專利名稱：用于在復(fù)合部件之間形成連接的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將由復(fù)合材料制成的部件連接在一起的方法。這種類型的部件包
括嵌入在由塑性材料制成的基體中的一層或多層纖維。塑性材料的基體可以是熱塑性或熱
固性的；塑性材料的基體的選擇通常由最終產(chǎn)品所需具有的屬性來決定。
背景技術(shù)：
在將由復(fù)合材料制成的兩個部件連接在一起的常規(guī)方式中，部件相靠著被平放。
隨后，熱塑性基體在熱作用下熔化，此后所述部件通過局部熔化在壓力下相互緊固。在這樣
的緊固方式中，通常在一個或兩個部件上形成凸緣，隨后在該凸緣或多個凸緣的位置上形
成連接。實(shí)例包括將具有凸緣的腹板連接在兩個附屬檁條上以形成I形梁。
以這樣的方式在兩個復(fù)合部件之間形成連接不是沒有其缺點(diǎn)的。首先，在復(fù)合部
件中的一個上存在的被用于形成連接的一個或多個凸緣會產(chǎn)生問題。盡管對于平的復(fù)合部
件來說這樣形成凸緣可能很容易，但對于非平的復(fù)合部件，例如用于I形梁的波形腹板來
說使凸緣成形卻變得很難，因為這樣還會使彎折線具有非平形狀。然而，通過相對于不直的
彎折線進(jìn)行彎曲來連接凸緣變得困難，因為與其相關(guān)的變形在凸緣和腹板的平面上產(chǎn)生高
應(yīng)力。另一缺點(diǎn)在于在最終結(jié)構(gòu)中的凸緣不會一直有助于發(fā)揮總體強(qiáng)度和剛度特性。盡管
它們確保了在腹板與檁條之間的所需連接，但這一點(diǎn)不會一直對上述特性做出有效貢獻(xiàn)。 在某些情況下，與這種類型的凸緣連接相關(guān)的額外重量是一個缺陷。這一點(diǎn)在航
空和宇宙飛行應(yīng)用中尤其相關(guān)。通常通過使纖維材料層連續(xù)延伸到凸緣或多個凸緣內(nèi)來形
成凸緣。如果存在特別規(guī)定的最小厚度的凸緣，則相應(yīng)復(fù)合部件的其余部分必須也具有特
定層厚度，出于剛度和強(qiáng)度的原因這一點(diǎn)不總是必須的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種不具有這些缺點(diǎn)的用于將復(fù)合部件連接在一起的
方法。這一目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，即一種將結(jié)構(gòu)部件連接在一起的方法，所述結(jié)構(gòu)部
件由復(fù)合材料制成并相互橫向延伸，例如型材的凸緣和腹板，所述方法包括以下步驟-將結(jié)構(gòu)部件彼此相對應(yīng)地布置在所需位置以形成連接區(qū)域，在所述連接區(qū)域內(nèi)
其中一個結(jié)構(gòu)部件接靠或鄰近另一結(jié)構(gòu)部件，-促使熱塑性材料流到連接區(qū)域，-使結(jié)構(gòu)部件在熱和壓力的作用下熔合在一起。 根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)在兩個復(fù)合部件之間形成連接時省去了采用連接凸緣。相反，使在 熱和壓力作用下熔化后形成完整連接的熱塑性材料流出到達(dá)其中一個復(fù)合部件的鄰接邊 緣與另一復(fù)合部件的直接相對面之間。這樣是可行的，因為連接性能由熱塑性材料決定，沒 有被證明在這一方面是決定因素的纖維層。因此這一發(fā)現(xiàn)可以采用更少的材料形成連接， 也就是無需至今常規(guī)采用的凸緣，這樣滿足了對強(qiáng)度和剛度的要求。 可以流出的熱塑性材料例如來自本身要被連接在一起的部件。在熱的作用下，部件的熱塑性材料以所述熱塑性材料在壓力作用下流入連接區(qū)域的形式變成流體。由于通過 這種方式在連接區(qū)域獲得的熱塑性材料的量有限，因此這種方法的變形尤其適用于承受相 對較輕載荷的結(jié)構(gòu)。另外，或備選地，可以向連接區(qū)域增加額外的熱塑性材料。隨后采用相 對較大的量的熱塑性材料形成連接，所以通過這種方式采用額外的熱塑性材料形成的連接 適用于承受更重載荷的結(jié)構(gòu)。 通過這種方式獲得的連接必須能夠滿足多項要求。在這一方面必須制定強(qiáng)度要求
