0显示在图8的操作之后的布置400，以及通过箭头1000指出随后的操作，由此超声波焊接焊头406被降低至接触最接近的工件104，如在图11中所示。
[0214]焊头406能够被降低以及随后的超声波焊接(图11)相对于在工件上完成其工作的工具404在多个定时中的任一个被开始。在一个实施例中，焊头406被降低至接触最接近的工件104，例如当工具404仍在旋转以及与工件接触时。在另外的情形中，在工具404已经停止旋转且将要被提升时，焊头406立即被降低至接触工件104。在另外的情形中，当工具404被提升时或在工具404已经被提升之后，焊头406立即被降低来接触工件104。
[0215]在一个预期的情形中(未详细示出)，在工具404在最初的位置开始旋转之前，焊头406被降低来接触工件104。例如在图6中，焊头406能够与工具404 —起被降低以及通过图7和图8所示的步骤保持向下。
[0216]—旦焊头406与最接近的工件104接触，连接至焊头406的超声波发生器激活高频(HF)超声波振动。振动经过焊头406被传递到达最接近的工件104，如在图12中附图标记1200所指出的。
[0217]当工件104接收振动1100时，刺激在工件中产生热量，引起工件104开始熔化1202，如在图12中所示。如在一个实施例中所提供的，工件104、106的一个或两者均具有在150°C和300°C之间的熔点。
[0218]一旦成型工具404停止旋转，由工具404引起的工件的加热将会自然地停止。如果存在于工具404停止与超声波振动的应用之间的时间的窗口，那么摩擦产生的熔融材料800和周围的工件材料将自然地冷却一些。当此窗口更小时，摩擦引起的熔融材料800和周围的工件材料将冷却更少。
[0219]无论如何，即使如果由工具产生的摩擦不被设计来产生任何熔融的材料，对于大多数情形，优选的是窗口是足够小的以确保当超声波被开始时一些热量保留在工件中。此预热具有多个好处。主要的好处在于更少的超声波能量将会被需要来熔化在焊头406下方的工件材料。预热产生此阶段的能量的节约，以及相比较于没有预热存在时，超声波的特征能够被使用于更短的时间周期。
[0220]在一个实施例中，焊头406被配置(例如通过重量或弹簧负载)和/或被控制来在焊接期间在工件104上施加向下的力。因此，当由于超声波振动工件熔化时，焊头406下降
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[0221]图13显示在图12的操作之后的布置，在足够的焊接被实施以引起振动-融化的工件材料1202来开始填充由成型工具404产生的任何空间704。对于其中由成型工具404的旋转产生摩擦来产生熔融材料800的实施例，增长的振动-熔化的材料1202最终和会或与摩擦-熔化的材料800连接，如在图13中所示。
[0222]如果振动-熔化的材料1202被给予足够能量(例如加热)，材料1202能够加热任何冷却的摩擦-熔化的材料800，再次熔化800中的任何的，如果其已经冷却和/或引起任何邻近先前熔化的材料800的工件材料来熔化。
[0223]在一些实施例中，如在图14中所示，单个坚固的焊接1400被形成。也如在图14中所示，当超声波焊接被继续，熔融的工件104材料开始充分地填充由成型工具404的操作(图7)所形成的空间704的大部分。也如在图14中所示，熔融的材料到达位于部件104、106之间的界面1400用于形成焊接接头。
[0224]图15显示在焊接和从被连接的工件超声波焊机的收回动作完成时的布置，由箭头1500所指示。
[0225]对于其中需要产生完全平坦的表面的实施例，所述的方法最佳地产生处理过的(加热过的和冷却的)材料表面1502，如图15中所示，其与邻近的未处理过的材料1504充分地平齐。对于这个以及每个实施例，达到结果的产品的所需要的表面质量。
[0226]焊接方法被配置以形成所需的结果的光洁度。例如，示例的变量包括焊头406的形状和尺寸，所施加的HF振动的水平，焊接能量被施加的量，焊头的向下的力以及在焊接中焊头的结果的向下的位移。
[0227]在预期的实施例中，如上述的，其中在焊接期间，焊头406向下移动，变量被配置使得所需的表面光洁度被形成，例如提及的平齐的光洁度。在焊接期间，焊头406能够产生一定空间，当如在图15中的箭头1500所示焊头被收回时，少量的过量的工件104材料会填充进入该空间。
[0228]II1.应用的优点
本技术的优点的许多在上面被略述。一些在此概述中被进一步描述。
[0229]一种来在连接多个纤维加固聚合体复合材料中实现高质量的混合摩擦与超声波连接的方法。
[0230]好处包括减少的循环时间和改良的工艺效率、循环时间以及接头质量。
[0231]时间被节省，以及因此工艺效率通过例如避免了移除过多的表面熔融的或融化的以及冷却中的或已冷却的工件材料需要而被改良，例如被熔化的以及不需要地存在于表面1504上的工件材料。
[0232]时间也被节省以及工艺效率被提高，是因为由于例如通过成型工具在工件上引起的摩擦热量在工件中被产生。因此需要更少的能量来通过超声波使在通过摩擦预热的邻近的材料处的工件材料熔化，无论摩擦加热的材料是否由于摩擦变得或保持熔融，只要摩擦加热的材料在其中没有摩擦的应用时工件会处于的基底温度(例如室温、大气温度或环境温度)上被暖化。
