通过激光焊接连接聚合物和表面修饰的金属的利记博彩app
【专利摘要】本发明涉及一种连接金属部件1和非液体聚合物部件2的方法。所述方法的第一步是将底漆4附着在所述金属部件1的金属表面3。然后聚合所述底漆4以使所述金属表面3至少部分覆盖有表面固定化的聚合物刷5。然后使具有聚合物刷5的所述金属表面3与所述聚合物部件2的聚合物表面接触，以得到包含所述金属表面3，所述底漆4，所述聚合物刷5和所述聚合物表面的界面。最后通过使用激光焊接加热所述界面直至所述聚合物刷5和部分所述聚合物部件2熔化或软化并混合至使所述金属部件1和所述聚合物部件2在冷却后保持连接的程度。可例如实施所述焊接以沿着穿过表面的等距线得到焊缝。
【专利说明】通过激光焊接连接聚合物和表面修饰的金属
【技术领域】
[0001]本发明涉及表面修饰的金属部件和非液态聚合物部件的连接。
【背景技术】
[0002]金属和聚合物部件的连接与许多工业应用相关，如在汽车，电子和医疗技术中。
[0003]现今，通常通过机械连接或粘合之一连接金属和聚合物部件。在经常使用的粘合剂方法中，首先将胶水应用于一个或两个将被连接的组件。然后将它们压在一起以形成完整的连接。然而，由于通常仅微弱的原子间力(物理吸附)发挥作用，合适的粘合剂通常与长的固化时间，对环境条件如湿度和温度的敏感性，且需要大量的表面预处理，如等离子体处理相关联。此外，粘合剂层填充了所连接部件之间的间隙，该额外厚度对于一些应用是不理想的。许多潜在的应用也面临着金属和聚合物之间的粘合力通常较弱的挑战。当暴露于各种环境因素如湿气和高温时，这样的界面更易于随时间的推移而降解。因此，容易发生界面处的破坏，导致脱层，这对于工业应用，正如医疗行业所强调的，是完全不能接受的。
[0004]US 2003/0135197公开了一种通过使用偶联剂连接用于医疗器械的金属和聚合物表面的方法。所述偶联剂包含至少两套分别具有与有机化合物和无机化合物结合亲和力的官能团。优选的偶联剂具有与聚合材料形成共价键的第一官能团，而第二官能团与金属如不锈钢形成离子键。可在使用或不使用热活化时使用所述偶联剂。
[0005]因此，所述工艺是一种使用先进结合剂的特殊的粘接，且同样地，其具有上面讨论的许多问题。
[0006]因此，一种改进的连接金属部件和聚合物部件的方法将是有益的，且一种也可用于材料组合的更有效的方法将尤其有益，否则所述材料组合不易连接。
【发明内容】
[0007]本发明的一个目的是提供一种在金属部件和聚合物部件之间产生坚固持久的键，优选共价键的方法，否则可能不相容。
[0008]本发明的另一个目的是提供一种比已知的工业相关的粘接方法更快，更清洁和更耐环境促进的降解的方法。
[0009]本发明的另外一个目的是提供一种可将复杂三维部件连接在预定的位置而其它位置不被连接的方法。
[0010]本发明的至少一些实施方案的目的是提供一种在不降解所述聚合物表面的温度下进行的方法。
[0011]本发明进一步的目的是提供一种现有技术的替代性选择。
[0012]
【发明内容】
[0013]因此，在本发明的第一方面通过提供一种连接金属部件和非液态聚合物部件的方法达到上述目的和一些其它目的。所述方法包括步骤:
[0014]-将底漆附着在所述金属部件的金属表面，
[0015]-聚合所述底漆以使所述金属表面至少部分覆盖有表面固定化的聚合物刷，
[0016]-使具有所述聚合物刷的所述金属表面与所述聚合物部件的聚合物表面接触，以得到包含所述金属表面，所述底漆，所述聚合物刷和所述聚合物表面的界面，和
[0017]-然后通过使用激光焊接加热所述界面直至所述聚合物刷和部分所述聚合物部件熔化或软化并混合至使所述金属部件和所述聚合物部件在冷却后保持连接的程度。
[0018]通过这样的方法，只有要被连接的材料参与连接。结果是比例如当通过胶合连接金属和聚合物部件时的情况更清洁的方法。
