[发明专利]激光焊接系统和使用掩模控制焊接宽度的方法

说明书

一种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和系统，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。将由从激光束吸收辐射的材料制成的第一工件和第二工件夹持在一起。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，使得工件的材料的加热和熔化限于该槽的宽度。将激光束引导至槽上，并以照射该槽以便熔化和连接工件的方式移动激光束。

相关申请的交叉引用

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。

技术领域

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(Plastics and CompositesWelding Handbook(塑料和复合材料焊接手册),Hanser Gardner Publications,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。

发明内容

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。