CN118119470A - 超声固结材料 - Google Patents

Abstract

一种用于固结材料的系统，包括：超声探头，所述超声探头被配置成将超声能量引导到待固结材料中，其中所述待固结材料具有玻璃化转变温度和熔融温度两者；非刚性固结材料，其邻近所述超声探头，其中所述非刚性固结材料和所述超声探头在其间限定用于接收所述待固结材料的区域，并且其中所述非刚性固结材料具有高于待固结材料的所述玻璃化转变温度的玻璃化转变温度和高于所述待固结材料的所述熔融温度的熔融温度。

Description

超声固结材料

背景技术

所公开的发明主题总体上涉及制造和制作系统、装置和方法，并且更具体地涉及用于诸如包含碳纤维的材料的材料的超声固结的系统、装置和方法。

使用超声波焊接工艺将多层碳纤维增强聚合物(CFRP)焊接成固结结构已证明在以下情况下很大程度上不成功：在不使用能量定向器或牺牲熔融层的情况下，或者当超声焊接系统的砧座部件包括CFRP层要放置抵靠的刚性表面时。已知的焊接实践将热塑性或热塑性复合材料固定抵靠刚性砧座；然而，如果这些实践与CFRP带、编织物(braid)或预固结板一起使用，在不采用传统的能量定向器或和用于增强焊接过程的次级材料情况下，则通常不能实现焊接。而如果确实实现了焊接，则焊接通常具有不令人满意的性质。因此，一直需要一种超声波焊接系统，其可有效地将CFRP带固结成用于多种应用的固体结构，这些应用包括汽车、航空和军事应用。

发明内容

以下提供了所公开的发明主题的某些示例实施方式的概述。本发明内容不是广泛的概述，并且不旨在标识所公开的发明主题的关键或重要方面或要素或划定其范围。然而，应当理解，在用于描述和要求保护所公开的发明主题的语言中使用不定冠词并不旨在以任何方式限制所描述的发明主题。相反，“一”或“一个”的使用应解释为意指“至少一个”或“一个或多个”。

所公开技术的示例实施方式提供了用于固结材料的第一系统。该系统包括超声探头，所述超声探头被配置成将超声能量引导到待固结材料中，其中所述待固结材料具有固有玻璃化转变温度和固有熔融温度两者；非刚性固结材料，其位于所述超声探头附近，其中所述非刚性固结材料和所述超声探头在其间限定用于容纳待固结材料的区域，并且其中所述非刚性固结材料具有比所述待固结材料的固有玻璃化转变温度高的固有玻璃化转变温度和比所述待固结材料的固有熔融温度高的固有熔融温度。

该系统还可包括用于支撑非刚性固结材料的刚性砧座。该系统还可包括至少一个力传感器和至少一个热传感器。该系统还可包括位于超声探头的一侧上的引入材料砧座和位于超声探头的相对侧上的引出材料砧座，其中砧座被构造为在被固结的材料上提供压缩力，并且其中砧座被构造为冷却或加热被固结的材料。该系统还可包括被构造成向超声探头提供超声能量的至少一个超声换能器，其中该至少一个超声换能器安装在铰接式壳体中，并且其中该铰接式壳体被构造成向超声探头提供压缩力和相对于待固结材料的布置的变化的接触(或冲击)角(即，相对于复杂表面几何形状接近表面法线)。超声探头可包括圆角或锥形面轮廓，并且超声探头可被构造成用于固结预定宽度的窄部件或预定宽度的宽部件。超声探头可包括构造成与被固结的材料接触的集成式压紧结构。待固结的材料可以是热塑性材料、热固性材料或碳纤维增强聚合物，并且可以被配置为材料层或材料片。非刚性固结材料可包括热塑性材料、热固性材料、硅树脂、聚酰胺、氨基甲酸酯，橡胶、玻璃编织片、玻璃、碳纤维材料或其各种组合，并可构造成材料层、材料片或预加固结构。非刚性固结材料可以具有40至100肖氏A的硬度。

