一种双层透明塑料件激光焊接方法

1.本发明涉及激光焊接领域，尤其涉及一种双层透明塑料件激光焊接方法。


背景技术：

2.塑料是一种高分子有机化合物，具有重量轻、比强度高、耐腐蚀等优良性能。经过近百年的发展，塑料已成为相当于钢铁、水泥和木材的重要基础材料之一。塑料在光学、医疗器械、食品、航空航天、农业和包装等领域发挥着越来越重要的作用。为了满足多样化的需求，越来越多的塑料零件不能通过注塑生产，二次连接工艺成为塑料零件生产的一项关键技术。
3.目前，塑料零件的二次连接工艺主要包括机械连接、粘接连接和焊接。虽然机械连接方法(如螺栓和铆钉)可以获得较高的连接强度，但机械零件会增加塑料零件的重量。粘接连接存在效率低、连接强度低、易老化等问题。塑料件的焊接方法主要有热熔焊接、摩擦焊接、超声波焊接和激光焊接。塑料的热熔和超声波焊接不环保，更具体地说，在热熔焊接过程中会产生有毒或刺鼻的气体，超声波焊接和摩擦焊接会产生尖锐的噪声和较大的焊接应力。此外，热熔焊接、摩擦焊接和超声波焊接不适用于复杂或精密的塑料零件。激光焊接是近年来发展迅速的塑料件焊接技术，具有焊接强度高、焊接速度快、精度高、焊接应力低、对空间曲线适应性强等特点。在传统的激光透射焊接(激光波长800-1000nm)过程中，激光能量通过顶部激光透明部分到达底部激光吸收部分，在底部激光吸收部件表面转化为热能，然后一小部分塑料会在顶部激光透明部分和底部激光吸收部分的接触区域熔化，自然冷却后形成高强度焊缝。然而，传统的激光透射焊接方法很难连接两个透明塑料部件，因为透明塑料对短波长(800-1000nm)的激光能量的吸收率很低。
4.为了解决激光能量吸收的问题，一些研究人员在两个透明塑料零件的激光焊接过程中，采用激光吸光剂或长波长(1600-2000nm)激光的方法来获得高强度的焊缝。申请号为202111163832.1的发明公开了一种透明塑料薄膜的激光焊接方法，其在金属片的表面涂覆激光吸光剂，将待焊接的第一塑料薄膜、第二塑料薄膜以及金属片依次叠放在夹具内，激光器产生的激光光速在金属片上完成光热转化，生成的热量将两块塑料薄膜融化形成连续焊缝，从而实现透明塑料的焊接。然而该发明采用吸光剂辅助的激光焊接方法，焊接完成之后焊缝的透明度不够高，这对于医疗、食品等行业是不可以接受的。申请号为201810278796.5的发明公开了一种透明塑料焊接方法，其采用波长为1700nm～2000nm的激光依次透过散热片及处于上层的透明塑料,并聚焦于两透明塑料的接合面，将两透明塑料焊接在一起，不需要添加吸收剂。该发明采用波长为1700nm～2000nm的激光焊接，不用增加吸光剂，透光率满足要求，但是激光能量利用率低，焊接强度无法达到要求。
5.因此，有必要发明一种新的双层透明塑料激光焊接方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种双层透明塑料件激光焊接方法，
有效解决长波长1600-2000nm激光焊接双层透明塑料存在激光能量利用率低、焊接强度差的问题。
7.本发明的技术方案如下：一种双层透明塑料件激光焊接方法，包括如下步骤：
8.s1、在底板的上表面设置反射层；
9.s2、将待焊接的两透明塑料件层叠放置在反射层上；
10.s3、采用波长为1600-2000nm的激光依次透过上层透明塑料件与下层透明塑料件，反射层将透过下层透明塑料件的激光能量反射回去，重新被两透明塑料件吸收，激光能量聚焦于两透明塑料件的结合面；
11.s4、对两透明塑料件加压；
12.s5、自然冷却后在两透明塑料件的结合面形成焊缝，使两透明塑料件焊接在一起。