[0019]可通过聚焦并因此局部化的激光，连续波(CW)或脉冲模式实施所述加热。据此，可将复杂且三维的部件连接在预定的位置而其它位置不被连接。
[0020]此外，在加热过程中将所述金属表面和所述聚合物表面压在一起以保证良好的界面混合可能是有利的。
[0021]使用的热量和因此达到的温度应优选足够低以避免所述聚合物刷和聚合物部件的降解。
[0022]所述底漆优选通过共价键附着在所述金属表面以得到强的化学键。得到的实际结合将会是一个化学问题，且其控制对于本领域的技术人员将是众所周知的。
[0023]所述底漆可通过电化学接枝附着在所述金属表面。在本发明的一些实施方案中，当附着所述底漆时，所述金属表面是电化学活化的。据此，可在所述表面得到共价键合。
[0024]在本发明优选的实施方案中，所述聚合步骤具有产生所述聚合物刷预定的平均长度和/或平均密度的的持续时间。据此，对于给定的材料组合，可优化和控制表面性质和因此产生的结合。
[0025]可通过近红外(NIR)激光焊接来完成所述焊接。对于多数聚合物，该激光具有对所述本体聚合物透明的波长，以使其可聚焦于所述金属表面。据此，可保证能量消散在所述界面以用于界面聚合物的熔化或软化。
[0026]在实施加热之前可将红外(IR)吸收器添加或附着在所述聚合物刷上。该吸收器可用于在预定位置吸收来自激光的能量，以得到较强的结合和/或较快的过程而不损害周围的材料。
[0027]在本发明的一些实施方案中，所述底漆是与聚合物部件相同类型的聚合物。据此，可保证所述聚合物刷和所述熔化或软化的本体聚合物的聚合物链之间的良好混合，由此可得到强的结合。
[0028]所述聚合物部件可由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制得，且所述金属部件可由镍、钼、金或钢合金如不锈钢制得。
[0029]本发明的第二方面涉及包含已通过本发明方法连接的金属和聚合物部件的物品。本发明的第一和第二方面可各自组合。将参照下文描述的实施方案显而易见并阐明本发明的这些或其他方面。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]附图将更详细地描述根据本发明的方法。所述图显示了实施本发明的一种方式且不应解释为对落入所附权利要求范围内的其他可能实施方案的限制。
[0031]图1示意性地示出了根据本发明的方法将要被连接的金属部件和聚合物部件。
[0032]图2示意性地示出了底漆如何附着在钢部件上。
[0033]图3示意性地示出了附着在金属表面的聚合物刷和所述聚合物刷的聚合作用。
[0034]图4示意性地示出了连接所述金属部件和所述聚合物部件的步骤。
[0035]图5.a示意性地示出了所述焊接过程，且图5.b和图5.c分别示意性地示出了实施焊接前和实施焊接后所述金属部件和所述聚合物部件的横截面图。
[0036]图6示出了 PMMA刷已在AISI 316不锈钢表面聚合然后被激光焊接在搭接接头内的透明PMMA薄片上的初步试验结果。
【具体实施方式】
[0037]本发明涉及可用于连接如图1示意性示出的金属部件I和非液态聚合物部件2的方法。作为在连接过程中的早期步骤，将按照下面描述修饰所述金属部件I的金属表面3。所述部件1，2可分别由如不锈钢和PMMA制备，且典型的应用可发现于汽车，医疗，玩具，仪器或建筑行业。所述方法特别有利于不宜使用机械连接或通过胶合连接的应用中。在图2-4中示意性阐明了所述方法。图2显示了将活性底漆4附着在所述金属部件I的金属表面3的第一步骤。图2.a显示了存在于金属表面3上面的底漆4，图2.b显示了底漆4已附着的状态。在本发明优选的实施方案中，通过共价键将底漆4附着在金属表面3上以得到强的化学键合。这通常通过根据本领域技术人员熟知的程序的电化学接枝来完成。对于一些金属，如不锈钢，如果所述金属表面3伴随有电化学活化，所述共价键的形成可大大增强。所述底漆的设计是极度重要的，因为它作为后续聚合过程中引发剂6的基础以形成栓系聚合物链，也被称作聚合物刷5 ;这在图3中被示意性展示。引发剂6的附着可例如通过不同的路径如硅烷，重氮化合物和硫醇化学或通过附着随后被改性成活性引发剂的前驱体而实现。
