專利名稱：具有使工件可焊接的吸收劑染料的表面沉積物的預(yù)處理工件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有吸收劑染料的表面沉積物的預(yù)處理工件，該吸收劑染料用于在未來焊接過程中消耗的明確目的。更特別地，本發(fā)明涉及設(shè)計(jì)和制造用于在輻射過程中優(yōu)良能量轉(zhuǎn)化效率的工件的機(jī)械和化學(xué)特性。
背景技術(shù)：
例如從美國專利5893959中可知道通過穿透傳導(dǎo)激光焊接接合塑料部件。美國專利5893959中使用顏料來提高沿焊接區(qū)域的吸收性能。但由于所公開的顏料在焊接過程之后存留下來，它們不受歡迎地影響了接點(diǎn)的外觀。該專利通過在接合之前和之后將顏料加入上下基體的整體中來補(bǔ)償降低的美觀性。上基體被描述為具有小于1％的顏料濃度，在焊接激光波長下其可提供大于60％的傳導(dǎo)率。下基體接收1-2％的顏料濃度，產(chǎn)生可忽略的傳導(dǎo)率。
因此會(huì)需要限定可焊接的工件的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和制造特性的范圍，它能夠在接點(diǎn)提供最小的阻塞，可進(jìn)一步在接點(diǎn)具有可視的，甚至是光學(xué)的透明度；僅有選擇地將吸收劑沉積在焊接區(qū)域上，從而消除在整體殘留物中由吸收劑引起的阻塞；以這樣的方式加入染料，使它們分解成惰性、可溶解的不可見副產(chǎn)品；使用主要影響在焊接波長下的傳導(dǎo)率的吸收劑染料；使用在數(shù)字上與焊接波長間隔開的波長下影響傳導(dǎo)率最小的吸收劑染料；使用在可見光光譜范圍內(nèi)影響傳導(dǎo)率最小的吸收劑染料；在某些實(shí)施例中，在可見光光譜范圍內(nèi)對傳導(dǎo)率沒有影響甚至有有益影響。
在Russek的名稱為Laser Beam Welding of Polymers with HighPower Diode LasersJoining Innovation for Micro and MacroTechnologies(用高能二極管激光器進(jìn)行的聚合物的激光束焊接微觀和宏觀技術(shù)革新的結(jié)合”的論文中將使用碳墨顏料和吸收劑染料的應(yīng)用之間的關(guān)系描述為線能量的函數(shù)。該論文提出了設(shè)計(jì)模型來解決焊接過程中間隙橋接問題的三維、立體熱動(dòng)力工藝。這種方式的一個(gè)顯著缺點(diǎn)在于，如圖6中所示，焊縫必須是完整的并剖開截面來獲得能量密度分布。Russek沒有在單一工件上的染料密度，也沒有建議對應(yīng)于表面染料沉積的固有容量的每單位面積能量范圍。國際申請?zhí)枮镻CT/GB99/03241的已公開PCT申請公開了一種工藝，用于焊接其間夾著紅外吸收劑染料的焊接部件。

發(fā)明內(nèi)容
因此需要確定制備聚合物工件的基本要求，從而能夠靈活地將其焊接到另一個(gè)自由選擇部件上。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提出這種聚合物工件的最小機(jī)械和化學(xué)要求。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提出在理想條件下這種工件的光學(xué)傳導(dǎo)特性。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提出在工件上形成電磁輻射能量導(dǎo)控器的方法。
根據(jù)本發(fā)明，這些和其它相關(guān)目的是通過其第一實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的，它涉及用于工件的機(jī)械和化學(xué)要求。
一種可焊接的工件，它具有由第一聚合物制成的表面，該第一聚合物在加熱時(shí)(或后)軟化而適于熔合到一種材料上，該材料在加熱時(shí)(或后)軟化并可從第二聚合物自由選擇，該第二聚合物與第一聚合物相同或相似，或者是至少易于與第一聚合物的表面局部相互混合的不同聚合物，其中第一聚合物和可自由選擇的第二聚合物具有重疊的熔化溫度范圍。該工件具有一個(gè)延伸經(jīng)過一個(gè)散裝部分的表面。一個(gè)在輻射能量源的焊接波長下?lián)碛休^強(qiáng)的吸收和較高的消光系數(shù)的吸收劑染料沉積在上述工件表面上或上方，從而借助于一個(gè)載體限定了一個(gè)焊接區(qū)域，該載體具有必要的粘度，并可避免與焊接區(qū)域發(fā)生不適當(dāng)?shù)母缮婊蜃枞?。上述沉積物包括每平方毫米約5至約3000毫微克染料的大致均勻的密度，以提供可預(yù)測和前后一致的加熱，從而使上述工件可焊接。