使用混合摩擦/超声波技术用于连接聚合体复合材料以实现需要的焊接特性的设备和方法

文档序号:8291286阅读:457来源:国知局
使用混合摩擦/超声波技术用于连接聚合体复合材料以实现需要的焊接特性的设备和方法
【技术领域】
[0001]本公开通常涉及连接聚合体复合材料,以及更确切地指,使用涉及应用摩擦与超声波能量至被连接的工件的混合连接技术以连接复合材料的设备和方法。根据本技术的实施例,摩擦和超声波的操作能够以任何次序以及有时同时地被实施。
【背景技术】
[0002]在汽车制造业中,聚合体复合材料由于其有利的特性正在被越来越广泛地使用,包括轻质的,高度一致的或可成形的,坚固的以及耐用的特性。一些复合材料进一步是可着色的以及能够被表面加工为具有大多数任意需要的构造。
[0003]在汽车中增多的使用包括,例如在仪表和门面板、灯、空气管道、方向盘、车内装饰、车箱或其它的车辆储藏箱、车内装饰、外部件以及甚至发动机组件。关于发动机组件和其它的发动机罩(或UTH)应用,例如聚合体被构造和被持续发展成能够经受热和/或化学侵蚀的环境。关于例如挡泥板的外部件,聚合体被发展使得其在更长的时间周期内具有线上涂覆性能和高热的和化学的抵抗力。以及在汽车应用中许多其它潜在的使用正在不断地被考虑到。
[0004]由于此趋势,寻找有效地以及高效地连接聚合体组件的方式变得越来越重要。压缩模塑法以及后模制连接技术(例如超声波焊接)正被更常见地使用。
[0005]传统的技术具有多个缺点。参照附图以及更确切地指第一个附图,图1示意性地显示了包括焊接焊头102和两个工件104、106在焊接之前的常规的超声波焊接布置100。
[0006]在示出的步骤中,如向下的箭头所示,焊头102被降低朝向接触两个工件的顶部工件104。一旦与工件104接触,与焊头连接的超声波发生器激发高频超声振动,该振动经过焊头被传至工件。如图2中所示,在界面处热量被产生,并且工件104开始熔化200。
[0007]图3显示布置100在工件的熔融材料已经充分被熔化之后,在接头300处连接工件 104、106。
[0008]该技术具有的缺点包括在最接近的工件104的顶部表面上不希望的过量的或溢出的工件材料302的形成。过量材料至少部分地产生,是因为工件材料在其熔化时膨胀。
[0009]处理此情形的一个选择是来从目前焊接的工件布置移除过量材料302。此清除当然是耗费时间的,浪费在生产工艺中的关键性的循环时间。此选择的另一个缺点在于实施此清除的能量,例如人力或机械设备的资源。
[0010]此清除也能够显著增加其它的成本,例如切削机械的购买、定制(编程等)以及维护的成本,例如基于刀片或基于光的切削工具。
[0011]更多的挑战产生,无论在过量处已经冷却之前或之后清除过量处302。不管过量处是否通过冷却已经硬化,需要采取特殊的照料以保证材料302被移除而不非期望地影响正冷却的或已经冷却的材料的平衡。扰乱正在冷却的或已经冷却的材料的表面部分能够影响产生的部件的表面的质量。也预期到过量处302的粗糙的移除,例如通过在硬化后的削除,能够扰乱连接300的完整性。
[0012]另外的可供选择的办法在于使用超高能量的超声波能量。当更多的超声波的能量被使用时,顶部的工件以及最后底部的工件,熔化更快,以及因此所需的接头300被更快地形成。通过此方式,更少的随附的、侧面的工件材料被熔化,以及因此更少的过量材料被形成。但是此方法也是成本高昂的。而且过量材料仍能够形成。
[0013]还有的另外的可供选择的办法是常规的机械固定。工件能够例如被螺丝拧在一起,或者通过螺母和螺栓被连接。这些连接具有的缺点包括不必要的增加的重量,紧固件的不雅观的暴露部分以及可能的不那么坚固的接头。

