專利名稱：超聲波處理層疊件的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對層疊件進(jìn)行超聲波處理。尤其，本發(fā)明涉及對層疊件進(jìn)行超聲波縮小(debulk)或焊接的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
層疊材料廣泛地用作許多領(lǐng)域中，諸如航空航天領(lǐng)域。層疊材料包括聚合物復(fù)合層疊件，諸如熱塑性和熱固性復(fù)合層疊材料，以及金屬層疊材料。這種熱固性復(fù)合材料許多情況下應(yīng)用在結(jié)構(gòu)中，其中，材料的質(zhì)量是關(guān)鍵因素。例如，在硬化或凝固之前希望消除截留在未硬化復(fù)合層疊件中的空氣。
一般地，制造聚合物復(fù)合材料需要將聚合樹脂注入圍繞多個纖維的體積中，形成設(shè)置在樹脂基體中的纖維層或?qū)悠?ply)。通常，先完成注入過程，然后將多個層或?qū)悠M裝或“層疊”為組件或者“疊層(layup)”，隨后再進(jìn)行加熱或“硬化”以形成產(chǎn)品。
注入過程關(guān)鍵在于控制截留在疊層中的空氣以及注入材料的未硬化厚度。不完整的注入通常導(dǎo)致空氣截留在復(fù)合材料中?？諝庖部稍趯盈B過程期間截留在復(fù)合材料層或?qū)悠g。這種截留空氣導(dǎo)致未硬化部件的體積大于硬化部件的體積。截留在一個部件中的空氣的體積公知為“大塊體積(bulk)”。過大的體積通常導(dǎo)致在硬化復(fù)合部件中產(chǎn)生“波浪絲(marcels)”和/或空隙。波浪絲是在處理和/或硬化期間因?yàn)槔w維被制造過程的過大、不平衡力推動而變成波浪形狀的纖維。
在室溫下或者在熱和真空作用下的體積縮小或者“縮小(debulking)”是在部件層疊期間用于控制由巨大的體積導(dǎo)致的質(zhì)量異常的傳統(tǒng)方法。傳統(tǒng)地，體積縮小循環(huán)包括手工勞動，用于將部件抽成真空，將該部件加熱到體積縮小溫度并且從體積縮小溫度冷卻該部件，并且打開(unbag)該部件。這種體積縮小循環(huán)可能需要高達(dá)八至更多的小時(shí)來完成。而且，體積縮小溫度必須進(jìn)行仔細(xì)地選擇，從而使得復(fù)合材料在體積減小過程中不會被明顯地提前或分階段(stage)進(jìn)行。較厚的復(fù)合部件通常需要多次體積減小的循環(huán)，這樣明顯增加的整個部件循環(huán)時(shí)間和成本。
一種減少將復(fù)合疊層的體積減小所需的時(shí)間的方法是將超聲波振動應(yīng)用至層疊件。采用這種方法，超聲波焊頭(horn)與層疊的聚合物復(fù)合材料層或?qū)悠纳媳砻娼雍?。超聲波焊頭啟動以在層片中產(chǎn)生環(huán)狀變形，從而加熱該層片，減小樹脂的粘性并且增強(qiáng)纖維與樹脂的濕度。振動焊頭沿著疊層的上表面移動從而固化各層或?qū)悠?。而且，超聲波振動有助于所截留的氣體聚合并且形成較大的氣泡，這些氣泡更易于在振動超聲波焊頭的“掃動”移動下被推出。但是，傳統(tǒng)的超聲波體積減小技術(shù)可導(dǎo)致復(fù)合材料疊層的過度加熱。這種過度加熱通常導(dǎo)致熱固性樹脂部件的無益實(shí)質(zhì)交聯(lián)(即，硬化)。而且，這種過度加熱會導(dǎo)致樹脂和/或聚合物復(fù)合材料降解。這種缺陷可能導(dǎo)致硬化熱固性復(fù)合部件的降解，造成部件的機(jī)械屬性降低。
層疊材料的層或?qū)悠沙暡ê附又拎徑膶踊驅(qū)悠Ｔ谶@種層疊材料中，大部分的設(shè)計(jì)需要鄰近的層或?qū)悠邕^整個鄰近表面進(jìn)行焊接。但是，傳統(tǒng)的超聲波焊接過程無法補(bǔ)償過程中的變化，而過程中的變化可能導(dǎo)致焊接的層疊件出現(xiàn)亞標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量。
雖然存在多種公知程序能夠超聲波處理層疊材料，但是仍然存在大量的改善余地。

發(fā)明內(nèi)容
需要一種用于超聲波處理層疊件的改善的設(shè)備和方法。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于超聲波處理層疊件的改善的設(shè)備和方法。
在本發(fā)明的一個方面，提供一種用于超聲波處理層疊件的方法。該方法包括下述步驟限定跨過所述層疊件的路徑，所述路徑具有開始位置和結(jié)束位置；沿著所述路徑向所述層疊件施加力并且將超聲波振動傳送入所述層疊件，在開始位置開始，在結(jié)束位置終止。該方法還包括確定所述層疊件與所述路徑鄰近的表面的溫度；以及根據(jù)所述層疊件的表面的確定溫度改變超聲波振動的幅值、所施加的力、沿著所述路徑施加力和超聲波振動的饋送速率、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個。
在本發(fā)明的另一方面，提供一種用于超聲波處理層疊件的設(shè)備。該設(shè)備包括具有超聲波焊頭的超聲波裝置，適于將超聲波振動傳送進(jìn)入層疊件；以及操作關(guān)聯(lián)于所述超聲波裝置的致動器，適于移動超聲波焊頭以與層疊件接觸。該設(shè)備還包定位器，用于將超聲波焊頭相對于層疊件移動或者將層疊件相對于超聲波焊頭移動；適于檢測層疊件的表面溫度的溫度傳感器。此外，本設(shè)備還包括操作關(guān)聯(lián)于超聲波裝置、致動器、定位器和溫度傳感器至少其中一個的控制器，該控制器根據(jù)由溫度傳感器檢測的溫度控制下述至少一項(xiàng)傳送入層疊件的超聲波振動的幅值；超聲波焊頭與層疊件接觸的力；超聲波焊頭相對于層疊件移動以及層疊件相對于超聲波焊頭移動的饋送速度；以及處理層疊件的層片的間隔。
在本發(fā)明的另一方面中，設(shè)置一種用于超聲波處理層疊件的設(shè)備。該設(shè)備包括用于沿著路徑將力施加至層疊件的裝置，在開始位置開始，在結(jié)束位置終止；用于沿著所述路徑將超聲波振動傳送入所述層疊件的裝置，在開始位置開始，在結(jié)束位置終止。該設(shè)備還包括用于確定所述復(fù)合層疊件與所述路徑鄰近的表面的溫度的裝置；以及根據(jù)所述層疊件的表面的確定溫度改變超聲波振動的幅值、力、沿著所述路徑施加力和超聲波振動的饋送速率、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個的裝置。
在本發(fā)明的另一方面中，提供一種用于超聲波處理層疊件的方法。該方法包括下述步驟將力施加至層疊件并且將超聲波振動傳送入層疊件；確定層疊件的表面溫度；以及根據(jù)所述層疊件的表面的確定溫度改變超聲波振動的幅值、所施加的力、沿著所述路徑施加力和超聲波振動的饋送速率、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個。
在本發(fā)明的另一方面，提供一種用于超聲波處理層疊件的設(shè)備。該設(shè)備包括具有超聲波焊頭的超聲波裝置，適于將超聲波振動傳送進(jìn)入層疊件；操作關(guān)聯(lián)于所述超聲波裝置的致動器，適于移動超聲波焊頭以與層疊件接觸。該設(shè)備還包括適于檢測層疊件的表面溫度的溫度傳感器；以及操作關(guān)聯(lián)于超聲波裝置、致動器和溫度傳感器至少其中一個的控制器，該控制器根據(jù)由溫度傳感器檢測的溫度控制下述至少一項(xiàng)傳送入層疊件的超聲波振動的幅值；超聲波焊頭與層疊件接觸的力；以及處理層疊件的層片的間隔。