該焊接區(qū)域具有這樣的容量，能夠借助于在將至少一部分上述染料放熱分解成惰性不可見副產(chǎn)品之后緊隨的電子振動(dòng)松馳而將在上述焊接波長下約0.1焦/平方毫米的內(nèi)部輻射能量轉(zhuǎn)換成熱能，它們的組合能夠輸送(I)在上述散裝部分方向上導(dǎo)向的第一熱能量而將上述表面提升到上述表面的熔化溫度范圍，以及(II)在相反方向上導(dǎo)向的接近相等的熱能量離開上述散裝部分。上述染料、上述載體、上述副產(chǎn)品以及上述第一聚合物的上述表面都是可相互混合的。上述工件以及任何薄膜可由熱塑聚合物制成。染料可以是可見光吸收染料，近紅外吸收染料，或者它們的組合。如果載體是液體溶劑，它必須能夠溶解吸收劑染料以提供均勻的表面密度。如果液體載體在表面下面釋放吸收劑染料，它應(yīng)當(dāng)?shù)竭_(dá)足夠小的深度，以避免在焊接過程中發(fā)泡。在液體溶劑中，吸收劑染料存在于約1×10-2至約1-10-4克每毫升的濃度中，從而在溶劑蒸發(fā)后所述的表面沉積物密度范圍內(nèi)釋放染料。
根據(jù)本發(fā)明，這些和其它相關(guān)目的通過其第二實(shí)施例實(shí)現(xiàn)，它涉及工件的光學(xué)特性。
一種傳導(dǎo)增強(qiáng)制劑(或配方)，該制劑設(shè)置于具有第一散裝部分的第一輻射能量傳導(dǎo)工件的第一反射表面與具有第二散裝部分的第二工件的第二反射表面之間。兩個(gè)反射表面都由加熱時(shí)軟化的聚合物材料制成，其中以輻射能量源的焊接波長沿穿過制劑和散裝部分以及反射表面的光路的傳導(dǎo)率低于僅穿過散裝部分和反射表面的光學(xué)傳導(dǎo)率。第一和第二反射表面由具有重疊的熔化溫度范圍的聚合物制成，該傳導(dǎo)增強(qiáng)制劑包括一個(gè)包含輻射能量吸收染料的材料系統(tǒng)，該染料具有與輻射能量源的焊接波長相匹配的吸收帶。上述材料系統(tǒng)能夠通過連續(xù)的電-熱和化學(xué)-熱轉(zhuǎn)化活動(dòng)而將屬于制劑的上述較低的光傳導(dǎo)率導(dǎo)引成熱能，其中上述熱能可傳送到設(shè)置在與上述材料系統(tǒng)相同的光路中的反射表面中。上述熱能傳送能夠?qū)鲗?dǎo)減小反射表面一起焊接到一個(gè)傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域中，該傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域具有光學(xué)熔合在一起的散裝部分。
該傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域在可見光譜范圍內(nèi)呈現(xiàn)出的光傳導(dǎo)率大于僅通過這些部分和反射表面的傳導(dǎo)率。該傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域在可見光譜范圍內(nèi)的經(jīng)選擇的波長下呈現(xiàn)出的光傳導(dǎo)率大約比僅通過這些部分和反射表面的傳導(dǎo)率大10％，或者大1.1倍。
該傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域呈現(xiàn)出的光象傳導(dǎo)率比僅通過這些部分和反射表面的光象傳導(dǎo)率大約10％，或者大1.1倍。沿光路穿過制劑的光傳導(dǎo)率大約比通過這些散裝部分和反射表面的光傳導(dǎo)率低10％，或者低0.9倍。該材料系統(tǒng)可與上述反射表面相互混合，從而避免阻塞傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域?？上嗷セ旌闲允怯缮鲜鋈玖稀⑸鲜鲚d體、上述副產(chǎn)品和上述反射表面的Hansen可溶性參數(shù)的數(shù)字近似來測量的。上述數(shù)字近似的Hansen可溶性因數(shù)能夠使傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域中光傳導(dǎo)的阻塞最小。
根據(jù)本發(fā)明，這些和其它相關(guān)目的通過其第三實(shí)施例實(shí)現(xiàn)，它涉及在工件上形成輻射能量導(dǎo)控器。
一種對由第一聚合物制成的工件進(jìn)行預(yù)處理的方法，用于制備它用于一個(gè)高效穿透傳導(dǎo)輻射可焊接操作的唯一目的，該操作將工件熔合到由一種材料制成的配合板上，該材料在加熱時(shí)軟化并可從第二聚合物自由選擇，該第二聚合物與第一聚合物相同或相似，或者是至少易于與第一聚合物的表面局部相互混合的不同聚合物，其中聚合物具有重疊的熔化溫度范圍。在第一步驟中，形成一個(gè)基本上以層狀焊接區(qū)域形式的輻射能量導(dǎo)控器。成形包括下列步驟(I)選擇一第一聚合物，該第一聚合物在加熱時(shí)軟化，并包括一個(gè)散裝部分和一個(gè)延伸經(jīng)過該散裝部分的表面，(II)選擇一種染料，該染料在輻射能量源的焊接波長下具有較強(qiáng)的吸收和較高的消光系數(shù)，(III)選擇一個(gè)染料載體，該載體具有足夠的粘度從而限定焊接區(qū)域的邊緣，并避免不適當(dāng)?shù)馗缮婧附硬僮骰蜃枞罱K熔合部分，以及(IV)通過該染料載體將每平方毫米5至3000毫微克的染料沉積在工件表面上或上方。