焊接热塑性复合材料元件的设备和方法与流程

更具体来说，本发明涉及一种用于组合由热塑性复合材料制成的元件的方法。

在结构领域中，已知热塑性复合材料元件的生产。热塑性复合材料元件即矿物纤维或有机纤维保持在可逆的刚性基体中的元件，此可逆的刚性基体在高于其预期使用温度的一定温度条件下开始变成塑料。

在这些元件的制造期间（特别是成型期间），热塑性得以利用。

热塑性材料元件一经制成，一般通过如铆钉等添加式紧固件或通过粘结的传统方式组合。

还已知，通过热塑性焊接技术形成由热塑性复合材料制成的元件的组合。

在热塑性焊接中，将待组合的元件的温度升至高于树脂的熔点，并将这些元件置于组合的位置并在一段时间内施加压力，直到树脂冷却，以便在组合区得到力学的接合。

因此，已知将各元件置于模具中以便加热这些元件，并在它们的接合区内在各元件间施加压力从而使它们接合。

这些方法要求在焊接时精确地固定这些元件，并且加热时还会大量耗能。

针对在高于热塑性树脂熔点的温度下加热材料，目前也有通过感应加热来提供热量。

在感应加热中，产生交变磁场的磁头在待焊接的界面处生成涡电流（courant de Foucault），金属网等金属元件置于交界面处感应生成的涡电流通过磁场汇集，进而根据焦耳效应产生热量。

为了形成组合，一般是藉由提供热能的磁头的局部产生的压力，确保各元件间的紧密接触，并且磁头沿着焊接线方向移动。

在这种热塑性焊接紧固方法中，需要在两个元件之间施加足够长时间的压力，由此影响了施加压力的磁头的移动速度及其焊接速度，从而难以发挥感应加热的全部优点。

另外，使用置于待焊接元件交界面处的导电金属网具有温度不均匀的缺点，尤其是在焊接线的端部的温度不均匀，从而影响焊接质量，致使组合元件不合格。

本发明涉及焊接由热塑性材料且相同性质的树脂制成的各元件的加工设备和方法，与现有方案相比，本发明提高了焊接的质量，且缩短了焊接的时间。

热塑性焊接的设备，用于组合至少一个第一元件和至少一个第二元件，至少一个第一元件由热塑性复合材料制成，其基体基本上由热塑性树脂制成。至少一个第二元件由类型与第一元件的复合材料相似的热塑性复合材料制成，该热塑性焊接设备包括磁感应头，其提供能量以在焊接区将热塑性树脂加热至高于其熔点。

该设备包括：

-一个用于定位待组合元件的模具，其非磁性磁绝缘嵌件限定需要进行热塑性焊接的接合区；

-一个真空袋，该真空袋和模具之间形成一个气密空间，并确定了用于在气密空间中产生局部真空的装置；

-用于靠近接合区而不与真空袋接触地移动磁感应头的装置。

因此，上述设备可同时确保将待焊接元件保持在适当位置上，确保焊接材料保持在适当位置上，焊接材料的温度在贫氧环境中升高，由此减少了被加热材料的氧化风险，将加压焊接区的功能和加热焊接区的功能分离，最终由于磁感应头不接触地移动而避免了在焊接中机械动作导致元件发生移动的风险。

较好的方案是，磁绝缘嵌件包括至少一个腔体，其形状适合于将至少一个第一元件保持在适当位置上。

因此，有利于第一元件的定位和保持，由此减少了温度上升期间第一元件变形的风险。

较好的方案是，磁绝缘嵌件由可加工的非磁性高分子材料制成。因此，允许模具中形成的腔体具有复杂形状的同时，避免了来自磁场的干扰和磁感应头的热能损耗。

在一个实施方式中，磁绝缘嵌件被固定在由非磁性金属材料制成的支撑件上。因此，可生产包括腔体的模具，腔体适用于特定的待组合元件，模具的磁绝缘嵌件可通过由如环氧树脂等相对低成本材料制成而容易地替换和/或调整。