本發(fā)明具有明顯的優(yōu)勢，包括(1)減小處理層疊件所需的時(shí)間、手工勞動和成本；以及(2)提供一種在層片處理期間適應(yīng)性地控制層片質(zhì)量的方法。
其他目的、特征和優(yōu)勢將在下文進(jìn)行說明。


本發(fā)明的新穎特征將在所附的權(quán)利要求中得以闡述。但是，本發(fā)明本身以及優(yōu)選實(shí)施方式和其目的和優(yōu)勢將結(jié)合附圖并參照下述詳細(xì)說明得以清楚地了解，附圖標(biāo)記中最左邊的數(shù)字表示附圖標(biāo)記的第一位，其中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的超聲波處理未硬化、復(fù)合層疊件的方法的一項(xiàng)特定實(shí)施例的示意圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的超聲波處理方法的一項(xiàng)特定實(shí)施例的流程圖；圖3是用于超聲波處理復(fù)合層疊件的示例性實(shí)施例的示意圖；圖4是力校核數(shù)據(jù)的圖解示意圖；圖5是紅外線溫度傳感器校核數(shù)據(jù)的圖解示意圖；圖6是提供實(shí)驗(yàn)輸入和輸出的設(shè)計(jì)總結(jié)的表格；圖7是作為層疊件中的固化層片的數(shù)量的函數(shù)的最大表面溫度的圖解示意圖；圖8是層疊件厚度和層疊件溫度之間的關(guān)系的圖解示意圖；圖9是力校核數(shù)據(jù)的圖解示意圖；圖10是振動校核數(shù)據(jù)的幅值的圖解示意圖；圖11是紅外線溫度傳感器校核數(shù)據(jù)的圖解示意圖；圖12是處于第一理想溫度下時(shí)表面溫度上的閉環(huán)控制的作用的圖解示意圖；圖13是處于第二理想溫度下時(shí)表面溫度上的閉環(huán)控制的作用的圖解示意圖；圖14是在各種層片程度下用于保持理想設(shè)定點(diǎn)溫度的不同運(yùn)行速度的圖解示意圖。
雖然本發(fā)明可采用各種改進(jìn)方案和備選方案，但是本發(fā)明的特定實(shí)施例已經(jīng)在附圖中示出并且在本文中進(jìn)行詳細(xì)說明。但是，應(yīng)該理解，對于特定實(shí)施例的說明并不意在將本發(fā)明限制在所公開的特定形式下，但是，相反，意在覆蓋落入本發(fā)明的由所附權(quán)利要求限定的精髓和范圍的所有改進(jìn)、等同和備選方案。
具體實(shí)施例方式
本申請要求2004年10月8日提交的名稱為“超聲波縮小復(fù)合層疊件的體積”的美國臨時(shí)申請No.60/617,288以及2005年3月22日提交的名稱為“用于復(fù)合層疊件的超聲波體積縮小技術(shù)的發(fā)展”的臨時(shí)申請No.60/664,106的優(yōu)先權(quán)，其完整內(nèi)容引用結(jié)合于此。
下面將說明本發(fā)明的示例性實(shí)施例。為了清楚起見，在說明書中沒有描述出實(shí)際實(shí)施方式的所有特征。當(dāng)然，應(yīng)該理解，在任何實(shí)際實(shí)施例的發(fā)展過程中，需要考慮多種特定于實(shí)施方式的改變，從而實(shí)現(xiàn)研發(fā)人員的特定目標(biāo)，諸如符合系統(tǒng)相關(guān)的和業(yè)務(wù)相關(guān)的約束，這些約束在各個實(shí)施例之間是不同的。而且，應(yīng)該理解，這種改進(jìn)的努力可能是復(fù)雜且耗時(shí)的，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將受益于本發(fā)明的公開內(nèi)容而如同執(zhí)行程序那樣實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
本發(fā)明示出一種用于超聲波處理層疊件的設(shè)備和方法。聚合物復(fù)合層疊件由多個設(shè)置在聚合樹脂母體中的纖維層或?qū)悠瞥?。聚合樹脂可以是熱固性樹脂或熱塑性樹脂。金屬層疊件由焊接在鄰近層或?qū)悠g的交接面處的多個金屬材料層或?qū)悠瞥伞＿@里所使用的術(shù)語“處理”涉及聚合物層疊件，表示層疊材料層或?qū)悠捏w積縮小(即，從未固化層疊件中移除空氣)或連接。這里所使用的術(shù)語“處理”涉及金屬層疊材料，表示層疊材料的層或?qū)悠倪B接。
根據(jù)本發(fā)明的方法，沿著跨過層疊件的路徑施加超聲波振動和力。超聲波振幅、所施加的力、跨過層疊件施加的超聲波振動和力的饋送速率、施加至層疊件的超聲波振動的角度以及處理各層片的間隔至少其中之一根據(jù)與施加超聲波振動和力的位置鄰近的層疊件的上表面的溫度發(fā)生變化。在各個實(shí)施例中，該方法包括根據(jù)與施加超聲波振動和力的位置鄰近的層疊件的上表面的溫度使用比例控制方法、積分控制方法和微分控制方法其中的一個或多個改變超聲波振幅、所施加的力、跨過層疊件施加的超聲波振動和力的饋送速率、施加至層疊件的超聲波振動的角度以及處理各層片的間隔至少其中之一。注意，也可以使用模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法。這些控制方法可在焊頭以大角度范圍接觸層疊件表面時(shí)或者當(dāng)層疊件具有厚度差異、斜率和柔性曲率時(shí)應(yīng)用。注意，本發(fā)明的范圍覆蓋改變其他處理參數(shù)的方法實(shí)施例，這將在下文進(jìn)行詳細(xì)說明。
而且，本發(fā)明的范圍覆蓋適于超聲波處理層疊件的設(shè)備，使得超聲波振動的幅值、所施加的力、沿著跨過層疊件的路徑施加的超聲波振動和力的饋送速率、施加至層疊件的超聲波振動的角度以及處理各層片的間隔至少其中之一根據(jù)與施加超聲波振動和力的位置鄰近的層疊件的上表面的溫度發(fā)生變化。在一項(xiàng)實(shí)施例中，該設(shè)備包括根據(jù)與施加超聲波振動和力的位置鄰近的層疊件的上表面的溫度來改變超聲波振幅、所施加的力、跨過層疊件施加的超聲波振動和力的饋送速率、施加至層疊件的超聲波振動的角度以及處理各層片的間隔至少其中之一所采用的比例控制方法、積分控制方法和微分控制方法其中的一個或多個。該設(shè)備可采用模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法。注意，本發(fā)明的范圍覆蓋適于改變其他處理參數(shù)的設(shè)備的實(shí)施例，這將在下文進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的超聲波處理層疊件的方法的一項(xiàng)具體實(shí)施例的示意圖。在該方法中，超聲波焊頭101應(yīng)用至設(shè)置在工作筒、工件夾具、工具或模具107上的層疊件105的上表面103。應(yīng)該指出，圖1中的超聲波焊頭101的特定尺寸圖示僅僅是示例性的。超聲波焊頭101向?qū)盈B件105的上表面103施加力，如箭頭109所示。超聲波焊頭101如箭頭111所示沿著振動113的軸線產(chǎn)生超聲波振動。
