JP2005515086A

JP2005515086A - 吸収色素の表面薄膜層を有することにより溶接可能とされた予備処理済ワークピース

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Publication number: JP2005515086A
Application number: JP2003559763A
Authority: JP
Inventors: スコットエムハートレイ、; エイサラヴァンティ、ロバート
Original assignee: ジェンテックスコーポレーション
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2005-05-26
Also published as: MXPA04006798A; US7344774B2; US20040038023A1; RU2004124842A; KR20040078124A; AU2003203032C1; US20030150543A1; CN1652928A; AU2003203032A1; CA2471876A1; US6770158B2; EP1472085A1; WO2003059619A1; US20070184279A1; EP1472085A4; BR0306913A; US7201963B2; CN100439093C; AU2003203032B2

Abstract

強い吸収能力と高い吸光係数を持つ吸収色素(20)をワークピース表面上に設けることにより得られる溶接可能なワークピース(16)。色素は均一な密度で設けられ、したがって、入ってくる約０．１Ｊ／ｍｍ^２を超える放射エネルギーをバイブロニックリラクセーションおよび発熱分解を介して熱エネルギーに変換することができる。光学的な適用において、ワークピースは高い明所視および光学的透過率を有する溶接部を形成する。ワークピースの予備処理方法はポリマー、色素および媒質を選択するステップを記述する。

Description

本発明は、将来溶接処理に消費されるという明確な目的のために吸収色素（absorber dye）の表面薄膜層（surface deposition）を有するように予備処理されたワークピースに関する。より詳しくは、例を見ないほどのエネルギー変換効率が照射中に得られるように設計されたワークピースの機械的および化学的特性に関する。

透過レーザ溶接（through transmission laser welding）によりプラスチック部品同士を接合する技術は公知であり、たとえば下記特許文献１に記載されている。ここでは溶接領域に沿って吸収性を増大させるために顔料を用いている。
米国特許第５８９３９５９号公報

しかしながら、ここに開示されている顔料は溶接処理後も残存するので、接合部の外観を低下させるという好ましくない問題がある。この特許では、低下した美観を補うために、上下両方の基板の全般に顔料を添加して接合の前後ともにこれらを不透明にしている。上の基板は１％未満の顔料濃度を有し、溶接レーザ波長において６０％以上の透過率を発揮するものとして記述されている。下の基板は１〜２％の顔料濃度を受け、透過率は無視できる程度である。

したがって、接合部における閉塞（occlusion）を最小に抑えることができ、さらに接合部に視覚上さらには光学上の透明性を与え、溶接領域のみに吸収色素が選択的に薄膜形成されることによって、吸収体により誘発される閉塞を残部に与えないようにし、色素が不活性・可溶性・不可視である副生物に分解されるような方法で色素を添加し、主として溶接波長で透過をもたらす吸収色素を用い、溶接波長から数的に離れた波長ではほとんど透過をもたらさない吸収色素を用い、可視スペクトル内ではほとんど透過をもたらさず、実施形態によっては可視スペクトル内において無透過または有益な透過効果をもたらす吸収色素を用いるところの、溶接可能ワークピースの設計的特徴および特性の範囲を規定することが望まれている。

カーボンブラック顔料を用いた適用と吸収色素を用いた適用の関係は、「高出力ダイオードレーザを用いたレーザビームによるポリマー溶接：ミクロ的およびマクロ的技術に対する接合イノベーション」と題するラセック（Russek）の論文にラインエネルギーの関数（function of line energy）として記述されている。この論文では、溶接中のギャップブリッジ（gap bridging）における問題を解決するためのモデルとして三次元容量熱力学法（three dimensional, volumetric thermodynamic process）を提案している。この試みの大きな欠点は、溶接部の断面に図６に示すエネルギー濃度分布が得られるように溶接を完了しなければならないことである。ラセックは単一のワークピース上の色素濃度について言及していないし、表面色素薄膜の固有能力に対応する表面積当たりのエネルギー範囲についても何ら示唆していない。ＰＣＴ／ＧＢ９９／０３２４１の公開公報には赤外線吸収色素を挟む２部材を溶接するための方法が開示されている。

