專利名稱：熱塑性部件振動焊接的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的來說涉及熱塑性部件的裝配方法，尤其涉及用振動焊接技術制造窗框和門框的方法和裝置。
背景技術：
當前，通常用熱板焊接技術由聚氯乙烯(PVC)擠塑型材裝配塑料窗框和門框。通常，角焊工藝涉及將兩個型材的斜切端部壓在涂有特氟綸的加熱的金屬板上。在熱塑性PVC材料熔化以后，除去熱金屬板，這樣所述兩個端部互相擠壓，形成密封的焊接連接。通常，在制造四側框組裝件時，使用單頭、雙頭或四頭焊接設備。對于四頭焊接設備，在一個操作中裝配完整的框架，考慮到框架準備、型材裝載、角焊、冷卻和框架卸載所需要的時間，總的周期時間大約為兩分鐘。
除了工藝相對較慢以外，熱板焊接的另一個缺點是在焊接線上產(chǎn)生大量的塑料焊瘤，這些塑料焊瘤必須通過包括切削、刨削和靠模銑切操作的加工機械地除去。一般來說，用于除去焊瘤所需要的設備復雜且昂貴，并且所述加工也會損壞涂敷于擠塑型材上的任何表面涂層。另外，由于塑料焊瘤材料在焊接過程中被污染，除去的廢塑料材料不能被再利用，并且污染的材料也會影響最終的焊接強度。最后，為了連接得到直角形的方角，所述設備包括精密和復雜的支持系統(tǒng)。
振動焊接是常用的用于將兩個熱塑性部件的平面端壁焊接在一起的方法。如US專利US 4,352,711所公開的那樣，典型的振動焊接工藝包括一個部件牢固地固定在固定的底部夾持器中，而另一個部件被牢固地固定在活動的頂部夾持器中。通過施加壓力和快速移動頂部夾持器，由于表面摩擦在極短的時間內產(chǎn)熱，熔化將被焊接在一起的兩個部件的接觸表面，從而，除了短的周期時間以外，振動焊接的另一個關鍵優(yōu)點在于產(chǎn)生最少的焊瘤，從而極大地減小了通過機加工去除焊瘤的需要。一般來說，兩個塑料組件注塑成形，這允許部件包括焊瘤壩和其它特征。結果，即使帶有產(chǎn)生的有限焊瘤，它的運動和位置受到控制，從而在視覺上不會很突出或很難看。
近年來進行了將振動焊接技術用于塑料框架裝配的各種嘗試，但沒有獲得商業(yè)上的成功。在授予hanson等的美國專利US 5,902,657中，描述了兩種特別開發(fā)用于制造窗框和門框的選擇工藝。一個工藝使用類似于傳統(tǒng)熱板焊焊機的裝置，其中振動金屬板在兩塊型材的端部之間快速地來回移動。為了制造焊接接頭，金屬板接著被除去，兩個型材互相壓在一起。如上所述，這種工藝存在一些技術問題，這是由于，不同于傳統(tǒng)熱板焊，只有一個薄的表面層被加熱，結果，當振動金屬板被移去時，已經(jīng)熔化的少量的表面塑料材料或者被除去和/或者快速冷卻，從而當兩個型材最后被擠壓在一起時在兩個型材之間形成的焊接連接較弱。
在美國專利US5,902,657中描述的第二個選擇工藝也涉及一些技術問題。利用這種技術，對于四側框架，兩個相對側被保持定位而另兩個側可移動?？梢苿拥膫缺槐３衷谶B接到四個振動頭的夾持器中，在將兩個中空的薄壁型材直接焊接在一起時振動頭位于型材的角端。由于振動頭很快地來回移動，很難精確地控制振動頭的最終位置，因此薄的型材壁不能正確地對齊，這導致角焊強度減小以及可看到的不均勻的接頭線。
利用振動焊接，通常在焊接線處具有最小的干擾區(qū)。然而，對于Kagan等的美國專利US5,874,146公開的玻璃纖維強化塑料，可以在容許一些玻璃纖維離開流動方向定向和跨過焊接界面的寬焊接區(qū)獲得較高的結構強度。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種在第一和第二構件與接合塊之間形成振動焊接連接的方法，其中所述構件和所述接合塊至少部分由熱塑性樹脂材料構成，所述方法包括提供一種振動頭；將所述接合塊接合到連接到所述振動頭的夾持器中；將所述第一和第二構件安裝到獨立于所述振動頭的夾持器中；在每個所述第一構件和第二構件與所述接合塊的各個相對側之間產(chǎn)生接合力；維持所述接合力同時用所述振動頭以50到500HZ的頻率振動所述接合塊以便產(chǎn)生摩擦產(chǎn)熱，用于熔化所述構件端部和所述接合塊的各個相對側處的材料，這樣的熔化材料在冷卻時在所述接合塊和所述部件之間形成焊接；并且，其中在所述第一和第二框架構件與所述接合塊之間的所述接合力獨立于振動頭的操作而被施加。
優(yōu)選的是，所述接合力在接合塊的每一側提供均勻的壓力。所述接合力在焊接步驟期間最好是變化的，從而在接合力下的材料熔化達到期望的程度后，每個接合力減小到一個水平，在所述水平下熔化的材料在構件端部和接合塊之間的位置保持熔融狀態(tài)。
優(yōu)選接合塊具有相對于每個構件成一角度延伸的平面凸緣，接合塊包括可除去的突出部，所述突出部是平面凸緣的延伸。所述突出部保持在連接到振動頭的夾持器中，在焊接步驟完成后除去所述突出部。所述突出部優(yōu)選具有容納在夾持器中插孔中的幾何形狀，所述插孔具有類似的幾何形狀，例如T字形，接合塊通過金屬彈性連接件等牢固地保持定位?？蛇x地，接合塊可以包括用于和夾持器上的插銷配合的插孔，以便將接合塊保持定位。
對于特定的應用，通過調節(jié)振動頭操作期間的特定振幅、頻率和接合力來控制振動角焊過程。
另一方面本發(fā)明提供了一種用于在第一和第二框架構件的端面與接合塊之間形成振動焊接連接的裝置，其中所述框架構件和所述接合塊至少部分由熱塑性材料構成，所述裝置包括a)振動頭，包括驅動裝置，所述驅動裝置用于以一定振幅或者至少0.4mm的振幅以及50至500Hz的頻率在預定平面中振動所述振動頭；b)相對的第一和第二夾持器，每個夾持器具有用于固定所述第一和第二框架構件的各個構件的夾緊結構，其中所述第一和第二夾持器支撐所述第一和第二框架構件以便獨立于所述振動頭運動。
c)第三夾持器，用于以平衡的方式保持接合塊，并且通常將接合塊固定在所述振動頭的中心部位，所述接合塊具有平面部分，該平面部分垂直地對齊所述預定平面。
d)導向結構，用于沿著平行于所述預定平面和垂直于所述平面部分和所述端面的方向引導所述框架構件和所述接合塊的相對運動，以方便所述接合塊的相對側分別與所述第一和第二框架構件之間接合。
e)連接到第一和第二夾持器上的壓力驅動器，用于在所述接合塊的相對側和所述第一和第二構件之間提供接合力；和f)控制系統(tǒng)，用于控制振動角焊裝置的操作。
優(yōu)選的是，具有與每個壓力驅動器連接的調節(jié)機構，從而由每個壓力驅動器提供的接合力是獨立可調的。以這種方式，在焊接步驟的整個期間可提供可變的接合力。
保持接合塊的第三夾持器優(yōu)選這樣放置以便接合塊的平面凸緣平衡并且典型地位于中心部位，并且第一和第二夾持器可獨立于第三夾持器運動。
本發(fā)明還構思了一種用于互連一系列細長框架構件以形成封閉框架的系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，鄰接框架構件的相鄰端部通過上述裝置接合。所述框架構件可以是矩形框架，在所述框架的四個角中的每個角處設置上述的一組裝置。
所述框架構件不必以直角裝配，而事實上可以在90°至15°的范圍內的任意選擇角度下連接。相鄰框架構件相對于接合塊的角度可以不同?？蚣軜嫾矝]有必要是直的，相反，一個或多個框架構件可以是縱向彎曲的。
所述用于互連框架構件的系統(tǒng)可以用于在框架構件被焊接到一起以與嵌板形成完整組裝件以前將那些構件裝配在內嵌板的周圍。所述嵌板可以是任何期望的組成成份，例如一張玻璃或硬塑料材料、絕緣窗玻璃裝置、多孔片狀擠出物等等。