再次參照圖1，超聲波焊頭101相對于層疊件105活動。注意，模具107和層疊件105可保持固定，超聲波焊頭101如箭頭115所示相對于層疊件105移動。可選擇地，超聲波焊頭101可保持固定，模具107和層疊件105如箭頭117所示相對于超聲波焊頭101移動。在其他實(shí)施例中，模具107和超聲波焊頭101可如箭頭115、117所示移動，使得超聲波焊頭101相對于層疊件105移動。超聲波焊頭101的振動113的軸線的取向?yàn)橄鄬τ趯盈B件105和模具107的角度θ。雖然超聲波焊頭角度θ如圖1所示基本上成直角，但是，本發(fā)明的范圍并不局限于此。此外，超聲波焊頭角θ可以是任何適當(dāng)?shù)慕?，銳角、鈍角或直角。
在超聲波處理期間，超聲波振動從超聲波焊頭101傳送通過層疊件105的表面103進(jìn)入層疊件105。當(dāng)層疊件105是聚合物復(fù)合層疊件時(shí)，超聲波振動在復(fù)合層疊件105中產(chǎn)生機(jī)械振動和粘滯彈性加熱，這樣減小了樹脂母體的粘性。樹脂母體的減小粘性與由超聲波焊頭101施加至復(fù)合層疊件105上的力相結(jié)合將復(fù)合層疊件105從厚度T1緊縮至T2，體積縮小的厚度差值是厚度T1與厚度T2之間的差值。在復(fù)合層疊件105中截留的空氣由超聲波焊頭101向前推動進(jìn)入復(fù)合層疊件的還沒有被緊縮的部分。當(dāng)充分地鄰近復(fù)合材料的自由邊緣以及復(fù)合層疊件的自由邊緣諸如復(fù)合層疊件105的邊緣119時(shí)，截留的空氣被自由地排放至大氣，如箭頭121所示。
根據(jù)本發(fā)明，在超聲波縮小體積期間，復(fù)合層疊件的緊縮厚度T2通常與超聲波焊頭101與上表面103(例如，圖1中總體示為123)之間的交接面鄰近的復(fù)合層疊件105的上表面103的溫度成反比。而且，厚度T2與由超聲波焊頭101施加至復(fù)合層疊件105的超聲波振動幅值和力成反比。此外，厚度T2與超聲波焊頭101移動跨過復(fù)合層疊件105所用的饋送速率成正比。根據(jù)實(shí)施方式，超聲波振動施加至層疊件105的角度和/或處理各層片的間隔關(guān)聯(lián)于厚度T2。因此根據(jù)本發(fā)明，厚度T2以及因此的體積縮小過程通過根據(jù)與超聲波焊頭101和上表面103之間的交接面鄰近的復(fù)合層疊件105的上表面103的溫度改變超聲波振幅、由超聲波焊頭101施加至復(fù)合層疊件105的力、跨過復(fù)合層疊件101移動的超聲波焊頭101的饋送速率、施加至層疊件105的超聲波振動的角度以及處理各層片的間隔至少其中之一而進(jìn)行控制。注意，厚度T2是體積縮小之后但是硬化之前的復(fù)合層疊件105的厚度。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參照體積縮小進(jìn)行說明，但是本發(fā)明的范圍并不局限于此。此外，參照圖1所述的方法直接地應(yīng)用于將聚合復(fù)合材料的鄰近層或?qū)悠蛘呓饘俨牧系泥徑鼘踊驅(qū)悠B接到一起以形成層疊件。具體地說，由超聲波焊頭101施加至層疊件的超聲波振動的幅值和施加至層疊件的力、超聲波焊頭101移動跨過層疊件的饋送速率、超聲波振動施加至層疊件的角度和/或各層片處理的間隔與連接鄰近層或?qū)悠暮噶系馁|(zhì)量有關(guān)。因此，根據(jù)本發(fā)明，焊接過程通過根據(jù)與超聲波焊頭101和層疊件上表面之間的交接面鄰近的層疊件的上表面的溫度改變超聲波振幅、由超聲波焊頭101施加至層疊件的力、跨過層疊件移動的超聲波焊頭101的饋送速率、施加至層疊件的超聲波振動的角度以及處理各層片的間隔至少其中之一而進(jìn)行控制。
如圖2所示，本發(fā)明的一項(xiàng)特定實(shí)施例是包括限定跨過層疊件諸如層疊件105(方塊201)的路徑的步驟的方法。本方法還包括沿著該路徑將力施加至層疊件并且將超聲波振動傳送進(jìn)入層疊件，從開始位置開始，終止于結(jié)束位置(方塊203)。本方法還包括確定與該路徑鄰近的層疊件的表面的溫度(步驟205)。而且，該方法包括根據(jù)層疊件的表面的確定溫度改變超聲波振動的幅值、力、力和超聲波振動沿著該路徑施加所用的饋送速率、超聲波振動施加至層疊件的角度以及處理各層片的間隔其中至少之一(方塊207)。
在一項(xiàng)實(shí)施例中，方塊207的步驟通過比例控制方法、積分控制方法和微分控制方法其中至少之一而執(zhí)行。如本發(fā)明的那樣，這些方法的每個采用閉環(huán)、反饋控制方法，該方法具有與超聲波幅值、通過超聲波焊頭101施加在復(fù)合層疊件105上的力、超聲波焊頭101移動跨過復(fù)合層疊件105的饋送速率、施加至層疊件105的超聲波振動的角度和/或處理各層片的間隔對應(yīng)的一個或多個輸出控制變量。一個或多個輸出控制變量以復(fù)合層疊件105的上表面103的預(yù)定溫度設(shè)定點(diǎn)與復(fù)合層疊件105的上表面103的實(shí)際溫度之間的誤差為基礎(chǔ)。
當(dāng)方塊207的步驟由比例控制方法執(zhí)行時(shí)，上表面103的實(shí)際溫度與上表面103的理想溫度之間的差值與預(yù)定增益相乘從而產(chǎn)生與超聲波幅值、通過超聲波焊頭101施加在復(fù)合層疊件105上的力、超聲波焊頭101移動跨過復(fù)合層疊件105的饋送速率、施加至層疊件105的超聲波振動的角度和/或處理各層片的間隔對應(yīng)的一個或多個輸出控制變量。當(dāng)方塊207的步驟由積分控制方法執(zhí)行時(shí)，上表面103的實(shí)際溫度與上表面103的理想溫度之間的差值的積分與預(yù)定增益相乘從而產(chǎn)生與超聲波幅值、通過超聲波焊頭101施加在復(fù)合層疊件105上的力、超聲波焊頭101移動跨過復(fù)合層疊件105的饋送速率、施加至層疊件105的超聲波振動的角度和/或處理各層片的間隔對應(yīng)的一個或多個輸出控制變量。當(dāng)方塊207的步驟由微分控制方法執(zhí)行時(shí)，上表面103的實(shí)際溫度與上表面103的理想溫度之間的差值的變化率與預(yù)定增益相乘從而產(chǎn)生與超聲波幅值、通過超聲波焊頭101施加在復(fù)合層疊件105上的力、超聲波焊頭101移動跨過復(fù)合層疊件105的饋送速率、施加至層疊件105的超聲波振動的角度和/或處理各層片的間隔對應(yīng)的一個或多個輸出控制變量。注意，比例控制方法、積分控制方法和微分控制方法的兩個或多個可以相結(jié)合，諸如采用比例-積分-微分控制方法。方塊207的步驟使用模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法執(zhí)行。
