專利名稱：具有改進(jìn)強(qiáng)度的摩擦焊接熱塑制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱塑制品的焊接；特別是涉及具有改進(jìn)強(qiáng)度的包括摩擦焊接對接接頭的熱塑制品和形成焊接接頭的方法。
2.背景技術(shù)在本領(lǐng)域中，熱塑構(gòu)件的摩擦焊接已經(jīng)良好的實(shí)現(xiàn)。摩擦焊接包括線性振動(dòng)焊接技術(shù)、軌跡焊接技術(shù)和旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù)。對于這些技術(shù)中的每一種，將兩個(gè)待焊接的工件放置以疊置并列的關(guān)系，在工件之間施加壓力，然后在兩個(gè)工件之間的交界面上彼此相對作振動(dòng)、軌道運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)施該焊接方法。交界面的摩擦加熱導(dǎo)致熔化區(qū)中的熱塑材料的熔化和流動(dòng)。運(yùn)動(dòng)停止后，隨后在壓力下冷卻，在熔化區(qū)內(nèi)的材料的固化形成了工件之間的一個(gè)焊接接頭。
待焊接部件通常具有不同厚度。典型地，在焊接區(qū)中，一個(gè)部件可以是2至4mm厚，而另一個(gè)部件是4至6mm厚。
振動(dòng)焊接法的現(xiàn)象學(xué)已經(jīng)描述和分析過。參見V.K.Stokes著，“Vibration Welding of Thermoplastics，Part IPhenomenologyof the Welding Process”，Polymer Engineering and Science，28，718(1988)；“Vibration Welding of Thermoplastics，PartIIAnalysis of the Welding Process”，Polymer Engineering andScience，28，728(1988)。Stokes將焊接法描述為發(fā)生在四個(gè)階段1)通過摩擦加熱交界面；2)熔化和在橫過振動(dòng)的方向上向外流動(dòng)；3)固體的熔化率等于熔融材料的流出的該穩(wěn)定狀態(tài)；和4)當(dāng)振動(dòng)停止時(shí)熔融材料的固化。
在焊接操作過程中從接頭擠出的熔融材料不同地被稱為“溢料(flash)”或“隆起(flush)”。如果在完成的部件中溢料的存在是有害的，那么在焊接后就需要獨(dú)立的操作來去掉該溢料。作為替換，待焊接的部件可采用看起來遮掩溢料的“溢料阱”。
摩擦焊接區(qū)的強(qiáng)度是許多參數(shù)的復(fù)變函數(shù)。這些參數(shù)是振動(dòng)(縱向、橫向、角向、軌道)的振動(dòng)頻率、幅度和方向，垂直于工件之間的交界面的壓力，焊接時(shí)間或焊透深度(熔化深度)和保持或冷卻時(shí)間。這些參數(shù)中的部分參數(shù)對若干未填充熱塑性塑料的強(qiáng)度的影響已經(jīng)記錄在V.K.Stokes著，“Vibration Welding of Thermoplastics，Part IVStrengths of Poly(Butylene Terepthalate)，Polyetherimide and Modified Polyphenylene Oxide Butt Welds”，Polymer Engineering and Science，28，998(1988)。
