CN100532095C - 超声波处理层叠件的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于超声波使复合层叠件(105)体积缩小的方法，包括下述步骤：限定跨过所述层叠件的路径(115)，所述路径具有开始位置和结束位置；沿着所述路径向所述层叠件施加力(109)并且将超声波振动(111)传送入所述层叠件，在开始位置开始，在结束位置终止。该方法还包括确定所述层叠件与所述路径邻近的表面(103、123)的温度并且根据所述层叠件的表面的确定温度改变超声波振动的幅值、所施加的力、沿着所述路径施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个。

Description

超声波处理层叠件的设备和方法

技术领域

本发明涉及对层叠件进行超声波处理。尤其，本发明涉及对层叠件进行超声波缩小(debulk)或焊接的设备和方法。

背景技术

层叠材料广泛地用作许多领域中，诸如航空航天领域。层叠材料包括聚合物复合层叠件，诸如热塑性和热固性复合层叠材料，以及金属层叠材料。这种热固性复合材料许多情况下应用在结构中，其中，材料的质量是关键因素。例如，在硬化或凝固之前希望消除截留在未硬化复合层叠件中的空气。

一般地，制造聚合物复合材料需要将聚合树脂注入围绕多个纤维的体积中，形成设置在树脂基体中的纤维层或层片(ply)。通常，先完成注入过程，然后将多个层或层片组装或“层叠”为组件或者“叠层(layup)”，随后再进行加热或“硬化”以形成产品。

注入过程关键在于控制截留在叠层中的空气以及注入材料的未硬化厚度。不完整的注入通常导致空气截留在复合材料中。空气也可在层叠过程期间截留在复合材料层或层片之间。这种截留空气导致未硬化部件的体积大于硬化部件的体积。截留在一个部件中的空气的体积公知为“大块体积(bulk)”。过大的体积通常导致在硬化复合部件中产生“波浪丝(marcels)”和/或空隙。波浪丝是在处理和/或硬化期间因为纤维被制造过程的过大、不平衡力推动而变成波浪形状的纤维。

在室温下或者在热和真空作用下的体积缩小或者“缩小(debulking)”是在部件层叠期间用于控制由巨大的体积导致的质量异常的传统方法。传统地，体积缩小循环包括手工劳动，用于将部件抽成真空，将该部件加热到体积缩小温度并且从体积缩小温度冷却该部件，并且打开(unbag)该部件。这种体积缩小循环可能需要高达八至更多的小时来完成。而且，体积缩小温度必须进行仔细地选择，从而使得复合材料在体积减小过程中不会被明显地提前或分阶段(stage)进行。较厚的复合部件通常需要多次体积减小的循环，这样明显增加的整个部件循环时间和成本。

一种减少将复合叠层的体积减小所需的时间的方法是将超声波振动应用至层叠件。采用这种方法，超声波焊头(horn)与层叠的聚合物复合材料层或层片的上表面接合。超声波焊头启动以在层片中产生环状变形，从而加热该层片，减小树脂的粘性并且增强纤维与树脂的湿度。振动焊头沿着叠层的上表面移动从而固化各层或层片。而且，超声波振动有助于所截留的气体聚合并且形成较大的气泡，这些气泡更易于在振动超声波焊头的“扫动”移动下被推出。但是，传统的超声波体积减小技术可导致复合材料叠层的过度加热。这种过度加热通常导致热固性树脂部件的无益实质交联(即，硬化)。而且，这种过度加热会导致树脂和/或聚合物复合材料降解。这种缺陷可能导致硬化热固性复合部件的降解，造成部件的机械属性降低。

层叠材料的层或层片可超声波焊接至邻近的层或层片。在这种层叠材料中，大部分的设计需要邻近的层或层片跨过整个邻近表面进行焊接。但是，传统的超声波焊接过程无法补偿过程中的变化，而过程中的变化可能导致焊接的层叠件出现亚标准的质量。

虽然存在多种公知程序能够超声波处理层叠材料，但是仍然存在大量的改善余地。

发明内容

需要一种用于超声波处理层叠件的改善的设备和方法。

因此，本发明的目的是提供一种用于超声波处理层叠件的改善的设备和方法。

在本发明的一个方面，提供一种用于超声波处理层叠件的方法。该方法包括下述步骤：限定跨过所述层叠件的路径，所述路径具有开始位置和结束位置；沿着所述路径向所述层叠件施加力并且将超声波振动传送入所述层叠件，在开始位置开始，在结束位置终止。该方法还包括确定所述层叠件与所述路径邻近的表面的温度；以及根据所述层叠件的表面的确定温度改变超声波振动的幅值、所施加的力、沿着所述路径施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个。

在本发明的另一方面，提供一种用于超声波处理层叠件的设备。该设备包括：具有超声波焊头的超声波装置，适于将超声波振动传送进入层叠件；以及操作关联于所述超声波装置的致动器，适于移动超声波焊头以与层叠件接触。该设备还包定位器，用于将超声波焊头相对于层叠件移动或者将层叠件相对于超声波焊头移动；适于检测层叠件的表面温度的温度传感器。此外，本设备还包括操作关联于超声波装置、致动器、定位器和温度传感器至少其中一个的控制器，该控制器根据由温度传感器检测的温度控制下述至少一项：传送入层叠件的超声波振动的幅值；超声波焊头与层叠件接触的力；超声波焊头相对于层叠件移动以及层叠件相对于超声波焊头移动的馈送速度；以及处理层叠件的层片的间隔。

