
90.应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
91.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
92.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发
93.明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。