用于形成斜面接头的方法和工具与流程

本发明涉及用于在两个细长构件之间形成斜面接头(scarf joint)的方法和工具。

本发明特别地用于在风力涡轮叶片的翼梁帽(spar cap)中形成斜面接头。然而，该构思能够更广泛地应用以连结任何两个细长的复合构件。

背景技术：

WO2012/004571描述了在翼梁帽中形成接头的方法。通过形成此种接头，风力涡轮叶片可由多个小构件制造，该多个小构件然后堆积以形成完整长度叶片。任何这种接头必须是坚固且可靠的，且不应将不需要的寄生质量引入叶片结构中。WO2012/004571公开了连结翼梁帽的方法，这允许风力涡轮叶片在工厂环境的外侧连接在一起，使得区段可以以区段的形式转移且在它们的使用点附近组装。本公开然后继续描述基于工厂的组装方法。这需要多个U形治具，该多个U形治具在连结过程期间支撑翼梁帽构件。一旦它被支撑，则连接件或者由界面区域中的多个预浸料叠片组成，或者是被完全插入界面中的预固化构件。在该时刻，在真空下加热且固化接头区域。WO2012/004571不描述对接头区域应用真空的细节。然而，这是通过应用真空袋来进行的，该真空袋被围绕接头区域密封。然后抽空在袋与接头区域之间的空间，以便在固化过程期间对该接头加压。

本发明涉及该过程的改进。

确保高品质的叠片和没有瑕疵的接头是重要的，缺陷导致应力集中且降低结构完整性。孔隙是改变材料特性，引起应力集中且作用为用于裂纹成核(crack nucleation)的点的缺陷。孔隙可由各种起因导致，例如：当混合树脂时或在铺叠期间(特别是在层落下)时，空气可被困住；挥发物可在固化过程期间被释放；且内部拉伸应力可因树脂固化收缩而累积。

我们已认识到，为了减少孔隙的形成，流体静树脂压力必须保持高于挥发物蒸汽压力。否则，挥发物从溶液出来且形成孔隙。固化期间更高的温度导致更高的挥发压力，这意味着如果孔隙或挥发压力超过流体静树脂压力，则先前存在的孔隙将生长。该树脂流体静压力因此应保持足够高，以确保空气或挥发气体可坍缩或溶解在液体树脂中，直至发生胶凝。

孔隙的问题对所有的复合物制造而言是共通的，但存在对之前描述的斜面接头布置而言特定的难题。斜面表面可为阶梯状表面，其中通过使纤维层(或层片)降下来形成角度。在接头界面处，可存在局部富含树脂的地带。孔隙倾向于在这些区域中形成。当使用真空袋方法时，如果暴露于真空，则这些孔隙可在尺寸方面生长，因为蒸汽压力超过流体静树脂压力。如果溶解的气体或湿气从溶液出来，则还可形成新的孔隙。斜面表面对斜面接头的结构完整性而言是关键的，且该区域中的任何缺陷可显著地降低性能。避免作用为应力集中的此种缺陷是重要的。这在斜面接头的薄端部(朝向锥形端部表面末梢)中是特别重要的，因为相对于叠片的局部厚度，因任何缺陷导致的应力集中是大的。因此，应力集中在薄端部中是更为不利的。

除了在使用具有斜面接头布置的真空袋时与孔隙有关的难题之外，还存在应用真空的实践挑战。从真空获得一致和均匀地分配的压力可能是困难的，且必须消除所有的泄漏，以使压实压力最大化。真空袋还可夹紧叠片的边缘，这阻碍空气/挥发物的抽空。最大压力还取决于可变的大气条件，从而导致叠片品质的可变性。

回避这些难题的一个方式是使用高压釜。高压釜施加超过大气但通常在500kPa(5 bar)到700kPa(7 bar)的范围中的压力。该高压通过真空袋来避免上面提及的难题。然而，高压釜是昂贵的且在尺寸方面受限。它们尤其不适用于两个细长构件之间的接头，且足够长以保持这些构件的高压釜的成本是极高的。

技术实现要素：

根据本发明，提供根据权利要求1的形成斜面接头的方法。

本发明提供前述真空袋方法的便利性，但以高压釜的成本的一小部分来避免与施加压实压力相关的所有难题。

因为围绕构件的形成接头的部分来应用模制工具，所以不需要大的压力容器。施加的压实压力可超过真空袋方法(限于与大气压力相等的最大压力)且可接近在高压釜中使用的压力。此外，需要被加压的体积可为最小的，从而降低对大体积加压的成本，且显著地减少周期时间。

施加正压力增长的步骤优选地包括施加小于600kPa(6 bar)，优选地小于500kPa(5 bar)，优选地小于400kPa(4 bar)且优选地小于300kPa(3 bar)的最大压力。

