用于激光透射焊接的装置和用于激光透射焊接的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种对两个塑料连结件进行激光透射焊接的装置，涉及一种通过激光 透射焊接对两个塑料连结件进行焊接连接的方法，涉及一种可通过该方法获得的复合件， 并且涉及一种该复合件的用途。
【背景技术】
[0002] 大体上，对于有效地连结由塑料制成、特别是由不同的塑料制成的模制件存在多 种可能性。例如，可利用粘结或焊接方法通过实体对实体的连接而将两个模制件连结在一 起。焊接方法的示例是激光透射焊接。例如，该激光透射焊接适于焊接刚性注塑件上的膜， 所述刚性注塑件被用作体外血液处理的灌流器（cartridge)模块。
[0003] 通过利用激光进行的焊接方法的基本物理原理，要求所施加的激光的至少一部分 至少在一定程度上被待连结在一起的两个模制件中的至少一个的材料吸收，它可被转换成 热量并且该材料通过在由激光加热的位置处加热而熔化而变为液体并能够与第二模制件 的塑料材料有效连结（joint)。
[0004] 激光焊接方法的特殊形式，即激光透射焊接方法与其它焊接方法相比具有可快速 而有效地焊接该连结表面的甚为复杂的几何结构的优点。例如，连结匹配件（partner)可 在焊接期间被激光束完全辐射贯穿，即，激光辐射并不被吸收。此外，第二连结匹配件或其 件应该能够伴随着发热来吸收激光。通常，该辐射自连结匹配件的外表面发生。
[0005] 为焊接方法定界的参数是所用激光的波长和塑料在该波长下的吸收性能。特别 地，波长为610-840纳米的高功率二极管激光器和波长为约1050纳米的Nd :YAG固体激光 器或者用在可见光范围（400-750纳米）中或者用在红外线范围中。然而，还可使用波长为 约11，000纳米的CO 2气体激光器。
[0006] 当激光束击中待加热的塑料件时，激光辐射被反射、吸收和传输。穿透该塑料的辐 射强度的降低可根据称为布格定律（Bouguer law)依据材料深度进行描述。这里，输入强 度随着材料的深度而以指数方式降低。例如，激光焊接方法的基本原理在H. Potente等人 的"热塑性塑料的激光焊接（Laserschwei 0en von Thermoplasten) "（plastverarbeiter 1995,第9部分第42页及其后）中呈现出，在塑料（Kunststoffe) 87 (1997,第11页及其后） 中的F. Becker等人的"串联焊接方法的趋势（Trends bei Serienschwei 0verfahren)"中 呈现出以及在现代塑料（1997,第121页及其后）中由H. Puetz等人呈现出。
[0007] 在特定波长下激光透明的聚合物或塑料的吸收性能以及由此的透射可，例如，通 过混合吸收剂进行控制。这种吸收剂，例如，是碳黑并且还是在近些年已经研发出的特殊染 料。促使这种可控的吸收性能的一些染料是市售的并且被特别研发以被添加于聚合物混合 物，以便允许在预定波长下进行激光焊接。为此，可能的是利用在I. A. Jones等人的"红外 线染料的用于对塑料进行透射激光焊接的用途（Use of infrared dyes for Transmission Laser Welding of Plastics)"（技术大会2000会议论文集，第1166页及其后）中公开的 染料。
