CN106170362B - 用于使用薄膜分离器保护超声焊接角具的设备和过程 - Google Patents

Abstract

用于使用薄分离器或膜(502)在聚合物复合材料的焊接期间保护超声焊接角具(504)的设备和过程，膜(502)构造用于传递高频声振动，同时使焊接角具(504)与熔融的工件材料保持隔离。用于焊接聚合物复合材料的系统和方法使用传导性机械中间件，减少循环时间，补偿任何表面不平坦，并且提高焊接精度和连接强度。

Description

用于使用薄膜分离器保护超声焊接角具的设备和过程

技术领域

本公开大体上涉及超声焊接，并且更具体地涉及用于使用薄分离器或膜在聚合物复合材料的焊接期间保护超声焊接角具的设备和过程，所述膜构造用于传递高频声振动，同时使角具与熔融的工件材料保持隔离。

本公开还涉及用于使用传导性机械中间件将聚合物复合材料焊接在一起的系统和方法，以减少循环时间，补偿任何表面不平坦，并且提高焊接精度和连接强度。

背景技术

在汽车制造中，聚合物复合材料由于其优良的特性而被越来越多地使用，这些特性包括重量轻、高度适形性或可成形性、结实和耐久性。一些复合材料还是可着色的，并且可被精修以具有大多数任何所需的纹理。

在汽车中增加的用途包括例如在仪表盘和门板、灯、空气管、转向盘、内饰、车厢或其它车辆储存隔室、内饰、外部部件、以及甚至发动机部件中。就发动机部件和例如其它发动机罩内(或UTH)应用而言，聚合物构造和连续地开发成可经受热的和/或化学侵蚀性的环境。就诸如挡泥板的外部部件而言，聚合物被开发成可在线喷涂的，并且具有在较长时期内对热和化学物质的高度抵抗性。并且，在汽车应用中的许多其它潜在用途正被不断地考虑。

在这种趋势下，找到有效用地且有效果地接合聚合物部件的办法正变得越来越重要。压缩模制和模制后接合技术(例如，超声焊接)正被更普遍地使用。

传统技术具有许多缺点。参照附图，特别是第一幅图，图1示意性地示出了常规的超声焊接布置100，其包括焊接角具102和在焊接之前的两个工件104、106。

在图示步骤中，角具102被降低以接触两个工件中的顶部工件104。一旦接触工件104，连接到角具的超声波发生器就激发高频超声振动，该振动通过角具传递到工件。在接口处，热量被生成，并且工件104开始熔融200，如图2所示。

图3示出了在其已被显著地熔融使得工件的此时熔融的材料连接工件104、106之后的布置100。

该技术的缺点包括当角具102被撤回时来自一个或两个工件104、104的转移材料400不期望地保留在角具上，如图4所示。残留物400限制了角具性能的继续和角具寿命。

可以构想，角具102可在延长的时间内(例如，在一些具体实施中约12至20秒)保持在图3的位置中，与工件104、106接触，从而在角具回撤之前允许新焊缝冷却。尽管一些材料400可能仍转移到角具102。并且，循环时间被不期望地延长，从而增加了生产成本。

根据一个备选方案，可以为每次焊接使用新角具。该方案将是成本过高的，并且部件切换是耗时的。

另一个备选方案是常规的机械紧固。工件可被螺接到一起，或者通过例如螺母和螺栓连接。这些连接的缺点包括不可取的重量增加、紧固件的难看的暴露部分以及可能较不稳固的接头。

此外，由于这些材料中的一些具有相对低的熔点和低的导电率，试图在工件之间的接口处使工件有效用地、快速地熔融且使工件的其它部分最少地熔融存在挑战。

导能器有时用来促进和控制焊接。然而，出现至少一个附加的挑战。由于导能器在焊接时通常从外部不可见，尝试将焊接集中在导能器处的焊工难以精确地确定导能器的位置。

在具有或不具有导能器的情况下，除了不期望地高的能量要求之外，另一个缺点是不期望地高的循环时间。增加时间是成本上难以接受的，尤其是当与制造环境(例如，汽车组装车间)中反复的迭代处理叠加时。

当使用导能器时，需要时间来定位导能器。

当不使用导能器时，需要更多的能量来将工件中的第一者熔融至到达第二工件的深度，以便接合两者。另外，所得到的焊缝未被最佳地聚焦，因为第一工件在更宽的区域中熔融，而不是像在使用导能器时那样仅在目标点处和周围。虽然该过程不需要定位导能器，但它未实现理想的焊缝。

在这两种技术中的循环时间被允许工件在撤离超声角具之前冷却并且非常缓慢地撤离角具的需求所进一步阻碍。这些成本涉及以下事实：热量通过聚合物缓慢地耗散，因此它们不会迅速地加热或冷却。因此，在超声角具已完成焊接所需的加热之后，角具不能取回，直到工件被充分地冷却为止(例如，在一些具体实施中约12至20秒)，否则，一些工件表面材料会保持附接到撤离的角具，从而影响工件外观并且限制角具性能和角具寿命。

两种常规超声焊接技术的又一个缺点是，两个工件中的近侧工件的能量施加表面必须是大体上平坦的，并且垂直于能量施加器。平坦表面是必要的，以确保与角具的充分接触，以便将足够的高频(HF)振动波传递到工件，从而形成用于将工件焊接到一起的必要的工件间热量。

