專利名稱：焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在連接區(qū)域上方、在兩個(gè)工件之間形成焊縫的方法。
透射激光焊接是一種已發(fā)展成為把材料(如塑料)焊接在一起的技術(shù)。這個(gè)借助于把兩個(gè)塑料件放置成接觸狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)塑料件是透明的，而另一個(gè)塑料件是不透明的。然后，把兩個(gè)塑料件之間的接觸區(qū)域露出到激光束下。激光束穿過透明塑料件并且被第二不透光塑料件所吸收。這使得不透光塑料件變熱，從而使得兩個(gè)塑料之間的接觸區(qū)域被熔化，因此形成了焊縫。在下面描述了許多例子Kunstoffe87(1997)第三卷第348-350頁中“PE-HD的激光透射焊接”；Puetz H等人的“激光焊接提供組件排列的優(yōu)點(diǎn)”、現(xiàn)代塑料世界(Modern PlasticsInternational)，1997年9月；Haensch D等人的“用二極管激光焊接硬塑料和軟塑料”Kunstoffe88(1998)第2卷第210-212頁；及JonesIA的“塑料的透射激光焊接”焊接學(xué)會(huì)公報(bào)1998年5月/6月。
所有這些方法受到需要至少提供一個(gè)不透可見光的工件的限制。
根據(jù)本發(fā)明，我們提供了一種在連接區(qū)域上方的工件之間形成焊縫的方法，該方法包括把連接區(qū)域暴露在具有超出可見光范圍的波長的射線中，以便使得連接區(qū)域處的一個(gè)或者兩個(gè)工件的表面熔化，并且使熔化過的材料進(jìn)行冷卻，由此把工件焊接在一起，該方法還包括在一個(gè)工件內(nèi)或者在兩個(gè)工件之間的連接區(qū)域處提供射線吸收材料，該材料具有與入射射線的波長相匹配的吸收帶，以便吸收入射射線并且為熔化過程產(chǎn)生熱量，該吸收帶基本上超出可見范圍，因此該材料在可視光中不會(huì)影響連接區(qū)域或者工件的外觀。
相應(yīng)地，我們提供了一種焊接工件的方法，從而產(chǎn)生了可見透射的焊縫。這一點(diǎn)通過在連接區(qū)域處包括一個(gè)可吸收可視光譜之外的射線的可見透射的材料來實(shí)現(xiàn)。然后，使該連接區(qū)域暴露出在這種波長的射線下，以便使連接區(qū)域發(fā)熱。從而使得工件進(jìn)行熔化，因此在兩個(gè)工件之間形成了焊縫。如果工件和連接區(qū)域它們本身就可以透射可見射線，那么這種焊縫還對(duì)于肉眼是至少半透明。
這些工件可以不透明，并且可以具有相似或者不相似顏色和/或?qū)τ诳梢姽馐峭该鞯幕虬胪该鞯摹?br> 在一些情況下，在一個(gè)工件內(nèi)可以包括吸收射線的材料。
在其它情況下，通過將該材料夾在兩個(gè)工件之間而把兩個(gè)工件焊接在一起。然后，這個(gè)使不包括適合的射線吸收材料的工件焊接在一起。
通常為添加劑形式的射線吸收材料可以包括染料或者顏料，而使用添加劑使標(biāo)準(zhǔn)塑料和其它材料很容易地得到改進(jìn)，以便借助新方法來焊接。染料優(yōu)選為顏料，因?yàn)轭伭系奈⒘Ｌ匦詻Q定了產(chǎn)生光散射，并且減少了光吸收效率。此外，顏料較小的克分子吸收系數(shù)決定了不得不使用較高濃度來產(chǎn)生一定的熱作用，除了費(fèi)用高這個(gè)缺點(diǎn)之外，這個(gè)可以導(dǎo)致基體物理性能(包括不良顏色的外觀)的不良變化。在這個(gè)說明書的剩余部分中，盡管其它顏料也是合適的，但是染料是優(yōu)選的。
在一些情況中，射線吸收材料可以具有一些可視的殘余顏色，正如厚截面材料或者高濃度材料所看到的一樣。但是，最強(qiáng)的吸收總是存在于不可見區(qū)域內(nèi)。
用于透明塑料激光焊接的理想的接近紅外線染料具有下面性質(zhì)·接近800nm的窄吸收帶(或者根據(jù)所使用的激光，可以是較長的波長)具有較高克分子吸收系數(shù)。
·如果是在400-700nm區(qū)域內(nèi)的任何吸收，那么較少。
·在基體內(nèi)溶解較好。
·對(duì)于所使用的結(jié)合方法具有較好的穩(wěn)定性。
·不應(yīng)該降解到著色副產(chǎn)品。