在本发明的另一方面中，设置一种用于超声波处理层叠件的设备。该设备包括：用于沿着路径将力施加至层叠件的装置，在开始位置开始，在结束位置终止；用于沿着所述路径将超声波振动传送入所述层叠件的装置，在开始位置开始，在结束位置终止。该设备还包括用于确定所述复合层叠件与所述路径邻近的表面的温度的装置；以及根据所述层叠件的表面的确定温度改变超声波振动的幅值、力、沿着所述路径施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个的装置。

在本发明的另一方面中，提供一种用于超声波处理层叠件的方法。该方法包括下述步骤：将力施加至层叠件并且将超声波振动传送入层叠件；确定层叠件的表面温度；以及根据所述层叠件的表面的确定温度改变超声波振动的幅值、所施加的力、沿着所述路径施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个。

在本发明的另一方面，提供一种用于超声波处理层叠件的设备。该设备包括：具有超声波焊头的超声波装置，适于将超声波振动传送进入层叠件；操作关联于所述超声波装置的致动器，适于移动超声波焊头以与层叠件接触。该设备还包括适于检测层叠件的表面温度的温度传感器；以及操作关联于超声波装置、致动器和温度传感器至少其中一个的控制器，该控制器根据由温度传感器检测的温度控制下述至少一项：传送入层叠件的超声波振动的幅值；超声波焊头与层叠件接触的力；以及处理层叠件的层片的间隔。

本发明具有明显的优势，包括：(1)减小处理层叠件所需的时间、手工劳动和成本；以及(2)提供一种在层片处理期间适应性地控制层片质量的方法。

其他目的、特征和优势将在下文进行说明。

附图说明

本发明的新颖特征将在所附的权利要求中得以阐述。但是，本发明本身以及优选实施方式和其目的和优势将结合附图并参照下述详细说明得以清楚地了解，附图标记中最左边的数字表示附图标记的第一位，其中：

图1是示出根据本发明的超声波处理未硬化、复合层叠件的方法的一项特定实施例的示意图；

图2是示出根据本发明的超声波处理方法的一项特定实施例的流程图；

图3是用于超声波处理复合层叠件的示例性实施例的示意图；

图4是力校核数据的图解示意图；

图5是红外线温度传感器校核数据的图解示意图；

图6是提供实验输入和输出的设计总结的表格；

图7是作为层叠件中的固化层片的数量的函数的最大表面温度的图解示意图；

图8是层叠件厚度和层叠件温度之间的关系的图解示意图；

图9是力校核数据的图解示意图；

图10是振动校核数据的幅值的图解示意图；

图11是红外线温度传感器校核数据的图解示意图；

图12是处于第一理想温度下时表面温度上的闭环控制的作用的图解示意图；

图13是处于第二理想温度下时表面温度上的闭环控制的作用的图解示意图；

图14是在各种层片程度下用于保持理想设定点温度的不同运行速度的图解示意图。

虽然本发明可采用各种改进方案和备选方案，但是本发明的特定实施例已经在附图中示出并且在本文中进行详细说明。但是，应该理解，对于特定实施例的说明并不意在将本发明限制在所公开的特定形式下，但是，相反，意在覆盖落入本发明的由所附权利要求限定的精髓和范围的所有改进、等同和备选方案。

具体实施方式

本申请要求2004年10月8日提交的名称为“超声波缩小复合层叠件的体积”的美国临时申请No.60/617,288以及2005年3月22日提交的名称为“用于复合层叠件的超声波体积缩小技术的发展”的临时申请No.60/664,106的优先权，其完整内容引用结合于此。

下面将说明本发明的示例性实施例。为了清楚起见，在说明书中没有描述出实际实施方式的所有特征。当然，应该理解，在任何实际实施例的发展过程中，需要考虑多种特定于实施方式的改变，从而实现研发人员的特定目标，诸如符合系统相关的和业务相关的约束，这些约束在各个实施例之间是不同的。而且，应该理解，这种改进的努力可能是复杂且耗时的，但是本领域技术人员将受益于本发明的公开内容而如同执行程序那样实现本发明。

本发明示出一种用于超声波处理层叠件的设备和方法。聚合物复合层叠件由多个设置在聚合树脂母体中的纤维层或层片制成。聚合树脂可以是热固性树脂或热塑性树脂。金属层叠件由焊接在邻近层或层片之间的交接面处的多个金属材料层或层片制成。这里所使用的术语“处理”涉及聚合物层叠件，表示层叠材料层或层片的体积缩小(即，从未固化层叠件中移除空气)或连接。这里所使用的术语“处理”涉及金属层叠材料，表示层叠材料的层或层片的连接。

根据本发明的方法，沿着跨过层叠件的路径施加超声波振动和力。超声波振幅、所施加的力、跨过层叠件施加的超声波振动和力的馈送速率、施加至层叠件的超声波振动的角度以及处理各层片的间隔至少其中之一根据与施加超声波振动和力的位置邻近的层叠件的上表面的温度发生变化。在各个实施例中，该方法包括根据与施加超声波振动和力的位置邻近的层叠件的上表面的温度使用比例控制方法、积分控制方法和微分控制方法其中的一个或多个改变超声波振幅、所施加的力、跨过层叠件施加的超声波振动和力的馈送速率、施加至层叠件的超声波振动的角度以及处理各层片的间隔至少其中之一。注意，也可以使用模糊逻辑和神经网络控制方法。这些控制方法可在焊头以大角度范围接触层叠件表面时或者当层叠件具有厚度差异、斜率和柔性曲率时应用。注意，本发明的范围覆盖改变其他处理参数的方法实施例，这将在下文进行详细说明。

