CN1295070C - 具有改进强度的摩擦焊接热塑制品 - Google Patents

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Abstract

一种摩擦焊接的填充的热塑制品，其通过限制熔融材料从工件之间的间隙横向流出来加强，因此，从熔化开始至固化开始保持了基本深度的熔池。限制材料横向流出的阻挡物是在其中一个工件的每个侧边缘上的基本上矩形横截面的障碍物(突出部分)，而另一个工件具有基本上平的配合表面。

Description

具有改进强度的摩擦焊接热塑制品
              相关的申请的交叉参考
本申请涉及1999年11月15日申请的名为“多用途通用焊接测试系统”，申请序列号为09/443595的一个共同的待审查申请。
                 本发明的背景
1.技术领域
本发明涉及热塑制品的焊接；特别是涉及具有改进强度的包括摩擦焊接对接接头的热塑制品和形成焊接接头的方法。
2.背景技术
在本领域中，热塑构件的摩擦焊接已经良好的实现。摩擦焊接包括线性振动焊接技术、轨迹焊接技术和旋转焊接技术。对于这些技术中的每一种，将两个待焊接的工件放置以叠置并列的关系，在工件之间施加压力，然后在两个工件之间的交界面上彼此相对作振动、轨道运动或旋转运动，从而实施该焊接方法。交界面的摩擦加热导致熔化区中的热塑材料的熔化和流动。运动停止后，随后在压力下冷却，在熔化区内的材料的固化形成了工件之间的一个焊接接头。
待焊接部件通常具有不同厚度。典型地，在焊接区中，一个部件可以是2至4mm厚，而另一个部件是4至6mm厚。
振动焊接法的现象学已经描述和分析过。参见V.K.Stokes著，“Vibration Welding of Thermoplastics，Part I：Phenomenology ofthe Welding Process”，Polymer Engineering and Science，28，718(1988)；“Vibration Welding of Thermoplastics，Part II：Analysisof the Welding  Process”，Polymer Engineering and Science，28，728(1988)。Stokes将焊接法描述为发生在四个阶段：
1)通过摩擦加热交界面；
2)熔化和在横过振动的方向上向外流动；
3)固体的熔化率等于熔融材料的流出的该稳定状态；和
4)当振动停止时熔融材料的固化。
在焊接操作过程中从接头挤出的熔融材料不同地被称为“溢料(flash)”或“隆起(flush)”。如果在完成的部件中溢料的存在是有害的，那么在焊接后就需要独立的操作来去掉该溢料。作为替换，待焊接的部件可采用看起来遮掩溢料的“溢料阱”。
摩擦焊接区的强度是许多参数的复变函数。这些参数是振动(纵向、横向、角向、轨道)的振动频率、幅度和方向，垂直于工件之间的交界面的压力，焊接时间或焊透深度(熔化深度)和保持或冷却时间。这些参数中的部分参数对若干未填充热塑性塑料的强度的影响已经记录在V.K.Stokes著，“Vibration Welding of Thermoplastics，PartIV：Strengths of Poly(Butylene Terepthalate)，Polyetherimideand Modified Polyphenylene Oxide Butt Welds”，Polymer Engineeringand Science，28，998(1988)。
对于许多用途，例如汽车车盖用途、动力工具和其它装置，有必要在基本热塑材料中采用加强纤维。这些加强纤维，例如玻璃纤维、碳纤维、金属纤维、芳族聚酰胺纤维或其它纤维大大增加了基础树脂的强度、刚度和热扭变温度。这些加强纤维的存在影响并使焊接处理参数与待连接热塑材料中的焊接强度之间的关系复杂化。V.Kagan等在下文描述了这种填充热塑性塑料的振动焊接，即“The Optimized Performanceof Linear Vibration Welded Nylon 6 and Nylon 66 Butt Joints”，Plastics-Racing into the Future，Proceedings of the SPE 54th AnnualTechnical Conference and Exhibits，1266-1274页，1996，并参见第5874146号美国专利，该专利公开文本在此提供作为参考。人们已经发现在最佳焊接处理条件下，并且，来自其中一个工件的纤维刺入焊缝并进入另一个工件内，焊缝达到最大的抗张强度。在并非最佳处理条件下，加强纤维不能跨过焊缝区域，结果，焊缝的强度较低。
