具有大表面面積或非互補(bǔ)焊接界面的聚合物構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)焊接的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)內(nèi)容涉及用于聚合物構(gòu)件的摩擦焊接(舉例來(lái)說(shuō)，如旋轉(zhuǎn)焊接)的改進(jìn)的工 具構(gòu)件組件及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 本節(jié)提供了未必是現(xiàn)有技術(shù)的關(guān)于本公開(kāi)內(nèi)容的背景信息。
[0003] 包括旋轉(zhuǎn)焊接的摩擦焊接技術(shù)可用于連結(jié)各種材料。例如，模制的聚合或塑料構(gòu) 件可經(jīng)由旋轉(zhuǎn)焊接過(guò)程連結(jié)或組裝，其中熱經(jīng)由移動(dòng)構(gòu)件與靜止構(gòu)件之間的機(jī)械摩擦生 成。摩擦區(qū)附近加熱的材料的區(qū)域軟化且可移位;因此，產(chǎn)生了具有來(lái)自移動(dòng)構(gòu)件和靜止構(gòu) 件兩者的材料的熔化區(qū)域。然而，存在對(duì)聚合物或塑料零件的常規(guī)旋轉(zhuǎn)焊接的限制。例如， 由旋轉(zhuǎn)焊接形成摩擦焊接部分組件通常限于使用在待連結(jié)的界面處具有小表面面積和互 補(bǔ)形狀的部分，例如，具有圓柱形且彼此同心的匹配連結(jié)表面的部分。此外，常規(guī)旋轉(zhuǎn)焊接 設(shè)備專用于將高速度和力施加到部分上以有效地熔化界面，且因此需要大的設(shè)備花費(fèi)和訓(xùn) 練。
[0004] 具有帶大表面面積、復(fù)雜設(shè)計(jì)、非圓柱形和/或非互補(bǔ)形狀的接頭界面區(qū)域的聚合 物部分之前并未使用常規(guī)旋轉(zhuǎn)焊接過(guò)程連結(jié)。這歸因于這些部分的固有形狀和大小，其隱 含了依賴半徑的剪切、剪切速率，且因此過(guò)程期間的粘性變化。因此，之前不可能使用旋轉(zhuǎn) 焊接來(lái)連結(jié)具有大表面面積界面或非圓柱形或其它非互補(bǔ)的界面的塑料或聚合物部分。將 期望具有便于旋轉(zhuǎn)焊接具有帶大表面面積或非互補(bǔ)形狀的接頭界面區(qū)域的部分形成穩(wěn)健 的摩擦焊接接頭的工藝和工具。此外，也將有利的是具有在非專用設(shè)備上以相對(duì)低速度進(jìn) 行此工藝的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本節(jié)提供了本公開(kāi)內(nèi)容的總體概述，且不是其全部范圍或所有其特征的詳盡公 開(kāi)。
[0006] 在某些方面，本公開(kāi)內(nèi)容構(gòu)思一種摩擦焊接組件，其包括第一聚合物構(gòu)件，該第一 聚合物構(gòu)件包括限定第一形狀的第一焊接表面。在某些變型中，第一焊接表面具有形成在 其中的多個(gè)表面特征，其中各個(gè)相應(yīng)的表面特征為凹形或凸形。在某些方面，多個(gè)表面特征 為形成在第一焊接表面中的凹形特征(例如，凹槽）。摩擦焊接組件還包括第二聚合物構(gòu)件， 其包括限定第二形狀的第二焊接表面。摩擦焊接組件還包括形成在第一焊接表面與第二焊 接表面之間的摩擦焊接接頭。第一形狀或第二形狀中的一者為凸形，而另一個(gè)為凹形。第一 聚合物構(gòu)件或第二聚合物構(gòu)件中的一者在固定工具上保持靜止，而第一聚合物構(gòu)件和第二 聚合物構(gòu)件中的另一者在摩擦焊接過(guò)程期間在旋轉(zhuǎn)工具上可旋轉(zhuǎn)，該摩擦焊接過(guò)程在第一 焊接表面與第二焊接表面之間形成摩擦焊接接頭。以此方式，第一聚合物構(gòu)件和第二聚合 物構(gòu)件連結(jié)在一起來(lái)形成摩擦焊接組件。
[0007]在其它方面，本公開(kāi)內(nèi)容構(gòu)思一種摩擦焊接組件，其包括第一聚合物構(gòu)件，該第一 聚合物構(gòu)件包括限定第一形狀的第一焊接表面。摩擦焊接組件還包括第二聚合物構(gòu)件，其 包括限定第二形狀的第二焊接表面。第一形狀或第二形狀中的一者為凸形，而另一個(gè)為凹 形。第一焊接表面或第二焊接表面中的至少一者具有大于或等于大約3000mm 2(大于4.7 in2)的對(duì)應(yīng)于摩擦焊接接頭的表面面積。在某些方面中，第一形狀和第二形狀可不同，且相 對(duì)于彼此非互補(bǔ)或非對(duì)稱。摩擦焊接組件還包括形成在第一焊接表面與第二焊接表面之間 的摩擦焊接接頭。第一聚合物構(gòu)件或第二聚合物構(gòu)件中的一者在固定工具上保持靜止，而 第一聚合物構(gòu)件和第二聚合物構(gòu)件中的另一者在摩擦焊接期間在旋轉(zhuǎn)工具上可旋轉(zhuǎn)，該摩 擦焊接在第一焊接表面與第二焊接表面之間形成摩擦焊接接頭。
