具有大表面面积或非互补焊接界面的聚合物构件的旋转焊接的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开内容涉及用于聚合物构件的摩擦焊接(举例来说，如旋转焊接)的改进的工 具构件组件及方法。
【背景技术】
[0002] 本节提供了未必是现有技术的关于本公开内容的背景信息。
[0003] 包括旋转焊接的摩擦焊接技术可用于连结各种材料。例如，模制的聚合或塑料构 件可经由旋转焊接过程连结或组装，其中热经由移动构件与静止构件之间的机械摩擦生 成。摩擦区附近加热的材料的区域软化且可移位;因此，产生了具有来自移动构件和静止构 件两者的材料的熔化区域。然而，存在对聚合物或塑料零件的常规旋转焊接的限制。例如， 由旋转焊接形成摩擦焊接部分组件通常限于使用在待连结的界面处具有小表面面积和互 补形状的部分，例如，具有圆柱形且彼此同心的匹配连结表面的部分。此外，常规旋转焊接 设备专用于将高速度和力施加到部分上以有效地熔化界面，且因此需要大的设备花费和训 练。
[0004] 具有带大表面面积、复杂设计、非圆柱形和/或非互补形状的接头界面区域的聚合 物部分之前并未使用常规旋转焊接过程连结。这归因于这些部分的固有形状和大小，其隐 含了依赖半径的剪切、剪切速率，且因此过程期间的粘性变化。因此，之前不可能使用旋转 焊接来连结具有大表面面积界面或非圆柱形或其它非互补的界面的塑料或聚合物部分。将 期望具有便于旋转焊接具有带大表面面积或非互补形状的接头界面区域的部分形成稳健 的摩擦焊接接头的工艺和工具。此外，也将有利的是具有在非专用设备上以相对低速度进 行此工艺的能力。
【发明内容】
[0005] 本节提供了本公开内容的总体概述，且不是其全部范围或所有其特征的详尽公 开。
[0006] 在某些方面，本公开内容构思一种摩擦焊接组件，其包括第一聚合物构件，该第一 聚合物构件包括限定第一形状的第一焊接表面。在某些变型中，第一焊接表面具有形成在 其中的多个表面特征，其中各个相应的表面特征为凹形或凸形。在某些方面，多个表面特征 为形成在第一焊接表面中的凹形特征(例如，凹槽）。摩擦焊接组件还包括第二聚合物构件， 其包括限定第二形状的第二焊接表面。摩擦焊接组件还包括形成在第一焊接表面与第二焊 接表面之间的摩擦焊接接头。第一形状或第二形状中的一者为凸形，而另一个为凹形。第一 聚合物构件或第二聚合物构件中的一者在固定工具上保持静止，而第一聚合物构件和第二 聚合物构件中的另一者在摩擦焊接过程期间在旋转工具上可旋转，该摩擦焊接过程在第一 焊接表面与第二焊接表面之间形成摩擦焊接接头。以此方式，第一聚合物构件和第二聚合 物构件连结在一起来形成摩擦焊接组件。
[0007]在其它方面，本公开内容构思一种摩擦焊接组件，其包括第一聚合物构件，该第一 聚合物构件包括限定第一形状的第一焊接表面。摩擦焊接组件还包括第二聚合物构件，其 包括限定第二形状的第二焊接表面。第一形状或第二形状中的一者为凸形，而另一个为凹 形。第一焊接表面或第二焊接表面中的至少一者具有大于或等于大约3000mm 2(大于4.7 in2)的对应于摩擦焊接接头的表面面积。在某些方面中，第一形状和第二形状可不同，且相 对于彼此非互补或非对称。摩擦焊接组件还包括形成在第一焊接表面与第二焊接表面之间 的摩擦焊接接头。第一聚合物构件或第二聚合物构件中的一者在固定工具上保持静止，而 第一聚合物构件和第二聚合物构件中的另一者在摩擦焊接期间在旋转工具上可旋转，该摩 擦焊接在第一焊接表面与第二焊接表面之间形成摩擦焊接接头。
[0008] 在又一些方面中，本公开内容构思一种旋转焊接的方法。该方法可包括使具有限 定第一形状的第一焊接表面的第一聚合物构件在小于或等于大约3500转每分钟(rpm)的速 度下旋转。该方法也还包括使第一聚合物构件的第一焊接表面与第二聚合物构件的第二焊 接表面接触，第一聚合物构件旋转的同时第二聚合物构件保持静止以在第一聚合物构件与 第二聚合物构件之间产生焊接接头。第一聚合物构件的第一焊接表面或第二聚合物构件的 第二焊接表面中的一者限定凹形区域，而第一焊接表面或第二焊接表面中的另一者限定凸 形区域。
[0009] 本发明还提供如下方案： 1. 一种摩擦焊接组件，包括： 包括限定第一形状且包括多个表面特征的第一焊接表面的第一聚合物构件，其中各个 相应表面特征为凹形或凸形； 包括限定第二形状的第二焊接表面的第二聚合物构件，其中所述第一形状或所述第二 形状中的一者为凸形，而所述第一形状或所述第二形状中的另一者为凹形；以及 形成在所述第一焊接表面与所述第二焊接表面之间的摩擦焊接接头，其中所述第一聚 合物构件或所述第二聚合物构件中的一者在固定工具上保持静止，而所述第一聚合物构件 或所述第二聚合物构件中的另一者在形成所述摩擦焊接接头的摩擦焊接期间在旋转工具 上可旋转。