可通过机械或液压方式来实现施加压力的步骤。然而，优选地通过将压力袋放置在模制工具中且将压力施加至压力袋以加压构件来实现施加压力的步骤。

在此情形中，板可包括在压力袋与复合构件之间，以确保将压力均匀地施加至被施加压力的面。

该模制工具可设有一件式壳体，待连结的构件插入该壳体中。然而，优选地，模制工具包括两部分式壳体。优选地，其采取处于通道形状的基底的形式，以接收该第一和第二细长构件和可附接至该基底的盖子，使得施加压力步骤采取在盖子与细长复合构件之间施加压力的形式。这意味着，形成接头的构件可放置到该基底中，这在构成构件时允许容易的可达性。

可应用该方法，以在任何两个细长复合构件之间形成接头。然而，优选地，其应用至形成翼梁帽的适合用于在风力涡轮叶片中使用的部分的细长复合构件。

该接头可为“双斜面”接头。在此情形中，第二细长复合元件为连接件，该连接件在一个端部处连接至第一细长构件且在相反端部处连接至第三细长复合构件。连接件与第三细长复合构件之间的接头优选地以与第一细长复合构件与连接件之间的接头相同的方式形成。实际上，其可在相同的模制工具中同时地形成。

根据本发明的第二方面，提供根据权利要求9的工具。

该工具适合用于实现上面的方法。

优选地，该通道在两个端部处打开，使得复合元件可在模制过程期间沿两个方向突出。

用于施加正压力的器件是可优选的，在该器件上，可施加小于600kPa(6 bar)、优选地小于500kPa(5 bar)、优选地小于400kPa(4 bar)和优选地小于300kPa(3 bar)的最大压力。

用于施加正压力的器件可为机械器件，其可手动地启动(例如螺旋压力机)，或通过电马达来启动。然而，优选地，用于施加正压力的器件为压力袋。在此情形中，板优选地在如下位置提供在压力袋下方，在该位置中，其在使用时布置为接触第一和第二细长复合元件。盖子优选地包括用于对压力袋加压和排气的一个或更多个端口。理想地，该基底尽可能地简单，且实施模制过程所需的所有特征设在盖子中。这使细长复合元件能够在简单的通道结构中组装，且然后将具有所有必要连接的盖子带到合适位置。模制工具优选地包括加热器，以便在固化过程期间加热复合元件。该加热器可设在盖子中，但优选地在基底中，因为其对复合构件提供更直接的加热。

技术方案1：一种在第一和第二细长复合构件之间形成斜面接头的方法，所述第一和第二细长复合构件各自具有互补的锥形端部表面；

构件中的至少一个由浸渍在树脂中的纤维层的堆叠形成，所述锥形端部表面通过各纤维层比邻近层更远地纵向前进地延伸而形成；

所述方法包括将粘合剂应用至所述锥形端部表面中的至少一个；

围绕该第一和第二细长构件，在它们的锥形端部表面邻近彼此的情况下附接模制工具；

贯穿固化过程施加正压力增长，以朝彼此推锥形表面，而不使压力局部地降低为低于树脂或粘合剂的蒸汽压力；和

通过所施加的压力来固化所述模制工具中的树脂和粘合剂。

技术方案2：根据技术方案1所述的方法，其中，施加压力的步骤包括施加小于600kPa(6 bar)的最大压力。

技术方案3：根据技术方案1所述的方法，其中，施加压力的步骤是通过以下来执行的：将压力袋放置在所述模制工具中，且将压力施加至所述压力袋，以对构件加压。

技术方案4：根据技术方案3所述的方法，还包含：包括在所述压力袋与所述复合构件之间的板。

技术方案5：根据任一前述技术方案所述的方法，其中，所述模制工具包括两部分式壳体。

技术方案6：根据技术方案5所述的方法，其中，所述工具包括基底和盖子，所述基底处于通道的形状以接收所述第一和第二细长构件，所述盖子能够附接至所述基底，使得施加压力步骤采取在所述盖子与细长复合构件之间施加压力的形式。

技术方案7：根据前述技术方案中的任一项所述的方法，其中，所述第一和第二构件形成适合用于在风力涡轮叶片中使用的翼梁帽的部分。

技术方案8：根据前述技术方案中的任一项所述的方法，其中，所述接头为双斜面接头，其中第二细长复合元件为连接件，所述连接件在一个端部处连接至所述第一细长构件且在相反端部处连接至第三细长复合构件。

技术方案9：一种用于连结第一和第二细长复合元件的模制工具，所述工具包括两部分式壳体，所述两部分式壳体包括基底和盖子，基底限定在至少一个端部处的通道开口，以允许复合元件中的一个在模制过程期间从所述开口突出；所述盖子能够可释放地附接至所述通道的顶部；在所述盖子下方的区域中，所述壳体包括用于在所述通道中在所述壳体与所述第一和第二细长复合元件之间施加正压力增长的器件。