したがって、自由に選択可能な相手方部材に対してフレキシブルに溶接可能なポリマーワークピースを得るための基本的要求事項を決定することが望まれる。

すなわち、本発明の目的は、このようなポリマーワークピースのための最小限の機械的および化学的要求事項について記述することにある。

本発明の他の目的は、このようなポリマーワークピースが理想的条件の下で持つ光透過特性を記述することにある。

本発明のさらに別の目的は、該ポリマーワークピースに対する電磁エネルギー放射器を形成するための方法について記述することにある。

これらおよび他の関連する目的は本発明の第一実施形態によって達成される。これらはワークピースのための機械的および化学的要求事項に関する。

その少なくとも表面が第一のポリマーで形成された溶接可能なワークピースであって、第一のポリマーは加熱により軟化して、第一のポリマーと同一または類似のポリマーであるかあるいは第一のポリマーの表面に対して少なくとも局部的に混和可能な異種のポリマーである第二のポリマーから自由に選択可能であってそれ自体も加熱により軟化するところの他の材料に溶着され、第一のポリマーと自由選択可能な第二のポリマーとはそれらの溶融温度範囲が重なり合っている。ワークピースは主体部を横切って延長する表面を有する。放射エネルギー源の溶接波長において強力な吸着性と高い吸光係数を有する吸収色素が表面上に析出ないし薄膜層となって、必要な粘度を有する媒質を介して溶接領域を定義する。媒質は溶接領域に対する過度の干渉や溶接領域の閉塞を防止する。薄膜層は約５〜約３０００ナノグラム／ｍｍ^２の概して均一な色素濃度を有し、予期可能で矛盾のない加熱によりワークピースを溶接可能にする。溶接領域は、溶接波長で入ってくる約０．１Ｊ／ｍｍ^２を超える放射エネルギーをバイブロニックリラクセーション（vibronic relaxation）を介して熱エネルギーに変換し、直後に色素の少なくとも一部を発熱分解して不活性で不可視の副生物を生成する。これらの組合せは、（ｉ）熱エネルギーの一定量を主体部から表面に上昇させて該表面をその溶融温度に加熱し、（ｉｉ）ほぼ等量の熱エネルギーを主体部から逆方向に搬送することを可能にする。色素、媒質、副生物および第一のポリマーの表面は互いに混和可能である。ワークピースおよびフィルムは熱可塑性ポリマーで形成することができる。色素は可視光吸収色素、近赤外線吸収色素、赤外線吸収色素あるいはそれらの組合せとすることができる。媒質が液体溶媒である場合、それは吸収色素を溶解して均一な表面濃度を与え得るものでなければならない。液体溶媒が吸収色素を表面の下方に移動させる性質を有するものである場合、それは十分に小さい深さに限られていて溶接中の気泡発生を防止するものでなければならない。液体溶媒中で吸収色素は約１×１０^−２〜約１×１０^−４グラム／ミリリットルの濃度で存在し、溶媒揮発後に色素が上述の表面薄膜濃度範囲内で残置されるものとする。

これらおよび他の関連する目的は、ワークピースの光学特性に関するものであり、本発明の第二の実施形態によって達成される。

第一の主体部を有する第一の放射エネルギー透過性ワークピースの第一の反射面と第二の主体部を有する第二のワークピースの第二の反射面との間に設けられる透過促進フォーミュレーション。両方の反射面は加熱により軟化するポリマー材料で形成され、放射エネルギー源の溶接波長においてフォーミュレーションと主体部と反射面とを通る光路に沿った透過率が主体部と反射面だけを通る光透過率よりも小さい。第一および第二の反射面はそれらの溶融温度範囲が重なり合ったポリマーで形成される。透過促進フォーミュレーションは、放射エネルギー源の溶接波長に対応した吸収帯域を持つ放射エネルギー吸収色素を含む材料システムを有する。この材料システムは、フォーミュレーションの属性としての低い光透過率を電子から熱への変換および化学から熱への変換を通じて熱エネルギーに移行させることができる。ここで熱エネルギーは、材料システムと同じ光路内に設けられた反射面に搬送される。熱エネルギー搬送は、透過率を低下させている反射面同士を、光学的に溶着される主体部を有する透過促進領域に溶接させる。

透過促進領域は可視スペクトル内において両方の部分および両方の反射面のみを通る透過率よりも大きな光透過率を示す。透過促進領域は可視スペクトル内の選択された波長において、両方の部分および両方の反射面のみを通る透過率よりも約１０％大きく、すなわち約１．１倍の光透過率を示す。

透過促進領域は両方の部分および両方の反射面のみを通る明所視透過率（photopic transmission）よりも約１０％大きく、すなわち約１．１倍の明所視透過率を示す。フォーミュレーションを通る光路に沿った光透過率は主体部および反射面を通る光透過率より約１０％小さく、すなわち約０．９倍である。透過促進領域の閉塞を避けるため、材料システムは反射面と互いに混和可能である。相互混和性は、色素、媒質、副生物および反射面のハンセン溶解性パラメータの数的近似性によって測定される。数的に近似したハンセン溶解性ファクタは、透過促進領域内での光透過率の閉塞を極小化できることを意味する。

