使用混合摩擦/超聲波技術(shù)用于連接聚合體復(fù)合材料以實(shí)現(xiàn)需要的焊接特性的設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)通常涉及連接聚合體復(fù)合材料，以及更確切地指，使用涉及應(yīng)用摩擦與超聲波能量至被連接的工件的混合連接技術(shù)以連接復(fù)合材料的設(shè)備和方法。根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例，摩擦和超聲波的操作能夠以任何次序以及有時(shí)同時(shí)地被實(shí)施。
【背景技術(shù)】
[0002]在汽車(chē)制造業(yè)中，聚合體復(fù)合材料由于其有利的特性正在被越來(lái)越廣泛地使用，包括輕質(zhì)的，高度一致的或可成形的，堅(jiān)固的以及耐用的特性。一些復(fù)合材料進(jìn)一步是可著色的以及能夠被表面加工為具有大多數(shù)任意需要的構(gòu)造。
[0003]在汽車(chē)中增多的使用包括，例如在儀表和門(mén)面板、燈、空氣管道、方向盤(pán)、車(chē)內(nèi)裝飾、車(chē)箱或其它的車(chē)輛儲(chǔ)藏箱、車(chē)內(nèi)裝飾、外部件以及甚至發(fā)動(dòng)機(jī)組件。關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)組件和其它的發(fā)動(dòng)機(jī)罩(或UTH)應(yīng)用，例如聚合體被構(gòu)造和被持續(xù)發(fā)展成能夠經(jīng)受熱和/或化學(xué)侵蝕的環(huán)境。關(guān)于例如擋泥板的外部件，聚合體被發(fā)展使得其在更長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)具有線(xiàn)上涂覆性能和高熱的和化學(xué)的抵抗力。以及在汽車(chē)應(yīng)用中許多其它潛在的使用正在不斷地被考慮到。
[0004]由于此趨勢(shì)，尋找有效地以及高效地連接聚合體組件的方式變得越來(lái)越重要。壓縮模塑法以及后模制連接技術(shù)(例如超聲波焊接)正被更常見(jiàn)地使用。
[0005]傳統(tǒng)的技術(shù)具有多個(gè)缺點(diǎn)。參照附圖以及更確切地指第一個(gè)附圖，圖1示意性地顯示了包括焊接焊頭102和兩個(gè)工件104、106在焊接之前的常規(guī)的超聲波焊接布置100。
[0006]在示出的步驟中，如向下的箭頭所示，焊頭102被降低朝向接觸兩個(gè)工件的頂部工件104。一旦與工件104接觸，與焊頭連接的超聲波發(fā)生器激發(fā)高頻超聲振動(dòng)，該振動(dòng)經(jīng)過(guò)焊頭被傳至工件。如圖2中所示，在界面處熱量被產(chǎn)生，并且工件104開(kāi)始熔化200。
[0007]圖3顯示布置100在工件的熔融材料已經(jīng)充分被熔化之后，在接頭300處連接工件 104、106。
[0008]該技術(shù)具有的缺點(diǎn)包括在最接近的工件104的頂部表面上不希望的過(guò)量的或溢出的工件材料302的形成。過(guò)量材料至少部分地產(chǎn)生，是因?yàn)楣ぜ牧显谄淙刍瘯r(shí)膨脹。
[0009]處理此情形的一個(gè)選擇是來(lái)從目前焊接的工件布置移除過(guò)量材料302。此清除當(dāng)然是耗費(fèi)時(shí)間的，浪費(fèi)在生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵性的循環(huán)時(shí)間。此選擇的另一個(gè)缺點(diǎn)在于實(shí)施此清除的能量，例如人力或機(jī)械設(shè)備的資源。
[0010]此清除也能夠顯著增加其它的成本，例如切削機(jī)械的購(gòu)買(mǎi)、定制(編程等)以及維護(hù)的成本，例如基于刀片或基于光的切削工具。
[0011]更多的挑戰(zhàn)產(chǎn)生，無(wú)論在過(guò)量處已經(jīng)冷卻之前或之后清除過(guò)量處302。不管過(guò)量處是否通過(guò)冷卻已經(jīng)硬化，需要采取特殊的照料以保證材料302被移除而不非期望地影響正冷卻的或已經(jīng)冷卻的材料的平衡。擾亂正在冷卻的或已經(jīng)冷卻的材料的表面部分能夠影響產(chǎn)生的部件的表面的質(zhì)量。也預(yù)期到過(guò)量處302的粗糙的移除，例如通過(guò)在硬化后的削除，能夠擾亂連接300的完整性。
[0012]另外的可供選擇的辦法在于使用超高能量的超聲波能量。當(dāng)更多的超聲波的能量被使用時(shí)，頂部的工件以及最后底部的工件，熔化更快，以及因此所需的接頭300被更快地形成。通過(guò)此方式，更少的隨附的、側(cè)面的工件材料被熔化，以及因此更少的過(guò)量材料被形成。但是此方法也是成本高昂的。而且過(guò)量材料仍能夠形成。
[0013]還有的另外的可供選擇的辦法是常規(guī)的機(jī)械固定。工件能夠例如被螺絲擰在一起，或者通過(guò)螺母和螺栓被連接。這些連接具有的缺點(diǎn)包括不必要的增加的重量，緊固件的不雅觀的暴露部分以及可能的不那么堅(jiān)固的接頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本技術(shù)涉及包括混合連接技術(shù)，其使用包括施加摩擦和超聲波能量至被連接的工件的混合連接技術(shù)來(lái)連接復(fù)合材料。根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例，摩擦和超聲波操作能夠以任何次序或者有時(shí)同時(shí)被實(shí)施。其結(jié)果是全面的和堅(jiān)固的焊接，尤其是與常規(guī)技術(shù)相比較時(shí)。