對于許多用途，例如汽車車蓋用途、動(dòng)力工具和其它裝置，有必要在基本熱塑材料中采用加強(qiáng)纖維。這些加強(qiáng)纖維，例如玻璃纖維、碳纖維、金屬纖維、芳族聚酰胺纖維或其它纖維大大增加了基礎(chǔ)樹脂的強(qiáng)度、剛度和熱扭變溫度。這些加強(qiáng)纖維的存在影響并使焊接處理參數(shù)與待連接熱塑材料中的焊接強(qiáng)度之間的關(guān)系復(fù)雜化。V.Kagan等在下文描述了這種填充熱塑性塑料的振動(dòng)焊接，即“The OptimizedPerformance of Linear Vibration Welded Nylon 6 and Nylon 66Butt Joints”，Plastics-Racing into the Future，Proceedingsof the SPE 54thAnnual Technical Conference and Exhibits，1266-1274頁，1996，并參見第5874146號美國專利，該專利公開文本在此提供作為參考。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在最佳焊接處理?xiàng)l件下，并且，來自其中一個(gè)工件的纖維刺入焊縫并進(jìn)入另一個(gè)工件內(nèi)，焊縫達(dá)到最大的抗張強(qiáng)度。在并非最佳處理?xiàng)l件下，加強(qiáng)纖維不能跨過焊縫區(qū)域，結(jié)果，焊縫的強(qiáng)度較低。
在每個(gè)上述研究中，待焊接的工件具有嚴(yán)格的平面的相對表面。無需再說明平面的初始交界面的幾何形狀是具有優(yōu)點(diǎn)的，實(shí)際上在“Vibration Welding of Thermoplastics，Part IPhenomenologyof the Welding Process”，Polymer Engineering and Science，28，718(1988)的第718頁第1欄、第二自然段中，如作者所述，“振動(dòng)焊接方法理想地適合熱塑部件沿相對平的接縫焊接。該方法還適合平面外曲率較小的接縫?！边@樣，作者指出非平面縱向交界面是不利于被“接納”的。但作者沒有對待焊接部件的橫截面的幾何形狀提出建議。
將本發(fā)明的方法和制品與超聲焊接和超聲焊接制品進(jìn)行對照。在超聲焊接中，通常利用超聲喇叭，在垂直于焊接平面的方向上而不是在焊接平面上施以振動(dòng)。超聲喇叭是較低的能量源。結(jié)果，與摩擦焊接相反，超聲焊接僅適合較小的部件或點(diǎn)焊。
為了工件吸收的超聲波能量足以導(dǎo)致局部熔融，有必要使能通量集中。這是通過在其中一個(gè)工件的配合表面上設(shè)的突出部分，也被稱為“能量導(dǎo)向器”來實(shí)現(xiàn)的。參見例如美國專利4618516。
在超聲波焊接時(shí)的能量導(dǎo)向器或突出部分是使能通量集中的一種方式。在設(shè)計(jì)準(zhǔn)備超聲波焊接的部件時(shí)，通常使用一個(gè)單獨(dú)的縱向能量導(dǎo)向器(小或大)(參見“Specification for StandardizedUltrasonic Test Specimen for Thermoplastics”，AmericanWelding Society，AWS G1.2m/G1.21999，美國國家標(biāo)準(zhǔn)，第5部分，第3頁)。在特定情況下盡管可使用多于一個(gè)的能量導(dǎo)向器，通常不用這樣做，因?yàn)槎嘤谝粋€(gè)的能量導(dǎo)向器使已經(jīng)微弱的能量源分散，并使焊接困難且緩慢。但在美國專利5540808中可以找到一個(gè)例外，這里使用了雙能量導(dǎo)向器來將剛性材料焊接到一種容易熔化的柔性材料上。可以看到，這些能量導(dǎo)向器的幾何形狀、目的和功能與本發(fā)明的矩形邊緣突出部分的幾何形狀、目的和功能不同。
希望提供一種焊接熱塑制品的方法，以便在非最佳條件下獲得高強(qiáng)結(jié)合。所希望的是該方法是否適合于焊接剛性、纖維增強(qiáng)熱塑性塑料。該方法是否適合形成基本尺寸的焊接，這也是希望的。特別需要的是強(qiáng)的、摩擦焊接的、剛性的、纖維增強(qiáng)的熱塑制品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有改進(jìn)強(qiáng)度的摩擦焊接增強(qiáng)的熱塑制品。這是通過限制熔融材料從工件之間的間隙橫向流出，以便從熔化開始至固化開始充分保持基本深度的熔池來實(shí)現(xiàn)的。通過在其中一個(gè)工件的每個(gè)側(cè)邊緣設(shè)置基本上矩形橫截面的阻擋部(突出部分)，實(shí)現(xiàn)限制材料從工件之間的間隙橫向流出，而另一個(gè)工件具有基本上平的配合表面。