[0010] 2.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一聚合物构件或所述第 二聚合物构件中的至少一者由包括热塑性聚合物和增强材料的复合材料形成。
[0011] 3.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述多个表面特征为多个凹槽， 其中所述多个凹槽中的各个凹槽均具有垂直于旋转方向的定向，且从所述第一焊接表面的 中心区域延伸至所述第一焊接表面的外周。
[0012] 4.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述多个表面特征包括多个凹 槽，其包括所述第一焊接表面上的大于或等于大约3个到小于或等于大约182个凹槽。
[0013] 5.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述多个表面特征包括多个凹 槽，其包括限定第一长度的第一多个凹槽和限定比所述第一长度小的第二长度的第二多个 凹槽。
[0014] 6.根据方案5所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述多个凹槽还包括限定比所 述第一长度和所述第二长度小的第三长度的第三多个凹槽。
[0015] 7.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述多个表面特征包括多个凹 槽，其中所述多个凹槽中的各个凹槽均具有大于或等于大约〇.5mm到小于或等于大约3mm的 宽度和大于或等于大约0.5mm到小于或等于大约3mm的深度。
[0016] 8.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述多个表面特征包括多个凹 槽，其中所述多个凹槽中的各个凹槽在所述第一焊接表面上限定选自由三角形、矩形、四边 形和它们的组合构成的组的形状。
[0017] 9.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一形状和所述第二形状 相对于彼此互补。
[0018] 10.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一形状和所述第二形状 大致为圆形形状。
[0019] 11.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第二 焊接表面中的至少一者具有大于或等于大约3000mm2(大约4.7 in2)的对应于摩擦焊接接头 的表面面积。
[0020] 12.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述多个表面特征包括用作能 量引导物的凸形表面特征，其中所述凸形表面特征选自由圆形突起、凸块、凸节、脊和它们 的组合构成的组。
[0021] 13. -种摩擦焊接组件，包括： 包括限定第一形状的第一焊接表面的第一聚合物构件；以及 包括限定第二形状的第二焊接表面的第二聚合物构件，其中所述第一形状或所述第二 形状中的一者为凸形，而所述第一形状或所述第二形状中的另一者为凹形，其中所述第一 形状和所述第二形状相对于彼此不同且非互补；以及 形成在所述第一焊接表面与所述第二焊接表面之间的摩擦焊接接头，其中所述第一焊 接表面或所述第二焊接表面中的至少一者具有大于或等于大约3000mm2(大约4.7 in2)的对 应于所述摩擦焊接接头的表面面积，且所述第一聚合物构件或所述第二聚合物构件中的至 少一者在固定工具上保持静止，而所述第一聚合物构件或所述第二聚合物构件中的另一者 在形成所述第一焊接表面与所述第二焊接表面之间的摩擦焊接接头的摩擦焊接期间在旋 转工具上可旋转。
[0022] 14.根据方案13所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一聚合物构件或所述 第二聚合物构件中的至少一者由包括热塑性聚合物和增强材料的复合材料形成。
[0023] 15.根据方案13所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一形状和所述第二形 状大致为圆形形状。
[0024] 16.根据方案13所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一形状为半球形状，且 所述第二形状为椭圆体形状。
[0025] 17.根据方案13所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述表面面积为大于或等于 大约3225mm 2(大约5 in2)到小于或等于大约16200mm2(大约25.1 in2)。
