本公開大體上涉及超聲焊接，并且更具體地涉及用于使用薄分離器或膜在聚合物復合材料的焊接期間保護超聲焊接角具的設備和過程，所述膜構造用于傳遞高頻聲振動，同時使角具與熔融的工件材料保持隔離。

本公開還涉及用于使用傳導性機械中間件將聚合物復合材料焊接在一起的系統(tǒng)和方法，以減少循環(huán)時間，補償任何表面不平坦，并且提高焊接精度和連接強度。

背景技術：

在汽車制造中，聚合物復合材料由于其優(yōu)良的特性而被越來越多地使用，這些特性包括重量輕、高度適形性或可成形性、結實和耐久性。一些復合材料還是可著色的，并且可被精修以具有大多數(shù)任何所需的紋理。

在汽車中增加的用途包括例如在儀表盤和門板、燈、空氣管、轉向盤、內飾、車廂或其它車輛儲存隔室、內飾、外部部件、以及甚至發(fā)動機部件中。就發(fā)動機部件和例如其它發(fā)動機罩內(或UTH)應用而言，聚合物構造和連續(xù)地開發(fā)成可經受熱的和/或化學侵蝕性的環(huán)境。就諸如擋泥板的外部部件而言，聚合物被開發(fā)成可在線噴涂的，并且具有在較長時期內對熱和化學物質的高度抵抗性。并且，在汽車應用中的許多其它潛在用途正被不斷地考慮。

在這種趨勢下，找到有效用地且有效果地接合聚合物部件的辦法正變得越來越重要。壓縮模制和模制后接合技術(例如，超聲焊接)正被更普遍地使用。

傳統(tǒng)技術具有許多缺點。參照附圖，特別是第一幅圖，圖1示意性地示出了常規(guī)的超聲焊接布置100，其包括焊接角具102和在焊接之前的兩個工件104、106。

在圖示步驟中，角具102被降低以接觸兩個工件中的頂部工件104。一旦接觸工件104，連接到角具的超聲波發(fā)生器就激發(fā)高頻超聲振動，該振動通過角具傳遞到工件。在接口處，熱量被生成，并且工件104開始熔融200，如圖2所示。

圖3示出了在其已被顯著地熔融使得工件的此時熔融的材料連接工件104、106之后的布置100。

該技術的缺點包括當角具102被撤回時來自一個或兩個工件104、104的轉移材料400不期望地保留在角具上，如圖4所示。殘留物400限制了角具性能的繼續(xù)和角具壽命。

可以構想，角具102可在延長的時間內(例如，在一些具體實施中約12至20秒)保持在圖3的位置中，與工件104、106接觸，從而在角具回撤之前允許新焊縫冷卻。盡管一些材料400可能仍轉移到角具102。并且，循環(huán)時間被不期望地延長，從而增加了生產成本。

根據(jù)一個備選方案，可以為每次焊接使用新角具。該方案將是成本過高的，并且部件切換是耗時的。

另一個備選方案是常規(guī)的機械緊固。工件可被螺接到一起，或者通過例如螺母和螺栓連接。這些連接的缺點包括不可取的重量增加、緊固件的難看的暴露部分以及可能較不穩(wěn)固的接頭。

此外，由于這些材料中的一些具有相對低的熔點和低的導電率，試圖在工件之間的接口處使工件有效用地、快速地熔融且使工件的其它部分最少地熔融存在挑戰(zhàn)。

導能器有時用來促進和控制焊接。然而，出現(xiàn)至少一個附加的挑戰(zhàn)。由于導能器在焊接時通常從外部不可見，嘗試將焊接集中在導能器處的焊工難以精確地確定導能器的位置。

在具有或不具有導能器的情況下，除了不期望地高的能量要求之外，另一個缺點是不期望地高的循環(huán)時間。增加時間是成本上難以接受的，尤其是當與制造環(huán)境(例如，汽車組裝車間)中反復的迭代處理疊加時。

當使用導能器時，需要時間來定位導能器。

當不使用導能器時，需要更多的能量來將工件中的第一者熔融至到達第二工件的深度，以便接合兩者。另外，所得到的焊縫未被最佳地聚焦，因為第一工件在更寬的區(qū)域中熔融，而不是像在使用導能器時那樣僅在目標點處和周圍。雖然該過程不需要定位導能器，但它未實現(xiàn)理想的焊縫。

在這兩種技術中的循環(huán)時間被允許工件在撤離超聲角具之前冷卻并且非常緩慢地撤離角具的需求所進一步阻礙。這些成本涉及以下事實：熱量通過聚合物緩慢地耗散，因此它們不會迅速地加熱或冷卻。因此，在超聲角具已完成焊接所需的加熱之后，角具不能取回，直到工件被充分地冷卻為止(例如，在一些具體實施中約12至20秒)，否則，一些工件表面材料會保持附接到撤離的角具，從而影響工件外觀并且限制角具性能和角具壽命。

兩種常規(guī)超聲焊接技術的又一個缺點是，兩個工件中的近側工件的能量施加表面必須是大體上平坦的，并且垂直于能量施加器。平坦表面是必要的，以確保與角具的充分接觸，以便將足夠的高頻(HF)振動波傳遞到工件，從而形成用于將工件焊接到一起的必要的工件間熱量。

