焊接方法
专利汇可以提供焊接方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种在连接区域(3)上的 工件 (1，2)之间形成 焊缝 的方法。该方法包括：把连接区域(3)露出到入射射线(4)中，该射线的 波长 超出了可见范围之外，从而使一个或者两个工件的表面在连接区域内进行 熔化 ，并且使熔化过的材料进行冷却，因此使这些工件 焊接 在一起。在一个工件(1，2)或者工件之间的连接区域(3)提供射线 吸收材料 ，而这些工件具有与入射射线的波长相匹配的吸收光带，从而吸收入射射线并且产生热量来进行熔化过程。该吸收光带处于可见范围之外，因此在可见光内，该材料不会影响连接区域(3)或者工件(1，2)的外观。，下面是焊接方法专利的具体信息内容。
1.一种在连接区域上方的工件之间形成焊缝的方法，该方法包括：
把连接区域露出到具有可见光范围之外的波长的入射射线中，从而 使一个或者两个工件的表面在连接区域内进行熔化，并且使熔化过的材 料进行冷却，因此使这些工件焊接在一起，该方法还包括：在一个工件 或者工件之间的连接区域提供射线吸收的材料，而这些工件具有与入射 射线波长相匹配的吸收光带，从而吸收入射射线并且产生热量来进行熔 化过程，其特征在于，该射线吸收材料对可见光是可透射的，因此在可 见光内，该材料基本不会影响连接区域或者工件的外观。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：射线吸收材料夹在两个 工件之间。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：射线吸收材料至少设置 在一个工件上。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：射线吸收材料是一插入 物，围绕插入物的是已经在模具内模制好的基体。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：射线吸收材料包括在基 体上的涂层。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：包括共同挤压射线吸收 材料和基体。
7.如前述权利要求任一所述的方法，其特征在于：该方法包括把射 线吸收材料露出到射线中，然后将工件放置在一起。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法包括将射线吸 收材料通过一个工件露出到射线中。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：这些工件由塑料制成。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：射线吸收材料是吸收 射线的染料。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于：吸收光带的最低限是 700nm。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：吸收光带限制为 780-1100nm的范围。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于：吸收光带限制为820 -860nm的范围内。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于：吸收光带位于红外线 范围内。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于：吸收光带位于400- 700nm的范围之外。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于：射线处于红外线范围 内。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于：入射射线包括700- 2500nm的范围内的不可见波长。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于：入射射线的波长位于 790-860nm的范围内。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于：入射射线的波长位于 940-980nm的范围内。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于：射线是激光束。
