专利名称：热塑性树脂铸件的焊接方法
技术领域：
本发明涉及焊接重叠的热塑性树脂铸件的方法，更具体地涉及利用红外线照射焊接至少两个重叠的热塑性树脂铸件的方法。
背景技术：
在至少两个如树脂薄膜的热塑性树脂铸件的焊接中，非常希望在短的加工时间内获得优异表面特性的焊缝，而没有例如烧伤、热解和孔眼的任何不希望的热损伤的形成。为此，有益地是在短时间内，以形成用于在焊接表面附近进行焊接所必须的高温区域的方式，对叠置的铸件进行加热。人们已经开发了用于这种有效表面加热的如超声波焊接、高频焊接和红外线焊接的许多焊接方法。
在超声波焊接方法中，通过在焊接表面的机械振动，将由超声波振荡器产生的超声波能量转化为摩擦热，因此通过热的产生仅在焊接表面附近选择地焊接。但是，当要焊接的材料是柔软的树脂时，超声波能量在传递到焊接表面前明显地减弱，结果在大多数情况下不能充分进行焊接。
在高频方法中，由金属的高频振荡器模和支持件固定的树脂铸件立即产生热，同时利用介电损耗焊接在一起。在此情况下，高频振荡器模是由高导热金属材料制成，同时将要焊接的热塑性树脂膜表面层附近的热量有效地去除，以使树脂膜的表面层保持低温。结果，很好地抑制了上述热损伤的形成，同时焊接表面的表面特性即使在焊接加工后也没有改变。
该方法适用于加工例如聚氯乙稀、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇和尼龙树脂的高介电损耗树脂，但不太适用于加工例如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酯和氟树脂的低介电损耗树脂。
红外线焊接方法使用红外线作为热源，且用于高红外穿透树脂和非常低的红外穿透、即高红外吸收的树脂的结合的焊接。在下面的描述中，这些树脂分别被称为“穿透树脂”和“吸收树脂”。更特别地，穿透树脂铸件和吸收树脂铸件相互重叠在一起，红外线从穿透树脂一侧照射至焊接表面，而且利用由吸收树脂的红外线吸收产生的热仅对焊接表面附近进行加热而用于焊接。这一方法公开于日本专利申请2000-218698和WO02/00144A1中。
在该方法的情况下，使用0.8至0.96μm波长的半导体激光或1.06μm的Nd掺杂的YAG激光作为红外线源。
作为树脂，固有的高红外吸收的树脂或包括如碳黑的高红外吸收的无机颜料或菁基团的有机颜料的树脂，通常用作铸件。因此对在红外波长波段中高红外吸收的树脂进行加热。该方法需要使用红外穿透树脂和红外吸收树脂的组合，而且穿透树脂铸件需要直接朝向红外源，因此不可避免地限制了材料的选择和加工条件的自由。
在日本专利申请2000-71334中公开了一种新的方法，其中在一侧连接红外穿透金属板以使其暴露在红外线照射下，同时在焊接和树脂凝结后移去该板。
在该方法的情况下，通过连接的金属板可以将压力施加在要焊接的区域，焊接区域的强度高而且焊接区域的变形也小。然而，该方法基于在邻接的区域上进行焊接而且受到将要焊接在一起的铸件形状的限制。此外，尽管对表面区域进行焊接，表面特性的变化是不可避免的。
在日本专利公开号6-8032中也公开另一种方法，其中对红外穿透固体施加压力使其与在红外线照射一侧的热塑性树脂铸件接触，而且，在该排列中，将红外线从固体一侧照射至焊接表面。
在该方法的情况下，至少一个树脂铸件需要包括在用于焊接的焊接表面的直接加热下的加热介质，结果，该方法非常不适用于由于添加剂的掺杂通常易损坏的医学应用。
另外，日本专利公开号10-166451公开了一种新的方法，其中将空气吹送至热塑性树脂铸件的表面来抑制树脂铸件的熔融。但是，该现有技术中没有记载在利用红外线照射、红外能量的增强和高速焊接的系统中各种区域的控制方式。
发明概述本发明基于寻找到了具有高焊接强度和没有任何热损伤形成的优异的表面特性的树脂焊缝，在用于加工的热塑性树脂的软化温度或低于该温度下，通过控制在红外线入射一侧热塑性树脂铸件的表面温度获得了该树脂焊缝。
由下述特征(1)至(7)表现出本发明的特点。
根据特征(1)，将至少两个红外吸收热塑性树脂铸件进行接触，同时对树脂铸件进行红外线照射用于焊接树脂铸件。在该方法中，将热塑性树脂铸件A与热塑性树脂铸件B接触，从树脂铸件A一侧进行红外线照射，根据下述公式控制相应的加工温度Ts＜TmaTi≥Tm其中Ts是在红外线照射一侧树脂铸件A的表面温度，Tma是树脂铸件A的软化温度，Ti是树脂铸件A和B的焊接表面的温度，而Tm是具有最低软化温度的树脂铸件的软化温度。
根据特征(2)，将树脂铸件A、树脂铸件B和具有红外穿透区域并选自固体或液体材料的热释放材料C，以C/A/B的顺序进行接触，并从热释放材料C一侧进行红外线照射。
根据特征(3)，在移去热释放材料C时，按照下面的公式控制红外线照射的条件Ts2＞Ti2≥Tm其中，Ts2是在移去热释放材料C时，在红外线照射一侧树脂铸件A的表面温度，Ti2是树脂铸件A和B的接触区域的温度，而Tm是具有最低软化温度的树脂铸件的软化温度。
根据特征(4)，在热释放材料C具有固体红外穿透区域时，进行特征(2)或(3)的控制。
根据特征(5)，在27℃下热释放材料C的导热率为10W/m·℃或更高。
根据特征(6)，红外线是由二氧化碳激光产生的光束。
根据特征(7)，树脂铸件A和B不包括红外吸热助剂。