為了通過彎曲或其它不平坦的表面焊接，需要特殊設計的角具。所得到的過程可能不像希望得那樣穩(wěn)健。

對于這些用于接合聚合物復合材料的超聲焊接技術的備選方案是常規(guī)的機械緊固。工件可被螺接到一起，或者通過例如螺母和螺栓連接。這些連接的缺點包括不可取的重量增加、緊固件的難看的暴露部分以及可能較不穩(wěn)固的接頭。

技術實現(xiàn)要素：

本技術涉及一種超聲焊接技術，該技術包括在使用膜或帶材焊接聚合物復合材料期間保護焊接角具，所述膜或帶材構造用于傳遞高頻(HF)聲振動，同時使角具與熔融的工件材料保持隔離。

該技術的有益效果包括在利用超聲焊縫焊接過程中減少的循環(huán)時間、以及提高的性能和角具壽命。

節(jié)省了時間，例如，因為角具能快速地取回，例如在足夠的熔融材料形成于工件之間以將工件焊接在一起時立即取回。

通過使超聲角具貫穿許多焊接操作例如在制造環(huán)境中不含來自焊接在一起的工件的轉移材料而提高角具性能和壽命。

本技術還涉及用于使用傳導性機械中間件或連接器將復合材料焊接在一起的系統(tǒng)和方法。該技術的有益效果包括減少的循環(huán)時間。通過將超聲振動借助于纖細的機械連接器從施加器(例如，超聲角具)導引至工件間接口，以快速、有效用地且穩(wěn)健地形成焊縫，從而節(jié)省時間。

由于不直接接觸工件以焊接的角具可被快速地取回(例如，在焊接之后立即)，而不擔心任何工件表面材料仍附接到撤離的角具，同樣節(jié)省了時間。更早且更快的角具撤離也為機械傳導部件(例如，鉚釘)所允許，該部件在焊接之后立即充當散熱器，將熱量從冷卻中的焊縫帶走，從而有助于新接頭的快速或迅速定形或硬化。工件質量(例如，美觀性)保持較高，并且相應地改善了角具性能和角具壽命。

此外，該技術甚至可以在近側工件的能量施加表面為彎曲的或以其它方式不平坦時使用。傳統(tǒng)上，平坦表面是優(yōu)選的，以確保與角具的緊密接觸，以便將足夠的高頻(HF)聲波傳遞到工件，從而形成用于將工件焊接到一起的必要的工件間熱量。

又一個有益效果包括由機械中間件或連接器(例如，鉚釘)執(zhí)行的機械緊固功能，包括在產品(例如，汽車)制造之后和使用中。雖然焊縫形成為穩(wěn)健的和隨時間推移耐用的，但如果在產品的壽命期內由于任何原因而存在焊縫弱化，機械連接器將充當支撐件或備用緊固件。該功能可以被稱為剝離保護或剝離防止功能，因為鉚釘可以有助于防止連接的工件遠離彼此剝離。連接器可以被稱為例如防剝離器。

本發(fā)明的其它方面將部分地顯而易見并且部分地在下文中指出。

附圖說明

圖1示意性地示出了常規(guī)的超聲焊接布置，其包括焊接角具和在將工件焊接在一起之前的兩個工件。

圖2示出了當焊接開始時的圖1的布置。

圖3示出了當焊接完成時的布置。

圖4示出了在焊接之后正被取回的焊接角具。

圖5示意性地示出了新型超聲焊接布置，其包括超薄膜或條帶或膜過渡部、由膜覆蓋在施加側上的焊接角具、以及在焊接之前的兩個工件。

圖6示出了當焊接開始時的圖5的布置。

圖7示出了當焊接完成時的布置。

圖8示出了在沒有任何工件材料附接到角具的情況下正被取回的焊接角具。

圖9示出了兩側超聲系統(tǒng)。

圖10示出了一種用于使用機械傳導連接器接合兩個工件的方法，而不論工件中的近側工件是否具有平坦的施加表面。

圖11示出了根據(jù)圖10所示方法的在鉚釘刺穿之后和焊接之前的工件布置。

圖12示出了根據(jù)圖10所示方法的在鉚釘刺穿和至少初始焊接能量施加之后的圖11的工件布置。

具體實施方式

如所要求的，此處公開了本公開的詳細實施例。所公開的實施例僅僅是可以以不同的和備選的形式以及它們的組合具體化的示例。如本文所用，例如，“示例性的”和類似的術語廣義地表示用作圖示、標本、模型或模式的實施例。

附圖未必按比例繪制，并且一些特征可以被夸大或最小化，例如以顯示特定組件的細節(jié)。在某些情況下，為了避免使本公開變模糊，未詳細描述熟知的組件、系統(tǒng)、材料或方法。因此，本文所公開的具體結構和功能細節(jié)不應解釋為為限制性的，而僅僅是權利要求的基礎和代表性基礎，以用于教導本領域技術人員，以通過各種方式利用本公開。

雖然說明書包括計算機可執(zhí)行指令的大體背景，但本公開也可結合其它程序模塊和/或作為硬件與軟件的組合而實現(xiàn)。術語“應用程序”或其變體在本文中廣泛地用來包括例程、程序模塊、程序、組件、數(shù)據(jù)結構、算法等。應用程序可在各種系統(tǒng)配置上實現(xiàn)，包括單處理器或多處理器系統(tǒng)、基于微處理器的電子器件、它們的組合等。在某些實施例中，一些或所有操作(例如，控制角具施加)由計算裝置(例如，執(zhí)行存儲或包括在計算機可讀介質上的計算機可執(zhí)行指令的處理器)執(zhí)行或至少由計算裝置引發(fā)。并且，該過程的任何一個或多個步驟可以由諸如機器人的自動化機械執(zhí)行、引發(fā)或以其它方式提供便利。

