專利名稱：塑料元件的粘結(jié)方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及粘結(jié)技術(shù)，更具體地是涉及把纖維增強塑料(FRP)的汽車體元件粘結(jié)在一起的方法和設(shè)備。
在車輛設(shè)計中，近年來傾向于用塑料零件代替較重的金屬零件。特別是使用纖維增強塑料(FRP)的汽車車體的外部組件，例如外殼，蓋板和車門等來代替金屬板制成的這些零件帶來很多優(yōu)點。但是常常需要用加固元件來加強尺寸較大的纖維增強塑料的外板或外部元件以使所制成的組件具有足夠的機械剛性及機械強度。
本發(fā)明特別提供了快速地把加固元件粘結(jié)到FRP外部元件上的技術(shù)，并且不會損壞該外部元件的表面質(zhì)量。
按照本發(fā)明的最佳實施例，在纖維增強塑料元件和與其相配的加固元件的配合表面放上一層粘結(jié)劑。在該組件的兩邊電極上拖加高頻信號以把粘結(jié)劑加熱到超過它的固化溫度使得加固元件粘結(jié)到纖維增強塑料元件上。這種技術(shù)的意外效果是不會使組件過度發(fā)熱，因而不損壞FRP元件的表面質(zhì)量。
相應(yīng)地，本發(fā)明的一個主要目的是提供一種能快速地把加固元件粘結(jié)到纖維增強塑料的車體外部元件上的一種粘結(jié)方法及設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種不會使纖維增強塑料車體外部元件的表面質(zhì)量受到損壞的粘結(jié)方法及粘結(jié)設(shè)備。
本發(fā)明還有一個目的是提供一種不受車體元件及加固元件的尺寸限制的能均勻地把加固元件與纖維增強塑料的車體外部元件粘結(jié)在一起的粘結(jié)方法和設(shè)備。
下面參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的一個實施例，通過這些說明本專業(yè)的普通技術(shù)人員可以很清楚地了解本發(fā)明的各種優(yōu)點。在附圖中

圖1是由一個汽車車體的外部元件和一個加固元件組成的組合件的分解立體圖;
圖2是圖1中的組合件的局部底視圖;
圖3是沿圖2中線3-3截取的圖1中的組合件的部分剖面圖;
圖4是沿圖5中線4-4截取的一個橫截面圖，它簡單地示出了實行本發(fā)明的最佳方法的設(shè)備;
圖5是沿圖4中線5-5截取的本發(fā)明設(shè)備的一個橫截面圖;
圖6是圖4及圖5所示的設(shè)備的前視圖;
圖7是示出在粘結(jié)過程中時間和所產(chǎn)生的熱量之間的關(guān)系的曲線圖。
本發(fā)明具體涉及到提供諸如車殼、車門和擋板之類的組合件的加固的汽車車體的外部組合件。本發(fā)明提供了一種把第一纖維增強塑料元件(通常是一種外部元件)和第二加固元件(最好也是由纖維增強塑料制成的元件)快速地粘結(jié)在一起的方法，當(dāng)然這些加固元件也可由其它塑料或者由金屬制成。在某些情況下，例如對于擋板，由于第二元件實際上限定了車體組合件的部分外表面，例如安放如信號燈和車頭燈之類的汽車零件，因此可更恰當(dāng)?shù)卣f第一及第二元件是相互增強的。
下面參照一個汽車外殼組合件的制造來詳細(xì)說明本發(fā)明，但是，本專業(yè)的技術(shù)人員都會明白在權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明內(nèi)容顯然并不局限于這種特殊的用途上。
在圖中示出一個車殼組合件，以標(biāo)號10表示，組合件10包括一個比較薄(約0.080-0.120英寸厚)的外皮元件12和一個加固元件14。外皮元件12由纖維增強塑料(FRP)制成，最好由已經(jīng)過真空模壓的熱固性片狀模壓混合物(SMC)材料制成。美國專利US4488862;4551085和4612149涉及到這種工藝，本發(fā)明書用它們作為參考文件。
當(dāng)外皮元件12是具有約1平方英咭隕系謀冉洗蟮謀礱婊⑶頁ざ瘸嘰韁遼儻 7英寸的汽車車體的外部板件，如外殼，蓋板或類似的零件時，本發(fā)明特別實用。這類板件通常要求加固以使它們具有足夠的機械剛性，并且很重要的是使外皮元件保持為汽車制造廠家通常要求的光滑美觀的外表面。在工業(yè)上，符合這種標(biāo)準(zhǔn)的表面是A級表面。作為非限制性的實施例，組合件10是一種福特小面包車的外殼，它的外部尺寸近似為56英寸乘22英寸，它的厚度為0.19英寸厚(其中，外皮厚0.10英寸，如固元件厚0.09英寸)。
