热塑感应焊接设备和方法
【专利摘要】热塑焊接设备（100）包括热塑焊接工具（101）、在热塑焊接工具（101）中的至少一个加工表面（103）、在热塑焊接工具（101）中并且大体围绕至少一个加工表面（103）的磁感应线圈（102）以及在至少一个加工表面（103）处在热塑焊接工具中（101）中的至少一个智能基座（116）。磁感应线圈（102）适合生成与至少一个智能基座（106）的平面大体平行取向的磁通量场（122）。
【专利说明】热塑感应焊接设备和方法
【技术领域】
[0001]本公开一般涉及热塑焊接技术。更具体地，本公开涉及热塑焊接设备和方法，其中感应磁场平行于被焊接的复合部件的平面取向，并且在复合部件之间接头处集中均匀的加热，防止或最小化部件的加热。
【背景技术】
[0002]纤维增强的有机树脂基体复合材料具有使得它们在航空航天应用中逐渐受欢迎的高强度重量比、高刚度重量比和期望的疲劳特性。因此，复合材料被越来越多地用于飞行器结构组件的制造中。
[0003]各种技术用于连接航空航天和其他应用中的复合结构。这些紧固技术包括机械紧固、粘合结合和热塑焊接。热塑焊接具有优于其他紧固技术的众多优点，包括以高速并具有最小接触劳动以及如有的话则极少的预处理连接热塑复合组件的能力。焊接夹层(其包括基座和涂覆或夹住基座的周围热塑树脂)也可以同时代替在机械紧固中需要的垫片。因此，复合材料焊接有望成为负担得起的紧固技术。
[0004]在热塑和热固复合部件的热塑焊接中，将复合部件之间的基座加热并且依次加热和熔化部件的树脂。熔化的树脂在部件之间的焊接夹层处作为热熔性粘合剂。在随后的冷却之后，树脂凝固并且将复合部件相互固定。
[0005]在热塑焊接中，期望尽可能均匀地加热复合部件之间的焊接夹层。热均匀性和可重复性以及开发可接受的加工和参数以符合这些可接受的热均匀性条件所需的时间量已经是利用热塑复合材料的感应焊接的主要障碍。在开发参数中的广泛试验已用于其中感应参数和用受热器加工已被使用的应用。然而，经常由于这些热均匀性问题因此不选择热塑焊接方法。
[0006]因此，需要这样的热塑焊接设备和方法，其中感应磁场平行于被焊接的复合部件的平面取向，并且在复合部件之间接头处集中均匀的加热，防止或最小化部件的加热。
【发明内容】
[0007]本公开一般涉及热塑焊接设备。热塑焊接设备的例证性实施方式包括热塑焊接工具、在热塑焊接工具中的至少一个加工表面、在热塑焊接工具中并且大体围绕至少一个加工表面的磁感应线圈和在至少一个加工表面处的热塑焊接工具中的至少一个智能基座。磁感应线圈适合生成与至少一个智能基座的平面大体平行取向的磁通量场。
[0008]在一些实施方式中，热塑焊接设备可以包括热塑焊接工具；在热塑焊接工具中的至少一个加工空间；在至少一个加工空间中的至少一个加工表面；在热塑焊接工具中并且大体围绕至少一个加工表面的磁感应线圈；在加工表面上的第一复合部件；在第一复合部件上的至少一个智能基座；以及在至少一个智能基座上的第二复合部件。磁感应线圈适合生成与至少一个智能基座的平面大体平行取向的磁通量场。
[0009]本公开进一步一般涉及热塑焊接方法。热塑焊接方法的例证性实施方式包括提供第一和第二复合部件、在第一和第二复合部件之间放置智能基座并且生成与智能基座的平面为平行关系的磁通量场。
[0010]本公开的进一步实施方式可以包括:
[0011]A.热塑焊接设备，其包括:
[0012]热塑焊接工具；
[0013]在所述热塑焊接工具中的至少一个加工空间；
[0014]在所述至少一个加工空间中的至少一个加工表面；
[0015]在所述热塑焊接工具中并且大体围绕所述至少一个加工表面的磁感应线圈；
[0016]在所述加工表面上的第一复合部件；
[0017]在所述第一复合部件上的至少一个智能基座；
[0018]在所述至少一个智能基座上的第二复合部件；以及
[0019]所述磁感应线圈适合生成与所述至少一个智能基座的平面大体平行取向的磁通量场。
[0020]B.段落A的设备，其中所述至少一个智能基座包括钥坡莫合金。