为了通过弯曲或其它不平坦的表面焊接，需要特殊设计的角具。所得到的过程可能不像希望得那样稳健。

对于这些用于接合聚合物复合材料的超声焊接技术的备选方案是常规的机械紧固。工件可被螺接到一起，或者通过例如螺母和螺栓连接。这些连接的缺点包括不可取的重量增加、紧固件的难看的暴露部分以及可能较不稳固的接头。

发明内容

本技术涉及一种超声焊接技术，该技术包括在使用膜或带材焊接聚合物复合材料期间保护焊接角具，所述膜或带材构造用于传递高频(HF)声振动，同时使角具与熔融的工件材料保持隔离。

该技术的有益效果包括在利用超声焊缝焊接过程中减少的循环时间、以及提高的性能和角具寿命。

节省了时间，例如，因为角具能快速地取回，例如在足够的熔融材料形成于工件之间以将工件焊接在一起时立即取回。

通过使超声角具贯穿许多焊接操作例如在制造环境中不含来自焊接在一起的工件的转移材料而提高角具性能和寿命。

本技术还涉及用于使用传导性机械中间件或连接器将复合材料焊接在一起的系统和方法。该技术的有益效果包括减少的循环时间。通过将超声振动借助于纤细的机械连接器从施加器(例如，超声角具)导引至工件间接口，以快速、有效用地且稳健地形成焊缝，从而节省时间。

由于不直接接触工件以焊接的角具可被快速地取回(例如，在焊接之后立即)，而不担心任何工件表面材料仍附接到撤离的角具，同样节省了时间。更早且更快的角具撤离也为机械传导部件(例如，铆钉)所允许，该部件在焊接之后立即充当散热器，将热量从冷却中的焊缝带走，从而有助于新接头的快速或迅速定形或硬化。工件质量(例如，美观性)保持较高，并且相应地改善了角具性能和角具寿命。

此外，该技术甚至可以在近侧工件的能量施加表面为弯曲的或以其它方式不平坦时使用。传统上，平坦表面是优选的，以确保与角具的紧密接触，以便将足够的高频(HF)声波传递到工件，从而形成用于将工件焊接到一起的必要的工件间热量。

又一个有益效果包括由机械中间件或连接器(例如，铆钉)执行的机械紧固功能，包括在产品(例如，汽车)制造之后和使用中。虽然焊缝形成为稳健的和随时间推移耐用的，但如果在产品的寿命期内由于任何原因而存在焊缝弱化，机械连接器将充当支撑件或备用紧固件。该功能可以被称为剥离保护或剥离防止功能，因为铆钉可以有助于防止连接的工件远离彼此剥离。连接器可以被称为例如防剥离器。

本发明的其它方面将部分地显而易见并且部分地在下文中指出。

附图说明

图1示意性地示出了常规的超声焊接布置，其包括焊接角具和在将工件焊接在一起之前的两个工件。

图2示出了当焊接开始时的图1的布置。

图3示出了当焊接完成时的布置。

图4示出了在焊接之后正被取回的焊接角具。

图5示意性地示出了新型超声焊接布置，其包括超薄膜或条带或膜过渡部、由膜覆盖在施加侧上的焊接角具、以及在焊接之前的两个工件。

图6示出了当焊接开始时的图5的布置。

图7示出了当焊接完成时的布置。

图8示出了在没有任何工件材料附接到角具的情况下正被取回的焊接角具。

图9示出了两侧超声系统。

图10示出了一种用于使用机械传导连接器接合两个工件的方法，而不论工件中的近侧工件是否具有平坦的施加表面。

图11示出了根据图10所示方法的在铆钉刺穿之后和焊接之前的工件布置。

图12示出了根据图10所示方法的在铆钉刺穿和至少初始焊接能量施加之后的图11的工件布置。

具体实施方式

如所要求的，此处公开了本公开的详细实施例。所公开的实施例仅仅是可以以不同的和备选的形式以及它们的组合具体化的示例。如本文所用，例如，“示例性的”和类似的术语广义地表示用作图示、标本、模型或模式的实施例。

附图未必按比例绘制，并且一些特征可以被夸大或最小化，例如以显示特定组件的细节。在某些情况下，为了避免使本公开变模糊，未详细描述熟知的组件、系统、材料或方法。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应解释为为限制性的，而仅仅是权利要求的基础和代表性基础，以用于教导本领域技术人员，以通过各种方式利用本公开。

虽然说明书包括计算机可执行指令的大体背景，但本公开也可结合其它程序模块和/或作为硬件与软件的组合而实现。术语“应用程序”或其变体在本文中广泛地用来包括例程、程序模块、程序、组件、数据结构、算法等。应用程序可在各种系统配置上实现，包括单处理器或多处理器系统、基于微处理器的电子器件、它们的组合等。在某些实施例中，一些或所有操作(例如，控制角具施加)由计算装置(例如，执行存储或包括在计算机可读介质上的计算机可执行指令的处理器)执行或至少由计算装置引发。并且，该过程的任何一个或多个步骤可以由诸如机器人的自动化机械执行、引发或以其它方式提供便利。

I. 本公开的概述

本公开描述了一种用于接合诸如聚合物复合材料的工件的超声焊接技术。

薄膜、条带或膜被特殊地构造用于定位成邻近超声波施加角具，以用于在焊接期间执行传递和保护功能。更具体而言，膜构造成传递高频(HF)声振动，同时使角具与熔融的工件材料保持隔离。

