JP7287737B2 - 伝導型溶着 - Google Patents

Description

背景

本発明は、複合積層体を接続し、具体的には、溶着するための改良された溶着装置および方法に関する。

現在、複合積層体は、自動車および航空宇宙産業で広く使用されており、最小限の重量で強力な構造を与える。パネルや補強リブのような複合構造体は、リベット、ナット、ボルトのような慣例的カップリングを含む様々な方法で結合できる。

これらの形式のカップリングの必要性を都合良く省き、複合部品を直接一緒に溶着することを含む代替方法が進化した。これらの溶着技術は、複合材料内の樹脂が軟化して溶着し始める温度まで、積層体材料の部分を加熱することを含む。次に、一定期間にわたって圧力が加えられ、それぞれのコンポーネントの樹脂が一緒に溶着する。熱と圧力を除去すると、コンポーネントが冷却され、樹脂がリセットされて、２つ（または、それ以上）のコンポーネントが一緒に固定される。

多くの用途において、特定用途の要件を満たすには、単純な溶着プロセスで十分である。しかしながら、安全要件が厳しい用途では、慣例的な溶着技術は信頼できなくなる。具体的には、慣例的な技術では、剥離（複合構造体内部の層の分離）または空洞を含む可能性のある不均一な溶着が発生し得る。これらの欠陥は、コンポーネントの表面に表示されない場合があり、溶着領域上または溶着領域周囲に歪みがある場合がある。

内部および表面欠陥は、複合コンポーネントが航空機の構造コンポーネントまたは空力コンポーネントを形成する航空宇宙産業などの用途で特に懸念される。その結果として、航空宇宙産業の厳しい要件により、これらの欠陥の為に積層体溶着の使用が制限される。

本発明者らは、複合部品を確実に互いに溶着することを可能にする、慣例とは異なる溶着方法および装置を考案した。この技術と方法は、複雑なジオメトリの溶着を可能にし、さらに、局所的な厚さの変化と浅い傾斜路に適合できる。それにより、空洞および層間剥離のない溶着を達成することができ、それは、航空宇宙（および他の）用途において、溶着の美観および構造的完全性の両方に関して非常に望ましい。これは、特に航空宇宙産業の炭素繊維コンポーネントから形成された一次構造体の場合である。

本発明の態様は、添付された特許請求の範囲に記載されている。

第１の態様から見ると、繊維強化熱可塑性樹脂ベースの材料のための溶着装置が提供されるが、溶着装置は、細長い可撓性熱伝導ストリップと、伝導性ストリップの周囲の少なくとも一部の周りに延びる細長いヒートシンクとを備え、細長いヒートシンクは、複数のセグメントに分割され、隣接するセグメントは、互いに移動することができる。

したがって、本書で説明する発明によれば、伝導加熱に剛体を使用する慣例的アプローチを採用する代わりに、変形された可撓性ストリップが使用される。可撓性ストリップは、適切に加圧されていれば、局部的な厚さの変化や浅い傾斜路であっても追従することができ、均一な溶着圧力を生成し、空洞の無い溶着を実現できる。

都合の良いことに、ヒートシンクは、溶着領域の隣りに加えられて積層体から熱を引き出す。ヒートシンクがあるため、加圧ゾーンの積層体は溶融温度未満のままである。これにより、層間剥離が回避され、空洞が発生しなくなる。

本発明は、慣例的な溶着技術に勝る幾つかの驚くべき技術的および商業的利点を与える。たとえば、熱可塑性部品の溶着により、留め具の数を大幅に減らすことができ、これにより、接合されたコンポーネントの重量を減らし、また、組立コストを最大で３０％節約できる。

さらに、本書で説明する溶着アプローチは、他の技術的利点を与える。

・柔軟な加熱工具を使用した熱可塑性複合部品の堅牢な溶着により、典型的な部品の厚さ公差と小さな隙間に適合できる。

・金属製落雷メッシュで覆われた炭素複合積層体の堅牢な溶着も可能である。

・狭い空間で溶着でき、ロボットのエンドエフェクタとして設置できる小さな溶着工具を使用した溶着。

・片側からの加熱および加圧は、ＯＭＬ表面が滑らかで正確なままであることを意味する（ＯＭＬ側の剛性工具）。

前述したように、可撓性熱伝導ストリップと併せて可撓性ヒートシンクを提供するという直観に反するアプローチは、外形および製造の不整合を溶着工具に適合させることを可能にする。これにより、溶着プロセス中にコンポーネント全体に熱が均一に伝導され、不均一な溶着、つまり層間剥離、空洞、または、その他の望ましくない影響を含み得る溶着形成が防止される。

細長い可撓性導電性ストリップは、溶着される選択された材料中の樹脂を溶融するために必要な温度を伝達できる任意の適切な材料であってもよい。たとえば、ストリップは、インバー、ステンレス鋼、または別の適切な高温材料などの細長い金属製ストリップであってもよい。

同様に、ヒートシンクは、任意の適切な材料で形成することができ、積層体から離れる方向に、即ち、導電性ストリップの目的とは反対に熱を伝達する機能を有する。

ヒートシンクは、一般に、「Ｕ字」状セクションの形をしており、裏張り部分から離れて延びる２つの側部分がある。これにより、ヒートシンクの中央に空洞が生じ、その中に導電性ストリップと加熱手段（後述）を配置できる。

