专利名称：：激光焊接的方法和组合物的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种激光焊接包含热塑性聚合物组合物的物体的方法，所述的组合物包含具有空隙的材料。发明背景经常期望制造模塑聚合物部件(parts),其可以机械装配成更复杂的部件。传统上，塑料部件通过胶合或螺拴将它们连接在一起或者使用搭扣配合(snap-fit)连接或者使用化学方式例如粘接剂来装配。这些方法具有缺点，即它们将复杂的另外的步骤增加到所述的装配方法中。搭扣配合连接通常并非是气密性的和液密性的，并且可能需要复杂的设计。更新的技术是振动和超声焊接，但是这些技术可能同样需要复杂的部件设计和焊接设备。此外，所述方法的摩擦会产生能够污染部件内部的尘屑。当涉及到敏感的电气或电子元件时，这是个特殊的问题。最近发展的技术是激光焊接。在这种方法中，两种待结合的聚合物物体在所使用的激光的波长下具有不同程度的光透射。一种物体在该激光光线的波长下是至少部分透明的(并被称为"相对透明的"物体)，而第二个部件吸收了大部分的入射辐射(并被称为"相对不透明的"物体)。每种物体具有接触面(fayingsurface)并且相对透明的物体具有相对于其接触面的对撞面(impingingsurface)。将接触面接触，由此形成结合点(juncture)。激光束对准相对透明的物体的对撞面，以便其通过该第一物体并辐照第二物体的接触面，使得第一和第二物体在接触面的结合点处被焊接。大致参见U.S.5,893,959,其在此引入作为参考，和JPS60-214931A以及JPS62-142092A。这种方法可以是非常干净、简单和快速的并具有非常强的、可易于再现的焊接和显著的设计适应性。但是，某些材料可能难于激光焊接，并且可能将不同的添加剂加入到组合物中来改善激光焊接能力。JP2004-250621A中描述了一种适于激光焊接的树脂材料，其具有平衡的优异的耐热性、空间稳定性和激光焊接能力。所使用的材料包含填料例如玻璃。JP2004-268427A描述了一种模塑聚合物制品，其包含第一聚合物模塑件和第二聚合物模塑件，第一聚合物模塑件具有对于500-1200nm波长的光线15-80%的透射率，第二聚合物模塑件由发泡模塑来制造并含有玻璃填料以及具有0.1-15%的光透射率。由于该第二模塑件可以用作激光焊接方法中的相对不透明的制品而不需要着色剂的加入，因此其可以以其天然的颜色来模塑。发明4既述这里公开并要求保护一种使用激光辐射将第一聚合物物体焊接到第二聚合物物体的方法，其中第一聚合物物体对于激光辐射是相对透明的，第二物体对于激光辐射是相对不透明的，所述的第一和第二物体各自具有接触面，第一物体具有与其接触面相对的对撞面，所述的方法包括步骤(l)使第一和第二物体的接触面物理接触，使得在其之间形成结合点，和步骤(2)用激光辐射来辐照第一和第二物体，以便该激光辐射撞击对撞面，经过第一物体并辐照第二物体的接触面，使得第一和第二物体在接触面的结合点处被焊接，其中所述的第二聚合物物体是由包括具有空隙的材料的热塑性聚合物组合物形成的。图l(a)是用于激光焊接中的两个试样的顶视图。图l(b)是被激光焊接的两个试样的顶视图。图2(a)是用于激光焊接加工中的相对不透明的试样的视图。图2(b)是用于激光焊接加工中的相对透明的试样的视图。图2(c)是被激光焊接的两个试样的侧视图。发明详述已经发现当至少一种热塑性聚合物与至少一种含空隙的材料熔融混合时，可以获得用于形成部件的热塑性组合物，该组合物可以使用低辐照能方便的进行激光焊接。本发明的热塑性组合物优选具有高的热导率。