下面参照图5-8进一步描述系统部件、算法和操作。

本公开还描述了一种用于接合诸如聚合物复合材料的工件的超声焊接技术。

本技术还涉及用于使用传导性机械中间件或连接器将聚合物复合材料焊接在一起的系统和方法。更特别地，该技术包括在焊接之前将诸如短铆钉(staple rivet)的连接器刺入被接合的工件中的第一近侧工件中。

有利地，连接器刺入的近侧工件的施加表面可以是弯曲的、不平的，或者是不完全平坦和平直的。由于超声能量(例如，HF振动)的后续施加将被导引通过连接器且进入工件，能量施加器(例如，角具)不需要接触该表面。并且，连接器不需要坐放成与该表面完美地齐平。因此，该表面不一定是平坦的或者与施加器紧密接触。

能量施加被导引通过连接器且进入工件的另一个优点在于，近侧工件不在表面上或外观上被损坏。另一个优点是，在施加器被撤离之前，不需要浪费时间来等待近侧工件冷却。

本技术的又一个优点是上文所述剥离防止功能。

下面参照图9-12进一步描述系统部件、算法和操作。

II. 第一过程、系统部件和工件 –图5-8

现在参照示例性系统、工具和工件描述本技术。附图被参考以方便理解本技术，而不限制其范围。

本文对方向的参考例如“上部”、“下部”、“上”、“下”和“侧向”提供用于方便描述本技术，而不限制技术的范围。例如，其中角具被描述为下降到近侧工件上的描述不限于角具在地面、或环境、框架中竖直地向下移动。在这种情况下，角具可以在环境框架中例如从左向右移动。

再次转到附图，并且更特别地第五幅图，图5示意性地示出了新的超声焊接布置500。布置500包括超薄膜、薄带或膜分离器502。术语“膜”将大体上用来指元件502，而不一定限制其构型，例如尺寸和形状。

膜502可包括多种合适的材料或材料组合中的任一种，并且可具有多种合适的形状和尺寸中的任一种，以用于执行所描述的功能。在一个实施例中，膜502包括钛或铝。

膜502构造成邻近施加角具504定位。角具504是未详细示出的超声波生成设备的一部分或连接到该设备。

如下文进一步所述，在一个实施例中，膜502是膜递送系统(未详细示出)的一部分，其中，新的膜材料502在每次焊接之前被递送至角具504和工件104、106之间。

在一些实施例中，本技术的角具504类似于常规焊接角具或与常规焊接角具相同。

角具504可包括多种合适的材料或材料组合中的任一种，并且可具有多种合适的形状和尺寸中的任一种，以用于执行所描述的功能。在一个实施例中，角具504包括钛或铝。

在一个构思的实施例中，本发明的角具504是不同的，是以一种或多种方式特殊构造的，以与膜502很好地配合。特殊构型可包括例如策略性的成形，例如，具有倒圆的拐角，或具有连接点(未详细示出)，膜可通过该连接点附接到角具504。

角具504显示为邻近将焊接在一起的两个工件104、106。工件104、106可包括彼此相比相似或相异的材料。

工件104、106可包括各种材料中的任一种，并且具有多种形状和尺寸中的任一种。在一个示例中，近侧工件104具有在约0.5mm和约5mm之间的厚度(在图中顶部至底部厚度)。

如所提供的，焊接在一起的工件104、106可以是类似的或相异的。就相异的工件材料而言，一个工件可以是例如塑料或其它聚合物，而另一个工件可以是钢、铝、合金或其它金属等。因此，本公开的教导可用来将聚合物(例如，聚合物复合材料)接合到另一种聚合物或将聚合物接合到例如金属。

在一个实施例中，材料104、106包括聚乙烯。在一个实施例中，材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、高密度聚乙烯(HDPE)和/或乙烯-乙烯醇(EVOH)。

在一个实施例中，被接合的工件104、106中的至少一个包括聚合物。工件104、106中的至少一个可包括合成或无机分子。虽然所谓的生物聚合物(或绿色聚合物)的使用不断增加，但石油基聚合物仍然要常见得多。

一个或两个工件的材料104、106也可包括可回收材料，例如，聚对苯二酸丁二醇酯(PBT)聚合物，其为大约85%的消费后的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

在一个实施例中，工件104、106之一或两者包括一些种类的塑料。在一个实施例中，材料包括热塑性塑料。

在一个实施例中，工件104、106之一或两者包括复合材料。例如，在一个实施例中，工件之一或两者包括纤维增强的聚合物(FRP)复合材料，例如，碳纤维增强的聚合物(CFRP)或玻璃纤维增强的聚合物(GFRP)。复合材料可以是例如玻璃纤维复合材料。在一个实施例中，FRP复合材料为混合的塑料-金属复合材料。

在一些具体实施中，材料104、106包括聚酰胺级聚合物，其通常可被称为聚酰胺。

一个或两个工件的材料104、106也可包括包括聚氯乙烯(PVC)。

在一个实施例中，材料104、106包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)。

在一个实施例中，材料104、106包括聚碳酸酯(PC)。

一个或两个工件的材料104、106也可包括一种类型的树脂。示例性树脂包括玻璃纤维聚丙烯(PP)树脂、PC/PBT树脂和PC/ABS树脂。

工件104、106可以在焊接之前被预处理，例如，被加热和压缩模制。

如下文进一步所述，在操作中，角具504执行声传递，同时在焊接期间保护角具不受熔融的工件材料损害。更具体而言，膜502构造成传递高频(HF)声振动，同时使角具与熔融的工件材料保持隔离。