與剛度要求之間的區(qū)別。如果連接必須能夠承受最大載荷，則第一要求是關(guān)鍵。對于常規(guī)
連接，來自腹板的剪切力在檁條(對于I形梁或T形梁來說)表面的較大寬度上傳遞，該寬
度由凸緣或多個凸緣的寬度決定。對于采用本發(fā)明的方法制成的產(chǎn)品，該寬度相對較小并
被限制在熱塑性材料制成的焊道的寬度內(nèi)。 根據(jù)本發(fā)明的方法尤其可以包括以下步驟-由熱塑性材料制成焊道，-使焊道的寬度從一個結(jié)構(gòu)部件的鄰接前緣起始向著另一結(jié)構(gòu)部件的相對表面增 大。 這種方法尤其適用于連接在樓板托梁(floor joist)上的加強(qiáng)件以及用于腹板上 的環(huán)形加強(qiáng)件。 對于承受較高載荷的結(jié)構(gòu)部件，一個結(jié)構(gòu)部件的前緣還可以被加寬。這樣增大了 腹板與檁條之間的邊界表面積。這一點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)在于，對于其他等同的剪切力，邊界表面上的 剪應(yīng)力保持更低。 特別地，還可以包含實(shí)施以下步驟-使一個結(jié)構(gòu)部件的前緣分裂開以形成封閉出縱向空腔的兩個支腳，
-利用熱塑性材料填充縱向空腔。 縱向空腔中的熱塑性材料優(yōu)選地被填充有例如量達(dá)到60%的纖維。這樣提高了縱
向空腔中的填充材料的穩(wěn)定性，從而形成了更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
還通過以下步驟進(jìn)一步提高穩(wěn)定性-使焊道的寬度從大致一個結(jié)構(gòu)部件的前緣的寬度增大到在另一結(jié)構(gòu)部件的表面 至多為所述寬度的五倍。特別地，可以使焊道寬度增大到一個結(jié)構(gòu)部件的前緣的寬度的至
多三倍。 根據(jù)本發(fā)明的方法的另一可行實(shí)施方式包括以下步驟
-將一個結(jié)構(gòu)部件的前緣布置成接靠另一結(jié)構(gòu)部件，
_使熱塑性材料在連接區(qū)域與兩個結(jié)構(gòu)部件的外側(cè)相連。 因此在該方法中，無需去掉相應(yīng)結(jié)構(gòu)部件的前緣。原始前緣被布置成直接接靠或 幾乎接靠另一結(jié)構(gòu)部件。在該實(shí)施方式中，前緣任一側(cè)的熱塑性材料的焊道確保了力的有 效傳遞。 在連接區(qū)域中采用的熱塑性材料優(yōu)選是PEI、 PEKK或PEEK。 可以在根據(jù)本發(fā)明的方法中采用纖維加強(qiáng)的復(fù)合材料?？梢圆捎枚喾N材料作為纖 維加強(qiáng)；實(shí)例包括金屬加強(qiáng)的復(fù)合材料、或利用PEI、 PEKK或PEEK浸漬的復(fù)合材料。
根據(jù)本發(fā)明的方法可以通過多種方式實(shí)施。根據(jù)優(yōu)選，根據(jù)本發(fā)明的方法包括以 下步驟
-將結(jié)構(gòu)部件布置在模板內(nèi)，-使熱塑性材料在壓力和加熱作用下在模板中熔化。 如上所述，對于承受相對較重的載荷的特定結(jié)構(gòu)來說，可以通過增加熱塑性材料 來獲得結(jié)構(gòu)部件之間的連接。這一點(diǎn)尤其通過引入填充元件形式的熱塑性材料來實(shí)現(xiàn)。填 充元件可以例如通過擠出或壓縮來預(yù)制，并被定位在連接區(qū)域中的所需位置。這一步驟包 括例如將兩個填充元件施加在鄰接結(jié)構(gòu)部件的兩側(cè)。根據(jù)另一選擇，可將一個或多個填充 元件施加在鄰接結(jié)構(gòu)部件的兩側(cè)以及該鄰接結(jié)構(gòu)部件與另一結(jié)構(gòu)部件之間。填充元件可以 包括填充有相對較短加強(qiáng)纖維的熱塑性材料。 為了確保實(shí)現(xiàn)可靠連接，在連接區(qū)域采用與結(jié)構(gòu)部件的復(fù)合材料的熱塑性材料類 似的熱塑性材料。根據(jù)本發(fā)明的方法還包括結(jié)構(gòu)部件在熱和壓力作用下整體熔合。