依照本发明的红外线焊接方法，在红外吸收树脂铸件的焊接时没有形成热损伤，因此提供了优异表面特性、高强度的焊接区域。因而，该方法能够满足所有目的的应用，同时承担高级的工业应用。
附图简要说明
图1是本发明的红外线焊接方法的一个实施方案中温度分布的示意图，图2是本发明的红外线焊接装置的一个实施方案的示意图，图3是用于本发明方法的实施例的二氧化碳激光焊接装置的透视图，图4是用于对比实施例的二氧化碳激光焊接装置的透视图，图5是在本发明实施例1中二氧化碳激光束照射一侧表面的显微图像，图6是在对比实施例1中二氧化碳激光束照射一侧表面的显微图像，图7是在本发明实施例1中二氧化碳激光束照射一侧表面的图示，图8是在对比实施例1中二氧化碳激光束照射一侧表面的图示，图9是在本发明实施例2中二氧化碳激光束照射一侧表面的显微图像，图10是在对比实施例2(激光输出＝1.5W，移动速度＝2mm/sec)中二氧化碳激光束照射一侧表面的显微图像，图11是在对比实施例2(激光输出＝0.6W，移动速度＝0.2mm/sec)中二氧化碳激光束照射一侧表面的显微图像，图12是在本发明实施例2中二氧化碳激光束照射一侧表面的图示，图13是在对比实施例2(激光输出＝1.5W，移动速度＝2mm/sec)中二氧化碳激光束照射一侧表面的图示，图14是在对比实施例2(激光输出＝0.6W，移动速度＝0.2mm/sec)中二氧化碳激光束照射一侧表面的图示，
图15是在本发明实施例3中二氧化碳激光束照射一侧表面的显微图像，图16是在对比实施例3(激光输出＝2W，移动速度＝2mm/sec)中二氧化碳激光束照射一侧表面的显微图像，图17是在对比实施例3(激光输出＝1.5W，移动速度＝0.2mm/sec)中二氧化碳激光束照射一侧表面的显微图像，图18是在本发明实施例3(激光输出＝12W，移动速度＝2mm/sec)中二氧化碳激光束照射一侧表面的图示，图19是在对比实施例3(激光输出＝2W，移动速度＝2mm/sec)中二氧化碳激光束照射一侧表面的图示，图20是在对比实施例3(激光输出＝1.5W，移动速度＝0.2mm/sec)中二氧化碳激光束照射一侧表面的图示，图21表示在本发明实施例6中使用的二氧化碳激光束的轨迹，图22是在本发明实施例7至9中使用的焊接装置的透视图，图23是在对比实施例4至9中使用的焊接装置的透视图，图24A至24C软聚烯烃管和聚烯烃树脂铸件的焊接区域的照相图。
本发明的最佳实施方案在本发明的基本原理中，其中将红外吸收热塑性树脂铸件A和B叠置用于从树脂铸件A一侧进行红外线照射，控制由红外线照射产生的热量和从树脂铸件表面释放的热量，以使不直接与焊接相关的树脂区域不会熔化。换句话说，根据下述公式控制红外线照射Ts＜TmaTi≥Tm其中Ts是在红外线照射一侧树脂铸件A的表面温度，Tma是树脂铸件A的软化温度，Ti是树脂铸件A和B的焊接表面的温度，而Tm是树脂铸件A或树脂铸件B的软化温度。
因此，应当小心地控制用于照射的红外线强度、照射时间、从与焊接表面相对的树脂铸件表面释放的热量和在树脂铸件中的热分布。特别是，对焊接表面的温度进行最佳控制是特别重要的，该温度与红外线照射一侧的树脂铸件的表面温度和可焊性有关。
由红外线照射产生的温度升高与树脂铸件中各种区域红外线的吸收量成比例。红外线的吸收量与入射的红外线强度的光吸收系数和树脂铸件的材料有关，并满足Lambert-Beer定律。每单位体积的树脂铸件的红外线吸收量在红外线入射表面区域最大，而在树脂铸件的内部区域下降。
树脂铸件中各种区域温度的升高速度由[(每单位体积和单位时间输入至每一区域的热量)-(从每一区域释放出的热量)]/比热来限定。然而，实际的温度是红外线初始照射时每一区域温度的函数。因此，通过在红外线照射的强度、照射时间、树脂铸件的光吸收系数、比热、导热率、从树脂铸件释放的热量和红外线初始照射时每一区域温度的基础上的估算，可以计算出实际的温度。
下面给出了估算公式的一个实例T/t＝k/ρc·(2T/x2)+Q/ρcQ＝|-βl0exp(-βx)|其中T是温度，t是时间，x是距离，k是导热率，ρ是密度，c是比热，l0是入射的红外线强度，β是吸收系数。
该公式是一种微分等式，其中在与树脂铸件A表面的距离为x的区域的温度T表示在照射时间t时的变化量。用红外线照射前的温度作为初始值，通过估算可以获得与树脂铸件A表面的距离为x的区域的温度T。
结果，能够很容易地计算出例如树脂铸件的种类、树脂铸件的厚度、红外线照射强度、用于使Ti等于或高于Tm以及Ts小于Tma的热释放材料的加工条件。通过适当的样品进行试验，可以确定红外线照射强度(单位时间、单位立方角度和每单位表面积的红外线能量)、照射时间、红外线照射的初始温度和从树脂铸件表面释放的热量的优选范围。
在本发明的焊接中，可以控制加工条件以使不需要熔化的树脂铸件表面区域不会熔化。
现在，参考附图将更加详细地解释本发明的方法。
图1示出了控制从树脂铸件表面热量释放的一个实施例。当来自红外线照射1的红外线2照射在树脂铸件A3和树脂铸件B4时，在光吸收系数、比热、照射温度和从树脂铸件3和4表面释放的热量的基础上，控制红外线强度。接着，树脂铸件3和4的温度表现出了如图1中所示的温度分布曲线5。能够控制树脂铸件3和4的焊接表面的温度等于或高于树脂铸件3和4的软化温度Tm 7，同时将树脂铸件3和4的表面温度控制在软化温度Tm或低于该温度。