一般說來，本發(fā)明提供包括第一熱塑工件和第二熱塑工件的摩擦焊接的熱塑制品。每個(gè)所述第一和第二熱塑工件具有配合表面。第一熱塑工件的配合表面和第二熱塑工件的配合表面在熔化區(qū)連結(jié)。在焊接前，第一工件的配合表面已包括限制熔融物從工件之間橫向流出的阻擋物。所述第二工件的配合表面基本上為平面的。
特別是，根據(jù)本發(fā)明提供一種振動(dòng)焊接熱塑制品，它包括一個(gè)第一熱塑工件和一個(gè)第二熱塑工件，每個(gè)所述第一和第二熱塑工件具有配合表面；所述第一熱塑工件的所述配合表面和所述第二熱塑工件的所述配合表面在熔化區(qū)連結(jié)；在焊接前，所述第一工件的所述配合表面已包括限制熔融物從工件之間橫向流出的阻擋物，且所述第二工件的配合表面基本上為平面的；限制熔融物從工件之間橫向流出的阻擋物是沿第一工件的每個(gè)側(cè)邊緣的基本上矩形的突出部分；其中，每個(gè)所述突出部分的厚度為第一工件的厚度的約5％至約35％；而每個(gè)所述突出部分相對于初始的配合表面上的最低點(diǎn)的高度為熔化區(qū)尺寸的至少約25％。
本發(fā)明還提供有一種振動(dòng)焊接的熱塑制品，它包括一個(gè)第一熱塑工件和一個(gè)第二熱塑工件，每個(gè)所述第一和第二熱塑工件具有配合表面；所述第一熱塑工件的配合表面和所述第二熱塑工件的配合表面在熔化區(qū)連結(jié)；在焊接前，所述第一工件的所述配合表面已包括限制熔融物從工件之間橫向流出的阻擋物，且所述第二工件的配合表面基本上為平面的；限制熔融物從工件之間橫向流出的阻擋物是沿第一工件的每個(gè)側(cè)邊緣的基本上矩形的突出部分；其中，每個(gè)所述突出部分的厚度為第一工件的厚度的約5％至約35％；在焊接前，矩形突出部分的上邊之間的一條線和它們之間的材料表面限定的空間的橫截面面積是第一工件的厚度與熔化區(qū)的尺寸的乘積的至少約15％。
本發(fā)明還提供一種制備具有改進(jìn)強(qiáng)度的摩擦焊接且增強(qiáng)的熱塑制品的方法，該方法是限制熔融材料從工件之間的間隙橫向流出，從而從熔化開始至固化開始在工件之間保持基本深度的熔池。
通過下述方法實(shí)現(xiàn)第一熱塑工件摩擦焊接到第二熱塑工件上，該方法的步驟包括在壓縮的夾緊壓力下將第一和第二工件壓到一起；在平行于其交界面的一個(gè)平面內(nèi)使第一工件相對于第二工件運(yùn)動(dòng)，以便充分摩擦加熱該交界面；使第一和第二工件的交界表面熔化以形成熔化區(qū)；提供一個(gè)裝置以限制熔融材料從所述交界表面之間的間隙橫向流出；和從熔化開始至固化開始在工件之間保持基本深度的熔池。
本發(fā)明的制品對于汽車應(yīng)用來說具有改進(jìn)的實(shí)用性，例如用于進(jìn)氣歧管、汽車橫梁、共振器、流體箱和空氣濾清器外殼。這種制品也可以很好地適用于許多其它用途，例如草坪和園藝設(shè)備和動(dòng)力工具。


參考附圖及下面的詳細(xì)說明，將更容易理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，在整個(gè)附圖中相同的參考標(biāo)記表示相同的元件。附圖中圖1a是具有平表面的第一工件的透視圖，該第一工件與也具有平的配合表面的第二工件(未表示)配合；圖1b是沿線A-A的該第一工件的截面視圖，圖1a和1b中表示的交界面幾何形狀是對比實(shí)例；圖2a是具有三角形“齒”的第一工件的透視圖，該三角形“齒”沿與具有平的配合表面的第二工件(未表示)配合的表面分布；圖2b是在圖2a中沿線A-A截取的第一工件的截面圖，圖2a和2b中表示的交界面幾何形狀是對比實(shí)例；圖3a是具有凸起的“隆起”的第一工件的透視圖，該凸起的“隆起”沿與具有平的配合表面的第二工件(未表示)配合的表面分布；圖3b是在圖3a中沿線A-A截取的第一工件的截面圖，圖3a和3b中表示的交界面幾何形狀是對比實(shí)例；圖4a是在其側(cè)面的每個(gè)邊緣具有矩形突出部分并在所述矩形突出部分之間具有平滑凹槽的第一工件的透視圖，該矩形突出部分和平滑凹槽沿與具有基本上平的配合表面的第二工件(未表示)配合的表面分布；圖4b是在圖4a中沿線A-A截取的