使用混合摩擦/超聲波技術用于連接聚合體復合材料以實現(xiàn)需要的焊接特性的設備和方法
【技術領域】
[0001]本公開通常涉及連接聚合體復合材料，以及更確切地指，使用涉及應用摩擦與超聲波能量至被連接的工件的混合連接技術以連接復合材料的設備和方法。根據(jù)本技術的實施例，摩擦和超聲波的操作能夠以任何次序以及有時同時地被實施。
【背景技術】
[0002]在汽車制造業(yè)中，聚合體復合材料由于其有利的特性正在被越來越廣泛地使用，包括輕質(zhì)的，高度一致的或可成形的，堅固的以及耐用的特性。一些復合材料進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]在汽車中增多的使用包括，例如在儀表和門面板、燈、空氣管道、方向盤、車內(nèi)裝飾、車箱或其它的車輛儲藏箱、車內(nèi)裝飾、外部件以及甚至發(fā)動機組件。關于發(fā)動機組件和其它的發(fā)動機罩(或UTH)應用，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/或化學侵蝕的環(huán)境。關于例如擋泥板的外部件，聚合體被發(fā)展使得其在更長的時間周期內(nèi)具有線上涂覆性能和高熱的和化學的抵抗力。以及在汽車應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，尋找有效地以及高效地連接聚合體組件的方式變得越來越重要。壓縮模塑法以及后模制連接技術(例如超聲波焊接)正被更常見地使用。
[0005]傳統(tǒng)的技術具有多個缺點。參照附圖以及更確切地指第一個附圖，圖1示意性地顯示了包括焊接焊頭102和兩個工件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，該振動經(jīng)過焊頭被傳至工件。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]該技術具有的缺點包括在最接近的工件104的頂部表面上不希望的過量的或溢出的工件材料302的形成。過量材料至少部分地產(chǎn)生，是因為工件材料在其熔化時膨脹。
[0009]處理此情形的一個選擇是來從目前焊接的工件布置移除過量材料302。此清除當然是耗費時間的，浪費在生產(chǎn)工藝中的關鍵性的循環(huán)時間。此選擇的另一個缺點在于實施此清除的能量，例如人力或機械設備的資源。
[0010]此清除也能夠顯著增加其它的成本，例如切削機械的購買、定制(編程等)以及維護的成本，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，無論在過量處已經(jīng)冷卻之前或之后清除過量處302。不管過量處是否通過冷卻已經(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。也預期到過量處302的粗糙的移除，例如通過在硬化后的削除，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。當更多的超聲波的能量被使用時，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，以及因此更少的過量材料被形成。但是此方法也是成本高昂的。而且過量材料仍能夠形成。
[0013]還有的另外的可供選擇的辦法是常規(guī)的機械固定。工件能夠例如被螺絲擰在一起，或者通過螺母和螺栓被連接。這些連接具有的缺點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固的接頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本技術涉及包括混合連接技術，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來連接復合材料。根據(jù)本技術的實施例，摩擦和超聲波操作能夠以任何次序或者有時同時被實施。其結(jié)果是全面的和堅固的焊接，尤其是與常規(guī)技術相比較時。
[0015]例如在一個實施例中，該技術包括以促進該工件與另一個工件的隨后的有效的和整潔的超聲波焊接方式機械地使工件成型。在預期的實施例中，超聲波能量的應用不是完全緊隨著摩擦的應用之后，因為超聲波能量應用能夠在摩擦產(chǎn)生被完成之前開始。摩擦誘導的工件熔化能夠與超聲波誘導的工件熔化同時發(fā)生。在任一情形中，這些方法的每一個可以被稱作摩擦輔助的超聲波焊接。此外，其結(jié)果是全面的和堅固的焊接，尤其當與常規(guī)的技術相比較時。
[0016]在一些實施例中機械的調(diào)整熔化和/或移除一些工件材料，促進隨后的超聲波誘導的工件的熔化。
[0017]在一個實施例中，該技術包括在超聲波能量應用開始之后應用摩擦。在特定的情形中，摩擦產(chǎn)生被開始于(例如通過下面進一步描述的成型工具)在應用超聲波振動至少至被連接的工件中最接近的一個的開始之后，以及在超聲波振動至工件的應用完成之前。也通過此方式，超聲波誘導的工件熔化與摩擦誘導的熔化同時發(fā)生。在另外的特定的以及預期的情形中，摩擦產(chǎn)生在超聲波振動至工件的應用的完成之后立即被開始。此即時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的熔化。以及此即時性在一些示例中確保來自超聲波操作的熔融的材料保持，使得摩擦誘導的工具的機械動作或機械動作的結(jié)果能夠影響熔融的材料，例如攪動其，增加其尺寸，按所需的改變其形狀和/或其它的。無論如何，這些方法中的每一個可被稱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似的。此外，其結(jié)果是全面的和堅固的焊接，尤其當與常規(guī)的技術相比較時。
[0018]現(xiàn)在進一步參照前述的實施例，其中被連接的工件中的最接近的第一個工件的機械成型被實施以促進該工件與另一個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)生一個或多個凹部，用于在焊接其間容納熔融的工件材料。在一些實施例中，機械的成型熔化一些工件材料，以便于隨后的超聲波誘導的工件的熔化。
[0019]本技術的優(yōu)點包括減少在焊接中的循環(huán)時間，能量以及資源節(jié)約的以及結(jié)果的更整潔的潛在更堅固的部件。
[0020]時間、能量以及資源通過避免了從頂部工件移除過量的工件材料的需要，過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)時間也可通過加速的焊接而被改進，其經(jīng)由一個或多個有限的通道傳送振動和產(chǎn)生的熱量。例如，至少一個凹部可以被形成，使得當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有被移除時，即如果振動和熱量需要穿過主要的和鄰近的材料兩者來到達用于焊接的界面，由焊頭發(fā)出的高頻(HF)振動以及產(chǎn)生的熱量，被更快地通過主要的材料輸送至被連接的件之間的界面。
[0022]沒有過量材料的部件會是更清潔的，以及根據(jù)本技術連接的部件不需要過量材料的移除，預期其表面優(yōu)于在需要移除的傳統(tǒng)的技術下連接的部件。
[0023]本發(fā)明的其它方面將會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)，其用于在將多個工件有效地結(jié)合在一起，同時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應用焊接能量至最接近的工件；
其中凹部被形成，以及焊接能量被應用，使得熔融的工件材料變得被放置在凹部內(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與最接近的工件接觸時來旋轉(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圍。
[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于焊接能量施加裝置是可展開的和可收回的。
[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于成型工具是可展開的和可收回的。
[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用高頻超聲波振動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)，其進一步包括控制系統(tǒng)的一個或多個功能的自動化的機械。
[0034]11.根據(jù)方案10所述的系統(tǒng)，其中該自動化的機械包括由控制器控制的機器人。
[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算接可執(zhí)行的指示的計算機可讀的媒介，當指示被處理器執(zhí)行時，引起機器人來實施至少一個操作。
[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包括混合塑料-金屬復合材料。
[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包括聚合體復合材料。
[0043]20.根據(jù)方案19所述的系統(tǒng)，其中復合材料為纖維-加固聚合體(FRP)復合材料。
[0044]21.根據(jù)方案19所述的系統(tǒng)，其中復合材料為碳纖維-加固聚合體(CFRP)復合材料。
[0045]22.根據(jù)方案19所述的系統(tǒng)，其中復合材料為玻璃纖維加固聚合體(GFRP)或玻璃纖維，復合材料。
[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包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(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