可撓性、即ち、ヒートシンクがその長さに沿って湾曲する能力（図３を参照）は、ヒートシンクを部分的に又は完全にスライスすることで達成できる。したがって、スロットは、裏張り部分を貫通して、側部分に沿って形成されてもよい。この方法で、ヒートシンクをスライスすると、一連のセグメントを生じさせる。次に、ヒートシンクが曲面に対してロードされると、変形が凹状変形か凸状変形であるかに応じて、セグメントの角度が変化する。ヒートシンクは、スライスまたはスロットを各側部分の長さの部分的な長さに制限することにより、単一コンポーネントとして一緒に保持できる。

偏向時に、隣接するセグメントは、積層体表面の変形の曲率半径に応じて、互いに対して偏向する。

スロットを含むヒートシンク配置では、各スロットは、典型的に、部品表面の自然な厚さの変化に対応するために使用できる。したがって、必要な変形は非常に小さいため、スロットの最小幅は工具の製造要件によってのみ制限される。

あるいは、スロット又はスライスは、複数の独立したセグメントを形成するように、ヒートシンクの深さ全体にわたって形成されてもよい。個別のセグメントとして、隣接するセグメントは、ラミネート表面の変形に応じて、互いに対して上下に移動する。

完全にスライスされたヒートシンクを完全にスライスされた可撓性ストリップと組み合わせた配置（図９および図１０は後述）では、スキンの傾斜路などの遙かに大きな厚さ変動に都合良く適合できる。

都合良く、各セグメントは、隣接するセグメントから電気的に絶縁されてもよい。これにより、誘導コイルを発熱体とした配置において、各セグメントは、渦電流が発生することを防止できる。

ヒートシンクの各側部分は、（Ｕ字状の基部から測定した）遠位縁部に沿って、積層体表面に接触するように配置される。これは、細長いストリップの縁部または周囲に沿って、特にストリップの長辺に沿って積層体と接触させることができる連続表面を形成する。実際には、熱伝導ストリップは、最長縁部に沿ってヒートシンクの２つのエッジの間に挟まれている。

これらの縁部は、溶着プロセス中に積層体から熱を集め、溶着ゾーンのすぐ外側積層体から熱を都合良く奪うことができる。これにより、熱が横方向に移動することを防止する。

ヒートシンクの集熱縁部の接触を維持しながらストリップのＵ字状の遠位端部の内部に配置するために、ヒートシンクは、ヒートシンクの開放端部の内部にストリップを着座させるように段部が付けられてもよい。

都合の良いことに、段付きプロファイルは、可撓性ストリップの一部が集熱縁部の最も遠位部を超えて延びるようなものである。したがって、溶着プロセス中、ストリップは最初に積層体と接触し、樹脂を柔らかくし始める。ストリップは、ヒートシンクの縁部が積層体の表面に接して熱を集める前に、所定深さまで表面を貫通する。

最適な深さの値は、特定の配置と製造される部品とによって異なる。一実施例では、０．１＋／－０．１ｍｍのターゲットを使用して、工具製造公差を考慮し、導電性ストリップがヒートシンクの下になるのを防止することができる。

ヒートシンク内部の空洞には、細長い可撓性（および熱伝導性）ストリップに熱を伝達できる任意の適切な熱源を設けることができる。たとえば、電気誘導コイルは、装置の長さに沿って伸ばしてもよい。都合の良いことに、コイルは、積層体の表面プロファイルによって引き起こされる変形に都合良く追従できる。

熱源としての電気抵抗加熱ロッドもまた、本発明と共に使用できる。

電流がヒートシンクおよび／またはストリップに流れるのを防止するため、コイルは一つ又は複数の電気絶縁体で囲まれてもよい。たとえば、一対の絶縁体を設けることができ、導電体の第１の側は、細長い可撓性ストリップに面し、導電対の反対側は、ヒートシンク内部の空洞に面する。

細長いヒートシンク、細長い可撓性ストリップ、導電体および電気絶縁体は、溶着装置のハウジングに形成されたブラインド凹部に都合良く受容されてもよい。後述するように、ブラインド凹部が提供するのは、以下の通りである。

- 当該装置のサブコンポーネント用ハウジング

- ヒートシンクのセグメントの動きを制限、即ち、制御する手段

- 溶着圧力を発生できる表面

- 受動的または能動的冷却手段でヒートシンクから熱を集める為の本体

溶着圧力は、ヒートシンクの裏張り部分に加えられ、次に、前述の段付き部分を介して、可撓性ストリップに荷重を加える。したがって、ストリップおよびヒートシンクは、所定圧力を使用して積層体表面と接触させられる。この力は、たとえば、アクチュエータ、カムなどを使用して、様々な方法で加えることができる。

しかしながら、本発明者らは、溶着を行うのに必要な荷重を加えるための便利な手段は、膨張式ホースまたはブラダーをブラインド凹部に設置し、これをヒートシンクの後ろに配置することを確立した。したがって、膨張の際、ホースが膨張し、ヒートシンク（および可撓性ストリップ）を積層体表面に向かって駆動するヒートシンクに対して力を作用させる。

可撓性ホースをヒートシンクによって集められた熱から保護するために、断熱層をヒートシンクとホースとの間に都合良く導入させてもよい。

溶着部の実際の温度を監視するために、一つ以上の適切な熱電対を使用してもよい。たとえば、溶着部の非加熱側にある小さな非接触高温計を使用して材料の熱を監視することができる。温度センサの使用は、所定の溶着温度に到達したことを都合良く保証することができる。

さらに、これは「キスボンド」、即ち、あまりに低い温度で形成され、したがって、強度が不十分な溶着をも防止する。このような欠陥のある溶着は、非破壊検査（ＮＤＴ）技術では、常に検出できるとは限らない。