在每个的上述研究中，待焊接的工件具有严格的平面的相对表面。无需再说明平面的初始交界面的几何形状是具有优点的，实际上在“Vibration Welding of Thermoplastics，Part I：Phenomenology ofthe Welding Process”，Polymer Engineering and Science，28，718(1988)的第718页第1栏、第二自然段中，如作者所述，“振动焊接方法理想地适合热塑部件沿相对平的接缝焊接。该方法还适合平面外曲率较小的接缝。”这样，作者指出非平面纵向交界面是不利于被“接纳”的。但作者没有对待焊接部件的横截面的几何形状提出建议。
许多公开文件已经提出了热塑制品的摩擦焊接方法。
法国专利2713540描述了一种空心部件的隐蔽的焊接接头，它通过构成的元件的周边振动焊接制成。该参考文件公开了一种溢料阱，它具有足够的体积，以容纳和从外部看去隐藏溢料(或毛边)，该溢料在焊接过程中从焊接区的周边出现。
日本公开专利JP 10-80952公开了一种通过振动熔融结合使结合在一起的树脂部件的结合强度提高的方法。在一个实施例中，第一和第二工件连接，每个第一和第二工件具有突缘部分。第一工件在其突缘部分具有突出部，该突出部与第二工件的突缘部分的接纳表面部分振动熔合。
美国专利4601927公开了一种摩擦焊接的热塑部件的方法。在焊接期间产生非均匀温度分布，这有效地阻碍了溢料从接头的边缘流出。在美国专利4601927中公开的方法的该方面导致接头至少部分应力被消除，并防止出现裂纹和破裂。
PCT专利申请WO97/17189公开了一种振动焊接热塑接头的改进的方法。通过在压力下沿其共有的交界面振动两个纤维增强的热塑部件来产生摩擦热，以使其表面熔化和融合在一起，从而实施焊接。来自至少一个表面的纤维渗透进焊缝和另一个表面中。结果，焊接的纤维增强的热塑表面比以前获得的表面增加了抗张强度。根据该发明的增强的热塑表面的振动焊接获得最大的抗张强度，该抗张强度高达由对应的热塑材料的未增强的表面形成的焊缝的约120％。
将本发明的方法和制品与超声焊接和超声焊接制品进行对照。在超声焊接中，通常利用超声喇叭，在垂直于焊接平面的方向上而不是在焊接平面上施以振动。超声喇叭是较低的能量源。结果，与摩擦焊接相反，超声焊接仅适合较小的部件或点焊。
为了工件吸收的超声波能量足以导致局部熔融，有必要使能通量集中。这是通过在其中一个工件的配合表面上设的突出部分，也被称为“能量导向器”来实现的。参见例如美国专利4618516。
在超声波焊接时的能量导向器或突出部分是使能通量集中的一种方式。在设计准备超声波焊接的部件时，通常使用一个单独的纵向能量导向器(小或大)(参见“Specification for Standardized UltrasonicTest Specimen for Thermoplastics”，American Welding Society，AWS G1.2m/G1.2：1999，美国国家标准，第5部分，第3页)。在特定情况下尽管可使用多于一个的能量导向器，通常不用这样做，因为多于一个的能量导向器使已经微弱的能量源分散，并使焊接困难且缓慢。但在美国专利5540808中可以找到一个例外，这里使用了双能量导向器来将刚性材料焊接到一种容易熔化的柔性材料上。可以看到，这些能量导向器的几何形状、目的和功能与本发明的矩形边缘突出部分的几何形状、目的和功能不同。
希望提供一种焊接热塑制品的方法，以便在非最佳条件下获得高强结合。所希望的是该方法是否适合于焊接刚性、纤维增强热塑性塑料。该方法是否适合形成基本尺寸的焊接，这也是希望的。特别需要的是强的、摩擦焊接的、刚性的、纤维增强的热塑制品。
                     发明内容
本发明提供一种具有改进强度的摩擦焊接增强的热塑制品。这是通过限制熔融材料从工件之间的间隙横向流出，以便从熔化开始至固化开始充分保持基本深度的熔池来实现的。通过在其中一个工件的每个侧边缘设置基本上矩形横截面的阻挡部(突出部分)，实现限制材料从工件之间的间隙横向流出，而另一个工件具有基本上平的配合表面。