本發(fā)明還提供了一種框架，包括多個細長框架構件，成對的所述構件的相鄰端部通過插入的接合塊互連，其中所述框架構件和所述接合塊中的每一個至少部分由熱塑性樹脂構成，其中每個所述接合塊通過振動焊接連接在所述接合塊的相對側上固定到一對相鄰框架構件上，并且，所述接合塊具有相對于每個所述框架構件以一定角度延伸的平面凸緣。
優(yōu)選每個中空型材具有周邊壁，所述周邊壁提供用于焊接到平面凸緣上的表面?？蚣軜嫾闹锌招筒目梢员患毞譃閮蓚€或多個空腔。
優(yōu)選平面凸緣具有2mm至12mm范圍內的厚度，更優(yōu)選為3mm至6mm范圍的厚度。
平面凸緣的扁平表面可以包括織構表面加工，以便提高摩擦產(chǎn)熱的積聚。
框架構件優(yōu)選由玻璃纖維強化熱塑性材料構成，例如聚氯乙烯?？蚣軜嫾耐獗砻嫔峡梢跃哂醒b飾涂層或拋光。
接合塊優(yōu)選可以帶有從平面凸緣的相對側延伸的形成一體的腿，所述腿的尺寸設定為沿縱向接合在相鄰框架構件的中空內部中。接合塊的一體腿每個可以包括一體的彈簧對心裝置。此外，中空框架型材構件可以通過超聲點焊在與平面凸緣間隔開的位置固定到接合塊的腿上。
優(yōu)選地，框架型材的端部為斜切的，以便提供理想的框架角度，例如以45°斜切以提供90°角?？蚣苄筒牡男鼻卸瞬靠梢杂伤^的開口側槽(dado cut or open sided groove)形成，在焊接過程中壓力板可以壓在框架型材前表面的斜切端部上，以便防止該前表面的外觀被任何的焊接焊瘤所損壞。
接合塊可以包括諸如收集器、槽或焊道(welding bead)之類的裝置，用于定位或者容納在振動焊接過程中產(chǎn)生的塑料焊瘤。
振動角焊過程有三種優(yōu)選的應用，即(i)框架構件裝配在絕緣玻璃裝置周圍以及硅酮密封劑涂在被組裝框架和絕緣玻璃單元之間的間隙中；(ii)窗玻璃片通過硅酮密封劑直接粘接到框架組裝件的側邊；和(iii)被組裝框架位于分開的窗玻璃片之間。


以下是以特定實施例的例子的方式對本發(fā)明的描述，并參照附圖，其中圖1A和1B是由方形型材和玻璃纖維填充PVC擠塑制品制造并且用傳統(tǒng)熱板焊接技術在角部焊接的框架角組件的正視圖；圖2是沿圖1的1-1線通過角組件的垂直剖面圖；圖3是按照北美門窗標準(NAFS-1)用于熱塑性角測試的測試夾持器的正視圖；圖4是在外側邊緣包含可除去突出部的框架角組件的分解透視圖，其中熱塑性擠塑制品是通過振動焊接在角部焊接到對角腹板上的；圖5是框架角組件的水平剖面圖，其中熱塑性壓出器通過振動焊接焊到在外側邊緣包括可除去突出部的對角平面凸緣接合塊上。
圖6A是單個角振動焊接裝置的透視圖；圖6B是單個角摩擦焊接裝置的控制系統(tǒng)的示意圖；圖7A是單個角振動焊接裝置的平面圖，其中擠塑制品在焊接過程之前安裝到夾持器中；圖7B是類似于圖7A的視圖，示出了處于焊接過程中的單個角振動焊接裝置；圖8A是分解透視圖，圖8B是透視圖，示出了包括帶有平面凸緣在底邊上的可除去突出部的接合塊的振動焊接的角框架組件；圖9A是包括焊瘤收集器的平面凸緣腹板的剖面細節(jié)圖；圖9B是包括焊道的平面凸緣腹板的剖面細節(jié)圖；圖10是活動夾持器的剖面細節(jié)圖，所述夾持器在振動焊接過程期間保持框架型材定位；圖11是帶有平面凸緣和在外側邊緣上的可移動T型突出部的接合塊的透視圖；圖12A是帶有平面凸緣并包括可移動突出部的接合塊的透視細節(jié)圖，所述突出部在后部邊緣上具有雙重L型槽；圖12B是接合塊固定夾持器和如圖12A所示的平面凸緣結合塊腹板的分解頂視圖；圖12C是帶有如圖12B所述的平面凸緣接合塊的接合塊固定夾持器的垂直剖面圖；圖13是在底邊上帶有可除去突出部的角腹板的透視圖；圖14A是包括獨立的壓緊板裝置的接合塊夾持器的頂平面圖；圖14B是包括獨立的壓緊板裝置的角腹板夾持器的垂直剖面細節(jié)圖；圖15A是框架角組件的剖視平面圖細節(jié)，其中通過振動焊接利用帶有對角腹板和一體腿的角鍵將熱塑性塑料擠塑制品焊到角部；
圖15B是如圖15A所示的框架角組件的剖面平面圖細節(jié)，其中塑性框架型材通過超聲點焊焊到角鍵的一體腿上；圖15C是如圖15A所示的塑料框架型材和角鍵的剖面和立視細節(jié)圖；圖16是振動焊接裝置的局部片平面圖，示出了框架型材可以以不同的角度裝配到平面凸緣接合塊上；圖17A是圓頂窗框的正視圖；圖17B是在直線和曲線框架型材之間的對接接頭組件的剖面圖細節(jié)；圖18是包括帶有平面凸緣和頂部保持的可除去突出部的接合塊的振動焊接角框架組件的分解透視圖；圖19A和19B是以兩階段框架裝配為特征的立式四頭振動焊接裝置的正視圖；圖20是立式四頭振動焊接裝置的正視圖，其中全部四個角被同時焊接；圖21A是復合通道上下推拉窗嵌板的正視圖，所述嵌板帶有用振動角焊接裝配的熱塑性框架型材；圖21B是沿圖21A的21A-21A線的包括雙玻璃絕緣單元的復合通道窗嵌板垂直剖面圖；圖22是利用振動角焊接裝配在絕緣玻璃裝置周圍的復合通道框架的分解透視圖；圖23B是包括不同大小的框架型材并通過振動角焊接裝配的角組件或復合通道窗的透視圖；圖24A是振動焊的復合通道框架組件的透視圖，其中框架型材包括單個L型空腔和用于支撐絕緣玻璃裝置的薄實心框架型材壁；圖24B是圖24A所示的角框架組件的分解頂視圖；圖25A是帶有硬熱塑性分隔框架并通過振動角焊裝配的絕緣玻璃嵌板的正視圖；圖25B是沿圖25A的線25A-25A的包括硬熱塑性間隔框架的絕緣玻璃嵌板的垂直剖面細節(jié)圖；圖26A是密封框架窗嵌板的正視圖，其中外窗玻璃片直接粘接到框架組件上；圖26B是沿圖26A的26A-26A線的圖26A的密封框架窗嵌板的垂直剖面細節(jié)圖；圖27A和27B是特別制造用于密封框架嵌板的摩擦角焊的框架型材的角端的前視圖和側視圖；圖28是用于如圖26A所示的密封框架窗嵌板的角框架組件的分解透視細節(jié)圖；圖29A至29E是結合利用摩擦焊和超聲點焊技術生產(chǎn)密封框架角組件的步驟；圖30是帶有可除去的突出部的接合塊的透視圖，所述突出部包括用于與形成接合塊固定夾持器的一部分的插銷相接合的插孔。
具體實施例方式
參照圖1A和1B，示出了由方形中空型材、玻璃纖維填充PVC擠塑制品32和33制造的框架角組件31的側視圖和前視圖?？蚣軜嫾?2和33的斜切角端部34用常規(guī)的熱板焊設備焊接在一起。熱板焊的一個主要缺點在于，在焊接線36上產(chǎn)生大量的塑料焊瘤35。該塑料焊瘤35必須被機械清除，而該過程往往包括除去焊接線36處的淺槽。作為這種機械清除的結果，可能會相當大地減小角焊縫的結構性能。
圖2示出了通過框架角組件31沿線1B-1B的垂直的剖面圖，其中框架32和33的斜切端34在周邊壁邊緣處焊接在一起。如前所述，該過程產(chǎn)生必須從型材外部機械清除的焊瘤35。
在北美，根據(jù)北美門窗標準(NAFS-1)測試程序來評估熱塑性角焊縫的結構性能。如圖3所示，測試程序包括將焊接的框架角組件31連接到帶有夾具40和41的支撐件上。底部夾具41位于下部框架型材33的頂邊緣42以上100mm處。點負載L44位于距離上部型材32的前側邊緣360mm處并逐漸地施加到下部框架型材33上，所述點負載44位于距離上部型材32的前側邊緣360mm處。通過/失敗測試標準是當加載到失效時，斷裂不會沿著整個焊縫線36延伸。