在不脱离本技术的范围的情况下，膜502可包括多种合适的材料中的任一种。在选择材料过程中要考虑的特性可包括例如下列中的任一个或多个：(i)材料将源自角具504的声振动传递到工件104、106上的能力；以及(ii)材料防止熔融的工件材料接触或转移到角具504的能力；以及适当水平的回弹性(例如，材料强度、回弹性、柔韧性等)，以执行至少一个焊接循环。

虽然如上所述在一个实施例中新的膜材料502被递送至角具和工件之间的区域以进行每次焊接，但在一个构思的实施例中，相同的膜或膜502的部段可以重复使用至少一次。例如，可以认为，虽然一些工件材料在第一焊接过程中可能变得沉积在膜上，但沉积的量在第二次焊接中不会妨碍有效果的焊接，从而可以不止一次地使用该材料。例如，可以确定，相同的膜或膜的长条在被更换之前可以在一定次数的焊接(例如，两次、三次、五次、十五次、五十次、或更多次、更少次或在这些次数之间的次数)中使用。因此，在选择材料过程中要考虑的特性还可包括(iv) [此前紧挨的段落(即，(i)、(ii)、(iii))的罗马数字连续编号]材料例如在制造环境的组装线上重新使用多次的能力。重新使用的能力可包括例如排斥或以其它方式限制熔融的工件材料在膜上沉积的能力，并且同样，如在此前的段落的第三变量(iii)下那样，可包括材料强度、回弹性、柔韧性等，从而使材料往往不会断裂、破碎或以其它方式不能重复使用。

膜502具有比工件104、106高的熔点，从而在工件在膜502附近熔融的同时允许膜在焊接期间保持固态。

在一个实施例中，膜502包括金属，例如，为薄的金属箔。

膜502包括适合执行本文所述功能的任何尺寸和形状。虽然膜502可具有其它厚度506，但在一个实施例中，膜具有在约0.01mm和约5.0mm之间的厚度。例如，膜502可以为约0.5mm。

膜502可以由人员或诸如机器人设备(例如机械手)的自动化机械定位成邻近角具。

在一个实施例中，当角具靠近工件时，但在角具接触工件之前，膜502被插入角具504和近侧工件104之间。插入在一个实施例中在角具临时静止的同时进行，并且在一个实施例中在角具朝工件104向下移动的同时进行。

在一个实施例中，在将角具一直下降到工件104的顶部表面之前，膜502定位在角具和工件104之间，而不附接到角具504。在另一个实施例中，角具504和/或膜502构造成使得膜502附接到角具，使得在将角具一直下降到工件104的顶部表面之前膜502定位在角具和工件104之间。

在一个构思的实施例中，角具504包括夹子、钩环部件、可重复使用的粘合剂、按扣、或(多个)其它连接特征，以允许在膜502和角具之间的连接。在一个实施例中，膜502包括这些特征中的任一个。在一个实施例中，膜和角具504均包括这些特征中的至少一个，例如，膜和角具包括配合特征(例如，配合的按扣或配合的钩环元件)。

在一个构思的实施例(未详细示出)中，膜502至少在一定程度上为刚性的，并且具有适形于角具504的形状的某种形状。膜将因此紧密地贴合在角具的至少一部分周围。紧密的贴合性可以例如有助于确保膜在焊接期间停留在部件间的位置。

膜502可构造成在任意次数的重复使用中充分地起作用。在一个实施例中，膜构造成使用一次。在这种情况下，用过的膜可被丢弃，或者优选地循环利用，并且为下一次焊接使用下一个膜。

在另一个实施例中，膜502构造成使用多于一次。

如由图5中的箭头所示，在膜502就位的情况下，角具504朝正被接合在一起的两个工件中的第一近侧工件104的顶部表面下降。

图6示出了角具504借助于膜502接触近侧工件104。一旦角具/膜组合与近侧工件104接触，连接到角具504的超声波发生器就激发高频(HF)超声振动。振动通过角具504传递到膜502并继续传递到近侧工件104。当工件104接收振动时，激励在工件中生成热量，造成工件104首先在膜/工件接口处熔融，造成工件在那里开始熔融600，如在图6中另外所示。

工件承受一定的压缩，至少是由于近侧工件104的重量和角具504的向下力。在一些实施例中，角具504构造(例如，弹簧加载或由气动或液压子系统(未详细示出)致动)和/或控制以在焊接期间在角具504下方且与角具504接触的任何工件材料(例如，近侧工件104和熔融的材料)上施加向下的力。因此，随着工件熔融，角具504下降。

图7示出了在近侧工件104和可能地还有远侧工件106已充分地熔融以造成在工件104、106的接口或接头700处形成熔融的工件材料之后的布置。在接头510处的熔融材料将冷却，以形成用于将工件104、106保持在一起的焊缝。

一旦工件104、106被充分地熔融以根据需要将工件焊接在一起，角具504就可立即从接触工件的状态下取回，而不存在熔融材料粘附到角具504的风险。

如所提及的，在一个实施例中，膜502是膜递送系统(未详细示出)的一部分。作为示例，递送系统可以是盒类的，其中薄材料502的卷轴、转轴或其它供应源定位在角具504附近。在焊接之后，如上所述，递送子系统将用过的膜502移离角具，并且将新膜502递送至在角具504和将焊接在一起的下一批工件之间的区域。递送系统可以是手动的和/或自动的，例如，由机械手、控制器等控制的。