一般说来，本发明提供包括第一热塑工件和第二热塑工件的摩擦焊接的热塑制品。每个所述第一和第二热塑工件具有配合表面。第一热塑工件的配合表面和第二热塑工件的配合表面在熔化区连结。在焊接前，第一工件的配合表面已包括限制熔融物从工件之间横向流出的阻挡物。所述第二工件的配合表面基本上为平面的。
特别是，根据本发明提供一种振动焊接热塑制品，它包括：一个第一热塑工件和一个第二热塑工件，每个所述第一和第二热塑工件具有配合表面；所述第一热塑工件的所述配合表面和所述第二热塑工件的所述配合表面在熔化区连结；在焊接前，所述第一工件的所述配合表面已包括限制熔融物从工件之间横向流出的阻挡物，且所述第二工件的配合表面基本上为平面的；限制熔融物从工件之间横向流出的阻挡物是沿第一工件的每个侧边缘的基本上矩形的突出部分；其中，每个所述突出部分的厚度为第一工件的厚度的约5％至约35％；而每个所述突出部分相对于初始的配合表面上的最低点的高度为熔化区尺寸的至少约25％。
本发明还提供有一种振动焊接的热塑制品，它包括：一个第一热塑工件和一个第二热塑工件，每个所述第一和第二热塑工件具有配合表面；所述第一热塑工件的配合表面和所述第二热塑工件的配合表面在熔化区连结；在焊接前，所述第一工件的所述配合表面已包括限制熔融物从工件之间横向流出的阻挡物，且所述第二工件的配合表面基本上为平面的；限制熔融物从工件之间横向流出的阻挡物是沿第一工件的每个侧边缘的基本上矩形的突出部分；其中，每个所述突出部分的厚度为第一工件的厚度的约5％至约35％；在焊接前，矩形突出部分的上边之间的一条线和它们之间的材料表面限定的空间的横截面面积是第一工件的厚度与熔化区的尺寸的乘积的至少约15％。
本发明还提供一种制备具有改进强度的摩擦焊接且增强的热塑制品的方法，该方法是限制熔融材料从工件之间的间隙横向流出，从而从熔化开始至固化开始在工件之间保持基本深度的熔池。
通过下述方法实现第一热塑工件摩擦焊接到第二热塑工件上，该方法的步骤包括：在压缩的夹紧压力下将第一和第二工件压到一起；在平行于其交界面的一个平面内使第一工件相对于第二工件运动，以便充分摩擦加热该交界面；使第一和第二工件的交界表面熔化以形成熔化区；提供一个装置以限制熔融材料从所述交界表面之间的间隙横向流出；和从熔化开始至固化开始在工件之间保持基本深度的熔池。
本发明提供一种摩擦焊接的热塑制品，它包括一种第一热塑工件和一种第二热塑工件，每个所述第一和第二热塑工件具有配合表面，其特征在于，所述第一热塑工件和所述第二热塑工件中的至少一个包括纤维增强的热塑性塑料；所述第一热塑工件的所述配合表面和所述第二热塑工件的所述配合表面在熔化区连结；在焊接前，所述第一热塑工件的所述配合表面包括限制熔融物从所述热塑工件之间横向流出的阻挡物，所述第二热塑工件的所述配合表面基本上为平面；限制熔融物从所述热塑工件之间横向流出的阻挡物是沿所述第一热塑工件的每个侧边缘的基本上矩形的突出部分；每个所述突出部分的厚度为第一热塑工件的厚度的5％至35％之间；和每个所述突出部分相对于初始配合表面的最低点的高度是熔化区的尺寸的至少25％。在其他方面，所述第一热塑工件的配合表面沿其长度具有波状起伏或波，所述波状起伏的幅度是少于熔化区的800％。每个所述第一和第二热塑工件包括热塑聚合物，所述热塑聚合物选自一个由聚酰胺、聚酯、聚砜、聚酰亚胺、聚氨酯、聚醚、聚烯烃及其混合物组成的组中。在焊接前，矩形突出部分的上边缘之间的一条线和它们之间的材料表面所限定的空间的横截面面积是所述第一热塑工件的厚度与熔化区的尺寸的乘积的至少约15％。所述纤维包括具有比它所加强的热塑聚合物高至少50℃的熔点的材料。每个所述第一和第二热塑工件包括纤维增强的热塑性塑料。所述聚酯是聚碳酸酯。所述聚烯烃是乙烯基聚合物。
本发明还提供一种焊接第一热塑工件和第二热塑工件的方法，所述热塑工件成叠置并列关系并在压缩的压紧压力下压到一起，每个所述热塑工件具有配合表面，其特征在于，所述方法的步骤包括在平行于其交界面的一个平面内使所述第一热塑工件相对于所述第二热塑工件充分运动，以便摩擦加热所述交界面，并使所述第一和第二热塑工件的交界表面熔化以形成熔化区；提供一个限制装置以限制熔融材料从所述交界表面之间的间隙横向流出，所述限制装置是沿所述第一热塑工件的每个侧边缘的基本上矩形突出部分，每个所述突出部分的厚度为第一热塑工件的厚度的5％至35％，每个所述突出部分相对于初始的配合表面上的最低点的高度为熔化区的尺寸的至少25％，所述第二热塑工件的所述配合表面基本上是平的；从熔化开始至固化开始在所述热塑工件之间保持有熔池；和所述第一热塑工件和所述第二热塑工件中的至少一个包括纤维增强的热塑性塑料。