该组合物优选具有大约0.05到大约0.6W/mK,或更优选大约0.1到大约0.45W/mK的热导率。合适的热塑性聚合物的例子包括但不限于聚缩醛、聚酯(包括芳族聚酯和脂族聚酯)、液晶聚酯、聚酰胺、聚烯烃(例如聚乙烯和聚丙烯)、聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物(ABS)、聚苯醚、聚苯硫、聚砜、多芳基化合物、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯乙烯和间规聚苯乙烯。优选的是聚缩醛、聚酯和聚烯烃。具有低熔点的聚合物对于某些应用是优选的，因为它们可以用比具有更高熔点的聚合物更低的激光能来焊接。这可以降低焊接周期时间和能耗，其可以导致焊接成本的降低。所述的聚缩醛(也被称为聚甲醛)可以是一种或多种均聚物、共聚物或其混合物。均聚物是通过曱醛和/或甲醛等价物例如曱醛的环状低聚物的聚合来制备的。共聚物衍生自一种或多种通常用于制备聚缩醛的除了曱醛和/或曱醛等价物之外的共聚单体。通常所用的共聚单体包括乙缩醛和环醚，其导致了在聚合物链中引入了具有2-12个连续的碳原子的醚单元。如果选择共聚物，则共聚单体的量不超过20重量％,优选不超过15重量％,并仍然更加优选大约2重量％。优选的共聚单体是1,3-二氧戊环、环氧乙烷和环氧丁烷，这里1,3-二氧戊环是更优选的，并优选聚缩醛共聚物是其中共聚单体的量是大约2重量％的共聚物。同样优选的均聚物和共聚物是1)均聚物，其的端羟基基团是通过化学反应封端来形成酯或醚基团；或，2)共聚物，其是不完全封端的，但是其具有一些来自共聚单体单元的自由羟基端或者是用醚基团终止的。优选的均聚物端基是乙酸根和甲氧基并且优选的共聚物的端基是羟基和曱氧基。优选的热塑性聚酯(其具有，大部分或者全部，酯连接基团)通常衍生自一种或多种二羧酸(或它们的衍生物，例如酯)和一种或多种二醇。在优选的聚酯中，二羧酸包含以下中的一种或多种对苯二酸，间苯二酸和2,6-萘二羧酸，并且二醇组分包含以下中的一种或多种HO(CH2)nOH(1)，1,4-环己烷二甲醇，HO(CH2CH20)mCH2CH2OH(II),和HO(CH2CH2CH2CH20)zCH2CH2CH2CH2OH(III)，其中n是2-10的整数，m平均起来是l-4，z平均起来是大约7到大约40。要注意的是(II)和(m)可以是化合物的混合物，其中m和z分别可以变化并且由于m和z是平均数，因此它们不必是整数。其他可以用来形成热塑性聚酯的二酸包括癸二酸和己二酸。羟基羧酸例如羟基苯曱酸可以用作共聚单体。特别优选的聚酯包括聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(PET)、聚(对苯二曱酸丙二醇酯)(PTT)、聚(对苯二曱酸1，4-丁二醇酯)(PBT)、聚(2,6-萘曱酸乙二醇酯)、聚(对苯二甲酸1，4-环己基二亚曱基酯)(PCT)、具有聚(对苯二曱酸1，4-丁二醇酯)和聚(四亚曱基醚)二醇嵌段的热塑性弹性体聚酯(Hytre1⑧，E丄DuPontdeNemours&Co.,Inc.,Wilmington,DE19898USA)和任何这些聚合物与任何上述的二醇和/或二羧酸的共聚物。合适的聚酯还包括液晶聚酯。脂族聚酯的例子，包括但不限于，聚(s-己内酰胺)、聚(乳酸)、聚(琥珀酸丁二醇酯)和聚(琥珀酸乙二醇酯)。合适的聚酰胺可以是二羧酸或它们的衍生物和二胺，和/或氨基羧酸的缩合产物，和/或内酰胺的开环聚合产物。合适的二羧酸包括己二酸、壬二酸、癸二酸、十二烷二酸、间苯二酸和对苯二酸。