本發(fā)明涉及聚合物復合材料的焊接的制造工藝。更具體地，本發(fā)明提供了一種用于通過紅外焊接來焊接聚合物的解決方案。

背景技術：

1、紅外焊接是一種充分用于將塑料材料粘合在一起的技術。其包括將兩個工件放置在保持器中(如在鍛模中)，并且在用紅外光照射工件的適當部分之后，在兩個工件之間施加力以將它們結合在一起。

2、圖1示出了這種技術。系統(tǒng)1包括下部工具2和上部工具4，上部工具4可垂直地(方向z)移動。包括一系列紅外燈6'的加熱組件6可橫向(沿著x)移動，與屏蔽件(screen)8一起防止來自燈6'的輻射到達待接合在一起的整個工件10和12。

3、圖1示出了紅外焊接的四個主要步驟：在步驟(a)中，燈被接通并開始輻射；在步驟(b)中，工件10、12的部分10.1、12.1開始熔化或解體(并且因此寬度增加)；在步驟(c)中，使加熱燈和屏蔽件縮回，并且在步驟(d)中，使工具2、4朝向彼此移動以施加焊接壓力。

4、在已知技術中，加熱裝置的縮回和隨后的焊接壓力的施加花費約3至5秒。這對應于操作氣動或液壓致動器以縮回加熱裝置所需的不可壓縮時間、傳感器檢測加熱裝置的完全縮回和plc確認加熱裝置縮回的時間、以及上部工具開始其垂直下降的時間。

5、然而，這種已知技術不適用于具有高導熱性的材料的焊接操作。例如，碳纖維增強熱塑性塑料(cfrtp)具有比一些其他聚合物的熱導率高5至10倍的熱導率(在纖維方向上為4-7w.m-1.k-1，在橫向方向上為0.5-1w.m-1.k-1)。整個工件的溫度變化可顯著影響最終產(chǎn)品的結構(孔隙率、結晶速率)。由于其高導熱性，在350℃下加熱的cfrtp材料每秒損失30至80℃。這意味著為了確保cfrtp的溫度在兩個工件接觸的時刻(即加熱停止后3至5秒)是合適的，cfrtp理論上應在450℃以上過熱。

6、然而，對cfrtp材料來說過熱并不合適，因為材料會降解并可能交聯(lián)，從而阻止它們此后可焊接。

7、因此，需要提供一種用于通過紅外輻射焊接cfrtp的焊接系統(tǒng)和方法。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在提供一種系統(tǒng)和方法，其克服了上述缺點，并且最終能夠通過紅外輻射適當?shù)亟Y合兩個cfrtp工件，具有高質量的結合。

2、本發(fā)明涉及一種用于將由碳纖維增強熱塑性聚合物cfrtp制成的第一工件紅外焊接到由cfrtp制成的第二工件的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：上部工具，用于保持第一工件，其中上部工具可在垂直方向上移動；下部工具，所述下部工具用于保持所述第二工件；加熱組件，所述加熱組件包括紅外加熱裝置并且構造成在操作位置與擱置位置之間沿橫向方向移動，在所述操作位置，所述加熱裝置能夠同時加熱所述第一工件和所述第二工件的相應部分；以及被構造成用于同步地移動上部工具和加熱組件的機構，該機構包括：機械連接件，其將上部工具連接到加熱組件；以及直接作用在上部工具或加熱組件中的一個上的致動器，而上部工具或加熱組件中的另一個經(jīng)由機械連接件移動。

3、利用這種系統(tǒng)，加熱結束和兩個工件彼此接觸的時刻之間的時間基本上減少到約1.5秒，因此比已知系統(tǒng)快一半到三倍。

4、根據(jù)有利的實施例，該系統(tǒng)還包括彈簧，以將下部工具以垂直可移動的方式支撐在垂直固定的支撐件上。這些彈簧能夠控制施加在兩個工件之間的最大壓力。

5、根據(jù)有利的實施例，該系統(tǒng)包括用于中斷上部工具的向下移動的止動件。該止動件能夠控制最終產(chǎn)品的幾何形狀。

6、根據(jù)有利實施例，系統(tǒng)包括用于對加熱組件的運動進行阻尼的阻尼器。

7、根據(jù)有利的實施方式，機械連接是桿，該桿形成與上部工具的樞轉連接以及與加熱組件的樞轉連接。還可以預見替代連接，例如鏈條和滑輪組件、具有接合在軌道中的滾輪的剪式桿等。