可以滿足所有上面要求的、三種染料的例子是花菁染料、squarylium染料和croconium染料。
每個(gè)工件典型地由塑料材料制成，盡管這些不必相同。PMMA有機(jī)玻璃就是一個(gè)例子。射線吸收材料可以只設(shè)置在一個(gè)工件內(nèi)，或者設(shè)置在放置于工件之間的插入物內(nèi)。
接近紅外線吸收染料具有這樣的性能它可以高效地吸收超出780nm的范圍內(nèi)的光。即，在那個(gè)光譜范圍內(nèi)的一個(gè)或者許多波長中，它們具有較高的消光系數(shù)。當(dāng)這個(gè)光(無論它來自激光源還是非相干光源)被吸收時(shí)，分子通過電子振動(dòng)衰減消耗了所吸收的基本上為熱量的能量，并且這種熱量集中在染料分子和它們最接近的基體環(huán)境中。在基體是聚合物(絕大多數(shù)的熱塑料和一些高度交聯(lián)聚合物)的情況下，在染料和聚合物存在的表面處產(chǎn)生熔化。如果透明聚合物(即不能吸收NIR射線但是可以同時(shí)是水白色或著色的)鄰近這個(gè)表面，這種熔化可以產(chǎn)生焊接。
因此，為了產(chǎn)生焊接，在允許激光未經(jīng)吸收而通過的前部塑料實(shí)體上不能有染料，但一定至少位于其它塑料實(shí)體的表面上或者位于兩個(gè)塑料片之間的接觸表面上。在這種意義上，染料薄層基本上相當(dāng)于激光的光學(xué)焦點(diǎn)元件，從而在極薄的層上非常高效地吸收它，并且在上述層上把所吸收的光轉(zhuǎn)變成熱量。另外，激光和其它光的波長借助于總體的剩余部分來進(jìn)行有效透射，該剩余部分位于薄層表面的前部和這個(gè)表面的后部上(對(duì)于后者的例外是使用替代方案時(shí)，要焊接的一個(gè)元件的大部分借助于染料來滲透)?？梢杂迷S多方法來實(shí)現(xiàn)形成這種裝滿染料的薄片表面·把染料加入到放置在要焊接的塑料片接觸表面上的薄膜上。該薄膜基體可以是要焊接的相同聚合物，但是也可以是不同的聚合物。通常接近0.02％膜重的染料濃度足夠了，但是該染料的濃度隨著所使用的特定染料和所要焊接的塑料而變化。膜厚常常接近25μm。使用含有吸收染料的膜/帶的優(yōu)點(diǎn)是只在要焊接的膜內(nèi)需要染料，并且其載體是一種便于容易處理、儲(chǔ)存等的固體。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，兩種塑料片是同一材料，并且特別是透明的塑料。
·該染料可以加入到兩個(gè)聚合物片的后者中的聚合物塊中(后者指的是激光遇到的那個(gè))。只有在表面上的染料或者非常接近表面的染料在吸收激光時(shí)活躍，因?yàn)檫@些染料是高效NIR吸收器。這種光吸收引起如前所述的焊接，而不需要使用帶/膜。其優(yōu)點(diǎn)在于在焊接制造中沒有額外步驟，而該焊接制造與帶等的應(yīng)用有關(guān)。
·例如，后塑料片的表面可以借助于具有裝滿染料的膜來形成，在模制工作中該膜用作模具插入物，從而在塑料片上產(chǎn)生富染料的表面。
·一個(gè)要模制的基體表面借助于浸涂、染料擴(kuò)散、噴涂、噴射、印錄、干燥磨光、裱糊應(yīng)用等實(shí)現(xiàn)染料的表面應(yīng)用。就所使用的染料而言，這是低成本的替代方案，并且在所處理過的、只選擇出來的區(qū)域內(nèi)提供了彈性。
·要焊接的材料可以與含有染料的聚合物共同擠壓(coextruded)，但是這僅限制到可以使用擠壓形式的某些應(yīng)用中。
·可以過度模制(overmoulded)塑料片從而為所選擇出來的區(qū)域提供窄帶，但是這需要較高的模制費(fèi)用。
吸收射線的材料可以直接露出到射線中，然后使鄰接在一起(可在壓力下進(jìn)行選擇)或者更加常用的兩個(gè)片暴露出工件。典型地，那個(gè)工件不包括吸收射線的材料，因此加熱局限于在兩個(gè)工件之間的接觸表面中進(jìn)行。
典型地，具有預(yù)定波長的射線是紅外線，例如是具有大約780nm或者通常高達(dá)1500nm的波長的射線。但是應(yīng)當(dāng)知道，可以使用任何超出可視光譜外的射線，從而提供合適的吸收射線的材料是可以實(shí)現(xiàn)的，并且，如果合適，連接的一側(cè)可以透射所使用的射線。
各種傳統(tǒng)射線源可以使用，這些源包括二極管和Nd:YAG激光。還可以使用聚焦的紅外線燈。
