专利名称：利用倾斜取向的对接凸起部将第一部件接合到第二部件的方法及这两个部件的组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将一个部件接合到另一部件的方法以及如此形成的接合件。
背景技术：
目前，金属或热塑性材料和复合部件之间的接合可通过许多方法来实现，但每种方法都具有其自身的局限性。使用紧固件是常见的，但是紧固件的使用往往会导致围绕紧固件孔的脱层。通常难以在复合物中钻出紧固件孔，并且可能需要对紧固件孔的周围进行显著的加固，从而导致增加重量。紧固的接合件往往在拉脱方向(也就是，紧固件的轴向负载方向)尤其脆弱。 由此，紧固的接合件不能很好地适于很多航空应用。粘结性结合是将金属部件结合到复合层压件的日益常见的手段，然而其在剥落、 张力和断裂方面表现很差，并且往往在很少有警告或没有警告的情况下失效。这些结合在剥落和张力方面的弱点导致结合的接合件在常规航空结构内的应用也类似地受到了限制。 剥落或张力方面的低劣性能的任何缓解都往往会导致大的结合表面面积，随之而来的是与重量相关的不利结果。WO 2004/028731 Al描述了一种方法，借助于该方法，通过使用诸如电子束的“功率束”来产生表面特征，以便在金属部件上“弹起”表面材料，雕刻出突出特征，所述突出特征旨在在被结合到共固化层压件的基质中时增加结合表面面积从而提高结合强度。WO 2008/110835 Al描述了一种方法，借助于该方法，通过累加制造工艺以一系列层的形式在部件的结合表面上“生长”出表面特征。表面特征的轮廓和形状可被容易地控制以便最优化接合件的性能，尤其是张力和剥落方面的性能。每个表面特征均可具有尖锐的尖端，使得表面特征可被容易地嵌入到一系列被相继覆盖在结合表面上的层压叠层中。表面特征可以是非对称的，以便改进接合件在特定负载方向上的特性。然而，上述方法存在下述问题，至少一些表面特征可能会在接合件的形成期间撕裂层压叠层，从而导致完成后的接合件的强度降低。在部件是拐角托架或类似物，需要将层压叠层覆盖在拐角上的情况下，这种问题尤其突出。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种将第一部件接合到第二部件的方法，所述方法包括通过在第一部件的结合表面上形成细长凸起部的阵列来制备第一部件，每个凸起部均具有中心线、尖端和基部，其中，每个凸起部的尖端处的中心线被定向成相对于结合表面的在凸起部的基部处的法线成一角度，并且其中，尖端处的中心线的角度取向在凸起部的阵列中是变化的；将第一部件和柔性层设置在一起，以便将凸起部嵌入到柔性层中；以及在凸起部的阵列已被嵌入到柔性层中之后硬化柔性层，以形成第二部件。本发明的第二方面提供了一种通过第一方面的方法形成的接合件。
凸起部可以按一系列层的方式生长在结合表面上，每层均是通过将能量和/或材料引到结合表面上而生长的。合适的累加制造技术可以是“粉末床”工艺(其中，一系列粉末层被沉积在结合区域上，并且每层的选定部分通过功率束来熔融)或“粉末供给”工艺 (其中，粉末被沉积在结合区域的选定部分上并接着由诸如激光束或电子束的功率束来熔融)。替代性地，可通过将一组凸起部摩擦焊接到结合表面上来形成凸起部。此外，凸起部可通过熔融沉积(其中，熔化的材料被挤出通过喷嘴)来形成。替代性地，凸起部可通过在 WO 2004/028731 Al中所述的方法来形成，借此，凸起部是通过从结合表面连续地弹起材料来形成的。用于形成凸起部的上述技术仅是示例性的，实质上可使用任何方法。每个尖端处的中心线的取向优选地是基于下述中的一个或更多个来确定的结合表面的轮廓；第一部件和柔性层正好在接合之前的预定的开始取向；以及在接合期间第一部件和柔性层之间的预定的初始接触点。优选地，凸起部被定向成使得当柔性层和第一部件被设置在一起时，每个凸起部均在局部的凸起部中心线保持与所述层的局部表面法线具有小的或甚至为零的角度的同时均穿透所述层。由此，当凸起部被嵌入到柔性层中时，对于柔性层的撕扯作用减少。结合表面可以是平面状的、凸面的或可能甚至是凹面的。