如所提供的，图1-4的常规超声焊接技术的缺点包括在焊接之后立即取回角具时工件材料112从一个或两个工件104、106转移。因此，在常规技术中，或者材料像这样不期望地转移，或者在取回所有工件之前必须经历等待期以冷却。

然而，甚至在等待期之后，在常规技术中仍存在至少一些工件材料将转移到角具的可能性。甚至少量的转移材料会在重复的使用中随时间推移而积聚，并影响角具性能和角具寿命。

另外，增加的循环时间使焊接过程昂贵得多，并且当与在制造环境中随时间推移反复的执行叠加时可能在成本上难以接受。

根据另一个备选方案，可以为每次焊接使用新角具。该方案当然是昂贵的，并且部件切换是耗时的。

III. 本技术的第一方面(上文第I节和第II节)的各种特征

上文概述了本技术的许多但并非全部优点。在本节中描述一些但非全部优点。

有益效果包括减少的循环时间和改善的焊接过程稳健性。这些有益效果使在组装环境中的焊接成本低得多，并且重量轻的部件和产品(例如，车辆)的制造成本更低。

节省了时间，例如，因为角具能快速地取回，例如在足够的熔融材料形成于工件之间以将工件焊接在一起时立即取回。

超声焊接根据本技术至少通过在反复的焊接中改善角具性能和增加角具寿命而变得更稳健。

通过使超声角具贯穿许多焊接操作例如在制造环境中不含来自焊接在一起的工件的转移材料而提高角具性能和寿命。

IV. 第二过程、系统工具和工件–图9-12

现在参照示例性系统、工具和工件描述本技术。附图被参考以方便理解本技术，而不限制其范围。

本文对方向的参考例如“上部”、“下部”、“上”、“下”和“侧向”提供用于方便描述本技术，而不限制技术的范围。例如，其中角具被描述为下降到近侧工件上的描述不限于角具在地面、或环境、框架中竖直地向下移动。在这种情况下，角具可以在环境框架中例如从左向右移动。

IV. A. 通用焊接系统–图9

现在转到附图，并且更特别地第九幅图，图9示出了大体上由附图标记100指示的示例性的焊接系统。系统100用来将以下两个工件焊接在一起：上部或近侧工件1011和下部或远侧工件1012。

如所提供的，焊接在一起的工件101可以是类似的或相异的。就相异的工件材料而言，一个工件可以是例如塑料或其它聚合物，而另一个工件可以是钢、铝、合金或其它金属等。因此，本公开的教导可用来将聚合物(例如，聚合物复合材料)接合到另一种聚合物或将聚合物接合到例如金属。

在一个实施例中，材料101包括聚乙烯。在一个实施例中，材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、高密度聚乙烯(HDPE)和/或乙烯-乙烯醇(EVOH)。

在一个实施例中，被接合的工件101中的至少一个包括聚合物。工件101中的至少一个可包括合成或无机分子。虽然所谓的生物聚合物(或绿色聚合物)的使用不断增加，但石油基聚合物仍然要常见得多。

一个或两个工件的材料101也可包括可回收材料，例如，聚对苯二酸丁二醇酯(PBT)聚合物，其为大约85%的消费后的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

在一个实施例中，工件101之一或两者包括一些种类的塑料。在一个实施例中，材料包括热塑性塑料。

在一个实施例中，工件101之一或两者包括复合材料。例如，在一个实施例中，工件之一或两者包括纤维增强的聚合物(FRP)复合材料，例如，碳纤维增强的聚合物(CFRP)或玻璃纤维增强的聚合物(GFRP)。复合材料可以是例如玻璃纤维复合材料。在一个实施例中，FRP复合材料为混合的塑料-金属复合材料。

在一些具体实施中，材料101包括聚酰胺级聚合物，其通常可被称为聚酰胺。

一个或两个工件的材料101也可包括包括聚氯乙烯(PVC)。

在一个实施例中，材料101包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)。

在一个实施例中，材料101包括聚碳酸酯(PC)。

一个或两个工件的材料101也可包括一种类型的树脂。示例性树脂包括玻璃纤维聚丙烯(PP)树脂、PC/PBT树脂和PC/ABS树脂。

工件101可以在焊接之前被预处理，例如，被加热和压缩模制。

系统100包括支撑或下方结构102。系统也包括焊臂104，焊臂104端接于焊接能量施加顶端或角具106中。角具可包括例如超声角具，其构造成将高频(HF)振动形式的能量施加到工件，以将工件焊接在一起。

焊臂104从第二或施加侧结构或质量体108延伸。

在操作中，施加方向力110可由质量体108和/或在质量体108处施加。力110将臂104和角具106朝焊接在一起的工件101推动。反作用力112将支撑结构102朝工件推动。在施加方向力从第一施加方向朝工件101推动并且反作用力112从相对的方向朝工件101推动的情况下，工件101在焊接期间被保持在所需的压缩下。

IV. B. 操作的方法–图10-12

转到第八幅图，图8借助于流程图200示出了用于使用机械传导中间件或连接器接合两个工件的示例性方法，而不论工件中的近侧工件是否具有平坦的施加表面。结果是相比传统技术有效果地且有效用的焊接以较少的总循环时间形成的更准确且稳健的焊缝。

虽然本文主要描述了接合两个工件，但该数量是作为示例而提供的，并且根据本公开的教导可以接合多于两个工件。

应当理解，方法200的步骤不一定以任何特定的次序提供，并且备选次序的步骤中的一些或全部的表现是可能的并且是可设想的。为了便于描述和说明，所述步骤以展示的次序提供。在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以添加、省略和/或同时进行步骤。并且，还应当理解，图示的方法200可以在任何时间结束。