これらおよび他の関連する目的は、放射エネルギー導波手段（radiant energy director）の設計に関するものであり、本発明の第三の実施形態によって達成される。

第一のポリマーから形成されたワークピースを、高効率透過放射エネルギー溶接処理により、第一のポリマーと同一または類似のポリマーであるかあるいは第一のポリマーの表面に対して少なくとも局部的に混和可能な異種のポリマーである第二のポリマーから自由に選択可能であってそれ自体も加熱により軟化するところの他の材料からなる相手方パネルに溶着するというもっぱらの目的のために予備処理する方法である。これらポリマーの溶融温度範囲は重なり合っている。第一のステップにおいて放射エネルギー導波手段が実質的に薄層の溶接領域として形成される。形成は、（ｉ）主体部と該主体部を横切って延長する表面とを含み、加熱により軟化する第一のポリマーを選択するステップと、（ｉｉ）放射エネルギー源の溶接波長において強い吸収能力と高い吸光係数を有する色素を選択するステップと、（ｉｉｉ）溶接領域のエッジを規定して溶接処理に対する過度の干渉および最終的に得られる溶着部の閉塞を回避するに十分な粘性を持った色素媒質を選択するステップと、（ｉｖ）色素媒質を介してワークピース表面上に５〜３０００ナノグラム／ｍｍ^２の色素を薄膜形成させるステップとを含む。この放射エネルギー導波手段は、（１）前記溶接波長で入ってくる約０．１Ｊ／ｍｍ^２を超える放射エネルギーをバイブロニックリラクセーションを介して熱エネルギーに変換するステップと、（２）この変換ステップの直後に前記色素の少なくとも一部を発熱分解して不活性で不可視の副生物を生成するステップと、（３）これら変換ステップおよび分解ステップの間、第一の量のエネルギーを主体部に搬送して表面を第一のポリマーの溶融温度範囲に昇温させるとともに、ほぼ等しい第二の量のエネルギーを主体部から離れる逆方向に搬送することによって、溶接処理中に電子的、化学的および機械的な変換を進行させる能力を持っている。

本発明の他の目的や特徴は添付図を参照して下記詳細な記述を熟読することによって明らかになるであろう。しかしながら、図面は唯一図解を目的として作成されたものであり、発明を限定するものではないことを理解すべきである。発明の限定については添付の特許請求の範囲が参照されなければならない。さらに、図面は必ずしも比例的に描かれてはおらず、特記されていない場合には、そこに示す構造や処理手順を単に概念的に示すにすぎないことを理解すべきである。

図面、特に図１を詳細に参照して、ここには、コンパチブルなポリマーで作られた材料に対してその後のいかなる時点であっても溶接されることを明確且つ最終的な目的とするように設計された予備処理済みワークピース１０が示されている。言い換えれば、ワークピース１０は、ある種の初期処理を経た後さらなる処理を受けるために長期間待機する、製造工程中の中間生成物と考えることができる。この特許出願は、このワークピースがある材料とともにそれらの表面層を各々の溶融温度域に相互加熱して該材料に融着させるために必要なワークピースの設計上および技術的な特徴をカバーする。この特許出願の固有部分ではないが、溶接処理は透過放射エネルギー溶接よりなる。このような放射エネルギーは、可視光、近赤外線および赤外線スペクトルにおいて作動するレーザや、赤外線ランプ、赤外線エミッタなどを含む各種の放射源から得ることができる。レーザの帯域幅は一般に赤外線ランプより狭いが、この明細書中で用いる「溶接波長」とは吸収体（absorber）および放射エネルギー源が熱溶接エネルギーを搬送するために共有する一または複数の波長を意味する。

ワークピースと相手方物質との適合性
本発明によるワークピースは一般に熱可塑性材料またはある種の小さなグループの熱硬化性プラスチックから製造される。プラスチックまたはプラスチック繊維あるいはプラスチックでコーティングされた他の繊維からなる織編物も材料に含まれる。本発明のワークピースの特徴的設計は、その表面を相手方の表面に融着させ、表面近くで幾つかのポリマー層を各々の方向に整列させることができることである。主な特徴はワークピースの少なくとも表面が加熱により分解ではなく軟化することである。同様に相手方の表面も加熱により軟化しなければならない。ワークピースとこれに融着するべき相手方材料は互いに混和可能（miscible）なポリマーでなければならず、相互に重なり合う溶融温度範囲を持つものでなければならない。