凸起部可以是对称的 (例如，柱形或锥形，并且相对于部件以直角延伸)，或者凸起部中的至少一个可以是非对称的(例如，凸起部可向一侧倾斜和/或可具有非圆形截面)。凸起部的中心线可以是笔直的或可以是弯曲的。凸起部可优选地是纤细的，具有2以上的纵横比。第一部件和柔性层优选地通过将柔性层覆盖到所述部件上而被设置到一起。覆盖可手动实施，或可使用计算机控制的铺带机。可能需要软辊以将凸起部充分地嵌入到所述层中。第一部件可被设置在模具中，并且柔性层被覆盖到所述模具上。替代性地，具有凸起部的第一部件可在柔性层上滚动或以其他方式移动，以便将凸起部嵌入到所述层中。可通过将第一部件和每个其他柔性层设置在一起而在柔性层的顶部上将一个或更多个其他柔性层类似地接合到第一部件。凸起部可在接合期间嵌入到所述其他柔性层中的至少一些中。柔性层可以是一个或更多个纤维加强的叠层。所述层可作为干燥纤维层来铺设， 在凸起部被嵌入到所述层中之后，树脂被注入到所述干燥纤维层上。替代性地，所述层可以是预浸渍有树脂的纤维层(所谓的“预浸料坯”)，凸起部被嵌入到所述纤维层中。在将凸起部嵌入到所述层中、进行真空装袋以及需要的话接着注入树脂之后，可能需要硬化纤维加强的复合层。复合层可以是例如碳纤维加强的塑料(CFRP)、玻璃纤维加强的塑料(GFRP)或诸如Kevlar的芳族聚酰胺。替代性地，柔性层可以是诸如聚醚醚酮(PEEK)的热塑性材料。 热塑性材料可能需要通过加热来软化，以使得其在凸起部嵌入之前具有足够的柔性。热塑性材料可通过使得在凸起部嵌入之后冷却来硬化。优选地，在凸起部被嵌入到该柔性层中之后，使柔性层与第一部件固结，以便由柔性层形成第二部件。如果有多个柔性层被接合到第一部件，那么每个柔性层可分别固化在第一部件上，或者可在这些层的一批或全部被铺设到第一部件上之后来实施固化。凸起部可由与第一部件相同的材料形成，或者凸起部可由与第一部件不同的材料形成。接合件可用于例如在航空应用中接合结构部件。例如，接合件可用于将加强板、悬浮翼脚或纵梁接合到诸如机翼或机身蒙皮的面板；或将托架配件接合到副翼。替代性地，接合件可用于接合层压结构中的相邻层。
现将参考附图来描述本发明的实施方式，在附图中图1示出了托架部件，所述托架部件具有不同取向的凸起部形成的阵列；图2示出了凸起部的阵列；图3a示出了安装在模具的凹部中的图1中的托架部件；图北示出了层叠工艺，通过所述层叠工艺，连续叠层被覆盖在托架和模具上面；图3c示出了在固化之前的完成的层叠件；以及图3d示出了在固化和脱模之后的完成的混合部件；图4示出了粉末床制造系统的示意图；以及图5示出了粉末输送制造系统的示意图。
具体实施例方式图1所示的金属拐角托架部件1包括外结合表面2。表面特征或凸起部3的阵列从该结合表面2延伸。如从图1可看到的，该阵列的一排凸起部3大致均勻地分布在结合表面上，在顶点处的具有最大曲率的区域中仅留有不存在凸起部3的小空间。凸起部3均具有尖端、基部和中心线。如图2所示，凸起部3在x-y平面内以二维阵列的方式布置在结合表面2上。图 2仅示出了结合表面2的一部分，这一部分在χ方向的边长为Lx，并且在y方向的边长为 Ly。图2中仅示出了凸起部3在结合表面2上的印迹的轮廓。凸起部的基部与部件的边缘在χ方向间隔开距离EDx，并且在y方向间隔开距离EDy。凸起部的基部在χ方向间隔开间距ρχ，并且在y方向间隔开间距py。接下来，将参照图3a至图3d来描述将托架部件1接合到层压复合部件30以形成混合部件40的接合过程。托架部件1被结合到模具20中，所述模具20具有带有凹部的模具表面，该凹部接收托架部件，如图3a所示。在托架部件1被结合到模具中之后，将复合层叠件铺设在托架部件1和模具20 上。复合层叠件包括一系列单向碳纤维叠层31至35，这些单向碳纤维叠层预浸渍有未固化的环氧树脂。每个叠层通常被称为“预浸料坯”。如图北所示，最开始的预浸料坯31在被覆盖在结合表面2上时被凸起部3穿透。将在下文详细地阐述凸起部3的取向。其他板 32至35被相继地覆盖在结合表面2上以完成复合层叠件。