专利名称：通过激光透射焊接方法生产复合体的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于焊接硬质塑料元件到多层膜的激光焊接方法，一种能够由此 获得的复合体以及一种在该方法中使用的复合焊接阵列装置。
背景技术：
原则上存在多种可能性以配合地连接由塑料，尤其是异性塑料制成的成形部件。 例如，两个成形部件能够以胶结或者焊接的方法被互相配合地连接。对于焊接方法，除了红外焊接(例如，参见W02005/080067)之外，激光辐射方式的 焊接近来被特别深入地进行测验。激光方式焊接方法的基本物理原理，需要将施加激光的至少一部分被互相连接的 两个成形部件中的至少一个的材料来吸收，并至少到这样的程度其能够被转化成热量并 且安置位置上被激光加热的材料通过加热变成流体，并可能提供跟第二成形部件的塑料材 料配合连接。激光焊接方法的一种特殊形式，即为激光透射焊接方法，跟其它焊接方法比较具 有这样的优点，即使连接表面具有复杂几何形状，其也能够被迅速地高效地焊接。在焊接的 时候，对于一个连接搭档部件而言，始终被激光束穿透地照射即激光辐射不能被吸收是必 需的。第二连接搭档部件或者第二连接搭档部件的部分必须能够吸收激光并产生热量。这 种照射通常从连接搭档部件的外部起作用。限制焊接方法的参数是所用激光的波长以及塑料在该波长下的吸收性能。尤其 地，在此种情况下，具有610-840纳米波长的高能量二极管激光器以及具有大约1050纳米 波长的钕-钇铝石榴石晶体(Nd:YAG)固态激光器在可见光范围(400-750纳米)或者在红 外光范围中被使用。但是，使用具有波长约为11000纳米的二氧化碳(C02)气体激光器也 是可能的。塑料的吸收特点以及由此导致的处理工艺依赖于所使用的激光辐射波长而具有 很大不同。塑料的异质性，例如，颜料，填充物或者加强材料，而且在部分结晶塑料情况下的 晶体上部结构，都会分散辐射的输入并尤其降低辐射进塑料的穿透深度。当激光束入射在要被加热的塑料部之上时，激光辐射被反射，吸收以及透射至不 同方向。根据所称的布格(Bouguer)定律，穿入塑料的辐射强度的降低能够依赖于材料深 度来描述。特别地，作为由塑料的辐射加热而导致的热分解的结果，一些问题会发生，尤其是 采用二氧化碳(C02)激光器的方式。这是与塑料的很差的热传导性必然相关的，因为塑料部 的表面温度经常迅速升高，其中存在热性材料分解的风险。[激光焊接方法的原理被描述， 例如，在 H · Potente 等人，"Laserschwei β en von Thermoplasten“ (Plastverarbeiter, 1995，第 9 期，第 42 页及以下)；F .Becker 等人，"Trends bei Serienschwei β verfahren”， 在 Kunststoffe 87，(1997，第 11 页及以下)；以及由 H · Puetz 等人，在 Modern Plastics 中(1997，第121页及以下)。]
在某种波长下激光可透过的聚合体或者塑料的吸收性能，还有因此导致的透射性 能，是可以控制的，例如，通过混合吸收体。这些吸收体例如可以是碳黑，也可以是近几年开 发的特殊染料。可以提供这样一种可控吸收性能的一系列染料在商业上是可得的，并且已经被 专门开发以被混合到聚合体混合物中来达到在既定波长下可以提供激光焊接的目的。对 于此目的，由I. A. Jones等人，在“对于塑料激光透射焊接的红外染料的使用”(”Use of infrared dyes for Transmission Laser Welding of Plastics")(Tech 2000 Conferenc Proceedings，第1166页及以下)中披露的染料也是可得的。原则上，有多种将上边所称的吸收体合并入要焊接的连接搭档部件的可能性，例 如，合并入膜中或者硬质塑料部件中。