所公开技术的另一示例实施方式提供了用于固结材料的第二系统。该系统包括：至少一个超声换能器，所述至少一个超声换能器构造成向超声探头提供超声能量，其中所述至少一个超声换能器安装在铰接式壳体中，所述铰接式壳体被构造成向所述超声探头提供压缩力和相对于待固结材料的布置的变化的接触角，其中所述超声探头被构造成将超声能量引导到待固结材料中，并且其中所述待固结材料具有固有玻璃化转变温度和固有熔融温度两者；在所述超声探头附近的非刚性固结材料，其中所述非刚性固结材料和所述超声探头在其间限定用于接收待固结材料的区域，并且其中所述非刚性固结材料具有比所述待固结材料的固有玻璃化转变温度高的固有玻璃化转变温度和比所述待固结材料的固有熔融温度高的固有熔融温度；以及位于所述超声探头的一侧上的引入材料砧座和位于所述超声探头的相对侧上的引出材料砧座，其中所述砧座被构造成在所述被固结的材料上提供附加的压缩力，并且其中所述砧座被构造成冷却或加热所述被固结的材料。

该系统还可包括用于支撑非刚性固结材料的刚性砧座。该系统还可包括至少一个力传感器和至少一个热传感器。超声探头可包括圆角或锥形面轮廓，并且超声探头可构造成用于固结预定宽度的窄部件或预定宽度的宽部件。超声探头可包括构造成与被固结的材料接触的集成式压紧结构。待固结材料可以是热塑性材料、热固性材料或碳纤维增强聚合物，并且可以被配置为材料层、材料片或预固结结构。非刚性固结材料可包括热塑性材料、热固性材料、硅树脂、聚酰胺、氨基甲酸酯、橡胶、玻璃编织片、玻璃、碳纤维材料或其各种组合，并可构造成材料层或材料片。非刚性固结材料可以具有40至100肖氏A的硬度。

所公开技术的又一示例性实施方式提供了一种用于固结材料的方法。该方法包括配置超声探头以将超声能量引导到待固结材料中并在待固结材料上施加压缩力，其中待固结材料具有固有玻璃化转变温度和固有熔融温度两者；将非刚性固结材料放置在超声探头附近，其中所述非刚性固结材料和所述超声探头在其间限定用于接收待固结材料的区域，并且其中所述非刚性固结材料具有比所述待固结材料的固有玻璃化转变温度高的固有玻璃化转变温度和比所述待固结材料的固有熔融温度高的固有熔融温度；以及通过激活所述超声探头并在压缩力下使所述超声探头跨所述材料移动，来接合所述待固结材料。

应了解，前述概念和下文更详细论述的附加概念的所有组合(只要此类概念不相互不一致)被构想为本文所揭示的发明性主题的一部分且可经实施以实现本文所述的益处。在阅读和理解以下示例实施方式的详细描述后，所公开的系统、设备和方法的附加特征和方面对于本领域普通技术人员将变得显而易见。如本领域技术人员将理解的，在不脱离本文所公开内容的范围和精神的情况下，其它实施方式是可能的。因此，附图和相关描述被认为是说明性的而非限制性的。

附图说明

并入说明书并形成说明书的一部分的附图示意性地示出了所公开的发明主题的一个或多个示例实现，并且与上面给出的一般描述和下面给出的详细描述一起用于解释所公开的主题的原理，并且其中：

图1A是根据所公开技术的第一示例实施方式的用于材料的超声固结的系统和设备的正视图；

图1B是图1A的系统和设备的前立体视图；

图2A是根据所公开技术的第二示例实施方式的用于材料的超声固结的系统和设备的正视图；

图2B是图2A的系统和设备的前立体视图；

图3是根据所公开技术的第三示例实施方式的用于材料的超声固结的系统和设备的正视图；

图4描绘了根据所公开的技术的彼此相对放置的超声探头、砧座、固结材料层和待固结材料层的第一示例构造；

图5描绘了根据所公开的技术的彼此相对放置的超声探头、砧座、固结材料层和待固结材料层的第二示例构造；

图6描绘了根据所公开的技术的彼此相对放置的超声探头、砧座、固结材料层和待固结材料层的第三示例构造；

图7描绘了根据所公开的技术的彼此相对放置的超声探头、砧座和待固结材料层的第四示例构造；以及

图8描绘了根据所公开的技术的彼此相对放置的超声探头、砧座、固结材料层和待固结材料层的第五示例构造。

具体实施方式

现在参考附图描述示例实施方式。在整个详细描述中使用附图标记来表示各种元件和结构。尽管为了说明的目的，以下详细描述包含许多细节，但是本领域普通技术人员将理解，对以下细节的许多变化和改变在所公开的发明主题的范围内。因此，在不丧失对所要求保护的主题的一般性并且不对所要求保护的主题施加限制的情况下，阐述了以下实施方式。

