一种激光塑料微焊接方法技术

一种激光塑料微焊接方法，涉及激光焊接领域，根据预知焊缝图形和激光光束波长采用算法设计衍射微光学元件，通过反应离子刻蚀技术、ＵＶ光刻技术或激光束直写技术在对激光束透明的片基材料表面上进行刻蚀，产生多台阶微浮雕结构，形成衍射微光学元件；激光器发出激光光束，经过衍射微光学元件后的激光光束再次通过一个标准的凸透镜使得激光束光斑形状与预知焊缝形状完全一致，利用得到最后得到的激光束照射两塑料工件的接合面，最终完成激光塑料微焊接。本发明专利技术具有加工时间短、激光束与待焊接零件之间不需要作任何相对移动、热变形量小、适合大批量生产等优点，克服了扫描焊接中焊接线的热变形量不均匀性，可以提高零件的焊接强度、均匀性和效率，并且具有较高的加工柔性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光焊接领域，特指。本专利技术通过光学 元件对激光光束进行调制整形，使得激光束光斑的形状与预知焊缝形状相同，最 后对塑料进行同步焊接，此方法具有很高的焊接效率，并很好的解决了激光塑料 微观焊接问题。
技术介绍
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膜板，利用掩膜板遮挡掉激光光束的一部分，掩 膜板透光的形状与预知焊缝相同，最后利用透过掩膜板后的光束对塑料进行焊接。其缺点之一是不能够焊接微精细制件；缺点之二是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，导致焊接结果不令人满意； 缺点之三是激光光束的强度分布，因为高斯型强度分布导致融化不规则。而本 专利技术从微细加工角度出发，利用适当的光学元件对激光光束进行调制整形，最终 对待焊接区域同步焊接。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供。设计激光塑料焊接系统中的 光路部分，对激光光束进行调制整形，使得激光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。为了获得更好的焊接效果，激光器采用光纤激光器，波长1084nm，最大 功率IOOW。本专利技术的目的由以下方式实现根据预知焊缝图形和激光光束波长采用合适的算法，如Gerchberg-Saxton (pS)算法或杨一j^ (YG)算法、爬山一模拟退火混合优化算法设计衍射微光学 元件。通过反应离子刻蚀技术(Reactive ion etching, RIE)、 UV光刻技术(UV Photolithography)技术或激光束直写技术在对激光束透明的片基材料表面上进行 刻蚀，产生多台阶微浮雕结构，形成衍射微光学元件。激光器发出激光光束，此激光光束经过衍射微光学元件时，由于衍射微光学 元件表面存在的浮雕结构，使得激光光波发生干涉，亮条纹的形状决定了激光光束光斑的形状。经过衍射微光学元件后的激光光束再次通过一个标准的凸透镜， 是为了用来等比例縮小激光光斑尺寸，使得激光束光斑形状与预知焊缝形状完全 一致，利用得到最后得到的激光束照射两塑料工件的接合面，最终完成激光塑料 微焊接，实验证明可以得到300(jm的焊缝特征。衍射微光学元件、标准凸透镜、 工件之间相对的距离对焊缝最后的形成也起着关键的作用，可以把上述元件置于 设备中，达到批量生产能力。本专利技术具有加工时间短、激光束与待焊接零件之间 不需要作任何相对移动、热变形量小、适合大批量生产等优点，克服了扫描焊接 中焊接线的热变形量不均匀性，可以提高零件的焊接强度、均匀性和效率，并且 具有较高的加工柔性。附图说明图1为整个焊接系统的原理图 图2为焊接过程流程图图3为激光通过衍射微光学元件表面浮雕结构时发生的衍射现象示意图 图4 Gerchberg-Saxton (GS)算法的基本原理示意图1激光器；2点状激光光束；3衍射微光学元件；4微浮雕结构；5圆环状 激光光束；6标准凸透镜；7焊缝；8透光性塑料工件；9接合面；10吸光性 塑料工件；11中心线；12相长干涉区具体实施例方式现以焊缝为圆环形状举例实施激光塑料微焊接。