[0021]C.段落A的设备，进一步包括嵌入所述至少一个加工表面中的铁磁材料。
[0022]D.段落A的设备，进一步包括在所述至少一个加工表面中的不导电材料。
[0023]E.段落D的设备，其中所述不导电材料包括弹性体材料。
[0024]F.段落D的设备，进一步包括嵌入靠近所述不导电材料的所述至少一个加工表面中的铁磁材料。
[0025]G.段落F的设备，其中所述铁磁材料在所述不导电材料的各个侧面上嵌入所述至少一个加工表面中。
[0026]H.段落F的设备，其中所述铁磁材料包括铁氧体粉末。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是在设备的示例性应用中的热塑焊接设备的例证性实施方式的剖面图。
[0028]图2是热塑焊接设备的例证性实施方式的一部分的剖面图，更具体图解了在部件的热塑焊接中邻近的复合部件之间磁通量场与智能基座相互的平行取向。
[0029]图3是在图2中图解的复合部件和智能基座的放大截面图。
[0030]图4是在设备的可选应用中的热塑焊接设备的例证性实施方式的剖面图。
[0031]图5是在图4中图解的复合部件和智能基座的放大截面图。
[0032]图6是热塑焊接方法的例证性实施方式的流程图。
[0033]图7是飞行器生产和使用方法的流程图。
[0034]图8是飞行器的框图。
【具体实施方式】
[0035]以下详细描述实质上仅是示例性的，并且不意图限制所描述的实施方式或者应用以及所描述的实施方式的用途。如在此使用，单词“示例性的”或“例证性的”意思是“用作例子、实例或例证”。在此描述为“示例性的”或“例证性的”的任何实施不必解释为比其他实施优选或有利。下面描述的全部实施是对实践本公开的本领域技术人员提供的示例性的实施，并且不意图限制权利要求的范围。此外，不意图受在先前【技术领域】、背景、简述或以下详细描述中存在的任何表达或暗示的理论约束。
[0036]首先参考图1-3，热塑焊接设备的例证性实施方式由参考数字100—般地表示。热塑焊接设备100可以包括热塑焊接工具101。在一些实施方式中，热塑焊接工具101可以是可铸的陶瓷工具。可以是玻璃纤维的增强杆105可以延伸通过热塑焊接工具101。
[0037]热塑焊接工具101可以包括具有至少一个加工表面103的加工空间106。磁感应线圈102可以延伸通过热塑焊接工具101。磁感应线圈102可以布置在加工空间的106的两侧上并且可以大体围绕或包围加工表面103。
[0038]不导电材料104 (图2)可以大体布置在加工表面103下面或邻近加工表面103。在一些实施方式中，不导电材料104可以是弹性体材料。例如并且无限制地，铁氧体材料如铁氧体粉末108可以在不导电材料104的至少一侧上并且优选在其各个侧面上被嵌入热塑焊接工具101中。铁氧体粉末108可以在与智能基座116的平面以及第一复合部件112和第二复合部件113的平面分别大体平行的平面中分布。
[0039]在热塑焊接设备100的应用中，第一复合部件112放置在热塑焊接工具101的加工空间106中的加工表面103上。智能基座116放置在第一复合部件112上。例如并且无限制地，智能基座116可以是具有高热导率的导电磁性金属如钥坡莫合金。第二复合部件113放置在智能基座116上。在一些应用中，条带118可以被施加到第二复合部件113的边缘从而在由第一复合部件112、智能基座116和第二复合部件113限定的焊接接头上形成气体密封。在加工表面103上吸真空，并且内部气压120对第二复合部件113施加焊接压力，在第一复合部件112和第二复合部件113之间压住智能基座116。