【发明内容】

[0014]本技术涉及包括混合连接技术,其使用包括施加摩擦和超声波能量至被连接的工件的混合连接技术来连接复合材料。根据本技术的实施例,摩擦和超声波操作能够以任何次序或者有时同时被实施。其结果是全面的和坚固的焊接,尤其是与常规技术相比较时。
[0015]例如在一个实施例中,该技术包括以促进该工件与另一个工件的随后的有效的和整洁的超声波焊接方式机械地使工件成型。在预期的实施例中,超声波能量的应用不是完全紧随着摩擦的应用之后,因为超声波能量应用能够在摩擦产生被完成之前开始。摩擦诱导的工件熔化能够与超声波诱导的工件熔化同时发生。在任一情形中,这些方法的每一个可以被称作摩擦辅助的超声波焊接。此外,其结果是全面的和坚固的焊接,尤其当与常规的技术相比较时。
[0016]在一些实施例中机械的调整熔化和/或移除一些工件材料,促进随后的超声波诱导的工件的熔化。
[0017]在一个实施例中,该技术包括在超声波能量应用开始之后应用摩擦。在特定的情形中,摩擦产生被开始于(例如通过下面进一步描述的成型工具)在应用超声波振动至少至被连接的工件中最接近的一个的开始之后,以及在超声波振动至工件的应用完成之前。也通过此方式,超声波诱导的工件熔化与摩擦诱导的熔化同时发生。在另外的特定的以及预期的情形中,摩擦产生在超声波振动至工件的应用的完成之后立即被开始。此即时性确保熔融的以及固体的工件不冷却或冷却最小的程度,因此便于随后的摩擦诱导的熔化。以及此即时性在一些示例中确保来自超声波操作的熔融的材料保持,使得摩擦诱导的工具的机械动作或机械动作的结果能够影响熔融的材料,例如搅动其,增加其尺寸,按所需的改变其形状和/或其它的。无论如何,这些方法中的每一个可被称作超声波辅助的摩擦焊接、超声波辅助的摩擦搅拌焊接或类似的。此外,其结果是全面的和坚固的焊接,尤其当与常规的技术相比较时。
[0018]现在进一步参照前述的实施例,其中被连接的工件中的最接近的第一个工件的机械成型被实施以促进该工件与另一个工件的有效的和整洁的随后的超声波焊接。通常地,成型涉及在第一工件中产生一个或多个凹部,用于在焊接其间容纳熔融的工件材料。在一些实施例中,机械的成型熔化一些工件材料,以便于随后的超声波诱导的工件的熔化。
[0019]本技术的优点包括减少在焊接中的循环时间,能量以及资源节约的以及结果的更整洁的潜在更坚固的部件。
[0020]时间、能量以及资源通过避免了从顶部工件移除过量的工件材料的需要,过量材料在焊接期间在不需要的位置产生,例如在工件表面的主要的表面上。
[0021]循环时间也可通过加速的焊接而被改进,其经由一个或多个有限的通道传送振动和产生的热量。例如,至少一个凹部可以被形成,使得当主要的工件材料直接保持在超声波变速杆的下方,至少一些邻近主要的材料的侧面的工件材料被移除。在此情形下,相比较于如果邻近的材料没有被移除时,即如果振动和热量需要穿过主要的和邻近的材料两者来到达用于焊接的界面,由焊头发出的高频(HF)振动以及产生的热量,被更快地通过主要的材料输送至被连接的件之间的界面。
[0022]没有过量材料的部件会是更清洁的,以及根据本技术连接的部件不需要过量材料的移除,预期其表面优于在需要移除的传统的技术下连接的部件。
[0023]本发明的其它方面将会是部分明确的以及部分在此后指出。
[0024]本发明还提供了以下方案:
1.一种混合成型/能量化的系统,其用于在将多个工件有效地结合在一起,同时抑制焊接材料在不需要的区域中的形成,其包括:
成型工具,其被配置以在被结合的工件的最接近的工件中形成至少一个凹部;以及焊接能量施加装置,其被连接至成型工具以及被配置来应用焊接能量至最接近的工件;
其中凹部被形成,以及焊接能量被应用,使得熔融的工件材料变得被放置在凹部内,由此抑制在任何不需要的位置处焊接材料的形成。
[0025]2.根据上述方案I所述的系统,其中该成型工具被配置以通过摩擦形成凹部。
[0026]3.根据上述方案2所述的系统,其中该成型工具被配置以当与最接近的工件接触时来旋转以产生形成凹部的摩擦,该凹部为环形的凹部。
[0027]4.根据上述方案I所述的系统,其中该成型工具被放置在焊接能量施加装置周围。
[0028]5.根据上述方案I所述的系统,其中该成型工具相对于焊接能量施加装置是可展开的和可收回的。
[0029]6.根据上述方案I所述的系统,其中该能量施加装置相对于成型工具是可展开的和可收回的。
[0030]7.根据上述方案I所述的系统,其中该能量施加装置大致在形状上为圆柱状的。
[0031]8.根据上述方案I所述的系统,其中该成型工具具有大致环形的轮廓形状。
[0032]9.根据上述方案I所述的系统,其中该能量施加装置被配置以应用高频超声波振动至工件用于将工件互相焊接。
[0033]10.根据上述方案I所述的系统,其进一步包括控制系统的一个或多个功能的自动化的机械。
[0034]11.根据方案10所述的系统,其中该自动化的机械包括由控制器控制的机器人。
[0035]12.根据方案11所述的系统,其中该控制器包括处理器和具有计算接可执行的指示的计算机可读的媒介,当指示被处理器执行时,引起机器人来实施至少一个操作。
[0036]13.根据方案I所述的系统,其中第一工件和第二工件具有同样的材料。
[0037]14.根据方案I所述的系统,其中第一工件和第二工件具有不同的材料。
[0038]15.根据方案I所述的系统,其中工件中至少一个包括聚合体。
[0039]16.根据方案I所述的系统,其中工件中至少一个包括塑料。
[0040]17.根据方案16所述的系统,其中工件中至少一个包括混合塑料-金属复合材料。
[0041]18.根据方案16所述的系统,其中塑料是热塑性塑料。
[0042]19.根据方案I所述的系统,其中工件中至少一个包括聚合体复合材料。
[0043]20.根据方案19所述的系统,其中复合材料为纤维-加固聚合体(FRP)复合材料。
[0044]21.根据方案19所述的系统,其中复合材料为碳纤维-加固聚合体(CFRP)复合材料。
[0045]22.根据方案19所述的系统,其中复合材料为玻璃纤维加固聚合体(GFRP)或玻璃纤维,复合材料。
[0046]23.根据方案I所述的系统,其中工件中至少一个包括选自包含下列材料的列表中的至少一种材料:
聚酰胺-级聚合体;
聚氯乙烯(PVC);
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS);以及聚碳酸酯(PC)。
[0047]24.根据方案I所述的系统,其中工件中至少一个包括聚乙烯。
[0048]25.根据方案24所述的系统,其中工件中至少一个包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和/或高密度聚乙烯(HDPE)。
[0049]26.根据方案I所述的系统,其中工件中至少一个包括乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)0
[0050]27.根据方案15所述的系统,其中该聚合体包括合成的聚合体。
[0051]28.根据方案15所述的系统,其中
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