例如，当热释放太小时，树脂铸件A和B的焊接表面的温度表现为分布曲线6。随后，因为树脂铸件A的表面温度变得高于树脂铸件A的软化温度，所得焊缝的表面特性就会由于如热损伤而下降。
通常，需要红外线照射源产生波长范围在0.7至1000μm内的红外线。此外还需要选择照射源，它能够产生合适的红外线光束的波长和功率以将树脂铸件的焊接表面加热到高于它们的熔化温度以上。
红外线灯或红外线激光器可以用作红外线照射源。关于红外线灯，产生波长等于或大于0.7μm红外线的卤素或氙灯是可使用的。至于红外线激光器，产生波长等于或大于0.7μm红外线的固体、半导体、气体、颜料和化学激光都可使用。
更特别地，产生在0.94至1.4μm范围内波长的红外线的掺杂Nd的YAG激光器可用作固体激光器。然而，产生在0.8至0.96μm范围内波长的红外线的AlGaAs激光器可用作半导体激光器。由于高输出(高于几十瓦)的YAG和半导体激光器可在市场上购得，可以将这些激光器与较宽的红外线吸收类型的热塑性树脂铸件结合使用。
对于如聚碳酸酯树脂、聚苯乙烯树脂和丙烯酸树脂的高可见光穿透树脂来说，由于其高加热功效，优选使用红外线波长在1.9至2.94μm范围内的固体型掺杂Ho、Er或Tm的YAG激光、以及红外线波长在9.1至10.9μm、更优选在9.3至10.6μm范围内的二氧化碳激光作为本发明的红外线照射源。特别地，对于各种各样的热塑性树脂来说，由于其高加热功效，二氧化碳激光适用于本发明的焊接中，而其高振荡器输出功率在几瓦至几十千瓦范围内。
考虑到形成树脂铸件的热塑性树脂的类型、焊接中的加工温度和热释放材料C的类型，选择这种红外线照射源。
根据树脂铸件的光吸收系数、比热、照射温度和照射范围，选择红外线输出功率。当使用下述的热释放材料时，高输出的红外线是可使用的。更特别地，能够在高红外线照射强度下使用热释放材料时进行焊接，而在不使用这种热释放材料时，要满足下面的公式Ts2＞Ti2≥Tm其中，Ts2是在不使用热释放材料C时树脂铸件A的红外线照射一侧表面的温度，Ti2是在不使用热释放材料C时树脂铸件A和B的焊接表面温度，Tm是较低软化温度的树脂铸件的软化温度。
对于根据本发明的来自照射源的红外线照射来说，可以使用光学反射镜、纤维、透镜和屏蔽作为选择性地照射至极小的区域，在热塑性膜宽的表面区域上自由的红外线扫描和利用脉动的计时控制。根据应用的类型可以自由地选择红外线照射的轨迹和方式。
根据本发明，使用相接触的至少两种热塑性树脂铸件，同时只要它们是红外线吸收的，任何类型的塑性树脂都是可使用的。这些树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚-4-甲基-1-戊烯、如乙烯-环烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物及其皂化衍生物的聚烯烃、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、如聚对萘二甲酸乙二酯的聚酯、如尼龙6、尼龙66、尼龙46、尼龙12和MXD尼龙的聚酰胺、聚苯乙烯、聚丙烯腈、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、氯乙烯、如聚偏二氯乙烯和聚全氟乙烯的卤素聚合物、聚丁二烯、如聚异戊二烯及其氢化衍生物的合成橡胶、如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯浇铸共聚物及其氢化衍生物的热塑性弹性体、液晶聚合物、聚氨酯、聚碳酸酯、聚砜、聚醚醚酮。
相结合的树脂铸件可以是相同或不同类型的，而且3种以上的树脂铸件可用于本发明的焊接中。
除了红外吸收性以外，用于本发明的热塑性树脂还需具有一定程度的红外穿透性，用于将有效量的红外线成功地送至焊接表面。
本发明的树脂铸件可均匀地包括不影响本发明基本目的、一定量的一种或多种如石墨、磁铁和碳黑的红外吸收组分，用于调节红外线吸收系数。但是，出于上述原因，它们的含量是受到限制的。在大多数情况下，从透明性、安全性、强度和卫生学的角度考虑，是不希望包含这些组分的。优选树脂铸件自身具有用于很好地生成热的内在红外吸收性。
可以将一些颜色或颜料加入到一种或多种树脂铸件中来改善其外观和图案。选择颜色或颜料的量以使其不影响本发明的基本目的，而且更具体地，是在最多5wt％的范围内，更优选最多3wt％，且更优选最多2wt％。
通过任何公知的现有技术的方法，可以制备应用于本发明焊接方法中的树脂铸件。更具体地，能够使用注射成型、吹塑、管塑、异型挤出成型、泡沫塑料成型、压塑、压延成型、挤出成型和浇铸成型。
树脂铸件可以有任何的形状，例如膜、板状、管状和球体。尽管每一个树脂铸件本身的厚度不受限制，但从焊接效率和焊缝的角度考虑，树脂铸件红外线照射区域的厚度优选在1μm至10mm的范围内，更优选10μm至1mm。
本发明的热塑性树脂铸件可以是单层和多层的结构。在多层结构的情况下，能够通过使用挤出层压或干式层压的公知的现有技术的方法制备该树脂铸件。