在其他方面，在焊接前，矩形突出部分的上边缘之间的一条线和它们之间的材料表面所限定的空间的横截面面积是所述第一热塑工件的厚度与熔化区的尺寸的乘积的至少约15％。所述第一和第二热塑工件之间的相对运动是线性振动运动。所述第一和第二热塑工件之间的相对运动是轨迹运动。所述第一和第二热塑工件之间的相对运动是旋转运动。每个所述热塑工件包括热塑聚合物，所述热塑聚合物选自由聚酰胺、聚酯、聚砜、聚酰亚胺、聚氨酯、聚醚、聚烯烃及其混合物组成的组中。每个所述热塑工件包括聚酰胺。每个所述第一和第二热塑工件包括纤维增强的热塑性塑料。所述聚酯是聚碳酸酯。所述聚烯烃是乙烯基聚合物。
本发明的制品对于汽车应用来说具有改进的实用性，例如用于进气歧管、汽车横梁、共振器、流体箱和空气滤清器外壳。这种制品也可以很好地适用于许多其它用途，例如草坪和园艺设备和动力工具。
                   附图说明
参考附图及下面的详细说明，将更容易理解本发明及其优点，在整个附图中相同的参考标记表示相同的元件。附图中：
图1a是具有平表面的第一工件的透视图，该第一工件与也具有平的配合表面的第二工件(未表示)配合；
图1b是沿线A-A的该第一工件的截面视图，图1a和1b中表示的交界面几何形状是对比实例；
图2a是具有三角形“齿”的第一工件的透视图，该三角形“齿”沿与具有平的配合表面的第二工件(未表示)配合的表面分布；
图2b是在图2a中沿线A-A截取的第一工件的截面图，图2a和2b中表示的交界面几何形状是对比实例；
图3a是具有凸起的“隆起”的第一工件的透视图，该凸起的“隆起”沿与具有平的配合表面的第二工件(未表示)配合的表面分布；
图3b是在图3a中沿线A-A截取的第一工件的截面图，图3a和3b中表示的交界面几何形状是对比实例；
图4a是第一工件和第二工件的透视图，沿着与具有基本上平的配合表面的第二工件(未表示)配合的表面，第一工件在其侧面的每个边缘具有矩形突出部分并在所述矩形突出部分之间具有平滑凹槽；
图4b是在图4a中沿线A-A截取的第一和第二工件的截面图，图4a和4b中表示的交界面几何形状是本发明的一个实例；
图5a是在其侧面的每个边缘具有矩形突出部分并在所述矩形突出部分之间具有两个半圆凹槽的第一工件的透视图，该矩形突出部分和半圆凹槽沿与具有基本上平的配合表面的第二工件(未表示)配合的表面分布；
图5b是在图5a中沿线A-A截取的第一工件的截面图，图5a和5b中表示的交界面几何形状是本发明的一个实例；
图6a是在其侧面的每个边缘具有矩形突出部分并在所述矩形突出部分之间具有平滑凹槽的第一工件的透视图，该矩形突出部分和平滑凹槽沿配合表面分布，第一工件的配合表面沿其长度具有波状起伏或波，第一工件适合与具有基本上平的配合表面的第二工件(未表示)配合；
图6b和6c分别是沿线A-A和B-B截取的该第一工件的截面图，图6a，6b和6c中表示的交界面几何形状是本发明的一个实例；
图7a是在其侧面的每个边缘具有矩形突出部分并在所述矩形突出部分之间具有两个半圆凹槽的第一工件的透视图，该矩形突出部分和半圆凹槽沿配合表面分布，第一工件的配合表面沿其长度具有波状起伏或波，第一工件适合与具有基本上平的配合表面的第二工件(未表示)配合；
图7b和7c分别是图7a中沿线A-A和B-B截取的该第一工件的截面图，图7a，7b和7c中表示的交界面几何形状是本发明的一个实例；
图8a是在其侧面的每个边缘具有矩形突出部分并在所述矩形突出部分之间具有多个凹槽的第一工件的透视图，该矩形突出部分和凹槽沿与具有基本上平的配合表面的第二工件(未表示)配合的表面分布；
图8b是在图8a中沿线A-A截取的第一工件的截面图，图8a和8b中表示的交界面几何形状是本发明的一个实例；
图9是已有技术的具有溢料阱的复杂的对接接头的截面图，该截面示意性图示了当平表面摩擦焊接时产生的大量溢料；和
图10是本发明的复杂的对接接头的截面图，该截面示意性图示了溢料如何减少和熔池存在于矩形边缘突出部分之间的区域内。
                  具体实施方式
本发明提供一种摩擦焊接的增强的改进强度的热塑制品，它是通过限制熔融材料从工件之间的间隙向外横向流出，以便从熔化开始至固化开始保持基本深度的熔池来增强的。特别是，通过在其中一个工件的每个侧边缘设置基本上矩形横截面的阻挡物(突出部分)，实现限制材料从工件之间的间隙横向流出，同时，另一个工件具有基本上平的配合表面。