別の態様から見ると、第１の熱可塑性ベース材料コンポーネントを第２の繊維強化樹脂ベースコンポーネントに溶着する方法が提供されるが、溶着装置は、細長い可撓性熱伝導性ストリップと、伝導性ストリップの周囲の少なくとも一部分の周りに延びる細長いヒートシンクとを備え、細長いヒートシンクは、複数のセグメントに分割され、隣接したセグメントは、互いに対して移動でき、当該方法は、溶着装置を第１の繊維強化樹脂ベースコンポーネントと接触させるステップと、ヒートシンクおよび可撓性熱伝導性ストリップが変形するように力を加えて、ストリップおよびヒートシンクが第１の表面プロファイルと整列するようにするステップとを含む。

溶着部が２００℃未満に冷却されるまで、工具は製品に残る。これにより、図１１を参照して本書で説明した冷却プロファイルが得られる。たとえば、樹脂の十分な結晶化度のために冷却速度が速すぎる場合、加熱手段設定点の制御された下降傾斜（ramp down）により、より遅く冷却速度を設置することが確立されている。

さらに、別の態様から見ると、熱可塑性ベース材料のための溶着装置が提供されるが、この溶着装置は、可撓性の細長い熱伝導性ストリップと、細長いストリップの最長縁部から横に伸びる関連ヒートシンクとを備え、ヒートシンクは、ストリップの長さに沿って変形可能であり、使用時に溶着される熱可塑性材料の変形に位置合わせする。

さらに、別の態様から見ると、熱可塑性材料の溶着装置が提供されているが、この溶着装置は、可撓性の細長い熱伝導性ストリップと、溶着される積層体表面に第１方向で熱を向けるように配置された関連熱源と、細長いストリップの最長縁部から横に延び、積層体表面から熱を集め、反対側の第２方向に熱を伝達するように配置されたヒートシンクとを備え、ヒートシンクは、ストリップの長さに沿って変形可能であり、使用時に溶着される熱可塑性材料の変形に位置合わせする。

さらに、別の態様から見ると、ロボット制御アームまたは梁を用いて溶着装置および方法を適用して、コンピュータ制御の溶着プロセスを提供してもよい。

以下、添付図面を参照して、実施例としてのみ、本発明の態様を説明する。
図１Ａは、図１Ｂは、２つの積層体および積層体表面ジオメトリ間の変化を図示する。 図２Ａは、慣例の積層型溶着配置を示す。 図２Ｂは、本発明による変形された溶着配置を示す。 図２Ｃは、本発明による変形された溶着配置を示す。 図３は、ヒートシンク、導電性ストリップ、積層対の拡大された横断面を示す。 図４は、図２Ｂおよび図２Ｃに示されたヒートシンクを通る横断面を示す。 図５Ａは、慣例の溶接処理の溶接中の熱流路を示す。 図５Ｂは、本技術の溶接中の熱流路を示す。 図６は、本願で説明された発明による溶接装置を通る横断面を示す。 図７は、図６に示された溶接装置の等角分解図を示す。 図８は、溶接が行われる段階の溶接装置を示す。 図９は、細分化されたヒートシンクと細分化された導電性ストリップとを備えた代替実施形態を示す。 図１０は、図９に示された溶接装置の分解された等角図を示す。 図１１は、ＵＤ ＰＥＫＫ材料の時間と温度の溶接グラフの例を示す。 本発明は、様々な変形および変更形態に影響されうるが、特定実施形態は、例として図面に示され、本書に詳細に説明される。しかしながら、本書に添付の図面および詳細な説明は、本発明を開示された特定の形態に限定することを意図するものではなく、本発明は、請求される発明の精神および範囲に含まれる全ての変形、均等物および代替物を網羅することを理解されたい。本書に説明されている本発明の態様の特徴は、任意の適切な組合せで都合良く、互換性良く使用できることが認識されよう。また、本発明は、個々の実施形態だけでなく、本書で検討された実施形態の組合せも網羅することが認識されるであろう。

詳細な説明

図１Ａおよび図１Ｂは、２つの積層体および積層体表面ジオメトリ間の変形例を図示する。最初に図１Ｂを参照すると、一緒に接合（溶着）されるべき２つの積層体（Ｌ１，Ｌ２）が示されている。

この実施例において、積層体は、熱可塑性樹脂内部の炭素繊維から形成されている。これらは、炭素繊維強化熱可塑性（ＣＦＲＰ）として慣例的に知られている。本書で説明された装置および方法は、繊維を同伴する樹脂材料を使用して他の材料に等しく適用されてもよい。

図１Ｂは、２つの積層体（Ｌ１，Ｌ２）を一緒に溶着する為の慣例的装置を図示する。簡単な処理では、２つの積層体を上部アンビル（ＡＶ１）と下部アンビル（ＡＶ２）との間に配置する。アンビルのうちの一方は、加熱され、２つのアンビルは、互いに付勢されて溶着圧力を生じさせる。熱は、アンビルを通って積層体に伝導され、積層体内部の樹脂を溶かす。付勢力により、樹脂が融合する。その後、アンビルは解放され、冷却されて、樹脂が再硬化または硬化し、溶着部が形成される。