上述輻射能量導(dǎo)控器的容量能夠根據(jù)下列步驟在焊接操作過程中完成電、化學(xué)和機(jī)械轉(zhuǎn)化(1)借助于電子振動(dòng)松馳將在上述焊接波長下約0.1焦/平方毫米的內(nèi)部輻射能量轉(zhuǎn)換成熱能，(2)在緊隨上述轉(zhuǎn)化步驟之后將至少一部分上述染料放熱分解成惰性不可見副產(chǎn)品，以及(3)在上述轉(zhuǎn)化和分解步驟中，將第一能量釋放到散裝部分中，將該表面提升到第一聚合物的熔化溫度范圍，并在相反方向?qū)⒋笾孪嗟鹊牡诙康哪芰酷尫烹x開上述散裝部分。
從下面結(jié)合附圖所作的詳細(xì)描述中，將明白本發(fā)明的其它目的和特征。但可以理解，設(shè)計(jì)附圖僅是為了示意的目的，而不是對本發(fā)明的限制的定義，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)參照附屬權(quán)利要求。還應(yīng)當(dāng)理解，這些附圖并不是必然按照比例畫出的，且除非另有提示，它們僅是在概念上表示這里所述的結(jié)構(gòu)和程序。


在附圖中的全部視圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相似的部件圖1是根據(jù)本發(fā)明的預(yù)處理工件的透視圖，具有一個(gè)沿其一側(cè)的吸收劑染料表面沉積；圖2A是沿圖1中線II-II所取的表面沉積的放大剖視圖；圖2B是沿圖1中的線II-II所取的表面沉積另一個(gè)實(shí)施例的放大剖視圖；圖3是一個(gè)圖表，表示在工件預(yù)處理過程中各階段的傳導(dǎo)率曲線，以及在電磁輻射之后的傳導(dǎo)率曲線；以及圖4是工件和相配材料的多部件剖視圖，表示對應(yīng)于圖3中每個(gè)曲線的條件。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照附圖，特別是圖1，示出一個(gè)制備的工件10，該工件10設(shè)計(jì)用于在任何未來時(shí)間焊接到由兼容的聚合物制成的材料上的明確和最終目的。換句話說，工件10可以認(rèn)為是流程中加工，其中對工件進(jìn)行一些初始加工，并可保留在庫存中一段較長時(shí)間，等待進(jìn)一步的加工。本專利申請將覆蓋工件的設(shè)計(jì)和工程特征，它適于通過將表面層共同加熱到它們各自的熔化溫度范圍直到這些部件熔化并熔合在一起而粘結(jié)到一種材料上。雖然不是本申請的特定部分，但焊接過程由穿透傳導(dǎo)輻射能量焊接構(gòu)成。這種輻射能量可由大量能量源提供，包括在可見、近紅外和紅外光譜工作的激光器，以及紅外燈和紅外發(fā)射體。盡管激光器的帶寬一般窄于紅外燈，但這里使用的術(shù)語“焊接波長”表示吸收器和輻射能量源為釋放熱焊接能而共同具有的一個(gè)或多個(gè)波長。
工件和相配材料匹配性一般來講，根據(jù)本發(fā)明的工件是由熱塑材料或小組的熱固塑料制成的。還包括由塑料或塑料纖維或者具有塑料涂層的其它纖維制成的織物組織。本發(fā)明的工件設(shè)計(jì)能夠?qū)⑵浔砻嫒酆系揭粋€(gè)配合表面上，在與該表面相鄰的每個(gè)方向影響若干聚合物層。主要特征在于，至少工件的表面在加熱時(shí)軟化，而不是分解。相似地，配合表面應(yīng)當(dāng)在加熱時(shí)軟化。工件和適于焊接到其上的相配材料應(yīng)當(dāng)是易相互混合的聚合物，且應(yīng)當(dāng)具有重疊的熔化溫度范圍。
工件，染料及相關(guān)化學(xué)成分相容性盡管吸收劑染料可以如帶或膜的固態(tài)形式置于工件表面上，但特殊的應(yīng)用效果是由于液態(tài)形式涂抹而獲得的。盡管涂抹工藝不是本發(fā)明的一部分，但所產(chǎn)生的工件不應(yīng)當(dāng)由于提到有限數(shù)量的涂抹工藝而以任何方式被限制，因?yàn)橛赏磕üに囐x予的特征可以由多種涂抹工藝實(shí)現(xiàn)。例如，對于多種表面、形狀、工件類型、期望用途及其組合來講，液體分配或者噴墨打印分別提供不同方面的柔韌性、成本效率和涂抹均勻性。
對于液體形式涂抹，需要一種基本上溶解染料而形成油墨的溶劑。工程要求包括油墨的正確粘度、表面張力和印染時(shí)間，它們?nèi)寄軌蛴绊懭绾瘟己孟薅ê附訁^(qū)域的邊緣。在溶劑蒸發(fā)后，染料以及填加劑、溶劑殘留物和污染物一起保留在表面上。相似地，對于固態(tài)形式的涂抹，染料與構(gòu)成膜或帶的其它構(gòu)成物一起設(shè)置在表面上。如下面更詳細(xì)描述的，染料在焊接過程中會(huì)分解。因此要求填加劑、殘留物、污染物、其它構(gòu)成物、染料、分解產(chǎn)品以及涂抹工藝的其它副產(chǎn)品，全部易于混合在工件和相配材料的表面聚合物中。還要求這些成分中沒有哪一個(gè)例如由于熱沉或不匹配熔化溫度而干擾焊接過程，或者阻塞最終的焊接。