本发明还提供一种制备改进强度的摩擦焊接且填满增强的热塑制品的方法，该方法是限制熔融材料从工件之间的间隙横向流出，从而从熔化开始至固化开始在工件之间保持基本深度的熔池。
在本领域中摩擦焊接技术和实施摩擦焊接的设备是公知的。摩擦焊接机(线性振动焊、轨迹焊、旋转焊)市场上可从北美、亚洲、欧洲等的跨国公司(Branson Ultrasonics，Forward Technologies，Inc，Bielomatik，etc.)购得。例如，Branson Ultrasonics Corporation，Danbury，Conn.制造出线性振动焊接机，该焊接机名为VW/8UH型号的Ultra HY-Line的微型振动焊接机，和型号为VW/6的90系列的振动焊接机。
通过使第一热塑工件和第二热塑工件在压缩夹紧力作用下接触可实现摩擦焊接。例如通过在气缸或液压缸施加的压力作用下将配合表面置于平台上，使该配合表面保持预定的夹紧力。然后，使一个表面相对于另一个表面运动，以产生摩擦，从而产生热，这样，在“熔化”区内第一工件和第二工件的表面熔化，且将热塑材料混合和熔合。熔化区的尺寸由提供夹紧力的相对的平台的线性运动测量，并通过适当的机器调整来控制。
夹紧力是其中一个重要的参数。当热塑材料用短纤维例如玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维或其它纤维加强时，相对的工件的材料混合的方式变得非常重要。在焊接前，典型地，热塑材料中的纤维随机取向，即没有优选的朝向。然而，如果不仔细注意焊接条件，相对运动会导致焊接区内的纤维变得仅在焊接的平面内取向。这导致较低的强度和机械性能，比较而言，如果焊接条件最佳，将导致纤维不仅渗透进焊接区，而且渗透相对的工件内，这会导致较高的强度和机械性能。
不幸的是，并不能总是获得最佳的焊接条件。必要的压缩夹紧力的大小取决于塑料部件的尺寸和几何形状，还取决于在以前的模制操作过程中热塑件的空间稳定性。实际上，待连结的工件经常模制出突出部、壁和肋，这导致要配合的表面产生不同的收缩和变形。许多应用需要焊接接头与外界隔绝密封。在这些情况下，必须使用比最佳夹紧力高的夹紧力，以便使配合表面均匀接触。该比最佳夹紧力高的夹紧力使交界面的剪切应力增加，增强了纤维在焊接的平面内定向的趋势，并降低了获得的抗张强度。
焊接强度对夹紧力的这种灵敏度由下表1中的数据说明，该数据由每个工件上的平面的交界面几何形状获得。表1的焊接由BransonUltrasonics Corp.的Mini Welder II通过纵向振动焊接来实现，该焊接机的额定频率为240Hz，振动幅度为1.8mm，和熔化1.5mm。使用的材料是New Jersey的Morristown的Honeywell International Inc.的Capron_nylon 6。
                      表1
     Capron_8233G HS BK-102，nylon 6，33wt.％
玻璃纤维在室温下，夹紧力(MPa)对焊缝抗张强度的影响增强
  夹紧力，MPa   焊缝抗张强度，MPa
  0.66   73.7
  0.86   85.2
  1.28   80.3
  2.17   77.6
  3.5   65
  5.6   58.2
  6.4   46.8
没有任何特定理论的限制，假定比最佳夹紧力高的夹紧力产生的效果与具有太低的焊缝交界面厚度的效果类似，这可能导致纤维旋转的空间不够，因此，限制纤维横穿交界面并渗透进入相对的工件中。
与该趋势相反，在本发明中，初始的交界面几何形状构造成限制熔融材料从工件之间的间隙向外横向流出，从熔化开始至固化开始保持基本深度的熔池(对比图9和图10)。
根据本发明，待焊接的两个热塑工件包括任意相容的热塑聚合材料。适当的热塑聚合物非限定地包括聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰亚胺、聚氨酯、聚醚、聚烯烃、乙烯基聚合物、及其混合物。优选的是聚酰胺如尼龙6和尼龙66，例如New Jersey的Morristown的HoneywellInternational Inc.的Capron_8233G HS nylon 6和Capron_5233GHS nylon 66，以及聚酯，例如购自Honeywell International Inc.的Petra_130聚对苯二甲酸乙二醇酯。只要适当地混合，还可使用不同的热塑材料。至少一种，最好两种热塑材料经过纤维增强。适当地增强纤维非限定地包括不软化的材料，即通常在喷射模制法使用的温度例如至多约400度的温度下不失去其刚性的材料。最好，纤维增强包括例如玻璃、碳、硅、金属、矿物、聚合纤维及其混合物的材料的纤维增强是优选的。玻璃纤维增强是最优选的。在优选实施例中，纤维是刚性的，并具有从约8至约12微米的直径，较好的是从约9至约11微米，最好是约10微米。优选的纤维长度是从约120至约300微米，较好的是从约130至约250微米，最好是从约140至约200微米。在优选实施例中，纤维包括重量百分比为从约6％至约63％的热塑成分，较好的是从约10％至约40％，最好是从约14％至约25％。