ワークピース、色素および関連する化学成分の適合性
吸収色素をテープ状またはフィルム状などの固形状にしてワークピース表面に配置することも可能であるが、これを液状にして適用することによって格別の有用性が発揮される。この適用方法は本発明の一部を構成するものではないが、多数の適用方法のいずれを採用するかによって付与される特性が異なるから、結果として得られるワークピースは、いかなる意味においても、幾つかの適用方法のみが記述されていることによって限定されるものではない。たとえば、液体投与（liquid dispensing）またはインクジェット印刷は各々異なる柔軟性、コスト効率および均一性を与え、色素を様々な表面、形状、ワークピースの種類、意図する用途およびこれらの組合せに対する適用を可能にする。

液状での適用のためには色素を実質的に溶解させてインクとするための溶媒が必要である。インクに対する設計技術上の要求事項として適切な粘度、表面張力および乾燥時間が含まれ、これらのすべてが溶接領域のエッジをいかに良好に画定するかに対して影響を与える。溶媒が揮発した後、色素は、添加物、溶媒残滓および雑物質とともに表面上に残留する。同様に、固体形状での適用の場合は色素がフィルムまたはテープを形成する他の成分とともに表面上に分散する。詳細には後述するが、色素は溶接中に分解し得る。したがって、添加物、溶媒残滓、雑物質、その他の成分、色素、分解生成物および適用方法によって生成する他の副生物のすべてはワークピースおよびその相手方の材料の表面ポリマーに混和性を有することが必要である。さらに、これら成分の何れもが溶接処理、たとえばスルーヒートシンキング（through heat sinking）またはミスマッチ溶接温度（mis-matched melting temperature(s)）の妨げとならないことが必要である。

色素は、溶接波長において高い吸収能力と大きな吸光係数（extinction coefficients）を有する可視光吸収色素、近赤外線（ＮＩＲ）吸収色素または赤外線（ＩＲ）吸収色素である。同時に色素はレーザ波長以外の帯域において、特に可視スペクトル内では低い吸収能力と低い顕色性（coloration）を有するものでなければならない。

本発明の一つの実施形態においては、ある可視光吸収色素がこれに見合う可視光発光レーザとともに用いられる。あるいは、ＮＩＲ吸収色素がＮＩＲレーザとともに用いられる。他の可視光、ＮＩＲまたはＩＲ放射エネルギー源も使用可能である。レーザは単一の波長で作動するが、ＩＲランプやＩＲエミッタは複数の波長で作動することができる。これら複数の波長を含む帯域幅に亘って吸収するために色素を組み合わせて用いてもよい。さらに、ある色素の発熱エネルギーを用いて第２の色素の分解を促すことができる。色素の使用数が一つであるにしても複数であるにしても、溶接部の光透過が問題である場合は効率的なエネルギー変換と低い閉塞性が鍵を握る。

再び図１と図２Ａを参照して、ワークピース１０は相互に作用する表面層よりなる表面１６を有する。ワークピース１０はまた表面１６の下の材料容積部であってワークピース１０の無反応部を与える主体部１４を有する。ワークピース１０は相手方材料１２に溶接されることを唯一且つ最終的な目的として設計・作成される。

表面１６に沿って吸収色素２０が配置される。色素２０の存在は溶接領域２２を規定する。言い換えれば、溶接領域２２は表面１６のうちの溶接可能な領域である。将来のいかなる時点においても、コンパチブルなポリマー１２を表面１６に接触させて適切に配置し、溶接領域２２を本発明による範囲内における一定量のレーザエネルギーに晒すことにより、溶接領域２２に沿った溶接部を得ることができる。図２Ａでは個々の分子状であって幾つかの分子層が厚く形成された吸収色素が表面１６上に存在している。吸収色素はコンパチブルである適当な溶媒に溶解した状態で表面１６に塗布される。溶媒が用いられることにより、ワークピース材料に対する溶媒の攻撃性（aggressiveness）に応じて、幾つかの分子層が表面１６の深くまで入り込む。これらの表面層が溶接中に溶融するので、入り込んだ色素が接合領域において溶解流に遭遇する。驚くべきことであるが、出願人の知見によれば、入り込んだ色素分子に溶解流領域が到達するのであれば、若干の分子が入り込むことも許容される。しかしながら、色素がさらに表面深くに入り込んでしまうと、溶解流領域から遠く離れた加熱によって気泡が発生し、これが溶接接合部を塞いでしまう。

図２Ｂの実施形態では、吸収色素を薄膜フィルムにして表面１６上に配置しているので、色素が入り込むことの問題は完全に回避される。この実施形態によれば、さらに、色素／溶媒の溶液が表面に沿って流動して溶接領域のエッジの鋭利さを損なわせてしまうことに関連する問題をも回避する。溶接領域のエッジは表面１６の溶接可能部と溶接不能部との境界を表現する。