[0008] 在又一些方面中，本公開(kāi)內(nèi)容構(gòu)思一種旋轉(zhuǎn)焊接的方法。該方法可包括使具有限 定第一形狀的第一焊接表面的第一聚合物構(gòu)件在小于或等于大約3500轉(zhuǎn)每分鐘(rpm)的速 度下旋轉(zhuǎn)。該方法也還包括使第一聚合物構(gòu)件的第一焊接表面與第二聚合物構(gòu)件的第二焊 接表面接觸，第一聚合物構(gòu)件旋轉(zhuǎn)的同時(shí)第二聚合物構(gòu)件保持靜止以在第一聚合物構(gòu)件與 第二聚合物構(gòu)件之間產(chǎn)生焊接接頭。第一聚合物構(gòu)件的第一焊接表面或第二聚合物構(gòu)件的 第二焊接表面中的一者限定凹形區(qū)域，而第一焊接表面或第二焊接表面中的另一者限定凸 形區(qū)域。
[0009] 本發(fā)明還提供如下方案： 1. 一種摩擦焊接組件，包括： 包括限定第一形狀且包括多個(gè)表面特征的第一焊接表面的第一聚合物構(gòu)件，其中各個(gè) 相應(yīng)表面特征為凹形或凸形； 包括限定第二形狀的第二焊接表面的第二聚合物構(gòu)件，其中所述第一形狀或所述第二 形狀中的一者為凸形，而所述第一形狀或所述第二形狀中的另一者為凹形；以及 形成在所述第一焊接表面與所述第二焊接表面之間的摩擦焊接接頭，其中所述第一聚 合物構(gòu)件或所述第二聚合物構(gòu)件中的一者在固定工具上保持靜止，而所述第一聚合物構(gòu)件 或所述第二聚合物構(gòu)件中的另一者在形成所述摩擦焊接接頭的摩擦焊接期間在旋轉(zhuǎn)工具 上可旋轉(zhuǎn)。
[0010] 2.根據(jù)方案1所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述第一聚合物構(gòu)件或所述第 二聚合物構(gòu)件中的至少一者由包括熱塑性聚合物和增強(qiáng)材料的復(fù)合材料形成。
[0011] 3.根據(jù)方案1所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述多個(gè)表面特征為多個(gè)凹槽， 其中所述多個(gè)凹槽中的各個(gè)凹槽均具有垂直于旋轉(zhuǎn)方向的定向，且從所述第一焊接表面的 中心區(qū)域延伸至所述第一焊接表面的外周。
[0012] 4.根據(jù)方案1所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述多個(gè)表面特征包括多個(gè)凹 槽，其包括所述第一焊接表面上的大于或等于大約3個(gè)到小于或等于大約182個(gè)凹槽。
[0013] 5.根據(jù)方案1所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述多個(gè)表面特征包括多個(gè)凹 槽，其包括限定第一長(zhǎng)度的第一多個(gè)凹槽和限定比所述第一長(zhǎng)度小的第二長(zhǎng)度的第二多個(gè) 凹槽。
[0014] 6.根據(jù)方案5所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述多個(gè)凹槽還包括限定比所 述第一長(zhǎng)度和所述第二長(zhǎng)度小的第三長(zhǎng)度的第三多個(gè)凹槽。
[0015] 7.根據(jù)方案1所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述多個(gè)表面特征包括多個(gè)凹 槽，其中所述多個(gè)凹槽中的各個(gè)凹槽均具有大于或等于大約〇.5mm到小于或等于大約3mm的 寬度和大于或等于大約0.5mm到小于或等于大約3mm的深度。
[0016] 8.根據(jù)方案1所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述多個(gè)表面特征包括多個(gè)凹 槽，其中所述多個(gè)凹槽中的各個(gè)凹槽在所述第一焊接表面上限定選自由三角形、矩形、四邊 形和它們的組合構(gòu)成的組的形狀。
[0017] 9.根據(jù)方案1所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述第一形狀和所述第二形狀 相對(duì)于彼此互補(bǔ)。