21.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述工件包括纤维织 物。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述纤维织物是尼龙 基的纤维织物。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述纤维织物涂有聚 氨酯。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述纤维织物包括聚 酰胺/聚四氟乙烯层压纤维。
25.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述工件包括薄膜， 如聚酯或者聚醚醚酮。
26.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述工件由热塑料形 成。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述热塑料工件是纺 织物。
28.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述这些工件是热塑 料膜。
技术领域
背景技术
所有这些方法受到需要至少提供一个不透可见光的工件的限制。
发明内容
相应地，我们提供了一种焊接工件的方法，从而产生了可见透射的 焊缝。这一点通过在连接区域处包括一个可吸收可视光谱之外的射线的 可见透射的材料来实现。然后，使该连接区域暴露出在这种波长的射线 下，以便使连接区域发热。从而使得工件进行熔化，因此在两个工件之 间形成了焊缝。如果工件和连接区域它们本身就可以透射可见射线，那 么这种焊缝还对于肉眼是至少半透明。
这些工件可以不透明，并且可以具有相似或者不相似颜色和/或对于 可见光是透明的或半透明的。
在一些情况下，在一个工件内可以包括吸收射线的材料。
在其它情况下，通过将该材料夹在两个工件之间而把两个工件焊接 在一起。然后，这个使不包括适合的射线吸收材料的工件焊接在一起。
通常为添加剂形式的射线吸收材料可以包括染料或者颜料，而使用 添加剂使标准塑料和其它材料很容易地得到改进，以便借助新方法来焊 接。染料优选为颜料，因为颜料的微粒特性决定了产生光散射，并且减 少了光吸收效率。此外，颜料较小的克分子吸收系数决定了不得不使用 较高浓度来产生一定的热作用，除了费用高这个缺点之外，这个可以导 致基体物理性能(包括不良颜色的外观)的不良变化。在这个说明书的 剩余部分中，尽管其它颜料也是合适的，但是染料是优选的。
在一些情况中，射线吸收材料可以具有一些可视的残余颜色，正如 厚截面材料或者高浓度材料所看到的一样。但是，最强的吸收总是存在 于不可见区域内。
用于透明塑料激光焊接的理想的接近红外线染料具有下面性质：
·接近800nm的窄吸收带(或者根据所使用的激光，可以是较长的 波长)具有较高克分子吸收系数。
·如果是在400-700nm区域内的任何吸收，那么较少。
·在基体内溶解较好。
·对于所使用的结合方法具有较好的稳定性。
·不应该降解到着色副产品。
可以满足所有上面要求的、三种染料的例子是花菁染料、squarylium 染料和croconium染料。
每个工件典型地由塑料材料制成，尽管这些不必相同。PMMA有机 玻璃就是一个例子。射线吸收材料可以只设置在一个工件内，或者设置 在放置于工件之间的插入物内。
接近红外线吸收染料具有这样的性能：它可以高效地吸收超出 780nm的范围内的光。即，在那个光谱范围内的一个或者许多波长中， 它们具有较高的消光系数。当这个光(无论它来自激光源还是非相干光 源)被吸收时，分子通过电子振动衰减消耗了所吸收的基本上为热量的 能量，并且这种热量集中在染料分子和它们最接近的基体环境中。在基 体是聚合物(绝大多数的热塑料和一些高度交联聚合物)的情况下，在 染料和聚合物存在的表面处产生熔化。如果透明聚合物(即：不能吸收 NIR射线但是可以同时是水白色或着色的)邻近这个表面，这种熔化可 以产生焊接。
因此，为了产生焊接，在允许激光未经吸收而通过的前部塑料实体 上不能有染料，但一定至少位于其它塑料实体的表面上或者位于两个塑 料片之间的接触表面上。在这种意义上，染料薄层基本上相当于激光的 光学焦点元件，从而在极薄的层上非常高效地吸收它，并且在上述层上 把所吸收的光转变成热量。另外，激光和其它光的波长借助于总体的剩 余部分来进行有效透射，该剩余部分位于薄层表面的前部和这个表面的 后部上(对于后者的例外是使用替代方案时，要焊接的一个元件的大部 分借助于染料来渗透)。可以用许多方法来实现形成这种装满染料的薄片 表面：