予備処理例
図３は一連の透過率グラフであり、曲線７０はワークピース１０のサンプルの頂面に置いた相手方材料１２のサンプルを光が通るときの透過率を示す。両サンプルはポリカーボネートで作製した。次に、１グラム／リットルの吸収色素を含む溶液をワークピース１０に塗布してその上に溶接領域を形成した。曲線５０は吸収色素を含むワークピース１０の頂面に置いた相手方材料１２を光が通るときの透過率を示す。

図４はパネル断面の関係を示し、左側に相手方材料１２、右側にワークピース１０を示す。領域４４が曲線４０に相当する。領域５５が曲線５０に相当し、ここでワークピース１０が溶接可能であり、近赤外線（ＮＩＲ）および赤外線（ＩＲ）において最小の透過率値を示す。

後処理例
再び図３を参照して、曲線６０はパネルが互いに係着（clamp）されておらずしたがって溶接部を持たない場合のレーザ照射後に両パネルを光が通るときの透過率を示す。曲線７０は溶接領域が外側を向いていて（facing out）であって溶接されていない場合のレーザ照射後に両パネルを光が通るときの透過率を示す。曲線８０は両パネルが適切に向き合って係着され良好に溶接された場合のレーザ照射後に両パネルを光が通るときの透過率を示す。

図４において、領域６６が曲線６０に相当し、領域７７が曲線７０に相当する。吸収色素２０は部分的または完全に分解しているが、いかなる溶接部も生じていないことに注目したい。この試験データは、相手方材料６６に不適切に係着されたワークピースは不適切な方向性で配置されたワークピース７７と事実上等値であることを示している。別の試験では、アクリル樹脂「サイロライト／Ｃｙｒｏｌｉｔｅ」（商標）をポリオレフィンに対する溶接のために用意した。しかしながら、これらのポリマーの溶融温度範囲が重なり合わず、このために相互混和性が生じ得なかったため、このワークピースを相手方材料に溶接することはできなかった。色素が分解して、ワークピース１０と相手方材料１２との間の反射境界（reflective boundaries）が互いに融合し合っている領域８８が曲線８０に相当する。曲線８０に見られるように、透過率を低下させる反射境界を除去することにより、結果として、良好に溶接された領域８８に最大の透過率値を与える。

図３中、典型的なダイオードレーザ溶接波長である９４０ｎｍにおいて、双方の主体部および双方の反射面を通る透過率は曲線４０により８１．９％である。フォーミュレーション導入後の同様の測定値は曲線５０により７１．８％である。この差は約１０％の減少であり、すなわち約０．９倍の減少である。曲線６０および７０に相当する非溶接部は約７８．４％の透過率であり、曲線８０に相当する適正溶接部は８６．６％の透過率を有する。

典型的なNd:YAGレーザ溶接波長である１０６４ｎｍにおいて、双方の主体部および双方の反射表面を通る透過率は曲線４０により８１．７％である。フォーミュレーション導入後の同様の測定値は曲線５０により６９．１％である。この差は約１０％の減少であり、より詳しく言えば１２．６％の減少である。この差は約０．９倍の減少であり、より詳しく言えば０．８倍の減少である。曲線６０および７０に相当する非溶接部は約７７．５％の透過率であり、曲線８０に相当する適正溶接部は８６．１％の透過率を有する。

典型的なVIS波長は５５０ｎｍであり、これも明所視（photopic）の近似値として活用される。曲線４０，５０，６０，７０のすべては７５．３％透過率を中心としてその０．３％の範囲に収まっており、非溶接後における該導入および分解の可視スペクトルに対する影響がほとんど無いことを示している。適正溶接部は８３．４％の透過率を有する。これは５５０ｎｍにおける絶対的測定値および明所視近似値に対して約１０％の増加ないしは約１．１倍の増加である。これらの透過率値を要約して次の表１に示す。

異なるポリマー、異なる色素、異なる媒質および異なる色素濃度の使用、並びに異なる放射レベルは異なる結果を与える。光学的適用においてこれらの値は典型的なものである。可視スペクトルで動作するレーザを含む他のレーザも使用可能である。

液体媒質状態での測定において７倍の色素濃度とした別の例が表２に示されている。高い波長での領域５５の値が低いことから、付加的な色素の存在が確認できる。他のすべての要素は依然として同じである。溶接後、領域８８において他の波長では色素が存在しているにもかかわらず、領域８８において５５０ｎｍでは、表１における同様の測定値に匹敵する優れた透過率を示していることが注目される。したがって、この例は、可視または明所視の透過率に対して実質的に影響を与えることなく部分的発熱分解を生じたことを示している。この色素濃度において、本発明によるパラメータの範囲内において溶接中により大きな熱エネルギー量を用いることについて付加的な能力が存在する。