[0038]图3.a显示了所述引发剂6且图3.b显示了在持续所述聚合步骤较长时间后所述聚合物刷5的长度。所述聚合作用使得所述金属表面3覆盖有表面固定化的聚合物刷5，但如果需要时也可能只覆盖部分金属表面3。这可例如通过SECM，部分浸没或平板印刷方法完成。
[0039]所述聚合步骤具有形成所述聚合物刷的预定长度的持续时间。对于给定应用的所使用的实际工艺参数可由实验确定，可能由计算机模拟辅助。
[0040]然后将此时共价附着在所述金属表面3上的所述聚合物刷5与所述聚合物部件2接触以得到包含所述金属表面3，所述底漆4，所述聚合物刷5和面向金属表面3的聚合物表面的界面。这在图4.a中被示意性展示，其中所述非液态聚合物通过构成所述聚合物部件2的聚合物链示意性展示。此外，通常应用压力P，但不是必要的，以得到所述金属和所述聚合物表面的良好接触。该压力在图4.b中示意性显示。
[0041 ] 然后加热所述界面直至所述聚合物刷5和部分所述聚合物部件2熔化或软化并混合至所述金属部件I和所述聚合物部件2在冷却后保持连接的程度。
[0042]通过激光焊接，如通过应用精确和聚焦的激光束(可能是脉冲的)实施所述加热，直至所述聚合物刷5和所述界面处的本体聚合物熔化或软化并混合。所述激光脉冲的应用在图4.b和图4.c中示意性显示并标注为L。图中的灰色区域表示激光束，其按照箭头的指示分别穿过所述表面和图4.b和图4.c中两个位置。在本发明的一些实施方案中，通过近红外(NIR)激光焊接完成焊接。然而，任何在界面处产生局部加热的激光焊接方法视为涵盖于本发明中。
[0043]对于给定的材料组合，优化的激光焊接工艺参数可例如通过使用压力和温度随时间系统性变化的实验确定。此外，可使用不同的激光源和因此不同的波长，功率级，连续波(CW)或脉冲模式；相关源包括Nd-YAG-激光器，纤维激光器，圆盘激光器和二极管激光器，但其它激光源也是相关的。
[0044]对于结合强度的给定优化，一些关联性参数为所述刷密度，所述刷5的分子量和所述激光焊接过程的时间-温度-压力加工路线。为了获得这些参数，必须实现用于控制所述金属表面3上引发剂浓度的合成路线的开发和所述焊接过程变量的仔细优化。关于所述界面性质的必要信息可例如通过结合表面敏感技术如偏振调制红外反射吸收光谱(PMIRRAS)，椭圆光度法，接触角测量，石英晶体微天平(QCM)和原子力显微镜(AFM)获得。
[0045]通过针对在界面处的所述聚合物刷5的特定链分布外形来优化两种特定类型的金属和聚合物间的结合被认为是可能的。可例如通过借助胺基或羟基官能化的重氮苯盐的电化学还原首先接枝所述金属表面3来实现对所述聚合物刷5表面密度的控制。随后，通过湿法化学中酰胺化作用或酯化作用可附加原子转移自由基聚合(ATRP)引发剂6。初步结果显示获得活性ATRP引发剂的致密层是可能的。
[0046]涉及本发明的所实施的实施例已表明，通过使用所述ATRP聚合作用方法用于将接枝的引发剂6绑定至不锈钢的所述表面3以获得所述聚合物刷5的层厚的精确控制是可能的。
[0047]图5.a示意性显示了焊接过程，其中所述激光沿着穿过将被连接的所述金属部件I和所述聚合物部件2的线性路径移动。图5.b和图5.c分别示意性显示了实施所述焊接前和后所述金属部件I和所述聚合物部件2的横截面图。在该实施例中实施所述焊接以沿着穿过界面的等距线得到焊缝7。如果需要，例如在两个或多个方向或跨越全部界面实施所述焊接是可能的。在所述焊缝7内和也可能地在所述焊缝7之间的区域，混合并缠卷所述聚合物刷5和所述聚合物部件2中的聚合物链以形成强的结合。
