使用感应热梯度进行热塑性焊接的系统和方法与流程

文档序号:31053849发布日期:2022-08-06 10:05阅读:94来源:国知局
使用感应热梯度进行热塑性焊接的系统和方法与流程
使用感应热梯度进行热塑性焊接的系统和方法


背景技术:

1.热塑性复合层压材料通常通过位于其中一个层压材料的非接合表面附近的热源在相邻接合(faying)表面处焊接在一起。热源通常具有相对于距离变量(profile)的逆热强度,会导致非接合表面不期望的熔化或变形。
2.焊接期间,可在热源和层压材料之间放置由电绝缘和导热材料制成的散热器,以防止热源附近熔化,但此类材料少见、昂贵和/或难以进行加工。此外,散热器会增加所需热量和/或使焊接过程变慢。焊接期间,已使用冷流体从层压材料吸取热量,但该技术通常无效,因为真空袋、压脚和其他用于在焊接期间施加压力的装置会使冷流体的有效传热系数降低到低于可接受的值,因此,在热源附近的层压材料中产生的热梯度不足以防止层压材料非接合表面熔化或变形。


技术实现要素:

3.本发明的一些实施方式解决了上述问题和其它问题,并且在热塑性复合焊接(thermoplastic composite welding)领域中提供了显著进步。更具体地说,本发明的一些实施方式提供了一种将热塑性复合层压材料焊接在一起的系统和方法,其中,在层压材料中建立了所需的焊前热梯度。
4.本发明的第一实施方式是一种热塑性复合焊接系统,用于将热侧层压材料和相对层压材料焊接在一起。热塑性复合焊接系统大致包括笛形管(piccolo tube)、散热器(heat sink)和焊接承座(welding shoe)。
5.笛形管包括多个开口,用于将冷却的流体分散到散热器(因而分散到热侧层压材料)。或者,可以使用其他冷却方式,例如冷流体浸没、冷流体对流射流或冷流体喷雾。
6.散热器从热侧层压材料吸取热量以使得热侧层压材料冷却,并且可以由铜、铝或任何其他合适的导热材料形成。散热器还可以包括通量(flux)控制器材料(磁性复合材料),用于在加热期间帮助控制磁场。散热器和笛形管可以组合成单个装置,并且也可以是单独的部件。
7.焊接承座包括感应线圈和弹性压力垫,用于将层压材料焊接在一起。焊接承座还可以包括框架或其它结构构件。
8.感应线圈包括左右臂和磁感应区域。左右臂延伸至电源,用于使电流通过磁感应区域。磁感应区域位于焊接承座底端附近,用于在层压材料中产生磁场。
9.弹性压力垫位于感应线圈磁感应区域下方的焊接承座底部附近。弹性压力垫促进层压材料之间的接触。具体而言,弹性压力垫可促进对纹理化或波状表面的依从性。
10.本发明的第二实施方式是通过上述焊接系统对两个层压材料进行热塑性焊接的方法。首先,在预冷却阶段,笛形管和散热器使热侧层压材料冷却,以在其中产生热梯度。例如,冷流体可通过笛形管并分散到邻近热侧层压材料的散热器。散热器继而吸收来自热侧层压材料的热量。或者,热侧层压材料的第一侧可浸入冷流体中,引入至对流冷却喷嘴,或用冷流体喷洒。因此,热侧层压材料的第一侧可以过冷(super cool)或接近过冷,而热侧层
压材料的第二侧相对温暖。
11.然后,在加热阶段期间,通过焊接承座的弹性压力垫向热侧层压材料和/或相对层压材料施加压力。这提供了对热侧层压材料第二侧和相对层压材料第一侧的纹理或轮廓(contours)的依从性。
12.然后,在加热阶段中,通过焊接承座对热侧层压材料进行加热,以将热侧层压材料第二侧和相对层压材料第一侧(即,接合表面)焊接在一起。可以使用磁感应、微波、辐照或任何其他合适的加热机制。由于在预冷却阶段期间诱导的热梯度,热侧层压材料第一侧的温度在焊接期间保持低于玻璃温度。
13.上述系统和方法以及其他实施方式将两个层压材料高效焊接在一起,而不会使层压材料的其它部分熔化、变形或降解。尤其是,靠近热源的一个层压材料的表面在焊接前进行冷却,以使其温度在焊接期间保持低于玻璃温度。
14.本发明的第三实施方式是将两个层压材料热塑性焊接在一起的另一方法。首先,对焊接承座的弹性压力垫进行冷却。例如,可将弹性压力垫引入干冰、液氮、制冷循环等。
15.然后,在预冷却阶段中,通过弹性压力垫对热侧层压材料进行冷却,以在其中形成热梯度。因此,热侧层压材料的第一侧可以过冷或接近过冷,而热侧层压材料的第二侧相对温暖。还通过弹性压力垫向热侧层压材料和/或相对层压材料施加压力。
16.然后,在加热阶段中,通过焊接系统对热侧层压材料进行加热,以将热侧层压材料第二侧和相对层压材料第一侧焊接在一起。由于在预冷却阶段期间诱导的热梯度,热侧层压材料第一侧的温度在焊接期间保持低于玻璃温度。
17.本发明的第四实施方式是将两个层压材料热塑性焊接在一起的另一方法。首先,对焊接承座的热电容进行冷却。例如,可将弹性热容器引入干冰、液氮、制冷循环等。
18.然后,在预冷却阶段中,对热侧层压材料进行冷却,以在其中形成热梯度。因此,热侧层压材料的第一侧可以过冷或接近过冷,而热侧层压材料的第二侧相对温暖。
19.然后,在加热阶段中,通过焊接系统对热侧层压材料进行加热,以将热侧层压材料第二侧和相对层压材料第一侧焊接在一起。由于在预冷却阶段期间诱导的热梯度,热侧层压材料第一侧的温度在焊接期间保持低于玻璃温度。