このような慣例的な溶着装置により、複合積層体を簡単かつ便利に接合（溶着）することができる。

しかしながら、図１Ａを参照すると、積層体が常に完全に均一かつ平坦であるとは限らないことが分かる。これは、積層体が形成される結果、即ち、複数の個別の層が形成され、それらが一緒に硬化される。その製造プロセスの結果は、図１Ａに例示されているように、隙間または空洞をもたらす表面プロファイルの変動である。慣例的に、これらの空洞は、図１Ｂのアンビル間の力または付勢圧力を高めること及び／又は溶着の持続時間または温度を高めることによって適応可能である。そのため、空洞を除去することができる。

しかしながら、これが、図１Ａに図示される問題を解決することができる一方で、発明者らは、それが溶着および溶着を囲むコンポーネントの領域に他の有害な影響を引き起こすことを確認した。

図２Ａを参照すると、従来のヒータＨ１が見られるが、これは、対向するアンビルＡＶ２に向かって付勢または押し付けられて、積層体Ｌ１およびＬ２を一緒に押し付ける。ヒータが作動し、２つの積層体Ｌ１およびＬ２を通って延びる樹脂ＷＰの溶着プールが形成される。しかしながら、溶着を生じさせる為に加えられている溶着圧力と温度勾配との組合せにより、溶着Ｐ１の周囲で剥離が発生する可能性がある。

剥離は、積層体が十分な圧力を有することなく、溶融温度以上に加熱される場合に発生する。これは、積層体の製造中に受け継がれる積層体の予荷重または圧縮形式によるものであり、それ自体は一般に高圧で行われる。さらに、適切な圧力をかけずに溶融温度以上に加熱すると、樹脂のガス放出により空洞が生じる場合がある。

加熱の効力をなくし、溶着力が除去されると（２００℃未満に冷却された後）、溶着プール内の樹脂がリセットされ、２つの積層体が溶着ラインに沿って一緒に溶着、即ち、加熱の効力がなくなると、溶着プール内部の樹脂が冷却され、リセットされて、２つの積層体が溶着ラインに沿って一緒に溶着される。溶着力は、２００℃未満まで冷却した後に除去される。しかしながら、前述したように、溶着部を囲み、それに沿って延びる領域は、材料内の層間剥離および他の不連続性の影響を受ける可能性がある。そのような不連続性は、コンポーネントの構造的完全性および溶着に有害である可能性があり、これは、前述したように、第一次航空宇宙コンポーネント（primary aerospace components）に特に関連する。

本発明を参照すると、図２Ｂは、改良された溶着装置を示す。

溶着工具または装置１は、溶着ラインに対して工具の中央に置かれる可撓性の細長い金属製（又は他の熱伝導性）ストリップ２を備える。ストリップ２は、その長さ（図２に示さず）に沿って曲がるように比較的薄い。示されるように、ストリップ２は、それ自体が第２の層４に対して位置する第１積層体層３と接触させられ、その結果、２つは、以下に説明されるように、工具の起動時に接合、即ち、一緒に溶着される。

工具は、ストリップを囲むように配置されたヒートシンク５を備える。ヒートシンク５は、Ｕ字状横断面を画成し、ヒートシンク内部に空洞または隙間８を形成し、ストリップ２によって下端が閉じられた、水平上部６および２つの側部セクション７ａ、７ａの形態である。

ヒートシンクの側部セクション７ａ、７ｂの各々は、図２Ｂに示されるように段状にストリップ２と協働する。具体的には、各側部セクション７ａ、７ｂは、ストリップの上部表面と係合する第１部分と、ストリップの側部を下って、第１の積層体３と接触するのに十分に長いセクション部分とを備える。実際には、ストリップ２は、ヒートシンク７の内部に置かれ、又は収容される。

ストリップ２およびヒートシンク５は、積層体３，４の第１側部（図２Ｂにおいて上側）で動作する工具９Ａの第１部分を画成する。工具９Ｂの反対側の部分は、積層体３，４の対向する側部に配置され、溶着力を加えることができる表面を与える。たとえば、工具９Ｂは、テーブルでもよく、工具９Ａは、ロボットアーム上に装着された可動ヘッドでもよい。

図２Ｃは、分離してヒートシンクを等角図、横断面で示し、ヒートシンクの側面図で示す。図２Ｃは、Ｚ方向に延びるヒートシンクの長さを示す。示されるように、ヒートシンクは、上部表面６から、ストリップを受ける隙間に近い側部セクションの端部に向かって延びる複数のスリットまたはスロット１０を備える。スリットまたはスロット１０は、ヒートシンクを複数のセグメント１１に分割する。セグメント１１の全ては、スリットまたはスロットが終端するヒートシンク５の基部で一緒に接続される。実際には、各側部セクション７ａ、７ｂの端部で、ヒートシンクの一部分は、セグメントを互いに接続する根元部を形成する。各セグメント１１は、図２Ｂに示されるような横断面を有する。

図２Ｃも、スリットの均一間隔を図示するヒートシンクの側面図を示す。しかしながら、スリットの正確な間隔（および）セグメントの大きさ）は、所望の溶着特性に依存する。

図２Ｃは、図４を参照して、より詳細に説明される、溶着される積層体に接触するように（使用時に）長い部分が配置された、ヒートシンクの側部セクションの遠位端部の段状プロファイルを更に示す。

図３は、ヒートシンク５，ストリップ２，積層体３の拡大断面図を誇張して示す。横断面は、ヒートシンク、ストリップ、積層体の曲率で誇張されており、セグメント１１間のスリット１１’がヒートシンクに凹凸表面または起伏表面に対応する方法をより詳細に明確に示している。

