本發(fā)明涉及聚合物復(fù)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(guò)紅外焊接來(lái)焊接聚合物的解決方案。

背景技術(shù)：

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(shù)。其包括將兩個(gè)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(dāng)部分之后，在兩個(gè)工件之間施加力以將它們結(jié)合在一起。

2、圖1示出了這種技術(shù)。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(dòng)。包括一系列紅外燈6'的加熱組件6可橫向(沿著x)移動(dòng)，與屏蔽件(screen)8一起防止來(lái)自燈6'的輻射到達(dá)待接合在一起的整個(gè)工件10和12。

3、圖1示出了紅外焊接的四個(gè)主要步驟：在步驟(a)中，燈被接通并開(kāi)始輻射；在步驟(b)中，工件10、12的部分10.1、12.1開(kāi)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(dòng)以施加焊接壓力。

4、在已知技術(shù)中，加熱裝置的縮回和隨后的焊接壓力的施加花費(fèi)約3至5秒。這對(duì)應(yīng)于操作氣動(dòng)或液壓致動(dòng)器以縮回加熱裝置所需的不可壓縮時(shí)間、傳感器檢測(cè)加熱裝置的完全縮回和plc確認(rèn)加熱裝置縮回的時(shí)間、以及上部工具開(kāi)始其垂直下降的時(shí)間。

5、然而，這種已知技術(shù)不適用于具有高導(dǎo)熱性的材料的焊接操作。例如，碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料(cfrtp)具有比一些其他聚合物的熱導(dǎo)率高5至10倍的熱導(dǎo)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(gè)工件的溫度變化可顯著影響最終產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)(孔隙率、結(jié)晶速率)。由于其高導(dǎo)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(gè)工件接觸的時(shí)刻(即加熱停止后3至5秒)是合適的，cfrtp理論上應(yīng)在450℃以上過(guò)熱。

6、然而，對(duì)cfrtp材料來(lái)說(shuō)過(guò)熱并不合適，因?yàn)椴牧蠒?huì)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(guò)紅外輻射焊接cfrtp的焊接系統(tǒng)和方法。

技術(shù)實(shí)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(diǎn)，并且最終能夠通過(guò)紅外輻射適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合兩個(gè)cfrtp工件，具有高質(zhì)量的結(jié)合。

2、本發(fā)明涉及一種用于將由碳纖維增強(qiáng)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(dòng)；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(gòu)造成在操作位置與擱置位置之間沿橫向方向移動(dòng)，在所述操作位置，所述加熱裝置能夠同時(shí)加熱所述第一工件和所述第二工件的相應(yīng)部分；以及被構(gòu)造成用于同步地移動(dòng)上部工具和加熱組件的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)包括：機(jī)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(gè)上的致動(dòng)器，而上部工具或加熱組件中的另一個(gè)經(jīng)由機(jī)械連接件移動(dòng)。

3、利用這種系統(tǒng)，加熱結(jié)束和兩個(gè)工件彼此接觸的時(shí)刻之間的時(shí)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(shí)施例，該系統(tǒng)還包括彈簧，以將下部工具以垂直可移動(dòng)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(gè)工件之間的最大壓力。

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

6、根據(jù)有利實(shí)施例，系統(tǒng)包括用于對(duì)加熱組件的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行阻尼的阻尼器。

7、根據(jù)有利的實(shí)施方式，機(jī)械連接是桿，該桿形成與上部工具的樞轉(zhuǎn)連接以及與加熱組件的樞轉(zhuǎn)連接。還可以預(yù)見(jiàn)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(qiáng)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(shí)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(yīng)部分；使所述加熱組件的橫向移動(dòng)和上部工具的向下移動(dòng)同步進(jìn)行。

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

10、根據(jù)有利的實(shí)施例，該系統(tǒng)包括止動(dòng)件，并且當(dāng)上部工具在其向下運(yùn)動(dòng)期間接觸止動(dòng)件時(shí)，加熱組件和上部工具的移動(dòng)同時(shí)停止。

11、根據(jù)有利的實(shí)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(yùn)動(dòng)被阻尼器阻尼。

12、本發(fā)明的益處

13、本發(fā)明的幾個(gè)方面在不同程度上確保能夠通過(guò)紅外焊接獲得高質(zhì)量(航空質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn))的碳纖維增強(qiáng)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(guò)12mm厚)的堅(jiān)固產(chǎn)品。

14、該系統(tǒng)能夠?qū)⒓訜岵襟E結(jié)束和開(kāi)始施加焊接壓力之間的時(shí)間間隔減少到約1.5秒。這使得該過(guò)程更快，但更重要的是，該持續(xù)時(shí)間大大提高了最終產(chǎn)品的質(zhì)量，因?yàn)椴恍枰筩frtp材料過(guò)熱，并且確保了更好質(zhì)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(jiǎn)單，因?yàn)樗鼉H需要命令一個(gè)致動(dòng)器。

16、關(guān)于下面的附圖的討論，進(jìn)一步的益處可以是易于理解的。

技術(shù)特征：

1.一種用于將由碳纖維增強(qiáng)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(quán)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(dòng)的方式支撐在垂直固定的支撐件(17)上。

3.根據(jù)權(quán)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(yùn)動(dòng)的止動(dòng)件(18)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)(1)，其特征在于，所述系統(tǒng)(1)包括用于對(duì)所述加熱組件(6)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行阻尼的阻尼器(20)。

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

6.一種用于將由碳纖維增強(qiáng)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(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)(1)來(lái)執(zhí)行，所述方法包括：

7.根據(jù)權(quán)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(dòng)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(dòng)產(chǎn)生的所述兩個(gè)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(quán)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(dòng)件(18)，并且當(dāng)所述上部工具(4)在其向下運(yùn)動(dòng)期間接觸所述止動(dòng)件(18)時(shí)，所述加熱組件(6)和所述上部工具(4)的移動(dòng)同時(shí)停止。

9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中的任一項(xiàng)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(yùn)動(dòng)被所述阻尼器(20)阻尼。

技術(shù)總結(jié)
公開(kāi)了一種用于兩個(gè)碳纖維增強(qiáng)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(zhì)量和強(qiáng)度的工件。系統(tǒng)(1)移除加熱裝置并且更快地接合兩個(gè)工件之間的接觸。

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