而且，本发明的范围覆盖适于超声波处理层叠件的设备，使得超声波振动的幅值、所施加的力、沿着跨过层叠件的路径施加的超声波振动和力的馈送速率、施加至层叠件的超声波振动的角度以及处理各层片的间隔至少其中之一根据与施加超声波振动和力的位置邻近的层叠件的上表面的温度发生变化。在一项实施例中，该设备包括根据与施加超声波振动和力的位置邻近的层叠件的上表面的温度来改变超声波振幅、所施加的力、跨过层叠件施加的超声波振动和力的馈送速率、施加至层叠件的超声波振动的角度以及处理各层片的间隔至少其中之一所采用的比例控制方法、积分控制方法和微分控制方法其中的一个或多个。该设备可采用模糊逻辑和神经网络控制方法。注意，本发明的范围覆盖适于改变其他处理参数的设备的实施例，这将在下文进行详细说明。

图1示出根据本发明的超声波处理层叠件的方法的一项具体实施例的示意图。在该方法中，超声波焊头101应用至设置在工作筒、工件夹具、工具或模具107上的层叠件105的上表面103。应该指出，图1中的超声波焊头101的特定尺寸图示仅仅是示例性的。超声波焊头101向层叠件105的上表面103施加力，如箭头109所示。超声波焊头101如箭头111所示沿着振动113的轴线产生超声波振动。

再次参照图1，超声波焊头101相对于层叠件105活动。注意，模具107和层叠件105可保持固定，超声波焊头101如箭头115所示相对于层叠件105移动。可选择地，超声波焊头101可保持固定，模具107和层叠件105如箭头117所示相对于超声波焊头101移动。在其他实施例中，模具107和超声波焊头101可如箭头115、117所示移动，使得超声波焊头101相对于层叠件105移动。超声波焊头101的振动113的轴线的取向为相对于层叠件105和模具107的角度θ。虽然超声波焊头角度θ如图1所示基本上成直角，但是，本发明的范围并不局限于此。此外，超声波焊头角θ可以是任何适当的角，锐角、钝角或直角。

在超声波处理期间，超声波振动从超声波焊头101传送通过层叠件105的表面103进入层叠件105。当层叠件105是聚合物复合层叠件时，超声波振动在复合层叠件105中产生机械振动和粘滞弹性加热，这样减小了树脂母体的粘性。树脂母体的减小粘性与由超声波焊头101施加至复合层叠件105上的力相结合将复合层叠件105从厚度T₁紧缩至T₂，体积缩小的厚度差值是厚度T₁与厚度T₂之间的差值。在复合层叠件105中截留的空气由超声波焊头101向前推动进入复合层叠件的还没有被紧缩的部分。当充分地邻近复合材料的自由边缘以及复合层叠件的自由边缘诸如复合层叠件105的边缘119时，截留的空气被自由地排放至大气，如箭头121所示。

根据本发明，在超声波缩小体积期间，复合层叠件的紧缩厚度T₂通常与超声波焊头101与上表面103(例如，图1中总体示为123)之间的交接面邻近的复合层叠件105的上表面103的温度成反比。而且，厚度T₂与由超声波焊头101施加至复合层叠件105的超声波振动幅值和力成反比。此外，厚度T₂与超声波焊头101移动跨过复合层叠件105所用的馈送速率成正比。根据实施方式，超声波振动施加至层叠件105的角度和/或处理各层片的间隔关联于厚度T₂。因此根据本发明，厚度T₂以及因此的体积缩小过程通过根据与超声波焊头101和上表面103之间的交接面邻近的复合层叠件105的上表面103的温度改变超声波振幅、由超声波焊头101施加至复合层叠件105的力、跨过复合层叠件101移动的超声波焊头101的馈送速率、施加至层叠件105的超声波振动的角度以及处理各层片的间隔至少其中之一而进行控制。注意，厚度T₂是体积缩小之后但是硬化之前的复合层叠件105的厚度。

虽然本发明已经参照体积缩小进行说明，但是本发明的范围并不局限于此。此外，参照图1所述的方法直接地应用于将聚合复合材料的邻近层或层片或者金属材料的邻近层或层片连接到一起以形成层叠件。具体地说，由超声波焊头101施加至层叠件的超声波振动的幅值和施加至层叠件的力、超声波焊头101移动跨过层叠件的馈送速率、超声波振动施加至层叠件的角度和/或各层片处理的间隔与连接邻近层或层片的焊料的质量有关。因此，根据本发明，焊接过程通过根据与超声波焊头101和层叠件上表面之间的交接面邻近的层叠件的上表面的温度改变超声波振幅、由超声波焊头101施加至层叠件的力、跨过层叠件移动的超声波焊头101的馈送速率、施加至层叠件的超声波振动的角度以及处理各层片的间隔至少其中之一而进行控制。

如图2所示，本发明的一项特定实施例是包括限定跨过层叠件诸如层叠件105(方块201)的路径的步骤的方法。本方法还包括沿着该路径将力施加至层叠件并且将超声波振动传送进入层叠件，从开始位置开始，终止于结束位置(方块203)。本方法还包括确定与该路径邻近的层叠件的表面的温度(步骤205)。而且，该方法包括根据层叠件的表面的确定温度改变超声波振动的幅值、力、力和超声波振动沿着该路径施加所用的馈送速率、超声波振动施加至层叠件的角度以及处理各层片的间隔其中至少之一(方块207)。

在一项实施例中，方块207的步骤通过比例控制方法、积分控制方法和微分控制方法其中至少之一而执行。如本发明的那样，这些方法的每个采用闭环、反馈控制方法，该方法具有与超声波幅值、通过超声波焊头101施加在复合层叠件105上的力、超声波焊头101移动跨过复合层叠件105的馈送速率、施加至层叠件105的超声波振动的角度和/或处理各层片的间隔对应的一个或多个输出控制变量。一个或多个输出控制变量以复合层叠件105的上表面103的预定温度设定点与复合层叠件105的上表面103的实际温度之间的误差为基础。