参见图4a和4b，图示了根据本发明的连结的工件。第一工件10具有初始配合表面14和在其每个侧边缘的基本上矩形的突出部分18。第二工件12具有基本上平的配合表面16。通过使第一工件和第二工件的相应的配合表面设置成并列关系，在压缩的夹紧压力下使工件压到一起，在平行于其交界面的平面内使第一工件(10)相对于第二工件(12)充分移动，以便摩擦加热交界面，并使第一和第二工件的交界表面熔化，以形成熔化区20，并允许熔化区固化，从而使第一工件10和第二工件12连结。
根据本发明，第一工件10的突出部分18的厚度与工件的厚度成比例关系。每个突出部分18的厚度(在图4-7中为尺寸t；在图8中为尺寸t1)典型的在工件10的厚度(在图4-8中为尺寸W1)的约5％至约35％之间。
Figure C0081917400151
Figure C0081917400152
最好，每个突出部分18的厚度为第一工件10的厚度的约10％至约20％之间。
Figure C0081917400153
Figure C0081917400154
每个突出部分18相对于初始配合表面14上的最低点的高度(图4-8中为h)应该与理想的熔化深度(MD)成比例。每个突出部分的高度通常为熔化深度的至少约25％，最好为熔化深度的至少约33％。
h/MD≥0.25；最好，h/MD≥0.33
作为替换，第一工件10的初始配合表面14的几何形状可根据包含的最大熔池的体积相对于焊接所形成的熔融物的最大体积来限定。包含于矩形边突出部分18之间的最大熔池的体积等于工件10的长度乘以矩形突出部分18的上边缘之间的水平线和矩形突出部分18所限定的空间的边界以及它们之间的材料表面所限定的区域的横截面面积。该横截面面积称为A。焊接所形成的熔融物的最大体积是工件的长度乘以熔化深度(MD)乘以工件的厚度(W1)。因此，包含于矩形突出部分18之间的最大熔池的体积相对于焊接所产生的熔融物的最大体积之比是A/(MD×W1)。根据本发明，该比例至少约为0.15(15％)，最好是至少约0.20(20％)。
A/(MD×W1)≥0.15；最好，A/(MD×W1)≥0.20
还计划除了在每个侧边缘设基本上矩形突出部分18外，第一工件10可以沿其长度具有波状起伏或波。该波状起伏的幅度(峰至谷)是熔化深度的从约20％至约800％。
第二工件12将具有基本上平的配合表面16。在本发明的内容中，基本上平的配合表面是保持限制熔融物从两个工件的配合表面之间流出的平面。在靠近第一工件10的矩形突出部分18的区域，第二工件12可以具有一些凸起或者凹陷，只要偏离平面小于约1mm，最好小于约0.5mm。
下面的非限定性的实例用来说明本发明。应该认识到，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的实质的前提下，本发明的元件和比例可做修改。
                   实例和对比实例
一系列线性振动焊接制品利用不同纤维加强的热塑材料和不同初始交界面几何形状的喷射模塑板制成，它们都采用了下列固定条件：
接头类型：采用相同热塑性塑料的对接接头
焊接机/焊接设备：Branson Ultrasonic’Corp.，型号为Mini WelderII
模制板的初始尺寸
-第一工件：宽度(W1)×长度(L)×厚度(T)：
15.24cm×6.35cm×0.396cm
-第二工件：宽度(W2)×长度(L)×厚度(T)：
15.24cm×6.35cm×0.624cm
焊接板的尺寸：(W×L)：15.24cm×12.7cm
工件1的初始交界面设计：见表2
工件2的初始交界面设计：平的
焊接条件
振动频率：240Hz(额定)
振动幅度：1.77mm
焊接夹紧力：3MPa
振动方向：板的宽度(纵向)
焊接环境：标准实验室.大气压，23℃，50±5％R.H.