本发明的树脂铸件的软化温度是指在该温度下树脂软化或熔化的温度。一般地，熔点温度用于结晶的热塑性树脂中，而玻璃转化温度用于非结晶的热塑性树脂中。使用差示扫描量热法进行这些温度的测量。
当树脂铸件是多层结构时，焊接表面的软化温度是指形成焊接表面的树脂的软化温度。当相接触的树脂铸件的焊接表面的软化温度不同时，最低的软化温度作为在要求保护的公式中给出的软化温度Tm。焊接处焊接表面的温度Ti应等于或高于所述Tm，优选等于或高于进行焊接的树脂铸件的最低软化温度。
在本发明的焊接方法中，将树脂铸件A的红外线照射一侧表面的温度Ts，控制在低于形成树脂铸件A的树脂的软化温度Tma。在多层结构树脂铸件的情况下，上述软化温度是指形成树脂铸件表面区域的树脂的软化温度。在焊接时该表面温度应优选低于树脂表面的软化温度，更优选应为比其低10度的温度或高于上述软化温度。
在本发明的红外焊接中非常重要的是适当地控制环境温度。通常，环境温度越低，由树脂铸件释放的热量越高。这一过程是优选的，因为降低了树脂铸件A的表面温度。但是，过低的环境温度将产生热应力，因此导致在焊接时树脂铸件A和B的断裂。因此，需要仔细地控制环境温度。
为了保持树脂铸件A的红外线照射一侧表面的温度低于形成树脂铸件A的树脂的软化温度Tma，优选增加由树脂铸件A释放的热量。为此，优选将具有红外穿透区域的液体热释放材料的气体与树脂铸件A的红外线照射一侧接触。由于气体和液体的流动，液态热释放材料的使用提高了热释放能力。
根据本发明，在强制对流状态下使用气态热释放材料。空气和如氮气、氩气和氦气的惰性气体用作此类的热释放材料。从安全性和成本考虑，空气是最有益的材料。但是，从高热释放考虑，优选使用高导热率的氦气。由于其大的热容量，优选使用固体物质和液体，更优选使用那些高导热率的材料。
对于此类热释放材料C与树脂铸件A的接触时间没有特别的限制。接触可以持续至整个焊接过程或仅很短的时间。也可使用间歇的接触。
由于其有益的功能和成本，优选使用水作为液体热释放材料。由于其大的热容量，水是非常好的热释放材料，而且以短时间接触、雾化喷射和与空气混合的间歇接触的方式使用水。在水与树脂铸件A直接接触的情况下，优选树脂铸件是由低焊接吸收的树脂制成。即使当水具有强的红外吸收性时，也可以将在树脂铸件中细的流动通道的形成、或通过在固体热释放材料的红外穿透区域和树脂铸件A之间插入液体而增加厚度上，认为是红外穿透。在前述情况下，通过增加流动通道内液体的流速获得了高的热释放。
优选将固体红外穿透材料用于固体热释放材料C。本发明的红外穿透材料很好地抑制了树脂铸件A的表面区域的过热，通过热量的衰退操作防止了在焊缝表面上的热损伤，该操作能够有效地吸收由在树脂铸件A表面上的强烈红外吸收而产生的部分热量。
固体热释放材料优选为耐熔化和断裂的，所述断裂例如是由热震和既便在重复使用后用于容易地去除热的较低热储存量产生的裂缝。为此，固体热释放材料应当具有高度的红外穿透、高的导热性、高的机械强度和高耐热性。更具体地，导热率应为1W/m·℃，更优选等于或大于10W/m·℃。然而，通过提供例如上述的流动通道和与金属部件接触的适当的热去除系统，能够增加热释放。
尽管在材料导热率相对较低的情况下，通过增加穿透物体的厚度以及与热去除系统的连接，能够提供充分的热去除功能。本发明的固体热释放材料的厚度应当在10μm至100mm的范围内，更优选100μm至100mm。
红外线穿透固体材料基本上需要是红外线照射可穿透的，因此，红外穿透固体材料的类型根据要照射的红外线的波长而变化。推荐使用可产生波长等于或大于0.7μm红外线的卤素或氙气灯、可产生波长在0.8至0.96μm红外线的半导体激光器、可产生波长在0.94至1.4μm红外线的Nd:YAG激光器和可产生波长在1.9至2.94μm红外线的Ho、Er、Tm。
当使用YAG激光器作为红外线源时，优选固体材料应选自红外可穿透的氧化铝(Al2O3，导热率＝36W/m·℃)、红外可穿透的氧化铍(BeO，导热率＝270W/m·℃)、红外可穿透的氧化镁(MgO，导热率＝48W/m·℃)、红外可穿透的石英(SiO2，导热率＝1至10W/m·℃)和金刚石(导热率＝2000W/m·℃)。
当选择红外可穿透的石英时，在红外区域附近其红外线可穿透性非常高，但导热率通常很低。因此，在与红外可穿透的氧化铝、红外可穿透的氧化铍和红外可穿透的氧化镁相比时，在红外线照射过程中或之后，其热储存高，结果热去除效果却非常差。出于这些原因，优选使用红外可穿透的氧化铝、红外可穿透的氧化铍、红外可穿透的氧化镁和导热率高的金刚石。
当使用二氧化碳作为具有9.1至10.9μm红外线波长的红外源时，优选使用选自硒化锌(ZnSe，导热率＝19W/m·℃)、硫化锌(ZnS，导热率＝27W/m·℃)、硅(Si，导热率＝150W/m·℃)、砷化镓(GaAs，导热率＝54W/m·℃)和金刚石(导热率＝2000W/m·℃)的固体热释放材料。
也可以使用其它的红外线结晶材料和红外线玻璃材料，只要它们具有红外穿透性、高导热率、机械强度和耐热性即可。在此，红外线结晶材料和红外线玻璃材料是指结晶的无机材料和非结晶的无机材料。
优选红外线玻璃材料选自主要包含石英(SiO2)的石英类玻璃材料、主要包含氧化锗(GeO2)的锗酸盐类玻璃材料、主要包含氧化铝(Al2O3)的铝酸盐类氧化的玻璃材料、硫化物类玻璃材料和硫族化物玻璃材料。