当方块207的步骤由比例控制方法执行时，上表面103的实际温度与上表面103的理想温度之间的差值与预定增益相乘从而产生与超声波幅值、通过超声波焊头101施加在复合层叠件105上的力、超声波焊头101移动跨过复合层叠件105的馈送速率、施加至层叠件105的超声波振动的角度和/或处理各层片的间隔对应的一个或多个输出控制变量。当方块207的步骤由积分控制方法执行时，上表面103的实际温度与上表面103的理想温度之间的差值的积分与预定增益相乘从而产生与超声波幅值、通过超声波焊头101施加在复合层叠件105上的力、超声波焊头101移动跨过复合层叠件105的馈送速率、施加至层叠件105的超声波振动的角度和/或处理各层片的间隔对应的一个或多个输出控制变量。当方块207的步骤由微分控制方法执行时，上表面103的实际温度与上表面103的理想温度之间的差值的变化率与预定增益相乘从而产生与超声波幅值、通过超声波焊头101施加在复合层叠件105上的力、超声波焊头101移动跨过复合层叠件105的馈送速率、施加至层叠件105的超声波振动的角度和/或处理各层片的间隔对应的一个或多个输出控制变量。注意，比例控制方法、积分控制方法和微分控制方法的两个或多个可以相结合，诸如采用比例-积分-微分控制方法。方块207的步骤使用模糊逻辑和神经网络控制方法执行。

图3示出用于超声波处理层叠件的设备301的一项特定实施例。在所示实施例中，设备301包括超声波装置303，诸如超声波焊接机。超声波装置303包括将电能诸如120VAC、50-60Hz电能转换为高频电能的电源305。高频电能的频率根据特定情况施加但是通常处于大约10KHz至大约50KHz的范围中。在一项实施例中，高频电能的频率为大约40KHz。电源305与将高频电能转换至处于超声波频率的机械运动的转换器307电性连接。机械运动然后通过幅值改变调压器309传送至超声波焊头101。超声波焊头、声学工具将振动能量传送至复合层叠件105。

现在参照图3，设备301还包括使超声波焊头101接触复合层叠件105的致动器311。如果超声波焊头101需要相对于复合层叠件105移动，如上文参照图1所述，那么设备301可包括相对于复合层叠件105移动超声波焊头101的定位器313。如果复合层叠件105需要相对于超声波焊头101移动，如上文参照图1所述，那么设备301包括用于相对于超声波焊头101移动模具107以及因此移动复合层叠件105的定位器315。设备301的一些实施例包括定位器313和315二者。应该指出，定位器313和315的具体构造根据具体情况实施。例如，超声波焊头101可实施在复合带放置头、复合拖轮放置头、复合纤维放置头、超声波焊接头等上，其中定位器313是用于复合带放置头、复合拖轮放置头、复合纤维放置头的定位设备。定位器313、315可以是单轴或多轴的定位器。设备301还包括温度传感器317，用于检测与复合层叠件105的超声波焊头101和上表面103之间的交接面邻近的层叠件105的上表面103的温度。

借助示例和说明，超声波装置303和一个或多个定位器313、315只包括用于沿着路径将超声波振动传送进入层叠件105的一个装置。而且，借助示例和说明，致动器311和一个或多个定位器313、315只包括用于沿着路径将力施加至层叠件105的一个装置。注意，该路径可包括具有焊头与层叠件之间的不同接触角度的斜面，以及层叠件中的层片或层的厚度和数量的变化。因此，可包括定位器313、定位器315或者另一方向定位器，从而能够定位超声波焊头101相对于层叠件105成具体的或者可变的接触角度。

控制器319与电源305连接从而控制施加至层叠件105的超声波振动的幅值并且连接至致动器311从而控制由超声波焊头101施加至层叠件105的力的大小。控制器同样根据具体实施例与一个或多个定位器313、315连接，从而控制超声波焊头101相对于层叠件105的位置或馈送速率。而且，控制器319与温度传感器317连接，从而输入由温度传感器317检测的温度。借助示例和说明，温度传感器317只是用于确定层叠件105的表面的温度的一个装置。温度传感器317可以是接触传感器，诸如表面温度探头，或者非接触传感器，诸如红外线温度传感器。

如上文结合图1所述，控制器319根据与超声波焊头101和层叠件105的上表面103之间的交接面邻近的层叠件104的上表面103的温度控制施加至层叠件105的超声波振动幅值、由超声波焊头101施加至层叠件105的力以及超声波焊头101和层叠件相对于彼此移动的馈送速率。借助示例和说明，控制器319只是一个用于根据层叠件表面的确定温度改变下述至少一项的装置：超声波振动的幅值、力、沿着路径施加压力和超声波振动的馈送速率。注意，控制器319可以是用于控制复合带放置机器、复合拖轮放置机器、复合纤维放置机器、超声波焊接机器等的控制器的一部分或者一区段。

本发明适于控制任何材料的任何基板的表面温度，可实现该过程的质量目标，即通过根据目标基板的表面的确定温度改变超声波振动的幅值、所施加的力、接触角、处理各层片的间隔以及沿着该路径施加力和超声波振动的馈送速率其中至少一个。这种质量目标包括例如从层叠件移除的体积的量、层叠件的邻近层或层片之间的焊料的质量。注意，在一些实施例中，馈送速率可以是基本上为零，使得将超声波振动和压力施加在基板上的一个位置处，而不是沿着跨过层叠件的路径。

