[發明專利]熱塑性復合材料的超聲焊接

在審

• 申請號: 201710447248.6
• 申請日: 2017-06-14
• 公開（公告）號: CN107498879A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: P-C.王;B.J.布拉斯基
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: B29C65/08
• 分類號: B29C65/08
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 韋欣華,楊思捷

相關申請的交叉引用

本申請要求于2016年6月14日提交的美國臨時申請No.62/349,845的權益。上述申請的全部公開內容通過引用并入本文。

技術領域

本公開涉及用于改進熱塑性聚合材料的超聲焊接的新方法和系統。

背景技術

本節提供與本公開相關的背景信息， 其不一定是現有技術。

在諸如超聲焊接的振動焊接工藝中，通過施加振動能將工件或多個工件的相鄰表面連接在一起。例如，兩個或更多個工件可以連接在一起，同時校準的振動能量從超聲焊接機通過至少一個工件傳遞。振動產生沿著界面表面的表面摩擦和工件的內部摩擦。當工件由聚合物或塑料材料形成時，所產生的熱量使界面表面軟化，從而通過在工件之間形成焊核來熔合或粘接工件。

在目前用于聚合物材料的超聲焊接技術中，在工件之間涂布有粘合劑，其需要在形成超聲能量之后固化或交聯。在超聲焊接工藝中（在超聲波焊頭和砧座之間）施加壓力，其迫使粘合劑遷移到形成焊核的焊接區域外部。通過超聲焊接形成焊核的工藝因此導致粘合層（bondline）厚度和接頭強度的不期望的變化。此外，在裝配線中進行工件的進一步加工之前，必須進行后焊固化以在工件之間提供足夠的強度，例如加熱工件至少10分鐘（例如在100℃）或更長時間。通常，這種固化在爐中或通過對聚合物工件施加熱量的其它技術進行。因此，焊接后固化工藝不僅需要大量的循環時間，而且加熱工藝最終會削弱工件。期望擁有超聲焊接聚合物材料的新方法，所述方法不僅在組裝期間使循環時間最小化，而且還改善對在工件之間形成的粘合層的控制。

發明內容

本節提供了本公開的總體概述，并非其全部范圍或其所有特征的全面披露。

在各個方面，本公開提供了一種超聲焊接聚合物工件的方法。一方面，該方法可以包括：將第一熱塑性聚合物工件的第一區域和第二熱塑性聚合物工件的第二區域設置在超聲焊接裝置的超聲波焊頭和砧座之間。第一熱塑性聚合物工件在第一區域具有預成形變形。此外，第一熱塑性聚合物工件和第二熱塑性聚合物工件中的至少一個具有涂布到其上的粘合劑前體。超聲波焊頭或砧座中的至少一個位于所述預成形變形之內，以在第一熱塑性聚合物工件和第二熱塑性聚合物工件之間提供預定的粘合層。該方法還包括從超聲波焊頭施加超聲能量，以在第一熱塑性聚合物工件和第二熱塑性聚合物工件之間產生焊核。因此形成了具有焊核的第一熱塑性聚合物工件和第二熱塑性聚合物工件的組件，其具有初始強度（green strength），使得可以立即進一步加工該組件。

在一個方面，該方法還包括以大于或等于約15KHz至小于或等于約40KHz的頻率振動第一熱塑性聚合物工件和第二熱塑性聚合物工件。

在一個方面，所述變形具有大于或等于約0.5 mm且小于或等于約3 mm的深度，和大于或等于約7 mm且小于或等于約20 mm的直徑或寬度。

在一個方面，所述變形具有對應于超聲波焊頭的橫截面形狀的橫截面形狀，并且該方法還包括在設置期間將超聲波焊頭放置在所述變形中。

在一個方面，所述變形具有圓形或橢圓形的橫截面形狀。

在一個方面，所述焊核具有大于或等于約3 mm且小于或等于約18 mm的直徑。

在一個方面，所述第一熱塑性聚合物工件和第二熱塑性聚合物工件各自獨立地具有大于或等于約0.5 mm至小于或等于約5 mm的厚度。

在一個方面，在第一熱塑性聚合物工件和第二熱塑性聚合物工件之間形成粘合劑之處的預定粘合層具有大于或等于約0.25 mm至小于或等于約1.25 mm的平均厚度。

在一個方面，所述第一熱塑性聚合物工件和第二熱塑性聚合物工件是復合材料，其包括：由獨立地選自以下的材料形成的熱塑性聚合物：聚酰胺樹脂，聚苯乙烯樹脂，丙烯腈苯乙烯樹脂，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯樹脂，聚乙烯醇樹脂，氯乙烯樹脂，偏二氯乙烯樹脂，乙酸乙烯酯樹脂，丙烯酸樹脂，聚丙烯酸酯樹脂，甲基丙烯酸酯樹脂，聚丙烯樹脂，聚乙烯樹脂，聚碳酸酯樹脂，聚縮醛樹脂，聚交酯樹脂，聚對苯二甲酸乙二醇酯樹脂，聚萘二甲酸乙二醇酯樹脂，聚對苯二甲酸丁二醇酯樹脂，聚苯醚樹脂，聚苯硫樹脂，聚砜樹脂，聚醚砜樹脂，聚醚醚酮樹脂，共聚物，及它們的組合；以及選自碳纖維，玻璃纖維，炭黑顆粒及其組合的增強材料。

在一個方面，所述粘合劑前體形成選自丙烯酸酯，甲基丙烯酸酯，環氧樹脂，及它們的共聚物和組合的粘合劑。