尽管使用了本发明的热释放材料C，但几瓦至几十千瓦振荡器输出的高输出二氧化碳激光能够用作红外源。当使其具有高的机械强度时，本发明的热释放材料能够对树脂铸件A和B的接触表面施加压力，以使其保持稳定的接触，同时也很好地保护了树脂铸件A的表面。
也可以使用一个合适的支持件用于保护树脂铸件B。在红外线照射的过程中，支持件保持了树脂铸件和热释放材料的焊接表面的稳定接触，只要适用于该目的，对其形状和质量没有限制。例如，由钢、铝合金和铜合金制成的金属块或板可用作支持件。
当红外线通过树脂铸件到达支持件时，利用将支持件的表面制成镜子来有效地反射红外线，也可以对焊接表面进行适当的再加热。相反地，使用红外线吸收涂料或用于提高红外线吸收，可以对支持件在树脂铸件照射一侧的表面进行适当的表面处理。
支持件可安装在红外线照射一侧表面的橡胶缓冲层上。当树脂铸件的结构薄或热收缩高时，可能出现的树脂铸件表面的不均匀度可能导致热释放材料与树脂铸件间不充分的物理接触(接触压力和接触表面积)，因此产生了如空隙形成和明显的收缩的不希望的缺陷。在这类情况下，接触面上橡胶缓冲层的出现改善了物理接触状态。
优选橡胶缓冲层具有良好的耐热性。一个好的实例是硅橡胶，其肖氏A硬度是在40至90(根据JIS K 6253标准测量的)的范围内。优选其厚度为等于或大于0.1mm。
红外线照射一侧的表面层可以具有金属红外线反射薄层和橡胶缓冲层的叠置的组合。当与没有这种金属红外线反射层相比较时，能够很好地防止由于红外线穿过树脂铸件A而使橡胶缓冲层产生热。但是，选择与树脂铸件B的形状很好地补充的金属材料是非常重要的，以便由于使用橡胶缓冲层而不至于损害在物理接触上的改进。
这种金属红外线反射薄层的实例为厚度在1至100μm范围内的铝、铜和不锈钢箔。可以将固体热释放材料C和支持件安装在适当的热去除系统上，从而能有效地去除由于来自进行了红外线照射的树脂铸件的热传递而储存在它们中的热量。相反地，可提供一种适当的辅助加热器来保持系统恒定的温度。
至于压力的施加，可以使用利用螺纹夹具、弹簧、油压和液压的机械夹持装置以及手动夹持装置，在焊接过程中以保持静态压力。也可以使用动态的压力，其中除了静态压力以外，在红外线照射过程中，相接触的热释放材料和树脂铸件进行相对的移动。选择此类压力值以使在焊接后没有由于不充分的压力而产生例如空隙产生和裂缝形成的缺陷、或者没有由过度加压而产生的树脂铸件的断裂。压力值根据树脂铸件的类型和焊接条件而变化。通常，有效压力值应在0.01至10MPa之间。
由本发明方法制造的焊缝的实例为包、盒子、管子和软管。更具体地，焊缝是以由具有焊接边缘的两种热塑性树脂膜制造的包类的容器和具有焊接在开口上的塑料插塞的容器的形式给出。这些容器例如用于软体饮料。本发明的焊接也用于在其制造端焊接在一起的两根管子制造的延伸管的焊缝。通过焊接在其开口处，容器也可安装有一根管子。
实施例使用如图3所示的试验装置，对热塑性树脂膜进行本发明的焊接。二氧化碳激光器用作具有红外线波长为10.6μm、最大输出25W、连续振荡和光束直径约2mm的照射红外源1。具有19W/m·℃的导热率、50mm的直径、20mm的厚度和二氧化碳激光穿透率为99％的硒化锌圆柱体用作具有双表面抗反射涂层的热释放材料8。具有50mm直径和2mm厚度的黄铜圆板用作支持件9。
为了制备热塑性树脂铸件，利用螺纹型夹具在约0.1MPa的压力下通过加压，将两个叠置的热塑性树脂膜(35mm×35mm)紧紧地夹持在上述硒化锌圆柱体和铜圆板之间。该膜是由不适用于传统焊接方法焊接的材料制成。也就是说，该材料在高频波段的介电损耗低，由于其软化和熔点温度高而不适用于高频和超声波焊接。
膜组合的第一个实施例包括放置在红外线照射一侧、部分交联了热塑性弹性体(由Mitsui Chemical.Inc制造的Mirastomer6030N)的烯烃类膜和放置在相对一侧的聚丙烯膜，该烯烃类膜具有60的肖氏A硬度、160℃的熔点温度、6.7×103m-1的二氧化碳激光吸收系数和600μm的厚度，所述聚丙烯膜具有约130℃的熔点温度、3.1×103m-1二氧化碳激光吸收系数和190μm的厚度。
膜组合的第二个实施例包括两个四氯乙烯-全根皮烷氧基共聚物(PFA，由Daikinkogyo制造的Neoflon PFA)，其具有305℃的熔点温度、9.0×103m-1的二氧化碳激光吸收系数和70μm的厚度。这两个膜具有相同的特性和厚度。
第三个膜组合的实施例包括两个高熔点温度的液晶聚合物膜(LCP，由Sumitomokagaku制造的LCP-H125)，其具有在高频波段的低介电损耗、330℃的熔点温度、2.7×104m-1的二氧化碳激光吸收系数和25μm的厚度。这两个膜具有相同的特性和厚度。
在对比实施例中，使用如图4所示的没有热释放材料8、即固体红外穿透材料的二氧化碳激光器。进行下述的观测来判定焊接的膜。
使用数码显微镜(数码HF显微镜，由Kiience制造的VH-8000)来评价焊接和非焊接区域的表面特性。
使用粗糙度测量仪(由Tokyoseimitsu制造的Tarfcom 1400-3DF)来测量材料在垂直于包括焊缝的膜表面的厚度方向上的表面不均匀性。
