不同材料片材的超声焊接制造技术

一种连接不同材料工件(例如片材)的超声焊接方法，及由此形成的连接部件。该方法包括向热塑件施加超声能量以填充不同材料件的孔，从而形成焊接点，该焊接点由来自热塑件的聚合物构成。通常，在该方法中热塑件的几何形状不变。不同材料件通常具有较高的熔化温度，可以是金属、热固性聚合物或其他热塑性材料。焊接件可以设置为搭接，层压或双重搭接配置。在一些实施例中，不同材料片材的孔包括底切口特征件，其提高了不同材料件之间的机械互锁。在一些实施例中，焊接点具有蘑菇形帽，用于提高机械互锁。

【技术实现步骤摘要】
不同材料片材的超声焊接
本专利技术主要涉及超声焊接，并且更具体地涉及通过连接不同材料片材而形成的焊接件以及形成焊接件的方法。
技术介绍
在各种行业中(包括消费电子，家用产品和电器，农业，建筑设备，运输系统等等)，焊接是连接相似和不同材料的常用方法。不同材料可以包括不同金属、不同聚合物或聚合物与金属的组合。制造商可以通过将一些聚合物或复合材料与其他材料粘合来选择有利的特征，例如质量轻、适形或可成形度高、坚固、耐用，或具有所需的质地或颜色。制品可以包括各种部件(外部，内部或装饰特征件)，其中部件的材料被选择并配置为耐热和/或耐化学腐蚀性环境或者随时间推移耐喷涂或耐化学腐蚀性。随着聚合物和其他低质量材料的使用增加，压制成型和模具后连接技术(例如激光焊接和超声焊接)的应用也越来越多普遍。一些工件(包括聚合物复合材料)具有较低的熔点，而一些工件(包括金属)具有较高的导电性。无论是焊接一种类型还是两种类型的工件，都很难做到并在许多情况下不可能做到在目标界面处准确快速地连接工件，而同时尽可能避免工件的其他部分被熔化。传统的超声焊接技术(例如热熔合)有很多缺点。参考附图，更具体地参照第一个附图(图1)，示出了将热塑件110与金属件210连接以形成搭接接头的热熔合工艺。热塑件110包括凸台112，其可操作地连接到热塑件的主体。热塑件110的凸台-主体组合通过例如模制成型(例如注塑成型)而得到。金属件210包括通孔212，其可以通过在金属件上钻孔而得到。接着，通过对准将金属件210与热塑件110组装起来，然后在热熔合之前将凸台112装配到通孔212中。随后，使用凹陷砧410对堆叠件10进行热熔合处理312，以形成从凸台112突起的蘑菇形帽114。通常蘑菇形帽114的直径大于孔212的直径，由此蘑菇形帽114和孔212相互作用，提供机械互锁，将两个件110，210固定在一起，从而形成焊接件20。金属件的孔212是没有下切特征件的直孔。由于凸台112必须装配到孔212中，所以热熔合之前在热塑件与金属件之间存在空间214。由于热熔合是为了形成蘑菇形帽，所以在热熔合之后，凸台与孔之间的空间214仍然存在。该技术具有以下缺点，包括但不限于，人工成本较高，与通过注塑成型形成热塑件相关的其他成本较高。由于凸台使热塑件的几何形状变得复杂，所以必须制作具有相应特征件的模具来容纳凸台。
技术实现思路
本专利技术技术涉及一种超声焊接技术，其包括向片材中的热塑性聚合物施加超声能量以填充不同材料片材中已有的孔。不同材料片材的熔化/软化温度高于热塑性片材。填充不同材料片材的孔的片材的聚合物形成焊接点，以便在两个片材之间形成机械互锁。所公开的方法能够在不使用紧固件的情况下使热塑性复合材料与不同材料片材连接。它降低了传统的超声热熔合技术中与成型和处理带凸台的热塑件相关的复杂性和成本。该技术的优点包括但不限于减少了连接不同材料片材的总生产时间和成本。并且可以用本文所公开的技术形成各种接头。例如，由于不需要特殊的模具来形成带凸台的热塑件，所以节省了时间和成本。先前需要形成具有不同凸台构造的各种热塑件的方法已经被各种实施例中更简单、更划算的方法(包括在不同材料件中钻孔或冲孔)取代。通过连接混合材料，本文所公开的不同材料片材的超声焊接方法适用于车辆生产中的轻量化策略。本专利技术技术的其他方面将通过下文部分明确并部分说明。附图说明图1是示出了通过热熔合方法连接两个不同材料片材的方法的示意图。图2是示出了根据本专利技术的一个实施例，通过超声焊接方法连接两个不同材料片材的方法的示意图。图3A是示出了热塑件的侧面剖视图，其中热塑件利用凹陷砧和超声焊极与金属件焊接在一起。图3B是热塑件的侧面剖视图，其中热塑件利用凹陷砧和超声焊极与第一金属件和第二金属件焊接在一起。图4A是金属件中作为底切口特征件的带内螺纹的盲孔的侧面剖视图。图4B是金属件中作为底切口特征件的带内螺纹的通孔的侧面剖视图。图4C是金属件中带多个槽的孔的顶视图，其中这些槽用于增加聚合物-金属粘合面积。图4D是金属件中通孔阵列的顶视图，这些通孔阵列用于增加聚合物-金属粘合强度。图4D1是沿线1-1截取的图4D的金属件的侧面剖视图。图5A是示出了利用带集成嵌入式切割器的砧在无螺纹直孔形成底切口以增加焊接件强度的方法的前半部分的示意图。图5B是示出了图5A的方法的后半部分的示意图。图6A是金属件的侧面剖视图，其中金属件夹在两个热塑件之间并通过向其中一个热塑件施加超声能量而与两个热塑件连接。图6B是示出了夹在两个热塑件之间并与两个热塑件连接的金属件的两步法的侧视图。图6B1是沿线1-1截取的图6B的金属件的顶剖视图。图7A是带小孔阵列的两个对接金属件的顶视图。图7B是沿线1-1截取的，图7A的两个对接金属件一分为二的侧面剖视图，这两个对接金属件的两个半部在凹陷砧上通过超声与热塑件焊接。图8A是带2×2通孔阵列的金属件样品的顶视图。图8A1是沿线1-1截取的图8A的金属件的侧面剖视图。图8B是与热塑性片连接的图8A的四孔金属件的照片。图9A示出了相对于每个焊接件中焊接点的数量，用于四个示例性焊接件的最大负载数据。图9B示出了相对于每个焊接件中焊接点的数量，所有四个焊接件的接头的剪切强度。具体实施方式根据需要，本文公开了本专利技术的详细实施例。所公开的实施例仅仅是可以以各种变型和替代形式实施的示例及其组合。如本文所使用的，例如，“示例性”及类似术语广义地是指用作示意、示范、模型或模式的实施例。附图不一定按比例绘制，并且有些特征可以被放大或缩小，例如用于示出具体部件的细节。在某些情况下，未详细描述公知的部件、系统、材料或方法，以避免对本专利技术造成干扰。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应被解释是限制性的，而是仅仅作为权利要求书的原则，以及教导本领域技术人员用不同方法实施本专利技术的代表性原则。虽然说明书包括了计算机可执行指令的一般内容，但是本专利技术也可以与其他程序模块和/或硬件与软件的组合一起实施。术语“应用程序”或其变型在本文中被广泛使用，以便包括例程、程序模块、程序、部件、数据结构、算法等等。应用程序可以在各种不同系统构造上实现，包括单处理器或多处理器系统、基于微处理器的电子设备及其组合等等。在某些实施例中，一些或所有操作(例如，控制焊接头移动和能量施加)由计算设备执行或至少由计算启动，例如执行存储或包括在计算机可读介质中的计算机可执行指令的处理器。并且该过程的任何一个或多个步骤可以通过诸如机器人等自动机器来执行、启动或以其他方式变得容易。I.专利技术概述本专利技术描述了用于连接不同材料工件(例如热塑复合材料与金属)的超声焊接技术。该方法包括向热塑件施加超声能量以填充不同材料件(例如金属)中已有的孔，以形成焊接点。该焊接点包括来自热塑件的聚合物，并在不同材料之间提供机械互锁。在各种实施例中，对两个工件进行连接。在其他实施例中，对三个或三个以上工件进行连接。通常，第二不同材料工件的熔化/软化温度高于热塑工件。用于第二工件的示例性材料包括熔化温度高于第一热塑工件的金属、热固性复合材料以及其他热塑性材料。本文中，被连接的工件有时被称为片材，但不限于片材或任何具体几何形状。工件可以具有实现本技术性能的任何形状和尺寸。本专利技术中，第二不同材料有时也被称本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种焊接部件，其通过超声焊接与不同材料件结合在一起，包括：热塑性件，以及较高熔化温度(HMT)件，其具有至少一个孔，并且通过焊接点连接到所述热塑件，所述焊接点包括来自填充所述孔的热塑性件的材料，其中所述孔具有至少一个底切口特征件，其填充有来自所述热塑件的材料以形成所述焊接点的一部分。