[0040]磁感应线圈102生成大体包围第一复合部件112和第二复合部件113的磁通量场122，如在图1中示出。在一些应用中，磁通量场122可以是具有IOamp激发能的80kHz场。由于智能基座116的高磁导率，因此磁通量场122的磁通线123流入智能基座116。铁氧体粉末108将磁通量场122聚焦并且消除磁通量场122到第一复合部件112和第二复合部件113的泄漏。因此，磁通量场122的磁通线123沿最小磁阻的磁路径通过嵌入的铁氧体粉末108和智能基座116，如在图3中示出。因此，磁通量场122维持智能基座116中的热反应，将智能基座116加热到其居里温度点。智能基座116在第一复合部件112和第二复合部件113之间的焊接界面处加热并熔化树脂。因为磁通量场122的磁通线123包围整个部件并且与智能基座116的平面平行取向，所以发生第一复合部件112和第二复合部件113的最小加热并且将加热聚焦、集中或定位到第一复合部件112和第二复合部件113之间焊接界面。磁感应线圈102然后关闭并且允许第一复合部件112和第二复合部件113冷却。在焊接界面处的熔化的树脂凝固，在第一复合部件112和第二复合部件113之间形成粘合结合。然后可以从热塑焊接工具101移除包括第一复合部件112和第二复合部件113的复合结构。
[0041]本领域技术人员将认识到当暴露于具有在670-680 °F温度范围中的平衡温度的80kHz磁通量场122时，0.006”厚的钥坡莫合金智能基座116能够在约3分钟内从室温被加热到约670 °F。当暴露于相同磁通量场122时石墨/环氧树脂复合部件112、113不明显加热。该特性使得薄、固有受控制的基座材料被用于热塑复合材料焊接，从而促进均匀或精确的加热和可重复的加工。[0042]接下来参考图4和5，示出在设备的可选应用中热塑焊接设备IOOa的例证性实施方式的剖面图。在热塑焊接设备IOOa的应用中，多个智能基座138可以在热塑焊接工具101中选择的间隔处放置在第一复合部件134和第二部件135之间，该选择的间隔取决于部件之间焊接界面的期望位置。例如并且没有限制地，不导电材料如弹性体材料132可以延伸分别邻近第一复合部件134和第二复合部件135。铁氧体材料130可以被提供在大体在弹性体材料132的各个侧面上的热塑焊接工具101中。铁氧体材料130可以在分别与智能基座108的平面以及第一复合部件134和第二复合部件135的平面大体平行的平面中取向。因此，在给予磁感应线圈102能量之后，磁通量场122 (图5)沿最小磁阻的路径通过铁氧体材料130和智能基座138。智能基座138均匀地并且选择性地加热第一复合部件134和第二复合部件135之间的焊接界面，而不加热第一复合部件134和第二复合部件135。在冷却之后，在焊接界面处熔化的树脂凝固并将部件相互固定，此后将包括第一复合部件134和第二复合部件135的复合结构从热塑焊接工具101移除。
[0043]接下来参考图6，示出热塑焊接方法的例证性实施方式的流程图600。在方框602中，模塑的复合部件可被修整成基本形状。在方框604中，智能基座可以放置在经热塑焊接待连接的复合部件之间。在方框606中，复合部件和基座可以放置在热塑焊接工具中。在方框608中，工具的磁感应线圈可以被布置使得由工具中的感应线圈产生的磁通量场包围整个部件，并且平行于智能基座的平面以及平行于被连接的复合部件的平面取向。在方框610中，条带可以在复合部件的接头边缘周围放置，并且可以在接头上吸真空。在方框612中，可以对复合部件施加加工力以供应焊接压力。在一些实施方式中，加工力可以是加压空气。在方框614中，可以给予感应线圈能量。在方框616中，在复合部件之间的焊接界面处的聚合材料可以熔化以形成焊缝。在方框618中，可以终止到线圈的电力以冷却并凝固接头并且可以将复合结构从工具移除。
[0044]接下来参考图7和8，本公开的实施方式可以用于如图7中示出的飞行器制造和使用方法78以及如图8中示出的飞行器94的背景。在预生产期间，示例性方法78可以包括飞行器94的规格和设计80与材料获取82。在生产期间，进行飞行器94的组件和子组件制造84以及系统集成86。此后，飞行器94可以经历发照和交货88，以便进行使用90。在被客户使用的同时，飞行器94可以被安排进行日常维护和保养92 (其也可包括改进、重新配置、整修等)。