可使软辊在预浸料坯31至35 上滚动，使得凸起部3被完全嵌入。软辊可在铺设每个叠层之后应用、在铺设一组叠层之后应用，或者在铺设最后的叠层之后应用。图3c示出了第二部件30在托架1和模具20上的完成的叠层层叠件，准备通过所谓的“真空装袋”工艺来固结并固化预浸料坯。也就是说，由真空膜(以及任选地，诸如呼吸层或剥离叠层的各种其他层)覆盖层叠件；排空真空膜以施加固结压力并提取水分和挥发物；以及加热层叠件(任选地，在高压罐中)以固化环氧树脂基质。环氧树脂基质由于在固化之前熔化而流动成紧密接触凸起部3。凸起部3以机械方式接合该基质，同时还增加了结合的表面面积。
由于上述固化过程，金属托架1(第一部件)和层压复合部件30 (第二部件)被接合而形成混合部件40，接着混合部件40被从模具20移除。在图3d中示出了该混合部件 40，并且该混合部件可与各种其他部件组装在一起。每个凸起部3的中心线被限定成使得可将复合叠层覆盖到所述凸起部上，并且可在叠层的局部表面法线与凸起部的中心线之间保持小的角度(理想地，零角度)的同时实现所述叠层的穿透。这减少了在覆盖期间凸起部3横向撕裂叠层的趋势。理想地，在叠层中所产生的孔的尺寸仅足以容纳凸起部3。为了限定凸起部中心线以实现该理想的目的，必要的是获知在叠层最初与部件1 接触的一点处该部件和该叠层的取向。该点被定义为“初始覆盖点”。在图1所示的实施例中，初始覆盖点是靠近托架1的顶点的点4，在此处，虚拟的叠层10首先与顶点两侧的凸起部3接合。该建模用于计算凸起部3阵列在结合表面2上的合适几何设置。“接触点”被定义为被接触的叠层10停止与部件1接触并且保持与局部结合表面 2的斜面(gradient)相切的点。“接触点”最初与“初始覆盖点”重合，但是随着叠层的覆盖而在表面2上移动。可以从图1看出，随着叠层10移动经过位置A至D，接触点离开初始覆盖点。凸起部3的中心线被理想地设计成使得在与“接触点”相切的表面与凸起部中心线之间的交点处，存在局部正交条件。这得到这样的特征部，这些特征部在其基部处正交于局部表面，并且在从该表面延伸时以与结合表面2的轮廓相关的变化的局部曲率弯曲。在如图1所示的具体实施例中，凸起部中心线11形成同心圆，其中初始覆盖点4处于中心。当在理论上可能存在不止一个初始覆盖点时，初始覆盖点通常将被选择为使得其允许凸起部形成为与结合表面成最小的角度。理想化的凸起部中心线通常是不容易被制造的，这取决于形成凸起部3所采用的制备部件1的结合表面2的方法。为此，即使在上述局部正交条件未被严格满足时仍可看到本发明的许多优点。例如，虽然图1所示的凸起部3的中心线11具有曲率，但是凸起部的形状近似于相对于结合表面以不同倾斜角度设置的笔直凸起部的阵列。替代性地，可使用不严格满足正交条件的具有弯曲中心线的凸起部，使得中心线在凸起部的基部不严格正交于结合表面。由此，可以避免凸起部中的较小曲率半径，从而凸起部更容易被制造，同时仍能实现每个凸起部的尖端处的理想取向。重要的是，每个凸起部的尖端处的中心线被取向成相对于结合表面的在该凸起部的基部处的法线成一角度，其中，尖端处的中心线的角度取向在凸起部的阵列中变化。要注意的是，结合表面是平面的情形被认为是不重要的并且在本发明的范围之外，这是因为部件将被形成为具有正交于结合表面的凸起部，并且可通过简单地使得平面状结合表面平行于柔性层以便将凸起部嵌入到柔性层中而满足正交条件。每个凸起部3均通过累加制造工艺以一系列层生长，S卩，如图4所示的粉末床工艺或如图5所示的粉末供给工艺。在如图4所示的粉末床工艺中，通过用激光头横向扫描粉末床并将激光引到粉末床的选定部分来形成凸起部的阵列。更具体地，该系统包括一对供给容器30、31，该容器装有诸如粉末状钛的粉末状金属材料。辊32从其中一个供给容器拾取粉末(在图4的实施例