20.提供本发明内容以简要介绍一系列构思,这些构思将在下面的具体实施方式中进一步描述。本概述并不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征,也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
21.本发明的其他方面和优势将从下文各实施方式的详细描述和附图中显而易见。
22.附图简述
23.本发明的实施方式参考所附附图进行详细描述,其中:
24.图1是根据本发明实施方式构造的焊接系统的笛形管和散热器的正视图;
25.图2是根据本发明实施方式构造的焊接系统的焊接承座的正视图;
26.图3是图2的焊接承座的侧视图;
27.图4是根据本发明的一实施方式的热梯度进展的示意图;
28.图5是根据本发明的一实施方式的热和压力分布曲线图;
29.图6是描述根据本发明实施方式的热塑性复合焊接方法的某些步骤的流程图。
30.图7是描述根据本发明另一实施方式的热塑性复合焊接方法的某些步骤的流程
图。
31.图8是根据本发明的另一实施方式构造的焊接承座的侧视图;
32.图9是图8的焊接承座的正视图;并且
33.图10是描述根据本发明另一实施方式的热塑性复合焊接方法的某些步骤的流程图。
34.附图并未将本发明限制到本文公开并描述的具体实施方式。所述图不一定按比例绘制,而强调着重于清楚说明本发明的原理。
具体实施方式
35.本发明的以下详细描述参考了附图,所述附图显示了可以实施本发明的具体实施方式。这些实施方式旨以足够详细的方式对本发明的各个方面进行描述,以使本领域技术人员能够实践本发明。可利用其它性实施方式并可以进行改变而不偏离本发明的范围。因此,下文详细描述不被认为是限制性的。本发明的范围仅由所附权利要求以及与这些权利要求获得的相当的全部范围来限定。
36.现在来看图1-3,显示了根据本发明多个方面构造的热塑性复合焊接系统10,用于将热侧层压材料100和相对层压材料102焊接在一起。热塑性复合焊接系统10大致包括笛形管12、散热器14和焊接承座16。
37.笛形管12包括多个开口,用于将冷却的流体分散到散热器14(因而分散到热侧层压材料100)。也可以使用下文所述的其它冷却装置。
38.散热器14从热侧层压材料100吸取热量以使得热侧层压材料100冷却,并且可以由铜、铝或任何其他合适的导热材料形成。散热器14还可以包括通量控制器材料(磁性复合材料),用于在加热期间帮助控制磁场。散热器14和笛形管12可以组合成单个装置,并且也可以是单独的部件。
39.焊接承座16包括感应线圈18和弹性压力垫12。焊接承座16还可以包括框架或其它结构构件。
40.感应线圈18包括左右臂和磁感应区域。左右臂延伸至电源,用于使电流通过磁感应区域。磁感应区域位于焊接承座16底端附近,用于在层压材料100、102中产生磁场。
41.弹性压力垫20位于感应线圈18的磁感应区域下方的焊接承座16底部附近。弹性压力垫20促进层压材料100、102之间的接触。具体而言,弹性压力垫20促进对纹理化或波状表面的依从性。
42.转向图6并参考图1-5,现在对热塑性复合焊接方法进行详细描述。首先,可将热侧层压材料100放置成与相对层压材料102相邻,以使其接合面(例如,热侧层压材料100的第二侧106和相对层压材料的第一侧108)彼此接触,如方框200所示。
43.然后,在预冷却阶段中,可以对热侧层压材料100进行冷却,以在其中形成热梯度,如方框202所示。例如,冷流体可行进通过笛形管12并分散到散热器14。然后,散热器14可以从热侧层压材料100吸取热量,以使热侧层压材料100冷却。或者,热侧层压材料的第一侧104可浸入冷流体中,引入至对流冷却喷嘴,或用冷流体喷洒。因此,热侧层压材料100的第一侧102可以从环境温度(t
amb
)过冷(至t
sc
)或接近过冷,而第二侧104和相对层压材料102的第二侧106、108可以相对更温暖。
44.然后,在加热阶段期间,通过弹性压力垫20向热侧层压材料100和/或相对层压材料施加压力,以达到压制压力p
压制
,如方框204所示。这提供了对热侧层压材料100第二侧和相对层压材料104第一侧102的纹理或轮廓的依从性。
45.然后,在加热阶段中,可以通过焊接承座16对热侧层压材料100进行加热,以将热侧层压材料第二侧104和相对层压材料102第一侧106(即,接合表面)焊接在一起,如方框206所示。具体而言,电流可通过感应线圈18以产生高频交变磁场。高频交变磁场由此在热侧层压材料100中诱导涡电流加热。高频交变磁场可以通过散热器14中的通量控制器材料进行控制。
46.在加热阶段,热侧层压材料100的第二侧106和相对层压材料102的第一侧108的温度至少暂时超过熔融温度tm,从而使这些侧的基质树脂熔化。同时,由于早前诱导的热梯度,更靠近热源的热侧层压材料100第一侧104的温度峰值低于玻璃温度tg。
47.感应线圈18可在加热期间关闭,以实现接合表面的所需最高温度。然后可使热侧层压材料100的第一侧104和接合面冷却至t
amb
。同时,弹性压力垫20可在整个加热阶段期间和冷却阶段中施加压力或与热侧层压材料100接触。
48.然后弹性压力垫20可在冷却阶段中撤回,以将层压材料100、102上的压力降至零。特别是,当接合面处的温度降至低于tg时,可能会降低或消除压力。冷却阶段中,层压材料100、102继续冷却至t
amb