第一工件的截面圖，圖4a和4b中表示的交界面幾何形狀是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例；圖5a是在其側(cè)面的每個(gè)邊緣具有矩形突出部分并在所述矩形突出部分之間具有兩個(gè)半圓凹槽的第一工件的透視圖，該矩形突出部分和半圓凹槽沿與具有基本上平的配合表面的第二工件(未表示)配合的表面分布；圖5b是在圖5a中沿線A-A截取的第一工件的截面圖，圖5a和5b中表示的交界面幾何形狀是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例；圖6a是在其側(cè)面的每個(gè)邊緣具有矩形突出部分并在所述矩形突出部分之間具有平滑凹槽的第一工件的透視圖，該矩形突出部分和平滑凹槽沿配合表面分布，第一工件的配合表面沿其長度具有波狀起伏或波，第一工件適合與具有基本上平的配合表面的第二工件(未表示)配合；圖6b和6c分別是沿線A-A和B-B截取的該第一工件的截面圖，圖6a，6b和6c中表示的交界面幾何形狀是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例；圖7a是在其側(cè)面的每個(gè)邊緣具有矩形突出部分并在所述矩形突出部分之間具有兩個(gè)半圓凹槽的第一工件的透視圖，該矩形突出部分和半圓凹槽沿配合表面分布，第一工件的配合表面沿其長度具有波狀起伏或波，第一工件適合與具有基本上平的配合表面的第二工件(未表示)配合；圖7b和7c分別是圖7a中沿線A-A和B-B截取的該第一工件的截面圖，圖7a，7b和7c中表示的交界面幾何形狀是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例；圖8a是在其側(cè)面的每個(gè)邊緣具有矩形突出部分并在所述矩形突出部分之間具有多個(gè)凹槽的第一工件的透視圖，該矩形突出部分和凹槽沿與具有基本上平的配合表面的第二工件(未表示)配合的表面分布；圖8b是在圖8a中沿線A-A截取的第一工件的截面圖，圖8a和8b中表示的交界面幾何形狀是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例；圖9是已有技術(shù)的具有溢料阱的復(fù)雜的對接接頭的截面圖，該截面示意性圖示了當(dāng)平表面摩擦焊接時(shí)產(chǎn)生的大量溢料；和圖10是本發(fā)明的復(fù)雜的對接接頭的截面圖，該截面示意性圖示了溢料如何減少和熔池存在于矩形邊緣突出部分之間的區(qū)域內(nèi)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種摩擦焊接的增強(qiáng)的改進(jìn)強(qiáng)度的熱塑制品，它是通過限制熔融材料從工件之間的間隙向外橫向流出，以便從熔化開始至固化開始保持基本深度的熔池來增強(qiáng)的。特別是，通過在其中一個(gè)工件的每個(gè)側(cè)邊緣設(shè)置基本上矩形橫截面的阻擋物(突出部分)，實(shí)現(xiàn)限制材料從工件之間的間隙橫向流出，同時(shí)，另一個(gè)工件具有基本上平的配合表面。
本發(fā)明還提供一種制備改進(jìn)強(qiáng)度的摩擦焊接且填滿增強(qiáng)的熱塑制品的方法，該方法是限制熔融材料從工件之間的間隙橫向流出，從而從熔化開始至固化開始在工件之間保持基本深度的熔池。
在本領(lǐng)域中摩擦焊接技術(shù)和實(shí)施摩擦焊接的設(shè)備是公知的。摩擦焊接機(jī)(線性振動(dòng)焊、軌跡焊、旋轉(zhuǎn)焊)市場上可從北美、亞洲、歐洲等的跨國公司(Branson Ultrasonics，F(xiàn)orward Technologies，Inc，Bielomatik，etc.)購得。例如，Branson UltrasonicsCorporation，Danbury，Conn.制造出線性振動(dòng)焊接機(jī)，該焊接機(jī)名為VW/8UH型號的Ultra HY-Line的微型振動(dòng)焊接機(jī)，和型號為VW/6的90系列的振動(dòng)焊接機(jī)。