I. 本公開的概述

本公開描述了一種用于接合諸如聚合物復合材料的工件的超聲焊接技術。

薄膜、條帶或膜被特殊地構造用于定位成鄰近超聲波施加角具，以用于在焊接期間執(zhí)行傳遞和保護功能。更具體而言，膜構造成傳遞高頻(HF)聲振動，同時使角具與熔融的工件材料保持隔離。

下面參照圖5-8進一步描述系統(tǒng)部件、算法和操作。

本公開還描述了一種用于接合諸如聚合物復合材料的工件的超聲焊接技術。

本技術還涉及用于使用傳導性機械中間件或連接器將聚合物復合材料焊接在一起的系統(tǒng)和方法。更特別地，該技術包括在焊接之前將諸如短鉚釘(staple rivet)的連接器刺入被接合的工件中的第一近側工件中。

有利地，連接器刺入的近側工件的施加表面可以是彎曲的、不平的，或者是不完全平坦和平直的。由于超聲能量(例如，HF振動)的后續(xù)施加將被導引通過連接器且進入工件，能量施加器(例如，角具)不需要接觸該表面。并且，連接器不需要坐放成與該表面完美地齊平。因此，該表面不一定是平坦的或者與施加器緊密接觸。

能量施加被導引通過連接器且進入工件的另一個優(yōu)點在于，近側工件不在表面上或外觀上被損壞。另一個優(yōu)點是，在施加器被撤離之前，不需要浪費時間來等待近側工件冷卻。

本技術的又一個優(yōu)點是上文所述剝離防止功能。

下面參照圖9-12進一步描述系統(tǒng)部件、算法和操作。

II. 第一過程、系統(tǒng)部件和工件 –圖5-8

現(xiàn)在參照示例性系統(tǒng)、工具和工件描述本技術。附圖被參考以方便理解本技術，而不限制其范圍。

本文對方向的參考例如“上部”、“下部”、“上”、“下”和“側向”提供用于方便描述本技術，而不限制技術的范圍。例如，其中角具被描述為下降到近側工件上的描述不限于角具在地面、或環(huán)境、框架中豎直地向下移動。在這種情況下，角具可以在環(huán)境框架中例如從左向右移動。

再次轉到附圖，并且更特別地第五幅圖，圖5示意性地示出了新的超聲焊接布置500。布置500包括超薄膜、薄帶或膜分離器502。術語“膜”將大體上用來指元件502，而不一定限制其構型，例如尺寸和形狀。

膜502可包括多種合適的材料或材料組合中的任一種，并且可具有多種合適的形狀和尺寸中的任一種，以用于執(zhí)行所描述的功能。在一個實施例中，膜502包括鈦或鋁。

膜502構造成鄰近施加角具504定位。角具504是未詳細示出的超聲波生成設備的一部分或連接到該設備。

如下文進一步所述，在一個實施例中，膜502是膜遞送系統(tǒng)(未詳細示出)的一部分，其中，新的膜材料502在每次焊接之前被遞送至角具504和工件104、106之間。

在一些實施例中，本技術的角具504類似于常規(guī)焊接角具或與常規(guī)焊接角具相同。

角具504可包括多種合適的材料或材料組合中的任一種，并且可具有多種合適的形狀和尺寸中的任一種，以用于執(zhí)行所描述的功能。在一個實施例中，角具504包括鈦或鋁。

在一個構思的實施例中，本發(fā)明的角具504是不同的，是以一種或多種方式特殊構造的，以與膜502很好地配合。特殊構型可包括例如策略性的成形，例如，具有倒圓的拐角，或具有連接點(未詳細示出)，膜可通過該連接點附接到角具504。

角具504顯示為鄰近將焊接在一起的兩個工件104、106。工件104、106可包括彼此相比相似或相異的材料。

工件104、106可包括各種材料中的任一種，并且具有多種形狀和尺寸中的任一種。在一個示例中，近側工件104具有在約0.5mm和約5mm之間的厚度(在圖中頂部至底部厚度)。

如所提供的，焊接在一起的工件104、106可以是類似的或相異的。就相異的工件材料而言，一個工件可以是例如塑料或其它聚合物，而另一個工件可以是鋼、鋁、合金或其它金屬等。因此，本公開的教導可用來將聚合物(例如，聚合物復合材料)接合到另一種聚合物或將聚合物接合到例如金屬。

在一個實施例中，材料104、106包括聚乙烯。在一個實施例中，材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、高密度聚乙烯(HDPE)和/或乙烯-乙烯醇(EVOH)。

在一個實施例中，被接合的工件104、106中的至少一個包括聚合物。工件104、106中的至少一個可包括合成或無機分子。雖然所謂的生物聚合物(或綠色聚合物)的使用不斷增加，但石油基聚合物仍然要常見得多。

一個或兩個工件的材料104、106也可包括可回收材料，例如，聚對苯二酸丁二醇酯(PBT)聚合物，其為大約85%的消費后的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