·把染料加入到放置在要焊接的塑料片接触表面上的薄膜上。该薄 膜基体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％膜重的染料浓度足够了，但是该染料的浓度随着所使用的特 定染料和所要焊接的塑料而变化。膜厚常常接近25μm。使用含有吸收 染料的膜/带的优点是：只在要焊接的膜内需要染料，并且其载体是一种 便于容易处理、储存等的固体。另一个优点是，两种塑料片是同一材料， 并且特别是透明的塑料。
·该染料可以加入到两个聚合物片的后者中的聚合物块中(后者指 的是激光遇到的那个)。只有在表面上的染料或者非常接近表面的染料在 吸收激光时活跃，因为这些染料是高效NIR吸收器。这种光吸收引起如 前所述的焊接，而不需要使用带/膜。其优点在于：在焊接制造中没有额外 步骤，而该焊接制造与带等的应用有关。
·例如，后塑料片的表面可以借助于具有装满染料的膜来形成，在 模制工作中该膜用作模具插入物，从而在塑料片上产生富染料的表面。
·一个要模制的基体表面借助于浸涂、染料扩散、喷涂、喷射、印 录、干燥磨光、裱糊应用等实现染料的表面应用。就所使用的染料而言， 这是低成本的替代方案，并且在所处理过的、只选择出来的区域内提供 了弹性。
·要焊接的材料可以与含有染料的聚合物共同挤压(coextruded)， 但是这仅限制到可以使用挤压形式的某些应用中。
·可以过度模制(overmoulded)塑料片从而为所选择出来的区域提 供窄带，但是这需要较高的模制费用。
吸收射线的材料可以直接露出到射线中，然后使邻接在一起(可在 压力下进行选择)或者更加常用的两个片暴露出工件。典型地，那个工 件不包括吸收射线的材料，因此加热局限于在两个工件之间的接触表面 中进行。
典型地，具有预定波长的射线是红外线，例如是具有大约780nm或 者通常高达1500nm的波长的射线。但是应当知道，可以使用任何超出 可视光谱外的射线，从而提供合适的吸收射线的材料是可以实现的，并 且，如果合适，连接的一侧可以透射所使用的射线。
各种传统射线源可以使用，这些源包括二极管和Nd：YAG激光。还 可以使用聚焦的红外线灯。
附图的简要说明
现在参照附图来描述本发明方法的例子，在附图中：
图1到图3是三种不同焊接的示意性侧视图。
具体实施方式
第一塑料工件1可以透射来自射线束4的射线中，并且可以或者不 可以透射可视光。在这方面，可透射意味着塑料工件1所吸收的要比入 射射线的预定部分要少。相应地，塑料工件1对于可视光谱内的射线而 言是透光的或者半透光的，或者可以反射这种射线，但是一般不全部吸 收(即黑色)。因此，塑料工件1是无颜色的、淡色的或者被着色的。
塑料工件2也能或者不能透射可视光谱内的射线。但是，与塑料工 件1相反，塑料工件2需要能够吸收射线束4。相应地，把添加剂加入到 塑料工件2中，该添加剂可以吸收射线束波长，并且可以透射可视光谱 的射线。因为只有连接区域3露出到射线束4中，因此添加剂可以只设 置在将要形成连接区域的部分塑料工件2上，或者也可以设置在整个塑 料工件2上。
射线束4具有可视光谱波长之外的波长，但是该波长处于可以为添 加剂所吸收的范围之内。典型地，这是波长为780-1500nm之间的红外 线。相应地，激光器5可以是Nd：YAG激光器或者二极管激光器。
当连接区域3露出到射线束4时，添加剂将吸收射线。这使得添加 剂发热，从而熔化连接区域3内的塑料工件1、2，因此在冷却时，这些 工件焊接在一起。当形成焊缝时，由于这些焊缝处的材料可以透射可视 光谱内的射线，因此焊缝本身将使得元件的可视外表几乎或者没有变化。 所产生的热量使塑料材料通常最大可熔化达0.2mm深度，其结果是形成 了焊接。相容材料处于较好接触的地方发生分子间扩散，因此产生了焊 缝。焊缝接触面处所产生的热量由染色层的吸收系数和工艺参数来控制。 主要参数是激光功率(通常为10W到500W之间)、焊接速度(通常为5 -200mm/sec)和激光束的光点直径(0.5-10mm宽)。还可以用固定激光 阵列来进行加工，该激光阵列对连接区域辐射一个限定时间。
本发明的第二个实施例示出在图2中。在图2中，设置了第一塑料 工件11和第二塑料工件12。还设置有焊接材料薄膜16，该焊接材料薄 膜设置在第一塑料工件11和第二塑料工件12之间，从而限制出连接区 域13。为了焊接第一和第二塑料工件11、12，连接区域13露出到射线 束14下，射线束14来自例如激光器或者类似物的源15。
如本发明的第一实施例中一样，第一和第二塑料工件11、12可以或 者不可以透射处于可视光谱内的射线。但是，与第一实施例相反，第二 塑料工件12不需要吸收来自射线束14的射线。