在這一方案中采用的模板緊密貼合待制造產(chǎn)品的輪廓。包括模板和工件的總組件 放置在壓熱器中，工件封裝在總組件中并包括復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)部件，如果合適還包括填充 元件。在壓熱器中，組件作為整體承受加熱和過度壓力。復(fù)合部件和任何填充元件的熱塑 性材料在這種情況下完全熔化，由此使所述部件全部熔合。 本發(fā)明還涉及采用如上所述的方法制造的結(jié)構(gòu)件。該結(jié)構(gòu)件包括至少兩個結(jié)構(gòu)部 件，它們以一個結(jié)構(gòu)部件的前緣接靠或鄰近另一結(jié)構(gòu)部件表面的方式相互橫向定向以形成 連接區(qū)域，還形成由熱塑性材料制成并位于連接區(qū)域中的連接。該連接可以是T形型材、I 形型材等。


下文參照附圖中示出的幾個示例性實(shí)施方式詳細(xì)描述本發(fā)明，圖中 圖1是根據(jù)本發(fā)明的I形梁的側(cè)視圖； 圖2是沿圖1中的線II-II截取的剖視圖； 圖3表示結(jié)構(gòu)部件之間的前端連接的變形； 圖4-8表示其他變形； 圖9表示與根據(jù)圖4的變形相關(guān)的模板； 圖10表示與根據(jù)圖8的變形相關(guān)的模板； 圖11表示與根據(jù)圖7b的變形相關(guān)的模板；以及 圖12表示與根據(jù)圖7a的變形相關(guān)的模板。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的圖1和2所示的I形梁包括腹板1、上檁條2和下檁條3、這些檁條 2，3通過焊道4連接在一起。在所示的示例性實(shí)施方式中，這些焊道4從腹板1的前緣5向 上延伸到檁條2，3的面對所述前緣的表面6。在由此確定的連接區(qū)域10中，焊道的寬度從 腹板1的厚度增大到在檁條2，3的表面6的位置處為所述厚度的三到五倍。這樣提供了與 檁條2，3的良好連接，這種連接具有相對較低的剪應(yīng)力。這樣的改變是根據(jù)本發(fā)明的方法 的實(shí)施方式所特有的，其中由于熱塑性材料流出腹板和檁條，因此在焊道中得到相對少量 的熱塑性材料。鑒于由此獲得的連接區(qū)域較窄，這種類型的結(jié)構(gòu)尤其適用于相對較輕的載 荷。
還可以應(yīng)用根據(jù)圖3的變形。在這種情況下，腹板1的前緣5被去除以形成封閉 出縱向空腔8的兩個支腳7。該縱向空腔填充有流出的熱塑性材料。這樣在連接區(qū)域10中 在腹板1的前緣5與檁條2的表面6之間可以獲得相對較大的連接表面積。腹板1經(jīng)由其 分開的支腳7到檁條2的連續(xù)無阻礙確保了實(shí)現(xiàn)堅固的剛性連接。由前緣5寬的屬性在與 檁條連接的位置形成的低剪應(yīng)力還防止了熱塑性材料的過度載荷。 根據(jù)圖4的變形表示腹板1的前緣5未得到加寬的I形梁。腹板1以其前緣5幾
乎或完全壓靠在檁條2的表面6上的方式垂直于檁條2延伸。通過增加額外的熱塑性材料
(參見下文和圖9)獲得的焊道9應(yīng)用在由此形成的連接區(qū)域10的任一側(cè)。這樣使焊道9
具有相對較大的橫截面，所以這種連接尤其適用于承受相對較重載荷的結(jié)構(gòu)。 圖5表示與圖4相對應(yīng)的連接，盡管如此在這種情況下沒有增加任何額外的熱塑
性材料。因此，焊道11被認(rèn)為小于根據(jù)圖4的變形的焊道。畢竟，因為檁條1和凸緣2本
身的熱塑性材料的流出獲得焊道11 ，所以這種連接尤其適用于相對較輕的載荷。 根據(jù)圖6a和6b的變形涉及一種托梁，其腹板1具有通過圓柱形凸緣12加固的開
口 13。圓柱形凸緣12通過焊道11被緊固在腹板1上，焊道11也可以僅通過腹板1和圓柱