這些染料是在焊接波長下具有較高吸收和較大消光系數(shù)的可見光吸收、近紅外(NIR)吸收或者紅外(IR)吸收染料。與此同時(shí)，染料在激光波長以外的范圍內(nèi)，特別是在可見光光譜范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)具有較低的吸收和較低的染色。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，將一個(gè)可見光吸收染料與匹配的可見光傳導(dǎo)激光器一起使用?？商鎿Q地，將NIR吸收染料與NIR激光器一起使用。也可使用其它可見、NIR或IR輻射能量。盡管激光器在單一波長下工作，但I(xiàn)R燈和IR發(fā)射體可在多個(gè)波長下工作?？墒褂萌玖系慕M合來跨越包括該多個(gè)波長的的一個(gè)帶寬吸收。此外，可用一種染料的發(fā)熱能量來起動(dòng)第二染料的分解。不論使用的是一種還是多于一種染料，關(guān)鍵的要素是能量的高效轉(zhuǎn)換，以及焊接的光傳導(dǎo)成問題的低阻塞。
再次參照圖1和2A，工件10包括一個(gè)代表相互作用表面層的表面16。工件10還具有一個(gè)散裝部分14，它是表面16下面的散裝材料，代表工件10的一個(gè)非活性部分。工件10設(shè)計(jì)和制造用于焊接到相配材料12上的唯一和最終的目的。
吸收劑染料20沿表面16沉積。染料20的存在限定了一個(gè)焊接區(qū)域22。換句話說，焊接區(qū)域22是表面16的一個(gè)能夠焊接的區(qū)域。在任何未來時(shí)間都可通過正確地將相容的聚合物12放置成接觸表面16并將焊接區(qū)域22暴露于本發(fā)明范圍內(nèi)的一定的激光能量而沿焊接區(qū)域22獲得焊接。圖2A表示以單獨(dú)分子形式存在于表面16上的吸收劑染料，具有若干分子層的厚度。吸收劑染料溶解在適當(dāng)?shù)钠ヅ淙軇┲?，并涂抹于表?6上。根據(jù)溶劑相對于工件材料的侵蝕性，溶劑會(huì)導(dǎo)致染料若干分子層較深地浸入表面16中。當(dāng)這些表面層在焊接過程中熔化時(shí)，浸入的染料將在接合區(qū)域遇到熔化流。令人驚奇的是，申請人發(fā)現(xiàn)，輕微的浸入是可以接受的，只要熔化流區(qū)域隨后到達(dá)這些浸入染料分子。但如果染料進(jìn)一步浸入表面中，則它遠(yuǎn)離熔化流區(qū)域的加熱會(huì)導(dǎo)致發(fā)泡，這會(huì)阻塞焊接接點(diǎn)。
在圖2B的實(shí)施例中，由于首先將吸收劑染料加入薄膜中，然后將薄膜放到表面16上，完全避免了浸入。該實(shí)施例還避免了與染料/溶劑沿表面運(yùn)行從而減弱了焊接區(qū)域的邊緣銳度相關(guān)的任何問題。焊接區(qū)域的邊緣代表表面16的可焊接部分與不可焊接部分之間的邊界。
預(yù)處理實(shí)例圖3示出傳導(dǎo)圖形，其中曲線40是穿過放置于樣本工件10頂部的樣本相配材料12的傳導(dǎo)圖形。兩個(gè)樣本都由聚碳酸酯制成。接下來將含有1克每毫升吸收劑染料的溶液涂抹到工件10上，在其上形成一個(gè)焊接區(qū)域。曲線50是穿過放置于含有吸收劑染料的工件10頂部的相配材料的傳導(dǎo)圖形。
圖4表示相配材料12位于左側(cè)工件10位于右側(cè)的板關(guān)系的剖視圖。截面44對應(yīng)于曲線40。截面55對應(yīng)于曲線50，其中工件10可焊接，并代表在近紅外(NIR)和紅外(IR)范圍內(nèi)的最低傳導(dǎo)值。
后處理實(shí)例例再次參照圖3，曲線60是在激光輻射后穿過兩個(gè)板的傳導(dǎo)圖形，其中這些板沒有被夾在一起，導(dǎo)致沒有焊縫。曲線70是激光輻射后穿過兩個(gè)板的傳導(dǎo)圖形，其中焊接區(qū)域面向外，導(dǎo)致沒有焊縫。曲線80是激光輻射后穿過兩個(gè)板的傳導(dǎo)圖形，其中這些板被正確定位和夾持，產(chǎn)生成功焊縫。
圖4中，截面66對應(yīng)于曲線60，截面77對應(yīng)于曲線70。注意，吸收劑染料20部分或完全分解，但沒有產(chǎn)生焊縫。測試數(shù)據(jù)顯示，不正確夾持到相配材料66上的工件等同于工件77的不正確定位。在另一個(gè)測試中，制備Cyrolite丙烯酸來焊接到聚烯烴上。由于聚合物的熔化溫度范圍不重疊，工件不可焊接到相配材料上，從而防止相互混合的發(fā)生。截面88對應(yīng)于曲線80，其中染料已經(jīng)分解，工件10和相配材料12之間的反射邊界已經(jīng)熔合在一起。如曲線80中所示，傳導(dǎo)降低反射邊界的消除導(dǎo)致對于成功焊接截面88的最高傳導(dǎo)值。