利用傳統(tǒng)的熱板焊接技術，如圖2所示的角焊縫測試樣品從30％玻璃纖維填充PVC擠塑制品制造。樣品根據(jù)NAFS-1程序測試，當裂縫沿著整個焊接線36延伸時樣品失效。纖維填充材料未通過NAFS測試程序的主要原因是焊縫強度通常不高于基體聚合物，因此，由于30％的玻璃纖維填充型材強度和硬度較大，框架組件中的接頭連接較弱。
如參照圖4-30所描述的，本發(fā)明的一個主要目的是提供角框架裝配方法，其中測試樣品由30％玻璃纖維填充PVC擠塑制品制造，并一致通過NAFS-1熱塑性角焊縫測試程序。
圖4示出了角框架組件的分解透視圖，其中熱塑性框架組件32和33的斜切端部34通過振動焊接焊到包括平面凸緣48和可除去突出部49的接合塊47的相對側上。接合塊47由與熱塑性框架組件32和33相同的基礎聚合物制成。平面凸緣48包括粗糙或織構表面，由于該表面處理加速摩擦產(chǎn)熱，極大地減小了焊接周期時間。平面凸緣48的壁厚可在2mm至12mm之間變化，優(yōu)選變化范圍為3至5mm。可除去突出部49比平面凸緣48厚，這是為了增加強度和硬度。在焊接過程完成后，可除去突出部49被剪切壓力機或其它類似設備切掉。由于振動焊接不會污染塑料焊縫材料，該可除去突出部可再利用，塑性樹脂可再使用。
圖5示出了通過從中空塑料型材32和33制造的角框架組件的水平截面。由于成型件32和33通過振動焊焊接到接合塊47的任一側，在兩個焊縫中的每個焊縫上的結構負載被相應的減少了。另外，平面凸緣48提供對角斜撐，進一步增加了框架組件的結構性能。
形成平面凸緣48的延伸部分的可除去突出部49位于接合塊47的外側后部。在振動焊過程中，突出部49牢固地固定保持夾持器50上，所述夾持器50連接到專門的振動焊接裝置51的振動頭52，如圖6A，6B和7A，7B所述。
如同先前用傳統(tǒng)熱板焊設備制造的樣品一樣，利用相同的帶有30％玻璃含量的中空方形型材PVC擠塑制品制造角測試樣品。與熱板焊接測試樣品不同，使用特殊的振動焊接技術將型材樣品焊接到平面凸緣上，這樣振動焊接樣品通過了NAFS-1熱塑性角焊測試程序。
如圖5所示，振動焊接過程一般導致塑料框架型材32和33嵌入平面凸緣48中。盡管平面凸緣最好由與框架型材相同的樹脂基材料制造，一個選擇是接合塊由較硬的塑料材料(例如玻璃纖維材料)制成以便型材不過分嵌入到平面凸緣中。
圖6A示出了原型單個角振動焊接裝置51的頂部透視圖。該裝置由五個主要部件構成1.振動頭線性振動頭52，包括在預定的平面中很快速地來回振動的頂板53。
2.接合塊固定夾持器50接合塊固定夾持器50直接連接到頂板53上并牢固地保持平面凸緣接合塊48定位。
3.可活動框架夾持器兩個可活動框架夾持器55和56包括夾緊裝置60，夾緊裝置60將框架型材牢固地定位。框架夾持器55和56的運動通過以下多種裝置操作，包括電伺服電機、氣動和液壓裝置。
4.控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)46調節(jié)振動焊接裝置的各種操作參數(shù)，包括焊接時間、操持時間、接頭壓力、振幅、頻率和電壓。控制系統(tǒng)位于保護容器中，并連接到操作者界面64。
5.機器框架機器框架65提供支撐其它部件的結構。
振動頭53可以線性或軌道方式運動。利用線性振動焊接，振動頭在預定的平面中非?？焖俚貋砘匾苿印τ谲壍勒駝?，振動頭以環(huán)形操作連接轉動。作為連續(xù)的過程，軌道振動提供了一些主要的優(yōu)點，包括時間減少，能耗小、焊接振幅小、清理減少和焊瘤更好的控制。當前，由于連續(xù)環(huán)形運動由電動機驅動，軌道振動在某種程度上不可靠，從而只有線性振動焊接在以下的圖中示出。然而，本領域技術人員將會理解，對于許多這些角焊接應用，也可以用軌道振動焊接來代替，特別是，該工藝在使用平面凸緣接合塊中提供了優(yōu)點。
圖7A示出了單個角振動焊接裝置51處于打開狀態(tài)的平面圖。線性振動焊接裝置51以在預定平面中線性來回運動的振動頭52為特征。振動頭52類似于市場上可得到的諸如Branson Mini Welder線性振動焊機中所使用的振動頭，但與這些市場上可得到的產(chǎn)品不同，該振動頭被倒轉，這樣更靈活并且在框架裝配過程中更容易定位框架構件32和33。平板53栓接到振動頭52的頂表面上。如同標準振動焊機一樣，振動頭被栓接到獨立的重鑄鐵支撐物(未示出)上并用橡膠軟墊與鑄鐵支撐結構(未示出)隔離。該鑄鐵支撐結構反過來栓接到將振動頭52定位在方便于工作的工作高度處的機械框架65上。
平板金屬片54栓接到機器框架65的頂表面上，位該頂部工作表面與振動頭52分開以便最小的振動運動被傳遞給機械框架65。可活動型材夾持器55和65支撐在直接連接到頂部桌面板54的導軌57上，這些夾持器將框架型材擠塑制品32和33保持定位?？苫顒有筒膴A持器55和56在振動頭52上方運動，但除了框架型材32和33接觸接合塊47的地方外與振動頭沒有直接接觸?？苫顒訆A持器還使得框架型材32和33的斜切端34平行于接合塊47的平面凸緣48定位。
每個可活動型材夾持器55和56由水平平板58、連接到水平板58的支撐構件59和夾緊機構60組成，夾緊機構60將型材32和33牢固地保持在支撐構件59上。前夾具60位于鄰近于平板58的側邊緣61處以便保證型材33牢固地保持定位，斜切型材32和33只延伸到側邊緣61以外2或3mm。同樣重要的是，兩個型材從兩個夾緊機構處延伸相同的距離。
為了提供直角接頭連接(即90°)，垂直支撐構件59相對于側邊緣61定位在45°角處。然而，對于特殊的框架形狀，支撐構件59的角度定位可根據(jù)需要通過樞軸點62和連接裝置63調節(jié)。用于接合塊47的固定保持夾持器50這樣定位以便于接合塊的平面凸緣處于平衡的中心位置處。直接連接到振動頭52的頂板53上的保持夾持器50牢固地保持接合塊47的可除去突出部49定位。
圖7B示出了處于工作中的振動焊接設備的平面圖。型材擠塑制品32和33的斜切端部34被壓向接合塊47的平面凸緣48。根據(jù)需要，可調節(jié)型材夾持器55和56的角位移，以便所有四個接合表面互相平行。
在操作中，在框架型材32和33的斜切端部34與接合塊47的平面凸緣48的平行表面之間的兩個接合界面上產(chǎn)生摩擦熱。通過來回振動接合塊47同時將框架型材31和32壓向接合塊47的平面凸緣48，在兩個接合界面上產(chǎn)生摩擦熱。當在兩個接合界面66和67處達到熔融狀態(tài)時，停止振動，并接著短時保持垂直壓力P，同時熔融塑料固化以在平面凸緣48的任一側形成兩個焊接接頭66和67。為了提供均勻的焊縫強度，必要的是相同的垂直接合力必須被同時施加到接合塊47的每一側。
在振動焊接過程中，如果在表面塑料已經(jīng)熔化后施加過大的壓力，熔化的塑料會被從接合線推開，導致差的結構連接。通過精細地控制框架型材在接合塊上的接合力或壓力，可避免這種接頭連接問題。在接合線處的材料的熔化達到期望的程度后，將接合力減小到一定水平，在該水平下熔化的金屬在框架型材的端部之間保持熔融態(tài)。
在摩擦焊接玻璃纖維填充型材中，焊接強度減小的一個原因是玻璃纖維沿著焊接線對齊，垂直于施加的接合力或壓力。這種焊接區(qū)通常在40至100微米的非常窄的范圍內變化。通過精密地控制和最優(yōu)化焊接參數(shù)，特別是焊接壓力，可產(chǎn)生較寬的焊接區(qū)從而一些玻璃纖維取向離開焊接線并穿過焊接界面。因此，對于玻璃纖維填充型材可獲得較高的焊縫強度。