圖3示出用于超聲波處理層疊件的設(shè)備301的一項(xiàng)特定實(shí)施例。在所示實(shí)施例中，設(shè)備301包括超聲波裝置303，諸如超聲波焊接機(jī)。超聲波裝置303包括將電能諸如120VAC、50-60Hz電能轉(zhuǎn)換為高頻電能的電源305。高頻電能的頻率根據(jù)特定情況施加但是通常處于大約10KHz至大約50KHz的范圍中。在一項(xiàng)實(shí)施例中，高頻電能的頻率為大約40KHz。電源305與將高頻電能轉(zhuǎn)換至處于超聲波頻率的機(jī)械運(yùn)動的轉(zhuǎn)換器307電性連接。機(jī)械運(yùn)動然后通過幅值改變調(diào)壓器309傳送至超聲波焊頭101。超聲波焊頭、聲學(xué)工具將振動能量傳送至復(fù)合層疊件105。
現(xiàn)在參照圖3，設(shè)備301還包括使超聲波焊頭101接觸復(fù)合層疊件105的致動器311。如果超聲波焊頭101需要相對于復(fù)合層疊件105移動，如上文參照圖1所述，那么設(shè)備301可包括相對于復(fù)合層疊件105移動超聲波焊頭101的定位器313。如果復(fù)合層疊件105需要相對于超聲波焊頭101移動，如上文參照圖1所述，那么設(shè)備301包括用于相對于超聲波焊頭101移動模具107以及因此移動復(fù)合層疊件105的定位器315。設(shè)備301的一些實(shí)施例包括定位器313和315二者。應(yīng)該指出，定位器313和315的具體構(gòu)造根據(jù)具體情況實(shí)施。例如，超聲波焊頭101可實(shí)施在復(fù)合帶放置頭、復(fù)合拖輪放置頭、復(fù)合纖維放置頭、超聲波焊接頭等上，其中定位器313是用于復(fù)合帶放置頭、復(fù)合拖輪放置頭、復(fù)合纖維放置頭的定位設(shè)備。定位器313、315可以是單軸或多軸的定位器。設(shè)備301還包括溫度傳感器317，用于檢測與復(fù)合層疊件105的超聲波焊頭101和上表面103之間的交接面鄰近的層疊件105的上表面103的溫度。
借助示例和說明，超聲波裝置303和一個或多個定位器313、315只包括用于沿著路徑將超聲波振動傳送進(jìn)入層疊件105的一個裝置。而且，借助示例和說明，致動器311和一個或多個定位器313、315只包括用于沿著路徑將力施加至層疊件105的一個裝置。注意，該路徑可包括具有焊頭與層疊件之間的不同接觸角度的斜面，以及層疊件中的層片或?qū)拥暮穸群蛿?shù)量的變化。因此，可包括定位器313、定位器315或者另一方向定位器，從而能夠定位超聲波焊頭101相對于層疊件105成具體的或者可變的接觸角度。
控制器319與電源305連接從而控制施加至層疊件105的超聲波振動的幅值并且連接至致動器311從而控制由超聲波焊頭101施加至層疊件105的力的大小?？刂破魍瑯痈鶕?jù)具體實(shí)施例與一個或多個定位器313、315連接，從而控制超聲波焊頭101相對于層疊件105的位置或饋送速率。而且，控制器319與溫度傳感器317連接，從而輸入由溫度傳感器317檢測的溫度。借助示例和說明，溫度傳感器317只是用于確定層疊件105的表面的溫度的一個裝置。溫度傳感器317可以是接觸傳感器，諸如表面溫度探頭，或者非接觸傳感器，諸如紅外線溫度傳感器。
如上文結(jié)合圖1所述，控制器319根據(jù)與超聲波焊頭101和層疊件105的上表面103之間的交接面鄰近的層疊件104的上表面103的溫度控制施加至層疊件105的超聲波振動幅值、由超聲波焊頭101施加至層疊件105的力以及超聲波焊頭101和層疊件相對于彼此移動的饋送速率。借助示例和說明，控制器319只是一個用于根據(jù)層疊件表面的確定溫度改變下述至少一項(xiàng)的裝置超聲波振動的幅值、力、沿著路徑施加壓力和超聲波振動的饋送速率。注意，控制器319可以是用于控制復(fù)合帶放置機(jī)器、復(fù)合拖輪放置機(jī)器、復(fù)合纖維放置機(jī)器、超聲波焊接機(jī)器等的控制器的一部分或者一區(qū)段。
本發(fā)明適于控制任何材料的任何基板的表面溫度，可實(shí)現(xiàn)該過程的質(zhì)量目標(biāo)，即通過根據(jù)目標(biāo)基板的表面的確定溫度改變超聲波振動的幅值、所施加的力、接觸角、處理各層片的間隔以及沿著該路徑施加力和超聲波振動的饋送速率其中至少一個。這種質(zhì)量目標(biāo)包括例如從層疊件移除的體積的量、層疊件的鄰近層或?qū)悠g的焊料的質(zhì)量。注意，在一些實(shí)施例中，饋送速率可以是基本上為零，使得將超聲波振動和壓力施加在基板上的一個位置處，而不是沿著跨過層疊件的路徑。
在本發(fā)明的改進(jìn)過程中，進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”(“DOE”)以確定復(fù)合層疊件的體積縮小厚度上的各種超聲波體積縮小過程參數(shù)的作用。這些實(shí)驗(yàn)采用兩個層次和五個因數(shù)的盒式設(shè)計(jì)，用于評價(jià)單方向玻璃環(huán)氧樹脂(E773/S2)層疊件上的超聲波體積縮小的作用。預(yù)注入(“prepreg”)片的尺寸為152mm×152mm，該片被預(yù)切割并且以28層片為一組封裝在密封的聚乙烯包中，該包一直保持在冷凍庫中直到實(shí)驗(yàn)之前的一個或兩個小時(shí)。在體積縮小期間，每個預(yù)注入層以零度和90度取向的交替層單獨(dú)地放置入矩形模具中。在超聲波處理之間放入模具中的層片數(shù)量(N)包括兩個程度四層片和七層片。層疊件中的層片的最終數(shù)量恒定保持在28。進(jìn)行評價(jià)的其他參數(shù)包括●跨過復(fù)合層疊件的超聲波焊頭的活動速度(R)處于大約每秒1.27厘米以及大約每秒2.54厘米；●由超聲波焊頭施加至復(fù)合層疊件上的力(F)處于大約35.6牛頓和大約111.2牛頓；●由超聲波焊頭施加在復(fù)合層疊件上的超聲波振動的幅值(A)處于峰值到峰值大約15微米，峰值到峰值大約30微米；以及
●模具相對于超聲波焊頭的角度(θ)處于大約0度和大約45度。
所使用的超聲波設(shè)備是Dukane 40kHz超聲波焊接機(jī)。對活動速度、力和幅值進(jìn)行校核從而確保為DOE參數(shù)設(shè)定的量值是正確的并且注意任何不同于理想值的偏差。對于氣缸設(shè)定的壓力確定由Dukane超聲波焊接機(jī)施加的力。所施加的力使用Sensotec(型號31)445牛頓(100磅力)載荷傳感器進(jìn)行校核。振動沿著焊頭的末端的幅值使用Polytec P1激光干涉儀測量。
在超聲波體積縮小期間，經(jīng)處理層片的表面上的溫度使用OmegaOS36-01紅外線(“IR”)溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)控。IR傳感器的輸出取決于表面的輸出率，傳感器通常校正窄的溫度范圍。IR溫度傳感器通過將具有預(yù)注入層的熱板放置在超聲波焊頭下方而進(jìn)行校核，如超聲波縮小體積那樣，該預(yù)注入層帶有脫膜紙。熱電偶表面表面溫度探針也設(shè)置在脫膜紙上，該紙?zhí)峁┯糜谛：薎R傳感器的參考溫度。然后，熱板溫度緩慢地升高，同時(shí)記錄IR和表面探針溫度。接下來，熱板被關(guān)閉并且也在冷卻期間記錄各溫度。IR溫度然后經(jīng)過校核達(dá)到表面探針溫度。
頂層的表面溫度φ使用IR熱傳感器進(jìn)行測量。體積減小的樣本厚度T2使用測微尺進(jìn)行測量。超聲波溫度減小樣本然后使用由材料提供商推薦的條件進(jìn)行硬化。然后測量硬化樣本得到短梁剪切強(qiáng)度和撓性模量。然后使用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)方法回歸所得數(shù)據(jù)。