現(xiàn)在參照附圖來描述本發(fā)明方法的例子，在附圖中

圖1到圖3是三種不同焊接的示意性側(cè)視圖。
圖1示出了第一塑料工件1和第二塑料工件2以重疊接觸的方式進(jìn)行設(shè)置，從而限制出以3表示的連接區(qū)域。這種連接借助于使連接區(qū)域3露出到一束來自如激光器5、紅外燈源或者類似物的、不可見的射線4來進(jìn)行焊接。
第一塑料工件1可以透射來自射線束4的射線中，并且可以或者不可以透射可視光。在這方面，可透射意味著塑料工件1所吸收的要比入射射線的預(yù)定部分要少。相應(yīng)地，塑料工件1對(duì)于可視光譜內(nèi)的射線而言是透光的或者半透光的，或者可以反射這種射線，但是一般不全部吸收(即黑色)。因此，塑料工件1是無顏色的、淡色的或者被著色的。
塑料工件2也能或者不能透射可視光譜內(nèi)的射線。但是，與塑料工件1相反，塑料工件2需要能夠吸收射線束4。相應(yīng)地，把添加劑加入到塑料工件2中，該添加劑可以吸收射線束波長，并且可以透射可視光譜的射線。因?yàn)橹挥羞B接區(qū)域3露出到射線束4中，因此添加劑可以只設(shè)置在將要形成連接區(qū)域的部分塑料工件2上，或者也可以設(shè)置在整個(gè)塑料工件2上。
射線束4具有可視光譜波長之外的波長，但是該波長處于可以為添加劑所吸收的范圍之內(nèi)。典型地，這是波長為780-1500nm之間的紅外線。相應(yīng)地，激光器5可以是Nd:YAG激光器或者二極管激光器。
當(dāng)連接區(qū)域3露出到射線束4時(shí)，添加劑將吸收射線。這使得添加劑發(fā)熱，從而熔化連接區(qū)域3內(nèi)的塑料工件1、2，因此在冷卻時(shí)，這些工件焊接在一起。當(dāng)形成焊縫時(shí)，由于這些焊縫處的材料可以透射可視光譜內(nèi)的射線，因此焊縫本身將使得元件的可視外表幾乎或者沒有變化。所產(chǎn)生的熱量使塑料材料通常最大可熔化達(dá)0.2mm深度，其結(jié)果是形成了焊接。相容材料處于較好接觸的地方發(fā)生分子間擴(kuò)散，因此產(chǎn)生了焊縫。焊縫接觸面處所產(chǎn)生的熱量由染色層的吸收系數(shù)和工藝參數(shù)來控制。主要參數(shù)是激光功率(通常為10W到500W之間)、焊接速度(通常為5-200mm/sec)和激光束的光點(diǎn)直徑(0.5-10mm寬)。還可以用固定激光陣列來進(jìn)行加工，該激光陣列對(duì)連接區(qū)域輻射一個(gè)限定時(shí)間。
本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例示出在圖2中。在圖2中，設(shè)置了第一塑料工件11和第二塑料工件12。還設(shè)置有焊接材料薄膜16，該焊接材料薄膜設(shè)置在第一塑料工件11和第二塑料工件12之間，從而限制出連接區(qū)域13。為了焊接第一和第二塑料工件11、12，連接區(qū)域13露出到射線束14下，射線束14來自例如激光器或者類似物的源15。
如本發(fā)明的第一實(shí)施例中一樣，第一和第二塑料工件11、12可以或者不可以透射處于可視光譜內(nèi)的射線。但是，與第一實(shí)施例相反，第二塑料工件12不需要吸收來自射線束14的射線。
但是，焊接膜16在透射可視光譜內(nèi)的射線的同時(shí)吸收來自射線束14的射線。因此，如本發(fā)明的第一實(shí)施例一樣，當(dāng)連接區(qū)域13露出到射線束14時(shí)，焊接材料16吸收熱量，從而環(huán)繞連接區(qū)域3加熱。因此，塑料工件11、12在連接區(qū)域13內(nèi)被熔化，并且在冷卻時(shí)形成焊縫。而且，可以透射可視光譜內(nèi)的射線。
在它的最基本的形式中，半透明材料的吸收隨厚度的指數(shù)而變化(忽略反射和散射作用)，即所透射的分?jǐn)?shù)=exp(-at)其中a是吸收系數(shù)，t是工件的厚度。在800-1100nm波長處，我們測(cè)量的、半透明塑料的吸收系數(shù)范圍是0.02mm-1到0.4mm-1。因此，對(duì)于半透明塑料來說，有用范圍是小于約1mm-1的任何值。在圖2所示出的加工過程中，染色層的吸收系數(shù)大約為5.4mm-1。通常吸收層應(yīng)該具有大于約3mm-1的吸收系數(shù)。