在一个实施方式中，垫片设置在磁绝缘嵌件上的接合区中，以便用于支撑第一元件的一些区域，这些区域的温度将被升高到其复合材料的基体树脂的熔点。因此，树脂的温度升高到熔点的元件与受保护的磁绝缘嵌件隔开，延长可使用寿命。

本发明还涉及一种方法，其通过磁感应头熔融基体树脂，热塑性焊接由热塑性复合材料制成的至少一个第一元件和由热塑性复合材料制成的至少一个第二元件。

为了获得本发明设备的预期益处，方法包括以下连续的步骤：

-第一元件定位步骤，将至少一个第一元件定位于热塑性焊接工具（如本发明中所描述的工具）的模具的磁绝缘嵌件的腔体中，腔体具有适合于保持该至少一个第一元件的形状；

-金属嵌件放置步骤，将金属嵌件放置于至少一个第一元件对应于待焊接接合区的表面上；

-第二元件定位步骤，将至少一个第二元件定位于其在模具上的一个位置上，该位置为至少一个第二元件在待实现的组合中所应该具有的相对与至少一个第一元件的相对位置

-真空袋放置步骤， 放置真空袋，由真空袋和模具形成气密空间，至少一个第一元件和至少一个第二元件位于该气密空间中；

-在气密空间中形成局部真空的步骤，在气密空间外的空气压力的作用下，至少一个第一元件对至少一个第二元件至少在接合区产生挤压力；

-非接触式的磁感应头移动步骤，使磁感应头靠近整个接合区，以便在金属嵌件中产生感应电流，然后由焦耳效应产生热量，从而引起第一元件和第二元件的复合材料的基体树脂的局部熔融，同时保持气密空间中局部真空；

-将焊接元件冷却至环境温度，或冷却到至少基本上低于元件的材料的树脂软化温度后，去除局部真空的步骤，从工具拆下真空袋的步骤，并取下焊接组合在一起的元件的步骤。

在一个实施方式中，方法包括放置垫片步骤，将垫片放置在磁绝缘嵌件和第一元件之间的接合区内。

在一个实施方式中，为了改进气密空间中局部真空的形成，提供针对放置插入到置于模具上的元件和真空袋之间的一个透气毡层的步骤，以确保抽吸模具和真空袋之间整个气密空间中的空气。