在一個實施例中，工件104、106之一或兩者包括一些種類的塑料。在一個實施例中，材料包括熱塑性塑料。

在一個實施例中，工件104、106之一或兩者包括復合材料。例如，在一個實施例中，工件之一或兩者包括纖維增強的聚合物(FRP)復合材料，例如，碳纖維增強的聚合物(CFRP)或玻璃纖維增強的聚合物(GFRP)。復合材料可以是例如玻璃纖維復合材料。在一個實施例中，F(xiàn)RP復合材料為混合的塑料-金屬復合材料。

在一些具體實施中，材料104、106包括聚酰胺級聚合物，其通常可被稱為聚酰胺。

一個或兩個工件的材料104、106也可包括包括聚氯乙烯(PVC)。

在一個實施例中，材料104、106包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)。

在一個實施例中，材料104、106包括聚碳酸酯(PC)。

一個或兩個工件的材料104、106也可包括一種類型的樹脂。示例性樹脂包括玻璃纖維聚丙烯(PP)樹脂、PC/PBT樹脂和PC/ABS樹脂。

工件104、106可以在焊接之前被預處理，例如，被加熱和壓縮模制。

如下文進一步所述，在操作中，角具504執(zhí)行聲傳遞，同時在焊接期間保護角具不受熔融的工件材料損害。更具體而言，膜502構造成傳遞高頻(HF)聲振動，同時使角具與熔融的工件材料保持隔離。

在不脫離本技術的范圍的情況下，膜502可包括多種合適的材料中的任一種。在選擇材料過程中要考慮的特性可包括例如下列中的任一個或多個：(i)材料將源自角具504的聲振動傳遞到工件104、106上的能力；以及(ii)材料防止熔融的工件材料接觸或轉移到角具504的能力；以及適當水平的回彈性(例如，材料強度、回彈性、柔韌性等)，以執(zhí)行至少一個焊接循環(huán)。

雖然如上所述在一個實施例中新的膜材料502被遞送至角具和工件之間的區(qū)域以進行每次焊接，但在一個構思的實施例中，相同的膜或膜502的部段可以重復使用至少一次。例如，可以認為，雖然一些工件材料在第一焊接過程中可能變得沉積在膜上，但沉積的量在第二次焊接中不會妨礙有效果的焊接，從而可以不止一次地使用該材料。例如，可以確定，相同的膜或膜的長條在被更換之前可以在一定次數(shù)的焊接(例如，兩次、三次、五次、十五次、五十次、或更多次、更少次或在這些次數(shù)之間的次數(shù))中使用。因此，在選擇材料過程中要考慮的特性還可包括(iv) [此前緊挨的段落(即，(i)、(ii)、(iii))的羅馬數(shù)字連續(xù)編號]材料例如在制造環(huán)境的組裝線上重新使用多次的能力。重新使用的能力可包括例如排斥或以其它方式限制熔融的工件材料在膜上沉積的能力，并且同樣，如在此前的段落的第三變量(iii)下那樣，可包括材料強度、回彈性、柔韌性等，從而使材料往往不會斷裂、破碎或以其它方式不能重復使用。

膜502具有比工件104、106高的熔點，從而在工件在膜502附近熔融的同時允許膜在焊接期間保持固態(tài)。

在一個實施例中，膜502包括金屬，例如，為薄的金屬箔。

膜502包括適合執(zhí)行本文所述功能的任何尺寸和形狀。雖然膜502可具有其它厚度506，但在一個實施例中，膜具有在約0.01mm和約5.0mm之間的厚度。例如，膜502可以為約0.5mm。

膜502可以由人員或諸如機器人設備(例如機械手)的自動化機械定位成鄰近角具。

在一個實施例中，當角具靠近工件時，但在角具接觸工件之前，膜502被插入角具504和近側工件104之間。插入在一個實施例中在角具臨時靜止的同時進行，并且在一個實施例中在角具朝工件104向下移動的同時進行。

在一個實施例中，在將角具一直下降到工件104的頂部表面之前，膜502定位在角具和工件104之間，而不附接到角具504。在另一個實施例中，角具504和/或膜502構造成使得膜502附接到角具，使得在將角具一直下降到工件104的頂部表面之前膜502定位在角具和工件104之間。

在一個構思的實施例中，角具504包括夾子、鉤環(huán)部件、可重復使用的粘合劑、按扣、或(多個)其它連接特征，以允許在膜502和角具之間的連接。在一個實施例中，膜502包括這些特征中的任一個。在一個實施例中，膜和角具504均包括這些特征中的至少一個，例如，膜和角具包括配合特征(例如，配合的按扣或配合的鉤環(huán)元件)。

在一個構思的實施例(未詳細示出)中，膜502至少在一定程度上為剛性的，并且具有適形于角具504的形狀的某種形狀。膜將因此緊密地貼合在角具的至少一部分周圍。緊密的貼合性可以例如有助于確保膜在焊接期間停留在部件間的位置。

膜502可構造成在任意次數(shù)的重復使用中充分地起作用。在一個實施例中，膜構造成使用一次。在這種情況下，用過的膜可被丟棄，或者優(yōu)選地循環(huán)利用，并且為下一次焊接使用下一個膜。