圖3中，在940納米的示例性二極管激光焊接波長下，穿過兩個(gè)散裝部分和兩個(gè)反射表面的傳導(dǎo)率為81.9％，對應(yīng)于曲線40。引入制劑后的相同測量值為71.8％，對應(yīng)于曲線50。該差值約低10％，或者約低0.9倍。對應(yīng)于曲線60和70的錯(cuò)誤焊接具有約78.4％的傳導(dǎo)率，而對應(yīng)于曲線80的正確焊接擁有86.6％的傳導(dǎo)率。
以激光焊接波長為1064納米的釹釔鋁石榴石為例，穿過兩個(gè)散裝部分和兩個(gè)反射表面的傳導(dǎo)率是81.7％，對應(yīng)于曲線40。引入制劑后的相同測量值為69.1％，對應(yīng)于曲線50。該差值約低10％，更具體地約低12.6％。該差值約低0.9倍，更具體地低0.8倍。對應(yīng)于曲線60和70的錯(cuò)誤焊接具有約77.5％的傳導(dǎo)率，而對應(yīng)于曲線80的正確焊接擁有86.1％的傳導(dǎo)率。
示例性可見光譜測量波長為550納米，它還用作光象的近似。全部曲線40、50、60和70被分組在75.3％傳導(dǎo)率的0.3％范圍內(nèi)，表示在可見光譜上錯(cuò)誤焊接之后引入和分解的最小效果。正確焊接產(chǎn)生83.4％的傳導(dǎo)率。這對于在550納米的絕對測量以及對于光象近似高約10％和高1.1倍。下表1中概括了這些百分比傳導(dǎo)率值。
表1


使用不同的聚合物、不同的染料、不同的載體和不同的染料密度以及不同水平的輻射將具有不同的結(jié)果。在光學(xué)應(yīng)用中，這些值是典型的。也可使用其它激光器，包括在可見光譜下工作的激光器。
表2中列出在液體載體狀態(tài)下測量的7倍染料濃度的另一個(gè)例子。在較高波長下截面55的低值確認(rèn)了附加染料的存在。所有其它系數(shù)保持相同。焊接后，注意與表1中的相同測量相比，盡管在截面88中存在其它波長，但截面88中具有550納米的良好傳導(dǎo)率。因此，該例顯示部分放熱分解，實(shí)際上對于可見或光象傳導(dǎo)沒有影響。在這種染料濃度下，存在附加容量，從而在本發(fā)明的參數(shù)下，在焊接過程中使用更大量的熱能。
表2

在另一系列測試中，通過將特殊染料噴涂到聚亞安酯而焊接到聚碳酸酯上，以及在另一種情況下噴涂到PVC上而焊接到PVC上，在高濃度下對該特殊染料進(jìn)行測試。改變激光能和焊接速度以調(diào)節(jié)單位表面積的焊接能量，但不發(fā)生焊接。相信高濃度的染料及噴涂技術(shù)產(chǎn)生不均勻和/或超出本發(fā)明規(guī)定范圍的表面密度。當(dāng)以本發(fā)明規(guī)定的濃度將相同的染料均勻地加載到薄膜中時(shí)，在跨越10倍濃度的染料濃度，跨越3倍范圍的薄膜厚度，跨越2.5倍范圍的激光能以及跨越6.6倍范圍的焊接速度下，很容易地將PMMA板焊接在一起。在單位表面積焊接能方面，該范圍從0.7焦/平方毫米擴(kuò)展到11.4焦/平方毫米，大于16倍范圍，即6.6的2.5倍。
在本發(fā)明參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行的其它測試成功地將下面的成對材料焊接在一起
工件 相配材料MDPE薄膜 涂覆LDPE的紙板聚丙烯薄膜 ABA共聚多醚 PEN共聚多醚 聚丙烯將由相同聚合物制成的工件焊接到相配材料上更容易完成，包括聚碳酸酯，聚丙烯，PMMA，HDPE，乙縮醛，TPE，polyetherimide，PEEK，聚苯乙烯，尼龍和ABS。由于某些尼龍具有低于50％，甚至低于10％的傳導(dǎo)率，在10％數(shù)量級(jí)上測量傳導(dǎo)率的改變是不實(shí)際的。因此，由于即使在不透明部件的低傳導(dǎo)率下預(yù)測的行為還在發(fā)生，1.1倍和0.9倍傳導(dǎo)率在本發(fā)明的參數(shù)范圍內(nèi)很好地改變了在測量性能方面的工作。成功的焊接例如是用在下面的頻譜中工作的激光完成的釹釔鋁石榴石加倍532納米的可見光譜，紅寶石激光器694納米和可見二極管激光器670納米；近紅外GaAs激光器；808納米、940納米和980納米下的紅外二極管激光器；以及釹釔鋁石榴石1064納米。
如能夠看到的，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)和制造參數(shù)制備的工件向最終焊接工藝提供了較高的公差和寬度。因此根據(jù)本發(fā)明制備的單一工件可在不同功率水平下靈活地與不同的焊接激光器一起使用，并與不同的配合部件一起使用。它可用于要求高強(qiáng)度、高正確焊接確保度以及高光學(xué)或光象傳導(dǎo)值結(jié)合低阻塞的應(yīng)用中。此外，在根據(jù)本發(fā)明制備工件的過程中，可使用很寬范圍的染料和釋放載體，只要遵從可溶性規(guī)則。本發(fā)明的固有靈活性與通常將部件與阻塞顏料摻雜在一起的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相反，具有單一的顏料或染料濃度水平，或者將部件作為由相同材料制成的匹配對來處理。