有利的是，在放置金属嵌件之前，用与待形成组合的元件的复合材料的基体的热塑性树脂相容或性质相同的热塑性树脂将其浸渍。

因此，通过熔融树脂改善了热传递，在焊接元件的界面处设有树脂，减少了树脂中形成气泡或空洞的风险。

在本方法的一个增强实施方案中，为了改进焊接的均匀性和其端部焊接缝的质量：

-沿着产生焊接缝的方向，在牺牲部定位步骤将牺牲部定位于腔体中至少一个第一元件的端部，该腔体为此目的形成于磁绝缘嵌件中；

-在金属嵌件放置步骤，将金属嵌件放置于至少一个第一元件的表面上，其通过在牺牲部表面上的金属嵌件的端部的延伸部延伸；

-在不粘膜安放步骤，不粘膜安放于延伸部和第一元件之间、延伸部和第二元件之间，第一元件和第二元件在工具中的适当位置与延伸部接触；

-磁感应头的移动步骤用于为了产生焊接缝的，磁感应头移动延伸至超出焊接缝的有用长度的两端，从而使待焊接的元件的加热开始和结束于牺牲部。

本发明的一个示例性实施方式的描述和附图将有助于更好地理解本发明的目的和优点。显而易见，以示例的方式给出描述并不具有任何限制性。

在附图中：

-图1a表示根据本发明的用于热塑性复合材料元件的热塑性焊接的工具的多个部件，该工具的多个部件和待组合的元件分开示出；

-图1b表示与图1中示出的相同的部件，但这些部件位置接近它们在焊接操作过程中所处的位置；

-图2表示对用图1a和图1b所示工具进行热塑性焊接的方法的流程概要图；

-图3示出了沿着焊接缝的长度截面的工具的细节图，此工具用于实施提高焊接缝端部焊接质量的改进方法。

图1a示意性显示了工具100的各个部件的剖面示意图，工具100根据本发明将各热塑性复合材料元件通过热塑性焊接组合在一起。

为了便于说明，在图1a中各部件相互分开示出。

图1b中显示了与图1a相同的部件，但这些部件位于其在焊接过程和至焊接形成的组合被取出前的位置。

图1a和1b只是说明性的，各部件之间的比例及各部件中的比例并非真实比例。

图2示意性地热塑性焊接的方法200的主要步骤，方法200为本发明实施图1所示工具的步骤。

根据所述的组合工具和热塑性焊接的方法，由热塑性复合材料预制的待组合的各元件，由真空袋11保持在模具10的适当位置上，真空袋11覆盖待组合的各元件，在模具和真空袋之间保持局部真空状态。

如图1a和图1b所示，工具100包括模具10，模具10形成该工具的一个刚性的子组合，热塑性焊接的待组合元件放置于该子组合上。

在本实施例中，第一元件21以加强槽的形式示出，见图1a和图1b中垂直于加强槽的长度的横断面，第二元件22以外皮的形式示出。

模具10是由非磁性材料制成，模具10还包括一个热绝缘的磁绝缘嵌件12，待组合元件放置在磁绝缘嵌件上，使得待焊接元件的至少一个接合区25平置于磁绝缘嵌件。

在一个实施方式中，磁绝缘嵌件12由刚性高分子树脂制成，例如，非磁性且方便加工的环氧树脂。

磁绝缘嵌件12包括一个腔体17，该腔体中保持至少一个待焊接元件，在图示的实施方式中，腔体保持的是与第一元件21相关的加强槽。

磁绝缘嵌件12被保持在支撑件13中，以便当工具在使用中受压时提供所需的机械强度。支撑件13优选由非磁性材料制成，例如，由铝合金制成。

真空袋11形成一个基本气密的柔性阻隔物，密封件14在模具的边缘处将真空袋11固定到模具10上。

模具10和真空袋11形成一个封闭的空间，通过热塑性焊接的待组合元件置于位于该空间中。

在本实施例中，例如在模具的支撑件13中设置一个或多个抽气孔15，以便在基体和真空袋之间的空间形成局部真空。

此处的真空为工业的真空，即对应于大约100毫巴数量级或更低的空气压力。

局部真空导致大气压在真空袋11上施加均匀压力，使柔性的真空袋变形，这样均匀压力施加在位于模具10该位置的元件上。

参见图1b所示，在待组合元件和工具的各部件位于图中工具100的所示位置，经真空袋11施加于待组合元件上的压力，能够在已定位的各待组合元件之间的接触面上保持一定的压力，特别是在接合区25上保持一定的压力。

另外，在待组合元件的表面之间放置一个例如呈网状的金属嵌件23，其平置于接合区25。金属嵌件23由磁性材料制成，这样当金属嵌件处于磁场中时可以产生感应电流。

有利的是，在第一元件的下方放置例如由高分子材料制成的垫片24，这些垫片24位于接合区25处，且介于其上放有第一元件的磁绝缘嵌件12与第一元件之间。

在焊接操作期间，垫片24能够在一个受热区域将待组合元件与磁绝缘嵌件12隔离 。

磁绝缘嵌件12中腔体17深度的设计，需要考虑垫片24的厚度、第一元件21的厚度、和金属嵌件23的厚度，以确保当各元件定位于工具上时，与第二元件22形成一个正的过盈干涉。

在一个示例性实施例中，垫片24由一种厚度约为50微米的高分子膜制成，金属嵌件23为一个厚度为0.2至0.3毫米的金属网，如果考虑元件、垫片、和金属嵌件的厚度，最好能形成50微米至100微米的正的过盈量。