作为第一种可能性，吸收体被加入到硬质塑料部件中。在焊接的过程中，激光束被 从膜的一侧向膜和硬质塑料部件的阵列装置上导向。激光穿过这种激光可穿透膜并在之后照在硬质塑料部件上。硬质塑料部件包含吸 收体并随着热量的形成而建立与膜的焊接连接。然而，在硬质塑料部件中的吸收体的出现 导致如下的缺点。在硬质塑料部件的生产过程中，吸收体必须要被混合到硬质塑料部件中， 在硬质塑料部件比较大和/或具有比较复杂形状的情况下，就必须要使用大量的吸收体， 并且依赖于生产硬质塑料部件的方法，吸收体可能在硬质塑料部件中分布不均勻，并具有 这样的结果在焊接的过程中将导致不同的焊接温度对应于不同的材料质量。进一步的可能性是施加吸收体作为在硬质塑料部件和膜之间的功能涂层，例如， 通过印刷的方法。这种情况下，通过印刷方法吸收体被不均勻地施加的问题也会出现。更 进一步地，压印的层是敏感的并且在生产工艺过程中能够被损坏。两者都会在最终的不均 勻焊缝方面导致不同的材料质量。可选地，吸收体也能够被混合到膜中以在激光透射焊接的过程中产生需要的温 度。如下问题会出现在膜中均勻地分布的吸收体在照射区域的所有位置产生热量。这样， 膜的加热和“熔化”就不仅在膜的连接区域，而且在膜的反面发生，而膜的反面被按压工具 按压，这将导致粘在按压工具上。由于膜在其整个照射截面上被熔化，更进一步地，不再能 获得膜的尺寸的稳定性，这就意味着在拉伸应力下位于硬质塑料部件上的膜被减薄。更进 一步地，将导致焊接区域出现渗漏并导致更差的焊缝质量。由于吸收体均勻分布在膜中，如 下的问题也会出现由于激光束，热量的发展会变成太严重并且会发生灼烧凹点。上边所称 的这些问题能够通过将膜中吸收体的浓度设在低值的方式而避免。但是，这会意味着，依赖 于膜所使用的塑料，膜在连接区域的热量发展对于达到一种完全的焊接不再充足。关于上边提到的内容，这里通过膜“熔化”的意思是，并非在相变意义上的热力学 熔化，而是在焊接条件下膜的软化并获得一种可能的塑形工艺的过程。术语“熔化”也可以 包括在膜复合体中的特定晶体聚合体的热力学熔化。W002/092329 Al描述了一种用激光焊接膜到硬质塑料部件的方法，其中为了产生 在膜上的接触压力，玻璃或者塑料板被使用并且膜以及玻璃或塑料板对激光来说是可透过 的，塑料部是激光不可透过的。EP0472850 A2描述了一种激光焊接装置，使用这种装置，覆盖膜被焊接到作为硬 部的塑料容器，其中，覆盖膜被用按压工具机械地按压抵靠于塑料容器，并且按压工具具有窗口，利用该窗口而通过所用的激光。覆盖膜对于所使用的激光是可透过的，而塑料容器对 于激光是不可透过的。W001/80997 Al涉及一种生产具有众多凹坑的塑料板的方法，在该方法中膜和塑 料板被用激光焊接，其中，具有红外线吸收性能的材料被纳入到塑料板中。W02005/102588描述了一种激光焊接的方法，其包括设置邻近第二工件的第一工 件，其中第一工件具有不均勻的厚度，更进一步地，该方法包括设置邻近第一工件的补偿 板，这样第一工件和补偿板的合成厚度实质上是均勻的，并且该方法还包括将第一工件和 第二工件的激光焊接。第一工件对于所使用的激光是可透过的而第二工件对于激光是不可 透过的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种通过激光透射焊接生产复合体的方法，这种方法 没有背景技术的方法中所述的那些缺点。更进一步地，根据本发明，用这种方法可获得的一 种复合体以及在这种方法中使用的一种复合焊接阵列装置被提供。获得这种目的方法包括以下步骤a)在硬质塑料部件上平坦地设置具有连接层的多层膜以使连接层紧靠硬质塑料 部件，其中连接层包含激光吸收体，b)用激光可透射的按压工具按压多层膜抵靠到硬质塑料部件上，以及c)用激光从多层膜的一侧照射在步骤b)中所获得的阵列装置。利用根据本发明的方法，具有连接层的多层膜被用作膜，其中的连接层包含激光 的吸收体。