[发明专利]用于连接聚合体复合材料的设备和方法

说明书

技术领域

本公开通常涉及连接聚合体复合材料，以及更确切地指，使用涉及应用摩擦与超声波能量至被连接的工件的混合连接技术以连接复合材料的设备和方法。根据本技术的实施例，摩擦和超声波的操作能够以任何次序以及有时同时地被实施。

背景技术

在汽车制造业中，聚合体复合材料由于其有利的特性正在被越来越广泛地使用，包括轻质的，高度一致的或可成形的，坚固的以及耐用的特性。一些复合材料进一步是可着色的以及能够被表面加工为具有大多数任意需要的构造。

在汽车中增多的使用包括，例如在仪表和门面板、灯、空气管道、方向盘、车内装饰、车箱或其它的车辆储藏箱、车内装饰、外部件以及甚至发动机组件。关于发动机组件和其它的发动机罩（或UTH）应用，例如聚合体被构造和被持续发展成能够经受热和/或化学侵蚀的环境。关于例如挡泥板的外部件，聚合体被发展使得其在更长的时间周期内具有线上涂覆性能和高热的和化学的抵抗力。以及在汽车应用中许多其它潜在的使用正在不断地被考虑到。

由于此趋势，寻找有效地以及高效地连接聚合体组件的方式变得越来越重要。压缩模塑法以及后模制连接技术（例如超声波焊接）正被更常见地使用。

传统的技术具有多个缺点。参照附图以及更确切地指第一个附图，图1示意性地显示了包括焊接焊头102和两个工件104、106在焊接之前的常规的超声波焊接布置100。

在示出的步骤中，如向下的箭头所示，焊头102被降低朝向接触两个工件的顶部工件104。一旦与工件104接触，与焊头连接的超声波发生器激发高频超声振动，该振动经过焊头被传至工件。如图2中所示，在界面处热量被产生，并且工件104开始熔化200。

图3显示布置100在工件的熔融材料已经充分被熔化之后，在接头300处连接工件104、106。

该技术具有的缺点包括在最接近的工件104的顶部表面上不希望的过量的或溢出的工件材料302的形成。过量材料至少部分地产生，是因为工件材料在其熔化时膨胀。

处理此情形的一个选择是来从目前焊接的工件布置移除过量材料302。此清除当然是耗费时间的，浪费在生产工艺中的关键性的循环时间。此选择的另一个缺点在于实施此清除的能量，例如人力或机械设备的资源。

此清除也能够显著增加其它的成本，例如切削机械的购买、定制（编程等）以及维护的成本，例如基于刀片或基于光的切削工具。

更多的挑战产生，无论在过量处已经冷却之前或之后清除过量处302。不管过量处是否通过冷却已经硬化，需要采取特殊的照料以保证材料302被移除而不非期望地影响正冷却的或已经冷却的材料的平衡。扰乱正在冷却的或已经冷却的材料的表面部分能够影响产生的部件的表面的质量。也预期到过量处302的粗糙的移除，例如通过在硬化后的削除，能够扰乱连接300的完整性。

另外的可供选择的办法在于使用超高能量的超声波能量。当更多的超声波的能量被使用时，顶部的工件以及最后底部的工件，熔化更快，以及因此所需的接头300被更快地形成。通过此方式，更少的随附的、侧面的工件材料被熔化，以及因此更少的过量材料被形成。但是此方法也是成本高昂的。而且过量材料仍能够形成。

还有的另外的可供选择的办法是常规的机械固定。工件能够例如被螺丝拧在一起，或者通过螺母和螺栓被连接。这些连接具有的缺点包括不必要的增加的重量，紧固件的不雅观的暴露部分以及可能的不那么坚固的接头。

发明内容

本技术涉及包括混合连接技术，其使用包括施加摩擦和超声波能量至被连接的工件的混合连接技术来连接复合材料。根据本技术的实施例，摩擦和超声波操作能够以任何次序或者有时同时被实施。其结果是全面的和坚固的焊接，尤其是与常规技术相比较时。

例如在一个实施例中，该技术包括以促进该工件与另一个工件的随后的有效的和整洁的超声波焊接方式机械地使工件成型。在预期的实施例中，超声波能量的应用不是完全紧随着摩擦的应用之后，因为超声波能量应用能够在摩擦产生被完成之前开始。摩擦诱导的工件熔化能够与超声波诱导的工件熔化同时发生。在任一情形中，这些方法的每一个可以被称作摩擦辅助的超声波焊接。此外，其结果是全面的和坚固的焊接，尤其当与常规的技术相比较时。

在一些实施例中机械的调整熔化和/或移除一些工件材料，促进随后的超声波诱导的工件的熔化。