8、本發(fā)明還涉及一種用于將由碳纖維增強熱塑性聚合物(cfrtp制成的第一工件紅外焊接到由cfrtp制成的第二工件的方法，該方法利用根據(jù)上述實施例的系統(tǒng)執(zhí)行，該方法包括：利用紅外加熱組件加熱第一工件和第二工件的相應部分；使所述加熱組件的橫向移動和上部工具的向下移動同步進行。

9、根據(jù)有利的實施例，該系統(tǒng)還包括彈簧，該彈簧用于以垂直可移動的方式支撐下部工具，使得由上部工具的向下移動產(chǎn)生的兩個工件之間的焊接壓力受到彈簧的限制。

10、根據(jù)有利的實施例，該系統(tǒng)包括止動件，并且當上部工具在其向下運動期間接觸止動件時，加熱組件和上部工具的移動同時停止。

11、根據(jù)有利的實施方案，該系統(tǒng)包括阻尼器，并且加熱組件和上部工具的運動被阻尼器阻尼。

12、本發(fā)明的益處

13、本發(fā)明的幾個方面在不同程度上確保能夠通過紅外焊接獲得高質量(航空質量標準)的碳纖維增強產(chǎn)品。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法還允許獲得各種厚度(甚至超過12mm厚)的堅固產(chǎn)品。

14、該系統(tǒng)能夠將加熱步驟結束和開始施加焊接壓力之間的時間間隔減少到約1.5秒。這使得該過程更快，但更重要的是，該持續(xù)時間大大提高了最終產(chǎn)品的質量，因為不需要使cfrtp材料過熱，并且確保了更好質量的焊接接頭。

15、該系統(tǒng)也是可靠且成本有效的，并且控制更簡單，因為它僅需要命令一個致動器。

16、關于下面的附圖的討論，進一步的益處可以是易于理解的。

技術特征：

1.一種用于將由碳纖維增強熱塑性聚合物cfrtp制成的第一工件(10)紅外焊接到由cfrtp制成的第二工件(12)的系統(tǒng)(1)，所述系統(tǒng)包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)(1)，其特征在于，所述系統(tǒng)(1)還包括彈簧(16)，以將所述下部工具(2)以垂直可移動的方式支撐在垂直固定的支撐件(17)上。

3.根據(jù)權利要求1或2所述的系統(tǒng)(1)，其特征在于，所述系統(tǒng)(1)包括用于中斷所述上部工具(4)的向下運動的止動件(18)。

4.根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的系統(tǒng)(1)，其特征在于，所述系統(tǒng)(1)包括用于對所述加熱組件(6)的運動進行阻尼的阻尼器(20)。

5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的系統(tǒng)(1)，其特征在于，所述機械連接件(14)是與所述上部工具(4)形成樞轉連接(14.1)以及與所述加熱組件(6)形成樞轉連接(14.2)的桿。

6.一種用于將由碳纖維增強熱塑性聚合物cfrtp制成的第一工件(10)紅外焊接到由cfrtp制成的第二工件(12)的方法，所述方法利用根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的系統(tǒng)(1)來執(zhí)行，所述方法包括：

7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)(1)還包括彈簧(16)，所述彈簧(16)用于以垂直可移動的方式支撐所述下部工具(2)，使得由所述上部工具(4)的向下移動產(chǎn)生的所述兩個工件(10、12)之間的焊接壓力受到所述彈簧(16)的限制。

8.根據(jù)權利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)(1)包括止動件(18)，并且當所述上部工具(4)在其向下運動期間接觸所述止動件(18)時，所述加熱組件(6)和所述上部工具(4)的移動同時停止。

9.根據(jù)權利要求6至8中的任一項所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)包括阻尼器(20)，并且所述加熱組件(6)和所述上部工具(4)的運動被所述阻尼器(20)阻尼。

技術總結
公開了一種用于兩個碳纖維增強熱塑性工件的紅外焊接的系統(tǒng)(1)和方法，其能夠獲得更好質量和強度的工件。系統(tǒng)(1)移除加熱裝置并且更快地接合兩個工件之間的接觸。

技術研發(fā)人員：H·佩林,L·博爾基尼,S·克萊因
受保護的技術使用者：盧森堡科學技術研究院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9