應(yīng)意識(shí)到，在上面的每個(gè)例子中，塑料工件1、2；11、12在焊接過程期間夾在一起，從而確保連接區(qū)域保持接觸，同時(shí)形成焊縫。另一方面，具有吸收材料的元件首先被射線照射，然后工件連接在一起。
圖3示出了另一種焊接構(gòu)造，在該構(gòu)造中，使用透明插入物22使一對(duì)塑料工件20、21焊接在一起，該透明插入物22吸收激光。在這種情況下，工件20、21不吸收激光。
應(yīng)該知道，許多其它變形也是可以的，如對(duì)接焊接和類似焊接。
典型的吸收添加劑可以從化學(xué)物質(zhì)組如金屬酞菁染料、金屬化偶氮染料和金屬化茚苯胺染料中選擇。下面的表1提供了一系列相匹配的源和材料的例子。
表1
例子PMMA片焊接使用具有Nd:YAG激光的ClearWeldTM工藝使兩個(gè)接近3mm厚的聚甲基丙烯酸甲酯的透明片搭焊起來。通常含有0.01-0.1wt％的紅外線吸收染料的10-15μm、MMA膜放置在接觸表面上。這兩個(gè)工件夾在一起，并且用所施加的100W的功率、0.1-1.0m/min的速度來焊接。所使用的激光束直徑大約6mm，并且膜是5mm寬。在使用大約50N/mm的負(fù)荷下的抗拉實(shí)驗(yàn)中，這些試樣在鄰近焊縫的母材內(nèi)產(chǎn)生失敗。所得到的焊縫具有非常少的殘余顏色，并且與原有PMMA一樣透明或者比原有PMMA更加透明。
涂有聚氨酯的纖維焊接使用ClearWeldTM工藝使兩個(gè)大約0.15mm厚的涂有聚氨酯的纖維的白色半透明片搭焊起來。把紅外線吸收染料從丙酮的溶液中施加到在搭接片之間進(jìn)行焊接的區(qū)域中。通常把0.001-0.1μg/mm2的染料施加到纖維中。這兩片夾緊在一起，并且用所施加的100W的功率、0.5-2.0m/min的速度來焊接。所使用的激光束直徑大約6mm。所得到的焊縫具有非常少的殘余顏色。PA/PTFE層壓纖維焊接使用ClearWeldTM工藝使兩個(gè)大約0.15mm厚的聚酰胺/聚四氟乙烯的層狀纖維的有色不透明片搭焊起來。把紅外線吸收染料從丙酮的溶液中施加到在搭接片之間進(jìn)行焊接的區(qū)域中。通常，把0.001-0.1μg/mm2的染料施加到纖維中。這兩片夾緊在一起，并且用所施加的100W的功率、0.1-1.0m/min的速度來焊接。所使用的激光束直徑大約6mm。除了原始纖維的顏色之外，所得到的焊縫區(qū)域沒有明顯的殘余顏色。
這種焊接技術(shù)還用來焊接尼龍基纖維(激光縫合/縫補(bǔ)/接縫密封/等等)和薄膜(PE、PEEK)。在這些情況下，染料溶解在合適的溶劑中，并且把染料涂在連接區(qū)域上，而染料最后沉積在兩個(gè)表面上，并且染料非常小地浸漬到基體中。在焊接之前可以進(jìn)行干燥。顯而易見的是，使用聚合物基體(如聚酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚硅等)或者單獨(dú)或者在紡織品內(nèi)或者其它混合物和許多熱塑料膜顯然是這個(gè)例子的延伸。應(yīng)該注意到，當(dāng)該染料真正地溶解在基體(膜或者松散材料或者其它載體)內(nèi)時(shí)獲得染料最大功效的同時(shí)，在這些形式下所施加的染料懸濁液對(duì)于上述焊接應(yīng)用也是有效的。
權(quán)利要求
1．一種在連接區(qū)域上方的工件之間形成焊縫的方法,該方法包括把連接區(qū)域露出到具有超出可見范圍外的波長的入射射線中，從而使一個(gè)或者兩個(gè)工件的表面在連接區(qū)域內(nèi)進(jìn)行熔化，并且使熔化過的材料進(jìn)行冷卻，因此使這些工件焊接在一起，該方法還包括在一個(gè)工件或者工件之間的連接區(qū)域提供射線吸收的材料，而這些工件具有與入射射線波長相匹配的吸收光帶，從而吸收入射射線并且產(chǎn)生熱量來進(jìn)行熔化過程，該吸收光帶基本上處于可見光范圍之外，因此在可見光內(nèi)，該材料不會(huì)影響連接區(qū)域或者工件的外觀。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于射線吸收材料夾在兩個(gè)工件之間。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于射線吸收材料至少設(shè)置在一個(gè)工件上。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于射線吸收材料借助于在模具內(nèi)模制基體而設(shè)置在基體上，而該模具有借助于射線吸收材料或者包括射線吸收材料來形成的插入物。