別の一連の試験において、特定の色素を高濃度でポリウレタンに塗布してポリカーボネートに対する溶接を試み、別の試験例ではこれを同様にしてＰＶＣに塗布してＰＶＣに対する溶接を試みた。表面積当たりの溶接エネルギーを調節するためにレーザパワーおよび溶接速度を変えてみたが、いかなる場合も溶接は生じなかった。高濃度の色素と塗布技術によって与えられた表面密度が不均一となり、および／または本発明で規定する範囲を超えたものと考えられる。同じ色素を均一に且つ本発明で規定する濃度でフィルム成形した場合は、１０倍に及ぶ色素濃度、３倍に及ぶフィルム厚、２．５倍に及ぶレーザパワーおよび６．６倍に及ぶ溶接速度であっても、ＰＭＭＡプレート同士を容易に溶接することができた。表面積当たりの溶接エネルギーとして見ると、範囲は０．７Ｊ／ｍｍ^２から１１．４Ｊ／ｍｍ^２に及び、２．５×６．６、すなわち１６倍以上に及ぶ。

本発明によるパラメータの範囲内で実施した他の試験によれば、以下の材料の対を良好に溶接することができた。

ワークピース相手方材料
ＭＤＰＥフィルムＬＤＰＥでコーティングされた板紙
ポリプロピレンフィルムＡＢＡ
共重合ポリエステルＰＥＮ
共重合ポリエステルポリプロピレン

ワークピースを同じポリマーで形成した相手方材料に溶接すること、すなわちその数例を挙げればポリカーボネート、ポリプロピレン、ＰＭＭＡ、ＨＤＰＥ、アセタール、ＴＰＥ、ポリエーテルイミド、ＰＥＥＫ、ポリスチレン、ナイロン、ＡＢＳといった材料同士の溶接はより容易であった。ある種のナイロンは透過率が５０％以下であり、１０％といったものもあるので、１０％単位で透過率変化を測定するのは実際的ではない。不透明部を伴う低い透過率においてさえ予期された性状が生ずるので、１．１倍や０．９倍といった程度の透過率変化は本発明のパラメータの範囲内における測定性能において問題なくうまくいく。たとえば、Nd:YAG倍波（doubled）レーザ５３２ｎｍ、ルビーレーザ６９４ｎｍおよび可視ダイオードレーザ６７０ｎｍを用いた可視スペクトル、GaAsレーザを用いた近赤外線、および、８０８ｎｍ、９４０ｎｍおよび９８０ｎｍでダイオードレーザを用いた赤外線、Nd:YAG１０６４ｎｍによる赤外線のようなスペクトルにおいて作動する各種のレーザを用いても良好に溶接を行うことができた。

以上より理解されるように、本発明による設計と技術的パラメータとに基づいて調製されたワークピースは、最終的に行われる溶接処理に対して高い許容性と自由度を与える。したがって、本発明により調製された単一のワークピースを異なるパワーレベルでの異なる溶接レーザに、また異なる相手方部品に、柔軟に使用することができる。本発明のワークピースは、高強度、適切な溶接であることの高い信頼性、あるいは、低い閉塞性を持ちながらも光学的または明所視透過率が高い値を持つことが要求されるような適用に用いることができる。加えて、本発明によるワークピースの調製に際しては、溶解性についてのガイドラインが遵守される限りにおいて色素と搬送媒質（delivery vehicles）を広い範囲から選択して使用することができる。従来のシステムは閉塞性の顔料（occluding pigments）をパーツにドーピングするものであって、単一の顔料または色素濃度レベルを用いるか、あるいは同一材料の対部品同士を処理していたが、本発明に固有の柔軟性は、このような従来システムとは正反対である。

これまで本発明がその好適な実施形態として適用されるものとして基本的な新規の特徴について図示し、記述し、指摘してきたが、本発明の精神から逸脱しない限りにおいて、既述の方法や図示した装置の形態や詳細について様々な省略や置換および変更が当業者によって可能であることを理解すべきである。たとえば、特に強調したいことであるが、既述した要素および／または方法的ステップの組合せを実質的に同様の要領で実質的に同様に機能することによって同様の結果が実現される場合、そのような組合せは本発明の範囲内である。さらに、既述した本発明の形態や実施例に関連して図示および／または記述された設計上および技術上の特徴、それらの構成要素および／または要素および／または方法的ステップは、一般的な設計選択事項として、図示され記述されまたは示唆された形態または実施例において組み込まれるべきであることを認識しなければならない。したがって、本発明は添付の請求の範囲によって示されるところのみによって限定される。