加固元件14最好也同樣由纖維增強塑料制成。在所示的實施例中，加固元件14在平面圖中形狀為“8”字形，每一條腿在橫截面上呈“帽子”形，在圖3及圖4中可更清楚地看出來。所述的帽形橫截面的特點是有一個突起的弓形部分16和在兩邊的一對相對著的凸緣18。
為把加固元件14粘結(jié)到外皮元件12上，一層粘結(jié)劑22放在凸緣18上，然后把加固元件14倒轉(zhuǎn)過來并放到外皮元件12的內(nèi)表面上，如圖3-6所示。粘結(jié)劑22是一種熱固性樹脂，在固化時介電性質(zhì)會發(fā)生變化。所用的粘結(jié)劑最好含有由非交叉連接的多聚物及單體組成的樹脂及由固化劑或催化劑組成的第二成分。雖然，聚亞胺脂證明是可用的，但現(xiàn)在寧可使用環(huán)氧樹脂。這些粘結(jié)劑與動物膠之類的膠有區(qū)別，動物膠不依靠化學(xué)變化來影響它們的粘結(jié)性。從下面的討論中將會明白，本發(fā)明使用具有這種特點的粘結(jié)劑有很大的優(yōu)點。作為一種專門的但并不是限制性的實例，粘結(jié)劑22可用勞德(Lord)公司生產(chǎn)的Lord320/322環(huán)氧粘結(jié)劑。
參見圖6，上述的外疲元件/粘結(jié)劑/加固元件的組合件然后送入介電加熱器26的腔室27中。這一步驟可用多種方法來完成。在本實施例中，組合件放在多個支撐叉21上，支撐叉21與外皮元件12的下表面的外緣相接觸。支撐叉21放在滾輪23上形成一個小車，由一個活塞裝置25帶動，小車載著組合件往圖6的右方移動。一直到組合件送入介電加熱器26的腔室27中，外皮元件12支撐在支座20上。在圖4中可更清楚地看出，支座20的上表面應(yīng)該是仿形的，以便同外皮元件12的外表面或A級表面的外形相對應(yīng)，從而使它在粘結(jié)過程中起到均勻的支撐作用。支座20應(yīng)該由具有低的介電損耗特性的材料制成。在本實施例中，支座20由鋁制成，但是其它材料如黃銅也可以使用。冷卻介質(zhì)從進口33流進，通過管道31，從出口35流出，使表皮元件12的外表面在整個粘結(jié)過程中保持在40°-150°F的恒溫下。
支座20放在與地線34相連的電極板30上。支座20與電極板30組成的組合件可由液壓裝置的活塞32來驅(qū)動。在表皮元件/粘結(jié)劑/加固元件的組合件被移到座20上方后，驅(qū)動液壓活塞32，使支座20往上升起，并把上述的組合件以它的支撐叉21升起從而把表皮元件12安置在座20上，活塞32載著支座20繼續(xù)往上電極組件36的方向提升。
上電極組件36包括一系列隔開的或電絕緣的聚能器元件38，框架40把它們卡在一個固定的位置上(參見圖4及5)。每個聚能器元件38帶有一個一般為U形的下部，它們帶有一對支承腿42。如圖4所見支承腿42加工成相應(yīng)于加固元件14的凸緣18的外形。凹槽44給加固元件14突起的弓形部分16提供余隙。聚能器元件38用來在選定的含有粘結(jié)劑22的面積內(nèi)聚集來自高頻電源的能量。
電極元件36還包括在聚能器元件38上面的多個電極板48。在圖4中示出了三塊這種電極板48、50和52。但是，實際上，如圖5所示，使用的這種電極板還有許多。電極板48、50和52也由諸如鋁和黃銅之類導(dǎo)電材料制成，它們由上電極54和在電極54和電極板48、50和52之間的空氣隙49、51和53連到高頻電源46上。
設(shè)置了調(diào)整裝置來調(diào)整在電極板48、50和52與上電極54之間的空氣隙或空間(并由此調(diào)整通過聚能器元件38的在電極板下被加熱的面積)。電極板和上電極元件之間的空間將影響到在被加熱的材料上所說施加的能量的大小。在本實施例中，調(diào)整空氣隙49、51和52的大小可細(xì)調(diào)在下面的粘結(jié)劑中實際產(chǎn)生的熱量的大小。這樣，可更進一步保證均勻地加熱，由此得到均勻的粘結(jié)強度。獨立地調(diào)整在每個聚能器元件38下產(chǎn)生的熱量實際上使在組合件10的尺寸有波動時仍可施加大體均勻的熱量穿過組合件10?？梢杂煤芏喾椒▉碚{(diào)整空氣隙，在圖4實施例中，是用在電極板48、50和52與它們相對應(yīng)的聚能器38之間連著的伸縮管56來進行調(diào)整的。根據(jù)聚能器元件38的尺寸和它被加熱的水平面積，可在多根伸縮管56連上多塊電極板。