由焊接機(jī)施加的力使用Sensotec載荷傳感器進(jìn)行校核，如圖4所示。其同樣示出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最小平方擬合的方程。圖5示出IR溫度傳感器的校核以及對于加熱和冷卻數(shù)據(jù)的多項(xiàng)式回歸擬合。如圖所示，加熱和冷卻曲線非常接近；而，使用加熱曲線參照IR溫度傳感器的讀數(shù)確定絕對表面溫度。
如圖6所示，處理之后(但是在樣品的最終硬化之前)的最后厚度受到速率、力和幅值的影響。更詳細(xì)地說，最終厚度與幅值和力成反比并且與速度成正比。較高的幅值在處理期間促進(jìn)更大程度的加熱和更多的擠壓流，從而更好地減小體積。由于焊頭改善地連接至預(yù)注入件與在層接合面處產(chǎn)生的更高壓力的組合，更大的力促進(jìn)更好地縮小體積。更大的活動速率減小樣本的超聲波暴露時(shí)間并且因此減小了加熱，這又減小了擠壓流。經(jīng)研究的其他參數(shù)，焊頭角度和間隔數(shù)不會明顯地影響到最終的后處理厚度。獨(dú)立變量的截項(xiàng)(cross terms)和更高順序項(xiàng)同樣不會明顯地影響到最終厚度。因此，厚度與處理參數(shù)之間的最終關(guān)系是非常好的(r2＝0.971)，并且由下式給出
T＝7.03+(0.183×R)-(0.003×F)-(0.011×A)重要之處在于，雖然截項(xiàng)，諸如F×A初始已經(jīng)包括，但是它們并沒有從最終模型中移除，因?yàn)樗鼈冊诮y(tǒng)計(jì)學(xué)中是不重要的。但是，在其他實(shí)施方式中，本發(fā)明的范圍覆蓋了這種截項(xiàng)。而且，在其他實(shí)施方式中，焊頭角和間隔數(shù)對于本發(fā)明來說可以是重要的。在這種實(shí)施方式中，可以控制焊頭角和/或間隔數(shù)從而影響體積減小的層疊件的厚度。
除了厚度測量，超聲波減小體積期間的表面溫度也需要測量。初始地，使用IR照相機(jī)。一旦焊頭通過特定點(diǎn)，那么溫度將相對快速地下降。這意味著在上表面(焊頭/上層交接面)處進(jìn)行局部加熱-也就是說，熱量產(chǎn)生并不是體積增加的作用。隨后，IR溫度傳感器用于在超聲波振動期間監(jiān)控預(yù)注入層的表面溫度，并且記錄最大溫度。如圖7所示，經(jīng)過超聲波處理的層片的最大表面溫度隨著疊層中的層片的數(shù)量的增加而減小。這可能是由于系統(tǒng)柔性的增加和粘彈性加熱的減小造成的。因此，采用初始的四個層片，表面溫度是最高的，并且逐漸隨著使用其他層片而減小。也就是，應(yīng)用其他層片會增加系統(tǒng)的柔性并且減小表面層片的整體加熱。
圖6同樣示出經(jīng)處理的第一組層片(四個或七個層片)在使用IR溫度傳感器的校正-加熱曲線進(jìn)行校正之后(參見圖5)的最大溫度。重要的是，該溫度只表示在超聲波縮小體積(見圖7)期間形成的溫度范圍；但是其能夠?qū)崿F(xiàn)輸入?yún)?shù)和單一溫度之間的關(guān)聯(lián)。因此，前面所述的用于厚度的相同統(tǒng)計(jì)方法用于將第一組層片的最大表面溫度與輸入?yún)?shù)之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)。這里，同樣，關(guān)聯(lián)是非常好的(r2＝0.971)并且其關(guān)系由下式給出φ＝25.307+(1.668×A)-(2.058×N)+(0.008×A×F)-(0.316×A×R)表面溫度很大程度上依賴于幅值。同樣可見，對于給定的幅值，溫度與力成正比，并且與速率成反比。增加力可能會增加焊頭與層疊件之間的機(jī)械連接，增加能量傳送的整體效率。因此，增加幅值與力的叉積(A×F)同樣可增加溫度。相反，增加饋送速率會減小曝光時(shí)間，減小加熱時(shí)間。這樣會減小整體溫度并且解釋為什么增加幅值與速率的叉積(A×R)會減小溫度。
仔細(xì)研究圖6的厚度和溫度欄可知超聲波減小體積的層疊件的厚度與溫度成反比(參見圖8)。如先前所述，該關(guān)系是可預(yù)期的，因?yàn)楦叩臏囟葧p小基體的粘性，使得更多的截留氣體能夠在超聲波振動下被擠出。由于能夠容易地測量溫度，所以其可在超聲波減小體積期間用于非直接地監(jiān)控(或者控制)層疊件厚度(和密度)。
由DOE得到的硬化層疊件進(jìn)行機(jī)制和測量從而確定短梁剪切強(qiáng)度；然后對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。發(fā)現(xiàn)短梁剪切測試獨(dú)立于在超聲波縮小體積中研究的參數(shù)(r2＝0.313)。也就是說，沒有明顯的證據(jù)表明任何參數(shù)會影響短梁剪切測試的最終結(jié)果。因?yàn)閺膶俸酮?dú)立參數(shù)之間沒有關(guān)系，所以沒有等式示出。因此，應(yīng)用超聲波處理不會降低短梁剪切強(qiáng)度結(jié)果；實(shí)際上，所有經(jīng)處理樣本的平均短梁剪切強(qiáng)度比(未處理的)控制組高1.7％。
由DOE得到的硬化層疊件同樣進(jìn)行機(jī)制和測量彎度從而確定撓性模量。類似于短梁檢測測量的結(jié)果，超聲波減小體積參數(shù)和撓性模量(r2＝0.085)之間沒有關(guān)聯(lián)。由于從屬和獨(dú)立變量之間沒有明顯的關(guān)系，所以沒有方程示出。如同采用短梁剪切測試，所有經(jīng)處理樣本的平均撓性模量比未處理的樣本高3.1％。因此，超聲波處理對于撓性模量沒有不利的作用。
這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果結(jié)合入用于超聲波處理復(fù)合層疊件的示例性方法。確定表面溫度對于體積減小過程具有明顯的影響，并且可用作層疊件厚度的指示標(biāo)。因此，確定通過動態(tài)地改變振動幅值來測量和控制表面的溫度。這需要將超聲波焊接機(jī)改變?yōu)榫哂须娫吹暮附訖C(jī)，Brason 40kHz(型號2000ae致動器和2000t電源)，允許在整個幅值的50至100％范圍內(nèi)改變幅值。為了動態(tài)地控制該幅值，使用Stanford Research Systems(SRS)(型號SIM960)比例-積分-微分(PID)控制器。在SRS控制器中設(shè)定理想的溫度，并且開始時(shí)只實(shí)現(xiàn)SRS PID的比例控制部分。IR溫度傳感器輸出用作SRS控制器的輸入，在該控制器中，其與設(shè)定溫度比較從而確定誤差。理想和實(shí)際溫度之間的誤差通過與比例增益相乘從而確定控制器的輸出，其用作Brason超聲波電源的幅值控制電壓的輸入。SRS控制器經(jīng)調(diào)整從而具有電壓偏差，該偏差名義上應(yīng)用整個幅值的75％；然后，根據(jù)比例控制增加或減小幅值從而保持不變的溫度。