在某些实施例中，该过程的一些或所有步骤和/或基本上等同的步骤由计算装置(例如，执行存储或包括在计算机可读介质上的计算机可执行指令的处理器)执行或至少由计算装置引发。并且，该过程的任何一个或多个步骤可以由诸如机器人的自动化机械执行、引发或以其它方式提供便利。

现在另外参照图9、11和12的工具和部件来描述由图8的流程图概述的方法200。所示元件的特性(例如，形状、尺寸和数量)提供用于方便本文的描述，而不限制本技术的范围。

方法200始于201并且流程前进到框202，在该步骤中，将机械传导部件(例如，元件306)提供到工件1011中的至少第一工件中。

示例性的机械传导部件为铆钉，例如，短铆钉。机械传导部件可以以任何合适的方式插入近侧工件中。

在一个实施例中，在工件1011、1012邻近彼此定位之前，部件定位在第一工件内。下面进一步描述该实施例。

在另一个实施例中，一旦工件定位成邻近彼此，方法200的流程就前进至步骤204，在该步骤中，机械传导部件被插入工件(1011)中的至少一个中并且延伸至传导流体。在一个实施例中，冲孔工具(例如，元件304)用来将连接器挤入至少工件中的第一工件中并且延伸至传导流体。冲孔工具也可以是、包括焊接能量施加器或角具或者是其一部分。

在一个具体实施中，在由焊接工具将焊接能量(例如，HF超声振动)和力施加到部件的同时进行刺穿。该能量造成第一工件1011在部件的顶端附近熔融，从而有利于刺穿。

如所提供的，在一个实施例中，在工件1011、1012邻近彼此定位之前，连接器定位在第一工件内。该步骤可包括例如在第一工件的模制过程之前或期间将传导性机械连接器定位在第一工件1011中。机械传导部件可以例如在第一工件1011的压缩模制期间被植入或嵌入第一工件1011中。

不论如何将机械传导部件设置在第一工件1011中，该部件都可以被进一步刺入第二工件1012中–例如，部件306的至少下部顶端，如图11和12所示。在一个实施例中，在由焊接工具(例如，元件304)将焊接能量(例如，HF超声振动)和力(压缩力)施加到机械传导部件的同时，进行刺穿。能量造成第二工件1012在连接部件的顶端附近熔融，从而有利于该部件刺入第二工件1012中。

对于其中部件被冲压到(多个)工件中的实施例来说，系统包括冲孔装置，该装置可以被简称为冲头，用于将机械传导部件推入近侧工件中。如所引用的，在一个实施例中，焊接施加器(例如，超声角具)用作、包括或连接到冲头。在一个实施例中，冲孔装置与焊接施加器分离或至少不相同。

进一步参照附图，图11直观地示出了步骤202。即，该图示出了在冲头304(例如，角具)已将机械传导部件306(例如，铆钉)推入近侧工件1011之后的包括工件布置302的过程特征300。

为了将机械传导部件306冲入工件1011中，冲头304沿着路径308移动。在一个实施例中，路径308大体上正交于近侧工件1011的表面的切线310或限定被接合的工件1011、1012之间的接口的线312。

机械传导部件306由人员或诸如机器人设备(例如，预编程的机械手)的自动化机械预定位以铆接。部件306通常定位成使得部件306的腿部314、316延伸进入近侧工件1011并至少至工件1011、1012之间的接口318。

机械传导部件306包括施加部分或头部320。头部320具有大体上平坦的施加表面。在一些实施例中，定位部件306以冲压在位包括定位部件使得头部320的表面大体上正交于冲头304的路径308的方向。头部320的表面可以例如大体上平行于近侧工件1011的表面的切线310和接口线312之一。

在一个实施例中，优选的是，机械传导部件306被至少插入到机械传导部件306的腿部314、316到达工件1011、1012之间的接口312的目标深度。在一些具体实施中，如图11所示，优选的是，机械传导部件306被至少插入到机械传导部件306的腿部314、316延伸超过接口312且进入第二远侧工件1012的目标深度，如图11所示。

如图11所示，近侧工件1011的施加表面322不需要是平坦的。通常，随着复合材料的使用增加和加工(成形等)复合材料方面的改进，预计会出现许多新的部件设计(例如，汽车设计)，通过这些设计，复合部件将需要在不平坦、不平整和/或不平直的复合材料施加表面下方焊接。本技术对于其适应这样的情景的能力来说也是有利的。

更特别地，机械传导部件306的头部320不需要坐放成与近侧工件1011的表面322齐平。相似地，机械传导部件306的腿部314、316不需要相对于表面322以90度的角度进入近侧工件1011。

工件1011、1012也不需要具有相同的厚度，或者各自具有大体上恒定的厚度。如图11所示，工件具有不同的厚度，并且近侧工件1011具有变化的厚度。为了适应每种情景，机械传导部件306被预构造(或从多种部件306中预选)、定位和插入布置302中，使得腿部314、316到达目标深度，例如，到达至少接口312或经过接口312且进入第二远侧工件1012中，如图11所示。

机械传导部件306可具有任何合适的形状和尺寸，以执行本文所述功能。头部320可具有圆形、椭圆形、正方形或者说是矩形的形状。在一个实施例中，头部320的形状对应于(例如，匹配于)能量施加器(例如，声角具)的一部分的形状。匹配的形状可以帮助确保施加器不接触近侧工件1011的表面322。