在另一個實施例中，膜502構造成使用多于一次。

如由圖5中的箭頭所示，在膜502就位的情況下，角具504朝正被接合在一起的兩個工件中的第一近側工件104的頂部表面下降。

圖6示出了角具504借助于膜502接觸近側工件104。一旦角具/膜組合與近側工件104接觸，連接到角具504的超聲波發(fā)生器就激發(fā)高頻(HF)超聲振動。振動通過角具504傳遞到膜502并繼續(xù)傳遞到近側工件104。當工件104接收振動時，激勵在工件中生成熱量，造成工件104首先在膜/工件接口處熔融，造成工件在那里開始熔融600，如在圖6中另外所示。

工件承受一定的壓縮，至少是由于近側工件104的重量和角具504的向下力。在一些實施例中，角具504構造(例如，彈簧加載或由氣動或液壓子系統(tǒng)(未詳細示出)致動)和/或控制以在焊接期間在角具504下方且與角具504接觸的任何工件材料(例如，近側工件104和熔融的材料)上施加向下的力。因此，隨著工件熔融，角具504下降。

圖7示出了在近側工件104和可能地還有遠側工件106已充分地熔融以造成在工件104、106的接口或接頭700處形成熔融的工件材料之后的布置。在接頭510處的熔融材料將冷卻，以形成用于將工件104、106保持在一起的焊縫。

一旦工件104、106被充分地熔融以根據(jù)需要將工件焊接在一起，角具504就可立即從接觸工件的狀態(tài)下取回，而不存在熔融材料粘附到角具504的風險。

如所提及的，在一個實施例中，膜502是膜遞送系統(tǒng)(未詳細示出)的一部分。作為示例，遞送系統(tǒng)可以是盒類的，其中薄材料502的卷軸、轉軸或其它供應源定位在角具504附近。在焊接之后，如上所述，遞送子系統(tǒng)將用過的膜502移離角具，并且將新膜502遞送至在角具504和將焊接在一起的下一批工件之間的區(qū)域。遞送系統(tǒng)可以是手動的和/或自動的，例如，由機械手、控制器等控制的。

如所提供的，圖1-4的常規(guī)超聲焊接技術的缺點包括在焊接之后立即取回角具時工件材料112從一個或兩個工件104、106轉移。因此，在常規(guī)技術中，或者材料像這樣不期望地轉移，或者在取回所有工件之前必須經歷等待期以冷卻。

然而，甚至在等待期之后，在常規(guī)技術中仍存在至少一些工件材料將轉移到角具的可能性。甚至少量的轉移材料會在重復的使用中隨時間推移而積聚，并影響角具性能和角具壽命。

另外，增加的循環(huán)時間使焊接過程昂貴得多，并且當與在制造環(huán)境中隨時間推移反復的執(zhí)行疊加時可能在成本上難以接受。

根據(jù)另一個備選方案，可以為每次焊接使用新角具。該方案當然是昂貴的，并且部件切換是耗時的。

III. 本技術的第一方面(上文第I節(jié)和第II節(jié))的各種特征

上文概述了本技術的許多但并非全部優(yōu)點。在本節(jié)中描述一些但非全部優(yōu)點。

有益效果包括減少的循環(huán)時間和改善的焊接過程穩(wěn)健性。這些有益效果使在組裝環(huán)境中的焊接成本低得多，并且重量輕的部件和產品(例如，車輛)的制造成本更低。

節(jié)省了時間，例如，因為角具能快速地取回，例如在足夠的熔融材料形成于工件之間以將工件焊接在一起時立即取回。

超聲焊接根據(jù)本技術至少通過在反復的焊接中改善角具性能和增加角具壽命而變得更穩(wěn)健。

通過使超聲角具貫穿許多焊接操作例如在制造環(huán)境中不含來自焊接在一起的工件的轉移材料而提高角具性能和壽命。

IV. 第二過程、系統(tǒng)工具和工件–圖9-12

現(xiàn)在參照示例性系統(tǒng)、工具和工件描述本技術。附圖被參考以方便理解本技術，而不限制其范圍。

本文對方向的參考例如“上部”、“下部”、“上”、“下”和“側向”提供用于方便描述本技術，而不限制技術的范圍。例如，其中角具被描述為下降到近側工件上的描述不限于角具在地面、或環(huán)境、框架中豎直地向下移動。在這種情況下，角具可以在環(huán)境框架中例如從左向右移動。

IV. A. 通用焊接系統(tǒng)–圖9

現(xiàn)在轉到附圖，并且更特別地第九幅圖，圖9示出了大體上由附圖標記100指示的示例性的焊接系統(tǒng)。系統(tǒng)100用來將以下兩個工件焊接在一起：上部或近側工件1011和下部或遠側工件1012。

如所提供的，焊接在一起的工件101可以是類似的或相異的。就相異的工件材料而言，一個工件可以是例如塑料或其它聚合物，而另一個工件可以是鋼、鋁、合金或其它金屬等。因此，本公開的教導可用來將聚合物(例如，聚合物復合材料)接合到另一種聚合物或將聚合物接合到例如金屬。

在一個實施例中，材料101包括聚乙烯。在一個實施例中，材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、高密度聚乙烯(HDPE)和/或乙烯-乙烯醇(EVOH)。

在一個實施例中，被接合的工件101中的至少一個包括聚合物。工件101中的至少一個可包括合成或無機分子。雖然所謂的生物聚合物(或綠色聚合物)的使用不斷增加，但石油基聚合物仍然要常見得多。

一個或兩個工件的材料101也可包括可回收材料，例如，聚對苯二酸丁二醇酯(PBT)聚合物，其為大約85%的消費后的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