5．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于射線吸收材料設(shè)置成為基體上的涂層。
6．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于射線吸收材料借助于共同擠壓具有基體的材料來形成。
7．如前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于在把工件放置在一起之前，射線吸收材料露出到射線中。
8．如前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于射線吸收材料通過一個(gè)工件露出到射線中。
9．如前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于這些工件由塑料制成。
10．如前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于射線吸收材料是吸收射線的染料。
11．如前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于吸收光帶的最低范圍是700nm以上。
12．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于吸收光帶限制為780-1100nm的范圍。
13．如權(quán)利要求1-11任一所述的方法，其特征在于吸收光帶限制為820-860nm的范圍內(nèi)。
14．如權(quán)利要求1-11任一所述的方法，其特征在于吸收光帶位于紅外線范圍內(nèi)。
15．如前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于吸收光帶不包括400-700nm的范圍。
16．如前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于射線處于紅外線范圍內(nèi)。
17．如前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于入射射線的波長位于700-2500nm的范圍內(nèi)。
18．如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于入射射線的波長位于790-860nm的范圍內(nèi)。
19．如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于入射射線的波長位于940-980nm的范圍內(nèi)。
20．如前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于射線是激光束。
21．一對(duì)工件，該對(duì)工件借助于前述權(quán)利要求任一所述的方法來焊接。
全文摘要
一種在連接區(qū)域(3)上的工件(1,2)之間形成焊縫的方法。該方法包括:把連接區(qū)域(3)露出到入射射線(4)中,該射線的波長超出了可見范圍之外,從而使一個(gè)或者兩個(gè)工件的表面在連接區(qū)域內(nèi)進(jìn)行熔化,并且使熔化過的材料進(jìn)行冷卻,因此使這些工件焊接在一起。在一個(gè)工件(1,2)或者工件之間的連接區(qū)域(3)提供射線吸收材料,而這些工件具有與入射射線的波長相匹配的吸收光帶,從而吸收入射射線并且產(chǎn)生熱量來進(jìn)行熔化過程。該吸收光帶處于可見范圍之外,因此在可見光內(nèi),該材料不會(huì)影響連接區(qū)域(3)或者工件(1,2)的外觀。
文檔編號(hào)B23K26/32GK1320067SQ9981152
公開日2001年10月31日 申請(qǐng)日期1999年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月1日
發(fā)明者伊恩·安東尼·瓊斯, 羅杰·杰里米·懷斯 申請(qǐng)人:焊接研究院