选用焊接塑料为透光性聚碳酸酯(PC):长25mm，宽25mm，厚0.3mm; 吸光性聚碳酸酯(PC):长25mm,宽25mm,厚3mm。根据两狭缝衍射模式可得衍射方程y-，，式中，y为衍射图样尺寸，m为衍射级次，D为狭缝与光屏之间的距离，/l为激光束波长。 从方程可以看出，y不变(预知焊缝形状已知)，m为定值，d为两狭缝之间距 离即衍射光栅特征尺寸。 一般情况下，衍射光栅的特征尺寸在5pm 25um之间。 根据衍射方程可知y、 m值一定，d值存在一定的范围，为了适当减小狭缝与光 屏之间的距离D，采用长波长激光光束。为了获得更好的焊接结果，激光器l采 用光纤激光器，发出的激光为连续波，波长1084nm，光斑直径5mm。本实施方式采用Gerchberg-Saxton (GS)算法，Gerchberg-Saxton (GS)算法是 一种迭代傅立叶变换算法，该算法的基本原理如图4。利用迭代傅立叶变换算法进行特定衍射图样光束整形元件的位相编码时，整 个编码过程如下(1) 将衍射微光学元件的位相函数值U(u,v)进行傅立叶变换，在像平面得 到再现像场分布F'(x，y)。(2) 为了使再现像不断逼近目标图像，保持再现像的位相分布不变，再用目标图像的振幅分布B (x， y)来替代再现像的振幅分布lF'(x,力l 。(3) 将经过修正后的再现像的场分布做逆傅立叶变换，得到衍射微光学元 件平面的场分布f(u， v)。(4) 由于所设计的光束整形元件为纯相位型衍射微光学元件，其振幅为l， 因此保持元件的位相分布不变，当入射光为平行光时，用平行光的振幅A(u， v)来替代I/(:c，j01 ，以保证所设计的光束整形器件为纯位相型光学元件。迭代傅立叶变换算法一个循环由上述4个步骤组成，不断迭代上述过程，按 照评价函数一步步的来逼近目标图像，直到所优化的位相结构满足所设计的要求 为止。优化得到的位相结构是一幅位图，利用OVG软件将位图格式转化为激光直 写系统支持的数据格式。根据数据值大小改变曝光强度，直接在对激光光束透明 的片基材料表面刻出微浮雕结构4，最后形成衍射微光学元件3。激光器1发出点状激光光束2，点状激光光束2经过衍射微光学元件3时， 根据惠更斯一菲涅耳原理波阵面上任一点均可视为能向外发射子波的子波源， 波面前方空间某一点的振动就是到达该点的所有子波的相干叠加。而衍射微光学 元件3的表面具有刻蚀的浮雕结构4，浮雕结构4表面的子波源发出的光波具有 波程差导致各子波的干涉，如附图3。相长干涉区12形成的衍射亮条纹决定了 衍射后激光光束光斑的形状。由于衍射微光学元件3的片基采用透光性材料，所 以对比于传统的衍射光栅最后得到的光强得到大大的提高。衍射后的圆环状激光 光束5再次通过一个标准凸透镜6，最终点状激光光束2的光斑形状与预知焊缝 7形状一致。最后进行激光塑料微焊接，利用光斑形状与预知焊缝7形状一致的激光照射 塑料工件8、 9的接合面9。激光器1输出功率为80W，到达塑料工件8、 10接 合面9的焊接功率为47.2W。焊本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光塑料微焊接方法，其特征在于：根据预知焊缝图形和激光光束波长采用算法设计衍射微光学元件，通过反应离子刻蚀技术、ＵＶ光刻技术或激光束直写技术在对激光束透明的片基材料表面上进行刻蚀，产生多台阶微浮雕结构，形成衍射微光学元件；激光器发出激光光束，经过衍射微光学元件后的激光光束再次通过一个标准的凸透镜使得激光束光斑形状与预知焊缝形状完全一致，利用得到最后得到的激光束照射两塑料工件的接合面，最终完成激光塑料微焊接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王霄，季进清，张惠中，刘会霞，蔡兰，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]