激光焊接系统和使用掩模控制焊接宽度的方法与流程

本申请要求于2016年9月15日提交的第15/266,182号美国专利申请的优先权，该美国专利申请由此通过引用以其整体并入本文。

本发明总体涉及热塑性材料的激光焊接。

背景技术：

已知将透明的热塑性片材焊接为包装的各种方法。包装通常通过使用rf焊接方法由透明塑料片(例如，泡罩包装)制成，rf焊接方法受限于具有必要电性能(诸如，提供将交变电场转换成热量的能力的相对高的介电损耗)的少量热塑性材料(实际上，主要为基于pvc的热塑性材料)。该工艺不适用于最常见的塑料(从聚烯烃到pc到聚苯乙烯到聚碳酸酯)或对最常见的塑料的适用性非常有限，这反过来又严重限制了泡罩包装可用的材料选择。由于pvc具有环境危害——由于该材料中固有的氯含量以及一定范围的用于增加材料稳定性和使用多样性的化学添加剂而使得pvc的回收过程具有不同程度的危害，而使得目前的活动限制了pvc的使用，利用各种热塑性塑料制造泡罩包装的能力提供了显著的环境效益。

rf焊接的另一问题是该工艺的不灵活性，因为接缝受到电极的形状和尺寸的限制——每个包装的形状将需要特定形状和尺寸的电极。此外，由于已知rf需要非常高的功率来实现材料焊接而使得实践中包装的尺寸受到所需功率容量的限制。例如，对于10cm×15cm医用袋的周边密封，功率需求处于1.7kw至2.9kw的范围内(plasticsandcompositesweldinghandbook(塑料和复合材料焊接手册),hansergardnerpublications,inc.,2003.p.262)。

塑料的激光焊接已经成为一种坚固、灵活和精确的焊接工艺，其越来越多地用于连接塑料部件。在从具有复杂和多变的几何形状的部件的小规模生产到其可被容易地集成至自动化生产线中的大批量工业制造中，塑料的激光焊接均可实现高效且灵活的组装工艺。

激光焊接使用激光束通过将受控量的能量输送至精确位置来熔化连接区域中的塑料。这是基于易于控制光束尺寸以及可用于精确定位和移动光束的多种方法。

该工艺是基于与其它焊接技术相同的材料兼容性的基本要求，但经常发现该工艺比大多数其它塑料焊接工艺更能容忍树脂化学或熔化温度差异。几乎所有的热塑性材料均可使用合适的激光源和适当的连接设计进行焊接。

从以下结合附图对示例性实施方式的详细描述中，本发明的其它目的和有益效果将变得显而易见。

技术实现要素：

根据一个实施方式，提供了用于连接热塑性材料的第一工件和第二工件的部分的激光焊接方法，其中，该热塑性材料可由激光束部分地透过但从激光束吸收辐射。该方法包括将待连接的所述第一工件和所述第二工件的部分夹持在一起，第一工件和第二工件由从激光束吸收辐射的材料制成；将掩模放置在第一工件的第一表面上，第一表面与接合第二工件的表面相对，掩模不能由激光束透过，并且该掩膜形成槽，该槽用于将激光束传递至上工件的第一表面的、由该槽暴露的部分，使得工件材料的加热和熔化限于该槽的宽度；在将工件保持夹持在一起的同时，将激光束引导至槽上，并以照射槽并沿着槽熔化和连接第一工件和第二工件的方式移动激光束；以及在将工件保持夹持在一起的同时，冷却第一工件和第二工件的熔融部分，以固化工件的连接部分并形成焊缝。激光束优选为具有约2微米的波长的光纤激光束。