至于焊接强度的测量，将15mm宽的测试样品放置在焊接的膜外面垂直于焊缝的方向上。利用具有卡盘内距离为20mm和拉伸速度为300mm/min的拉伸测试仪，对测试样品进行拉伸。记录导致断裂的最大载荷作为焊接强度。
实施例的描述实施例1使用上述第一个实施例的膜，即部分交联了热塑性弹性体的烯烃类膜3和聚丙烯膜4。将膜叠置在红外线照射一侧的弹性体膜上并移动至图3所示的装置中。在红外线照射开始的同时，在2mm/sec的移动速度、垂直于照射的方向上，将支持件移动超过约25mm以得到一个焊缝。在焊接过程中激光的输出为约7W，焊接后连续地取出焊接好的膜。对应于照射光束直径的焊接区域的宽度为约0.8mm。
对于焊接区域的表面特性的评估来说，使用数码显微镜观测焊接和未焊接区域的表面，其结果如图5所示。由粗糙度测试仪测量的垂直于焊缝的方向上的表面不均匀性如图7所示。在图5和图7中的结果表明，焊接区域事实上基本没有熔化和收缩，焊接区域的光滑度与未焊接区域的相似，并且仅在内部区域出现熔化和凝结。
实际上，目测也证实了焊接区域的透明和漂亮的状态。焊接强度为17N/15mm。在拉伸测试中，在焊接分界面上没有观察到分离。因此证明，与二氧化碳激光一起使用的红外线穿透固体材料提供了具有足够焊接强度的优异表面特性的焊缝。
对比实施例1如图4所示，使用没有硒化锌8的与实施例1相同的膜组合，通过与焊接表面的弹性体膜3相对的二氧化碳激光进行照射。利用螺纹夹具和树脂膜固定板将叠置的膜固定在支持件9上。在膜和固定板之间留有约5mm的间隔，以使焊缝沿轴线轴对称排列。用2mm/sec的移动速度和1至7W的激光输出进行照射。
当激光输出超过1W时，在弹性体膜的表面上产生了烟。当激光输出超过4W时，弹性体膜破损且很难成功地将它们焊接在一起。随后，将移动速度降低至0.2mm/sec同时改变激光输出用于进一步的测试。随着激光输出达到0.6W，膜表面刚刚可以焊接同时有烟产生。如图6和8所示，被照射表面的表面特性明显地降低，伴随着明显的颜色改变和厚度的下降。焊接强度为9N/15mm，在拉伸测试中观察到了焊接表面的分离。与实施例1中的结果比较，焊接区域的表面特性和焊接强度都明显地降低了。
实施例2使用具有四氯乙烯-全根皮烷氧基共聚物(PFA)的上述第二个膜组合。除了使用6W的输出以外，其焊接条件与实施例1的相同。焊接后，连续地将膜从装置中取出。对应于红外线光束直径的焊接区域的宽度为约1.4mm。
目测证实了在膜表面、内部区域的透明状态上没有出现熔化和收缩，而表面特性也基本没有变化。几乎不能区分焊接区域和未焊接区域。如图9和12所示，焊接区域的表面光滑度几乎与未焊接区域的相同。可以认为熔化和凝结仅出现在内部区域中。焊接强度为24N/15mm，在拉伸测试中没有观察到分离。证明产生了足够的焊接强度。
对比实施例2除了没有硒化锌热释放材料8以外，使用与实施例2相同的膜组合，并利用二氧化碳激光进行直接的红外线照射。与对比实施例1相同，将叠置的膜固定在利用螺纹夹具和树脂膜固定板的支持件上。在2mm/sec的移动速度下的焊接导致了在1W的激光输出下产生了烟，在1.5W的激光输出下开始焊接并在激光输出超过2W时膜破损。
膜的焊接区域的表面特性如图10和13所示，其中焊接区域明显比未焊接区域更不均匀，同时观察到明显的收缩。焊接强度为19N/15mm。随后，将移动速度降低至0.2mm/sec同时改变激光输出。在0.6W的激光输出下膜刚刚能焊接，但观察到明显的收缩，如图11和14所示。焊接强度为18N/15mm。进一步升高激光输出产生了烟并在激光输出超过0.8W时出现了部分断裂。在更高的激光输出下不能进行焊接。表面特性和焊接强度都比实施例2中的降低了。
实施例3使用第三个膜组合，即液晶聚合物(LCP)膜。除了激光输出为12W以外，焊接条件与实施例1的相同。焊接后连续地将膜从装置中取出，对应于激光束直径的宽度为约0.8mm。目测证实完全没有表面熔化和收缩。表面特性上的变化非常小，很难区分焊接区域和未焊接区域。如图15和18所示，可以认为红外线照射产生的熔化和凝结仅出现在内部区中。焊接强度为3N/15mm，所进行的焊接保持了良好的表面特性。
对比实施例3除了没有硒化锌热释放材料8以外，使用与实施例3相同的膜组合。与对比实施例1相同，将叠置的膜固定在利用螺纹夹具和树脂膜固定板的支持件上。使用2mm/sec的移动速度、超过1W的激光输出，引起膜表面上产生烟，并且焊接仅能在2W的激光输出下进行。如图16和19所示，在焊接表面上产生了明显的粗糙度，同时焊接强度低至1N/15mm。随后将移动速度降至0.2mm/sec同时改变激光输出。1.5W的激光输出刚刚能够焊接。如图17和20所示，在移动速度为2mm/sec的情况下焊接表面退化。焊接强度为2N/15mm。很难稳定地进行焊接同时保持良好的表面特性。
实施例4除了用硅圆板代替硒化锌圆柱体以外，使用如图3所示的装置，并将抗反射涂层涂覆在红外线照射一侧的表面上，所示硅圆板具有在27℃下150W/m·℃的导热率、50mm的直径、2mm的厚度和60％的二氧化碳激光的穿透率。将下述5层膜结构中的两个膜3和4叠置在一起，其每一个具有35×35mm的尺寸和150μm的厚度。第1、第3和第5层膜是由乙烯-α-烯烃共聚物(由Mitsui Chemicals，Inc.制造的Ultozex 2021L)制成的，该共聚物具有922kg/m3的密度、2.0g/10min的MFR(190℃)、120℃的熔点温度和1.1×103m-1的二氧化碳激光吸收系数。