因此，盡管已經(jīng)圖示、描述和指出了應(yīng)用于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的本發(fā)明的基本新穎特征，但可以理解，在不脫離本發(fā)明精神的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可對所描述的方法和所圖示的裝置在它們的應(yīng)用中進(jìn)行多種刪除、替換和修改。例如，明確表示的是，能夠以基本上相同的方式實(shí)現(xiàn)基本上相同的功能而達(dá)到相同結(jié)果的這些元件和/或方法步驟的全部組合都落入本發(fā)明的范圍中。另外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，結(jié)合本發(fā)明的任何公開形式或圖示和/或描述的設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)、它們的構(gòu)成物和/或元件和/或方法步驟，都可作為設(shè)計(jì)選擇的單體事宜而引入任何其它公開或描述或建議的形式或?qū)嵤├?。因此期望僅由附屬于它的權(quán)利要求的范圍來限定。
權(quán)利要求
1.一種可焊接的工件，它具有由第一聚合物制成的其表面，該第一聚合物在加熱時(shí)軟化而適于熔合到一種材料上，該材料在加熱時(shí)軟化并可從第二聚合物自由選擇，該第二聚合物與第一聚合物相同或相似，或者是至少易于與第一聚合物的表面局部相互混合的不同聚合物，其中第一聚合物和可自由選擇的第二聚合物具有重疊的熔化溫度范圍，該工件包括(a)所述工件具有散裝部分，所述表面延伸橫過所述散裝部分；(b)吸收劑染料，該吸收劑染料在輻射能量源的焊接波長下?lián)碛休^強(qiáng)的吸收和較高的消光系數(shù)；所述染料沉積在所述工件表面上或上方，從而借助于載體限定焊接區(qū)域，該載體具有必要的粘度，并可避免與焊接區(qū)域發(fā)生不適當(dāng)?shù)母缮婊蜃枞黄渲校龀练e物包括每平方毫米約5至約3000毫微克染料的大致均勻的密度，以提供可預(yù)測的和前后一致的加熱，從而使所述工件可焊接；以及(c)所述焊接區(qū)域具有這樣的容量，能夠借助于在將至少一部分所述染料放熱分解成惰性不可見副產(chǎn)品之后緊隨的電子振動(dòng)松馳而將在所述焊接波長下約0.1焦/平方毫米的內(nèi)部輻射能量轉(zhuǎn)換成熱能，它們的組合能夠釋放(I)在所述散裝部分方向上導(dǎo)向的第一種熱能量而將所述表面提升到所述表面的熔化溫度范圍，以及(II)在相反方向?qū)虻慕咏嗟鹊臒崮芰侩x開所述散裝部分；其中所述染料、所述載體、所述副產(chǎn)品以及所述第一聚合物的所述表面都是可相互混合的。
2.如權(quán)利要求1所述的工件，其特征在于，所述工件由第一熱塑聚合物制成。
3.如權(quán)利要求2所述的工件，其特征在于，該載體包括薄膜。
4.如權(quán)利要求3所述的工件，其特征在于，該載體包括熱塑材料。
5.如權(quán)利要求1所述的工件，其特征在于，該載體包括薄膜。
6.如權(quán)利要求4所述的工件，其特征在于，所述薄膜包括熱塑材料。
7.如權(quán)利要求1所述的工件，其特征在于，所述染料是從包括下列各項(xiàng)的組中選擇的可見光吸收染料，近紅外吸收染料，紅外吸收染料以及它們的組合物。
8.如權(quán)利要求1所述的工件，其特征在于，該載體包括溶解吸收劑染料的液體溶劑。
9.如權(quán)利要求8所述的工件，其特征在于，所述載體將所述表面下面的一部分所述吸收劑染料釋放到足夠小的深度，以避免在焊接過程中發(fā)泡。
10.如權(quán)利要求9所述的工件，其特征在于，所述吸收劑染料以每毫升液體溶劑約1×10-2至約1×10-4克的濃度存在，從而釋放該表面沉積密度。
11.如權(quán)利要求1所述的工件，其特征在于，所述吸收劑染料在從包括下列各項(xiàng)的組中選擇的焊接波長下?lián)碛休^強(qiáng)的吸收和較高的消光系數(shù)可見光譜焊接波長，N/R焊接波長，IR焊接波長以及它們的組合。
12.一種傳導(dǎo)增強(qiáng)制劑，該制劑設(shè)置于具有第一散裝部分的第一輻射能量傳導(dǎo)工件的第一反射表面與具有第二散裝部分的第二工件的第二反射表面之間，其中，兩個(gè)反射表面都由加熱時(shí)軟化的聚合物材料制成，其中，以輻射能量源的焊接波長沿穿過制劑和散裝部分以及反射表面的光路的傳導(dǎo)率低于僅穿過散裝部分和反射表面的光學(xué)傳導(dǎo)率，其中第一和第二反射表面由具有重疊的熔化溫度范圍的聚合物制成，其中該傳導(dǎo)增強(qiáng)制劑包括包含輻射能量吸收染料的材料系統(tǒng)，該染料具有與輻射能量源的焊接波長相匹配的較強(qiáng)的吸收和較高的消光系數(shù)；以及所述材料系統(tǒng)能夠通過連續(xù)的電-熱和化學(xué)-熱轉(zhuǎn)化活動(dòng)而將屬于制劑的所述較低的光傳導(dǎo)率導(dǎo)引成熱能，其中所述熱能可傳送到設(shè)置在與所述材料系統(tǒng)相同的光路中的反射表面中；其中所述熱能傳送能夠?qū)鲗?dǎo)減小反射表面一起焊接到傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域中，該傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域具有光學(xué)熔合在一起的散裝部分。