Brason超聲波焊接機(jī)的振動振幅使用Polytec PI激光干涉儀測量作為控制電壓的函數(shù)。類似于Dukane焊接機(jī)，在氣缸上設(shè)定壓力使得在Brason焊接機(jī)上設(shè)定力；因此，由Brason焊接機(jī)施加的力同樣使用Sensotec力變換器(transducer)進(jìn)行校核。從校核曲線可知，很難使用設(shè)定在機(jī)器上的壓力設(shè)定低的力(在75-150N范圍內(nèi))。機(jī)器上的壓力計(jì)量器的刻度范圍從0至700kPa，理想的力需要壓力設(shè)定在50-80kPa范圍內(nèi)，該范圍是很小的范圍并且接近計(jì)量器的底部。因此，在超聲波掃描之前，Sensotec力變換器用于為Brason焊接機(jī)中的致動器設(shè)定氣壓，從而施加111.2N(251b)的恒力，該設(shè)定用于所有的超聲波體積縮小實(shí)驗(yàn)。
為了改善IR溫度傳感器的響應(yīng)，設(shè)計(jì)并且制造新的夾具將傳感器更近地保持至層疊表面。然后使用熱板和表面熱電偶探針校核該傳感器，如前文所述。每次超聲波掃描期間的溫度使用IBM PC中的Metrabyte DAS-TC數(shù)據(jù)獲取板進(jìn)行記錄。
為了進(jìn)行閉環(huán)溫度控制實(shí)驗(yàn)，三個復(fù)合層疊件被縮小體積一個為了確定SRS控制器上的增益，兩個具有54℃(130)和77℃(170)的目標(biāo)表面溫度。開始時(shí)，將四個層片放置在模具上，并且使用比較高的活動速度(2至3cm/s)。然后對第一層疊件執(zhí)行測試從而確定表面溫度上的不同比例增益設(shè)定的作用。如果增益過高，那么溫度發(fā)生振蕩；如果增益過低，那么在目標(biāo)和實(shí)際溫度之間存在偏差。一旦確定增益，那么對具有54℃和77℃的目標(biāo)溫度的層疊件的第一至第四層片進(jìn)行超聲波縮小體積。接下來，將兩個層片加入第一層片，并且執(zhí)行測試以再次選擇適當(dāng)?shù)脑鲆?。然后，將兩個層片加入具有54℃和77℃的目標(biāo)溫度的層疊件，對其進(jìn)行超聲波減小體積。該過程每兩個層片進(jìn)行重復(fù)。發(fā)現(xiàn)隨著加入更多的層片，系統(tǒng)的柔性增加，需要更低的速度從而獲得理想的溫度。但是，在處理10至14層片之后，加入其他的層片不會明顯地改變阻抗，并且對所有的后續(xù)層片保持速度和增益不變直到完成28層片復(fù)合件。
在超聲波減小體積之后，層疊件的體積通過在空氣中稱重和在水中稱重進(jìn)行測量。然后，層疊件的密度通過將重量除以體積進(jìn)行計(jì)算。然后，將層疊件放置在60℃的真空中30分鐘從而允許額外地進(jìn)行體積減小。層疊件密度在熱真空體積縮小步驟之后進(jìn)行測量。然后，復(fù)合件被固化并且密度被再次測量。層疊件中的剩余體積然后通過復(fù)合件的密度與超聲波體積小減小之后的層疊件密度之間的差值進(jìn)行計(jì)算。
如前文所述，已發(fā)現(xiàn)對層疊件的第一組層片進(jìn)行超聲波體積減小期間在厚度與最大溫度之間存在逆關(guān)聯(lián)(圖8)。這意味著在縮小體積期間控制溫度可間接地控制層疊件厚度。閉環(huán)溫度控制可通過超聲波振動幅值的控制實(shí)現(xiàn)。這需要使用具有幅值控制功能的Stanford Research Systems控制器和Branson 40kHz焊接機(jī)，需要為了Branson焊接機(jī)的振動的力和幅值進(jìn)行校核。圖9示出校核相應(yīng)于Branson焊接機(jī)的力。由于該焊接機(jī)的氣缸大于Dukane焊接機(jī)，所以力稍微依賴于疊層的活動距離，并且它們可更高于Dukane焊接機(jī)的對應(yīng)的力的程度。圖10示出隨著輸入控制電壓線性變化的焊接機(jī)的振動的幅值。在振動幅值-輸入控制電壓中的線性度構(gòu)成了焊接機(jī)的性能的特征，重要的是，調(diào)整閉環(huán)控制器以實(shí)現(xiàn)正確的幅值控制。
如前文所述，對于這些實(shí)驗(yàn)，IR溫度傳感器更近地移動至表面并且需要重新校核。如圖11所示，在加熱和冷卻曲線之間還存在小差值。加熱曲線的曲線擬合用于評價(jià)絕對表面溫度。開始時(shí)，測量表面溫度作為時(shí)間函數(shù)，相應(yīng)于各種活動速度和幅值，而不實(shí)施溫度控制。圖12和13示出當(dāng)理想溫度分別設(shè)定在54℃和77℃時(shí)閉環(huán)控制在表面溫度上的典型作用。如圖12和13所示，當(dāng)啟動溫度控制時(shí)，在初始的上升時(shí)間之后，溫度達(dá)到理想的程度，然后在該程度中保持基本上不變，直到達(dá)到樣本的端部，在這里，由于工作臺接近停止而減慢速度以及邊緣效應(yīng)，溫度超過設(shè)定的溫度不超過百分之十。
圖14示出用于保持相應(yīng)于兩個層疊件的理想溫度的活動速度。開始時(shí)，速度相對較高，但是隨著層片數(shù)量的增加而減小。當(dāng)在54℃下減小體積進(jìn)行得非常順利時(shí)，在77℃下的特定實(shí)驗(yàn)中減小體積可導(dǎo)致大量的困難。雖然溫度設(shè)定為77℃，但是溫度頻繁地超過該溫度高達(dá)10至15％，導(dǎo)致過度的樹脂擠出-并且有時(shí)甚至導(dǎo)致纖維擠出。在應(yīng)用10個層片之后層疊件的一個角部處出現(xiàn)熱點(diǎn)，從該點(diǎn)開始，相同的位置具有相應(yīng)于所有隨后層片的熱點(diǎn)。
層疊件的密度在超聲波體積縮小之后進(jìn)行測量。然后，兩個層疊件在60℃的真空中進(jìn)行熱縮小體積，持續(xù)30分鐘，并且再次測量密度。最后，兩個層疊件被硬化并且它們的密度被再次測量。在硬化期間的樹脂擠出的量通過比較熱減小體積之后的質(zhì)量與硬化之后的質(zhì)量得以確定。樹脂擠出的方式可包括在剩余體積的計(jì)算中。發(fā)現(xiàn)在超聲波縮小體積之后剩余體積為分別相應(yīng)于在54℃和77℃下進(jìn)行體積縮小的層疊件的3.22％和3.46％。如上所述，在該特定實(shí)驗(yàn)中77℃下縮小體積的實(shí)現(xiàn)具有許多困難。因此，相應(yīng)于77℃層疊件的剩余體積測量在超聲波縮小體積和熱點(diǎn)的形成期間具有與樹脂擠出有關(guān)的誤差。通常，采用閉環(huán)溫度控制的超聲波縮小體積看起來很有前途，已經(jīng)達(dá)到大約3.2％的剩余體積。除了比例控制之外，使用積分控制、微分控制和這三種控制方法的組合執(zhí)行隨后的實(shí)驗(yàn)。注意，可同樣或者可選擇地采用模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。
制造熱固性復(fù)合材料需要材料層或?qū)悠寞B置過程。截留在材料中以及材料層或材料體積之間的空氣可導(dǎo)致在許多旋翼機(jī)復(fù)合部件中產(chǎn)生波浪絲和空隙。采用真空和熱進(jìn)行的體積縮小或“縮小體積”是在部件層疊期間使用的用于控制體積增加的質(zhì)量異常的傳統(tǒng)方法。厚的復(fù)合部件需要多個體積減小的循環(huán)，這導(dǎo)致明顯地增加總循環(huán)時(shí)間以及處理部件的成本。因此，超聲波減小體積提供低成本的備選方案，采用該方案，可使用膠帶疊置頭之后的超聲波頭完成體積縮小。DOE實(shí)驗(yàn)示出超聲波體積減小可非常有效地減小層疊件中的厚度或剩余體積。發(fā)現(xiàn)振動的活動速度、活動力和幅值對于剩余體積具有最明顯的影響。同樣發(fā)現(xiàn)超聲波體積減小層疊件具有相同的短梁剪切強(qiáng)度和撓性模量，示出超聲波振動不會不利地影響層疊件。