【技术特征摘要】
2016.06.16 US 15/1840851.一种焊接部件，其通过超声焊接与不同材料件结合在一起，包括：热塑性件，以及较高熔化温度(HMT)件，其具有至少一个孔，并且通过焊接点连接到所述热塑件，所述焊接点包括来自填充所述孔的热塑性件的材料，其中所述孔具有至少一个底切口特征件，其填充有来自所述热塑件的材料以形成所述焊接点的一部分。2.如权利要求1所述的焊接部件，其中所述至少一个孔是通孔或盲孔，并且所述至少一个底切口特征件包括台阶、内螺纹或其组合。3.如权利要求1所述的焊接部件，其中所述热塑件和所述HMT件相连接以形成搭接接头或层压接头。4.如权利要求1所述的焊接部件，其中所述孔是所述HMT的多个孔中的一个，每个所述孔都填充有来自所述热塑件的材料，以形成多个焊接点。5.如权利要求4所述的焊接部件，其中，所述焊接点包括所述热塑件材料的下凸头，其连接填充所述多个孔中的每个的热塑件的材料，并且所述下凸头与所述HMT件的下表面的一部分重叠。6.一种通过超声焊接形成不同材料件的焊接部件的方法，包括将热塑件放置在较高熔化温度(HMT)件的顶上，其中所述HMT件包括至少一个孔，以覆盖所述HMT件中的孔，并且使用超声焊接头向位于所述HMT件的孔上的热塑件施加超声能量，以熔化所述热塑件的材料，使得熔化的材料填充所述HMT件的孔，以形成焊接接头，所述焊接接头连接所述热塑件与所述HMT件，以形成所述焊接部件。7.如权利要求6所述的方法，进一步包括在施加超声能量之前将所述HMT件放置在...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·胡，Y·李，D·施赖弗，K·王，M·巴努，J·F·阿瑞内斯，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US