所公开的技术提供了用于将某些类型的材料的多个层超声固结成层压结构的系统、装置和方法。参考附图，所公开的系统的一般示例实施方式包括超声堆叠(超声传输线)，该超声堆叠进一步包括超声换能器、超声增强器和超声探头(sonotrode)。超声堆叠的部件安装在铰接头组件内，该铰接头组件利用静力被向下(或朝向被固结的材料)按压，并在横向系统运动中移动。电源将超声换能器驱动成超声振动，所述超声振动通过超声增压器和超声探头传递到多层目标材料中，从而使材料层接合在一起(即，固结)。待固结材料层可放置在具有特定非刚性、弹性或顺应属性的基底(称为“固结材料”)上，并且基底本身通常搁置在称为砧座的刚性支撑件上，尽管在一些实施方式中，基底本身用作砧座。超声探头可以构造成各种宽度，例如窄的用于焊接材料带或宽的用于焊接材料片。砧座可以由具有刚性特性的主处理表面支撑。尽管主处理表面可以保持静止，但是结合了多个自由度，例如X－，Y－，Z－，I－，J－或K－轴移动或其任意组合，有助于跨复杂的表面几何形状对材料进行点焊或连续扫描焊接。

所公开的技术的铰接头组件可以以多种替代构造提供。在一种实施方式中，头组件包括固定到支撑结构的刚性壳体。可以用气动、液压或机电装置来执行超声波传输线的致动，以在待固结材料上施加力。在另一实施方式中，头组件包括固定到数控多轴系统的端部的刚性壳体，其中系统结构具有用于在待固结材料上施加力的独立致动装置。在又一实施方式中，头组件包括固定到机器人控制的关节连接网络的端部的刚性壳体。向待固结材料施加力可通过机器人关节网络和/或通过包含在壳体内的气动，液压或机电装置来实现。所公开的焊接系统还可包括联接在铰接头组件和施力致动器装置之间的实时力传感器，用于向致动装置提供实时反馈，以提供增大或减小的力，用于传递变化的每单位面积能量，从而改变处理温度以更适于固结目标材料。

在示例实施方式中，所公开的系统包括具有换能器的超声传输线，该换能器具有10kHz至60kHz之间的谐振频率；增强器，该增强器有助于将传输线刚性附接到铰接装置，同时还放大或衰减来自换能器的振幅；以及超声探头，该超声探头用于施加力以及使待固结材料经受强烈的超声振动以在材料中产生变化。传输线的每个分量被设计为工作频率的1/2波长。1/2波长分量的阵列可以安装到传输线。一个示例实施方式仅需要产生1和1/2波长的三个分量。

在示例实施方式中，所公开的系统包括具有圆角或锥形面轮廓的超声探头，该超声探头产生使纤维沿叠层(固结材料)的恰当取向对齐的熨烫效果。此外，利用在待固结材料固结期间施加压缩力的拖尾背衬板(trailing backing bar)消除了后续层之间的空隙。

在示例实施方式中，所公开的焊接系统包括热控轮廓的背衬砧座，其在固结期间向目标材料提供一致且均匀的压缩力。此外，热控制的背衬砧座可具有由加热元件控制的温度区，所述加热元件适于改变靶材料的冷却速率，从而通过由热轮廓的背衬砧座控制的热处理过程来影响材料的性能及其最终性能。该特别控制的冷却速率功能产生固结材料的特别定制的材料属性。

在示例实施方式中，所公开的系统包括测量引入和引出处理温度的实时热监测传感器。出料(outfeed)温度传感器是重要的，因为通过增大/减小超声换能器内的振幅值来改变温度的波动。温度的波动也可通过增加/降低超声探头跨待固结材料的横向速度而改变。温度的波动也可通过增加/降低超声探头相对于目标材料的横向速度和所施加的振幅来改变。

所公开的系统、装置和方法有效地用于固结某些类型的材料，例如热塑性材料、热固性材料和碳纤维增强聚合物(CFRP)片或带。CFRP可以指碳纤维增强聚合物、碳纤维增强塑料或碳纤维增强聚乙烯。CFRP也可以指热塑性浸渍碳纤维(thermoplastic infusedcarbon fiber)。所公开的技术可用于固结热塑性或热固性材料的多个层。例如，通过所公开的技术制造的固结物体或部件可包括2至24层材料或预固结板或结构。可以使用带、片材或预固结结构的附加层。