超聲波體積減小期間的溫度測量示出層疊件的表面溫度與其厚度之間的良好關(guān)聯(lián)。因此，采用閉環(huán)溫度控制并且用作厚度或剩余體積的間接指示標(biāo)。發(fā)現(xiàn)采用比例控制時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)脑鲆媸顷P(guān)鍵的；過大的增益會導(dǎo)致溫度振蕩，過小的增益會導(dǎo)致溫度偏差。通常，可將溫度保持在理想溫度的10至15％。在設(shè)定溫度54℃和77℃下執(zhí)行具有閉環(huán)溫度控制的超聲波體積減小的實(shí)驗(yàn)。在54℃下的閉環(huán)溫度控制超聲波體積縮小非常好地進(jìn)行工作并且導(dǎo)致3.22％的剩余體積。在77℃下的該特定實(shí)驗(yàn)中的閉環(huán)溫度控制超聲波體積減小會導(dǎo)致基體的過度擠出，有時(shí)是纖維，并且導(dǎo)致出現(xiàn)熱點(diǎn)。需要進(jìn)一步的工作從而評價(jià)當(dāng)使用閉環(huán)溫度控制時(shí)超聲波體積減小過程參數(shù)對于殘余體積的影響。
應(yīng)該指出，在上述特定實(shí)驗(yàn)中獲得的假托不會限制本發(fā)明的范圍或應(yīng)用。上面公開的特定實(shí)施例僅僅是示例性的，在本發(fā)明的教導(dǎo)下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可對本發(fā)明進(jìn)行改進(jìn)并且采用不同的但是相當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)施本發(fā)明。此外，不需要限定這里所示的結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，在下面的權(quán)利要求中已經(jīng)進(jìn)行限定。因此，上面公開的特定實(shí)施例明顯地可進(jìn)行改變或改進(jìn)并且所有的這種變化都處于本發(fā)明的范圍和精髓中。因此，這里需求的保護(hù)范圍闡述在下面的權(quán)利要求中。明顯地，已經(jīng)描述并示出具有明顯優(yōu)勢的發(fā)明。雖然本發(fā)明以有限數(shù)量的形式示出，但是其并不局限于這些形式，可在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下進(jìn)行各種變化和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種用于超聲波處理層疊件的方法，包括下述步驟限定跨過所述層疊件的路徑，所述路徑具有開始位置和結(jié)束位置；沿著所述路徑向所述層疊件施加力并且將超聲波振動傳送入所述層疊件，在開始位置開始，在結(jié)束位置終止；確定所述層疊件與所述路徑鄰近的表面的溫度；以及根據(jù)所述層疊件的表面的確定溫度改變超聲波振動的幅值、所施加的力、沿著所述路徑施加力和超聲波振動的饋送速率、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將力施加至層疊件以及將超聲波振動施加至層疊件的步驟采用超聲波焊頭實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，確定所述層疊件的表面溫度的步驟在鄰近于超聲波焊頭與層疊件之間的交接面處實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，改變超聲波振動的幅值、所施加的力、施加力和超聲波振動的饋送速率、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個或多個的步驟通過比例控制方法、積分控制方法、微分控制方法、模糊邏輯控制方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法至少其中一種而實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法與下述過程其中之一結(jié)合地執(zhí)行，這些過程包括復(fù)合帶疊置過程、復(fù)合拖輪放置過程、復(fù)合纖維放置過程和超聲波焊接過程。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定所述溫度的步驟使用紅外溫度探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定所述溫度的步驟沿著所述路徑連續(xù)地執(zhí)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，改變超聲波振動的幅值、所施加的力、施加力和超聲波振動的饋送速率、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個的步驟控制復(fù)合層疊件的體積縮小厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在改變超聲波振動的幅值、所施加的力、施加力和超聲波振動的饋送速率、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個的步驟中，超聲波振動的幅值與所述層疊件的表面溫度成正比。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在改變超聲波振動的幅值、所施加的力、施加力和超聲波振動的饋送速率、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個的步驟中，超聲波振動的幅值與復(fù)合層疊件的體積縮小厚度成反比。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在改變超聲波振動的幅值、所施加的力、施加力和超聲波振動的饋送速率、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個的步驟中，通過焊頭施加至復(fù)合層疊件的力與復(fù)合層疊件的表面溫度成正比。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在改變超聲波振動的幅值、所施加的力、施加力和超聲波振動的饋送速率、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個的步驟中，通過焊頭施加至復(fù)合層疊件的力與復(fù)合層疊件的體積減小厚度成反比。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在改變超聲波振動的幅值、所施加的力、施加力和超聲波振動的饋送速率、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個的步驟中，施加力和超聲波振動的饋送速率與復(fù)合層疊件的表面溫度成反比。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在改變超聲波振動的幅值、所施加的力、施加力和超聲波振動的饋送速率、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個的步驟中，施加力和超聲波振動的饋送速率與復(fù)合層疊件的體積減小厚度成正比。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，采用該方法焊接熱塑性復(fù)合層疊件和金屬層疊件其中一個的鄰近層。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括下述步驟使質(zhì)量目標(biāo)與層疊件的表面溫度相關(guān)。