第2和第4层膜是由乙烯-α-烯烃共聚物(由Mitsui Chemicals，Inc.制造的TafumarA-1085)制成的，该共聚物具有885kg/m3的密度、74℃的熔点温度和1.3×103m-1的二氧化碳激光吸收系数。
在膜叠置后，将膜插入到上述硅圆板和铜圆板中间。使用螺纹夹具来保持约0.1MPa的压力。在红外线照射开始的同时，在垂直于照射的方向上，将夹具以10mm/sec的移动速度移动约25mm以得到一个焊缝。激光输出为13W。在连续地红外线照射后，将焊接的膜从装置中取出，对应于照射光束直径的焊接区域的宽度为约2mm。焊接区域具有足够的强度、与未焊接区域相同的光滑度和优异的外观。本发明的焊接方法可确保即使在多层结构膜的情况下，进行具有漂亮表面外观和没有热损伤的优异焊接。
实施例5所使用的膜组合包括用于证明焊接结果的相同类型的5层膜。除了用石英玻璃圆板代替硒化锌圆柱体、连续振荡型的半导体激光源代替二氧化碳激光器以外，使用在图3中所示的装置，该石英玻璃圆板具有50mm的直径、7mm的厚度和在27℃下1.2W/m·℃的导热率，该半导体激光具有0.808μm的波长和1mm的光束直径。膜组合中包括聚丙烯膜，其具有130℃的熔点温度、含有绿色颜料、35×35mm的尺寸、190μm的厚度和2.3×103m-1的半导体激光吸收系数。
将叠置的五层膜插入在石英圆板和铜圆板之间，利用螺纹结晶保持约0.1MPa的压力。在焊接照射开始的同时，在垂直于照射的方向上，将夹具以6mm/sec的移动速度移动约25mm以得到一个焊缝。激光输出为5W。在照射后连续地将焊接的膜从装置中取出，对应于光束直径的焊接区域的宽度为约1mm。对叠置的五层膜进行了有效地焊接，在焊接表面上没有出现熔化和收缩，焊接区域的光滑度与未焊接区域的相同，其表面特性非常优异。本发明的方法能够确保良好的焊接，其使焊接表面具有漂亮外观同时在焊接表面上没有熔化和收缩。
实施例6在本实施例中，焊接是在更高的红外线密度、更高的速度和将红外线光束照射扫描在一个水平面上而进行的。在热塑性膜的平面内形成如直线和曲线的自由焊缝形状。
10.6μm的波长和6mm光束直径的二氧化碳激光器用作红外源，使用硅圆板作为固体热释放材料8，该硅圆板具有在27℃下150W/m·℃的导热率、305mm的直径、775μm的厚度和50％的二氧化碳激光穿透率，同时使用300×300mm尺寸和10mm厚的矩形钢板作为支持件9。
膜组合包括两个低密度聚乙烯膜，该膜具有120℃的熔点温度、300×300mm尺寸和240μm的厚度。从支持件9下边，以所述的顺序将聚乙烯膜3和4以及硅圆板叠置在一起。将2kg的钢环固定在硅圆板的周围，用于在支持件9和硅圆板8之间施加压力。将恒定激光输出设定在400至700W的范围内。将光束照射垂直向下对准焊接区域。沿着图21所示的轨迹在100mm/sec的速度下进行光束扫描。照射后连续地将膜从装置中取出。
可以确定获得了与图21所示的轨迹相一致的焊缝形状。当激光输出为700W时，对应于光束直径的焊接区域的宽度为约6mm。焊接表面没有熔化和热损伤。通过在具有高红外线强度和高速下的红外扫描，能够获得在膜平面内任意的焊缝形状和优异的表面特性的焊接区域。
实施例7至9作为本发明的一个应用，进行部分管状的热塑性树脂铸件的焊接。树脂铸件的组合包括软的聚烯烃树脂铸件3和聚乙烯树脂铸件4。由于软聚烯烃树脂铸件为管状，难以进行如热密封和脉冲密封的焊接。因此将一个管状区域插入到另一个管状区域的端部，并在插入区域的圆周上进行焊接。
图22状所示的焊接装置包括使用具有10.6μm波长和4mm光束直径的连续振荡型的二氧化碳激光器作为红外线照射源。使用硒化锌板(ZnSe)和硅板(Si)作为热释放材料8，该硒化锌板具有在27℃下19W/m·℃的导热率、双面抗反射涂层、99％的二氧化碳激光穿透率和7mm的厚度，该硅板具有在27℃下15W/m·℃的导热率、45％的二氧化碳激光穿透率和1mm的厚度。
将从二氧化碳激光器振荡产生的红外线光束穿过100mm焦距的圆柱形透镜，并在两个管子的插入区域上将其调节为具有约0.5mm短直径、4mm长直径的椭圆形光束。控制椭圆形光束以使圆管区域的轴线方向与光束的长直径方向一致。
所示具有部分圆管状区域的树脂铸件的尺寸和物理性能在表1中示出。在将树脂铸件固定在装置中以前，将聚乙烯树脂铸件(1.0×103m-1的二氧化碳激光吸收系数)的圆管区域插入到聚烯烃树脂铸件(2.6×103m-1的二氧化碳激光吸收系数)的圆管区域中。插入区域的长度在约10至12mm的范围内。如图24A所示，在约0.5kgf(4.9N)的压力载荷下将插入的区域夹紧在固体热释放材料和两个支撑的滚柱之间。通过水平地移动固体热释放材料，在来自激光器的红外线照射的同时旋转插入的区域。控制固体热释放材料使其在恒定的移动速度下沿水平方向移动。将焊接时间设定为与插入区域旋转一周的时间相同。表2列出了固体热释放材料和用于焊接的二氧化碳激光的细节。