当所公开的系统在操作中时，使用适当的非刚性基底材料(也称为“释放层”或“固结材料”)产生被焊接材料层的适当接合。然而，适当的固结材料不会与被固结的材料形成接合。这样的材料可以包括顺应性的、柔性的或柔韧的材料的单个或多个薄层或薄片，作为非限制性示例，例如热塑性材料、热固性材料、硅树脂、聚酰胺、氨基甲酸酯、橡胶、玻璃编织片、玻璃、碳纤维材料或其各种组合。聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene(PTFE))或具有类似性质的任何其它材料也可用作固结材料。基底厚度将根据被固结的材料层的厚度而变化，其中基底厚度随着被固结的层的厚度的增加而减小。

在一些实施方式中，可以不存在非刚性基底材料，并且砧座本身可以由顺应性的、柔性的或柔韧的材料制成。在一个示例中，碳纤维增强聚合物的处理在肖氏A硬度为40至100的弹性背衬表面上进行。此外，弹性处理表面必须能够承受150至600摄氏度之间的处理温度。现有技术的超声处理热塑性塑料方法教导了使用刚性支撑结构，通常为钢或铝，以确保能量一致地传输到焊接接头中。与现有技术的系统相比，利用弹性砧座结构产生弹性回弹表面，同时用作热沉状结构，该热沉状结构可被定制为具有变化的厚度和热属性以控制冷却速率。

图1A提供了根据所公开技术的第一示例实施方式的用于材料的超声固结的系统和设备的正视图；以及图1B提供了图1A的系统和设备的前立体视图。在图1A和图1B中，超声固结系统100包括外壳110；超声堆叠致动器112；闭环力反馈传感器114；线性轨道116；以及托架118，超声头组件120安装在托架118上。超声头组件120包括超声换能器122，该超声换能器122连接到刚性安装增压器124；以及超声探头126，该超声探头126也连接到刚性安装增压器124。与热传感器130一样，超声探头横向支撑件128连接到外壳110的底部。焊接砧座140支撑一层或多层固结材料150；并且在固结过程中，多层待固结的材料160被置于固结材料150和超声探头126之间。

图2A提供了根据所公开技术的第一示例实施方式的用于材料的超声固结的系统和设备的正视图；并且图2B提供了图2A的系统和设备的前立体视图。在图2A至2B中，超声固结系统200包括外壳210；超声堆叠致动器212；闭环力反馈传感器214；线性轨道216；以及托架218，超声头组件220安装在托架218上。超声头组件220包括超声换能器222，该超声换能器222连接到刚性安装增压器224；以及超声探头226，其也连接到刚性安装增压器224。热传感器230附接到外壳210的底部。在超声探头226的两侧形成集成的材料压紧(hold-down)结构。焊接砧座240支撑一层或多层固结材料250；并且在固结过程中，多层待固结的材料260被置于固结材料250和超声探头226之间。

图3提供了根据所公开技术的第三示例实施方式的用于材料的超声固结的系统和设备的正视图。在图3中，超声固结系统300包括外壳310；超声堆叠致动器312；闭环力反馈传感器314；以及超声头组件320，其包括：超声换能器(未示出)、刚性安装增压器324和超声探头326。第一可调节气缸座370和第二可调节气缸座372附接到外壳310的底部。引入材料压紧组件380附接到第一可调节气缸座370并包括绝热体382和冷却/加热区域382，冷却/加热区域382接触待固结的材料或在一些情况下接触固结材料。控制引入材料压紧组件380的向下压力的压力调节器386附接到外壳310的侧面。经处理材料压紧组件390包括热绝缘体392和冷却/加热区域392，冷却/加热区域392接触经处理(即经固结的)材料或在一些情况下接触固结材料。控制经处理材料压紧组件390的向下压力的压力调节器396被附接到外壳310的侧面。

图4描绘了根据所公开的技术的彼此相对放置的超声探头、砧座、固结材料层和待固结材料层的第一示例性构造。在构造400中，超声探头426定位在刚性砧座440上方或紧邻刚性砧座440；预定数量或“N”层的固结材料450被放置在刚性砧座440上；预定数量或“N”层的待固结材料460被放置在固结材料450上。实际层数将由多种因素决定，包括用于固结材料的一种或多种具体材料、被固结的一种或多种具体材料、以及使用所公开的技术制造的部件或零件的特性。在该实现方式中，当固结过程开始时，使超声探头426与待固结材料的最上层460接触。