[0045]可以由系统整合者、第三方和/或操作者(例如客户)进行或执行方法78的每个过程。对本说明书的目的，系统整合者可以非限制性地包括诸多飞行器制造商和主要系统转包商；第三方可以非限制性地包括诸多销售商、转包商和供应商；以及操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
[0046]如在图8中示出，通过示例性方法78生产的飞行器94可以包括具有多个系统96的机体98和内部100。高水平系统96的例子包括一个或多个推进系统102、电力系统104、液压系统106和环境系统108。可以包括许多其它系统。尽管显示了航空实例，但是本公开的原理可以应用于其它工业，如汽车工业。
[0047]本文实施的装置可以在生产和使用方法78的任意一个或多个阶段期间使用。例如，相应于生产过程84的组件或子组件可以被以类似于使用飞行器94时生产的组件或子组件的方式进行构造或制造。同样，例如，通过显著加速飞行器94的组装或减少飞行器94的成本，在生产阶段84和86期间可以使用一种或多种装置实施方式。类似地，在使用飞行器94例如但不限于维护和保养92时可使用一种或多种装置实施方式。
[0048]尽管本公开的实施方式已就某些示例性实施方式进行了描述，但是应当理解，【具体实施方式】是用于阐述目的并且是非限制性的，本领域技术人员可以想到其它变化。
【权利要求】
1.一种热塑焊接设备，包括: 热塑焊接工具； 在所述热塑焊接工具中的至少一个加工表面； 在所述热塑焊接工具中并且大体围绕所述至少一个加工表面的磁感应线圈； 在所述至少一个加工表面处在所述热塑焊接工具中的至少一个智能基座；以及 所述磁感应线圈适合生成与所述至少一个智能基座的平面大体平行取向的磁通量场。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个智能基座包括钥坡莫合金。
3.根据权利要求1所述的设备，进一步包括嵌入所述至少一个加工表面中的铁磁材料。
4.根据权利要求1所述的设备，进一步包括在所述至少一个加工表面中的不导电材料。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述不导电材料包括弹性体材料。
6.根据权利要求4所述的设备，进一步包括嵌入靠近所述不导电材料的所述至少一个加工表面中的铁磁材料。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述铁磁材料在所述不导电材料的各个侧面上嵌入所述至少一个加工表面中。
8.根据权利要求6所述的设备，其中所述铁磁材料包括铁氧体粉末。
9.一种热塑焊接方法，包括: 提供第一复合部件和第二复合部件； 在所述第一复合部件和所述第二复合部件之间放置智能基座；以及 生成与所述智能基座的平面为平行关系的磁通量场。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述在所述第一复合部件和所述第二复合部件之间放置智能基座包括在所述第一复合部件和所述第二复合部件之间放置钥坡莫合金。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括通过向所述第一复合部件和所述第二复合部件施加加工力供应焊接压力。
12.根据权利要求9所述的方法，其中生成与所述智能基座的平面为平行关系的磁通量场包括放置不导电材料接触所述第一复合部件，并且靠近所述不导电材料提供至少一种铁氧体材料。
【文档编号】B29C65/36GK103534081SQ201280023719
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年4月16日 优先权日:2011年5月17日
【发明者】M·R·马森, M·A·尼格利, W·P·格伦, R·J·米勒 申请人:波音公司