一側面に沿って吸収色素の表面薄膜層を有する本発明による予備処理済みワークピースの斜視図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した表面薄膜層の拡大断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した表面薄膜層の別の実施形態の拡大断面図である。ワークピースの予備処理における様々な段階の透過率曲線を電磁照射後の透過率曲線とともに示すグラフである。図３の各曲線に対応する状況を示す、ワークピースと相手方材料の各部断面図である。

Claims

その少なくとも表面が第一のポリマーで形成された溶接可能なワークピースであって、第一のポリマーは加熱により軟化して、第一のポリマーと同一または類似のポリマーであるかあるいは第一のポリマーの表面に対して少なくとも局部的に混和可能な異種のポリマーである第二のポリマーから自由に選択可能であってそれ自体も加熱により軟化するところの他の材料に溶着され、第一のポリマーと自由選択可能な第二のポリマーとはそれらの溶融温度範囲が重なり合っており、
（ａ）ワークピースは主体部と主体部を横切って延長する表面とを有し、
（ｂ）放射エネルギー源の溶接波長において強力な吸着性と高い吸光係数を有する吸収色素が表面上に薄膜形成されて、必要な粘度を有する媒質を介して溶接領域を定義しており、媒質は溶接領域に対する過度の干渉や溶接領域の閉塞を防止し、薄膜は約５〜約３０００ナノグラム／ｍｍ^２の概して均一な色素濃度を有し、予期可能で矛盾のない加熱によりワークピースを溶接可能にしており、
（ｃ）溶接領域は、溶接波長で入ってくる約０．１Ｊ／ｍｍ^２を超える放射エネルギーをバイブロニックリラクセーションを介して熱エネルギーに変換し、直後に色素の少なくとも一部を発熱分解して不活性で不可視の副生物を生成し、これらの組合せは、（ｉ）熱エネルギーの一定量を主体部から表面に上昇させて該表面をその溶融温度に加熱し、（ｉｉ）ほぼ等量の熱エネルギーを主体部から逆方向に搬送することを可能にしており、且つ、色素、媒質、副生物および第一のポリマーの表面は互いに混和可能であることを特徴とする、溶接可能なワークピース。
ワークピースが第一の熱可塑性ポリマーで形成される、請求項１のワークピース。
媒質がフィルムである、請求項２のワークピース。
媒質が熱可塑性材料を含む、請求項３のワークピース。
媒質がフィルムである、請求項１のワークピース。
媒質が熱可塑性材料を含む、請求項４のワークピース。
色素が可視光吸収色素、近赤外線吸収色素、赤外線吸収色素およびこれらの組合せからなる群より選ばれる、請求項１のワークピース。
媒質が吸収色素を溶解させる液体溶媒である、請求項１のワークピース。
媒質が吸収色素の一部を表面の下方に搬送するが、その深さは溶接中の気泡発生を防止するに十分に小さいものである、請求項８のワークピース。
液体溶媒１ミリリットル当たりにして吸収色素が約１×１０^−２〜約１×１０^−４グラムの濃度で存在して前記表面薄膜濃度を与える、請求項９のワークピース。
吸収色素が、可視スペクトル溶接波長、近赤外線溶接波長、赤外線溶接波長およびこれらの組合せからなる群より選ばれた溶接波長において強い吸着能力と高い吸光係数を有する、請求項１のワークピース。
第一の主体部を有する第一の放射エネルギー透過性ワークピースの第一の反射面と第二の主体部を有する第二のワークピースの第二の反射面との間に設けられる透過促進フォーミュレーションであって、両方の反射面は加熱により軟化するポリマー材料で形成され、放射エネルギー源の溶接波長においてフォーミュレーションと主体部と反射面とを通る光路に沿った透過率が主体部と反射面だけを通る光透過率よりも小さく、第一および第二の反射面はそれらの溶融温度範囲が重なり合ったポリマーで形成されており、且つ、透過促進フォーミュレーションは、
放射エネルギー源の溶接波長に対応した強い吸着能力と高い吸光係数を持つ放射エネルギー吸収色素を含む材料システムを有し、
この材料システムは、フォーミュレーションの属性としての低い光透過率を電子から熱への変換および化学から熱への変換を通じて熱エネルギーに移行させることができ、ここで熱エネルギーは、材料システムと同じ光路内に設けられた反射面に搬送され、
熱エネルギー搬送は、透過率を低下させている反射面同士を、光学的に溶着される主体部を有する透過促進領域に溶接させる能力を有することを特徴とする、透過促進フォーミュレーション。