[0233]因此，通常地，相比于没有摩擦诱导的预热时会花费的时间，超声波焊接阶段被缩短。能量，例如电能，也被节约，因为当工件被预热时，所需的超声波能量的量被减少。
[0234]通过HF-振动和由选择性移除工件材料所引起的热通道，时间也可被节约。相比较于邻近的工件材料没有被移除所需花费的时间，由焊头发出的高频(HF)振动以及产生的热量可以被更快地输送经过主要的材料，在焊头下方至位于被连接的工件之间的界面。
[0235]接头质量，包括完整性或坚固性，也被提高。根据本技术，已形成的或正在被形成的连接通过常规的需要移除多余的工件材料不会被损坏。因此不存在扰乱正在冷却的或已冷却的表面部分的风险，以及因此没有表面质量减弱的风险。
[0236]产生的焊接接头也比使用相同的焊头和超声波能量在没有预先-摩擦成型被实施的情况下产生的接头更大。
[0237]避免需要移除材料也消除了影响在多余的材料附近的冷却中或已冷却的材料的平衡的风险。如所提及的，在常规的系统中，存在这样的可能性，例如通过过量物的粗糙的移除(例如在硬化的材料处削除)而扰乱冷却中或已冷却的材料的表面部分带来的影响能够穿过工件传送，至也扰乱焊接的完整性，并且可能影响产生的产品的表面。
[0238]这些优点使得焊接发生在更加具有成本效率的组合的环境中，以及使轻质的部件和产品(例如车辆)的制造更加具有成本效率的以及产生更好的产品。
[0239]IV.结论
本公开的多个实施例在此文中被公开。公开的实施例仅仅是可以多种和可选择的形式以及其结合被实施的示例。如此文所使用的，例如、“示例性的”和相似的术语，广泛地指作为说明、范例、模型或模式起作用的实施例。
[0240]这些图并不一定是按比例的，以及一些特征可以是放大或缩小的，例如来显示特定组件的细节。在一些实例中，已知的组件、系统、材料或方法并未详细描述以便于避免使本公开含糊。因此，此文所公开的特定的结构性的和功能性的细节并不被解释为限制性的，而是仅作为重点示例和下列(例如权利要求)的基础以及作为用于教导本领域技术人员以不同地实施本公开的代表性的基础。
[0241]法律上不需要并且其为经济学上禁止的来教导本发明重点(例如权利要求)的每个可能的实施例。因此，上述实施例仅仅是执行的示例性的说明，为了本公开的原理的清楚的理解而提出。在上述实施例的变化、更改以及结合可以被产生而不违背本技术重点(例如权利要求)的范围。所有此类变化、更改以及组合在这里被包括在本公开以及下列技术重点(例如权利要求)的范围内。
【主权项】
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。
2.根据上述权利要求1所述的系统，其中该成型工具被配置以通过摩擦形成凹部。
3.根据上述权利要求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。
4.根据上述权利要求1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。
5.根据上述权利要求1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。
6.根据上述权利要求1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。
7.根据上述权利要求1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。
8.根据上述权利要求1所述的系统，其中该成型工具具有大致环形的轮廓形状。
9.根据上述权利要求1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。
10.一种用于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的方法，其包括: 使用混合成型/能量化的系统的成型工具，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 使用混合成型/能量化的系统的焊接能量施加装置，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，由此抑制焊接材料在任何不需要的位置的形成。
【专利摘要】本发明涉及使用混合摩擦/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，其用于在将多个工件有效地连接在一起的使用中，同时抑制焊接材料在不需要的区域的形成，其包括：成型工具，其被配置以在来被连接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成被放置在凹部内，由此抑制在任何不需要的位置处焊接材料的形成。
【IPC分类】B23K28-02, B23K20-12, B23K20-10
【公开号】CN104607794
【申请号】CN201410450736
【发明人】P-C.王
【申请人】通用汽车环球科技运作有限责任公司
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年9月5日
【公告号】DE102014112683A1, US20150068662