在本发明的改进过程中，进行“实验设计”(“DOE”)以确定复合层叠件的体积缩小厚度上的各种超声波体积缩小过程参数的作用。这些实验采用两个层次和五个因数的盒式设计，用于评价单方向玻璃环氧树脂(E773/S2)层叠件上的超声波体积缩小的作用。预注入(“prepreg”)片的尺寸为152mm×152mm，该片被预切割并且以28层片为一组封装在密封的聚乙烯包中，该包一直保持在冷冻库中直到实验之前的一个或两个小时。在体积缩小期间，每个预注入层以零度和90度取向的交替层单独地放置入矩形模具中。在超声波处理之间放入模具中的层片数量(N)包括两个程度：四层片和七层片。层叠件中的层片的最终数量恒定保持在28。进行评价的其他参数包括：

●跨过复合层叠件的超声波焊头的活动速度(R)处于大约每秒1.27厘米以及大约每秒2.54厘米；

●由超声波焊头施加至复合层叠件上的力(F)处于大约35.6牛顿和大约111.2牛顿；

●由超声波焊头施加在复合层叠件上的超声波振动的幅值(A)处于峰值到峰值大约15微米，峰值到峰值大约30微米；以及

●模具相对于超声波焊头的角度(θ)处于大约0度和大约45度。

所使用的超声波设备是Dukane 40kHz超声波焊接机。对活动速度、力和幅值进行校核从而确保为DOE参数设定的量值是正确的并且注意任何不同于理想值的偏差。对于气缸设定的压力确定由Dukane超声波焊接机施加的力。所施加的力使用Sensotec(型号31)445牛顿(100磅力)载荷传感器进行校核。振动沿着焊头的末端的幅值使用Polytec P1激光干涉仪测量。

在超声波体积缩小期间，经处理层片的表面上的温度使用OmegaOS36-01红外线(“IR”)温度传感器进行监控。IR传感器的输出取决于表面的输出率，传感器通常校正窄的温度范围。IR温度传感器通过将具有预注入层的热板放置在超声波焊头下方而进行校核，如超声波缩小体积那样，该预注入层带有脱膜纸。热电偶表面表面温度探针也设置在脱膜纸上，该纸提供用于校核IR传感器的参考温度。然后，热板温度缓慢地升高，同时记录IR和表面探针温度。接下来，热板被关闭并且也在冷却期间记录各温度。IR温度然后经过校核达到表面探针温度。

顶层的表面温度φ使用IR热传感器进行测量。体积减小的样本厚度T₂使用测微尺进行测量。超声波温度减小样本然后使用由材料提供商推荐的条件进行硬化。然后测量硬化样本得到短梁剪切强度和挠性模量。然后使用标准统计方法回归所得数据。

由焊接机施加的力使用Sensotec载荷传感器进行校核，如图4所示。其同样示出实验数据的最小平方拟合的方程。图5示出IR温度传感器的校核以及对于加热和冷却数据的多项式回归拟合。如图所示，加热和冷却曲线非常接近；而，使用加热曲线参照IR温度传感器的读数确定绝对表面温度。

如图6所示，处理之后(但是在样品的最终硬化之前)的最后厚度受到速率、力和幅值的影响。更详细地说，最终厚度与幅值和力成反比并且与速度成正比。较高的幅值在处理期间促进更大程度的加热和更多的挤压流，从而更好地减小体积。由于焊头改善地连接至预注入件与在层接合面处产生的更高压力的组合，更大的力促进更好地缩小体积。更大的活动速率减小样本的超声波暴露时间并且因此减小了加热，这又减小了挤压流。经研究的其他参数，焊头角度和间隔数不会明显地影响到最终的后处理厚度。独立变量的截项(cross terms)和更高顺序项同样不会明显地影响到最终厚度。因此，厚度与处理参数之间的最终关系是非常好的(r²＝0.971)，并且由下式给出：

T＝7.03+(0.183×R)-(0.003×F)-(0.011×A)

重要之处在于，虽然截项，诸如F×A初始已经包括，但是它们并没有从最终模型中移除，因为它们在统计学中是不重要的。但是，在其他实施方式中，本发明的范围覆盖了这种截项。而且，在其他实施方式中，焊头角和间隔数对于本发明来说可以是重要的。在这种实施方式中，可以控制焊头角和/或间隔数从而影响体积减小的层叠件的厚度。

除了厚度测量，超声波减小体积期间的表面温度也需要测量。初始地，使用IR照相机。一旦焊头通过特定点，那么温度将相对快速地下降。这意味着在上表面(焊头/上层交接面)处进行局部加热-也就是说，热量产生并不是体积增加的作用。随后，IR温度传感器用于在超声波振动期间监控预注入层的表面温度，并且记录最大温度。如图7所示，经过超声波处理的层片的最大表面温度随着叠层中的层片的数量的增加而减小。这可能是由于系统柔性的增加和粘弹性加热的减小造成的。因此，采用初始的四个层片，表面温度是最高的，并且逐渐随着使用其他层片而减小。也就是，应用其他层片会增加系统的柔性并且减小表面层片的整体加热。

图6同样示出经处理的第一组层片(四个或七个层片)在使用IR温度传感器的校正-加热曲线进行校正之后(参见图5)的最大温度。重要的是，该温度只表示在超声波缩小体积(见图7)期间形成的温度范围；但是其能够实现输入参数和单一温度之间的关联。因此，前面所述的用于厚度的相同统计方法用于将第一组层片的最大表面温度与输入参数之间进行关联。这里，同样，关联是非常好的(r²＝0.971)并且其关系由下式给出：

φ＝25.307+(1.668×A)-(2.058×N)+(0.008×A×F)-(0.316×A×R)