[0018] 10.根據(jù)方案1所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述第一形狀和所述第二形狀 大致為圓形形狀。
[0019] 11.根據(jù)方案1所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第二 焊接表面中的至少一者具有大于或等于大約3000mm2(大約4.7 in2)的對(duì)應(yīng)于摩擦焊接接頭 的表面面積。
[0020] 12.根據(jù)方案1所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述多個(gè)表面特征包括用作能 量引導(dǎo)物的凸形表面特征，其中所述凸形表面特征選自由圓形突起、凸塊、凸節(jié)、脊和它們 的組合構(gòu)成的組。
[0021] 13. -種摩擦焊接組件，包括： 包括限定第一形狀的第一焊接表面的第一聚合物構(gòu)件；以及 包括限定第二形狀的第二焊接表面的第二聚合物構(gòu)件，其中所述第一形狀或所述第二 形狀中的一者為凸形，而所述第一形狀或所述第二形狀中的另一者為凹形，其中所述第一 形狀和所述第二形狀相對(duì)于彼此不同且非互補(bǔ)；以及 形成在所述第一焊接表面與所述第二焊接表面之間的摩擦焊接接頭，其中所述第一焊 接表面或所述第二焊接表面中的至少一者具有大于或等于大約3000mm2(大約4.7 in2)的對(duì) 應(yīng)于所述摩擦焊接接頭的表面面積，且所述第一聚合物構(gòu)件或所述第二聚合物構(gòu)件中的至 少一者在固定工具上保持靜止，而所述第一聚合物構(gòu)件或所述第二聚合物構(gòu)件中的另一者 在形成所述第一焊接表面與所述第二焊接表面之間的摩擦焊接接頭的摩擦焊接期間在旋 轉(zhuǎn)工具上可旋轉(zhuǎn)。
[0022] 14.根據(jù)方案13所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述第一聚合物構(gòu)件或所述 第二聚合物構(gòu)件中的至少一者由包括熱塑性聚合物和增強(qiáng)材料的復(fù)合材料形成。
[0023] 15.根據(jù)方案13所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述第一形狀和所述第二形 狀大致為圓形形狀。
[0024] 16.根據(jù)方案13所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述第一形狀為半球形狀，且 所述第二形狀為橢圓體形狀。
[0025] 17.根據(jù)方案13所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述表面面積為大于或等于 大約3225mm 2(大約5 in2)到小于或等于大約16200mm2(大約25.1 in2)。
[0026] 18.根據(jù)方案13所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述表面面積為大于或等于 大約6500mm 2(大約10 in2)到小于或等于大約16200mm2(大約25.1 in2)。
[0027] 19.根據(jù)方案13所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第 二焊接表面中的至少一者具有形成在其中的多個(gè)凹槽。
[0028] 20.根據(jù)方案13所述的摩擦焊接組件，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第 二焊接表面中的至少一者具有用作能量引導(dǎo)物的多個(gè)凸形表面特征，其中所述凸形表面特 征選自由圓形突起、凸塊、凸節(jié)、脊和它們的組合構(gòu)成的組。
[0029] 21. -種旋轉(zhuǎn)焊接方法，包括： 使具有限定第一形狀的第一焊接表面的第一聚合物構(gòu)件在小于或等于大約3500轉(zhuǎn)每 分鐘(rpm)的速度下旋轉(zhuǎn)；以及 使所述第一聚合物構(gòu)件的第一焊接表面與第二聚合物構(gòu)件的第二焊接表面接觸，在所 述第一聚合物構(gòu)件旋轉(zhuǎn)的同時(shí)所述第二聚合物構(gòu)件保持靜止以在所述第一聚合物構(gòu)件與 所述第二聚合物構(gòu)件之間產(chǎn)生焊接接頭，其中所述第一聚合物構(gòu)件的第一焊接表面或所述 第二聚合物構(gòu)件的第二焊接表面中的一者限定凹形區(qū)域，而所述第一焊接表面或所述第二 焊接表面中的另一者限定凸形區(qū)域。
