激光束焊接方法及由其制造的成型部件的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2012年7月20日，申请号为"201210254358. 8"，发明名称为 "激光束焊接方法及由其制造的成型部件"的中国专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及热塑性部件特别是白色着色的部件的激光束焊接方法。此外，本发明 涉及通过这种方法由激光束焊接的热塑性成型部件组装而成的基本上白色的物体。
【背景技术】
[0003] 与塑料的其他接合技术相比，激光束焊接提供了广泛的优势，例如置于待接合的 成型部件上的机械负荷低并且热负荷限制在局部、以及对于焊缝几何形状的适应性高。原 则上，面向激光的成型部件必须能使激光辐射从其中穿透，同时另一成型部件必须在接近 表面的浅的穿透深度处吸收这一辐射，并在引入辐射的位置熔融。然后热传导导致能使激 光辐射从其中穿透的成型部件在接触面上也熔融，从而在冷却工序后产生牢固的粘合连接 的复合物。
[0004] 现有技术中有不同颜色组合的激光束焊接塑料成型部件的一些例子。从 等人的文章 "Laser Plastic Welding in all Colors"（其出现于 "Technische Rundschau'， （Technical Review)(Swiss Professional Media AG， Wabern， Switzerland) 第23期，2004年）可知，煤烟作为常规的黑色颜料，其优秀的吸收性使得透明/黑色的成型 部件的组合最适合激光束焊接。此外，该文章中引入具有高的近红外（NIR)吸收能力的添 加剂，其轻微的固有着色使它们适合与透明色调一起使用。现有技术中已知在聚合物组合 物中添加 NIR吸收增强剂。例如，US-A-2009/0130451提出一种特殊的可激光束焊接的聚 合物组合物，例如，其包含六硼化镧或氧化铯钨作为NIR吸收增强剂。它明确指出，如果不 含这些NIR吸收添加剂，则即使存在颜料，也不能获得可激光束焊接的组合物。从该文章中 不能明确看出在白色染色工序中添加剂对白度的影响程度。
[0005] 上述添加剂除了成本高之外，与它们的用途有关的技术费用也是不利的。此外，白 色的印象受到添加剂的固有颜色的负面影响。
[0006] W0-A-02/055287披露一种用于激光束焊接塑料的特殊方法，其在待接合的两个成 型部件之间提供额外的成型部件。该额外的成型部件包含具有吸收添加剂的层，并至少部 分地由激光辐射熔融。熔体冷却后，在待接合的成型部件之间产生结合。
[0007] US-A-2010/0301022披露一种方法，其中激光吸收染料最初被施加于第一基板。当 第一基板与第二基板接触后，由于施加的染料的吸收性能，这些基板可通过激光束焊接接 合在一起。
[0008] 消费者对于白/白的颜色组合的兴趣丝毫不少，白/白的颜色组合提出了特殊的 挑战。白色颜料如二氧化钛的高折射率引起激光的高度散射。因此，引入的辐射（如果有 的话）只有一小部分可被转化成熔融吸收连接参与体（partner)所需的热能。对于所列的 原因，W0-A-2009/000252指出，二氧化钛基本上不适合在基于激光的接合方法中用作增白 剂。
[0009] 当使用常规的激光技术进行激光焊接时，实际上视觉感知也为白色的白色着色的 部件在实践中的穿透性不足，这确实是事实。在980nm的使用激光波长下，这种部件的这种 不足的穿透性导致以下情况：激光根本不能穿透上覆部件并到达接合位点，这通常导致激 光在上覆部件表面上转化，并导致改变表面的熔融，并经常甚至导致黑色着色，即聚合物材 料的降解。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的尤其是提供用于激光束焊接热塑性部件特别是白色着色的部件的 方法。
[0011] 特别提出的是用于激光焊接至少在接合区相接触的两个塑料部件（以下称为部 件A和部件B)的方法，其中部件A面对激光束并在焊接过程中被后者穿透，部件B背对激 光束。