通過使第一熱塑工件和第二熱塑工件在壓縮夾緊力作用下接觸可實(shí)現(xiàn)摩擦焊接。例如通過在氣缸或液壓缸施加的壓力作用下將配合表面置于平臺上，使該配合表面保持預(yù)定的夾緊力。然后，使一個(gè)表面相對于另一個(gè)表面運(yùn)動(dòng)，以產(chǎn)生摩擦，從而產(chǎn)生熱，這樣，在“熔化”區(qū)內(nèi)第一工件和第二工件的表面熔化，且將熱塑材料混合和熔合。熔化區(qū)的尺寸由提供夾緊力的相對的平臺的線性運(yùn)動(dòng)測量，并通過適當(dāng)?shù)臋C(jī)器調(diào)整來控制。
夾緊力是其中一個(gè)重要的參數(shù)。當(dāng)熱塑材料用短纖維例如玻璃纖維、碳纖維、芳族聚酰胺纖維或其它纖維加強(qiáng)時(shí)，相對的工件的材料混合的方式變得非常重要。在焊接前，典型地，熱塑材料中的纖維隨機(jī)取向，即沒有優(yōu)選的朝向。然而，如果不仔細(xì)注意焊接條件，相對運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致焊接區(qū)內(nèi)的纖維變得僅在焊接的平面內(nèi)取向。這導(dǎo)致較低的強(qiáng)度和機(jī)械性能，比較而言，如果焊接條件最佳，將導(dǎo)致纖維不僅滲透進(jìn)焊接區(qū)，而且滲透相對的工件內(nèi)，這會(huì)導(dǎo)致較高的強(qiáng)度和機(jī)械性能。
不幸的是，并不能總是獲得最佳的焊接條件。必要的壓縮夾緊力的大小取決于塑料部件的尺寸和幾何形狀，還取決于在以前的模制操作過程中熱塑件的空間穩(wěn)定性。實(shí)際上，待連結(jié)的工件經(jīng)常模制出突出部、壁和肋，這導(dǎo)致要配合的表面產(chǎn)生不同的收縮和變形。許多應(yīng)用需要焊接接頭與外界隔絕密封。在這些情況下，必須使用比最佳夾緊力高的夾緊力，以便使配合表面均勻接觸。該比最佳夾緊力高的夾緊力使交界面的剪切應(yīng)力增加，增強(qiáng)了纖維在焊接的平面內(nèi)定向的趨勢，并降低了獲得的抗張強(qiáng)度。
焊接強(qiáng)度對夾緊力的這種靈敏度由下表1中的數(shù)據(jù)說明，該數(shù)據(jù)由每個(gè)工件上的平面的交界面幾何形狀獲得。表1的焊接由BransonUltrasonics Corp.的Mini Welder II通過縱向振動(dòng)焊接來實(shí)現(xiàn)，該焊接機(jī)的額定頻率為240Hz，振動(dòng)幅度為1.8mm，和熔化1.5mm。使用的材料是New Jersey的Morristown的Honeywell InternationalInc.的Capron nylon 6。
表1CaDron8233G HS BK-102，nylon 6，33wt.％玻璃纖維在室溫下，夾緊力(MPa)對焊縫抗張強(qiáng)度的影響增強(qiáng)

沒有任何特定理論的限制，假定比最佳夾緊力高的夾緊力產(chǎn)生的效果與具有太低的焊縫交界面厚度的效果類似，這可能導(dǎo)致纖維旋轉(zhuǎn)的空間不夠，因此，限制纖維橫穿交界面并滲透進(jìn)入相對的工件中。
與該趨勢相反，在本發(fā)明中，初始的交界面幾何形狀構(gòu)造成限制熔融材料從工件之間的間隙向外橫向流出，從熔化開始至固化開始保持基本深度的熔池(對比圖9和圖10)。
根據(jù)本發(fā)明，待焊接的兩個(gè)熱塑工件包括任意相容的熱塑聚合材料。適當(dāng)?shù)臒崴芫酆衔锓窍薅ǖ匕ň埘０贰⒕埘?、聚碳酸酯、聚砜、聚酰亞胺、聚氨脂、聚醚、聚烯烴、乙烯基聚合物、及其混合物。優(yōu)選的是聚酰胺如尼龍6和尼龍66，例如New Jersey的Morristown的Honeywell International Inc.的Capron 8233G HS nylon 6和Capron 5233G HS nylon 66，以及聚酯，例如購自HoneywellInternational Inc.的Petra130聚對苯二甲酸乙二醇酯。只要適當(dāng)?shù)鼗旌希€可使用不同的熱塑材料。至少一種，最好兩種熱塑材料經(jīng)過纖維增強(qiáng)。適當(dāng)?shù)卦鰪?qiáng)纖維非限定地包括不軟化的材料，即通常在噴射模制法使用的溫度例如至多約400度的溫度下不失去其剛性的材料。