图13中所示，第一焊接表面304和第二焊接表面308限 定互补的形状。第一焊接表面304和第二焊接表面308将在界面或焊接接头330处连结在一 起，在该处，摩擦焊接形成在其间。在某些方面中，示例性焊接接头330(例如，焊接陷缩区或 熔化区)包括各个焊接表面的一部分(示为第一构件302的第一焊接表面304上的宽度320和 第二构件304上的宽度321)。
[0105] 对于确定凹槽大小的示例性方法，第一构件302和第二构件306具有互补的半球形 状，其中在轴线312与延伸至第一焊接界面表面304的不同区域的半径之间形成的角314从 30度到90度变化。第一构件302的半径范围可从大约23mm到大约72mm(例如，23mm (= Rinsertmin)〈 Rinsert < 72 mm (=RInsertmax))。出于该实例的目的，〃InserU插入件）〃是指第 一构件302,且〃部件(part)〃是指第二构件= R〇+ 〃陷缩宽度〃且RPart = R。- 〃陷 缩"，其中R〇限定为"焊线"半径或宽度(包括图13中的320和321两者）。因此，插入件或第一 构件302的典型陷缩示为宽度320(焊线宽度330的大约幻。在该实例中，陷缩宽度范围可从 0.5mm 到 1mm 〇
[0106]如图14中所示，第一多个凹入通道或凹槽322限定在插入件或第一构件302的焊接 表面304上。在图14中，出于图示的目的，存在形成在焊接表面304内的十一个典型的凹槽 322。如可看到那样，各个凹槽322均具有沿焊接接头将形成的区域延伸的长度310。各个典 型的凹槽322均具有范围从大约1mm到大约3mm的直径或宽度324。各个相应凹槽322与相邻 凹槽322分开角(β)316。焊接时间假定为大约3秒的持续时间，而转速为大约3000 rpm。对于 最小和最大Rinsert，凹槽容积范围和可能的凹槽数目的计算在以下表1中计算。
[0107]通过进一步举例，假定上文所述的相同的旋转焊接参数，具有2mm凹槽直径或宽度 的表示为(*)的条目用于产生图14中的凹槽设计和大小。具有大约23mm的长度的半径310的 插入件(例如，具有第一焊接表面304的第一构件302)将具有带2mm半径(或宽度324)的大约 11个凹槽322，其分别分开大约33.5度的角316，这导致大约0.75mm的陷缩宽度320。此外，具 有大约72mm长度的半径310的插入件(例如，具有焊接表面304的第一构件302)将具有带2mm 半径(或宽度324)的大约34个凹槽322,各个分开大约10.6度的角316,再次导致大约0.75mm 的陷缩宽度320。
[0108]因此，本公开内容还构思允许具有大的同心接触焊接表面面积(例如，在某些变型 中，大于或等于大约10 in2)的聚合物（例如，增强热塑性）构件的成功旋转焊接的零件设 计。通过沿零件的表面集成凹槽，其中凹槽大致垂直于焊接旋转方向，提供了在相对小的力 和速度下的同心匹配构件的旋转焊接。因此，该技术避免待连结的匹配部分的内缘(小直 径）的过早聚合物退化。此外，由于可使用恒定且相对低的速度，故可使用廉价、容易且易于 接近的工具和过程来替代昂贵的专用旋转焊机。
[0109] 传统的旋转焊接过程并未在变化直径的焊接表面上完成。此外，待旋转焊接的构 件部分的直径越小，旋转速度就越大。尽管半球形焊接表面将需要焊接最中心的更小半径 的低速和高速两者和焊接最外半径的较低速度，但根据本公开内容的某些方面的凹槽设计 允许遍及焊接过程使用一致的等速，而不存在由于减小焊接表面的总体接触面积而引起的 外缘处的聚合物的过早退化。
[0110] 在某些其它变型中，本公开内容构思将两个聚合物部分旋转焊接在一起，其中各 个相应部分上的接头界面区域中的各个焊接表面选择成限定彼此不同、非对称和/或非互 补的形状。此旋转焊接技术特别适用于连结大的表面区域接头界面。换言之，在接头界面区 域处将连结的第一静止构件的第一焊接表面限定第一形状，且在接头界面处将连结的第二 静止构件的第二焊接表面限定第二形状。第一形状和第二性状选择成彼此不同且不互补 (例如，不是倒置的凸形和凹形互补形状），以便形状彼此非对称。相应的构件可限定相对于 旋转轴线对称但相对于经由旋转焊接将连结到其上的对等形状非对称或非互补的形状。先 前不可能或未构想出通过旋转焊接来连结这种大表面面积的部件(尤其是具有非互补或非 对称形状表面的那些）。例如，伴随连结非对称形状或具有大表面面积的形状的过高温度先 前引起对聚合物材料的结构破坏(尤其是接头区域附近和接头区域内），因此潜在的引起过 早的焊接结构故障和其它问题。