領域Ａに示されるように、ヒートシンクは、下にある積層体の凸型プロファイルの上に配置される。ここで、セグメントは、スリット１１’が根元から離れるにつれて大きくなると共に、扇状に広がることができる。逆に、領域Ｂでは、ヒートシンクは、下にある積層体の凹型プロファイルの上に配置される。ここで、セグメントは、スリット１１’が根元から離れるにつれて小さくなるように一緒に閉じることが可能である。これにより、スリットにより、ヒートシンクが、ストリップ２及び積層体３との接触を維持しながら、積層体表面プロファイルの変化に適応できるようになる。

図３は、ヒートシンク、ストリップ、積層体の分解図である。使用時に、ヒートシンクと可撓性ストリップ２とが一緒に結合され（図２Ｂを参照して説明されるように）、その後、積層体表面と接触するようになることが認識されるであろう。示されるように、ヒートシンクおよびストリップの両方の可撓性により、それらは、積層体の輪郭に合わせることができる。

図４は、図２Ｂのヒートシンク、ストリップ、絶縁体を、より詳細に示す。示されるように、ヒートシンク５は、２つの側部部分７ａ、７ｂを備え、これらが可撓性ストリップ２に向かって延びている。これらの部分７ａ、７ｂの端部は、導電性ストリップのプロファイルを受容する為に、図４に示されるように構成された段状の横断面を有する。

段付きプロファイルは、任意のジオメトリであり得ることが認識されるが、このジオメトリは、導電性ストリップに対して相補的であり、ストリップの一部分と係合することができるので、溶着荷重をストリップに伝達し、結果として、積層体に伝達する。

ヒートシンク５およびストリップ２は、導電性ストリップとヒートシンクとの間に置かれた断熱層１２によって分離されている。これにより、ストリップ２からヒートシンク自体に熱が流れるのを防止する（ヒートシンク自体が加熱される）。

任意の適切な材料を選択することができる。適切な実施例は、ガラス繊維、耐熱コーティング、セラミックなどの分離材料が含まれる。ヒートシンク自体は、アルミニウムまたはステンレス鋼などのような任意の適切な材料であり得る。可撓性ストリップは、同様に、例えば、銅、インバー、ステンレス鋼などの任意の適切な材料から選択されてもよい。より具体的かつ有利に、材料は少なくとも５００℃まで耐熱性がなければならない。

図４に戻ると、側面部７ａ、７ｂの端部分の段状横断面も遠位縁部１３を含み、この遠位縁部１３が、（図２Ｃに示されるように）ヒートシンクに沿って、ずっと延びている。図４に示されるように、遠位縁部１３は、それが、ストリップ２の最下部表面を超えて延びないように都合よく配置されている。ストリップ２の最下部表面は、縁部１３の最下部表面を超えて、距離Ｓｄだけ延びている。

使用中、（以下で更に説明するように加熱される）ストリップ２は、ヒートシンク５の縁部１３の前に積層体表面と接触する。これにより、ヒートシンクが加熱プロセスを遅くすることなく、ストリップで積層体を加熱できる。最上部表面６に加えられる溶着圧力により、縁部１３が積層体表面と接触するまで、ストリップ２は積層体表面を貫通する。

縁部１３と積層体の上部表面との間で接触が行われると、ヒートシンクは、積層体から熱を吸収し始め、それを側部分７ａ、７ｂを通してヒートシンクの本体および根元に伝達し始める。図５を参照して、これを更に説明する。

図４に戻ると、装置の熱伝達特性は、深さ距離Ｓ_ｄおよびＨＳ_ｗとＳ_ｗの比、すなわち縁部分１３とストリップ２との面積の比に応じて選択することができる。

この機械設備（tooling）配置の有利な熱効果は、図５Ａおよび図５Ｂを参照して確かめることができる。

図５Ａは、慣例的な積層溶着アプローチであり、この方法において、加熱された部分１４が積層体３に加えられる。矢印Ｘによって図示されるように、熱は、溶着ゾーンから外に伝導し、積層体の囲む領域を加熱する。この加熱は、（前述したように）剥離を引き起こすだけでなく、加熱された部分１４に直接隣接する、図５Ａの凸状部分によって図示されるように、表面の不規則性も引き起こす。

逆に、本発明による溶着装置である図５Ｂには、異なる熱分布が見られる。見られるように、ストリップ２は、絶縁体１２によってヒートシンク５から絶縁されている。ストリップは、溶着圧力Ｐを介して積層体３との接触がもたらされる。ヒートシンクの縁部分１３は、溶着ゾーンに直接隣接する積層体表面と接触し、図示のように溶着ゾーンＹはストリップ２の下に拘束されている。ここでは、過剰な熱が水平方向に伝導することを防止しているが、代わりに、ヒートシンクによって収集され、（矢印Ｈで図示されるように）積層体から離れる方向に向けられる。これにより、溶着ゾーン周辺の剥離や損傷を防ぐ。

そのため、本発明の溶着装置のヒートシンク態様だけでも、改良された積層体溶着技術を提供する。

以下、図６からＸを参照して、工具の他の相乗的態様を説明する。

図６は、前述した可撓性ヒートシンク配置を設置している溶着装置の横断面を示す。図６において、補強リブ３は、水平積層体表面４に付けられている。前述した同様のコンポーネント、すなわち、可撓性ストリップ２，絶縁体層１２，ヒートシンク５が、図６の横断面に示されている。以下、溶着工具の残りの部分を説明する。