[0015]例如在一個(gè)實(shí)施例中，該技術(shù)包括以促進(jìn)該工件與另一個(gè)工件的隨后的有效的和整潔的超聲波焊接方式機(jī)械地使工件成型。在預(yù)期的實(shí)施例中，超聲波能量的應(yīng)用不是完全緊隨著摩擦的應(yīng)用之后，因?yàn)槌暡芰繎?yīng)用能夠在摩擦產(chǎn)生被完成之前開(kāi)始。摩擦誘導(dǎo)的工件熔化能夠與超聲波誘導(dǎo)的工件熔化同時(shí)發(fā)生。在任一情形中，這些方法的每一個(gè)可以被稱(chēng)作摩擦輔助的超聲波焊接。此外，其結(jié)果是全面的和堅(jiān)固的焊接，尤其當(dāng)與常規(guī)的技術(shù)相比較時(shí)。
[0016]在一些實(shí)施例中機(jī)械的調(diào)整熔化和/或移除一些工件材料，促進(jìn)隨后的超聲波誘導(dǎo)的工件的熔化。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，該技術(shù)包括在超聲波能量應(yīng)用開(kāi)始之后應(yīng)用摩擦。在特定的情形中，摩擦產(chǎn)生被開(kāi)始于(例如通過(guò)下面進(jìn)一步描述的成型工具)在應(yīng)用超聲波振動(dòng)至少至被連接的工件中最接近的一個(gè)的開(kāi)始之后，以及在超聲波振動(dòng)至工件的應(yīng)用完成之前。也通過(guò)此方式，超聲波誘導(dǎo)的工件熔化與摩擦誘導(dǎo)的熔化同時(shí)發(fā)生。在另外的特定的以及預(yù)期的情形中，摩擦產(chǎn)生在超聲波振動(dòng)至工件的應(yīng)用的完成之后立即被開(kāi)始。此即時(shí)性確保熔融的以及固體的工件不冷卻或冷卻最小的程度，因此便于隨后的摩擦誘導(dǎo)的熔化。以及此即時(shí)性在一些示例中確保來(lái)自超聲波操作的熔融的材料保持，使得摩擦誘導(dǎo)的工具的機(jī)械動(dòng)作或機(jī)械動(dòng)作的結(jié)果能夠影響熔融的材料，例如攪動(dòng)其，增加其尺寸，按所需的改變其形狀和/或其它的。無(wú)論如何，這些方法中的每一個(gè)可被稱(chēng)作超聲波輔助的摩擦焊接、超聲波輔助的摩擦攪拌焊接或類(lèi)似的。此外，其結(jié)果是全面的和堅(jiān)固的焊接，尤其當(dāng)與常規(guī)的技術(shù)相比較時(shí)。
[0018]現(xiàn)在進(jìn)一步參照前述的實(shí)施例，其中被連接的工件中的最接近的第一個(gè)工件的機(jī)械成型被實(shí)施以促進(jìn)該工件與另一個(gè)工件的有效的和整潔的隨后的超聲波焊接。通常地，成型涉及在第一工件中產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)凹部，用于在焊接其間容納熔融的工件材料。在一些實(shí)施例中，機(jī)械的成型熔化一些工件材料，以便于隨后的超聲波誘導(dǎo)的工件的熔化。
[0019]本技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括減少在焊接中的循環(huán)時(shí)間，能量以及資源節(jié)約的以及結(jié)果的更整潔的潛在更堅(jiān)固的部件。
[0020]時(shí)間、能量以及資源通過(guò)避免了從頂部工件移除過(guò)量的工件材料的需要，過(guò)量材料在焊接期間在不需要的位置產(chǎn)生，例如在工件表面的主要的表面上。
[0021]循環(huán)時(shí)間也可通過(guò)加速的焊接而被改進(jìn)，其經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)有限的通道傳送振動(dòng)和產(chǎn)生的熱量。例如，至少一個(gè)凹部可以被形成，使得當(dāng)主要的工件材料直接保持在超聲波變速桿的下方，至少一些鄰近主要的材料的側(cè)面的工件材料被移除。在此情形下，相比較于如果鄰近的材料沒(méi)有被移除時(shí)，即如果振動(dòng)和熱量需要穿過(guò)主要的和鄰近的材料兩者來(lái)到達(dá)用于焊接的界面，由焊頭發(fā)出的高頻(HF)振動(dòng)以及產(chǎn)生的熱量，被更快地通過(guò)主要的材料輸送至被連接的件之間的界面。
[0022]沒(méi)有過(guò)量材料的部件會(huì)是更清潔的，以及根據(jù)本技術(shù)連接的部件不需要過(guò)量材料的移除，預(yù)期其表面優(yōu)于在需要移除的傳統(tǒng)的技術(shù)下連接的部件。
[0023]本發(fā)明的其它方面將會(huì)是部分明確的以及部分在此后指出。
[0024]本發(fā)明還提供了以下方案:
1.一種混合成型/能量化的系統(tǒng)，其用于在將多個(gè)工件有效地結(jié)合在一起，同時(shí)抑制焊接材料在不需要的區(qū)域中的形成，其包括:
成型工具，其被配置以在被結(jié)合的工件的最接近的工件中形成至少一個(gè)凹部；以及焊接能量施加裝置，其被連接至成型工具以及被配置來(lái)應(yīng)用焊接能量至最接近的工件；
其中凹部被形成，以及焊接能量被應(yīng)用，使得熔融的工件材料變得被放置在凹部?jī)?nèi)，由此抑制在任何不需要的位置處焊接材料的形成。
[0025]2.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中該成型工具被配置以通過(guò)摩擦形成凹部。