腿部314、316可具有附图中未详细示出的各种特征中的任何一个或多个，以有利于本文所述功能，包括有利于将部件306嵌入工件1011、1012中。腿部可具有例如一个或多个渐缩的横截面，具有尖的顶端、倒角等。

在一个构思的实施例(未详细示出)中，机械传导部件306被插入部件中的目标深度处，在该深度处，头部320的顶部不到达近侧工件1011的表面322。在这种情况下，如果正确地定位在机械传导部件306上方，能量施加器可被下降以接触部件306，而不存在同时接触表面322的风险。

在这种情况下，机械传导部件306的头部320的设计(例如，头部320的尺寸和形状)因此较不重要。铆钉头部设计由于其它原因仍然可能是重要的，这些原因包括为了有利于部件306正确地冲压到布置302中、为了焊接能量(例如，HF声振动)的所需传导率、为了处理后的外观以及为了处理后的剥离阻止，这将在下文中进一步描述。

在一个实施例中，在由焊接工具(例如，工具304)将焊接能量(例如，HF超声振动)和力施加到中间件(306)的同时，进行刺穿。该能量造成第一工件1011在中间件的顶端(例如，图11中的314、316的下部顶端)附近熔融，从而有利于刺穿。

在另一个实施例中，第一步骤202包括在模制过程之前或期间将传导性机械中间件306定位在第一工件1011中。中间件306可以例如在压缩模制期间被植入或嵌入工件1011中。

继续参照图10的方法200，一旦机械传导部件306已定位，流程就前进到步骤204以进行焊接。如果冲头304为焊接施加器(例如，声角具)，那么就不需要移除冲头和提供施加器的子步骤。否则，进行该子步骤。

焊接设备(参照图1)激发高频超声振动，该振动被传递到能量施加器(例如，角具)和因此接触施加器的机械传导部件306。机械传导部件306为振动提供路径，将振动从施加器、经由头部320且沿着腿部314、316、穿过工件1011导引至工件1011、1012之间的接口318的区域。铆钉306增强角具和工件之间的接触。铆钉306构造(例如，尺寸、形状、材料)成提供远比工件所能单独实现的更好地将声波(即，焊接能量)传递至接口318的介质。

到达接口306的振动通过工件的材料(例如，碳纤维复合材料)的分子间摩擦而生成热量。该热量造成工件在接口处熔融，从而初始地形成焊接熔核。熔核随着更多振动在所述区域被接收并且更多热量被生成而生长。随着熔核生长，不久将冷却的大体上熔融的材料将工件1011、1012熔合在一起。

图12示出了当焊接熔核或焊缝400形成时或之后的图11的过程特征300。

在附图中未明确示出的一个实施例中，该过程为两面的，其中，机械传导部件或中间件或连接器被尺寸设计、成形和定位成到达第一工件的外表面(例如，图中的顶部表面)和第二工件1012的相对的外表面(例如，图中的底部表面)。在该实施例中，焊接系统包括第一电极，以用于将焊接能量(例如，电流)在第一位置处、在工件之一(例如，第一工件1011或第二工件1012)的外表面处或附近施加到连接器。第二电极1012定位成邻近工件中的另一者(例如，第二工件1012或第一工件1011)，以用于接收来自第一电极1011的电流。

在步骤206处，声振动向机械传导部件306的提供停止。这可由超声系统完成，该系统停止激发振动，或以其它方式停止将振动提供至施加器(例如，角具)。

在步骤208处，能量施加器被从机械传导部件306撤离。撤离路径大体上由图12中的附图标记402来指示。

如所提供的，在步骤204中，机械传导部件306在施加器和工件之间形成增强的连接，以增强焊接特性。在步骤206和208中，机械传导部件306还充当散热器，以从冷却中的焊缝带走热量，促进快速定形或使新接头硬化。

在焊接施加器和机械传导部件(例如，角具和铆钉)之间的连接以及机械传导部件的焊后散热器功能允许施加器从工件附近较早且相对快速的撤离。在一个实施例中，本技术的最终循环时间低至几秒钟，这与需要约15秒或更多的此前的方法形成对比。

如所提供的，在常规技术中，需要角具与工件直接接触和因此相对长的等待时间，以允许工件-角具接口充分地冷却，否则，工件材料会不期望地沉积在角具上。

除了较早且快速的角具取回的省时的方面之外，避免角具与工件直接连接还因此确保高的工件质量，例如，美观性。另外，通过使工件材料不接触或不留在角具上，相应地改善了角具性能和角具寿命。

图10的方法200可以结束或重复，如由椭圆209所指示的–例如，结合工件布置或另一组工件的另一个焊接点。

V. 本技术的第一方面(上文第I节和第IV节)的各种特征

上文概述了本技术的许多但并非全部优点。在本节中描述一些但非全部优点。

有益效果包括减少的循环时间和能量要求。通过将超声振动借助于纤细的机械中间件或连接器从施加器(例如，超声角具)导引至工件间接口，以快速、有效用地且稳健地形成焊缝，从而节省时间。

通过允许快速取回角具，同样节省了时间。不直接接触工件以焊接的角具可在焊接之后立即取回，而不担心任何工件表面材料仍附接到撤离的角具。保持了较高的工件质量(例如，美观性)，并且相应地改善了角具性能和角具寿命。