图5描绘了根据所公开的技术的彼此相对放置的超声探头、砧座、固结材料层和待固结材料层的第二示例构造。在构造500中，超声探头526被定位在刚性砧座540上方或紧邻刚性砧座540；第一预定数量或“N”层的固结材料550被放置在刚性砧座540上；预定数量或“N”层的待固结材料560被放置在固结材料550上；并且第二预定数量或“N”层的固结材料555被放置在待固结材料560上。实际层数将由多种因素决定，包括用于固结材料的一种或多种具体材料、被固结的一种或多种具体材料、以及使用所公开的技术制造的部件或零件的特性。在该实施方式中，当固结过程开始时，使超声探头526与第二预定数量或“N”层的固结材料555的最上层接触。

图6描绘了根据所公开的技术的彼此相对放置的超声探头、砧座、固结材料层和待固结材料层的第三示例性构造。在构造600中，超声探头626被定位在抱怨砧640上方或紧邻顺应性砧座640；第一预定数量或“N”层的固结材料650被放置在顺应性砧座640上；预定数量或“N”层的待固结材料660被放置在固结材料650上；并且第二预定数量或“N”层的固结材料655被放置在待固结材料660上。实际层数将由多种因素决定，包括用于固结材料的一种或多种特定材料、被固结的一种或多种具体材料、以及使用所公开的技术制造的部件或零件的特性。在该实施方式中，当固结过程开始时，使超声探头626与固结材料655的第二预定数量或“N”层的最上层接触。

图7描绘了根据所公开的技术的彼此相对放置的超声探头、砧座和待固结材料层的第四示例性构造。在构造700中，超声探头726被定位顺应性砧座740上方或紧邻顺应性砧座740，并且预定数量或“N”层的待固结材料760被放置在顺应性砧座740上。实际层数将由各种因素决定，包括被固结的具体材料和使用所公开的技术制造的部件或零件的特性。在该实施方式中，当固结过程开始时，使超声探头726与待固结材料760的最上层接触。

图8描绘了根据所公开的技术的彼此相对放置的超声探头、砧座、固结材料层和待固结材料层的第五示例性构造。在构造800中，超声探头826被定位在顺应性砧座840上方或紧邻顺应性砧座840，并且预定数量或“N”层的待固结材料860被放置在顺应性砧座840上。实际层数将由各种因素决定，包括被固结的具体材料和使用所公开的技术制造的部件或零件的特性。在该实施方式中，当固结过程开始时，使超声探头826与待固结材料860的最上层接触。构造800还包括使用位于超声探头的任一侧的两个砧座，用于在待固结的材料上施加向下的力(860)，以及用于加热或冷却经固结的材料。如在图8中所示，引入材料(预固结)砧座880包括热电偶882；以及加热和冷却通道或元件884。出射材(固结后)砧座890包括热电偶892；以及加热和冷却通道或元件894。

所公开的技术的重要方面是结合控制超声处理参数来控制处理运动。关于超声处理的主要变量包括但不限于：超声振幅、施加的力和总能量(即每单位面积的能量)。机器具体参数解决或控制超声输入何时发生，处理台何时开始移动以及处理速度。提供给操作者的控制系统允许产生影响焊接/固结质量的独特加工条件。这些控制特征包括：(i)超声激活；(ii)针对编程力的头部致动；以及(iii)焊接动作，其中延迟定时器作为所有三个控制特征的方面。使用这些控制特征，操作者可以确定何时施加力以及施加多长时间。然后可以在引起运动之前的预定时间段内触发超声波。另外，这些控制特征被改变，使得在施加任何力之前启动超声波。然后，可以以编程值施加力，并且可以根据需要启动运动。所公开的技术所提供的优点包括与其它固结处理相比有所降低的功耗和处理时间。

本申请中引用的所有文献和类似材料，包括但不限于专利、专利申请、文章、书籍、论文和网页，无论这些文献和类似材料的格式如何，都通过引用明确地整体并入。如果所并入的参考文献和类似材料中的一者或多种不同于或抵触本申请，包括(但不限于)所定义的术语、术语使用、所描述的技术等，则以本申请为准。