前述したように、可撓性ストリップ２は、溶着をもたらす為に熱を積層体に伝える。熱は、図６に示す実施形態では、可撓性ストリップ２の最上部に形成された凹状の窪みに置かれる電動加熱要素によって供給される。次に、電動加熱要素の最上部に置かれ、要素が、下半分でストリップ２の凹状窪みによって、上半分で上部絶縁体１６の凹状窪みによって、囲まれるようにする。上部絶縁体は、電気ヒータによって生成される熱からヒートシンクを絶縁する。したがって、ヒータ１５，絶縁体１６および可撓性ストリップは、ヒートシンクの中央領域内部に形成された空間内部に含まれる。

都合の良いことに、電気要素１５および上部絶縁体１６は、図３を参照して前述されたように、積層体表面プロファイルの変化に適合する為に、ストリップ２およびヒートシンク５で曲がることができるように可撓性であってもよい。

ヒートシンク５のすぐ上には、ヒートシンク５と、ゴム製の可撓性ストリップ１７が見られるが、このゴム製ストリップ１７は、ヒートシンク５と膨張可能なゴム製ホースまたはブラダーとの間に位置する。これらのコンポーネントは、全て、工具上部ハウジング２０の空洞１９内部に置かれる。

膨張可能なホースは、ガスまたは空気供給部（図示せず）に接続され、空洞１９内部の所定圧力まで選択的に膨張させることができる。膨張により、ブラダーが拡張し、ゴム製ストリップ１７の上部表面に力を加える。これは、次に、それ自体が可撓性ストリップに結合されているヒートシンク５の上部表面６に力を加える。したがって、ホース１８を膨張させると、ヒートシンクおよび可撓性ストリップ２に溶着力を選択的に加えることができることが分かる。

ホース内の圧力は、特定の構成に応じて選択できる。都合の良いことに、適切な溶着圧力を加えるために、ホース内の圧力は、６バール＋／－１バールの領域でもよい。

図６を参照すると、前述した構成が含まれる溶着工具ハウスが示されている。ハウジングは、ホース１８，ゴム製ストリップ１７，ヒートシンク５，絶縁体１６，電気ヒータ１５，可撓性ストリップ２を含む上部ハウジング２０を備える。上部ハウジングに対向するのが、溶着圧力／力を加えることができる表面として作用する第２下部ハウジング２１である。下部ハウジングは、溶着中に積層体４が接触する耐熱性および絶縁性表面２２を備える。

下部ハウジング２１は、上部ハウジングに結合された２つのアンビルの下半分の形態でもよく、２つを一緒にするか又は分離して、溶着の為に積層体をハウジング間に置くことができるようにする。

別の配置において、下側ハウジングは、固定ベッドまたは治具の形態であってもよく、上側ハウジングは、それに対して、移動可能である。下側ハウジング／治具が溶着位置で積層体を支持できる場合、様々な配置が可能である。たとえば、上部ハウジングは、ロボットアームに位置し、下部ハウジングは固定されてもよい。次に、異なる位置で多数の溶着を行うことができる。

動作中、溶着プロセスは、次のステップを含む。

（ａ）積層体３，４は、上部および下部ハウジングに対して所定位置に置かれる。

（ｂ）ホース１８が加圧されて、ヒートシンクと可撓性ストリップが上部積層体に押し付けられ、下部ハウジングが下部積層体に接触し、２つが密接に接触する。

可撓性ストリップおよびヒートシンクの変形により、表面プロファイルの変化に適合する。

（ｃ）金属製ストリップ２を加熱する交流誘導電流が銅製コイル１５に加えられる。

（ｄ）発生した熱は、伝導によって熱可塑性複合部品３および４に伝達される。

（ｅ）加熱されたストリップ２の隣りにあるヒートシンク５は、熱可塑性複合部品から熱を奪って、所望の領域に熱を含み、金属製ストリップが熱可塑性複合部品に深く沈み込むことを防止する。

（ｆ）所定の期間が経過すると、電気誘導コイルが非アクティブになり、積層体内の樹脂が固化し、２つの積層体が一緒に、固着、即ち、溶着される。

（ｇ）ホース圧が解放され、上部および下部ハウジングが離れる。

前述したように、溶着装置は、溶着部が所定温度、たとえば、２００℃未満に冷却されるまで、所定位置に残る。

図７は、前述した装置のサブコンポーネントの分解等角図を示す。図７は、加熱要素１５を受入れる為の凹部分を設置する可撓性ストリップ２の上部表面を明確に示す。

図８は、補強リブ３を平坦な積層体構造４に溶着するための、元の位置にある機械設備の等角図を示す。図７の分解図で見られるスリットは、図８の上部ハウジングの後ろに隠れている。

スリットの幅は可能な限り狭く選択され、選択された材料に使用できる機械工具（鋸刃）の最小幅によって駆動される。スリットが薄いほど、適合できる表面の欠陥または変形の「精細度（definition）」が高くなる。深さは、ヒートシンクの可撓性および耐久性のバランスである。スリットを深くすると、耐久性が低下すると同時に可撓性が向上する。

さらに、熱伝導性ストリップも同様にセグメント化することができる。したがって、伝導性ストリップも部品表面と密接に位置合わせすることができる。

図９は、ヒートシンクの代替構成を示す。図７に戻って参照すると、ヒートシンクは、ヒートシンクの上部表面から下に延びる複数のスリットを備える。図７に示されるように、スリットにより作成された個々のセグメントは全て結合される。

図９は、セグメントが完全に分割された、即ち、スリットがヒートシンク全体に形成されている代替構成を示す。これは、隣接するセグメントから独立して、それぞれ移動できるヒートシンクを構成する独立したセグメントを形成する。