13.如權(quán)利要求12所述的制劑，其特征在于，該傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域在可見光譜范圍內(nèi)呈現(xiàn)出的光傳導(dǎo)率大于僅通過這些部分和兩個(gè)反射表面的傳導(dǎo)率。
14.如權(quán)利要求13所述的制劑，其特征在于，該傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域在可見光譜范圍內(nèi)的經(jīng)選擇的波長下呈現(xiàn)出的光傳導(dǎo)率大約比僅通過兩個(gè)部分和兩個(gè)反射表面的傳導(dǎo)率大10％。
15.如權(quán)利要求13所述的制劑，其特征在于，該傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域在可見光譜范圍內(nèi)的經(jīng)選擇的波長下呈現(xiàn)出的光傳導(dǎo)率大約比僅通過兩個(gè)部分和兩個(gè)反射表面的傳導(dǎo)率大1.1倍。
16.如權(quán)利要求12所述的制劑，其特征在于，該傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域呈現(xiàn)出的光象傳導(dǎo)率大于僅通過兩個(gè)部分和兩個(gè)反射表面的光象傳導(dǎo)率。
17.如權(quán)利要求12所述的制劑，其特征在于，該傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域呈現(xiàn)出的光象傳導(dǎo)率大約比僅通過兩個(gè)部分和兩個(gè)反射表面的光象傳導(dǎo)率大10％。
18.如權(quán)利要求12所述的制劑，其特征在于，該傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域呈現(xiàn)出的光象傳導(dǎo)率大約比僅通過兩個(gè)部分和兩個(gè)反射表面的光象傳導(dǎo)率大1.1倍。
19.如權(quán)利要求12所述的制劑，其特征在于，該材料系統(tǒng)可與所述第一和第二反射表面相互混合，從而避免阻塞傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域。
20.如權(quán)利要求12所述的制劑，其特征在于，沿光路穿過制劑的光傳導(dǎo)率大約比通過這些散裝部分和反射表面的光傳導(dǎo)率低10％。
21.如權(quán)利要求12所述的制劑，其特征在于，沿光路穿過制劑的光傳導(dǎo)率大約比通過這些散裝部分和反射表面的光傳導(dǎo)率低0.9倍。
22.如權(quán)利要求12所述的制劑，其特征在于，所述染料是從包括下列各項(xiàng)的組中選擇的可見光吸收染料、近紅外吸收染料、紅外吸收染料及它們的組合。
23.如權(quán)利要求12所述的制劑，其特征在于，所述吸收劑染料在從包括下列各項(xiàng)的組中選擇的焊接波長下?lián)碛休^強(qiáng)的吸收和較高的消光系數(shù)可見光光譜焊接波長，NIR焊接波長，IR焊接波長以及它們的組合。
24.如權(quán)利要求12所述的制劑，其特征在于，化學(xué)-熱轉(zhuǎn)化包括將所述染料放熱分解成惰性不可見副產(chǎn)品，其中所述染料、所述載體、所述副產(chǎn)品和所述反射表面是可相互混合的。
25.如權(quán)利要求24所述的制劑，其特征在于，可相互混合性包括所述染料、所述載體、所述副產(chǎn)品和所述反射表面的Hansen可溶性參數(shù)的數(shù)字近似。
26.如權(quán)利要求25所述的制劑，其特征在于，所述數(shù)字近似的Hansen可溶性因數(shù)能夠使傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域中的光傳導(dǎo)的阻塞最小。