表面温度很大程度上依赖于幅值。同样可见，对于给定的幅值，温度与力成正比，并且与速率成反比。增加力可能会增加焊头与层叠件之间的机械连接，增加能量传送的整体效率。因此，增加幅值与力的叉积(A×F)同样可增加温度。相反，增加馈送速率会减小曝光时间，减小加热时间。这样会减小整体温度并且解释为什么增加幅值与速率的叉积(A×R)会减小温度。

仔细研究图6的厚度和温度栏可知超声波减小体积的层叠件的厚度与温度成反比(参见图8)。如先前所述，该关系是可预期的，因为更高的温度会减小基体的粘性，使得更多的截留气体能够在超声波振动下被挤出。由于能够容易地测量温度，所以其可在超声波减小体积期间用于非直接地监控(或者控制)层叠件厚度(和密度)。

由DOE得到的硬化层叠件进行机制和测量从而确定短梁剪切强度；然后对结果进行统计分析。发现短梁剪切测试独立于在超声波缩小体积中研究的参数(r²＝0.313)。也就是说，没有明显的证据表明任何参数会影响短梁剪切测试的最终结果。因为从属和独立参数之间没有关系，所以没有等式示出。因此，应用超声波处理不会降低短梁剪切强度结果；实际上，所有经处理样本的平均短梁剪切强度比(未处理的)控制组高1.7％。

由DOE得到的硬化层叠件同样进行机制和测量弯度从而确定挠性模量。类似于短梁检测测量的结果，超声波减小体积参数和挠性模量(r²＝0.085)之间没有关联。由于从属和独立变量之间没有明显的关系，所以没有方程示出。如同采用短梁剪切测试，所有经处理样本的平均挠性模量比未处理的样本高3.1％。因此，超声波处理对于挠性模量没有不利的作用。

这些实验的结果结合入用于超声波处理复合层叠件的示例性方法。确定表面温度对于体积减小过程具有明显的影响，并且可用作层叠件厚度的指示标。因此，确定通过动态地改变振动幅值来测量和控制表面的温度。这需要将超声波焊接机改变为具有电源的焊接机，Brason 40kHz(型号2000ae致动器和2000t电源)，允许在整个幅值的50至100％范围内改变幅值。为了动态地控制该幅值，使用Stanford Research Systems(SRS)(型号SIM960)比例-积分-微分(PID)控制器。在SRS控制器中设定理想的温度，并且开始时只实现SRS PID的比例控制部分。IR温度传感器输出用作SRS控制器的输入，在该控制器中，其与设定温度比较从而确定误差。理想和实际温度之间的误差通过与比例增益相乘从而确定控制器的输出，其用作Brason超声波电源的幅值控制电压的输入。SRS控制器经调整从而具有电压偏差，该偏差名义上应用整个幅值的75％；然后，根据比例控制增加或减小幅值从而保持不变的温度。

Brason超声波焊接机的振动振幅使用Polytec PI激光干涉仪测量作为控制电压的函数。类似于Dukane焊接机，在气缸上设定压力使得在Brason焊接机上设定力；因此，由Brason焊接机施加的力同样使用Sensotec力变换器(transducer)进行校核。从校核曲线可知，很难使用设定在机器上的压力设定低的力(在75-150N范围内)。机器上的压力计量器的刻度范围从0至700kPa，理想的力需要压力设定在50-80kPa范围内，该范围是很小的范围并且接近计量器的底部。因此，在超声波扫描之前，Sensotec力变换器用于为Brason焊接机中的致动器设定气压，从而施加111.2N(251b)的恒力，该设定用于所有的超声波体积缩小实验。

为了改善IR温度传感器的响应，设计并且制造新的夹具将传感器更近地保持至层叠表面。然后使用热板和表面热电偶探针校核该传感器，如前文所述。每次超声波扫描期间的温度使用IBM PC中的Metrabyte DAS-TC数据获取板进行记录。

为了进行闭环温度控制实验，三个复合层叠件被缩小体积：一个为了确定SRS控制器上的增益，两个具有54℃(130℉)和77℃(170℉)的目标表面温度。开始时，将四个层片放置在模具上，并且使用比较高的活动速度(2至3cm/s)。然后对第一层叠件执行测试从而确定表面温度上的不同比例增益设定的作用。如果增益过高，那么温度发生振荡；如果增益过低，那么在目标和实际温度之间存在偏差。一旦确定增益，那么对具有54℃和77℃的目标温度的层叠件的第一至第四层片进行超声波缩小体积。接下来，将两个层片加入第一层片，并且执行测试以再次选择适当的增益。然后，将两个层片加入具有54℃和77℃的目标温度的层叠件，对其进行超声波减小体积。该过程每两个层片进行重复。发现随着加入更多的层片，系统的柔性增加，需要更低的速度从而获得理想的温度。但是，在处理10至14层片之后，加入其他的层片不会明显地改变阻抗，并且对所有的后续层片保持速度和增益不变直到完成28层片复合件。

在超声波减小体积之后，层叠件的体积通过在空气中称重和在水中称重进行测量。然后，层叠件的密度通过将重量除以体积进行计算。然后，将层叠件放置在60℃的真空中30分钟从而允许额外地进行体积减小。层叠件密度在热真空体积缩小步骤之后进行测量。然后，复合件被固化并且密度被再次测量。层叠件中的剩余体积然后通过复合件的密度与超声波体积小减小之后的层叠件密度之间的差值进行计算。