通过使用包含吸收体的连接层，焊接热量实质上只是在连接层以及紧靠连接层 的硬质塑料部件表面区域被产生。作为结果，多层膜可保持其尺寸的稳定性，因为只有多层 膜的部分被吸收体的激光吸收所熔化。用这种方式，膜的减薄或者焊缝的渗漏被避免。出乎意料地，根据本发明的方法，膜在焊接过程中可保持其尺寸的稳定。换句话 说，甚至是被焊接的膜的复杂浮雕结构在即使曝光于激光辐射情况下也可保持不变(例如 参加图2)。当使用本方法中的多层膜时，如下情形可能会出现如果硬质塑料部件不具有完 全平坦和平滑的表面由于多层膜的相对刚性，多层膜和硬质塑料部件之间将不会在所有区 域具有配合的连接。这可以是这种情况，例如，如果硬质塑料部件的材料公差没有被置以很 高的要求或者如果硬质塑料部件的异形(profiled)表面将被焊接到膜上。结果，在焊接的 过程中将会获得较低的焊缝质量。因此，根据本发明，在该方法的一个优选实施方式中，该方法还包括在多层膜和按 压工具之间平坦地设置柔性塑料部件的步骤。柔性塑料部件具有适应硬质塑料部件的轮廓 和表面不平滑性的性能，以及具有在按压工具的接触压力下按压多层膜抵靠在硬质塑料部 件的不平滑轮廓和表面的性能。由此，多层膜具有改善的焊接连接并导致获得更好的焊缝质量。在根据本发明方法的更为优选的实施方式中，柔性塑料部件由对所使用激光的波 长而言足够可透的硅橡胶制造。根据本发明方法的更为优选的实施方式中，按压工具是对激光可透过的玻璃板。
优选地，多成膜具有浮雕结构，尤其是六边形的浮雕区域。有益地，为了避免在激光焊接的过程中灼烧凹点的发生，该方法在保护气体下被 实施。根据本发明，用上边所描述的方法可得到的复合体，包括硬质塑料部件和多层膜， 该多层膜具有连接层，该连接层包含用于激光的吸收体，并且其中多层膜被连接到或者熔 融到硬质塑料部件以使连接层依附在硬质塑料部件上。
关于下列附图中的实施例，本发明被更为详细地解释，但是这并不是意图被理解 成对发明思想的限定。其由如下附图显示图1是根据本发明的一种复合焊接阵列装置的示意性代表；以及图2是一种被焊接的多层膜的浮雕结构的放大视图。
具体实施例方式根据本发明方法的一个实施方式，下边参考图1和2来解释根据本发明关于用该 方法可得到的复合体以及复合焊接阵列装置。根据图1，复合焊接阵列装置被根据本发明的一个实施方式而由硬质塑料部件1 形成，多层膜2平坦地设置在硬质塑料部件1上，柔性塑料部件3被平坦地设置在多层膜2 以及按压工具4上。任何在焊接时与相应的膜片能够充分地热力学兼容的可焊接热塑塑料都能够被 用作硬质塑料部件1的塑料。硬质塑料部件1优选地由聚丙烯形成。更为合适的材料例如 可以是聚乙烯，聚异戊二烯，聚乙烯对苯二酸盐/酯(PET)，聚碳酸酯，他们的混合物以及他 们的共聚物。多层膜2至少由2层膜组成，其中两个外部层中的一个是连接层。连接层依附在 图1所示的复合焊接阵列装置中的硬质塑料部件1上。自然，依赖于膜的功能(一种所谓 的复合层)，更多的层也可以被提供。连接层的配方设计与硬部的材料以可焊接的形式相匹 配。连接层通常具有比支撑层较薄的层厚以使得温度发展被容许尽可能地只在焊接区域的 邻近发生。太厚的连接层会在照射的过程中向整个复合膜导入太多热量。由此会危及复合 膜的尺寸稳定性。可以考虑连接层仅仅具有第二层或者复合层剩余部分厚度的十分之一。但是小于 1 5或者小于1 3的比例也是可以想到的。如果复合层或者其他层具有除了连接层之 外的具有相比较而言的高熔融性能的更多层，1 1的比例可以被优选地选择。举例而言这 可以这种情况由聚丙烯作为连接层以及由聚酰胺作为支撑层而制得复合体的情况。而例 如聚乙烯-对苯二酸盐/酯(PET)也可以被用作代替聚酰胺。在一个优选的实施方式中，其尤其可以被用在医药技术领域，连接层具有10-100 微米的厚度，主要包括95-100%的聚丙烯，该聚丙烯没有纳入吸收体。但是，依赖于焊接阵 列装置，用于连接层配方组成的不同的聚合体混合物也是可行的。