[0111] 结果，本公开内容允许进行摩擦焊接过程而不存在此类问题，同时使用了廉价的 工具（例如，类似于铣床），降低了操作成本，且使预先焊接部分设计开发的任何需要最小 化。可使用具有相对较低的转速和较小的力（例如，小于大约3500rpm，和小于4MPa的压力） 的传统铣床来产生良好质量的焊接。
[0112]此外，由本公开内容的某些方面提供的部件或构件设计允许过程期间产生的熔融 或流动材料在焊接过程/循环进行时导出焊接区域，从而在整个焊接表面上产生高质量焊 接。根据本公开内容的各种方面的构件设计允许旋转焊接期间生成的流动或熔融材料(例 如，溢料）引导离开或推离接触区域(在焊接表面处）。这可在焊接循环进行时逐渐地实现。 在一个变型中，流动的材料或溢料可经由凹槽导送至被连结的区域的外缘。在另一个变型 中，形成在相应的焊接表面之间的间隙增大，因为部件选择成具有不匹配形状，其因此非对 称或非互补。因此，非互补的形状限定焊接表面之间的可变尺寸的间隙，其朝将连结的区域 的最外缘在尺寸上增大，以便于溢料移动和流动的足够容积(如本文进一步所述）。在没有 由本公开内容的某些方面提供的此设计的情况下，由旋转焊接界面处的摩擦生成的能量和 热否则可引起聚合物超过熔化温度，且潜在地导致对构件的破坏，导致弱或缺陷的焊接接 头。此大表面面积和/或非互补构件否则使用常规旋转焊接技术是不可焊接的（因为外缘处 的过早聚合物退化和穿过焊线的捕获空气产生弱且潜在地受损的焊接接头）。
[0113]图9和10示出了根据本公开内容的某些方面的旋转焊接工具构件组件200的另一 个变型。图9示出了总体工具构件组件200，而图10示出了由旋转焊接形成的焊接接头界面 区域的截面视图。第一构件202可为静止的，且类似图2中所示的构件为非圆柱形(具有总体 矩形形状）。第二构件204围绕轴线210可旋转和自旋。如上文所述，第一构件202和第二构件 204两者可由聚合物材料或聚合物复合材料形成。在开始旋转焊接之前，第一构件202和第 二构件204大致沿轴线210布置或对准。第一构件202限定凹形界面区域212,其限定第一焊 接表面214,而第二构件204限定互补的凸形界面区域216,其限定第二焊接表面218。第一构 件202和第二构件204因此分别限定沿在焊接接头界面206处将被连结在一起的凹形界面区 域212的第一焊接表面214和凸形界面区域216的第二焊接表面218的对接区域，其中摩擦焊 接形成在其间。在某些方面中，本公开内容大体上属于旋转焊接具有凹入区域的第一构件 和具有突出区域的第二构件，突出区域可利用第一构件的凹入区域收纳且因此在焊接接头 界面处焊接在一起。特别地，在这里所示的变型中，凹形界面区域212和凸形界面区域216- 起限定彼此非互补的不同非对称形状。有意不匹配形状的选择允许在焊接表面之间形成尺 寸可变的间隙，这朝被连结的区域的最外缘在尺寸上增大，以便于溢料移动和流动的足够 容积。在旋转焊接过程期间，此离散的焊线进程控制生成的热且允许焊接速度保持相对低。
[0114] 更具体而言，凹形界面区域212的第一焊接表面214限定倒置的半球形状，而凸形 界面区域216的第二焊接表面218限定椭圆形部分，其中各个围绕轴线210完全同心且对称。 尽管椭圆体形状可配合凹形界面区域212的倒置半球形状配合且与其对接，但倒置的半球 形状和椭圆体形状沿整个焊接表面彼此不配合或匹配，因为它们具有不同的形状。因此，如 图9中所示，凹形界面区域212的第一焊接表面214和凸形界面区域216的第二焊接表面218 彼此不互补，但仍可根据本公开内容的某些方面进行旋转焊接，以使第一构件202与第二构 件204连结。应当认识到的是，第一焊接表面214和第二焊接表面218的形状不限于图9中所 示的特定形状，而是可构想出多种不同形状，只要它们围绕轴线(例如，210)对称或同心，且 第二旋转构件可插入由第一构件限定的腔中。特别地，图9中所示的实施例中的旋转焊接工 具构件组件200关于轴线210对称，但由相应的第一构件202和第二构件204的焊接表面限定 的形状是彼此不互补的形状。