利用原型角焊接裝置，已進行了一系列的實現(xiàn)，這些實驗已顯示出通過在相當大寬度范圍的不同參數(shù)值中最優(yōu)化不同的焊接參數(shù)，可達到滿意的結構焊縫。例如，如果振幅增加，最大施加壓力可以減小，或者如果焊接時間增加，最大施加壓力和振幅都可以減小。特別為了減少產(chǎn)生的塑料焊瘤的量，我們的實現(xiàn)已顯示優(yōu)選使用較高頻率和較低振幅。一般來說，盡管對于每種應用，需要建立特定的一組焊接參數(shù)，但不同的焊接參數(shù)可在以下值中變化最大施加壓力 6kN焊接時間 2-12秒焊接振幅 0.4mm-3mm焊接頻率 50-500HZ一般來說，對于特定的應用，通過針對特定焊接振幅、頻率和最大施加壓力或接合力確定的焊接時間來控制振動角焊過程。應當注意到被限定為振動頭工作的持續(xù)期間。
圖6B是單個角振動焊接裝置51的控制系統(tǒng)46的示意圖?？刂葡到y(tǒng)46由在金屬殼體中被保護并鏈接到操作界面45的中心控制器84組成?？刂破?4控制五個主要部件的操作(i)振動頭55，
(ii)第一可活動型材夾持器55的夾緊機構239和(iii)第一可活動型材夾持器55的壓力機構240和(iv)第二可活動型材夾持器56的夾緊機構241和(v)第二可活動型材夾持器56的壓力機構242。
通過輸入/輸出信息反饋，可調節(jié)和控制這五個部件的操作。
利用如圖6A，6B，7A和7B所述的原型單角振動焊接設備，已從包括以下材料的較寬范圍的不同材料中成功地制造出角框架型材組件，所述材料包括聚氯乙烯(PVC)；復合玻璃纖維填充PVC；多孔狀泡沫體PVC；復合木纖維填充PVC和熱塑性拉擠成型制品。對于所有的組件，希望平面凸緣接合塊基本上由與框架型材相同的基體樹脂制成。還測試了角腹板的一系列選擇設計，實驗顯示即使平面凸緣厚度小于1.5mm也可以制造滿意的焊縫。
圖8A和8B示出包括帶有平面凸緣48的接合塊47的振動焊接角框架組件31的分解透視圖，其中平面凸緣48包括在底邊緣上的可除去的突出部49。與側部保持的接合塊相比，在底部邊緣處的突出部的一個優(yōu)點是接合塊易于裝載到保持夾持器中。
為了得到簡單的角腹板設計，接合塊可從塑料片材中沖切而成。作為選擇，接合塊可以通過注塑制成，這樣具有可以在接合塊中結合各種設計特征的優(yōu)點，基本上消除了清除塑料焊瘤的需要。圖9A和圖9B顯示了兩個可選接頭設計，所述設計基本上消除了移除焊瘤的需要。在圖9A中，兩個中空熱塑性型材32和33利用包括平面凸緣48的接合塊47縱長地接合在一起。接合塊47在中心焊道70的任一側包括焊瘤收集器或熔化凹陷69。在振動焊接過程中，塑料流進焊瘤收集器69中產(chǎn)生雙分型線71。
如圖9B所示，當美學要求較高時，塑料型材端部72可包括側開口槽(dato cut)73。型材32和33的平槽端部75與包括焊道74的平面凸緣48交疊。在振動焊接過程中，流向接合塊47端部周圍的塑料和兩個平槽端部75幾乎接觸，形成單個薄分型線。如前所述，利用焊瘤收集器和焊道的主要優(yōu)點在于，塑料焊瘤在焊接過程中被包含并不必機械清除塑料擠塑制品表面的焊瘤。結果，由于沒有機械焊瘤清除，可行的是裝飾表面拋光76被結合到塑料擠塑制品32和33上，這些表面拋光在焊接過程期間不會被損壞。焊道收集器和焊瘤的進一步優(yōu)點是，由于不必清除熔化的塑料焊瘤材料，也可增加接頭焊縫的強度。盡管在圖9示出，側開口槽(dato cut)被包括到框架型材中，本領域技術人員將會理解，可以在接頭設計中包括焊道而不需要側開口槽(dato cut)。
對于圖6A，6B和7A，7B所示的振動焊接設備，通過前夾具60將框架型材牢固地保持定位。對于更復雜的型材形狀，必須使用專門定制的夾持器，當需要將不同的框架型材焊接到相同的生產(chǎn)線上時，有必要更換這些定制的夾具。因此，會出現(xiàn)生產(chǎn)減速和延遲，這意味著不能實現(xiàn)振動角焊接的生產(chǎn)優(yōu)點。
為了消除對特殊定制夾具的需求，圖10示出了用于牢固地保持塑料框架型材77定位的可調夾具60的剖面細節(jié)。垂直支撐構件59連接到活動水平板58上?？蚣苄筒?7通過雙組平面金屬條78和79被牢固地保持定位，每個條81包括特定的夾頭82。第一組金屬條78滑動定位并且呈現(xiàn)為框架型材77的前表面80的總的型面形狀，從而型材77被固定在垂直支撐構件59上。第二組平面金屬條79滑動定位并且呈現(xiàn)為框架型材77的側面83的總的型面形狀，從而型材77也被固定在水平板58上。每一組金屬條包括鎖定系統(tǒng)(未示出)，將條鎖定定位。
圖11示出了用于單個角振動焊接設備51的接合塊保持夾持器50的透視圖細節(jié)。接合塊保持夾持器50機械連接到振動頭52(未示出)的頂板53上。由于接合塊保持夾持器50非?？焖俚貋砘卣駝?，在夾持器上的應力或沖擊水平很高，估計這些應力超過100-重力(G-force)。因此，由于用于保持角鍵定位的機械壓力裝置不能承受連續(xù)振動，該機械壓力裝置是不適合的。
如圖11所示，消除機械壓力裝置的一個方法是使接合塊47的可除去突出部49包括T型的型材85，并使保持夾持器50也包括互補的T型插孔86。接合塊47滑動定位，T型型材85通過金屬彈性連接件(未示出)牢固地保持定位。
圖12示出了也不包括移動部件的選擇角鍵保持系統(tǒng)的圖示。
圖12A示出了包括平面凸緣48和可除去突出部49的接合塊47的透視細節(jié)?？沙ネ怀霾?9的后邊緣87包括雙組L型槽88。
圖12B示出了在將接合塊安裝到保持夾持器內之前接合塊保持夾持器50和平面凸緣接合塊47的頂視圖。接合塊保持夾持器50包括狹窄槽89，該槽89的寬度稍大于可除去突出部49的寬度。兩個環(huán)形金屬銷90跨過窄槽89。
圖12C示出了接合塊安裝以前的接合塊保持夾持器50的剖面圖。在角框架組裝過程中，接合塊47首先水平橫向移動從而兩個環(huán)形銷90接合在雙組L型槽88中。接合塊接著向下落到最終位置處，在那里環(huán)形銷90容納在L型槽88的圓形尖部91中。與圖1所示的T型接合塊相比，雙L型槽的主要優(yōu)點是，接合塊使用較少的材料，從而可以以較低的成本制造。
圖13示出了帶有凸緣48和底邊緣帶有可除去突出部49的接合塊47的分解透視圖?？沙ネ怀霾?9包括雙垂直槽92，其對應于包括在接合塊夾持器(未示出)中的雙環(huán)形銷。與圖12所示的側部保持的保持系統(tǒng)相比，主要優(yōu)點在于，接合塊更容易裝載到底部保持的保持系統(tǒng)中。
圖30示出了也不包括移動部件的第二選擇接合塊保持系統(tǒng)。接合塊47包括平面凸緣48和可除去突出部49。兩個插孔96和97包括在接合塊47的可除去突出部49中?；パa插銷98和99包括在連接到振動頭頂板53的接合塊保持夾持器50中。當兩個插銷98和99被插入到兩個孔96和97中時，接合塊在振動焊期間牢固地保持定位。
與包括焊瘤接收器和焊道不同，如圖14所示的用于控制塑料焊瘤的選擇方法在振動焊接期間將壓緊板裝置應用到焊接接頭上。
圖14A示出了包括單獨壓緊帶裝置95的角腹板夾持器的俯視圖細節(jié)，其中以壓緊帶裝置95具有在壓緊帶95的接觸表面上涂有諸如特氟綸之類的非粘性涂層的特征。型材擠塑制品32和33通過可活動框架夾持器55和56保持定位。壓緊帶裝置95連接到獨立的支撐結構96，該支撐結構96與振動頭52隔離。