非限制性的实施例是聚 合体或者C2-C10单体的共聚物，例如聚乙烯，聚丙烯，聚异戊二烯，以及丁二烯，具有苯乙烯团的烯-苯乙烯团共聚物等，这些在商业上是可得的，例如，在如下的商标下KRAT0N G 1652, KRATON G 1657, KRATON G 1726, KRATON FG 1901 以及 KRATON FG 1924。连接层包含激光的吸收体，该吸收体将激光照射吸收进多层膜2中并由此导致在 连接层以及在硬质塑料部件1和多层膜2紧靠该连接层的区域产生热量。例如所谓的红外线吸收体可以被用作吸收体。这些在红外线的范围内具有吸收性 能，因此在可见光范围内呈现可透过的性能，其在医药技术中使用该膜的时候尤其有益。由巴斯夫公司(BASF)的产品路玛近IR 788 (Lumogen IR 788)被优选地用作吸 收体。这种吸收体在连接层中的用量一般可以达到500ppn，优选地20-100ppm。但是其 它的可以吸收红外线范围的吸收体也可以使用。由巴斯夫公司(BASF)的产品路玛近IR 788 (Lumogen IR788)在788纳米具有最大的吸收性能。由此，考虑到这种情况，具有最接近发射波长的二极管激光器被选择作为激光器， 其具有808纳米的波长。对于要吸收940-960纳米范围的吸收体，可以选择例如钕-钇铝石榴石晶体激光 器(Nd:YAG激光器)。在一个实施方式中，多层膜2具有浮雕结构，特别地是具有六边形浮雕区域。图2 中示出了焊接多层膜的一种六边形浮雕区域。平坦的多层膜区域被分配用于形成焊缝。可 以理解，尽管在实施焊接方法的时候具有热量，但是膜的浮雕区域依然保持完整，这表明在 根据本发明方法的焊接过程中，多层膜保持尺寸的稳定。优选地，对所使用的激光可穿透的硅橡胶被用作柔性塑料部件3的材料，该柔性 塑料部件3根据优选的实施方式被使用。尤其地，一种所谓的硅衬垫被用作硅橡胶。这通 常具有肖氏值A为30到70的肖氏硬度。这种衬垫的厚度是> 1毫米，优选5毫米。更多 厚度也可以获得，例如8毫米，6毫米，10毫米。气垫或者充满流体的垫也可以使用。但是， 还可以使用其它的柔性塑料，前提是他们对于所用激光是可穿透的。优选地，对于所用激光可穿透的由玻璃制成的玻璃板被用作按压工具4。优选地， 按压工具4施加在多层膜2或者柔性塑料部件3上的接触压力在0. 1至2N/mm2的范围内。优选地，所用激光由二极管激光器产生，并尤其地具有808纳米的波长。特别地， 来自 Laserline Gmbh公司的Diodenlaser Laserline LDF 1000-500二极管激光器被使用。 根据图1，照射的激光6建立焊接区域5，在该焊接区域5中多层膜2的连接层的塑料以及 硬质塑料部件1的塑料被在其位置上熔化。在焊接区域冷却后，多层膜2和硬质塑料部件 1被互相牢固地焊接在一起。优选地，为了实施根据本发明的激光透射焊接方法，图1中所示的复合焊接阵列 装置被设置在保护性气体的气氛7中，通过该气氛可以可靠地防止在焊接过程中灼烧凹点 的发生。通过根据本发明的方法，其中使用了上边所描述的复合焊接阵列装置，如下的优 点可以被实现。因为多层膜的连接层中吸收体的存在，一种多层膜的大部分没有经过软化的被限 定焊接是可能的，因为温度的输入在位置上是被限制的。膜中预制的结构，例如浮雕区域， 出乎预料地被保持(图2)。通过使用柔性塑料部件，根据本发明进一步地可能不仅在平滑 的硬质塑料部件表面上实施焊接，而且在不平滑的以及具有轻微曲线的硬质塑料部件表面上实施焊接，其中粘性的多层膜也可以被用于焊接。这样对于连接搭档部件的公差只有很 小的要求。更进一步地，一种几乎是无灰尘的连接是可行的，并且在焊缝的边缘没有焊接渗漏。 因此，通过根据本发明的方法，可以获得一种视觉上以及机械上均可接受的焊缝。
权利要求