形凸緣12的熱塑性材料的流出來獲得。另外，還可以增加額外的熱塑性材料以獲得更厚的
焊道并由此獲得能夠承受更重載荷的連接。 根據(jù)圖7a和7b的變形涉及一種硬化板，其具有加強(qiáng)件15緊固在其上的殼板14。 由于這種殼板14是承受相對較高載荷的結(jié)構(gòu)部件，因此通過增加額外的熱塑性材料(參見 下文和圖11,12)獲得焊道9。 圖8表示I形梁的變形，其凸緣2， 3以與根據(jù)圖4的變形不同的方式得到緊固。此 時在腹板1和上、下檁條2，3的上側(cè)和下側(cè)的前緣5之間存在空間，其中填充有熱塑性材料 23。該熱塑性材料23與位于前緣任一側(cè)的焊道9構(gòu)成單個整體。 圖9表示借助于模板25制造根據(jù)圖4的I形梁的方式。模板25包括上和下模板 板體16， 17以及左手和右手模板板型19， 18。這些模板板體和模板板型封閉成具有根據(jù)圖 4的最終I形梁的輪廓的模腔24。如圖所示，模腔24容納下檁條3、腹板1和上檁條2。以 它們緊密貼合模板板型19， 18以及檁條2， 3和腹板1的輪廓的方式被擠出或壓縮的填充元 件20也容納在檁條2，3與腹板1之間的拐角位置。 包括模板25、檁條2， 3J復(fù)板1和填充元件20的總組件布置在壓熱器內(nèi)并承受加 熱和壓力。這樣促使檁條2，3、腹板1和填充元件20的熱塑性材料熔化。所述部件的熱塑 性材料以冷卻之后獲得根據(jù)圖4的最終I形梁的方式混合。 圖10也表示模板25，但其被用于根據(jù)圖8的I形梁的制造。該I形梁制造中的過 程大體上與圖4和9相一致。然而在這種情況下，包括在根據(jù)圖8的變形中采用的填充元 件20以及橋22的填充元件21連接在腹板1的上和下前緣5的位置上。這些填充元件20 和橋22在頂部和底部形成例如可以通過擠出或壓縮方式而獲得的單個整體結(jié)構(gòu)。腹板1 的上和下前緣5由此與上和下檁條2，3的相對表面分離。因此在模板25承受過度壓力和 受熱時獲得根據(jù)圖8的I形梁，如圖IO所示。 圖11和12表示模板26，其包括用于制造根據(jù)圖7a， b的硬化板的模腔27。該模 板26包括上模板板體28和下模板板體29以及模板板型30。殼板14以及包括填充元件 20的加強(qiáng)件15容納在每兩個模板板型30、模板板體28與模板板體29之間。由此在通過壓熱器中提供的加熱和壓力的作用下獲得根據(jù)圖7a， b的硬化板。 上述連接可以用在所有類型的結(jié)構(gòu)件中，尤其是在航天和宇宙飛行中采用的桁架。這種應(yīng)用的實(shí)例包括在駕駛艙底板上采用的支承梁。附圖標(biāo)記列表1.腹板2.檁條3.檁條4.焊道5.腹板前緣6.檁條表面7.腹板支腳8.腹板中的縱向空腔9.焊道10.連接區(qū)域11.焊道12.圓柱形凸緣13.腹板上的開口14.殼板15.加強(qiáng)件16， 17.模板板體18，19模板板型20.填充元件 21.填充元件22.橋23.熱塑性材料填充24，27模腔25，26模板28，29模板板體30.模板板型。
權(quán)利要求
一種將結(jié)構(gòu)部件(1，2，3)連接在一起的方法，所述結(jié)構(gòu)部件由復(fù)合材料制成并相互橫向延伸，所述結(jié)構(gòu)部件例如為型材的凸緣(2，3)和腹板(1)，所述方法包括以下步驟-將結(jié)構(gòu)部件(1，2，3)相對于彼此布置在所需位置以形成連接區(qū)域(10)，在所述連接區(qū)域中，其中一個結(jié)構(gòu)部件(1)接靠或鄰近另一結(jié)構(gòu)部件(2，3)，-促使熱塑性材料流出到連接區(qū)域(10)中，-使結(jié)構(gòu)部件(1，2，3)在熱和壓力的作用下熔合在一起。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步驟 -形成由熱塑性材料構(gòu)成的焊道(4，9，11)，-使焊道(4，9，11)的寬度從所述一個結(jié)構(gòu)部件(1)前緣(5)起始向著相對結(jié)構(gòu)部件 (2， 3)的相對表面(6)增大，所述前緣以一定距離鄰接靠近該相對結(jié)構(gòu) 部件。