電源46上電極組件36和下電極板30之間產(chǎn)生高頻靜電場，施加的均方根(RMS)電壓為，例如，300-8000伏。低于300伏的電壓是不利的因為這樣的電壓不足以產(chǎn)生能足夠地加熱粘結(jié)劑22的熱量。相反地，超過8000伏的電壓也是不利的，因為將會遇到嚴(yán)重的電極板48、50、52等接地的絕緣問題。電源46產(chǎn)生的交流頻率為25兆赫到40兆赫。低于10兆赫的頻率是不利的，因為加熱粘結(jié)劑22所要求的電壓太大而不能達到相同加熱時間，並且還有發(fā)生起弧的可能性。超過110兆赫的頻率也是不利的，因為需要的單塊電極板48、50和52的數(shù)目過多，使得難以均勻地加熱粘結(jié)劑。另外，在大于110兆赫時，在聚能器38之間的匹配問題更為突出，因而要更注意相關(guān)地調(diào)整各單塊電極板48、50和52。因此理想的頻率是允許足夠快速的加熱并且在電極組件內(nèi)盡可能少產(chǎn)生起弧。另外，頻率太高時要注意，粘結(jié)劑22加熱太快可能使其化學(xué)反應(yīng)跟不上溫度上升的速度。
本發(fā)明特別適合于大批量生產(chǎn)。在非限制性實例中，在支座20上升到如圖4所示的位置時，通過施加上恒定頻率及恒定電壓的電場保持15到120秒可獲得很好的粘結(jié)強度。這里所用的術(shù)語“恒定”是指在加熱過程中頻率及電壓不作故意改變而達到明顯的雙重加熱速度。在研究中意外地發(fā)現(xiàn)本方法具有防止過熱的“故障自動保險”機理，這種過熱會破壞外皮元件12的光滑的外表面。參照附圖7，可以為使用化學(xué)反應(yīng)的熱固性粘結(jié)劑把兩塊預(yù)先固化的熱固性的纖維增強塑料零件粘結(jié)在一起，在粘結(jié)劑中產(chǎn)生的熱量將是正好足以讓粘結(jié)劑較快地通過它的固化溫度(Th)。但是一旦粘結(jié)劑固化，盡管施加的電場仍是恒定的，超過規(guī)定時間后，產(chǎn)生的熱量便趨向于減少。盡管還沒有完全理解這一現(xiàn)象，但認(rèn)為這是由于粘結(jié)劑在固化及未固化狀態(tài)下介電性能的改變而引起的。在本實施例中，電源46在34兆赫的頻率和大約4400伏的電壓下供能30到40秒。
這提供了保證粘結(jié)劑均勻固化的足夠的時間，并且同時是足夠快地保證了制造的經(jīng)濟性。然后，降下活塞32并以加熱器26中移出已粘結(jié)的組件。
上述方法比其它的把加固元件粘結(jié)到熱固性片狀模壓混合物外皮元件上的方法更好。通常的輻射加熱方法一般太慢并導(dǎo)致粘結(jié)不均勻和/或在粘結(jié)劑中產(chǎn)生過分的熱量，會引起燃燒及穿透外表皮。感應(yīng)加熱一般要求在粘結(jié)劑中或需要加熱的區(qū)域使用金屬顆粒。這對汽車車體外板組件并不實用。最佳實施例的設(shè)備也是設(shè)計用來克服在企圖用介電加熱方法來粘結(jié)較大零件時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的問題。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果在34兆赫頻率下用一個單個的長電極來粘結(jié)超過47英寸的零件時，會意外地發(fā)生不均勻加熱。雖然這一現(xiàn)象的原因還不完全清楚，但可以認(rèn)為由于長電極面積有變化將有某些能量輻射峰，它們可能是由于電極長度達到交流電源46的波長的1/15(因此產(chǎn)生熱量的變化大于或等于10%)。因此，沿著兩個相對的電極將產(chǎn)生不一樣的電壓升高，并導(dǎo)致零件加熱不均勻?？烧J(rèn)為本發(fā)明的最佳實施例解決了上述的多方面的問題，并給使用者提供了對粘結(jié)各種零件而細(xì)調(diào)設(shè)備所需的靈活性。本專業(yè)的普通技術(shù)人員在研究了本發(fā)明的附圖、申請書及權(quán)利要求后將會明白本發(fā)明的其它優(yōu)點。