27.一種對由第一聚合物制成的工件進(jìn)行預(yù)處理的方法，用于制備它用于一個(gè)高效穿透傳導(dǎo)輻射可焊接操作的唯一目的，該操作將工件熔合到由一種材料制成的配合板上，該材料在加熱時(shí)軟化并可從第二聚合物自由選擇，該第二聚合物與第一聚合物相同或相似，或者是至少易于與第一聚合物的表面局部相互混合的不同聚合物，其中，第一聚合物和可自由選擇的第二聚合物具有重疊的熔化溫度范圍，該方法包括下列步驟形成一個(gè)基本上以層狀焊接區(qū)域形式的輻射能量導(dǎo)控器，包括下列步驟(I)選擇第一聚合物，該第一聚合物在加熱時(shí)軟化，并包括散裝部分和延伸橫過該散裝部分的表面，(II)選擇一種染料，該染料在輻射能量源的焊接波長下具有較強(qiáng)的吸收和較高的消光系數(shù)，(III)選擇染料載體，該載體具有足夠的粘度從而限定焊接區(qū)域的邊緣，并避免不適當(dāng)?shù)馗缮婧附硬僮骰蜃枞罱K熔合的部分，以及(IV)通過該染料載體將每平方毫米5至3000毫微克的染料沉積在工件表面上或上方；其中，所述輻射能量導(dǎo)控器的容量能夠根據(jù)下列步驟在焊接操作過程中完成電、化學(xué)和機(jī)械轉(zhuǎn)化(1)借助于電子振動(dòng)松馳將在所述焊接波長下約0.1焦/平方毫米的內(nèi)部輻射能量轉(zhuǎn)換成熱能，(2)在緊隨所述轉(zhuǎn)化步驟之后將至少一部分所述染料放熱分解成惰性不可見副產(chǎn)品，以及(3)在所述轉(zhuǎn)化和分解步驟中，將第一能量釋放到散裝部分中，將該表面提升到第一聚合物的熔化溫度范圍，并在相反方向?qū)⒋笾孪嗟鹊牡诙芰酷尫烹x開所述散裝部分。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述工件由第一熱塑聚合物制成。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，該載體包括薄膜。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，該載體包括熱塑材料。
31.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，該載體包括薄膜。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，所述薄膜包括熱塑材料。
33.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述染料是從包括下列各項(xiàng)的組中選擇的可見光吸收染料，近紅外吸收染料，紅外吸收染料以及它們的組合。
34.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述吸收劑染料在從包括下列各項(xiàng)的組中選擇的焊接波長下?lián)碛休^強(qiáng)的吸收和較高的消光系數(shù)可見光光譜焊接波長，NIR焊接波長，IR焊接波長以及它們的組合。
35.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，該載體包括溶解吸收劑染料的液體溶劑。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，所述載體將所述表面下面的一部分所述吸收劑染料輸送到足夠小的深度，以避免焊接后發(fā)泡。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述吸收劑染料以每毫升液體溶劑約1×10-2至約1×10-4克的濃度出現(xiàn)，從而輸送該表面沉積密度。
38.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，化學(xué)-熱轉(zhuǎn)化包括將所述染料放熱分解成惰性不可見副產(chǎn)品，其中所述染料、所述載體、所述副產(chǎn)品和所述反射表面是可相互混合的。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，可相互混合性包括所述染料、所述載體、所述副產(chǎn)品和所述反射表面的Hansen可溶性參數(shù)的數(shù)字近似。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，所述數(shù)字近似的Hansen可溶性因數(shù)能夠使傳導(dǎo)增強(qiáng)區(qū)域中光傳導(dǎo)的阻塞最小。
全文摘要
一種可焊接的工件(16)，通過在工件表面上沉積擁有較強(qiáng)吸收和強(qiáng)調(diào)消光系數(shù)的吸收劑染料(20)而制備。該染料以均勻的密度沉積，從而具有這樣的容量，能夠通過電子振動(dòng)松弛和放熱分解而將約0.1焦每平方毫米的內(nèi)部輻射能量轉(zhuǎn)化成熱能。在光學(xué)應(yīng)用中，工件形成具有高光象和光學(xué)傳導(dǎo)率的焊縫。一種處理工件的方法描述了用于選擇聚合物、染料和載體的方法。
文檔編號(hào)B29C65/00GK1652928SQ03802260
公開日2005年8月10日 申請日期2003年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月15日
發(fā)明者S·M·哈特利, R·A·薩拉范蒂 申請人:金特克斯公司