合适的二胺包括四亚曱基二胺、六亚曱基二胺、八亚曱基二胺、九亚曱基二胺、十二亚曱基二胺、2-曱基五亚甲基二胺、2-甲基八亚曱基二胺、三曱基六亚曱基二胺、双(对氨基环己基)甲烷、间苯二曱胺和对苯二甲胺。合适的氨基羧酸是11-氨基十二烷酸。合适的内酰胺包括己内酰胺和月桂内酰胺。合适的聚酰胺包括脂族聚酰胺例如聚酰胺6;聚酰胺6,6;聚酰胺4,6;聚酰胺6，9;聚酰胺6,10;聚酰胺6,12;聚酰胺IO，IO;聚酰胺11;聚酰胺12;半芳族聚酰胺例如聚(间亚二曱苯基己二酰胺)(聚酰胺MXD,6),聚(十二亚曱基对苯二酰胺)(聚酰胺12,T)，聚(十亚曱基对苯二酰胺)(聚酰胺IO,T),聚(九亚曱基对苯二酰胺)(聚酰胺9,T)，六亚曱基对苯二酰胺和六亚曱基己二酰胺的聚酰胺(聚酰胺6，T/6,6);六亚曱基对苯二酰胺和2-甲基五亚甲基对苯二酰胺的聚酰胺(聚酰胺6,T/D,T);六亚甲基间苯二酰胺和六亚甲基己二酰胺的聚酰胺(聚酰胺6,1/6,6);六亚曱基对苯二酰胺、六亚曱基间苯二酰胺和六亚曱基己二酰胺的聚酰胺(聚酰胺6,T/6,I/6,6)和这些聚合物的共聚物和混合物。合适的脂族聚酰胺的例子包括聚酰胺6，6/6共聚物；聚酰胺6，6/6，8共聚物；聚酰胺6,6/6,10共聚物；聚酰胺6,6/6,12共聚物；聚酰胺6,6/10共聚物；聚酰胺6,6/12共聚物；聚酰胺6/6,8共聚物；聚酰胺6/6，10共聚物；聚酰胺6/6,12共聚物；聚酰胺6/10共聚物；聚酰胺6/12共聚物；聚酰胺6/6，6/6，10三元共聚物；聚酰胺6/6,6/6,9三元共聚物；聚酰胺6/6,6/11三元共聚物；聚酰胺6/6,6/12三元共聚物；聚酰胺6/6,10/11三元共聚物；聚酰胺6/6,10/12三元共聚物；和聚酰胺6/6，6/PACM(二对[氨基环己基]曱烷)三元共聚物。所述组合物中热塑性聚合物优选以基于该组合物总重量的大约50到大约99重量％,或者更优选以大约70到大约95重量％而存在。含空隙的材料优选具有大约2.5W/mK或更低的热导率，或者更优选大约1W/mK或更低的热导率，或者仍然更优选大约0.3W/mK或更低的热导率。含空隙的材料可以具有多种形状。为了增加强度，优选空心球形或空心小片体形状，并且更优选空心纤维形状。此外，优选将所述的含空隙的材料用硅烷或者钛酸盐(titanate)偶联剂处理来增强热塑性树脂和含空隙的材料之间的附着力。当所述的含空隙的材料是球形时，优选其具有大约5到大约500微米的平均直径。当所述的含空隙的材料是小片体或纤维形状时，优选它们具有大约7到大约50微米的平均厚度和大约100到大约2000微米的平均长度。所述的平均直径、长度和厚度可以使用纤维长度分布测量装置等来进行测量。优选含空隙的材料是无机材料，因为无机材料可以帮助增加被焊才妄的物体的刚度(rigidity)。一种优选的含空隙的材料是空心玻璃。优选的玻璃是硅酸盐玻璃(这里术语硅酸盐玻璃指的是含有一种或多种金属离子例如Na+、K+、Li+、Ca2+、Mg2+和/或Ba2+的二氧化硅)。空心玻璃优选具有至少5|am的空隙直径或宽度。多孔硅石(silica)是另外一种优选的含空隙的材料。所述的多孔硅石优选具有大约1.8到大约2.3g/cm3的比重。无定形硅石例如熔凝石圭石是优选的多孔硅石。一种合适的空心玻璃是GlassBubblesS60HS，获自Sumitomo3M。一种合适的珪石是SilicaMSR-2000，获自Tatsumori。在组合物中的含空隙的材料优选以基于组合物总重量的大约1到大约50重量％,或者更优选以大约5到大约30重量％而存在。