[0048]图6显示了 PMMA刷已在AISI 316不锈钢表面聚合然后被激光焊接在搭接接头内的透明PMMA薄片上的初步试验结果。所用的焊接参数为聚焦在约Imm光斑直径的50W激光功率和500mm/min的焊接速度，对应于6J/mm的线能量(不做能量效率的校正)。结合宽度约2.5mm，且沿着y轴显示了所焊接试样的拉伸断裂力。前三栏(1，2和3)分别显示了在与PMMA板连接之前的钢上涂聚合物刷2h，6h和8h的试样的断裂力F。涂2h和6h的试样在界面处断裂。涂8h的试样在透明PMMA中断裂，但钢和PMMA板之间的界面是未受损伤的。结果显示，似乎聚合时间一方面和刷子长度相关，另一方面和焊缝抗拉强度具有相关性。右边的两栏(4和5)显示了以透明PMMA被激光焊接成黑色和因此吸收光的PMMA的形式做的标准测量。它们都在所述黑色PMMA中断裂而所述界面保持完好。因此所述结果表明，获得与聚合物本身强度相似的金属和聚合物间的结合强度是可能的。
[0049]虽然已结合具体的实施方案描述了本发明，但其不应被解释为以任何方式限制所提出的实施例。例如，除具体提到的那些，所述方法也可用于连接其它材料。本发明的范围由所附的权利要求书界定。在权利要求书的语境中，术语“包含(comprising)”或“包含(comprises)”不排除其他可能的元件或步骤。并且，提及的引用如“一个(a)”或“一个(an) ”等不应被解释为排除多数。权利要求书中关于图中指出的元件的参考标号的使用也不解释为限制本发明的范围。此外，在不同权利要求中提到的个别特征可能被有利地组合，且不同权利要求中提及的这些特征不排除不可能的和不利的特征的组合。
【权利要求】
1.连接金属部件(I)和非液态聚合物部件(2)的方法，所述方法包括以下步骤: -将底漆(4)附着在所述金属部件(I)的金属表面(3)， -聚合所述底漆(4)以使所述金属表面(3)至少部分覆盖有表面固定化的聚合物刷(5)， -使具有所述聚合物刷(5)的所述金属表面(3)与所述聚合物部件(2)的聚合物表面接触，以得到包含所述金属表面(3)，所述底漆(4)，所述聚合物刷(5)和所述聚合物表面的界面，和 -然后通过使用激光焊接加热所述界面直至所述聚合物刷(5)和部分所述聚合物部件(2)熔化或软化并混合至使所述金属部件(I)和所述聚合物部件(2)在冷却后保持连接的程度。
2.根据权利要求1所述方法，其中所述底漆(4)通过共价键附着在所述金属表面(3)上。
3.根据权利要求2所述方法，其中所述底漆(4)通过电化学接枝附着在所述金属表面(3)上。
4.根据权利要求3所述方法，其中当附着所述底漆(4)时所述金属表面(3)是电化学活化的。
5.根据前述权利要求任一项所述方法，其中所述聚合步骤具有产生所述聚合物刷(5)预定的平均长度和/或平均密度的持续时间。
6.根据前述权利要求任一项所述方法，其中所述焊接通过近红外(NIR)激光焊接完成。
7.根据权利要求6所述方法，其中实施加热之前将红外(IR)吸收器添加或附着在所述聚合物刷(5)上。
8.根据前述权利要求任一项所述方法，其中所述底漆(4)是与所述聚合物部件(2)相同类型的聚合物。
9.根据前述权利要求任一项所述方法，其中所述聚合物部件(2)由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成。
10.根据前述权利要求任一项所述方法，其中所述金属部件(I)由镍，钼，金或钢，如不锈钢，制成。
11.包含通过前述权利要求任一项所述方法连接的金属部件(I)和聚合物部件(2)的物品。
【文档编号】B29C65/16GK104349886SQ201380025994
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年3月18日 优先权日:2012年3月21日
【发明者】莫恩斯·欣格, 延斯·克莱施特鲁普·克里斯滕森, 金姆·达斯伯耶格, 斯滕·乌特乌普·彼泽森, 玛丽安·斯特朗格, 斯滕-埃里克·尼耳森 申请人:奥胡斯大学, 力技术公司