[0030] 22.根據(jù)方案21所述的方法，其特征在于，所述接觸在大于或等于大約IMPa到小 于或等于大約4MPa的施加壓力下發(fā)生。
[0031] 23.根據(jù)方案21所述的方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)和所述接觸在等速旋轉(zhuǎn)焊接 過(guò)程或變速旋轉(zhuǎn)焊接過(guò)程中同時(shí)發(fā)生。
[0032] 24.根據(jù)方案23所述的方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)在從大于或等于大約200rpm 到小于或等于大約3500rpm的范圍的速度下發(fā)生。
[0033] 25.根據(jù)方案21所述的方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)和所述接觸在大于或等于大 約1秒到小于或等于大約10秒的持續(xù)時(shí)間內(nèi)同時(shí)發(fā)生。
[0034] 26.根據(jù)方案21所述的方法，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第二焊接表 面中的至少一者具有大于或等于大約3000mm 2(大約4.7 in2)的對(duì)應(yīng)于焊接接頭的表面面 積。
[0035] 27.根據(jù)方案21所述的方法，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第二焊接表 面中的至少一者具有形成在其中的多個(gè)凹槽。
[0036] 28.根據(jù)方案21所述的方法，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第二焊接表 面中的至少一者具有用作能量引導(dǎo)物的多個(gè)凸形表面特征，其中所述凸形表面特征選自由 圓形突起、凸塊、凸節(jié)、脊和它們的組合構(gòu)成的組。
[0037]適用性的其它領(lǐng)域?qū)谋疚奶峁┑拿枋鲋凶兊们宄?。本概述中的描述和特定?shí)例 旨在僅用于圖示的目的，且不旨在限制本公開(kāi)內(nèi)容的范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0038] 本文所述的附圖僅出于選擇的實(shí)施例而并非所有可能的實(shí)施方式的示范目的，且 不旨在限制本公開(kāi)內(nèi)容的范圍。
[0039] 圖1示出了具有用于常規(guī)旋轉(zhuǎn)焊接過(guò)程的互補(bǔ)的成組構(gòu)件部分的示例性常規(guī)旋轉(zhuǎn) 焊接工具構(gòu)件組件，其中待連結(jié)的構(gòu)件的部分具有圓柱形截面，且在形成摩擦焊接接頭之 前在焊接接頭區(qū)域中限定凹的或倒錐形狀和凸錐形狀。
[0040] 圖2示出了具有第一靜止構(gòu)件和第二可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的某些方面的 摩擦焊接(例如，旋轉(zhuǎn)焊接)工具或構(gòu)件組件的第一變型。第一靜止構(gòu)件具有限定凹形界面 區(qū)域的第一焊接表面，且第二可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件具有限定互補(bǔ)凸形界面區(qū)域的第二焊接表面，它 們?cè)诤附咏宇^界面區(qū)域中是彼此的互補(bǔ)形狀。
[0041] 圖3示出了根據(jù)本教導(dǎo)的某些方面的用于摩擦焊接(例如，旋轉(zhuǎn)焊接)工具或構(gòu)件 組件的示例性焊接表面的頂部或平面視圖，其具有限定形成在垂直于旋轉(zhuǎn)方向的焊接表面 上的長(zhǎng)形矩形形狀的多個(gè)凹入通道或凹槽。
[0042] 圖4示出了根據(jù)本教導(dǎo)的某些方面的用于摩擦焊接(例如，旋轉(zhuǎn)焊接)工具或構(gòu)件 組件的另一個(gè)示例性焊接表面的頂部或平面視圖，其具有限定形成在垂直于旋轉(zhuǎn)方向的焊 接表面上的長(zhǎng)形矩形形狀的多個(gè)凹入通道或凹槽。
[0043] 圖5示出了根據(jù)本教導(dǎo)的某些方面的摩擦焊接(例如，旋轉(zhuǎn)焊接)工具或構(gòu)件組件 的又一個(gè)示例性焊接表面的頂部或平面視圖，其具有每個(gè)限定形成在焊接表面上的長(zhǎng)形矩 形形狀的第一多個(gè)和第二多個(gè)凹入通道或凹槽，其中所述第一多個(gè)凹槽具有第一長(zhǎng)度，且 第二多個(gè)凹槽具有小于第一長(zhǎng)度的第二