1.一种通过激光透射焊接生产复合体的方法，包括如下步骤a)在硬质塑料部件(1)上平坦地设置具有连接层的多层膜(2)以使连接层紧靠硬质塑 料部件(1)，其中连接层包含激光吸收体，b)用激光可透射的按压工具(4)按压多层膜(2)抵靠到硬质塑料部件(1)上，以及c)用激光从多层膜(2)的一侧照射在步骤b)中所获得的阵列装置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)和b)之间更进一步地包括在多层膜 (2)和按压工具(4)之间平坦地设置柔性塑料部件(3)的步骤，并且能够导致在步骤b)中 多层膜(2)由按压工具(4)以通过柔性塑料部件(3)的方式而被按压到硬质塑料部件(1) 上。
3.根据权利要求2所述的方法，其中柔性塑料部件(3)由硅橡胶制造。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中按压工具(4)是可透过激光的玻璃板。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中该方法在保护性气体下被实施。
6.复合体，包括硬质塑料部件(1)和平坦地连接到硬质塑料部件(1)的多层膜(2)，其 中复合体由根据权利要求1至5的方法获得。
7.复合体，包括硬质塑料部件(1)和多层膜(2)，其中多层膜(2)具有连接层，连接层 包含激光的吸收体；并且其中多层膜(2)被平坦地连接到硬质塑料部件(1)以使得连接层 依附在硬质塑料部件(1)上。
8.根据权利要求7的复合体，其中硬质塑料部件(1)由从包括了聚乙烯、聚丙烯、聚异 戊二烯以及它们的混合物及共聚物、聚乙烯对苯二酸盐/酯(PET)、以及聚碳酸酯的组中所 选择的塑料制造。
9.根据权利要求7或8的复合体，其中多层膜(2)的连接层由从包括了聚丙烯、聚乙 烯、聚异戊二烯、烯-苯乙烯团共聚物、它们的混合物以及它们的共聚物的组中所选择的材 料制造。
10.根据权利要求7至9之一的复合体，其中多层膜(2)中连接层之外的其它层由聚酰 胺和聚乙烯_对苯二酸盐/酯中的一种及以上制造。
11.根据权利要求7至10之一的复合体，其中连接层具有10至100微米的厚度。
12.根据权利要求7至11之一的复合体，其中激光的吸收体选自红外线吸收体，该红外 线吸收体能够吸收在770-1000内米范围内的红外线辐射。
13.根据权利要求7至12之一的复合体，其中连接层中的激光吸收体的用量相对于连 接层的重量为50至lOOppm。
14.复合焊接阵列装置，包括硬质塑料部件(1)；具有连接层的多层膜(2)，其中多层 膜(2)被平坦地设置在硬质塑料部件(1)上以使得连接层依附在硬质塑料部件(1)上，其 中连接层包含激光的吸收体；以及设置在多层膜(2)上可透过激光的按压工具(4)。
15.根据权利要求14的复合焊接阵列装置，其中柔性塑料部件(3)被平坦地设置在多 层膜⑵和按压工具⑷之间。
16.根据权利要求15的复合焊接阵列装置，其中柔性塑料部件(3)是由硅橡胶制造。
17.根据权利要求14至16之一的复合焊接阵列装置，其中按压工具(4)是可透过激光 的玻璃板。
18.根据权利要求14至17之一的复合焊接阵列装置，其中多层膜具有浮雕结构。
全文摘要
本发明涉及一种通过激光透射焊接来生产复合体的方法，包括如下步骤a)在硬质塑料部件(1)上平坦地设置具有连接层的多层膜(2)以使连接层紧靠硬质塑料部件(1)，其中连接层包含激光吸收体，b)用可透过激光的按压工具(4)按压多层膜(2)到硬质塑料部件(1)上，以及c)用激光从多层膜(2)的一侧照射在步骤b)中所获得的阵列装置；能够由该方法获得的复合体；以及在该方法中使用的复合部件焊接阵列装置。
文档编号B29C65/00GK102112294SQ200980130241
公开日2011年6月29日 申请日期2009年8月4日 优先权日2008年8月5日
发明者弗兰兹·库格曼, 托拜厄斯·韦伯 申请人:弗雷泽纽斯医疗保健德国有限公司