最好，纖維增強(qiáng)包括例如玻璃、碳、硅、金屬、礦物、聚合纖維及其混合物的材料的纖維增強(qiáng)是優(yōu)選的。玻璃纖維增強(qiáng)是最優(yōu)選的。在優(yōu)選實(shí)施例中，纖維是剛性的，并具有從約8至約12微米的直徑，較好的是從約9至約11微米，最好是約10微米。優(yōu)選的纖維長度是從約120至約300微米，較好的是從約130至約250微米，最好是從約140至約200微米。在優(yōu)選實(shí)施例中，纖維包括重量百分比為從約6％至約63％的熱塑成分，較好的是從約10％至約40％，最好是從約14％至約25％。
根據(jù)本發(fā)明，第一工件具有一個(gè)初始配合表面，它包括在每個(gè)側(cè)邊緣的基本上矩形橫截面的突出部分。突出部分的厚度與工件的厚度成比例關(guān)系。每個(gè)突出部分的厚度(在圖4-7中為尺寸t；在圖8中為尺寸t1)典型的在工件的厚度(在圖4-8中為尺寸W1)的約5％至約35％之間。
t/W1≌0.05至0.35；t1/W1≌0.05至0.35最好，每個(gè)突出部分的厚度為工件的厚度的約10％至約20％之間。
t/W1≌0.10至0.20；t1/W1≌0.10至0.20每個(gè)突出部分(圖4-8中為尺寸h)相對于初始配合表面上的最低點(diǎn)的高度應(yīng)該與理想的熔化深度(MD)成比例。每個(gè)突出部分的高度通常為熔化深度的至少約25％，最好為熔化深度的至少約33％。
h/MD≥0.25；最好，h/MD≥0.33作為替換，第一工件的初始配合表面的幾何形狀可根據(jù)包含的最大熔池的體積相對于焊接所形成的熔融物的最大體積來限定。包含于矩形邊突出部分之間的最大熔池的體積等于工件的長度乘以矩形突出部分的上邊緣之間的水平線和矩形突出部分所限定的空間的邊界以及它們之間的材料表面所限定的區(qū)域的橫截面面積。該橫截面面積稱為A。焊接所形成的熔融物的最大體積是工件的長度乘以熔化深度(MD)乘以工件的厚度(W1)。因此，包含于矩形突出部分之間的最大熔池的體積相對于焊接所產(chǎn)生的熔融物的最大體積之比是A/(MD×W1)。根據(jù)本發(fā)明，該比例至少約為0.15(15％)，最好是至少約0.20(20％)。
A/(MD×W1)≥0.15；最好，A/(MD×W1)≥0.20還計(jì)劃除了在每個(gè)側(cè)邊緣設(shè)基本上矩形突出部分外，第一工件可以沿其長度具有波狀起伏或波。該波狀起伏的幅度(峰至谷)是熔化深度的從約20％至約800％。
第二工件將具有基本上平的配合表面。在本發(fā)明的內(nèi)容中，基本上平的配合表面是保持限制熔融物從兩個(gè)工件的配合表面之間流出的平面。在靠近第一工件的矩形突出部分的區(qū)域，第二工件可以具有一些凸起或者凹陷，只要偏離平面小于約1mm，最好小于約0.5mm。
下面的非限定性的實(shí)例用來說明本發(fā)明。應(yīng)該認(rèn)識到，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)的前提下，本發(fā)明的元件和比例可做修改。
實(shí)例和對比例一系列線性振動(dòng)焊接制品利用不同纖維加強(qiáng)的熱塑材料和不同初始交界面幾何形狀的噴射模制板制成，它們都采用了下列的恒定條件·接頭類型采用相同熱塑性塑料的對接接頭·焊接機(jī)/焊接設(shè)備Branson UltrasonicsCorp.，型號為MiniWelder II·模制板的初始尺寸-第一工件寬度(W1)×長度(L)×厚度(T)15.24cm×6.35cm×0.396cm-第二工件寬度(W2)×長度(L)×厚度(T)15.24cm×6.35cm×0.624cm焊接板的尺寸(W×L)15.24cm×12.7cm工件1的初始交界面設(shè)計(jì)見表2工件2的初始交界面設(shè)計(jì)平的焊接條件振動(dòng)頻率240Hz(額定)振動(dòng)幅度1.77mm焊接夾緊力3MPa振動(dòng)方向板的寬度(縱向)焊接環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室.大氣壓，23℃，50±5％R.H.