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括以下步驟 -使所述一個結(jié)構(gòu)部件(1)的前緣(5)加寬。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，包括以下步驟-使所述一個結(jié)構(gòu)部件(1)的前緣(5)分裂開以形成封閉出縱向空腔(8)的兩個支腳(7)，-利用熱塑性材料(4)填充縱向空腔(8)。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，包括以下步驟 -利用纖維將熱塑性材料(4)填充在連接區(qū)域中。
6. 如權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，包括以下步驟 -將所述一個結(jié)構(gòu)部件(1)的兩個支腳(7)布置成接靠另一結(jié)構(gòu)部件(2， 3)。
7. 如權(quán)利要求2-6中的一項所述的方法，包括以下步驟-使焊道(4， 7)的寬度從大致所述一個結(jié)構(gòu)部件(1)的前緣(5)的寬度增大到在另一 結(jié)構(gòu)部件(2， 3)的表面(6)處為至多所述寬度的五倍。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，包括以下步驟-使焊道(4， 7)的寬度增大到所述一個結(jié)構(gòu)部件(1)的前緣(5)的寬度的至多三倍。
9. 如在前權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，包括以下步驟 -將所述一個結(jié)構(gòu)部件(1)的前緣(5)布置成接靠另一結(jié)構(gòu)部件(2， 3)， -在連接區(qū)域(10)向兩個結(jié)構(gòu)部件(1，2，3)的外側(cè)施加熱塑性材料(7)。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，包括以下步驟 -在所述一個結(jié)構(gòu)部件的前緣的任一側(cè)施加熱塑性材料。
11. 如在前權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，包括采用PEI、PEKK或PEEK作 為連接區(qū)域(10)中的熱塑性材料。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，采用填充有纖維，例如碳纖維或玻璃纖維 的熱塑性材料。
13. 如在前權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，包括采用纖維加強(qiáng)的復(fù)合材料。
14. 如在前權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，包括采用利用金屬加強(qiáng)的復(fù)合 材料。
15. 如在前權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，包括采用浸漬PEI、 PEKK或PEEK的復(fù)合材料。
16. 如在前權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，包括在連接區(qū)域增加與結(jié)構(gòu)部 件(1，2，3)的復(fù)合材料的熱塑性材料類似的額外的熱塑性材料。
17. 如在前權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，包括在熱和壓力的作用下使結(jié) 構(gòu)部件(1，2，3)整體熔合。