如前文所述，已发现对层叠件的第一组层片进行超声波体积减小期间在厚度与最大温度之间存在逆关联(图8)。这意味着在缩小体积期间控制温度可间接地控制层叠件厚度。闭环温度控制可通过超声波振动幅值的控制实现。这需要使用具有幅值控制功能的Stanford Research Systems控制器和Branson 40kHz焊接机，需要为了Branson焊接机的振动的力和幅值进行校核。图9示出校核相应于Branson焊接机的力。由于该焊接机的气缸大于Dukane焊接机，所以力稍微依赖于叠层的活动距离，并且它们可更高于Dukane焊接机的对应的力的程度。图10示出随着输入控制电压线性变化的焊接机的振动的幅值。在振动幅值-输入控制电压中的线性度构成了焊接机的性能的特征，重要的是，调整闭环控制器以实现正确的幅值控制。

如前文所述，对于这些实验，IR温度传感器更近地移动至表面并且需要重新校核。如图11所示，在加热和冷却曲线之间还存在小差值。加热曲线的曲线拟合用于评价绝对表面温度。开始时，测量表面温度作为时间函数，相应于各种活动速度和幅值，而不实施温度控制。图12和13示出当理想温度分别设定在54℃和77℃时闭环控制在表面温度上的典型作用。如图12和13所示，当启动温度控制时，在初始的上升时间之后，温度达到理想的程度，然后在该程度中保持基本上不变，直到达到样本的端部，在这里，由于工作台接近停止而减慢速度以及边缘效应，温度超过设定的温度不超过百分之十。

图14示出用于保持相应于两个层叠件的理想温度的活动速度。开始时，速度相对较高，但是随着层片数量的增加而减小。当在54℃下减小体积进行得非常顺利时，在77℃下的特定实验中减小体积可导致大量的困难。虽然温度设定为77℃，但是温度频繁地超过该温度高达10至15％，导致过度的树脂挤出-并且有时甚至导致纤维挤出。在应用10个层片之后层叠件的一个角部处出现热点，从该点开始，相同的位置具有相应于所有随后层片的热点。

层叠件的密度在超声波体积缩小之后进行测量。然后，两个层叠件在60℃的真空中进行热缩小体积，持续30分钟，并且再次测量密度。最后，两个层叠件被硬化并且它们的密度被再次测量。在硬化期间的树脂挤出的量通过比较热减小体积之后的质量与硬化之后的质量得以确定。树脂挤出的方式可包括在剩余体积的计算中。发现在超声波缩小体积之后剩余体积为分别相应于在54℃和77℃下进行体积缩小的层叠件的3.22％和3.46％。如上所述，在该特定实验中77℃下缩小体积的实现具有许多困难。因此，相应于77℃层叠件的剩余体积测量在超声波缩小体积和热点的形成期间具有与树脂挤出有关的误差。通常，采用闭环温度控制的超声波缩小体积看起来很有前途，已经达到大约3.2％的剩余体积。除了比例控制之外，使用积分控制、微分控制和这三种控制方法的组合执行随后的实验。注意，可同样或者可选择地采用模糊逻辑和神经网络控制。

制造热固性复合材料需要材料层或层片的叠置过程。截留在材料中以及材料层或材料体积之间的空气可导致在许多旋翼机复合部件中产生波浪丝和空隙。采用真空和热进行的体积缩小或“缩小体积”是在部件层叠期间使用的用于控制体积增加的质量异常的传统方法。厚的复合部件需要多个体积减小的循环，这导致明显地增加总循环时间以及处理部件的成本。因此，超声波减小体积提供低成本的备选方案，采用该方案，可使用胶带叠置头之后的超声波头完成体积缩小。DOE实验示出超声波体积减小可非常有效地减小层叠件中的厚度或剩余体积。发现振动的活动速度、活动力和幅值对于剩余体积具有最明显的影响。同样发现超声波体积减小层叠件具有相同的短梁剪切强度和挠性模量，示出超声波振动不会不利地影响层叠件。

超声波体积减小期间的温度测量示出层叠件的表面温度与其厚度之间的良好关联。因此，采用闭环温度控制并且用作厚度或剩余体积的间接指示标。发现采用比例控制时，选择适当的增益是关键的；过大的增益会导致温度振荡，过小的增益会导致温度偏差。通常，可将温度保持在理想温度的10至15％。在设定温度54℃和77℃下执行具有闭环温度控制的超声波体积减小的实验。在54℃下的闭环温度控制超声波体积缩小非常好地进行工作并且导致3.22％的剩余体积。在77℃下的该特定实验中的闭环温度控制超声波体积减小会导致基体的过度挤出，有时是纤维，并且导致出现热点。需要进一步的工作从而评价当使用闭环温度控制时超声波体积减小过程参数对于残余体积的影响。

应该指出，在上述特定实验中获得的假托不会限制本发明的范围或应用。上面公开的特定实施例仅仅是示例性的，在本发明的教导下，本领域技术人员可对本发明进行改进并且采用不同的但是相当的方式实施本发明。此外，不需要限定这里所示的结构或设计的细节，在下面的权利要求中已经进行限定。因此，上面公开的特定实施例明显地可进行改变或改进并且所有的这种变化都处于本发明的范围和精髓中。因此，这里需求的保护范围阐述在下面的权利要求中。明显地，已经描述并示出具有明显优势的发明。虽然本发明以有限数量的形式示出，但是其并不局限于这些形式，可在不脱离本发明的范围的情况下进行各种变化和改进。

Claims (28)

1、一种用于超声波处理层叠件的方法，包括下述步骤：

限定跨过所述层叠件的路径，所述路径具有开始位置和结束位置；

沿着所述路径向所述层叠件施加力并且将超声波振动传送入所述层叠件，在开始位置开始，在结束位置终止；

确定所述层叠件与所述路径邻近的表面的温度；以及

根据所述层叠件的表面的确定温度改变所施加的力、沿着所述路径施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，将力施加至层叠件以及将超声波振动施加至层叠件的步骤采用超声波焊头实现。