[0026]3.根據(jù)上述方案2所述的系統(tǒng)，其中該成型工具被配置以當(dāng)與最接近的工件接觸時(shí)來(lái)旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生形成凹部的摩擦，該凹部為環(huán)形的凹部。
[0027]4.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中該成型工具被放置在焊接能量施加裝置周?chē)?br>[0028]5.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中該成型工具相對(duì)于焊接能量施加裝置是可展開(kāi)的和可收回的。
[0029]6.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中該能量施加裝置相對(duì)于成型工具是可展開(kāi)的和可收回的。
[0030]7.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中該能量施加裝置大致在形狀上為圓柱狀的。
[0031]8.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中該成型工具具有大致環(huán)形的輪廓形狀。
[0032]9.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其中該能量施加裝置被配置以應(yīng)用高頻超聲波振動(dòng)至工件用于將工件互相焊接。
[0033]10.根據(jù)上述方案I所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括控制系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)功能的自動(dòng)化的機(jī)械。
[0034]11.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中該自動(dòng)化的機(jī)械包括由控制器控制的機(jī)器人。
[0035]12.根據(jù)方案11所述的系統(tǒng)，其中該控制器包括處理器和具有計(jì)算接可執(zhí)行的指示的計(jì)算機(jī)可讀的媒介，當(dāng)指示被處理器執(zhí)行時(shí)，引起機(jī)器人來(lái)實(shí)施至少一個(gè)操作。
[0036]13.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中第一工件和第二工件具有同樣的材料。
[0037]14.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中第一工件和第二工件具有不同的材料。
[0038]15.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個(gè)包括聚合體。
[0039]16.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個(gè)包括塑料。
[0040]17.根據(jù)方案16所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個(gè)包括混合塑料-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0041]18.根據(jù)方案16所述的系統(tǒng)，其中塑料是熱塑性塑料。
[0042]19.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個(gè)包括聚合體復(fù)合材料。
[0043]20.根據(jù)方案19所述的系統(tǒng)，其中復(fù)合材料為纖維-加固聚合體(FRP)復(fù)合材料。
[0044]21.根據(jù)方案19所述的系統(tǒng)，其中復(fù)合材料為碳纖維-加固聚合體(CFRP)復(fù)合材料。
[0045]22.根據(jù)方案19所述的系統(tǒng)，其中復(fù)合材料為玻璃纖維加固聚合體(GFRP)或玻璃纖維，復(fù)合材料。
[0046]23.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個(gè)包括選自包含下列材料的列表中的至少一種材料:
聚酰胺-級(jí)聚合體；
聚氯乙烯(PVC)；
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS);以及聚碳酸酯(PC)。
[0047]24.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個(gè)包括聚乙烯。
[0048]25.根據(jù)方案24所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個(gè)包括聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和/或高密度聚乙烯(HDPE)。
[0049]26.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中工件中至少一個(gè)包括乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)0
[0050]27.根據(jù)方案15所述的系統(tǒng)，其中該聚合體包括合成的聚合體。
[0051]28.根據(jù)方案15所述的系統(tǒng)，其中