熔化深度1.5mm熱塑材料Capron8233G HS尼龍6，重量百分比為33％的玻璃纖維Capron8267G尼龍6，重量百分比為15％的玻璃纖維+25％的礦物質(zhì)填料CapronRX-1104，尼龍6，重量百分比為33％的玻璃纖維Zytel70G33 HS 1L(DuPont)，尼龍66，重量百分比為33％的玻璃纖維焊接板切割成1.27cm寬的條(矩形試樣)，在5mm/分的應(yīng)變速率(Strain Rate)和23℃的室溫下，通過針對塑料的ISO527/ASTM D 638測試方法來確定焊接接頭的抗張強(qiáng)度。
如圖中所示，對比實(shí)例和本發(fā)明的實(shí)例確定的抗張強(qiáng)度在下表2中顯示。
表2焊接接頭的抗張強(qiáng)度與交界面設(shè)計(jì)

分析張力數(shù)據(jù)的變化表明本發(fā)明的實(shí)例和對比實(shí)例的抗張強(qiáng)度之間的非常顯著的差別。從技術(shù)的角度來看，這種統(tǒng)計(jì)上的顯著差別是非常有利的。
該數(shù)據(jù)說明初始交界面設(shè)計(jì)的構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)，該初始交界面設(shè)計(jì)成通過利用其中一個(gè)工件的每個(gè)側(cè)邊緣上的基本上矩形橫截面的阻擋物(突出部分)，而另一個(gè)工件具有基本上平的配合表面，來限制熔融物從工件之間的間隙橫向流出。這可以多種方式看出。
與對比實(shí)例1相比，本發(fā)明的實(shí)例(實(shí)例1和實(shí)例2)具有較高的強(qiáng)度，且在兩個(gè)工件上的初始配合表面是平的。本發(fā)明的實(shí)例與對比實(shí)例2相比具有較高的強(qiáng)度，它在初始配合表面的每個(gè)邊緣上具有“齒”狀突出部分。所有這些中的最大差別在于本發(fā)明的實(shí)例和對比實(shí)例3之間。在對比實(shí)例3中，第一工件具有傾向于加速熔融物流出工件之間的間隙的凸起的“隆起”。
實(shí)例3焊接板如上面的實(shí)例1和2中一樣利用圖6的工件設(shè)計(jì)形成。焊接接頭的抗張強(qiáng)度相對于對比實(shí)例1的是改進(jìn)的。
實(shí)例4焊接板如上面的實(shí)例1和2中一樣利用圖7的工件設(shè)計(jì)形成。焊接接頭的抗張強(qiáng)度相對于對比實(shí)例1的是改進(jìn)的。
經(jīng)過這樣詳細(xì)的描述本發(fā)明，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以理解這種細(xì)節(jié)并非嚴(yán)格地限制本發(fā)明，在不超出附后的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍的前提下，本發(fā)明可作進(jìn)一步的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種摩擦焊接的熱塑制品，它包括a.一第一熱塑工件和一第二熱塑工件，每個(gè)所述第一和第二熱塑工件具有配合表面；b.所述第一熱塑工件的所述配合表面和所述第二熱塑工件的所述配合表面在熔化區(qū)連結(jié)；和在焊接前，所述第一工件的所述配合表面已包括限制熔融物從工件之間橫向流出的阻擋物，所述第二工件的所述配合表面基本上為平面。
2.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于，限制熔融物從工件之間橫向流出的阻擋物是沿第一工件的每個(gè)側(cè)邊緣的基本上矩形的突出部分。
3.如權(quán)利要求2所述的制品，其特征在于，每個(gè)所述突出部分的厚度為第一工件的厚度的約5％至約35％之間，每個(gè)所述突出部分相對于初始配合表面的最低點(diǎn)的高度是熔化區(qū)的尺寸的至少約25％。
4.如權(quán)利要求2所述的制品，其特征在于，a.每個(gè)所述突出部分的厚度為第一工件的厚度的約5％至約35％之間；和b.在焊接前，矩形突出部分的上邊緣之間的一條線和它們之間的材料表面所限定的空間的橫截面面積是第一工件的厚度與熔化區(qū)的尺寸的乘積的至少約15％。
5.如權(quán)利要求2所述的制品，其特征在于，第一工件的配合表面沿其長度具有波狀起伏或波，該波狀起伏的幅度(峰至谷)是小于熔化深度的約800％。
6.如權(quán)利要求3所述的制品，其特征在于，所述第一工件和所述第二工件中的至少一個(gè)包括纖維增強(qiáng)熱塑性塑料。
7.如權(quán)利要求6所述的制品，其特征在于，每個(gè)所述第一和第二熱塑工件包括熱塑聚合物，該熱塑聚合物選自由聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰亞胺、聚氨脂、聚醚、聚烯烴、乙烯基聚合物及其混合物組成的組中。
8.如權(quán)利要求6所述的制品，其特征在于，纖維包括具有比它所加強(qiáng)的熱塑聚合物高至少50℃的熔點(diǎn)的材料。