18. 如在前權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，包括以下步驟 -在連接區(qū)域(10)施加額外的熱塑性材料(20,21)。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，包括以下步驟 -施加至少一個填充元件(20， 21)形式的熱塑性材料。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，包括以下步驟 -在鄰接的結(jié)構(gòu)部件(1)的任一側(cè)施加填充元件(20)。
21. 如權(quán)利要求19或20所述的方法，其特征在于，包括在鄰接的結(jié)構(gòu)部件(1)的任一 側(cè)以及在該鄰接的結(jié)構(gòu)部件(1)與另一結(jié)構(gòu)部件(2， 3)之間施加一個或多個填充元件(20， 21)。
22. 如在前權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，包括以下步驟 -將由復(fù)合材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)部件(1-3)組成的工件布置在模板(25，26)內(nèi)， -將模板(25， 26)和工件放置在過度壓力和升高的溫度下，_促使工件的熱塑性材料完全熔化。
23. 采用權(quán)利要求1-17中任一項所述的方法制造的結(jié)構(gòu)件，包括至少兩個結(jié)構(gòu)部件 (1，2，3)，它們以其中一個結(jié)構(gòu)部件(1)的前緣(5)接靠或鄰近另一結(jié)構(gòu)部件(2，3)的表面 (6)的方式相互橫向定向以形成連接區(qū)域(IO)，還形成位于該連接區(qū)域內(nèi)的連接，所述連 接包括熱塑性材料。
24. 如權(quán)利要求23所述的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，所述連接位于所述一個結(jié)構(gòu)部件(1)的 前緣(5)與另一結(jié)構(gòu)部件(2， 3)的表面(6)之間。
25. 如權(quán)利要求23或24所述的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，所述連接位于鄰接的結(jié)構(gòu)部件 (1)的任一側(cè)以及另一結(jié)構(gòu)部件(2，3)的面對該鄰接的結(jié)構(gòu)部件(1)的那一側(cè)。
26. 如權(quán)利要求23-25中任一項所述的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，其被構(gòu)造成T形型材。
27. 如權(quán)利要求23-25中任一項所述的結(jié)構(gòu)件，其特征在于，其被構(gòu)造成I形型材。
28. —種在權(quán)利要求19-21中任一項所述的方法中采用的填充元件(20，21)。
29. 如權(quán)利要求28所述的填充元件(21)，其特征在于，包括兩個相對較厚的半體(20)， 還包括將半體連接在一起的相對較薄的橋(22)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種將結(jié)構(gòu)部件連接在一起的方法，所述結(jié)構(gòu)部件由復(fù)合材料制成并相互橫向延伸，例如型材的凸緣和腹板，所述方法包括以下步驟將結(jié)構(gòu)部件彼此相對應(yīng)地布置在所需位置以形成連接區(qū)域，在所述連接區(qū)域，其中一個結(jié)構(gòu)部件接靠或鄰近另一結(jié)構(gòu)部件；促使熱塑性材料流到連接區(qū)域中；使結(jié)構(gòu)部件在熱和壓力的作用下熔合在一起。
文檔編號B29L31/10GK101702890SQ200880018528
公開日2010年5月5日 申請日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月3日
發(fā)明者H·范克隆嫩博格, J·M·J·特尼桑, J·利斯特, R·克呂托夫 申請人:斯托克·?？薃esp公司