在一個實施例中，工件101之一或兩者包括一些種類的塑料。在一個實施例中，材料包括熱塑性塑料。

在一個實施例中，工件101之一或兩者包括復合材料。例如，在一個實施例中，工件之一或兩者包括纖維增強的聚合物(FRP)復合材料，例如，碳纖維增強的聚合物(CFRP)或玻璃纖維增強的聚合物(GFRP)。復合材料可以是例如玻璃纖維復合材料。在一個實施例中，F(xiàn)RP復合材料為混合的塑料-金屬復合材料。

在一些具體實施中，材料101包括聚酰胺級聚合物，其通?？杀环Q為聚酰胺。

一個或兩個工件的材料101也可包括包括聚氯乙烯(PVC)。

在一個實施例中，材料101包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)。

在一個實施例中，材料101包括聚碳酸酯(PC)。

一個或兩個工件的材料101也可包括一種類型的樹脂。示例性樹脂包括玻璃纖維聚丙烯(PP)樹脂、PC/PBT樹脂和PC/ABS樹脂。

工件101可以在焊接之前被預處理，例如，被加熱和壓縮模制。

系統(tǒng)100包括支撐或下方結構102。系統(tǒng)也包括焊臂104，焊臂104端接于焊接能量施加頂端或角具106中。角具可包括例如超聲角具，其構造成將高頻(HF)振動形式的能量施加到工件，以將工件焊接在一起。

焊臂104從第二或施加側結構或質量體108延伸。

在操作中，施加方向力110可由質量體108和/或在質量體108處施加。力110將臂104和角具106朝焊接在一起的工件101推動。反作用力112將支撐結構102朝工件推動。在施加方向力從第一施加方向朝工件101推動并且反作用力112從相對的方向朝工件101推動的情況下，工件101在焊接期間被保持在所需的壓縮下。

IV. B. 操作的方法–圖10-12

轉到第八幅圖，圖8借助于流程圖200示出了用于使用機械傳導中間件或連接器接合兩個工件的示例性方法，而不論工件中的近側工件是否具有平坦的施加表面。結果是相比傳統(tǒng)技術有效果地且有效用的焊接以較少的總循環(huán)時間形成的更準確且穩(wěn)健的焊縫。

雖然本文主要描述了接合兩個工件，但該數(shù)量是作為示例而提供的，并且根據(jù)本公開的教導可以接合多于兩個工件。

應當理解，方法200的步驟不一定以任何特定的次序提供，并且備選次序的步驟中的一些或全部的表現(xiàn)是可能的并且是可設想的。為了便于描述和說明，所述步驟以展示的次序提供。在不脫離所附權利要求的范圍的情況下，可以添加、省略和/或同時進行步驟。并且，還應當理解，圖示的方法200可以在任何時間結束。

在某些實施例中，該過程的一些或所有步驟和/或基本上等同的步驟由計算裝置(例如，執(zhí)行存儲或包括在計算機可讀介質上的計算機可執(zhí)行指令的處理器)執(zhí)行或至少由計算裝置引發(fā)。并且，該過程的任何一個或多個步驟可以由諸如機器人的自動化機械執(zhí)行、引發(fā)或以其它方式提供便利。

現(xiàn)在另外參照圖9、11和12的工具和部件來描述由圖8的流程圖概述的方法200。所示元件的特性(例如，形狀、尺寸和數(shù)量)提供用于方便本文的描述，而不限制本技術的范圍。

方法200始于201并且流程前進到框202，在該步驟中，將機械傳導部件(例如，元件306)提供到工件1011中的至少第一工件中。

示例性的機械傳導部件為鉚釘，例如，短鉚釘。機械傳導部件可以以任何合適的方式插入近側工件中。

在一個實施例中，在工件1011、1012鄰近彼此定位之前，部件定位在第一工件內。下面進一步描述該實施例。

在另一個實施例中，一旦工件定位成鄰近彼此，方法200的流程就前進至步驟204，在該步驟中，機械傳導部件被插入工件(1011)中的至少一個中并且延伸至傳導流體。在一個實施例中，沖孔工具(例如，元件304)用來將連接器擠入至少工件中的第一工件中并且延伸至傳導流體。沖孔工具也可以是、包括焊接能量施加器或角具或者是其一部分。

在一個具體實施中，在由焊接工具將焊接能量(例如，HF超聲振動)和力施加到部件的同時進行刺穿。該能量造成第一工件1011在部件的頂端附近熔融，從而有利于刺穿。

如所提供的，在一個實施例中，在工件1011、1012鄰近彼此定位之前，連接器定位在第一工件內。該步驟可包括例如在第一工件的模制過程之前或期間將傳導性機械連接器定位在第一工件1011中。機械傳導部件可以例如在第一工件1011的壓縮模制期間被植入或嵌入第一工件1011中。

不論如何將機械傳導部件設置在第一工件1011中，該部件都可以被進一步刺入第二工件1012中–例如，部件306的至少下部頂端，如圖11和12所示。在一個實施例中，在由焊接工具(例如，元件304)將焊接能量(例如，HF超聲振動)和力(壓縮力)施加到機械傳導部件的同時，進行刺穿。能量造成第二工件1012在連接部件的頂端附近熔融，從而有利于該部件刺入第二工件1012中。