如先前所陈述且如本文所使用，单数形式“一”，“一个”和“所述”是指单数以及复数，除非上下文另外明确指示。本文所用的术语“包含”与“包括”、“含有”或“特征在于”同义，并且是包括性的或开放式的，并且不排除另外的、未列举的要素或方法步骤。尽管可以使用与本文所述的那些类似或等同的许多方法和材料，但本文描述了特别合适的方法和材料。除非上下文另有说明，由端点表述的数值范围包括该范围内包含的所有数值。此外，对“一个实施方式”的引用不旨在被解释为排除还并入了所述特征的附加实施方式的存在。此外，除非明确地相反陈述，否则实施方式“包括”或“具有”具有拥有特定属性的元件或多个元件可包括附加元件，无论它们是否拥有该属性。

如果或当在整个说明书中使用时，术语“基本上”和“约”描述并说明小的波动，例如由于加工的变化。例如，这些术语可以指小于或等于±5％，例如小于或等于±2％，例如小于或等于±1％，例如小于或等于±0.5％，例如小于或等于±0.2％，例如小于或等于±0.1％，例如小于或等于±0.05％，和/或0％。

下划线和/或斜体的标题和副标题仅为了方便而使用，不限制所公开的主题，并且不结合对所公开的主题的描述的解释来提及。本公开通篇描述的各种实现方式的元件的所有结构和功能等效物(其对于本领域普通技术人员是已知的或稍后将是已知的)通过引用明确地并入于此并且旨在由所公开的主题所涵盖。此外，本文所公开的任何内容都不旨在专用于公众，而不管这种公开内容是否在以上描述中明确地叙述。

可以有许多替换方式来实现所公开的技术。在不脱离所公开的技术的范围的情况下，这里描述的各种功能和元件可以与所示出的不同地划分。这里定义的一般原理可以应用于其它实现方式。可以采用不同数量的给定模块或单元，可以采用不同类型的给定模块或单元，可以添加给定模块或单元，或者可以省略给定模块或单元。

此外，应当注意，这些实施方式可以被描述为被描绘为流程图、流图、数据流图、结构图或框图的过程。尽管流程图可将操作描述为顺序过程，但许多操作可并行或同时执行。此外，可以重新安排操作的顺序。过程在其操作完成时终止，但可具有图中未包含的额外步骤。过程可对应于方法、函数、过程、子例程、子程序等。当过程对应于函数时，其终止对应于函数返回到调用函数或主函数。

关于本公开，术语“多个”是指两个或多于两个。除非另外清楚地定义，否则由诸如“上”和“下”的术语指示的取向或位置关系是基于附图中所示的取向或位置关系，仅为了便于描述所公开的技术并简化描述，而不是指示或暗示所提及的装置或元件必须处于特定取向或在特定取向中构造或操作，并且因此它们不应被解释为限制所公开的技术。术语“连接”，“安装”，“固定”等应在广义上理解。例如，“连接”可以是固定连接、可拆卸连接或整体连接；直接连接，或通过中间介质的间接连接。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据具体情况来理解所公开的技术中的上述术语的具体含义。

应了解，前述概念和本文中更详细论述的附加概念的所有组合(假定此类概念不相互不一致)预期为所揭示技术的一部分。特别地，在本公开结束时出现的所要求保护的主题的所有组合被认为是本文公开的技术的一部分。虽然已经通过示例实施方式的描述示出了所公开的技术，并且虽然已经以特定细节描述了示例实施方式，但是并不意图限制所附权利要求的范围或以任何方式限制到这样的细节。其它优点和修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，所公开的技术在其更广泛的方面不限于所示出和描述的任何具体细节、代表性设备和方法和/或说明性示例。因此，在不脱离本发明总体构思的精神或范围的情况下，可以对这些细节进行偏离。

Claims (20)

1.一种用于固结材料的系统，包括：

(A)超声探头，其被配置成将超声能量引导到待固结材料中，其中所述待固结材料具有玻璃化转变温度和熔融温度两者；

(b)在所述超声探头附近的非刚性固结材料，其中所述非刚性固结材料和所述超声探头在其间限定用于容纳所述待固结材料的区域，以及

(c)其中所述非刚性固结材料具有高于所述待固结材料的所述玻璃化转变温度的玻璃化转变温度和高于所述待固结材料的所述熔融温度的熔融温度。

2.如权利要求1所述的系统，还包括用于支撑所述非刚性固结材料的刚性砧座。

3.如权利要求1所述的系统，还包括力传感器和热传感器中的至少一者。

4.如权利要求1所述的系统，还包括位于所述超声探头的一侧上的引入材料砧座和位于所述超声探头的相对侧上的引出材料砧座，其中所述砧座被配置成在被固结的材料上提供压缩力，并且其中所述砧座被配置成冷却或加热所述被固结的材料。