在焊接的过程中检查出有烟生成，同时将产品从装置中取出利用数码显微镜观测其表面特性，即任何熔化和热损伤的出现。为了证明是成功的焊接，对插入区域进行密封测试。为此，通过焊接将聚烯烃圆管区域的端部予以封闭。在聚乙烯树脂铸件的端部形成了一个孔，用于补充压缩空气。随后将插入的区域浸渍在深度约为5cm的水浴中，在此状态下，通过在聚乙烯树脂铸件上的孔提供0.1MPa的压缩空气超过约60sec。检查插入区域的压缩空气的泄漏。
在焊接前对树脂铸件的插入区域进行密封测试时，观察到通过插入区域的间隙有猛烈的空气泄漏。空气泄漏的出现表明了焊接的成功。
在表2中的实施例7表明，在使用硒化锌的热释放材料、22W的激光输出(恒定)和40mm/sec的移动速度的焊接过程中，没有火焰和烟产生。在进行红外线照射的表面上没有观察到熔化和热损伤出现。实施例7的焊接区域在图24B中示出。空气泄漏测试的结果证明焊接完全成功。
其次，在表2中的实施例8表明，除了在降低的5.5W(恒定)的激光输出和5.5mm/sec的移动速度下以外，以实施例7中的条件进行焊接。在焊接过程中没有观察到火焰和烟的产生，同时在进行了红外线照射的表面上也没有观察到任何熔化和热损伤出现。密封测试的结果证明焊接完全成功。
随后，在表2中的实施例9表明，除了在22W恒定的激光输出和20mm/sec的移动速度下以外，以实施例7中的条件进行焊接。在焊接过程中没有观察到火焰和烟的产生，同时在进行红外线照射的表面上也没有观察到任何熔化和热损伤出现。密封测试的结果证明焊接完全成功。
对比实施例4至9在这些对比实施例中，除了没有使用热释放材料以外，其树脂铸件组合与前述的实施例相同。在固定的板18上形成一个开口用于红外线光束的通过。将树脂铸件的插入区域夹紧在固定的板和支撑滚柱17之间，在照射过程中，以恒定的移动速度在水平方向上使固定的板移动，以旋转插入的树脂铸件。红外线照射的时间与插入区域旋转一周的时间相同。如表2所示，在固定板的各种速度下进行焊接。
如表2所示，在22W恒定的激光输出和60至30mm/sec范围内的移动速度下进行焊接。与实施例5至9相比，在红外线照射过程中观察到有火焰和烟产生，同时在照射的表面上观察到了熔化和热损伤的出现。该结果的一个实例在图24C中示出(对比实施例8)。密封测试的结果表明未充分焊接。
从上述的实施例7至9中可以证明，即使对部分圆管的树脂铸件进行焊接，本发明焊接方法的应用能提供优异的表面特性而没有任何熔化和热损伤产生的密封的焊接。
表1
表2
本发明的工业实用性根据本发明，能够使红外线照射一侧树脂铸件的表面温度低于树脂铸件的熔化温度，因此，能够制造具有优异表面特性和高焊接强度的焊缝，同时在焊接表面上没有明显的收缩和热损伤形成。
权利要求
1.用于焊接热塑性树脂铸件的方法，其中将至少两个红外线可吸收的热塑性树脂铸件A和B叠置，使红外线照射在叠置的树脂铸件上用于焊接，其特征在于根据下述公式控制有关的加工温度Ts＜TmaTi≥Tm其中Ts是在红外线照射一侧所述树脂铸件A的表面温度，Tma是所述树脂铸件A的软化温度，Ti是所述树脂铸件A和B的焊接表面的温度，而Tm是最低熔化温度的树脂铸件的软化温度。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于将所述的树脂铸件A、树脂铸件B和具有红外线穿透区域并选自固体或液体材料的热释放材料C，以C/A/B的顺序进行接触，同时从热释放材料C一侧照射红外线。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于当移去所述热释放材料时，根据下面的公式控制红外线照射的条件Ts2＞Ti2≥Tm其中，Ts2是当移去所述热释放材料C时，所述树脂铸件A在红外线照射一侧表面的温度，Ti2是所述树脂铸件A和B的接触区域的温度，Tm是具有最低软化温度的树脂铸件的软化温度。
4.根据权利要求2或3的方法，其特征在于所述热释放材料C具有固体红外线穿透区域。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于在27℃时所述热释放材料C的导热率为10W/m·℃或更高。
6.根据权利要求1至5任一所述的方法，其特征在于所述红外线是由二氧化碳器激光产生的激光束。
7.根据权利要求1至5任一所述的方法，其特征在于所述树脂铸件B不包括红外吸热辅剂。
全文摘要
在利用红外线照射对至少两个叠置的热塑性树脂铸件进行的焊接中，将树脂铸件A和B接触，从树脂铸件A一侧进行红外线照射，并根据下面的公式控制有关的加工温度Ts＜Tma Ti≥Tm其中Ts是在红外线照射一侧所述树脂铸件A的表面温度，Tma是所述树脂铸件A的软化温度，Ti是所述树脂铸件A和B的焊接表面的温度，而Tm是最低熔化温度的树脂铸件的软化温度。根据本发明，能够获得具有高焊接强度的优异表面特性的焊缝，同时没有明显的收缩和热损伤的形成。
文档编号B29C65/16GK1582226SQ02822000
公开日2005年2月16日 申请日期2002年11月7日 优先权日2001年11月7日
发明者黑﨑晏夫, 又吉智也, 佐藤公俊, 加加美守, 梶原孝之, 田 中博士 申请人:黑﨑晏夫