13.进一步地，在上层透明塑料件的上表面覆盖石英玻璃，激光依次透过石英玻璃、上层透明塑料件与下层透明塑料件，上层透明塑料件的部分热能被石英玻璃带出，使上层透明塑料件与下层透明塑料件的热影响区宽度差异减小。
14.进一步地，焊缝的剪切强度随激光功率与焊接速度的比值的增加先增大后减小，找出最佳激光功率与焊接速度比值，并按该最佳比值实施焊接。
15.进一步地，所述反射层为具有良好热稳定性与耐磨性的反射镜，其反射率不低于95％。
16.进一步地，所述透明塑料件对可见光的透过率超过80％。
17.进一步地，两透明塑料件为相互能够相熔的塑料件。
18.进一步地，所述塑料件为热塑性塑料pmma、pc、pet、pp、pvc、abs、as、ps中的一种或多种。
19.进一步地，两透明塑料件的搭接宽度为10-30mm。
20.进一步地，所述石英玻璃的透光率为92％，导热系数为1.340w/(m
·
k)。
21.采用上述方案，本发明具有如下有益效果：
22.1、在下层透明塑料件底部增加反光层，可将透过下层透明塑料件的激光能量反射回去，重新被两塑料件吸收，提高激光能量的利用率；
23.2、由于反射层将透过下层塑料件的激光能量反射回去，使得上下两层透明塑料件吸收的激光能量更加接近，上下两层透明塑料件被融化的材料的体积更加接近，从而改变焊缝形状，提高焊接强度，有效解决1600-2000nm激光焊接双层透明塑料件存在激光利用率低、焊接强度差的难题，具有激光能量利用率高、焊接强度高、焊缝形状好的优点。
附图说明
24.图1为各塑料对不同波长激光吸收率曲线图。
25.图2为本发明增加反射层后的原理示意图。
26.图3为本发明增加反射层后的焊缝示意图。
27.图4为本发明增加石英玻璃后的原理示意图。
28.图5为本发明增加石英玻璃后的焊缝示意图。
29.图6为激光功率速度比(p/v)与焊缝剪切强度的关系曲线图。
30.图7为激光功率速度比(p/v)超过临界值情况下的焊缝形状。
31.图中标注：
32.1底板、2反射层、3下层透明塑料件、4上层透明塑料件、5、石英玻璃；
33.a热影响区、b焊缝、c气泡、d上层透明塑料件的上表面。
具体实施方式
34.以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
35.请参阅图1，可以发现当激光波长在500-1600nm范围内时，透明塑料的激光吸收率普遍低于20％，此时由于激光能量利用系数低，不适合焊接。当激光波长大于2200nm时，透明塑料的激光吸收率高于90％，该波段适合激光切割而不是激光焊接，因为大部分激光能量被塑料件的表面吸收，导致塑料件的外观不令人满意。为了平衡能量利用系数和焊缝外观，透明的激光吸收率为40-60％更为合适。因此，1600-2000nm的激光波长适合用来焊接两个透明塑料部件，具体选择何种波长的激光，由塑料对激光的吸收特性而确定。
36.基于上述，本实施例公开的这种双层透明塑料件激光焊接方法，包括如下步骤：
37.s1、请参阅图2，在底板1的上表面设置反射层2。
38.本实施例中，反射层2为镜面反射镜，其反射率不应低于95％，应具有良好的热稳定性能，在200-300℃的环境下仍具有高反射率，且应具有良好的耐磨性。反射层2也可以为其它能够反射激光的材料或零件，且应具有高反射率以及高耐磨性。
39.s2、将待焊接的两透明塑料件层叠放置在反射层2上。