5.如权利要求1所述的系统，还包括至少一个超声换能器，所述至少一个超声换能器被配置成向所述超声探头提供超声能量，其中所述至少一个超声换能器安装在铰接式壳体中，并且其中所述铰接式壳体被配置成向所述超声探头提供压缩力和相对于所述待固结材料的布置的变化的接触角。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述超声探头包括圆角或锥形面轮廓，并且其中所述超声探头被配置成用于固结预定宽度的窄部件或预定宽度的宽部件。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述超声探头包括被配置成接触被固结的材料的集成式压紧结构。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述待固结材料是热塑性材料、热固性材料或碳纤维增强聚合物。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述待固结材料被配置成材料层、材料片或预固结结构。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述非刚性固结材料包括热塑性材料、热固性材料、硅树脂、聚酰胺、氨基甲酸酯、橡胶、玻璃编织片、玻璃、碳纤维材料以及它们的组合。

11.如权利要求1所述的系统，其中所述非刚性固结材料被配置成材料层或材料片。

12.如权利要求1所述的系统，其中所述非刚性固结材料的肖氏A硬度在40至100之间。

13.一种用于固结材料的系统，包括：

(A)至少一个超声换能器，所述至少一个超声换能器被配置成向超声探头提供超声能量，其中所述至少一个超声换能器被安装在铰接式壳体中，所述铰接式壳体被配置成向所述超声探头提供压缩力和相对于所述待固结材料的布置的变化的接触角，其中所述超声探头被配置成将超声能量引导到待固结材料中，并且其中所述待固结材料具有玻璃化转变温度和熔融温度两者；

(b)在所述超声探头附近的非刚性固结材料，其中所述非刚性固结材料和所述超声探头在其间限定用于容纳所述待固结材料的区域，并且其中所述非刚性固结材料具有高于所述待固结材料的所述玻璃化转变温度的玻璃化转变温度和高于所述待固结材料的所述熔融温度的熔融温度；以及

(c)位于所述超声探头一侧上的引入材料砧座和位于所述超声探头的相对侧上的引出材料砧座，其中所述砧座被配置为在被固结的材料上提供附加的压缩力，并且其中所述砧座被配置为冷却或加热所述被固结的材料。

14.如权利要求13所述的系统，还包括用于支撑所述非刚性固结材料的刚性砧座。

15.如权利要求13所述的系统，还包括至少一个力传感器和至少一个热传感器。

16.如权利要求13所述的系统，其中所述超声探头包括圆角或锥形面轮廓，其中所述超声探头被配置成用于固结预定宽度的窄部件或预定宽度的宽部件，并且其中所述超声探头包括被配置成接触所述被固结的材料的集成式压紧结构。

17.如权利要求13所述的系统，其中所述待固结材料是热塑性材料、热固性材料或碳纤维增强聚合物，并且其中所述待固结材料被配置为材料层或材料片。

18.如权利要求13所述的系统，其中所述非刚性固结材料包括热塑性材料、热固性材料、硅树脂，聚酰胺、氨基甲酸酯、橡胶、玻璃编织片、玻璃、碳纤维材料以及它们的组合，并且其中所述非刚性固结材料被配置成材料层、材料片或预固结结构。

19.如权利要求13所述的系统，其中所述非刚性固结材料的肖氏A硬度在40至100之间。

20.一种用于固结材料的方法，包括：

(A)配置超声探头以将超声能量引导到待固结材料中并在所述待固结材料上施加压缩力，其中所述待固结材料具有玻璃化转变温度和熔融温度两者；

(b)将非刚性固结材料放置在所述超声探头附近，其中所述非刚性固结材料和所述超声探头在其间限定用于容纳所述待固结材料的区域，并且其中所述非刚性固结材料具有高于所述待固结材料的所述玻璃化转变温度的玻璃化转变温度和高于所述待固结材料的所述熔融温度的熔融温度；以及

(c)通过激活所述超声探头并在压缩力下以预定角度使所述超声探头跨所述待固结材料移动，来接合所述待固结材料。