熔化深度：1.5mm
热塑材料：
Capron_8233G HS尼龙6，重量百分比为33％的玻璃纤维
Capron_8267G尼龙6，重量百分比为15％的玻璃纤维+25％的矿物质填料
Capron_RX-1104，尼龙6，重量百分比为33％的玻璃纤维
Zytel_70G33 HS 1L(DuPont)，尼龙66，重量百分比为33％的玻璃纤维
焊接板切割成1.27cm宽的条(矩形试样)，在5mm/分的应变速率(Strain Rate)和23℃的室温下，通过针对塑料的ISO 527/ASTMD 638测试方法来确定焊接接头的抗张强度。
如图中所示，对比实例和本发明的实例确定的抗张强度在下表2中显示。
                                         表2
                             焊接接头的抗张强度与交界面设计
                          焊接接头的抗张强度，MPa
                                 工件1的设计
  对比实例1   对比实例2   对比实例3   实例1   实例2
  “平”图1   “齿”图2   “突出部”图3   “平滑凹槽”图4   “凹槽”图5
  t/W1   -   -   -   0.19   0.13
  h/MD   -   -   -   0.33   0.42
  A/(W1×MD)   -   -   -   0.24   0.21
  材料
  Capron_8233GHS   69.03   70.09   67.64   76.08   74.95
  Capron_8267GHS   72.63   73.66   73.18   77.04   79.07
  Capron_RX-1104   66.91   69.76   59.06   71.99   72.78
  Zytel_73G30 HS 1L   71.90   75.77   72.57   76.56   75.96
  平均   70.12   72.32   68.11   75.42   75.69
  相对抗张强度   1.00   1.03   0.97   1.08   1.08
分析张力数据的变化表明本发明的实例和对比实例的抗张强度之间的非常显著的差别。从技术的角度来看，这种统计上的显著差别是非常有利的。
该数据说明初始交界面设计的构造的优点，该初始交界面设计成通过利用其中一个工件10的每个侧边缘上的基本上矩形横截面的阻挡物(突出部分18)，而另一个工件12具有基本上平的配合表面16，来限制熔融物从工件(10，12)之间的间隙横向流出。这可以多种方式看出。
与对比实例1相比，本发明的实例(实例1和实例2)具有较高的强度，且在两个工件上的初始配合表面是平的。本发明的实例与对比实例2相比具有较高的强度，它在初始配合表面的每个边缘上具有“齿”状突出部分。所有这些中的最大差别在于本发明的实例和对比实例3之间。在对比实例3中，第一工件具有倾向于加速熔融物流出工件之间的间隙的凸起的“隆起”。
实例3
焊接板如上面的实例1和2中一样利用图6的工件设计形成。焊接接头的抗张强度相对于对比实例1的是改进的。
实例4
焊接板如上面的实例1和2中一样利用图7的工件设计形成。焊接接头的抗张强度相对于对比实例1的是改进的。
经过这样详细的描述本发明，对本领域的普通技术人员来说，可以理解这种细节并非严格地限制本发明，在不超出附后的权利要求书所限定的本发明的范围的前提下，本发明可作进一步的修改和变化。

Claims (18)

1.一种摩擦焊接的热塑制品，它包括一种第一热塑工件(10)和一种第二热塑工件(12)，每个所述第一和第二热塑工件具有配合表面(14，16)，其特征在于，
a.所述第一热塑工件和所述第二热塑工件(10，12)中的至少一个包括纤维增强的热塑性塑料；
b.所述第一热塑工件(10)的所述配合表面(14)和所述第二热塑工件(12)的所述配合表面(16)在熔化区(20)连结；
c.在焊接前，所述第一热塑工件(10)的所述配合表面(14)包括限制熔融物从所述热塑工件之间横向流出的阻挡物，所述第二热塑工件(12)的所述配合表面(16)基本上为平面；
d.限制熔融物从所述热塑工件之间横向流出的阻挡物是沿所述第一热塑工件(10)的每个侧边缘的基本上矩形的突出部分(18)；