透過促進領域は可視スペクトル内において両方の部分および両方の反射面のみを通る透過率よりも大きな光透過率を示す、請求項１２のフォーミュレーション。
透過促進領域は可視スペクトル内の選択された波長において、両方の部分および両方の反射面のみを通る透過率よりも約１０％大きい光透過率を示す、請求項１３のフォーミュレーション。
透過促進領域は可視スペクトル内の選択された波長において、両方の部分および両方の反射面のみを通る透過率よりも約１．１倍大きい光透過率を示す、請求項１３のフォーミュレーション。
透過促進領域は両方の部分および両方の反射面のみを通る明所視透過率よりも大きい明所視透過率を示す、請求項１２のフォーミュレーション。
透過促進領域は両方の部分および両方の反射面のみを通る明所視透過率よりも約１０％大きい明所視透過率を示す、請求項１２のフォーミュレーション。
透過促進領域は両方の部分および両方の反射面のみを通る明所視透過率よりも約１．１倍大きい明所視透過率を示す、請求項１２のフォーミュレーション。
材料システムは第一および第二の反射面と互いに混和可能であって透過促進領域の閉塞を防止している。請求項１２のフォーミュレーション。
フォーミュレーションを通る光路に沿った光透過率が主体部および反射面を通る光透過率より約１０％小さい、請求項１２のフォーミュレーション。
フォーミュレーションを通る光路に沿った光透過率が主体部および反射面を通る光透過率の約０．９倍である、請求項１２のフォーミュレーション。
色素が可視光吸収色素、近赤外線吸収色素、赤外線吸収色素およびこれらの組合せからなる群より選ばれる、請求項１２のフォーミュレーション。
吸収色素が、可視スペクトル溶接波長、近赤外線溶接波長、赤外線溶接波長およびこれらの組合せからなる群より選ばれた溶接波長において強い吸着能力と高い吸光係数を有する、請求項１２のフォーミュレーション。
化学から熱への変換が色素の発熱分解による不活性・不可視副生物の生成であり、色素、媒質、副生物および反射面が互いに混和可能である、請求項１２のフォーミュレーション。
相互混和性が、色素、媒質、副生物および反射面のハンセン溶解性パラメータの数的近似性である、請求項２４のフォーミュレーション。
数的に近似したハンセン溶解性ファクタは透過促進領域内での光透過率の閉塞を極小化させる、請求項２５のフォーミュレーション。
第一のポリマーから形成されたワークピースを、高効率透過放射エネルギー溶接処理により、第一のポリマーと同一または類似のポリマーであるかあるいは第一のポリマーの表面に対して少なくとも局部的に混和可能な異種のポリマーである第二のポリマーから自由に選択可能であってそれ自体も加熱により軟化するところの他の材料からなる相手方パネルに溶着するというもっぱらの目的のために予備処理する方法であって、これらポリマーの溶融温度範囲は重なり合っており、
（ｉ）主体部と該主体部を横切って延長する表面とを含み、加熱により軟化する第一のポリマーを選択するステップと、（ｉｉ）放射エネルギー源の溶接波長において強い吸収能力と高い吸光係数を有する色素を選択するステップと、（ｉｉｉ）溶接領域のエッジを規定して溶接処理に対する過度の干渉および最終的に得られる溶着部の閉塞を回避するに十分な粘性を持った色素媒質を選択するステップと、（ｉｖ）色素媒質を介してワークピース表面上に５〜３０００ナノグラム／ｍｍ^２の色素を薄膜形成させるステップとを含むことにより、放射エネルギー導波手段を実質的に薄層の溶接領域の形状に形成し、
この放射エネルギー導波手段は、（１）前記溶接波長で入ってくる約０．１Ｊ／ｍｍ^２を超える放射エネルギーをバイブロニックリラクセーションを介して熱エネルギーに変換するステップと、（２）この変換ステップの直後に前記色素の少なくとも一部を発熱分解して不活性で不可視の副生物を生成するステップと、（３）これら変換ステップおよび分解ステップの間、第一の量のエネルギーを主体部に搬送して表面を第一のポリマーの溶融温度範囲に昇温させるとともに、ほぼ等しい第二の量のエネルギーを主体部から離れる逆方向に搬送することによって、溶接処理中に電子的、化学的および機械的な変換を進行させる能力を持つことを特徴とする、ワークピースを溶接可能にするための予備処理方法。
ワークピースが第一の熱可塑性ポリマーから形成される、請求項２７の方法。
媒質がフィルムである、請求項２８の方法。
媒質が熱可塑性材料を含む、請求項２９の方法。
媒質がフィルムである、請求項２７の方法。
媒質が熱可塑性材料を含む、請求項３１の方法。
色素が可視光吸収色素、近赤外線吸収色素、赤外線吸収色素およびこれらの組合せからなる群より選ばれる、請求項２７の方法。