圖14B是包括獨立的壓緊板裝置95和底部保持平面凸緣接合塊48的單個角振動焊接設備51的垂直剖面細節(jié)圖。在振動焊接過程中，向下的壓力直接作用在框架型材32和33之間的焊接線上，因此，在焊接過程中產(chǎn)生的塑料流動被向內引導并離開兩個型材之間的焊接線。
如前述圖中所示，接合塊47由帶有可除去突出部49的平面凸緣48組成。對于特定的框架應用，該平面凸緣構造不能提供充分的結構支撐，需要附加的角強化。如圖15所示，可以通過包括一體腿101的接合塊或角鍵100滿足上述需要。
圖15A和15B示出了由方形玻璃纖維填充PVC型材擠塑制品32和33制造的角框架組件31的切開截面平面圖，其中型材32和33通過包括一體腿101的接合塊或L型角鍵100被焊接。
如圖15A所示，角鍵100的一體腿101包括簡化了框架裝置的一體彈性中心裝置102。角鍵100的平面凸緣48首先振動焊接到型材32和33的斜切端部。由于需要適應來回振動運動，腿101只是松配合在型材中。
如圖15B所示，為了提供附加的支撐，塑料框架擠出品超聲點焊到角鍵100的腿上。雙頭焊頭通過用于制造點焊縫106和107。由于腿只是松配合在型材中，超聲焊過程允許塑料在角鍵腿和型材擠塑制品之間的間隙中流動，產(chǎn)生額外的強焊接點連接并減少了材料在外表面上的流動。由于它們的復雜型材形狀，角鍵100通常通過注模制造，并且必須用與擠塑型材32和33基本相同的基礎樹脂材料制造。
利用超聲點焊的一個主要優(yōu)點是，它是將兩個類似的熱塑性部件在定位點處連接的裝配技術，并且沒有預制孔或能量導向器。在操作中，點焊電極工作尖端經(jīng)過框架型材壁，移動的熔融塑料通過尖端中的凸起孔洞(未示出)成形，在表面上形成整潔的凸起環(huán)。同時，能量在界面處釋放產(chǎn)生摩擦熱。尖端接著穿透角鍵，在兩個表面之間移動熔融的塑料材料，在塑料固化后，在框架型材和角鍵腿之間形成永久的結構連接。
圖15C示出了中空型材33的垂直剖面圖。角鍵100的一體腿101由帶有中心定位銷104的硬扁平條103組成。型材擠塑制品33包括半圓形缺口，這允許定位銷104中心定位。
圖16示出單個角摩擦角焊接裝置51的振動頭52的斷面平面圖，示出了框架角選擇。接合塊47中心定位，并且擠塑制品32和33定位在垂直支撐構件(未示出)上，這些支撐構件的角位移D可自90°變化至15°，這允許制造特定形狀的框架。
圖17A示出了圓頂窗框架108的正視圖。直框架型材109，110，111被斜切并通過平面凸緣接合塊48在底部角113和114處被振動焊接。在直框架型材109和111以及圓頂型材112之間的對接接頭115和116處，利用特定的接合塊117將型材直切和振動焊接在一起。
圖17B示出了在直框架型材111和圓頂或彎曲框架型材112之間的對接接頭115的橫截面細節(jié)。接合塊117包括以一體彈性中心裝置為特征的腿，所述彈性中心裝置簡化了窗框的裝配。
圖18示出了角框架組件的分解透視圖，其中兩個框架型材32和33通過振動焊接焊到包括平面凸緣和位于平面凸緣48的頂邊緣119上的可除去突出部的接合塊47上。為了簡化框架型材的處理，接合塊角鍵夾持器通常連接到位于振動頭頂表面上的平板上。然而，振動頭的位置可以顛倒，從而接合塊47可以從上方保持，特別是對于框架和嵌板組合件，這種顛倒的振動頭位置提供這樣的優(yōu)點，即嵌板和最后裝配單元均可以更容易地移入和移出振動焊接裝置。
盡管框架組件可以用單個角焊機制造，但是如果兩個或多個角同時焊接則更有生產(chǎn)效能。圖19A示出了立式四頭振動焊機設備120的前部正視圖。與傳統(tǒng)熱板焊設備相同，四頭焊接設備120由帶有腿支撐件122和123的矩形結構框架121組成。四個焊接頭130，131，132和134連接到兩個垂直橋支撐件124和125上，所述垂直橋支撐件跨在結構框架121的頂梁126和底梁127之間。第一垂直橋支撐件124保持定位而第二橋支撐件125可活動并被接頭軌道(cog track)上的伺服電機所驅動，所述接頭軌道位于結構框架121的底梁127上?？梢苿訕?25的頂端129被位于結構框架121的頂梁126上的導軌128支撐。
第一組振動焊頭130和133連接到保持定位的第一橋支撐件124，第二組振動焊頭131和132連接到第二可活動橋支撐件125。每一組振動焊機由電伺服電動機驅動的滾珠螺桿操作，所述滾珠螺桿與專門的控制裝置結合，使每個頭的垂直位置被個別地控制，從而，在操作中，所有四個頭可以同時上下移動或者獨立地朝著中心水平基準線154運動。在四個焊頭130、131、132和133移動到初始起動位置后，四個框架型材134，135，136和137和四個接合塊138，139，140和141被裝載定位。
與全部四個角同時焊接的傳統(tǒng)四點焊機相比，摩擦焊的優(yōu)選操作策略是兩階段過程。如圖19A所示，兩個對角相對的角150和152首先被焊接在一起。對于每個角焊縫，所述過程基本上與用單個角振動焊機的過程相同。兩組框架型材被獨立地壓在兩個對角相對的角鍵138和140上。另外，只有緊鄰角鍵138和140的可活動框架夾緊裝置處于操作狀態(tài)。在焊接過程完成后，角鍵138和140必須被釋放，并且，通過包括作為振動焊接頭的一部分的突出部除去剪切壓力機或類似裝置(未示出)，使得該釋放過程更有效地進行。
如圖19B所示，下一步是另一組對角相對的角將被焊接在一起。第一垂直梁上的底部焊頭133被保持定位，而兩個頂部焊頭130和131均向下移動，同時第二橋支撐件125向側部移動。在第二階段的過程期間，只有緊鄰角鍵139和141的可活動框架夾緊裝置處于操作狀態(tài)。在第二組對角相對的角被焊接后，接著被組裝的框架被卸載。
由于摩擦焊過程很快(3-6秒)，這樣的兩階段過程不會顯著增加周期時間，并且與同時焊接四個角相比，主要優(yōu)點在于極大地簡化了所需要的焊頭的運動和控制。對于四頭焊機，用于個別焊頭的控制器形成配合的控制系統(tǒng)(未示出)的一部分，所述控制系統(tǒng)控制自動四點焊機的四個頭和其它機械化部件的操作。
對于傳統(tǒng)四頭熱板焊機，整個周期時間大約是兩分鐘，該整個周期時間包括型材裝載、角焊接、冷卻和框架卸載。作為比較，用于兩階段振動焊接過程的估計整個周期時間小于30秒，從而這代表著生產(chǎn)率的顯著增加。為了進一步提高生產(chǎn)率，一個選擇是在角保持夾持器中結合用于安裝接合塊的自動機械傳送裝置(未示出)。
如圖20所示，在一個操作中同時焊接四個角150，151，152和153在技術上是可行的。全部四個振動焊接頭130，132，133和134包括附加的伺服電動機156，所述伺服電動機156允許每個焊頭在塑料材料在振動焊過程中熔化時微小地移動。因此，焊頭的位置可以以不同的方向微調，從而在全部四個角處，通過四個框架型材134，135，136和137同時對四個角鍵150，151，152和153施加垂直壓力。然而，由于涉及的焊頭移動如此之小和復雜，用于同時四頭焊接操作的控制系統(tǒng)很復雜并且需要復雜的軟件。盡管圖18，19和20示出了垂直四頭振動角焊機，本領域技術人員可以理解，橋支撐件可以水平橫跨在工作臺支架上。
盡管振動角一般可以用于連接擠塑型材制品，改進的裝配方法提供了用于門窗應用的特殊優(yōu)點。除了生產(chǎn)傳統(tǒng)的門窗之外，改進的裝配方法可以用于開發(fā)新型的門窗產(chǎn)品。為了示出振動角焊的性能優(yōu)點，圖21至31示出了這些新型門窗產(chǎn)品的三個例子，即，1.復合通道窗嵌板，2.玻璃嵌板裝置和3.密封框架窗嵌板。