6中，辊32从右手侧供给容器拾取粉末)并且在支承构件33上滚压连续的粉末床。然后，激光头34在粉末床的上方进行扫描，使激光头的激光束通断以按照期望的图案熔化该粉末。 然后，使支承构件33向下移动小距离(通常是0. Imm的量级)以准备生长下一层。在暂停以使熔化的粉末固化之后，辊32继续在支承构件33上滚压另一层粉末，以准备烧结。因此当该工艺继续进行时，构造出由未固结的粉末部分36支承的烧结部分35。在完成该部分之后，从支承构件33移除该部分，并且在返回至供给容器30、31之前，使未固结的粉末36再循环。图4的粉末床系统可用于构造整个托架部件1，包括凸起部3。激光头34的运动以及激光束的调制通过该选定部分的期望轮廓和布局的计算机辅助设计(CAD)模型来确定。图5所示的粉末供给制造系统可用于在预先制造的托架部件1上构造凸起部3。也就是说，不具有凸起部的托架部件1已经在被安装到粉末供给制造机构之前被预先制造。在图5中，凸起部3被示出为正在托架部件1的一个臂的结合表面2上形成。该粉末供给制造系统包括可移动的激光头40，该激光头具有激光器41以及围绕激光器41的环形通道42。未烧结的粉末流动通过通道42进入到激光束43的焦点中。随着粉末被沉积，粉末熔化而形成与现有材料固结在一起的珠44。粉末供给系统可用于以连续或并行的方式生长凸起部。更具体地，凸起部可通过下述序列并行生长P (1) L (1)，P (2) L (1)，…P (n) L(I), P (1) L (2), P (2) L (2), . . . P (η) L (2)...等。或可通过下述序列连续生长P (1) L(1),P(1)L(2),...P (1) L (m)，P (2) L (1), P (2) L (2), . . . P (2) L (m)...等。其中，P(X)L(Y)表示凸起部Y的层X的生长。这与仅能够以并行方式生长凸起部的粉末床系统形成了对比。相比于图4的粉末床系统，图5的粉末供给系统将粉末仅导向到结合区域的选定部分，且在粉末被输送的同时将其熔融。因此，粉末供给机构产生未被粉末支承的结构，并且因此支承件(未示出)可能需要被一体地构造在该选定部分内并且随后通过机加工去掉，尤其是在凸起部具有大的突出部分的情况下。激光头40可以是工艺中的唯一移动特征件，或者该选定部分可在制造期间旋转。 换句话说，激光头40将粉末引向结合区域的选定部分，其中该部分相对于激光头40处于第一取向；该部分旋转以使得其采用相对于激光头40的第二取向；然后，激光头将材料引向结合区域的选定部分，其中该部分处于第二取向。这有利于制造复杂的形状而不需要可移除的支承件。例如，可通过在层之间旋转选定部分以便总是保证正被构造的元件相对于竖直方向不大于30度来形成悬伸特征件。由于构造区域处于显著低于材料熔点的温度下，所以正被构造的区域仅需要在激光能量被移除之后保持可支承角度短暂的时间，以便使得该区域充分固结以能够自支承。如果凸起部是按照并行顺序构造的，那么可在每个层之间重新定向选定部分，以能够构造未被支承的悬伸特征部。粉末床或粉末供给系统这二者的激光源可由另一功率束源(例如，用于定向电子束的电子束源)来替代。凸起部可呈多种不同的形状。凸起部可以是锥形长钉。凸起部可具有悬伸部。凸起部可关于其中心线旋转对称，或可以不对称。中心线可沿着其整个长度或部分长度弯曲，或者可以是笔直的。凸起部可包括横向凸起部或脊部。凸起部可包括上述特征中的一个或更多个，这取决于要形成的接合件的类型。凸起部的纵横比可相对较大，从而得到牢固的机械接合以及高的表面面积。如果将纵横比定义为H/W，其中H是垂直于部件的结合表面的高度，W是平行于结合表面的平均宽度，那么纵横比在大约2至6之间变化。凸起部的该纵横比可增加或减少以得到期望属性，但是优选地至少是2。柔性层可用玻璃纤维或碳纤维来加强；或者可以是不用加强的热塑性层，例如聚醚醚酮(PEEK)。凸起部可由金属材料(例如，钛或不锈钢)或者热塑性材料(例如，聚醚醚酮(PEEK))形成。凸起部可由与第一部件或柔性层相同或不同的材料来形成。第一部件实质上可呈任何形状并且可具有平面状、凸起或凹陷的结合表面。第一部件可包括安装特征，例如固定孔，使得第一部件可在最终的组件中被安装到其他部件。虽然已经参考一个或更多个优选实施方式在上文描述了本发明，但是将理解的是，在不偏离由所附权利要求书限定的本发明范围的前提下可做出各种变化或修改。