该组合物可以任选的进一步包含染料和/或颜料例如炭黑和苯胺黑。当使用时，在组合物中的染料和/或颜料优选以基于组合物总重量的大约0.05到大约1重量％，或者更优选以大约0.1到大约0.6重量％而存在。组合物可以任选的进一步包含另外的组分例如一种或多种抗氧化剂，颜料，染料，热稳定剂，UV光稳定剂，耐侯稳定剂，脱模剂，润滑剂，成核剂，增塑剂，抗静电剂，阻燃剂，其他聚合物，等等。用于本发明中的组合物是熔融混合的混合物形式的，其中全部的母体中并且被聚合物母体所结合(bound),使得该混合物形成统一整体。该混合物可以通过使用任何熔融混合的方法将组分材料相结合来获得。组分材料可以使用熔融混合器例如单或双螺杆挤出机、掺合机、捏合机、辊筒、班伯里混炼机等等来混合，来得到树脂组合物。或者，部分的材料可以在熔融混合器中混合，然后可以加入其余的材料并进一步熔融混合。如本领域技术人员能够理解的，本发明的组合物制造中的混合顺序可以是这样，即单个组分可以在一个冲程中熔融，或者填料和/或其他组分可以从侧供料器中供给，等等。本发明的组合物可以使用本领域技术人员已知的方法来形成物体，例如，诸如喷射模塑法、挤出、吹塑、注坯吹塑、压缩模塑法、发泡模塑法、真空模塑法、旋转模塑法、压延模塑法、溶液浇铸法或其他方法。包含本发明的组合物的物体被激光焊接到其他物体并且在所述的激光焊接加工中是相对透明的物体或者，优选是相对不透明的800nm到大约1200nm范围波长2线的激光器。优:的激i器类型的例子是YAG和二极管激光器。优选的波长是近红外的，例如808、940、980nm,等等。用于在所述激光焊接方法中所用的相对透明的物体的组合物可以具有天然的颜色或者可以包含染料，其相对于激光焊接所用的光线的波长是足够透明的。这样的染料可以包括，例如蒽醌基染料。用于相对透明的物体的组合物优选包含玻璃纤维，其可以改进焊接强度。激光焊接的方法表示在附图中。参考图l(a)，使具有半重叠部分106的相对透明的物体102和具有半重叠部分106的相对不透明的物体104接触，使得在半重叠部分106之间形成结合点。物体102和104优选是固定不动的并通过使用例如夹子、空气压力或其他合适的方式(未示出)而稳固地保持在一起。参考图l(b)，激光光线114(由激光器(未示出)通过光纤IIO经由激光辐照器108而供给)沿着方向112通过相对透明的物体102的对撞面116。该光线通过相对透明的物体102并辐照相对不透明的物体104的半重叠部分106的表面，使得在物体104表面上的聚合物熔融并使得物体102和104在结合点处被焊接。当其沿着对撞面116扫描时，激光辐照器108的运动可以通过工业机器人的手臂(未示出)来控制，信息例如扫描路径被程序化到该机器人中。或者，物体102和104可以被固定到XYZ工作台并相对于固定的激光辐照器而移动。同样可以使用任何合适的备选的使待焊接物体和激光光线相对于彼此移动的装置。扫描速度根据待焊接材料可以不同。例如，对于聚烯烃树脂如聚丙烯而言，可以使用大约200到大约1000cm/min的扫描速度。另外，产生有效焊接所需的激光能量也可以根据待焊接的材料而变化。例如，对于聚烯烃树脂如聚丙烯而言，可以使用大约10-180W的激光能量。焊接路径可以是如图l(b)所示的线性的，或者可以采取不同的非线性或者部分非线性的形式。待焊接的物体可以采取广泛的多种形式和形状，例如圓盘、圓筒、半球形和不规则的形状。物体的对撞面也可以具有沿着焊接路径的均匀的厚度或者该厚度可以变化。