工具100还包括一个磁感应头30，其可相对于模具10移动。

磁感应头30产生一个磁场，该磁场需调整为当金属嵌件处于磁感应头的磁场时，主要在金属嵌件23中形成集中的感应电流。

磁感应头30可移动，从而使它能够不接触地靠近模具，在该模具上放置有待焊接的元件和真空袋11，至少使该磁感应头能够不接触地靠近待焊接区25（如上述示例）。

值得注意，在金属嵌件23中最大化由磁场产生的焦耳效应的优点是，焊接区中的温度能够快速升至热塑性树脂的熔点。为此，优选增加感应功率，使金属嵌件23的材料的“电阻率”与“导磁率”乘积值最大，同时调节交变磁场的频率以将在交变磁场对加热深度的影响考虑在内。

金属嵌件23的材料例如为具有良导磁率和高电阻率的铁素体不锈钢。

优选通过机器人（图中未示出）移动磁感应头30，该机器人适用于由该磁感应头必须实现的运动。

为了通过工具100组合热塑性复合材料的元件，使用如图2所示的包括以下连续步骤的方法200：

-第一元件定位步骤210，将至少一个第一元件21定位于腔体17中，腔体17形成于工具100的模具10的磁绝缘嵌件12内，腔体17具有适合于保持至少一个第一元件的形状；

-金属嵌件放置步骤220，将金属嵌件23放置在与待焊接的接合区25相对应的至少一个第一元件21的表面上；

-第二元件定位步骤230，将至少一个第二元件22定位于在模具10上的一个位置处，该位置为至少一个第二元件22在待实现的组合中所应该具有的相对与至少一个第一元件的相对位置；

-真空袋放置步骤240，放置真空袋11，使得该真空袋和模具10形成一个气密空间，至少一个第一元件和至少一个第二元件置于该气密空间中。如果需要的话，还包括一个插入步骤241，将一个透气毡层16插入真空袋的下方，以确保整个气密空间中空气的抽吸；

-在气密空间中形成局部真空的步骤250，作用在真空袋11上的大气压力和气密空间中的压力的压差，导致至少一个第二元件在至少一个第一元件上产生挤压力；

-非接触式的磁感应头移动步骤260，使磁感应头30靠近整个接合区25，调节磁感应头的功率和移动速度，以便在该接合区的任意点提供升高待焊接元件材料的树脂温度所需的能量，使树脂局部熔融，同时保持气密空间中的局部真空；

-将焊接的元件冷却至环境温度，或冷却至至少基本低于各元件材料的树脂软化的温度，在步骤271解除局部真空，在步骤272拆下真空袋11，步骤270将焊接组合在一起的元件从工具100上取下。

根据方法200，各元件在焊接前由压力定位并保持所需的相对位置，该压力来自真空袋11和模具10之间的气密空间中的局部真空，压力以静态方式施加以便使待组合元件的接合区相互接触。在该方法中形成的局部真空，致使开始焊接操作前直到焊接结束后，都有压力作用在于各元件，在保持静压力的情况下，移动磁感应头对各元件进行动态的热塑性焊接。

采用该方法，焊接期间待组合的元件完全保持不动，且不会受力引起一个元件相对于另一个元件移动。

之所以能达到这么好的效果，是得益于由于使用的磁感应头30非接触式移动，而不同于那些感应头加热时需同时在形成焊接缝的加热位置施加压力的已知方法。

采用本发明的方法，还可以使焊接位置上保持的压力与该位置上树脂的加热无关联性，其中该压力是确保树脂熔融时各元件的焊接。因此，在能使树脂达到其熔点的充足能量供应的情况下，磁感应头30可尽可能快地沿着待焊接区移动，而无需在磁感应头移动之前等待施加足够长时间以形成局部压力。

而且，由于为焊接而对树脂的加热是在预先形成局部真空的空间内实施的，焊接区所在气密空间的氧气量减少，因此达到熔点时树脂的氧化风险也得以降低。

在本方法的一个实施方式中，在步骤211，将垫片24放置在磁绝缘嵌件12和第一元件21之间，位于第一元件的接合区25处。垫片24能够避免第一元件的熔融树脂与模具的磁绝缘嵌件12的直接接触。选择垫片厚度以确保放置于金属嵌件23的第一元件和第二元件之间有正的过盈量。