對于其中部件被沖壓到(多個)工件中的實施例來說，系統(tǒng)包括沖孔裝置，該裝置可以被簡稱為沖頭，用于將機械傳導部件推入近側工件中。如所引用的，在一個實施例中，焊接施加器(例如，超聲角具)用作、包括或連接到沖頭。在一個實施例中，沖孔裝置與焊接施加器分離或至少不相同。

進一步參照附圖，圖11直觀地示出了步驟202。即，該圖示出了在沖頭304(例如，角具)已將機械傳導部件306(例如，鉚釘)推入近側工件1011之后的包括工件布置302的過程特征300。

為了將機械傳導部件306沖入工件1011中，沖頭304沿著路徑308移動。在一個實施例中，路徑308大體上正交于近側工件1011的表面的切線310或限定被接合的工件1011、1012之間的接口的線312。

機械傳導部件306由人員或諸如機器人設備(例如，預編程的機械手)的自動化機械預定位以鉚接。部件306通常定位成使得部件306的腿部314、316延伸進入近側工件1011并至少至工件1011、1012之間的接口318。

機械傳導部件306包括施加部分或頭部320。頭部320具有大體上平坦的施加表面。在一些實施例中，定位部件306以沖壓在位包括定位部件使得頭部320的表面大體上正交于沖頭304的路徑308的方向。頭部320的表面可以例如大體上平行于近側工件1011的表面的切線310和接口線312之一。

在一個實施例中，優(yōu)選的是，機械傳導部件306被至少插入到機械傳導部件306的腿部314、316到達工件1011、1012之間的接口312的目標深度。在一些具體實施中，如圖11所示，優(yōu)選的是，機械傳導部件306被至少插入到機械傳導部件306的腿部314、316延伸超過接口312且進入第二遠側工件1012的目標深度，如圖11所示。

如圖11所示，近側工件1011的施加表面322不需要是平坦的。通常，隨著復合材料的使用增加和加工(成形等)復合材料方面的改進，預計會出現(xiàn)許多新的部件設計(例如，汽車設計)，通過這些設計，復合部件將需要在不平坦、不平整和/或不平直的復合材料施加表面下方焊接。本技術對于其適應這樣的情景的能力來說也是有利的。

更特別地，機械傳導部件306的頭部320不需要坐放成與近側工件1011的表面322齊平。相似地，機械傳導部件306的腿部314、316不需要相對于表面322以90度的角度進入近側工件1011。

工件1011、1012也不需要具有相同的厚度，或者各自具有大體上恒定的厚度。如圖11所示，工件具有不同的厚度，并且近側工件1011具有變化的厚度。為了適應每種情景，機械傳導部件306被預構造(或從多種部件306中預選)、定位和插入布置302中，使得腿部314、316到達目標深度，例如，到達至少接口312或經過接口312且進入第二遠側工件1012中，如圖11所示。

機械傳導部件306可具有任何合適的形狀和尺寸，以執(zhí)行本文所述功能。頭部320可具有圓形、橢圓形、正方形或者說是矩形的形狀。在一個實施例中，頭部320的形狀對應于(例如，匹配于)能量施加器(例如，聲角具)的一部分的形狀。匹配的形狀可以幫助確保施加器不接觸近側工件1011的表面322。

腿部314、316可具有附圖中未詳細示出的各種特征中的任何一個或多個，以有利于本文所述功能，包括有利于將部件306嵌入工件1011、1012中。腿部可具有例如一個或多個漸縮的橫截面，具有尖的頂端、倒角等。

在一個構思的實施例(未詳細示出)中，機械傳導部件306被插入部件中的目標深度處，在該深度處，頭部320的頂部不到達近側工件1011的表面322。在這種情況下，如果正確地定位在機械傳導部件306上方，能量施加器可被下降以接觸部件306，而不存在同時接觸表面322的風險。

在這種情況下，機械傳導部件306的頭部320的設計(例如，頭部320的尺寸和形狀)因此較不重要。鉚釘頭部設計由于其它原因仍然可能是重要的，這些原因包括為了有利于部件306正確地沖壓到布置302中、為了焊接能量(例如，HF聲振動)的所需傳導率、為了處理后的外觀以及為了處理后的剝離阻止，這將在下文中進一步描述。

在一個實施例中，在由焊接工具(例如，工具304)將焊接能量(例如，HF超聲振動)和力施加到中間件(306)的同時，進行刺穿。該能量造成第一工件1011在中間件的頂端(例如，圖11中的314、316的下部頂端)附近熔融，從而有利于刺穿。

在另一個實施例中，第一步驟202包括在模制過程之前或期間將傳導性機械中間件306定位在第一工件1011中。中間件306可以例如在壓縮模制期間被植入或嵌入工件1011中。

繼續(xù)參照圖10的方法200，一旦機械傳導部件306已定位，流程就前進到步驟204以進行焊接。如果沖頭304為焊接施加器(例如，聲角具)，那么就不需要移除沖頭和提供施加器的子步驟。否則，進行該子步驟。

焊接設備(參照圖1)激發(fā)高頻超聲振動，該振動被傳遞到能量施加器(例如，角具)和因此接觸施加器的機械傳導部件306。機械傳導部件306為振動提供路徑，將振動從施加器、經由頭部320且沿著腿部314、316、穿過工件1011導引至工件1011、1012之間的接口318的區(qū)域。鉚釘306增強角具和工件之間的接觸。鉚釘306構造(例如，尺寸、形狀、材料)成提供遠比工件所能單獨實現(xiàn)的更好地將聲波(即，焊接能量)傳遞至接口318的介質。

