本发明涉及在连接区域上方、在两个工件之间形成焊缝的方法。

透射激光焊接是一种已发展成为把材料(如塑料)焊接在一起的技 术。这个借助于把两个塑料件放置成接触状态来实现，其中一个塑料件 是透明的，而另一个塑料件是不透明的。然后，把两个塑料件之间的接 触区域露出到激光束下。激光束穿过透明塑料件并且被第二不透光塑料 件所吸收。这使得不透光塑料件变热，从而使得两个塑料之间的接触区 域被熔化，因此形成了焊缝。在下面描述了许多例子：Kunstoffe87(1997) 第三卷第348-350页中“PE-HD的激光透射焊接”；Puetz H等人的“激 光焊接提供组件排列的优点”、现代塑料世界(Modern Plastics International)，1997年9月；Haensch D等人的“用二极管激光焊接 硬塑料和软塑料”Kunstoffe88(1998)第2卷第210-212页；及Jones IA的“塑料的透射激光焊接”焊接学会公报1998年5月/6月。

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。

根据本发明，我们提供了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：把连接区域暴露在具有超出可见光范围的波长的 射线中，以便使得连接区域处的一个或者两个工件的表面熔化，并且使 熔化过的材料进行冷却，由此把工件焊接在一起，该方法还包括：在一 个工件内或者在两个工件之间的连接区域处提供射线吸收材料，该材料 具有与入射射线的波长相匹配的吸收带，以便吸收入射射线并且为熔化 过程产生热量，该吸收带基本上超出可见范围，因此该材料在可视光中 不会影响连接区域或者工件的外观。

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。

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。

图1示出了第一塑料工件1和第二塑料工件2以重叠接触的方式进 行设置，从而限制出以3表示的连接区域。这种连接借助于使连接区域3 露出到一束来自如激光器5、红外灯源或者类似物的、不可见的射线4来 进行焊接。

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。