垫片例如由高分子薄膜制成，例如，厚度小于100微米。

在一个实施方式中，金属嵌件23例如呈金属网状，厚度为几十毫米，例如二十毫米与三十毫米之间。在浸料步骤221，金属嵌件23和一种树脂浸渍，这种树脂与待组合元件材料的树脂性质相同。

用于浸渍的树脂应该与待组合元件的材料树脂具有化学相容性，它们有相同或近似的熔点。

金属嵌件与树脂的浸料步骤221可以在金属嵌件插入待组合的两个元件之前的任何时候进行。

例如，金属嵌件可以在将待组合元件放置在工具上之前的一个步骤用树脂浸渍。

如图3所示，在本方法的一个实施方式中，沿着待实现的焊接的长度方向， 金属嵌件23具有基本上大于焊接长度的尺寸。

焊接的长度方向由磁感应头30的移动方向限定，参见图3中磁感应头30附近的箭头所示方向，且如图3所示，焊接的长度还对应于加强槽的长度，即第一元件21的长度。

如图3所示，金属嵌件23的延伸部23a、23b分别超出第一部件21的两端的延伸长度为dLa、dLb。

另外，在步骤212，牺牲部25a、25b基本上以延续第一元件21设置，各牺牲部的长度基本分别对应于位于第一元件的同侧的金属嵌件的延伸部的延伸长度dLa、dLb。

牺牲部的横截面具有近似于第一元件的横截面尺寸，并具有类似特征的材料，即具有相同复合材料或具有相关特性的材料。

可以理解，腔体17的设计应可以在第一元件端部设置牺牲部。

在步骤222，一方面，在金属嵌件23的延伸部23a、23b和牺牲部25a、25b之间的分界面处设置不粘膜26，另一方面，金属嵌件23的延伸部23a、23b和第二部件22之间的分界面处设置不粘膜26。

不粘膜26为导热膜，其在焊接期间形成用于熔融树脂的隔离，且因此防止牺牲部和第二元件之间的焊接。

例如，不粘膜26为聚酰亚胺膜，厚度为几十微米，并且在制作牺牲部25a、25b和/或腔体17时，需要将该不粘膜的厚度考虑在内。

当磁感应头30的移动产生焊接缝时，磁感应头的移动基本上开始于金属嵌件23的第一端，如金属嵌件的延伸部23a的上方，也是牺牲部25a的上方；磁感应头的移动基本上终止于金属嵌件23的另一端，如金属嵌件的另一延伸部23b的上方，也是牺牲部25b的上方。

在步骤273，当元件在组合焊接后从工具中取出时，因不粘膜的作用，牺牲部25a、25b未粘合至第二元件，并得以移除；并且，在步骤274，由延伸部23a、23b形成的金属嵌件中多余的、焊接中未使用的元件被移除。

这种方法的优化能够改善各元件焊接外部的不均匀性，这种不均匀与磁场干扰和焊接开始与结束时的边界条件相关，而焊接对磁性因素敏感，同时上述边界条件无法在磁感应头30的轨迹的端部 保证均匀的能量分布。

由此得出，焊接的有用元件时沿其整个长度在均匀的条件下而形成的。

例如，延伸部的长度dLa和dLb为约百毫米数量级，但长度是不关键的。由于长度可能取决于组合元件、工具、和磁感应头相关的特定条件，最好通过实验来确定在各情况下延伸部的长度。

在图中所示的实施方式中，第二元件22示出的为平的，但本发明的方法可应用在定位于模具上的弯曲或异形元件的任何形状，并且这种情况下该模具的也具有适宜的形状。

在不脱离本发明的情况下，其它情况下也适用本发明公开的原理。

因此，采用本发明的设备和方法，能够无需添加紧固件，即可形成热塑性复合材料元件组合而成的坚固组合。