49.上述系统和方法提供了多个优点。例如,层压材料100、102中的诱导热梯度在焊接之前提供散热片(thermal sink),使得热侧层压材料100的部分在焊接期间不会熔化,并且使得仅层压材料100、102靠近接合面的区域达到熔融温度(tm)。热传递发生在焊接之前,因此使热传递速率(在这种情况下为层压材料100、102的热传递速率)不太重要。层压材料100、102和位于热侧层压材料100的第一侧104附近的任何散热器或其他部件之间的热传递速率的变化可以通过改变冷却时间以获得所需表面温度和热梯度来克服。热侧层压材料100的第一侧104也不会发生变形或扭曲,因为第一侧104保持在玻璃温度下。
50.转向图7,现在对另一热塑性复合焊接方法进行详细描述。首先,可将热侧层压材料100放置成与相对层压材料102相邻,以使其接合面(例如,热侧层压材料100的第二侧106和相对层压材料的第一侧108)彼此接触,如方框300所示。
51.然后弹性压力垫20可以进行冷却,如方框302所示。例如,可将弹性压力垫20引入散热器,例如,干冰、液氮、制冷循环等。这降低了弹性压力垫20的温度。
52.然后,在预冷却阶段中,可以对热侧层压材料100进行冷却,以在其中形成热梯度,如方框304所示。具体来说,弹性压力垫20可以位于热层压材料100的第一侧104附近,以使热侧层压材料100冷却。热侧层压材料100的第一侧102可以从环境温度(t
amb
)过冷(至t
sc
)或接近过冷,而第二侧104和相对层压材料102的第二侧106、108可以相对更温暖。还可以通过弹性压力垫20向热侧层压材料100和/或相对层压材料102施加压力。
53.然后,在加热阶段中,可以通过焊接承座16对热侧层压材料100进行加热,以将热侧层压材料第二侧104和相对层压材料102第一侧106焊接在一起,如方框306所示。具体而言,电流可通过感应线圈18以产生高频交变磁场。高频交变磁场由此在热侧层压材料100中诱导涡电流加热。高频交变磁场可以通过弹性压力垫20中的通量控制器材料进行控制。
54.在加热阶段,热侧层压材料100的第二侧106和相对层压材料102的第一侧108的温
度至少暂时超过熔融温度tm,从而使这些侧的基质树脂熔化。同时,由于早前诱导的热梯度,热侧层压材料100第一侧104的温度峰值低于玻璃温度tg。
55.然后弹性压力垫20可在冷却阶段中撤回,以将层压材料100、102上的压力降至零。特别是,当接合面处的温度降至低于tg时,可能会降低或消除压力。冷却阶段中,层压材料100、102继续冷却至t
amb