3、根据权利要求2所述的方法，其中，确定所述层叠件的表面温度的步骤在邻近于超声波焊头与层叠件之间的交接面处实现。

4、根据权利要求1所述的方法，其中，改变所施加的力、施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个的步骤通过比例控制方法、积分控制方法、微分控制方法、模糊逻辑控制方法和神经网络控制方法至少其中一种而实现。

5、根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法与下述过程其中之一结合地执行，这些过程包括复合带叠置过程、复合拖轮放置过程、复合纤维放置过程和超声波焊接过程。

6、根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述温度的步骤使用红外温度探测技术实现。

7、根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述温度的步骤沿着所述路径连续地执行。

8、根据权利要求1所述的方法，其中，改变所施加的力、施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个的步骤控制所述层叠件的体积缩小厚度。

9、根据权利要求1所述的方法，其中，在改变所施加的力、施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个的步骤中，超声波振动的幅值与层叠件的体积缩小厚度成反比。

10、根据权利要求1所述的方法，其中，在改变所施加的力、施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个的步骤中，通过焊头施加至层叠件的力与层叠件的表面温度成正比。

11、根据权利要求1所述的方法，其中，在改变所施加的力、施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个的步骤中，通过焊头施加至层叠件的力与层叠件的体积减小厚度成反比。

12、根据权利要求1所述的方法，其中，在改变所施加的力、施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个的步骤中，施加力和超声波振动的馈送速率与层叠件的表面温度成反比。

13、根据权利要求1所述的方法，其中，在改变所施加的力、施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个的步骤中，施加力和超声波振动的馈送速率与层叠件的体积减小厚度成正比。

14、根据权利要求1所述的方法，其中，采用该方法焊接热塑性复合层叠件和金属层叠件其中一个的邻近层。

15、根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤：

使质量目标与层叠件的表面温度相关。

16、一种用于超声波处理层叠件的设备，包括：

具有超声波焊头的超声波装置，适于将超声波振动传送进入层叠件；

操作关联于所述超声波装置的致动器，适于移动超声波焊头以与层叠件接触；

定位器，用于将超声波焊头相对于层叠件移动或者将层叠件相对于超声波焊头移动；

适于检测层叠件的表面温度的温度传感器；以及

操作关联于超声波装置、致动器、定位器和温度传感器至少其中一个的控制器，该控制器根据由温度传感器检测的温度控制下述至少一项：

超声波焊头与层叠件接触的力；

超声波焊头相对于层叠件移动以及层叠件相对于超声波焊头移动的馈送速度；以及

处理层叠件的层片的间隔。

17、根据权利要求16所述的设备，其中，所述超声波装置还包括：

用于供给高频电能的电源；

用于将高频电能转换至超声波频率机械运动的转换器；

用于放大超声波频率机械运动的幅值的放大器，该放大器与超声波焊头连接。

18、根据权利要求16所述的设备，其中，所述控制器包括：

比例控制器、积分控制器、微分控制器、模糊逻辑控制器和神经网络控制器至少其中一种。

19、根据权利要求16所述的设备，其中，当层叠件是聚合物复合层叠件时，传送入层叠件的超声波振动的幅值和超声波焊头与层叠件接触的力具有与层叠件的体积缩小厚度相反的关系。

20、根据权利要求16所述的设备，其中，当层叠件是聚合物复合层叠件时，馈送速率具有与层叠件的体积缩小厚度正向的关系。

21、根据权利要求17所述的设备，还包括：

用于以相对于层叠件的一取向定位超声波焊头的取向定位器，使得控制器操作关联于取向定位器，从而根据由温度传感器检测的温度控制超声波焊头相对于层叠件的取向。

22、一种用于超声波处理层叠件的设备，包括：

用于沿着路径将力施加至层叠件的装置，在开始位置开始，在结束位置终止；

用于沿着所述路径将超声波振动传送入所述层叠件的装置，在开始位置开始，在结束位置终止；

用于确定所述层叠件与所述路径邻近的表面的温度的装置；以及

根据所述层叠件的表面的确定温度改变力、沿着所述路径施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个的装置。

23、一种用于超声波处理层叠件的方法，包括下述步骤：

将力施加至层叠件并且将超声波振动传送入层叠件；

确定层叠件的表面温度；以及

根据所述层叠件的表面的确定温度改变所施加的力、沿着所述路径施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个。

24、根据权利要求23所述的方法，其中，改变所施加的力、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个的步骤通过比例控制方法、积分控制方法、微分控制方法、模糊逻辑和神经网络控制方法至少其中一种而实现。

25、根据权利要求23所述的方法，还包括下述步骤：

使质量目标与层叠件的表面温度相关。

26、一种用于超声波处理层叠件的设备，包括：

具有超声波焊头的超声波装置，适于将超声波振动传送进入层叠件；

操作关联于所述超声波装置的致动器，适于移动超声波焊头以与层叠件接触；

适于检测层叠件的表面温度的温度传感器；以及

操作关联于超声波装置、致动器和温度传感器至少其中一个的控制器，该控制器根据由温度传感器检测的温度控制下述至少一项：

超声波焊头与层叠件接触的力；以及

处理层叠件的层片的间隔。

27、根据权利要求26所述的用于超声波处理层叠件的设备，其中，所述控制器包括：

比例控制器、积分控制器、微分控制器、模糊逻辑控制器和神经网络控制器至少其中一种。

28、根据权利要求26所述的用于超声波处理层叠件的设备，还包括：

用于以相对于层叠件的一取向定位超声波焊头的取向定位器，使得控制器操作关联于取向定位器，从而根据由温度传感器检测的温度控制超声波焊头相对于层叠件的取向。

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