40.使用搭接焊接将两个透明塑料件放置在底板上，搭接宽度为10-30mm。其中，透明塑料件指的是可见光的透过率超过80％的塑料件，例如pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)、pc(聚碳酸酯)、pet(聚对苯二甲酸类塑料)、pp(聚丙烯)、pvc(聚氯乙烯)、abs(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、as(苯乙烯-丙烯腈共聚物)、ps(聚苯乙烯)等热塑性塑料中的一种或多种。上下两层塑料件为不同材质时，需选择能够相互相熔的塑料件。
41.s3、采用波长为1600-2000nm的激光依次透过上层透明塑料件4与下层透明塑料件3，反射层2将透过下层透明塑料件3的激光能量反射回去，重新被两透明塑料件吸收，激光能量聚焦于两透明塑料件的结合面。
42.s4、给上层透明塑料件4的上表面加压。
43.s5、自然冷却后在两透明塑料件的结合面形成焊缝，使两透明塑料件焊接在一起。
44.上层透明塑料件4和下层透明塑料件3对激光的吸收率均为40-60％，根据激光功率通过不同厚度透明塑料后的测量实验，由于激光透过透明塑料件存在衰减，上层透明塑料件4吸收的激光能量大约是下层透明塑料件3的两倍，约30％的激光能量透过下层透明塑料件3未被利用，上层透明塑料件4中的熔化材料明显多于下层透明塑料3中的熔化材料。当激光束照射在上层透明塑料件4的表面时，上层透明塑料件4和下层透明塑料件3同时吸收转化为热能的激光能量。根据长波长(1600-2000nm)激光焊接双层透明塑料的激光传输特性，激光能量透过上层透明塑料4和下层透明塑料件3后，仍有约为30％未被吸收利用。在下层透明塑料件3底部增加反射层2，反射层2可以将透过下层透明塑料件3的激光反射回来，重新被透明塑料吸收，从而提高激光能量利用率。此过程，相当于在焊接过程中存在两个热源，上层塑料件的上表面是一个100％能量的热源，下层塑料件的下表面相当于是一个30％能量的热源，从而使得上下两层透明塑料件吸收的激光能量更加接近，使上下层透明塑料
件被熔化的材料体积更加接近，从而改变焊缝形状，提高焊接强度。上层和下层塑料件的一部分被熔化后，在外部压力作用下，焊缝自然冷却后形成，图3为加反射层后的激光焊接焊缝。
45.如图5(a)所示，由于吸收激光能量的差异，上层透明塑料件4和下层透明塑料件3的热影响区a的宽度之间存在显著差异。此外，由于热能过大，上层透明塑料件4上表面的形貌会粗糙不均匀。为了解决这个问题，请参阅图4，可以在上层透明塑料件4的上表面放置一块石英玻璃5，激光依次透过石英玻璃5、上层透明塑料件4与下层透明塑料件3。石英玻璃5具有高透光率(92％)和良好的导热系数(1.340w/(m
·
k))，到达上层透明塑料件4的激光能量在穿过或不穿过石英玻璃5时变化很小。此外，由于热传导，上层透明塑料件4中的一部分热能可以被石英玻璃5带出。如图5(b)所示，上层透明塑料件4和下层透明塑料件3的热影响区a宽度之间存在一定的差异，但差异程度相对于无石英玻璃的焊缝变小了。此外，上层透明塑料件4的上表面d的形貌是光滑的。
46.提出激光功率速度比(p/v)来综合描述激光功率和焊接速度，请参阅图6，发现焊缝b的剪切力随着激光功率速度比(p/v)的增加先增大后减小。当激光功率速度比(p/v)低于临界值时，焊缝宽度会随着激光功率速度比(p/v)增大而增大，焊缝剪切强度也随之增大，焊缝的剪切力与激光功率速度比(p/v)的增加呈线性正相关；当激光功率速度比(p/v)超过临界值时，焊缝的剪切力与激光功率速度比(p/v)的增加呈线性负相关。同时当激光功率速度比(p/v)超过临界值时，焊接过程中的温度会超过塑料的热分解温度。众所周知，塑料是一种高分子材料，其聚合度会因热、力、氧、水和光辐射而降低。