56.转向图8和9,热塑性复合焊接承座16可替代或额外包括弹性热容器(thermal capacitor)22。弹性热容器22位于感应线圈18的磁感应区域下方的焊接承座16底部附近。弹性热容器22构造成通过散热器24进行冷却,以从热侧层压材料100吸取热量。
57.转向图10并参考图8和9,现在对另一热塑性复合焊接方法进行详细描述。首先,可将热侧层压材料100放置成与相对层压材料102相邻,以使其接合面(例如,热侧层压材料100的第二侧106和相对层压材料的第一侧108)彼此接触,如方框400所示。
58.然后弹性热电容器22可以进行冷却,如方框402所示。例如,可将弹性热容器22引入散热器24,例如,干冰、液氮、制冷循环等。这降低了弹性热容器22的温度。
59.然后,在预冷却阶段中,可以对热侧层压材料100进行冷却,以在其中形成热梯度,如方框404所示。具体来说,弹性热容器22可以位于热层压材料100的第一侧104附近,以使热侧层压材料100冷却。热侧层压材料100的第一侧102可以从环境温度(t
amb
)过冷(至t
sc
)或接近过冷,而第二侧104和相对层压材料102的第二侧106、108可以相对更温暖。
60.然后,在加热阶段中,可以通过焊接承座16对热侧层压材料100进行加热,以将热侧层压材料第二侧104和相对层压材料102第一侧106焊接在一起,如方框406所示。具体而言,电流可通过感应线圈18以产生高频交变磁场。高频交变磁场由此在热侧层压材料100中诱导涡电流加热。高频交变磁场可以通过弹性热容器22中的通量控制器材料进行控制。
61.在加热阶段,热侧层压材料100的第二侧106和相对层压材料102的第一侧108的温度至少暂时超过熔融温度tm,从而使这些侧的基质树脂熔化。同时,由于早前诱导的热梯度,热侧层压材料100第一侧104的温度峰值低于玻璃温度tg。
62.然后弹性热容器22可以在冷却阶段退出。冷却阶段中,层压材料100、102继续冷却至t
amb

63.在这样描述了本发明的各种实施方式之后,被称为新的并且希望受到专利证书保护的内容包括权利要求。
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