技术方案10：根据技术方案9所述的工具，其中，所述通道在两个端部处打开。

技术方案11：根据技术方案9所述的工具，其中，用于施加正压力的所述器件为可施加小于500kPa(5 bar)的最大压力的器件。

技术方案12：根据技术方案11所述的工具，其中，用于施加正压力的所述器件为可施加小于300kPa(3 bar)的最大压力的器件。

技术方案13：根据技术方案12所述的工具，其中，用于施加正压力的所述器件是压力袋。

技术方案14：根据技术方案13所述的工具，其中，板在如下位置设在所述压力袋的下方，在所述位置中，所述板布置成在使用时接触所述第一和第二细长复合元件。

技术方案15：根据技术方案14所述的工具，其中，所述盖子包括用于对所述压力袋加压和排气的一个或更多个端口。

技术方案16：根据技术方案13所述的工具，还包括加热器。

附图说明

现在将参考附图来描述根据本发明的方法和模制工具的示例，在该附图中：

图1a是可使用本发明的方法和工具制造的接头的第一示例；

图1b是可使用本发明的方法和工具制造的接头的第二示例；

图2是穿过模制工具的横截面；且

图3是穿过模制工具的细长截面。

具体实施方式

下面的描述将第二组两个构件称为翼梁帽构件，且主要意图是，它们是用于在风力涡轮叶片中使用的翼梁帽构件。然而，该方法和工具可同样地应用至具有互补的锥形端部表面的任何两个或更多个细长复合构件，这些互补的锥形端部表面待连接在一起。

图1a是通过本发明形成的双斜面接头的典型示例，而图1b为单个斜面接头的典型示例。

在图1a中，如在WO2012/004571中更详细地描述的，第一翼梁帽构件1经由v形连接件3而连结至第二翼梁帽构件2。翼梁帽构件具有锥形端部4，锥形端部4中的各个与其粘结至的连接件3的较低面5互补，如下所述。构件中的各个具有复合结构，且由多个纤维层制成，该多个纤维层被浸渍在树脂中。各纤维层在纵向方向上前进地延伸，以便形成倾斜表面。该倾斜表面也可为加工的表面，使得其相当地光滑。备选地，其可具有阶梯状构造，因为如构成纤维层的层片中的各个在接头界面处终止。连接件3可在如下所述地固化之前由半凝乳预浸料层构成为图1a中示出的形状。备选地，连接件3可为预固化的构件，在该情形中，不可适用本发明的方法，但仍可使用本发明的工具来连结此种构件。

在图1b中示出第二种形式的接头。其为单斜面接头，其中不存在连接件。作为替代，存在具有倾斜端部的第一翼梁帽构件7，其在界面9处联接至具有互补倾斜端部的第二翼梁帽构件8。该构件具有与上述相同的构造，且上面关于界面的说明同样地适应于图1b的单个界面。

为了形成接头，使用图2和3中示出的工具。其包括基底10，该基底10具有通道形构造，该通道形构造限定接头构件的较低壁和侧壁。如图3中所示，基底10在各端部处具有开口11，在连结过程期间，翼梁帽构件1、2从开口11突出。首先，图1a或1b中示出的翼梁帽的各种构件将被铺叠在通道形基底10内。一旦所有的构件都在合适的位置，则将网膜板12放置在构件的顶部上，以确保压力一致地施加至翼梁帽构件。然后通过多个螺栓14将盖子13螺接到基底上，以将它稳固地固连在合适位置。基底10中的通道比翼梁帽深，从而允许用于将压力袋15插入盖子13正下方且在网膜板12上方的空间。盖子13可具有朝下下垂的唇缘，使得它形成腔来接收压力袋15，而非具有如图2所示的平面构造。在此情形中，基底10与盖子13之间的界面将比图2中所示的低，且螺栓14将相应地放置。

在将盖子13螺接在合适位置的情况下，压力袋15被沿气动线路16供应高压空气(直到500kPa(5bar))，可存在沿盖子的长度间隔的多个气动线路16。这些线路可同样地经由基底而连接，但将它们提供在盖子13中以允许将基底13用作模具是更便利的，而没有与各种随后的连接干涉的可能性。如果连接件13为预固化构件，则在粘合剂固化时施加压力。另一方面，如果它是局部固化的构件，则在构件和粘合剂固化时施加高压。在此情形中，加热器可并入基底10中或优选地并入盖子13中，以在固化过程期间加热翼梁帽构件。作为气动压力的备选方案，可沿液压线路16对压力袋15供应高压液体。

如从图2和3中特别显而易见的，形成接头所需的加工占用与由待连结的构件自身占用的空间几乎无差别的空间。因此它比可容纳整个构件的高压釜显著更小且更便宜。而且，如从图2和3可见的，压力袋15的体积在给定接头尺寸的情况下是最小的，使得加压起来快速且便宜。压力袋的小体积使加压系统中储存的能量最小化，特别是相对于高压釜而言。

一旦粘合剂和/或翼梁帽构件已固化，则沿气动线路16释放压力，拆卸螺栓14且移除盖子13和压力袋15，由此可从基底10移除固化的翼梁帽构件。