[发明专利]一种基于动态掩模技术的激光塑料微焊接方法及装置

说明书

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CO₂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。