與前面的圖中示出的簡單矩形框組件相比，這些新型門窗產(chǎn)品包括復雜的型材形狀，但應當注意基本部件接頭設計沒有改變并且平面凸緣接合塊可構造為對應于這些更復雜的型材形狀的斜接接頭外形。
圖21A示出了復合通道窗嵌板158的正視圖，所述窗嵌板158由傳統(tǒng)的密封雙玻璃裝置159和矩形窗架160組成，其中矩形窗架160通過振動角焊接裝配在密封窗玻璃裝置159的周圍。
圖21B示出了復合通道窗嵌板158沿線21A-21A的截面細節(jié)。密封雙窗玻璃裝置159由兩個窗玻璃片161和162組成，并包括傳統(tǒng)周邊密封163，示出的特殊的例子為干燥劑填充的聚異丁烯(TPS)內阻擋層密封164和聚硫化物密封膠外結構密封165。密封的窗玻璃裝置159支撐在傳統(tǒng)的硬橡膠窗玻璃塊166上，并且，窗玻璃通道167被方便地排空。在多孔中空塑料框架被裝配和在角部焊接后，在窗玻璃裝置159和通道框架型材168之間的間隙中應用兩個硅密封焊道169和170。優(yōu)選窗框架型材由玻璃纖維填充PVC制成，這樣具有以下優(yōu)點即由于玻璃和框架組件的復合硬度，因此與傳統(tǒng)PVC窗型材相比，可減小整個框架型材的尺寸。
圖22示出了復合通道窗嵌板158的分解透視角細節(jié)。通道型的框架型材171和172裝配在絕緣窗玻璃裝置159的周圍，接著框架型材171和172利用振動角焊接在角部連接和密封。一個關鍵特征是接合塊47包括可除去塑料腹板49，可除去塑料腹板49位于框架的外側并保持在連接到摩擦焊設備的振動頭的角腹板保持夾持器上。這具有以下優(yōu)點即框架可裝配在絕緣玻璃裝置的周圍，接著焊接和密封角部。因此，通過消除需要單獨安裝絕緣玻璃裝置169，就顯著地節(jié)約了材料和勞動消耗。
利用傳統(tǒng)熱板焊，為了使薄壁型材壁在角部處焊接在一起，框架型材必須具有基本上相同的尺寸和形狀。然而，利用振動角焊接，通過使用常用的角腹板，不同的型材尺寸和形狀可以結構連接在一起。例如，如圖23所示，底部框架型材173更大并包括深的硬件通道。另外，利用傳統(tǒng)的熱板焊接，只可以使用45°斜切角，而對于摩擦焊和角鍵腹板，將帶有不同斜切角度(即60°和30°)的角的框架型材連接在一起是可行的。
應當注意，當利用摩擦角焊將不同尺寸的型材連接在一起時，兩個可活動框架夾持器有必要施加不同的接合力，從而當考慮不同的型材尺寸時，基本上在腹板的任一側上施加相同的壓力。
盡管圖21-24的給出的例子示出了裝配在絕緣玻璃裝置周圍的窗框架型材的例子，本領域技術人員可以理解，同樣的生產(chǎn)過程也可以用于制造寬范圍的框架和嵌板產(chǎn)品，包括畫框；鏡子；隔板；浴室門和碗柜門。
圖24A和24B示出了焊接的復合通道框架組件的透視圖和頂平面圖，其中，框架型材176和177單個L型的空腔178，并且用于絕緣玻璃裝置的薄支撐型材壁179是實心的。這種窄復合通道型材的主要優(yōu)點在于減小了框架型材的整個寬度，因此，材料和成本節(jié)約了。這種窄通道型材的一個缺點是，由于完全截面角腹板，從而由于通道型角腹板的腿太細以至于很難得到一致的角焊縫。
一個選擇是使角腹板只延伸到L型空腔178的頂型材壁181處，并在框架型材176和177的斜切角中包括槽口182。因此，盡管型材183的底部在角部被密封并被焊接，斜切實心型材壁184只對接在一起。然而，由于振動焊接過程可以被精密地控制，可保持兩個斜切型材176和177之間的開放間隙185最小。
圖25A示出了包括硬熱塑性間隔框架186的密封雙窗玻璃嵌板159的正視圖，所述間隔框架186通過振動角焊在角部焊接并密封。
圖25B示出了雙窗玻璃嵌板外周邊緣沿線25A-25A的截面細節(jié)。間隔框架186由開口通道制成，在角部處振動焊接到平面凸緣接合塊47上的硬熱塑性框架型材187由基本上與間隔型材相同的熱塑性樹脂制成。為了最小化窗玻璃片161和162與間隔框架186之間的不均勻膨脹，熱塑性間隔型材由玻璃纖維強化熱塑性擠壓成型或連續(xù)玻璃纖維強化拉擠成型制成。在間隔框架186被裝配后，干燥劑填充聚異丁烯密封劑被涂到間隔框架186的內表面188上，產(chǎn)生連續(xù)阻擋層密封。在嵌板被裝配后，結構熱固性密封劑的雙壓條190和191應用于間隔框架186和兩個窗玻璃片161和162之間。
為了絕緣玻璃嵌板，使用振動角焊的主要優(yōu)點是具有由硬熱塑性材料制成的連續(xù)的、單個的壁阻擋層密封。結果，間隔框架168的背面可結合包括連接裝置的各種型材特征。除了不損壞阻擋層密封的一體性外，其它熱塑性部件(例如充氣片)也可以被焊接到間隔框架186的背面192上。
圖26A示出了密封框架、包括帶有振動焊接角的周邊窗架194的三個玻璃上下推拉窗嵌板的正視圖。
圖26B示出了三個玻璃的密封框架窗嵌板193在線26A-26A上的截面圖。嵌板由兩個窗玻璃外片161和162組成，它們與周邊窗架194交疊，并通過熱固性結構密封劑195粘接到所述窗架上。內中心窗玻璃嵌板196由周邊框架194支撐。
周邊框架194由玻璃纖維填充的中空熱塑性型材197裝配而成，熱塑性型材197通過振動角焊接在角部連接并密封。該熱塑性型材包括玻璃纖維填充物，如前所述，這提供了增加的強度和硬度并減小了熱膨脹。與傳統(tǒng)窗組件相比，密封框架窗玻璃裝置的主要優(yōu)點是通過復合結構作用，所需要的窗框型材197的尺寸可以顯著地減小，導致改進的能量效率和材料成本的減小。
利用復合結構作用，該密封框架嵌板以與承力表層夾層結構嵌板相類似的方式作用，其中兩個窗玻璃片161和162的周邊邊緣分別處于受壓和張緊狀態(tài)下，從而，嵌板不是作為兩個獨立的窗玻璃片操作，相反，兩個窗玻璃片161和162作為一個結構單元共同作用。
窗玻璃片161和162通過結構熱塑性密封劑195結構粘接到塑料框架型材197上，為了長期耐用性，硅密封劑是優(yōu)選的材料。為了提高復合結構性能，需要密封劑厚度優(yōu)選小于3mm的高模量硅密封劑。為了提供增加的嵌板硬度，窗玻璃片161和162的底邊緣198和周邊側邊緣199在周邊框架型材197的任一側上被粘接到L型基座200上。為了使窗玻璃片161和162隨著溫度和壓力變化彎入和彎出，側邊緣接觸長度被保持到最小，通常要求10mm的長度。
第三中心窗玻璃片196位于兩個外窗玻璃片161和162之間，該窗玻璃片形狀類似于兩個外窗玻璃片，但尺寸較小。為了提高熱性能，在窗玻璃片161，196和162之間的空腔空間201和202的寬度通常在9mm和18mm之間。為了提高能量效率，低檔(Low-e)涂料203也可以應用于窗嵌板193的一個或多個玻璃空腔表面。另外，空腔空間161和162也可以包括低傳導氣體，例如氬或氪。
為了提供長期的氣體保持并保持周邊密封的一致性，需要在外窗玻璃片之間具有連續(xù)的周邊密封。各種邊緣密封構造窗框密封材料可被用于提供這種連續(xù)阻擋層密封。如圖26B所示的一個選擇是將低滲透性的密封劑材料204應用于周邊框架194的前面205和前側邊緣206。為了適應玻璃彎曲和移動，密封劑材料必須是柔性的，由于聚異丁烯的低溫性能，因此它是優(yōu)選的材料。為了從窗玻璃空腔空間201和202中除去潮氣，低滲透性的密封劑包括干燥劑填充材料，優(yōu)選的材料組合為85％的3A分子篩和15％的硅膠。