この方法でヒートシンクを分割することには、幾つかの利点がある。

たとえば、このようにヒートシンクを分割することは、互いに隣接するセグメントの、より大きな動きを可能にし、これは、積層体表面の表面プロファイルにける、より大きな際が溶着工具によって適合されることを可能にする。

さらに、この方法でセグメントを分割することにより、隣接するコイルを通過する交流電流によって、ヒートシンクに渦電流が発生することを防止する。これにより、ＡＣ電源に対する渦電流によって抵抗が生成されることを防止する。

電気絶縁体コーティングを都合良く使用することができる。このようなコーティングは、完全に分割されたヒートシンクでの過大な渦電流を防止するのに効果的である（したがって、ヒータの誘導電界によりヒートシンクが過度に加熱されることを防止することができる）。

完全に分割されたヒートシンクでの過大な渦電流を防止する別の方法は、ヒートシンクとヒートシンクの角部との間の接触を制限することである。これは、他のヒートシンクと接触する角部を残しながら、ヒートシンクの小さな窪みをヒートシンク接触表面に機械加工することで行うことができる。角部は誘導コイルから遠く離れていることから、角部の電気的接触は、ヒータ内の誘導電界のためにヒートシンクをほとんど加熱しない。

図９は、可撓性ヒートシンクおよびストリップ２が、溶着される積層体の厚さの、より大きな変化に適合できる方法を示している。図９に示すように、積層体構造は、第１の厚さｔ_１から第２の厚さｔ_２まで傾斜する傾斜路２３を備える。ヒートシンク５も見られ、ヒートシンクと積層体の連続的な接触が分かる。同様に（見えないが）、可撓性ストリップ２も積層体傾斜路２３の外形に従う。

図１０は、図９に示される配置の分解図である。ヒートシンク５の個々のセグメントが見られる。同様に、傾斜路２３によって引き起こされた積層体の厚さの変化に対応して、コイルの屈曲も見られる。

図１１は、時間と温度の伝導溶着グラフを示し、溶着プロセス中の積層体の温度を図示する。

具体的には、グラフは、ＵＤポリエーテルケトン（ＰＥＫＫ）などの実施例材料を溶着するための条件を示す。「UD」という用語は、一方向を意味し、繊維（織られた）プリプレグ層とは対照的に、一方向のみの繊維で構成されるプリプレグ層を指す。一般に、ＵＤ材料の溶着は、（樹脂が少ないため）より困難である。ＵＤ材料は、主に航空機の主要構造物、即ち、飛行に重要な（flight critical）構造体の部品に使用される。

このマトリックスシステムの材料の溶融温度は、約３３０℃であり、良好な溶着には、積層体のオートクレーブ硬結と同様に３７５℃が必要である。スタック、即ち、完全な積層体を形成する層の厚さにわたって温度勾配を得るために、加熱要素と接触する部品の表面温度はより高い。この温度は、ＰＥＫＫシステムの劣化（degradation）温度によって制限され、４９０℃未満に保たれる。加熱要素と接触していない部品の表面温度は、好ましくは固体のままである必要があり、したがって、３３０℃未満である必要がある。したがって、ヒートシンクは、溶着ゾーンから熱を確実に除去し、この温度より周囲の積層体を低く維持するように構成されている。

誘導コイル周波数は、加熱効率にとって重要でないことが分かり、最適な要約を達成するのに必要な正確な電力入力は、コイルの長さと特性に依存する。実施例として、３００ｋＨｚと３０ｋＨｚは、どちらも良質の溶着を生じさせることができる。

溶着圧力を加えるための代替構成を採用することもでき、たとえば、圧力は、ロボットアームまたはバネ懸架式配置によって加えることができる。

しかしながら、ホースシステムを使用することにより、空気圧システムの圧力をチェックすることにより、溶着圧力を簡単に保証できる。ゴム製ブロックまたはバネが使用されている場合、（局所的な）圧力量は、圧縮の量とバネの剛性に依存するため（キャリブレーションと経年劣化の問題の可能性があるため）、これはより困難である。さらに、ゴム製ブロックが使用されている場合、溶着プロセスを実行してゴム製ブロックを加熱すると、追加の膨張が作られ、均一な圧力分布が更に複雑になる。したがって、ホースの配置は、幾つかの技術的利点を与える。

任意選択的に、ヒートシンクおよび／または可撓性ストリップには、コイルの印加される電流のリアルタイムのフィードバック制御を可能にする熱電対を設けることができる。これにより、たとえば、図１１に示すように、目的の溶着条件に従って、溶着温度を正確に制御できる。

本書に説明されている溶着装置および方法の用途には、以下のものが含まれるが、これらに限定されるものではない。

・硬化したスキンを作成するためのスキン補剛材

・補剛された胴体外板パネルへのフレーム

・トーションボックス用途におけるスキンパネルへのリブ

・トーションボックス用途におけるスキンパネルへのスパー

・他の部品への小さなブラケット

Claims (24)