本发明还设想了用于连接由热塑性材料制成的第一工件和第二工件的部分的激光焊接系统，其中，热塑性材料可由激光束部分地透过但从激光束吸收辐射。该系统包括一对夹持板、致动器、掩模、激光束源和驱动单元，其中，当工件通过接触表面彼此相邻时，一对夹持板定位成与第一工件和第二工件的相对侧接合；致动器将夹持板中的至少一个朝向另一夹持板推动，以将工件压合在一起；掩模位于第一工件的、与第二工件相对的侧部上，掩模不能由激光束透过，并且该掩膜形成槽，该槽用于将激光束传递至第一工件的、由该槽暴露的部分，使得工件的材料的加热和熔化限于该槽的宽度；激光束源将激光束引导至槽中；在将工件保持夹持在一起的同时，驱动单元移动激光束，以沿着该槽熔化并连接第一工件和第二工件。在一个实施方式中，掩模从第一工件吸收热量，以冷却第一工件的未暴露于激光束的部分。激光束优选为具有约2微米的波长的光纤激光束。

附图说明

在附图中：

图1是用于焊接两个热塑性工件的激光焊接装置的立体图。

图2是沿着图1中的线2-2截取的放大剖视图。

具体实施方式

尽管将结合某些优选实施方式对本发明进行描述，但应理解的是，本发明不限于那些具体实施方式。相反，本发明旨在涵盖可包括在如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有替代、修改和等同布置。

现在转向附图，激光源10产生激光，该激光通过光纤电缆11传输至被附接至底座13的扫描头12。底座13联接至正交的台架14和台架15。扫描头12内的一个或多个扫描镜由处理器控制的驱动单元16控制，以将激光束17向下引导至堆栈18上，该堆栈18包括待通过焊接连接的两个热塑性工件21和工件22。控制驱动单元16以调节扫描镜的位置，从而以照射堆栈18的顶表面上的指定焊接区所需的方式移动激光束17。

堆栈18中的顶层19是透明玻璃板19，该透明玻璃板19在玻璃板19的底表面上具有反射涂层的光掩模20。掩模20形成允许激光束17到达至少部分地吸收激光辐射的上工件21的槽20a。掩模20将工件21和工件22的暴露区域限制到由槽20a限定的期望的焊接区，并由此将上工件21的熔化限制到期望的焊接区。另外，掩模20用作散热器并冷却工件21的处于焊接区外的区域中的表面。在替代性实施方式中，掩模20位于玻璃板19的顶表面而不是底表面上。用于掩模的一种合适材料镀铬在玻璃板19的表面上。

通过控制驱动单元16的处理器来控制扫描镜的移动。当焊接大部件时，通过沿着台架14和台架15驱动底座13来控制激光束17的移动。

在所示系统中使用的基础焊接技术提供了超过透射激光焊接(ttlw)的显著优势，在透射激光焊接中，工件被预组装并夹持在一起以在它们的连接表面之间提供亲密接触。然后激光束通过上透明工件传递至工件界面的界面，并被将红外能量转换成热量的下吸收工件吸收。将炭黑和特殊设计的吸收剂混合到下工件的树脂中或施加至表面，以使红外辐射能够在下工件中被吸收。热量从下吸收工件传导至上工件，以在界面处熔化上工件并形成接合。组件的精确定位和夹持确保了部件之间的热传递所需的亲密接触。

由于ttlw焊接技术依赖于下工件中吸收剂的存在，因而它限制了该组装工艺在要求“透明到透明”或“透明到彩色”组装的制造医疗器械、电子器件、一些消费品和包装应用中的适用性。然而，波长约为2微米的激光(通常称为“2微米激光”)的特征在于大大增加了未填充聚合物的吸收，使得能够通过不具有任何吸收剂并可在可见波长范围中透明的塑料材料(即，诸如聚碳酸酯或丙烯酸的“光学透明”部件)的厚度来实现高度控制的熔化，而不需要任何激光敏感添加剂。

在本发明中，两个工件均吸收激光束(优选为光纤激光器)的一部分，并且这两个工件的相邻接触表面在随后的冷却中在压力的作用下接合在一起。激光束通过掩模以基本直角的方式指向接触表面，使得上工件上的激光束斑点的宽度受到掩模中的槽宽度的限制。因而，当光束移动时，上部件的熔化受到掩模中的槽的宽度的限制。工件在随后的冷却中在压力的作用下接合在一起。

虽然已经示出和描述了本发明的具体实施方式和应用，但应理解的是，本发明不限于本文中所公开的明确结构和构成，而是在不背离如所附权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，多种修改、变化和变型可从前文的描述中显而易见。