虽然对于相对透明的物体在待激光焊接的点处的厚度没有特别的限制，只要能够进行焊接，但是在这样的点处的这样的部件的厚度优选是大约10mm或更低的，或者更优选大约0.5mm到大约4mm。的制品包括用于电气和电子应用的制品、汽车组件(automotivecomponent),办7>设备部件、建材、工业i殳备例如传送带的部件、医疗装置的部件和生活消费品例如玩具和体育用品的部件。汽车组件的例子包括发动机机舱组件、进气歧管、前舱部件(underhoodparts)、散热器组件(radiatorcomponent)、仪表盘组件(cockpitinstrumentpanelcomponent)。有用的电气和电子组件包括传感器外壳、个人电脑、液晶放映机、移动计算装置、移动电话等等。办公设备部件的例子是打印机、复印机、传真机等等的部件。实施例实施例1将聚丙烯(NovaTechPPMA3AH,由JapanPolypropyleneInc.制造)(94.4重量％)、空心玻璃(GlassBubblesS60HS,获自Sumitomo3M.)(5重量％)和炭黑(0.6重量％)在双螺杆挤出机中熔融混合。参考图2(a),将这个组合物注模成相对不透明的物体104。物体104具有80mm的长度和18mm的宽度。物体104的最厚的部分的厚度是3mm,在半重叠部分106处的厚度是1.5mm。参考图2(b),将聚丙烯(NovaTechPPMA3AH，由JapanPolypropyleneInc.制造)模塑成为具有与相对不透明的物体104相同的尺寸的相对透明的物体102。参考图2(c),使物体102和104相接触，使得在半重叠部分106之间形成结合点。使用由德国的Rofin-Sinar制造的运行在940nm波长并具有3mm的聚焦直径和500W最大功率的激光器(未示出)将物体102和104焊接在一起。激光光线114从激光器经由光纤110和激光辐照器108传导到物体102和104。在不同的试验中激光扫描速度在3-7cm/s的范围变化并且激光能量在10-40W的范围变化。所形成的焊接的拉伸剪切强度(tensileshearstrength)通过在由ShimadzuCorp.制造的拉伸强度测定仪中夹紧所得到的焊接制品的肩部并在该焊接制品的纵向施加拉伸力来确定。该测试仪以2mm/min的速率进行操作。将每个样品的拉伸剪切强度绘制成激光能量的函数。将点拟合成曲线。找出在该曲线上对应于曲线最大值的点(即最大焊接强度)并确定相应的最大剪切强度。计算对应于这个最大剪切强度的90%的值并找出在最接近y轴的曲线上的对应于90%的最大剪切强度的点。对应于该点的激光能量在本文中^^皮称作Fw并确定为O.脂mm2。实施例2实施例2依照在实施例1中所用的相同的程序来进行，不同的是使用15重量％的空心玻璃。F9o是0.08J/mm2。实施例3实施例3依照在实施例1中所用的相同的程序来进行，不同的是使用30重量％的空心玻璃。F9o是0.06J/mm2。实施例4实施例4依照在实施例1中所用的相同的程序来进行，不同的是使用20重量。/。硅石(SilicaMSR-2000,获自Tatsumori)来代替空心玻璃。F9o是0.10J/mm2。3十比例1对比例l依照在实施例1中所用的相同的程序来进行，不同的是聚丙烯(NovaTechPPMA3AH,由JapanPolypropyleneInc.制造)(99.4重量％)和炭黑(0.6重量％)在双螺杆挤出机中熔融混合并模塑成相对不透明的物体104。F卯是0.12J/mm2。每个实施例和对比例的结果汇总在表1中并且证明了当焊接包括含空心玻璃或硅石的聚合物组合物的物体时，获得高焊接强度需要使用较少的能量。