硬框架型材197可以由通過不同工藝制造的許多可選擇塑料材料制成。一個優(yōu)選的材料是擠壓成需要的型材形狀的玻璃纖維填充聚氯乙烯(PVC)。一個適合的產(chǎn)品是Fiberloc 80530，它以30％的玻璃纖維填充物為特征，并由PolyOne Inc.Of Cleveland Ohio公司生產(chǎn)。30％玻璃纖維填充材料的熱膨脹系數(shù)是18×10-6cm/cm/℃，與9×10-6cm/cm/℃的玻璃熱膨脹系數(shù)形成對比。對于很大的嵌板尺寸，通過用連續(xù)單向玻璃纖維條(未示出)加固鄰近于外玻璃片的框架型材壁207和208，塑料型材的熱膨脹可以被進一步減小。
代替玻璃纖維強化PVC，框架型材197可以由各種其它的選擇塑料材料制造，包括熱塑性纖維玻璃擠出品、玻璃纖維強化工程結構塑料泡沫擠出品以及高拉伸取向(high draw oriented)熱塑性擠出品。由于塑料型材被牢固地粘接到窗玻璃片上并從周邊框架的中點向外膨脹，由于塑料型材和玻璃片的不同膨脹性，在角部出現(xiàn)最大應力。特別是對于玻璃纖維填充型材，由于角焊縫通常只是與未強化的塑料具有相同的強度，在框架組件中角焊縫可能是一個潛在的弱點。為了提供增加的強度和硬度，并且減小角焊縫的應力，優(yōu)選的裝配方法是，利用摩擦角焊和超聲點焊的結合在角部將塑料型材連接在一起，這種生產(chǎn)方法已在前面的圖15A和15B中描述過。
圖27A和27B示出了用于三層玻璃密封窗框嵌板的框架型材的對角切割端209的前視圖(27A)和側視圖(27B)。通過除去框架型材材料，在型材209的對角切割端形成3-4mm深的通道210，產(chǎn)生塑料側肋(rib)211和212。在對角切割端的側視圖上的虛線212表示通道210的深度。
圖28示出了用于三層玻璃密封框架窗嵌板193的角框架組件的分解透視細節(jié)。兩個框架型材213和214通過特殊的角鍵連接在一起，所述角鍵包括平面凸緣腹板215和一體腿216。為了簡化框架裝配，一體腿包括自定心的彈性裝置。
如前面的圖27A和27B所示，通過除去框架型材材料，可在框架型材213和214的斜切端217和218中形成通道，從而頂側肋表面220和221與角鍵217的對角中心凸緣215重疊。在摩擦焊期間，除了頂側肋220和221的型材端部被壓在中心凸緣215上。由于塑料焊瘤只在型材端部222和223與角鍵凸緣215之間的界面處產(chǎn)生，在框架型材213和214的兩個頂側肋220和221之間產(chǎn)生清晰的分割線。
圖29A-29E示出了制造單個振動焊密封框架角組件所涉及的生產(chǎn)步驟。
如圖29A所示，密封框架角組件由兩個框架型材213和214以及帶有對角中心凸緣215和可除去突出部224的特殊L型角鍵219組成。在框架型材213和214的斜切端部中形成通道，從而框架型材的頂側凸出220和221與角鍵219的對角中心凸緣215交疊。
如圖29B和29C所示，L型角鍵219的兩個腿225和226松配合到兩個框架型材中，角組件被放置到振動角焊接裝置中。可除去突出部224包括箭頭型材227，箭頭型材227裝配到角鍵夾持器229內的具有互補形狀的插孔228中?？蚣苄筒?13和214通過前夾緊裝置230和231牢固地保持定位，該前夾緊裝置230和231連接到振動焊接裝置(未示出)的可活動框架夾持器232和233。
如圖29C和29D所示，利用垂直力將兩個型材壓在角鍵219的接觸表面234和235上，通過快速地來回移動角鍵219產(chǎn)生摩擦。在摩擦焊接過程期間，當兩個型材213和214被壓向角鍵凸緣215上時，塑料焊瘤流動到接觸表面的任一側。由于產(chǎn)生相對限制的焊瘤，焊瘤不會延伸到框架型材的兩個對角斜切端236之間的接合線中，因此，在框架型材之間產(chǎn)生清晰的分割線237。
在摩擦焊過程完成后，如圖29E所示，突出部224用機械方法從L型角鍵219上除去。生產(chǎn)過程的最后步驟是利用超聲點焊238將內型材壁連接到L型角鍵上。
權利要求
1.一種在第一和第二構件與接合塊之間形成振動焊接連接的方法，其中所述構件和所述接合塊至少部分由熱塑性樹脂材料構成，所述方法包括提供振動頭；將所述接合塊接合到連接到所述振動頭的夾持器中；將所述第一和第二構件安裝到獨立于所述振動頭的夾持器中；在每個所述第一構件和第二構件與所述接合塊的各個相對側之間產(chǎn)生接合力；維持所述接合力同時用所述振動頭以50到500Hz的頻率振動所述接合塊以便產(chǎn)生摩擦產(chǎn)熱，用于熔化所述構件端部和所述接合塊的各個相對側處的材料，這樣的熔化材料在冷卻時在所述接合塊和所述構件之間形成焊縫；并且，其中在所述第一和第二框架構件與所述接合塊之間的所述接合力獨立于振動頭的操作而被施加。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，控制接合力以在所述接合塊的每一側提供均勻的壓力。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，垂直于所述振動頭的運動平面施加每個所述接合力。
4.根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的方法，其特征在于，每個所述接合力是變化的，從而在達到熔化后，每個接合力減小到一個水平，在所述水平下在構件端部和接合塊之間的位置大量保持熔化的材料。
5.根據(jù)權利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于，所述接合塊包括插孔，所述用于接合塊的夾持器包括與所述接合塊中的插孔具有類似型材形狀的插銷。
6.根據(jù)權利要求1-5中任一項所述的方法，其特征在于，所述接合塊具有相對于每個所述構件成一角度延伸的平面凸緣，并且，所述接合塊包括可除去的突出部，所述突出部是所述平面凸緣的延伸，其中所述可除去突出部保持在連接到所述振動頭的所述夾持器中，所述方法還包括在振動焊接連接完成后除去所述突出部的步驟。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述可除去突出部位于所述平面凸緣的外邊緣上，并且所述突出部包括由夾持器保持定位的幾何形狀，所述夾持器包括與可除去突出部具有類似幾何形狀的插孔，所述夾持器構造用于夾持所述可除去突出部，并保證接合塊牢固地保持定位。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，所述幾何形狀為T字型。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，通過調節(jié)振動頭操作期間的特定振幅、頻率和接合力來控制振動角焊過程。
10.一種用于在第一和第二框架構件的端面與接合塊之間形成振動焊接連接的裝置，其中所述框架構件和所述接合塊至少部分由熱塑性材料組成，所述裝置包括a)振動頭，包括驅動裝置，所述驅動裝置用于以一定振幅或者至少0.4mm的振幅以及50至500Hz的頻率在預定平面中振動所述振動頭；b)相對的第一和第二夾持器，每個夾持器具有用于固定所述第一和第二框架構件的各個構件的夾緊結構，其中所述第一和第二夾持器支撐所述第一和第二框架構件以便獨立于所述振動頭運動；c)第三夾持器，用于以平衡的方式保持接合塊，并且通常將接合塊固定在所述振動頭的中心部位，所述接合塊具有平面部分，該平面部分垂直地對準所述預定平面；d)導向結構，用于沿著平行于所述預定平面和垂直于所述平面部分和所述端面的方向引導所述框架構件和所述接合塊的相對運動，以便促進所述接合塊的相對側分別與所述第一和第二框架構件之間的接合；e)連接到第一和第二夾持器上的壓力驅動器，用于在所述接合塊的相對側和所述第一和第二構件之間提供接合力；和f)控制系統(tǒng)，用于控制振動焊接裝置的操作。