9.一種振動(dòng)焊接的熱塑制品，它包括a.一第一熱塑工件和一第二熱塑工件，每個(gè)所述第一和第二熱塑工件具有配合表面；b.所述第一熱塑工件的配合表面和所述第二熱塑工件的配合表面在熔化區(qū)連結(jié)；c.在焊接前，所述第一工件的所述配合表面已包括限制熔融物從工件之間橫向流出的阻擋物，且所述第二工件的配合表面基本上為平面；d.限制熔融物從工件之間橫向流出的阻擋物是沿第一工件的每個(gè)側(cè)邊緣的基本上矩形的突出部分；e.每個(gè)所述突出部分的厚度為第一工件的厚度的約5％至約35％；和f.每個(gè)所述突出部分相對于初始的配合表面上的最低點(diǎn)的高度為熔化區(qū)的尺寸的至少約25％。
10.一種振動(dòng)焊接的熱塑制品，它包括a.一第一熱塑工件和一第二熱塑工件，每個(gè)所述第一和第二熱塑工件具有配合表面；b.所述第一熱塑工件的配合表面和所述第二熱塑工件的配合表面在熔化區(qū)連結(jié)；c.在焊接前，所述第一工件的所述配合表面已包括限制熔融物從工件之間橫向流出的阻擋物，且所述第二工件的所述配合表面基本上為平面；d.限制熔融物從工件之間橫向流出的阻擋物是沿第一工件的每個(gè)側(cè)邊緣的基本上矩形的突出部分；e.每個(gè)所述突出部分的厚度為第一工件的厚度的約5％至約35％；和f.在焊接前，矩形突出部分的上邊緣之間的一條線和它們之間的材料表面所限定的空間的橫截面面積是第一工件的厚度與熔化區(qū)的尺寸的乘積的至少約15％。
11.一種將第一熱塑工件摩擦焊接到第二熱塑工件上的方法，該方法的步驟包括a.在壓縮的夾緊壓力下將第一和第二工件壓到一起；b.在平行于其交界面的一個(gè)平面內(nèi)使第一工件相對于第二工件充分運(yùn)動(dòng)，以便摩擦加熱該交界面；c.使第一和第二工件的交界表面熔化以形成熔化區(qū)；d.提供一個(gè)裝置以限制熔融材料從所述交界表面之間的間隙橫向流出；和e.從熔化開始至固化開始在工件之間保持基本深度的熔池。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述限制裝置是沿所述第一工件的每個(gè)側(cè)邊緣的基本上矩形突出部分，所述第二工件的所述配合表面基本上是平的。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，每個(gè)所述突出部分的厚度為第一工件的厚度的約5％至約35％；每個(gè)所述突出部分相對于初始的配合表面上的最低點(diǎn)的高度為熔化區(qū)的尺寸的至少約25％。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，a.每個(gè)所述突出部分的厚度為第一工件的厚度的約5％至約35％之間；和b.在焊接前，矩形突出部分的上邊緣之間的一條線和它們之間的材料表面所限定的空間的橫截面面積是第一工件的厚度與熔化區(qū)的尺寸的乘積的至少約15％。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，第一工件和第二工件之間的相對運(yùn)動(dòng)是線性振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，第一工件和第二工件之間的相對運(yùn)動(dòng)是軌跡運(yùn)動(dòng)。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，第一工件和第二工件之間的相對運(yùn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，每個(gè)所述熱塑工件包括熱塑聚合物，該熱塑聚合物選自由聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰亞胺、聚氨脂、聚醚、聚烯烴、乙烯基聚合物及其混合物組成的組中。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，每個(gè)所述熱塑工件包括聚酰胺。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一和第二工件中的至少一個(gè)包括纖維增強(qiáng)熱塑性塑料。
全文摘要
一種摩擦焊接的填充的熱塑制品，其通過限制熔融材料從工件之間的間隙橫向流出來加強(qiáng)，因此，從熔化開始至固化開始保持了基本深度的熔池。限制材料橫向流出的阻擋物是在其中一個(gè)工件的每個(gè)側(cè)邊緣上的基本上矩形橫截面的障礙物(突出部分)，而另一個(gè)工件具有基本上平的配合表面。
文檔編號B29C65/06GK1434763SQ00819174
公開日2003年8月6日 申請日期2000年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月23日
發(fā)明者V·A·卡甘, C·S·李 申請人:霍尼韋爾國際公司