这可以导致激光焊接操作中效率的增加和成本的降低。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>权利要求1.一种使用激光辐射将第一聚合物物体焊接到第二聚合物物体的方法，其中第一聚合物物体对于激光辐射是相对透明的，第二物体对于激光辐射是相对不透明的，所述的第一和第二物体各自具有接触面，第一物体具有与其接触面相对的对撞面，所述的方法包括步骤(1)使第一和第二物体的接触面物理接触，使得在其之间形成结合点，和步骤(2)用激光辐射来辐照第一和第二物体，以便该激光辐射撞击对撞面，经过第一物体并辐照第二物体的接触面，使得第一和第二物体在接触面的结合点处被焊接，其中所述的第二聚合物物体是由包括具有空隙的材料的热塑性聚合物组合物形成的。2.权利要求l的方法，其中所述的具有空隙的材料是空心玻璃。3.权利要求l的方法，其中所述的具有空隙的材料是多孔硅石。4.权利要求1的方法，其中所述的含空隙的材料具有2.5W/mK或更低的热导率。5.权利要求1的方法，其中所述的含空隙的材料具有1W/mK或更低的热导率。6.权利要求l的方法，其中所述的含空隙的材料具有0.3W/mK或更低的热导率。7.权利要求1的方法，其中所述的含空隙的材料是球形的并具有大约5到大约500微米的平均直径。8.权利要求1的方法，其中所述的含空隙的材料是小片体或纤维形状的并具有大约7到大约50微米的平均厚度和大约100到大约2000微米的平均长度。9.权利要求3的方法，其中所述的多孔硅石具有大约1.8到大约2.3g/cm3的比重。10.权利要求3的方法，其中所述的多孔硅石是熔凝硅石。11.权利要求1的方法，其中所述的热塑性聚合物组合物包括大约1到大约50重量％的具有空隙的材料，基于该组合物的总重量。12.权利要求1的方法，其中所述的热塑性聚合物是一种或多种选自聚烯烃、聚缩醛、聚酰胺和聚酯的。13.通过权利要求1的方法制造的激光焊接制品。14.权利要求13的制品，其是汽车组件形式的。15.—种用于激光焊接的树脂组合物，其包括含具有空隙的材料的热塑性树脂。16.权利要求15的树脂组合物，其中所述的具有空隙的材料是空心3皮璃或石圭石。17.权利要求15的树脂组合物，其中所述的具有空隙的材料是空心玻璃。18.权利要求15的树脂组合物，其中所述的具有空隙的材料以基于组合物总重量的大约1到大约50重量％而存在。19.权利要求15的树脂组合物，其中所述的热塑性聚合物选自聚烯烃、聚缩醛和聚酯。20.—种包含权利要求15的树脂组合物的制品。21.权利要求20的制品，其是汽车部件形式的。全文摘要一种使用激光辐射将第一聚合物物体(102)焊接到第二聚合物物体(104)的方法，其中第一聚合物物体对于激光辐射是相对透明的，第二物体对于激光辐射是相对不透明的，所述的第一和第二物体各自具有接触面，第一物体具有与其接触面相对的对撞面(116)，所述的方法包括步骤1.使第一和第二物体的接触面物理接触，使得在其之间形成结合点，和步骤2.用激光辐射来辐照第一和第二物体，以便该激光辐射撞击对撞面(116)，经过第一物体并辐照第二物体的接触面，使得第一和第二物体(102，104)在接触面的结合点处被焊接，其中所述的第二聚合物物体是由包括具有空隙的材料的热塑性聚合物组合物形成的。文档编号B29C65/16GK101291797SQ200680038912公开日2008年10月22日申请日期2006年10月19日优先权日2005年10月19日发明者H·纳卡穆拉,H·莫里,K·纳卡吉马,M·厄达,M·纳卡塔尼,T·瓦塔纳贝申请人:纳幕尔杜邦公司