权利要求
1.一种将第一部件接合到第二部件的方法，所述方法包括通过在第一部件的结合表面上形成细长凸起部的阵列来制备所述第一部件，每个凸起部均具有中心线、尖端和基部，其中，每个凸起部的所述尖端处的所述中心线被取向成相对于所述结合表面的在所述凸起部的基部处的法线成一角度，并且其中，所述尖端处的中心线的角度取向在所述凸起部的阵列中是变化的；将所述第一部件和柔性层设置在一起，以便将所述凸起部嵌入到所述柔性层中；以及在所述凸起部的阵列已被嵌入到所述柔性层中之后硬化所述柔性层，以形成所述第二部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述凸起部以一系列层的方式生长在所述结合表面上，每个层均是通过将能量和/或材料引向所述结合表面上而生长的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，每个层均是通过累加制造工艺来生长的。
4.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，每个尖端处的中心线的取向是基于所述结合表面的轮廓来确定的。
5.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，每个尖端处的中心线的取向是基于所述部件和所述柔性层正好在接合之前的预定的开始取向来确定的。
6.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，每个尖端处的中心线的取向是基于在接合期间所述部件与所述柔性层之间的预定的初始接触点来确定的。
7.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，通过将所述柔性层覆盖到所述部件上而将所述第一部件和所述柔性层设置到一起。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述部件被安置在模具中，所述柔性层被覆盖到所述模具上。
9.根据前述任一权利要求所述的方法，所述方法还包括在所述柔性层的顶部上将一个或更多个其他柔性层与所述第一部件设置在一起。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述凸起部被嵌入到所述其他柔性层中的至少一些中。
11.根据权利要求9或10所述的方法，所述方法还包括在所述凸起部被嵌入之后，硬化所述其他柔性层。
12.一种根据前述任一权利要求所述的方法形成的接合件。
13.根据权利要求12所述的接合件，其中，所述凸起部是纤细的。
14.根据权利要求12或13所述的接合件，其中，至少一些所述凸起部的所述中心线沿着其整个长度或部分长度是弯曲的。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的接合件，其中，所述第一部件是由金属构造的。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的接合件，其中，所述第二部件是纤维加强的复合部件。
全文摘要
本发明涉及一种将第一部件(1)接合到第二部件的方法，所述方法包括通过在第一部件(1)的结合表面(2)上形成细长凸起部(3)的阵列来制备第一部件(1)，每个凸起部(3)均具有中心线、尖端和基部。每个凸起部(3)的尖端处的中心线被取向成相对于结合表面(2)的在所述基部处的法线成一角度，并且尖端处的中心线的角度取向在凸起部(3)的阵列中是变化的。接下来，将第一部件(1)和柔性层设置在一起，以便在硬化柔性层以形成第二部件之前将凸起部(3)嵌入到柔性层中。此外，还涉及一种如此形成的接合件。
文档编号C09J5/02GK102361723SQ201080013186
公开日2012年2月22日 申请日期2010年3月22日 优先权日2009年3月25日
发明者丹尼尔·约翰, 乔纳森·迈尔 申请人:空中客车操作有限公司