雖然在本發(fā)明的附圖及前面的說明部分只提出一個詳細(xì)的方法和設(shè)備的實施例，但可以知道本發(fā)明絕不局限于所述的特殊的實施例，而在不超出本發(fā)明的范圍內(nèi)可進行重新安排，改型及替換。例如，本發(fā)明的方法和設(shè)備可生產(chǎn)包括三個或更多零件的組件，例如由一個第一外纖維增強塑料元件、一個中間的金屬元件及一個第二內(nèi)纖維增強塑料元件制成的汽車門。本專業(yè)的技術(shù)人員還可以提出其它改變。下面的權(quán)利要求書企圖包進所有這些可能的改型。
權(quán)利要求
1.把一個已固化的纖維增強塑料零件和一個加固元件粘結(jié)起來的方法，所述的方法包括在所述的零件和加固元件之間的配合表面放上未固化的熱固性粘結(jié)劑形成一個組件；把該組件放入兩個電極之間和對電極施加高頻信號保持足夠?qū)⒄辰Y(jié)劑固化所需的時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述零件是具有表面積超過一平方英尺長度超過47英寸的汽車車體的外板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述的加固元件一般是帽形的，其橫截嫻奶氐閌怯幸桓靄枷碌墓尾糠趾鴕歡醞乖擔(dān)徊閼辰峒練旁諭乖島屯餛ぴ哪詒礱嬤洹
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于粘結(jié)劑是有樹脂及固化劑的兩成分環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于加固元件是由已固化的纖維增強塑料制成的元件。
6.把汽車車體外皮粘結(jié)到一種加固元件上的方法，所述的汽車車體外皮的表面積至少為一平方英尺且長度大于47英寸，所述的方法包括以下步驟采用將熱固性片狀模壓混合物模壓成形的法制成外皮元件和加固元件，加固元件加工成一個橫截面有一個方形及一對凸緣的一個帽形的形狀。把一層可熱固化的含有樹脂及固化劑的兩成分環(huán)氧粘結(jié)劑放在加固元件的凸緣上。把加固元件放在外皮元件上以形成一個組件。把所述的組件插入到介電加熱器內(nèi)的兩電極之間在電極之間施加交變的電信號保持不大于2分鐘的時間制成粘結(jié)了的加固的外板組件;和從支座上移出所述的加固的外板組件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于所述的外皮元件是一個外殼形的元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于所述的外皮元件厚度約為0.080到0.120英寸。
9.把纖維增強塑料的汽車車體外皮粘結(jié)到一種加固元件上的設(shè)備，所述的加固元件是一個由纖維增強塑料制成并具有一個帶有弓形部分及一對凸緣的帽形橫截面，所述的設(shè)備包括支撐外皮元件的支撐裝置，在所述的外皮元件上放置著加固元件，并有一層化學(xué)反應(yīng)粘結(jié)劑放在外皮元件的內(nèi)表面和加固元件之間;在兩個電極之間移動組件的移動裝置和在電極之間施加足夠時間的高頻信號以固化粘結(jié)劑而并不損害外元件的外表面質(zhì)量的電源裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其特征在于電極的長度至少為47英寸。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其特征在于還包含把外皮元件的外表面維持在大體上恒定的溫度的冷卻裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的設(shè)備，其特征在于所述的支撐裝置包括由金屬制成的支座元件，而冷卻裝置包括使冷卻介質(zhì)在支座元件循環(huán)的裝置。
全文摘要
粘結(jié)纖維增強塑料元件的方法，包括在塑料零件和加固元件放上未固化的熱固性粘結(jié)劑形成一個組件，把該組件放入兩個電極之間和對電極施加高頻信號保持粘結(jié)劑固化所需的時間。
文檔編號B29C65/00GK1037477SQ89102970
公開日1989年11月29日 申請日期1989年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1988年4月28日
發(fā)明者肯尼斯·阿爾夫德·埃塞樂, 羅伯特·牙爾·威廉遜 申請人:布德公司