[0026] 18.根据方案13所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述表面面积为大于或等于 大约6500mm 2(大约10 in2)到小于或等于大约16200mm2(大约25.1 in2)。
[0027] 19.根据方案13所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第 二焊接表面中的至少一者具有形成在其中的多个凹槽。
[0028] 20.根据方案13所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第 二焊接表面中的至少一者具有用作能量引导物的多个凸形表面特征，其中所述凸形表面特 征选自由圆形突起、凸块、凸节、脊和它们的组合构成的组。
[0029] 21. -种旋转焊接方法，包括： 使具有限定第一形状的第一焊接表面的第一聚合物构件在小于或等于大约3500转每 分钟(rpm)的速度下旋转；以及 使所述第一聚合物构件的第一焊接表面与第二聚合物构件的第二焊接表面接触，在所 述第一聚合物构件旋转的同时所述第二聚合物构件保持静止以在所述第一聚合物构件与 所述第二聚合物构件之间产生焊接接头，其中所述第一聚合物构件的第一焊接表面或所述 第二聚合物构件的第二焊接表面中的一者限定凹形区域，而所述第一焊接表面或所述第二 焊接表面中的另一者限定凸形区域。
[0030] 22.根据方案21所述的方法，其特征在于，所述接触在大于或等于大约IMPa到小 于或等于大约4MPa的施加压力下发生。
[0031] 23.根据方案21所述的方法，其特征在于，所述旋转和所述接触在等速旋转焊接 过程或变速旋转焊接过程中同时发生。
[0032] 24.根据方案23所述的方法，其特征在于，所述旋转在从大于或等于大约200rpm 到小于或等于大约3500rpm的范围的速度下发生。
[0033] 25.根据方案21所述的方法，其特征在于，所述旋转和所述接触在大于或等于大 约1秒到小于或等于大约10秒的持续时间内同时发生。
[0034] 26.根据方案21所述的方法，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第二焊接表 面中的至少一者具有大于或等于大约3000mm 2(大约4.7 in2)的对应于焊接接头的表面面 积。
[0035] 27.根据方案21所述的方法，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第二焊接表 面中的至少一者具有形成在其中的多个凹槽。
[0036] 28.根据方案21所述的方法，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第二焊接表 面中的至少一者具有用作能量引导物的多个凸形表面特征，其中所述凸形表面特征选自由 圆形突起、凸块、凸节、脊和它们的组合构成的组。
[0037]适用性的其它领域将从本文提供的描述中变得清楚。本概述中的描述和特定实例 旨在仅用于图示的目的，且不旨在限制本公开内容的范围。
【附图说明】
[0038] 本文所述的附图仅出于选择的实施例而并非所有可能的实施方式的示范目的，且 不旨在限制本公开内容的范围。
[0039] 图1示出了具有用于常规旋转焊接过程的互补的成组构件部分的示例性常规旋转 焊接工具构件组件，其中待连结的构件的部分具有圆柱形截面，且在形成摩擦焊接接头之 前在焊接接头区域中限定凹的或倒锥形状和凸锥形状。
[0040] 图2示出了具有第一静止构件和第二可旋转构件的根据本公开内容的某些方面的 摩擦焊接(例如，旋转焊接)工具或构件组件的第一变型。第一静止构件具有限定凹形界面 区域的第一焊接表面，且第二可旋转构件具有限定互补凸形界面区域的第二焊接表面，它 们在焊接接头界面区域中是彼此的互补形状。
[0041] 图3示出了根据本教导的某些方面的用于摩擦焊接(例如，旋转焊接)工具或构件 组件的示例性焊接表面的顶部或平面视图，其具有限定形成在垂直于旋转方向的焊接表面 上的长形矩形形状的多个凹入通道或凹槽。
[0042] 图4示出了根据本教导的某些方面的用于摩擦焊接(例如，旋转焊接)工具或构件 组件的另一个示例性焊接表面的顶部或平面视图，其具有限定形成在垂直于旋转方向的焊 接表面上的长形矩形形状的多个凹入通道或凹槽。
[0043] 图5示出了根据本教导的某些方面的摩擦焊接(例如，旋转焊接)工具或构件组件 的又一个示例性焊接表面的顶部或平面视图，其具有每个限定形成在焊接表面上的长形矩 形形状的第一多个和第二多个凹入通道或凹槽，其中所述第一多个凹槽具有第一长度，且 第二多个凹槽具有小于第一长度的第二