[0008] 大体上，对于将上述吸收剂（absorber)引入到待焊接的连结匹配件中、例如如引 入到膜中以及引入到硬质塑料件中存在若干种可能性。作为第一种可能性，吸收剂被添加 至硬质塑料件。在焊接期间，激光束被从膜侧引导到膜和硬质塑料件的设置上。在该过程 中，激光穿透该激光透明的膜并随后击中该硬质塑料件。该硬质塑料件含有吸收剂并在发 热的情况下产生连接于该膜的焊接连接。另一种可能性在于，例如诸如利用印制方法将吸 收剂施加为硬质塑料件与膜之间的功能涂层。作为选择，吸收剂还可被混合到膜中，以便在 激光透射焊接期间产生所需的焊接温度。
[0009] 在当前情况下，术语材料的"熔化（melting) "并不被理解为相变意义上的热力学 熔化，而是理解为材料的软化并且在焊接状况下获得塑料加工性。术语"熔化"可还涵盖膜 复合材料中的半晶质聚合物的热力学熔化。
[0010] 在塑料的焊接期间，不仅要将熔化能量引入到该材料中，而且还要将连结力施加 于于激光焊缝处连结的待连结件。在激光焊接中，这可借助于激光透明的压制工具或借助 于适用的夹持装置发生。
[0011] 为了通过激光透射方法来焊接膜，连结匹配件通常被彼此压靠，以便暴露于热量 的作用下熔化的聚合物适当流动并由此产生焊接。在柔性材料（例如诸如塑料膜）的激光 透射焊接期间，出现了连结匹配件自身并不具有足够大的硬度并且接触压力不能被经由连 结匹配件自身引导到焊接区域上的问题。因此，为了进行激光透射焊接，必须通过压制工具 来覆盖膜，该压制工具在焊接区域上产生适当的接触压力。如果压制工具并未被设计成是 激光透明的，则直接的激光辐射会是不可能的。
[0012] 用于对膜进行激光焊接的激光透明的压制工具是已知的。可使用可暴露于压力、 加压空气等的玻璃板、垫子、垫层，以便将压制力从一个方向施加到连结匹配件上并且以便 从与能够光学地穿透该压制机构的激光相同的方向进行辐射。
[0013] 特别地，该技术已经通过研发在暴露层中含有吸收剂的多层膜而得到改善。因此， 可通过吸收激光直接在两个连结匹配件的焊接区域上以局部有限的方式产生所需的焊接 温度。连结匹配件的整体稳定性被维持，这是因为无需使整个连结件在焊接区域中熔化。后 者是迄今为止使用的CO 2激光焊接中的情况。CO2激光能量的吸收在该方法中通过塑料材 料自身发生，并导致不仅仅在连结匹配件的接触区域中熔化。吸收剂材料的使用使得利用 高能激光成为可能，这是因为吸收能量的产生仅是局部有限的。因此，可在生产中获得较高 循环率。
[0014] 在用于体外血液处理或腹膜透析的灌流器模块的制造中，将膜焊接到刚性灌流器 本体（例如，WO 2010/121819、EP 0956876)上。这里，激光光斑必须在异形焊接过程中行 进精密的路径，以便能够仅在预定区段中在灌流器本体与膜之间进行连结。对于这些焊 接方法，例如选用已经提及的经由硅胶垫的压制作为压制装置。相关联的焊接方法在WO 2010/015380中予以描述。作为选择，压制可经由加压空气发生。
[0015] 然而，迄今为止所确立的焊接方法均仍旧具有缺点。经由加压空气进行的压制并 不能形成高接触压力。该缺点通过接受连结匹配件的更为强烈的熔化而被克服。然而，由 此延长了用于生产灌流器模块的制造时间，这在生产中是不利的。
[0016] 经由硅胶垫进行的压制导致需要利用高度洁净的周围环境和材料，以便获得用于 焊接位置的可充分接受的生产时间。嵌置在硅胶垫中的颗粒或由于静电吸附定位在连结 匹配件的表面上的颗粒伴随着激光的吸收产生了这种高热能，以致连结匹配件被焊穿。因 此，必须降低激光能，以便规避对于连结匹配件造成的可能的损伤，由此，生产时间会变得 过长。
[0017] 此外，其中将激光通过透明的玻璃球引导到连结匹配件上的焊接装置同样是已知 的。在该过程中，该透明的玻璃球以它可滚动的方式被安装。整个装置被经由该玻璃球定 位到连结匹配件上，以致通过该玻璃球将接触压力直接施加到焊接区域上。该装