但是，焊接膜16在透射可视光谱内的射线的同时吸收来自射线束14 的射线。因此，如本发明的第一实施例一样，当连接区域13露出到射线 束14时，焊接材料16吸收热量，从而环绕连接区域3加热。因此，塑 料工件11、12在连接区域13内被熔化，并且在冷却时形成焊缝。而且， 可以透射可视光谱内的射线。
在它的最基本的形式中，半透明材料的吸收随厚度的指数而变化(忽 略反射和散射作用)，即
所透射的分数＝exp(-at)
其中a是吸收系数，t是工件的厚度。在800-1100nm波长处，我 们测量的、半透明塑料的吸收系数范围是0.02mm-1到0.4mm-1。因此， 对于半透明塑料来说，有用范围是小于约1mm-1的任何值。在图2所示 出的加工过程中，染色层的吸收系数大约为5.4mm-1。通常吸收层应该具 有大于约3mm-1的吸收系数。
应意识到，在上面的每个例子中，塑料工件1、2；11、12在焊接过 程期间夹在一起，从而确保连接区域保持接触，同时形成焊缝。另一方 面，具有吸收材料的元件首先被射线照射，然后工件连接在一起。
图3示出了另一种焊接构造，在该构造中，使用透明插入物22使一 对塑料工件20、21焊接在一起，该透明插入物22吸收激光。在这种情 况下，工件20、21不吸收激光。
应该知道，许多其它变形也是可以的，如对接焊接和类似焊接。
典型的吸收添加剂可以从化学物质组如金属酞菁染料、金属化偶氮 染料和金属化茚苯胺染料中选择。下面的表1提供了一系列相匹配的源 和材料的例子。
表1 光源 波长范围nm 吸收介质 波长范围nm 红外线灯 700-2500 欧洲电报交换网络染料(Gentex dye) A195 欧洲电报交换网络染料A101 780-1100 750-1100 Nd：YAG激光 1064 欧洲电报交换网络染料A195 780-1100 二极管激光GaAs 940-980 欧洲电报交换网络染料A195 780-1100 二极管激光 InGaAS 790-860 欧洲电报交换网络染料A187 821-858 例子
PMMA片焊接：使用具有Nd：YAG激光的ClearWeldTM工艺使两个 接近3mm厚的聚甲基丙烯酸甲酯的透明片搭焊起来。通常含有 0.01-0.1wt％的红外线吸收染料的10-15μm、MMA膜放置在接触表面 上。这两个工件夹在一起，并且用所施加的100W的功率、0.1-1.0m/min 的速度来焊接。所使用的激光束直径大约6mm，并且膜是5mm宽。在 使用大约50N/mm的负荷下的抗拉实验中，这些试样在邻近焊缝的母材 内产生失败。所得到的焊缝具有非常少的残余颜色，并且与原有PMMA 一样透明或者比原有PMMA更加透明。
涂有聚氨酯的纤维焊接：使用ClearWeldTM工艺使两个大约0.15mm 厚的涂有聚氨酯的纤维的白色半透明片搭焊起来。把红外线吸收染料从 丙酮的溶液中施加到在搭接片之间进行焊接的区域中。通常把0.001-0.1 μg/mm2的染料施加到纤维中。这两片夹紧在一起，并且用所施加的 100W的功率、0.5-2.0m/min的速度来焊接。所使用的激光束直径大约 6mm。所得到的焊缝具有非常少的残余颜色。
PA/PTFE层压纤维焊接：使用ClearWeldTM工艺使两个大约0.15mm 厚的聚酰胺/聚四氟乙烯的层状纤维的有色不透明片搭焊起来。把红外线 吸收染料从丙酮的溶液中施加到在搭接片之间进行焊接的区域中。通常， 把0.001-0.1μg/mm2的染料施加到纤维中。这两片夹紧在一起，并且用 所施加的100W的功率、0.1-1.0m/min的速度来焊接。所使用的激光束直 径大约6mm。除了原始纤维的颜色之外，所得到的焊缝区域没有明显的 残余颜色。
这种焊接技术还用来焊接尼龙基纤维(激光缝合/缝补/接缝密封/等 等)和薄膜(PE、PEEK)。在这些情况下，染料溶解在合适的溶剂中， 并且把染料涂在连接区域上，而染料最后沉积在两个表面上，并且染料 非常小地浸渍到基体中。在焊接之前可以进行干燥。显而易见的是，使 用聚合物基体(如聚酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚硅等)或者单独或者 在纺织品内或者其它混合物和许多热塑料膜显然是这个例子的延伸。应 该注意到，当该染料真正地溶解在基体(膜或者松散材料或者其它载体) 内时获得染料最大功效的同时，在这些形式下所施加的染料悬浊液对于 上述焊接应用也是有效的。
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