11.根據(jù)權利要求10所述的裝置，其特征在于，對壓力驅動器的控制獨立于振動頭的操作。
12.根據(jù)權利要求10或11所述的裝置，其特征在于，所述壓力驅動器是獨立可調的以便在所述接合塊的相對側和所述第一和第二構件之間提供可變的接合力，并且，其中所述第一和第二構件的型材尺寸和形狀是不同的。
13.根據(jù)權利要求10至12中任一項所述的裝置，其特征在于，所述第三夾持器以平衡的方式保持所述接合塊，并被固定到所述振動頭上，通常固定在所述振動頭的中心部位，并且所述第一和第二夾持器可獨立于所述第三夾持器運動并向所述平面凸緣的任一側施加均勻的壓力。
14.根據(jù)權利要求10至13中任一項所述的裝置，其特征在于，所述第三夾持器位于所述振動頭的上方。
15.一種用于互連一系列細長框架構件以形成封閉框架的系統(tǒng)，其中，鄰接框架構件的相鄰端部如權利要求9所述的裝置中的第一和第二構件那樣接合。
16.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述框架是矩形框架，并且在所述矩形框架的四個角中的每個角處設置如權利要求9所述的裝置。
17.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述框架構件以不同的角度裝配到所述平面凸緣上，其中所述角度在90°至15°的范圍內。
18.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，相鄰框架構件相對于接合塊的角度不同。
19.根據(jù)權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述框架構件中的至少一個沿著縱向軸線彎曲。
20.根據(jù)權利要求15至19中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述框架構件在被焊接到一起以前被裝配在內嵌板的周圍。
21.根據(jù)權利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述嵌板從由扁平玻璃片材、硬塑料片材、塑料多孔片狀擠出品，以及絕緣窗玻璃單元組成的一組中選擇。
22.根據(jù)權利要求15-21中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，與所述接合塊的相對側相鄰的框架構件具有不同的型材形狀。
23.一種框架，包括多個細長框架構件，成對的所述構件的相鄰端部通過插入的接合塊互連，其中所述框架構件和所述接合塊中的每一個至少部分由熱塑性樹脂構成，其中每個所述接合塊通過振動焊接連接在所述接合塊的相對側上固定到一對相鄰框架構件上，并且，所述接合塊具有相對于每個所述框架構件以一定角度延伸的平面凸緣。
24.根據(jù)權利要求23所述的框架，其特征在于，每個所述框架端部包括中空型材，所述中空型材由周邊壁限定，所述周邊壁提供用于焊接到所述平面凸緣上的表面。
25.根據(jù)權利要求24所述的框架，其特征在于，所述中空型材被細分為兩個或多個空腔。
26.根據(jù)權利要求23、24或25所述的框架，其特征在于，所述平面凸緣具有2mm至12mm范圍內的厚度，更優(yōu)選為3mm至6mm范圍內的厚度。
27.根據(jù)權利要求23至26任一項所述的框架，其特征在于，所述平面凸緣的扁平表面包括織構表面加工。
28.根據(jù)權利要求23所述的框架，其特征在于，所述框架構件由玻璃纖維強化熱塑性材料組成。
29.根據(jù)權利要求28所述的框架，其特征在于，所述熱塑性材料是聚氯乙烯(PVC)。
30.根據(jù)權利要求23至29中任一項所所述的框架，其特征在于，在所述框架構件的外表面上包括裝飾涂層或拋光。
31.根據(jù)權利要求23至29中任一項所述的框架，其特征在于，所述接合塊帶有從所述平面凸緣的相對側延伸的一體腿，所述腿的尺寸設定為沿縱向接合在相鄰框架構件端部的所述中空內部的至少一部分中。
32.根據(jù)權利要求31所述的框架，其特征在于，所述中空型材在與所述平面凸緣間隔開的位置處通過超聲點焊焊到所述腿上。
33.根據(jù)權利要求32所述的框架，其特征在于，框架構件和一體腿包括互補的型材形狀，從而通過裝配過程，所述腿位于框架型材的中心。
34.根據(jù)權利要求33所述的框架，其特征在于，接合塊的一體腿包括對心裝置。
35.根據(jù)權利要求23至34中任一項所述的框架，其特征在于，框架型材的端部是斜切的。
36.根據(jù)權利要求35所述的框架，其特征在于，除了所述框架型材的上下面中的一個或兩個外，在框架型材的斜切端部中制造側開口槽。
37.根據(jù)權利要求35所述的框架，其特征在于，在焊接過程中，壓緊板壓在框架型材上或下面上的斜切端部上。
38.根據(jù)權利要求35所述的框架，其特征在于，除了所述框架型材的前后側以外，在框架型材的斜切端部中制造側開口槽。
39.根據(jù)權利要求22至38中任一項所述的框架，其特征在于，所述接合塊包括至少一個凹陷，用于接收在焊接過程中產(chǎn)生的塑料焊瘤。
40.根據(jù)權利要求39所述的框架，其特征在于，所述凹陷是焊瘤收集器。
41.根據(jù)權利要求39所述的框架，其特征在于，所述接合塊包括焊道。
42.根據(jù)權利要求23所述的框架，其特征在于，所述框架構件裝配在絕緣玻璃裝置的周圍，并且，硅酮密封膠被涂在被裝配的框架和被絕緣的玻璃裝置之間的間隙中。
43.根據(jù)權利要求23所述的框架，其特征在于，所述窗玻璃片利用硅酮密封膠直接粘接在框架組件的側邊。
44.根據(jù)權利要求22所述的框架，其特征在于，所述被裝配的框架位于間隔的窗玻璃片之間。
全文摘要
通過插入類似材料的接合塊(47)并在高速振動接合塊(47)的同時以可控制的方式將第一和第二構件(32，33)壓在接合塊的相對側，從而在熱塑性材料的第一和第二構件(32，33)之間形成振動焊接連接。由振動產(chǎn)生的摩擦產(chǎn)生熱，熱使接合表面處的少量材料熔化，所述熔化的材料冷卻時產(chǎn)生具有最少焊瘤的堅固焊接接頭。諸如窗框之類的整個框架系統(tǒng)可以用裝置系統(tǒng)(120)裝配，所述裝置系統(tǒng)(120)在相鄰框架構件(134，135，136，137)之間形成摩擦焊接頭。并且，所述框架可以裝配在諸如窗玻璃嵌板之類的嵌板的周圍。通過所述系統(tǒng)形成的焊接連接不會損害框架構件的拋光，并且不會產(chǎn)生難看的需要通過后續(xù)加工去除的焊瘤。
文檔編號B29C65/02GK1538905SQ02815470
公開日2004年10月20日 申請日期2002年6月7日 優(yōu)先權日2001年6月7日
發(fā)明者斯蒂芬·菲爾德, 斯蒂芬 菲爾德, 格洛夫, 邁克爾·格洛夫 申請人:鮑密德控股公司