17.一種用于超聲波處理層疊件的設(shè)備，包括具有超聲波焊頭的超聲波裝置，適于將超聲波振動傳送進(jìn)入層疊件；操作關(guān)聯(lián)于所述超聲波裝置的致動器，適于移動超聲波焊頭以與層疊件接觸；定位器，用于將超聲波焊頭相對于層疊件移動或者將層疊件相對于超聲波焊頭移動；適于檢測層疊件的表面溫度的溫度傳感器；以及操作關(guān)聯(lián)于超聲波裝置、致動器、定位器和溫度傳感器至少其中一個的控制器，該控制器根據(jù)由溫度傳感器檢測的溫度控制下述至少一項(xiàng)傳送入層疊件的超聲波振動的幅值；超聲波焊頭與層疊件接觸的力；超聲波焊頭相對于層疊件移動以及層疊件相對于超聲波焊頭移動的饋送速度；以及處理層疊件的層片的間隔。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述超聲波裝置還包括用于供給高頻電能的電源；用于將高頻電能轉(zhuǎn)換至超聲波頻率機(jī)械運(yùn)動的轉(zhuǎn)換器；用于放大超聲波頻率機(jī)械運(yùn)動的幅值的放大器，該放大器與超聲波焊頭連接。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述控制器包括比例控制器、積分控制器、微分控制器、模糊邏輯控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器至少其中一種。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，當(dāng)層疊件是聚合物復(fù)合層疊件時(shí)，傳送入層疊件的超聲波振動的幅值和超聲波焊頭與層疊件接觸的力具有與層疊件的體積縮小厚度相反的關(guān)系。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，當(dāng)層疊件是聚合物復(fù)合層疊件時(shí)，饋送速率具有與層疊件的體積縮小厚度正向的關(guān)系。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，還包括用于以相對于層疊件的一取向定位超聲波焊頭的取向定位器，使得控制器操作關(guān)聯(lián)于取向定位器，從而根據(jù)由溫度傳感器檢測的溫度控制超聲波焊頭相對于層疊件的取向。
23.一種用于超聲波處理層疊件的設(shè)備，包括用于沿著路徑將力施加至層疊件的裝置，在開始位置開始，在結(jié)束位置終止；用于沿著所述路徑將超聲波振動傳送入所述層疊件的裝置，在開始位置開始，在結(jié)束位置終止；用于確定所述復(fù)合層疊件與所述路徑鄰近的表面的溫度的裝置；以及根據(jù)所述層疊件的表面的確定溫度改變超聲波振動的幅值、力、沿著所述路徑施加力和超聲波振動的饋送速率、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個的裝置。
24.一種用于超聲波處理層疊件的方法，包括下述步驟將力施加至層疊件并且將超聲波振動傳送入層疊件；確定層疊件的表面溫度；以及根據(jù)所述層疊件的表面的確定溫度改變超聲波振動的幅值、所施加的力、沿著所述路徑施加力和超聲波振動的饋送速率、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，改變超聲波振動的幅值、所施加的力、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個或多個的步驟通過比例控制方法、積分控制方法、微分控制方法、模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法至少其中一種而實(shí)現(xiàn)。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括下述步驟使質(zhì)量目標(biāo)與層疊件的表面溫度相關(guān)。
27.一種用于超聲波處理層疊件的設(shè)備，包括具有超聲波焊頭的超聲波裝置，適于將超聲波振動傳送進(jìn)入層疊件；操作關(guān)聯(lián)于所述超聲波裝置的致動器，適于移動超聲波焊頭以與層疊件接觸；適于檢測層疊件的表面溫度的溫度傳感器；以及操作關(guān)聯(lián)于超聲波裝置、致動器和溫度傳感器至少其中一個的控制器，該控制器根據(jù)由溫度傳感器檢測的溫度控制下述至少一項(xiàng)傳送入層疊件的超聲波振動的幅值；超聲波焊頭與層疊件接觸的力；以及處理層疊件的層片的間隔。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其中，所述控制器包括比例控制器、積分控制器、微分控制器、模糊邏輯控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器至少其中一種。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的設(shè)備，還包括用于以相對于層疊件的一取向定位超聲波焊頭的取向定位器，使得控制器操作關(guān)聯(lián)于取向定位器，從而根據(jù)由溫度傳感器檢測的溫度控制超聲波焊頭相對于層疊件的取向。
全文摘要
一種用于超聲波使復(fù)合層疊件(105)體積縮小的方法，包括下述步驟限定跨過所述層疊件的路徑(115)，所述路徑具有開始位置和結(jié)束位置；沿著所述路徑向所述層疊件施加力(109)并且將超聲波振動(111)傳送入所述層疊件，在開始位置開始，在結(jié)束位置終止。該方法還包括確定所述層疊件與所述路徑鄰近的表面(103、123)的溫度并且根據(jù)所述層疊件的表面的確定溫度改變超聲波振動的幅值、所施加的力、沿著所述路徑施加力和超聲波振動的饋送速率、將超聲波振動施加至層疊件的角度、處理層疊件的層片的間隔的至少其中一個。
文檔編號B32B37/00GK101072679SQ200580042289
公開日2007年11月14日 申請日期2005年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月8日
發(fā)明者愛德華·W·李, 阿夫拉哈姆·貝納塔, 戴維·格雷韋爾 申請人:貝爾直升機(jī)泰克斯特龍公司, 俄亥俄州立大學(xué)研究基金會