[0012] 这里背对激光辐射的部件（B)由具有至少0. 5重量％、特别是至少1. 5重量％、 优选至少3. 5重量％、甚至更优选5重量％、并且至多20重量％、特别是至多15重量％的 白色着色（white pigmentation)的塑料基体形成，并且面对激光束的部件（A)(在焊接过 程中激光束从其中通过）展现出塑料基体。这里塑料基体可优选透明的，但并不一定如此。 此外，部件A可为未着色的或展现出白色着色。如果部件A具有白色着色，则后者优选至少 0. 01重量％、特别是至少0. 3重量％、优选至少0. 5重量％、甚至更优选至少1重量％。如 果部件A具有白色着色，则后者优选至多5重量％、特别是优选至多3重量％。
[0013] 根据本发明，这里使用波长范围从1200至2200nm的激光进行焊接。工作优选发生 在1400至2000nm、特别优选1440至1500nm、最优选1440至1500nm或1910至1970nm的 波长范围内。与根据现有技术的其中这种过程通常发生在波长980nm的范围的方法相反， 已发现，较高的波长意外地使焊接过程成功，即使部件（B)有白色着色。人们原则上预期， 由于白色着色，部件（B)在暴露于激光辐射时表面变得被破坏，即使部件（A)将由未着色的 材料形成也是如此，而不会预期熔融将足够实现焊接的结合。正如意外的是，即使部件（A) 是着色的，该方法也可进行。
[0014] 这里该方法必须在同时满足下列条件或前提的情况下实施：
[0015] 1)激光束通过面对的部件（A)的光程（travel distance) (1)可为至多10毫米， 无论它是未着色的或是着色的。这里，激光束通过面对的部件（A)的光程（1)优选为至多 7毫米、或至多5毫米、尤其是3毫米；
[0016] 2)当部件㈧的白色着色以重量百分比（重量％ )表示时，以毫米计的激光束通 过面对的部件（A)的光程（1)与以重量百分比计的白色着色的乘积必须小于1.25。
[0017] 换言之，即使面对激光辐射的部件（A)是着色的，该方法也可成功执行。然而，这 时有一个条件，即面对激光辐射的部件（A)的着色被故意设置成比通常略低，但最优选还 是在确保视觉上的白色外观的水平。典型的情况是，面对激光辐射的部件（A)的白色着色 以重量百分比计为至少0.05%，优选至少0.5%。通过对比，部件（B)的高度着色也提高部 件（A)带来的白色印象。另一个条件是，激光通过面对激光的部件（A)的路径不太长，即， 该路径长度不能超过10毫米，并且上面定义的乘积必须< 1. 25,优选小于< 1. 00,最优选 小于<0.65。令人惊讶地发现，即使实现了视觉上充分的白色效果，激光也不表面上地损坏 部件（A)，足够的激光通过部件（A)，并且焊接位点被充分加热，以确保高品质的接合位点 的熔融和形成。本公开中述及以重量百分比计的白色着色必须总是理解为相对于产生总计 为100%的部件或部件的受影响区域的总质量的重量百分比份额。部件（A)和部件（B)两 者均可在不同区域由不同的材料形成；如果随后述及部件（A)或部件（B)，并且对后者有限 定，则这至少是指各整体部件的由激光接合工序影响的区域。
[0018] 如果根据所提出的方法的第一个优选实施方案的部件（A)展现出白色着色，则以 毫米计的光程（1)与以重量百分比计的白色着色的乘积最优选小于1，优选小于< 〇. 65,或 从0. 2至0. 8的范围，优选从0. 2至0. 6的范围，特别优选从0. 2至0. 5的范围。
[0019] 该方法的另一优选实施方案的特征在于，部件（A)和/或部件（B)不含NIR范围 的激光吸收添加剂，并且在这两个部件之间没有单独的含有这种材料的层或涂料。部件（A) 和部件（B)优选在接合位点处直接置于彼此顶部。特别优选的是，部件（A)和部件（B)两 者均基本上不含（即通常具有小于〇. 0001重量％ )、优选完全不合NIR范围的激光吸收添 加剂。该方法的另一优选实施方案的特征在于，在实施该方法时，激光束集中于焊缝。换言 之，激光束的优选集中在接合位点的平面中，从而在该位置处确保每单位体积的最高输入 功率。
[0020] 通常，优选使用的激光功率在从2至500W的范围，特别优选从5至200W的范围。 此外，通常优选在从100至7000毫米/分钟的范围的进给率下进行作业。特别优选的是， 每单位长度所使用的能量输入在从〇. 0005至0. 05J/mm的范围，优选0. 0007至0. 04J/mm， 特别优选从〇. 0009至0. 01J/mm。每单位长度的能量输入衍生自以W计的激光功率与以毫 米/分钟计的进给率的商