e.每个所述突出部分(18)的厚度为第一热塑工件(10)的厚度的5％至35％之间；和
f.每个所述突出部分(18)相对于初始配合表面(14)的最低点的高度是熔化区(20)的尺寸的至少25％。
2.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述第一热塑工件(10)的配合表面(14)沿其长度具有波状起伏或波，所述波状起伏的幅度是少于熔化区(20)的800％。
3.如权利要求1所述的制品，其特征在于，每个所述第一和第二热塑工件(10，12)包括热塑聚合物，所述热塑聚合物选自一个由聚酰胺、聚酯、聚砜、聚酰亚胺、聚氨酯、聚醚、聚烯烃及其混合物组成的组中。
4.如权利要求1所述的制品，其特征在于，在焊接前，矩形突出部分(18)的上边缘之间的一条线和它们之间的材料表面所限定的空间的横截面面积是第一热塑工件(10)的厚度与熔化区(20)的尺寸的乘积的至少约15％。
5.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述纤维包括具有比它所加强的热塑聚合物高至少50℃的熔点的材料。
6.如权利要求1所述的制品，其特征在于，每个所述第一和第二热塑工件(10，12)包括纤维增强的热塑性塑料。
7.如权利要求3所述的制品，其特征在于，所述聚酯是聚碳酸酯。
8.如权利要求3所述的制品，其特征在于，所述聚烯烃是乙烯基聚合物。
9.一种焊接第一热塑工件(10)和第二热塑工件(12)的方法，所述热塑工件成叠置并列关系并在压缩的压紧压力下压到一起，每个所述热塑工件具有配合表面(14，16)，其特征在于，所述方法的步骤包括：
a.在平行于其交界面的一个平面内使所述第一热塑工件(10)相对于所述第二热塑工件(12)充分运动，以便摩擦加热所述交界面，并使所述第一和第二热塑工件的交界表面熔化以形成熔化区(20)；
b.提供一个限制装置以限制熔融材料从所述交界表面之间的间隙横向流出，所述限制装置是沿所述第一热塑工件的每个侧边缘的基本上矩形突出部分(18)，每个所述突出部分的厚度为第一热塑工件的厚度的5％至35％，每个所述突出部分相对于初始的配合表面(14)上的最低点的高度为熔化区(20)的尺寸的至少25％，所述第二热塑工件(12)的所述配合表面(16)基本上是平的；
c.从熔化开始至固化开始在所述热塑工件(10，12)之间保持有熔池；和
d.所述第一热塑工件和所述第二热塑工件(10，12)中的至少一个包括纤维增强的热塑性塑料。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在焊接前，矩形突出部分(18)的上边缘之间的一条线和它们之间的材料表面所限定的空间的横截面面积是所述第一热塑工件(10)的厚度与熔化区(20)的尺寸的乘积的至少约15％。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一和第二热塑工件(10，12)之间的相对运动是线性振动运动。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一和第二热塑工件(10，12)之间的相对运动是轨迹运动。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一和第二热塑工件(10，12)之间的相对运动是旋转运动。
14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，每个所述热塑工件(10，12)包括热塑聚合物，所述热塑聚合物选自由聚酰胺、聚酯、聚砜、聚酰亚胺、聚氨酯、聚醚、聚烯烃及其混合物组成的组中。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，每个所述热塑工件(10，12)包括聚酰胺。
16.如权利要求9所述的方法，其特征在于，每个所述第一和第二热塑工件(10，12)包括纤维增强的热塑性塑料。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述聚酯是聚碳酸酯。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述聚烯烃是乙烯基聚合物。
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