到達接口306的振動通過工件的材料(例如，碳纖維復合材料)的分子間摩擦而生成熱量。該熱量造成工件在接口處熔融，從而初始地形成焊接熔核。熔核隨著更多振動在所述區(qū)域被接收并且更多熱量被生成而生長。隨著熔核生長，不久將冷卻的大體上熔融的材料將工件1011、1012熔合在一起。

圖12示出了當焊接熔核或焊縫400形成時或之后的圖11的過程特征300。

在附圖中未明確示出的一個實施例中，該過程為兩面的，其中，機械傳導部件或中間件或連接器被尺寸設計、成形和定位成到達第一工件的外表面(例如，圖中的頂部表面)和第二工件1012的相對的外表面(例如，圖中的底部表面)。在該實施例中，焊接系統(tǒng)包括第一電極，以用于將焊接能量(例如，電流)在第一位置處、在工件之一(例如，第一工件1011或第二工件1012)的外表面處或附近施加到連接器。第二電極1012定位成鄰近工件中的另一者(例如，第二工件1012或第一工件1011)，以用于接收來自第一電極1011的電流。

在步驟206處，聲振動向機械傳導部件306的提供停止。這可由超聲系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)停止激發(fā)振動，或以其它方式停止將振動提供至施加器(例如，角具)。

在步驟208處，能量施加器被從機械傳導部件306撤離。撤離路徑大體上由圖12中的附圖標記402來指示。

如所提供的，在步驟204中，機械傳導部件306在施加器和工件之間形成增強的連接，以增強焊接特性。在步驟206和208中，機械傳導部件306還充當散熱器，以從冷卻中的焊縫帶走熱量，促進快速定形或使新接頭硬化。

在焊接施加器和機械傳導部件(例如，角具和鉚釘)之間的連接以及機械傳導部件的焊后散熱器功能允許施加器從工件附近較早且相對快速的撤離。在一個實施例中，本技術的最終循環(huán)時間低至幾秒鐘，這與需要約15秒或更多的此前的方法形成對比。

如所提供的，在常規(guī)技術中，需要角具與工件直接接觸和因此相對長的等待時間，以允許工件-角具接口充分地冷卻，否則，工件材料會不期望地沉積在角具上。

除了較早且快速的角具取回的省時的方面之外，避免角具與工件直接連接還因此確保高的工件質量，例如，美觀性。另外，通過使工件材料不接觸或不留在角具上，相應地改善了角具性能和角具壽命。

圖10的方法200可以結束或重復，如由橢圓209所指示的–例如，結合工件布置或另一組工件的另一個焊接點。

V. 本技術的第一方面(上文第I節(jié)和第IV節(jié))的各種特征

上文概述了本技術的許多但并非全部優(yōu)點。在本節(jié)中描述一些但非全部優(yōu)點。

有益效果包括減少的循環(huán)時間和能量要求。通過將超聲振動借助于纖細的機械中間件或連接器從施加器(例如，超聲角具)導引至工件間接口，以快速、有效用地且穩(wěn)健地形成焊縫，從而節(jié)省時間。

通過允許快速取回角具，同樣節(jié)省了時間。不直接接觸工件以焊接的角具可在焊接之后立即取回，而不擔心任何工件表面材料仍附接到撤離的角具。保持了較高的工件質量(例如，美觀性)，并且相應地改善了角具性能和角具壽命。

有利地，連接器刺入的近側工件的施加表面可以是彎曲的、不平的，或者是不完全平坦和平直的。由于超聲能量(例如，HF振動)的后續(xù)施加將被導引通過連接器且進入工件，能量施加器(例如，角具)不需要接觸該表面。因此，表面不需要是平坦和垂直于施加器的，只要連接器被嵌入到工件內的目標深度即可。

本技術的又一個優(yōu)點是上文所述剝離防止功能。更特別地，機械連接器(例如，鉚釘)執(zhí)行機械緊固功能，包括在產品(例如，汽車)被制造之后和使用中。雖然焊縫形成為穩(wěn)健的和隨時間推移耐用的，但如果在產品的壽命期內由于任何原因而存在焊縫弱化，機械連接器將充當支撐件或備用緊固件。該功能可以被稱為剝離保護或剝離防止功能，因為鉚釘有助于使連接的工件保持連接。

VI. 結論

本文公開了本公開的各種實施例。所公開的實施例僅僅是可以以不同的和備選的形式以及它們的組合具體化的示例。如本文所用，例如，“示例性的”和類似的術語廣義地表示用作圖示、標本、模型或模式的實施例。

附圖未必按比例繪制，并且一些特征可以被夸大或最小化，例如以顯示特定組件的細節(jié)。在某些情況下，為了避免使本公開變模糊，未詳細描述熟知的組件、系統(tǒng)、材料或方法。因此，本文所公開的具體結構和功能細節(jié)不應理解為限制性的，而只應理解為權利要求的基礎和用于教導本領域技術人員的代表性基礎。

上述實施例僅僅是為了清楚理解本公開的原理而闡述的具體實施的示例性圖示。在不脫離權利要求的范圍的情況下，可以對上述實施例做出變型、修改和組合。所有這樣的變型、修改和組合都在本文中由本公開和所附權利要求的范圍所包括。