1. 繊維強化熱可塑性樹脂系材料の為の溶着装置において、
   前記溶着装置は、細長い可撓性熱伝導性ストリップと、
   前記熱伝導性ストリップの周囲の少なくとも一部分付近に延びる細長いヒートシンクと、
   を備え、
   前記細長いヒートシンクは、複数のセグメントに分かれ、隣接したセグメントは、互いに移動可能である、溶着装置。
2. 前記細長い可撓性導電性ストリップは、細長い金属ストリップ形式である、請求項１に記載の溶着装置。
3. 前記細長いヒートシンクは、裏張り部分と、前記裏張り部分から伸びる一対の側部分とを備え、前記側部分および前記裏張り部分の間に空洞を画成する、請求項１または２に記載の溶着装置。
4. 前記ヒートシンクは、前記裏張り部分を通って、前記側部分の遠位部分を備えた各側部分の長さの少なくとも一部分に沿って延びるスロットによって、複数のセグメントに分割される、請求項３に記載の溶着装置。
5. 前記ヒートシンクは、前記裏張り部分を通って、各側部分の全長に沿って延びるスロットによって複数のセグメントに分割される、請求項３に記載の溶着装置。
6. 前記可撓性ヒート導電性ストリップは、複数のセグメントに分割される、請求項１～５のいずれか一項に記載の溶着装置。
7. 各側部分の遠位端部は、縁部を画成し、前記縁部は、前記ヒートシンクの長さに沿って延び、繊維強化樹脂系材料の表面に接触する為に使用されるように配置される、請求項３～６のいずれか一項に記載の溶着装置。
8. 前記側部分の前記遠位端部間に画成された隙間が、前記細長い可撓性ストリップを受容する為に隙間を画成する、請求項３～７のいずれか一項に記載の溶着装置。
9. 電気絶縁体が前記細長い可撓性ストリップと前記ヒートシンクの隣接した部分との間に配列される、請求項８に記載の溶着装置。
10. 前記ヒートシンクの前記側部分の前記遠位端部は、段状プロファイルを有し、前記細長い可撓性ストリップの表面が前記段状プロファイルの表面に位置合わせし、前記細長い可撓性ストリップの垂直側部が前記段状プロファイルの側部に位置合わせする、請求項８または９に記載の溶着装置。
11. 前記細長い可撓性ストリップの一部分は、前記裏張り部分から測定された前記ヒートシンクの最も遠位の限度を超えて伸びる、請求項７～１０のいずれか一項に記載の溶着装置。
12. 前記空洞には、細長い熱源が設けられ、前記熱源は、前記装置の長さの少なくとも一部分に沿って伸びる、請求項３～１１のいずれか一項に記載の溶着装置。
13. 前記熱源は、電気誘導コイルまたは電気抵抗加熱素子である、請求項１２に記載の溶着装置。
14. 前記溶着装置は、導電体を更に備え、前記導電体は、前記導電体の第１側部に第１電気絶縁体と、対向する前記導電体の第２側部に第２電気絶縁体とを更に備える、請求項１３に記載の溶着装置。
15. 前記導電体の前記第１側部は、前記細長い可撓性ストリップに面し、前記導電体の反対側の側部は、前記ヒートシンク内部の空洞に面し、前記空洞の内部で受容されるように配置される、請求項１４に記載の溶着装置。
16. 前記細長いヒートシンク、細長い可撓性ストリップ、電気導体および電気絶縁体を受容するように配置されたブラインド窪みを備えたハウジングを更に備える、請求項１５に記載の溶着装置。
17. 前記窪みは、膨張可能なホースを前記凹部の内部に更に備え、膨張の際に配置されて、前記ヒートシンクの裏張り部分に抗して力を加える、請求項１６に記載の溶着装置。
18. 断熱材が、前記ヒートシンクの前記裏張り部分と前記膨張可能なホースとの間に配列される、請求項１７に記載の溶着装置。
19. 加熱は、溶着温度を検出するように配置された一つ又は複数の温度センサに応じて制御される、請求項１～１８のいずれか一項に記載の溶着装置。
20. 第１熱可塑性コンポーネントを第２熱可塑性コンポーネントに溶着する方法において、
    前記溶着装置は、
    細長い可撓性熱伝導性ストリップと、
    前記熱伝導性ストリップの周囲の少なくとも一部分の付近に伸びる細長いヒートシンクと、
    を備え、
    前記細長いヒートシンクは、複数のセグメントに分割され、隣接したセグメントは、互いに移動可能であり、
    前記方法は、
    前記溶着装置を前記第１コンポーネントに接触させるステップと、
    前記ヒートシンクおよび可撓性熱伝導性ストリップが変形し、前記ストリップおよびヒートシンクが前記第１コンポーネントの表面プロファイルに位置合わせするように力を加えるステップと、
    を含む、方法。
21. 熱可塑性ベース材料の為の溶着装置において、
    前記溶着装置は、
    可撓性の細長い熱伝導性ストリップと、
    前記細長いストリップの最長縁部から横に伸びる関連したヒートシンクと、
    を備え、
    前記ヒートシンクは、前記ストリップの長さに沿って変形可能であり、使用時に、溶着される熱可塑性ベース材料の変形に位置合わせする、溶着装置。
22. 熱可塑性ベース材料の為の溶着装置であって、
    前記溶着装置は、
    可撓性の細長い熱伝導性ストリップと、
    溶着される積層面に、第１方向で熱を向けるように配置された関連付けられた熱源と、
    前記細長いストリップの最長縁部から横に伸び、前記積層面から熱を集め、反対の第２方向に熱を伝えるように配置されたヒートシンクと、
    を備え、
    前記ヒートシンクは、前記ストリップの長さに沿って変形可能であり、使用中、溶着される熱可塑性ベース材料の変形と位置合わせする、溶着装置。
23. 請求項１～１９のいずれか一項に記載の溶着装置を備えたコンピュータ制御ロボットアームまたはシステム。
24. 請求項２３に記載のコンピュータ制御ロボットアームまたはシステムを操作する方法。

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