在激光焊接两个透明塑料部件时，材料温度可能超过热分解温度，然后热分解会导致一些现象，包括黄/黑气泡c的形成、弹性的消失、强度的降低和粘度的降低。此外，由于分子键脱离或断裂，热分解将显著降低焊接接头的剪切力。如图7所示，当激光功率速度比(p/v)超过临界值时，焊缝中发现一些气泡，其边缘为黑色。因此，需找出激光功率速度比(p/v)的临界值，有利于获得最高的焊缝剪切强度，再辅助反射层2可以有效地提高焊缝的剪切力，平均提高约15.3％。此外，对于相同的焊缝剪切力，通过反射层进行辅助激光焊接的方法可以使激光能耗降低约20％。
47.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种双层透明塑料件激光焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、在底板的上表面设置反射层；s2、将待焊接的两透明塑料件层叠放置在反射层上；s3、采用波长为1600-2000nm的激光依次透过上层透明塑料件与下层透明塑料件，反射层将透过下层透明塑料件的激光能量反射回去，重新被两透明塑料件吸收，激光能量聚焦于两透明塑料件的结合面；s4、对两透明塑料件加压；s5、自然冷却，在两透明塑料件的结合面形成焊缝，使两透明塑料件焊接在一起。2.根据权利要求1所述的双层透明塑料件激光焊接方法，其特征在于，在上层透明塑料件的上表面覆盖石英玻璃，激光依次透过石英玻璃、上层透明塑料件与下层透明塑料件，上层透明塑料件的部分热能被石英玻璃带出，使上层透明塑料件与下层透明塑料件的热影响区宽度差异减小。3.根据权利要求1或2所述的双层透明塑料件激光焊接方法，其特征在于，焊缝的剪切强度随激光功率与焊接速度的比值的增加先增大后减小，找出最佳激光功率与焊接速度比值，并按该最佳比值实施焊接。4.根据权利要求1所述的双层透明塑料件激光焊接方法，其特征在于，所述反射层为具有良好热稳定性与耐磨性的反射镜，其反射率不低于95％。5.根据权利要求1所述的双层透明塑料件激光焊接方法，其特征在于，所述透明塑料件对可见光的透过率超过80％。6.根据权利要求5所述的双层透明塑料件激光焊接方法，其特征在于，两透明塑料件为相互能够相熔的塑料件。7.根据权利要求6所述的双层透明塑料件激光焊接方法，其特征在于，所述塑料件为热塑性塑料pmma、pc、pet、pp、pvc、abs、as、ps中的一种或多种。8.根据权利要求1所述的双层透明塑料件激光焊接方法，其特征在于，两透明塑料件的搭接宽度为10-30mm。9.根据权利要求2所述的双层透明塑料件激光焊接方法，其特征在于，所述石英玻璃的透光率为92％，导热系数为1.340w/(m
·
k)。

技术总结
本发明公开一种双层透明塑料件激光焊接方法，针对传统长波长(1600-2000nm)激光焊接双层透明塑料存在能量利用率低、焊接强度差的问题，在下层透明塑料件下方增加反射镜片，反射层将透过下层塑料件的激光能量反射回去，使得上下两层透明塑料件吸收的激光能量更加接近，上下两层透明塑料件被融化的材料的体积更加接近，从而改变焊缝形状，提高焊接强度，有效解决1600-2000nm激光焊接双层透明塑料件存在激光利用率低、焊接强度差的难题，具有激光能量利用率高、焊接强度高、焊缝形状好的优点。焊缝形状好的优点。焊缝形状好的优点。


技术研发人员：陈志 胡佳雯 杨泽丰 吴致诚 鲁双 陈岳督
受保护的技术使用者：中南大学深圳研究院 广东华中科技大学工业技术研究院
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/11