[0115] 如所示，第二构件204围绕插入件220(例如，心轴或杆)模制。因此，第一构件202在 旋转焊接连结过程发生时限定用于收纳第二构件204的插入件220的腔222。插入件220是可 选地的，且可便于第二构件204在旋转工具组件内旋转。作为替代，用于固持第二构件204的 工具可改为在旋转焊接期间保持和旋转第二构件204。在旋转焊接之后，露出的最外焊接区 域224形成在第一构件202与第二构件204之间对应于焊接接头界面区域206,其中材料软化 且熔化来产生凹形界面区域212的第一焊接表面214与凸形界面区域216的第二焊接表面 218之间的稳健连结。
[0116] 图9和10中所示的实施例在旋转焊接期间提供了减小的初始接触面积，这允许将 具有大直径且因此大表面面积的无特征部件旋转焊接在一起。较大的半径区域最初未加 热，因为其并未接触，直到随后焊接循环期间。例如，当第一构件202降低到第二构件204附 近的位置来焊接时（如图10中最佳所示），由于各个构件的不同形状，故相应构件之间的第 一大小230在组件的顶点或最低部分处较小，而第二大小234在焊接接头界面206的外周缘 或最高部分附近最大。换言之，由第一焊接表面214和第二焊接表面218限定的有意的不匹 配和非对称形状形成接头界面区域206的尺寸可变的间隙，其中间隙大小从第一大小230处 的初始宽度朝最外焊接区域224的边缘增大，其中在第二大小234处间隙最大，提供用于溢 料移动和流动的最大容积。因此，当旋转焊接围绕轴线210开始时，初始接触形成在第一接 触区域232中，因为这是形状紧密邻近彼此的唯一区域。当旋转焊接进行时，焊接接头界面 区域206中的软化的聚合物材料或溢料在旋转焊接过程期间朝第二接触区域236向上和向 外(箭头所示)被推动，因此形成逐渐前移的焊线，其朝对应于第二大小234的焊线的最外端 区域延伸间隙。
[0117]因此，溢料朝最外焊接区域224的边缘向前推动，允许第一构件202和第二构件204 的更多焊接表面彼此接触，且在第一接触区域232附近开始一起熔化或焊接。当焊接循环和 自旋继续时，部件的表面之间的接触逐渐地发展至第二接触区域236附近的间隙的上区域。 这里（最外焊接区域224处）的相应构件202,204之间的间隙对应于第二大小234,其在焊接 接头界面206内最大。这允许在该过程期间产生的熔融材料在过程发展时推到前移焊接线 的前方。旋转焊接不同形状的构件(具有非对称非互补的形状)的此方法减小高热生成和聚 合物过早退化的任何风险。
[0118] 由于溢料在旋转焊接循环期间移离焊接表面，故产生的焊接具有尤其高的质量 (例如，没有空气捕获在焊接接头界面区域206内）。此外，在露出的最外焊接区域224处生成 的不需要的溢料可通过在焊接接头界面区域206提供足够的容积来避免，这因此减少了昂 贵且耗时的焊接后除溢料/溢料除去操作。最后，尽管可保持恒定的焊接速度，但没有外焊 线区域224处的聚合物的过早退化发生(这之前将是构件互补且对称形状的情况）。
[0119] 因此，在某些方面中，本公开内容构思摩擦焊接组件，其包括具有限定具有第一形 状的凹形区域的第一焊接表面的第一聚合物构件。第二聚合物构件包括限定具有第二形状 的凸形区域的第二焊接表面，其在摩擦焊接期间旋转。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，第一形状和第二形状相对于彼此对称且互补的。此外，在某些其它方面中，第 一形状和第二形状是相对于彼此非对称、非互补的形状。第一聚合物构件或第二聚合物构 件中的至少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，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。
[0120] 如上文之前所述，第一聚合物构件或第二聚合物构件中的至少一者可由包括热塑 性聚合物和增强材料的复合材料形成。在某些变型中，第一形状和第二形状可不同，且相对 于彼此非互补。在其它方面中，第一形状和第二形状大致为圆形形状。在某些变型中，第一 形状选自半球形状和椭圆体形状，而第二形状选自半球形状和椭圆体形状中的另一者。表 面面积可选地可以为上文之前指定的任何大表面面积，如，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)或可选地大于或等于大约3225mm2 (大约5 in2)到小于或