有利地，连接器刺入的近侧工件的施加表面可以是弯曲的、不平的，或者是不完全平坦和平直的。由于超声能量(例如，HF振动)的后续施加将被导引通过连接器且进入工件，能量施加器(例如，角具)不需要接触该表面。因此，表面不需要是平坦和垂直于施加器的，只要连接器被嵌入到工件内的目标深度即可。

本技术的又一个优点是上文所述剥离防止功能。更特别地，机械连接器(例如，铆钉)执行机械紧固功能，包括在产品(例如，汽车)被制造之后和使用中。虽然焊缝形成为稳健的和随时间推移耐用的，但如果在产品的寿命期内由于任何原因而存在焊缝弱化，机械连接器将充当支撑件或备用紧固件。该功能可以被称为剥离保护或剥离防止功能，因为铆钉有助于使连接的工件保持连接。

VI. 结论

本文公开了本公开的各种实施例。所公开的实施例仅仅是可以以不同的和备选的形式以及它们的组合具体化的示例。如本文所用，例如，“示例性的”和类似的术语广义地表示用作图示、标本、模型或模式的实施例。

附图未必按比例绘制，并且一些特征可以被夸大或最小化，例如以显示特定组件的细节。在某些情况下，为了避免使本公开变模糊，未详细描述熟知的组件、系统、材料或方法。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应理解为限制性的，而只应理解为权利要求的基础和用于教导本领域技术人员的代表性基础。

上述实施例仅仅是为了清楚理解本公开的原理而阐述的具体实施的示例性图示。在不脱离权利要求的范围的情况下，可以对上述实施例做出变型、修改和组合。所有这样的变型、修改和组合都在本文中由本公开和所附权利要求的范围所包括。

Claims (18)

1.一种用于使用受保护的超声焊接角具将多个工件焊接在一起的方法，其中，所述焊接角具连接到超声波生成设备，所述方法包括：

将薄膜定位成邻近所述焊接角具，所述膜包括金属；

将所述焊接角具定位成邻近所述多个工件中的近侧工件；

在焊接操作中将焊接能量经由所述焊接角具施加到所述近侧工件，其中所述焊接能量包括高频(HF)声振动；以及

在所述焊接操作之后，在不将所述工件的任何熔融材料沉积在所述焊接角具上的情况下使所述焊接角具和所述工件分离；

其中：

所述膜在所述焊接操作期间定位在所述焊接角具和所述近侧工件之间的所有点处，所述膜构造成将所述振动从所述焊接角具有效用地传递到所述工件；并且

所述膜使所述焊接角具与熔融的工件材料在所述焊接操作期间分离，确保没有熔融的工件材料接触所述焊接角具。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述膜附接到所述焊接角具。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述膜具有的熔点高于所述近侧工件的熔点。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述膜构造成在多次定位和焊接操作中重复使用。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述膜包括钛或铝。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法的至少一次操作由自动化机械执行。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述近侧工件和远侧工件具有相同的材料。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述近侧工件和远侧工件具有相异的材料。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述薄膜定位成邻近所述焊接角具包括从邻近所述焊接角具的供应源递送新的膜材料，同时将此前用过的膜材料移离所述焊接角具。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，定位所述膜使用盒类递送系统执行，其中，所述供应源材料初始是存储在附近的卷轴上的。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述近侧工件具有在0.5mm和5mm之间的厚度。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述膜具有在0.01mm和0.5mm之间的厚度。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分离在所述焊接操作之后立即进行。

14.一种用于在保护受保护的超声焊接角具的同时将多个工件焊接在一起的焊接组件，包括：

所述焊接角具；以及

包括金属的薄膜，所述膜邻近所述焊接角具；

其中：

所述焊接角具定制地构造成用于附接到所述薄膜；

所述薄膜附接到所述焊接角具，使得所述薄膜构造成在焊接操作中将高频声振动从所述焊接角具有效用地传递到所述工件，并且在所述焊接操作之后，所述膜将所述焊接角具与被焊接在一起的所述工件分离，由此使所述焊接角具与熔融的工件材料分离。

15.根据权利要求14所述的焊接组件，其中，所述膜具有选自由下列项组成的组的至少一个特性：

所述膜的熔点高于所述工件的熔点；

所述膜构造成在多次定位和焊接操作中重复使用；并且

所述膜包括钛或铝。

16.根据权利要求14所述的焊接组件，还包括膜递送系统，其中，将所述薄膜定位成邻近所述焊接角具包括将新的膜材料从邻近所述焊接角具的所述递送系统中的供应源递送，同时将此前用过的膜材料移离所述焊接角具。

17.根据权利要求14所述的焊接组件，其中：

所述工件具有在0.5mm和5mm之间的厚度；和/或

所述膜具有在0.01mm和0.5mm之间的厚度。

18.一种用于使用受保护的超声焊接角具将多个工件焊接在一起的方法，包括：

将薄膜定位成邻近所述焊接角具，所述膜包括金属；

将所述焊接角具定位成邻近所述多个工件中的近侧工件，而所述膜在所述焊接角具和近侧工件之间；

在焊接操作中将焊接能量经由所述焊接角具施加到所述近侧工件，其中所述焊接能量包括高频(HF)声振动，并且，所述膜构造成将所述振动从所述焊接角具有效用地传递到所述工件；以及

在所述焊接操作之后，通过操作所述膜，在不将所述工件的任何熔融材料沉积在所述焊接角具上的情况下，使所述焊接角具和所述工件分离。