超声波处理层叠件的设备和方法技术

一种用于超声波使复合层叠件（１０５）体积缩小的方法，包括下述步骤：限定跨过所述层叠件的路径（１１５），所述路径具有开始位置和结束位置；沿着所述路径向所述层叠件施加力（１０９）并且将超声波振动（１１１）传送入所述层叠件，在开始位置开始，在结束位置终止。该方法还包括确定所述层叠件与所述路径邻近的表面（１０３、１２３）的温度并且根据所述层叠件的表面的确定温度改变超声波振动的幅值、所施加的力、沿着所述路径施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及对层叠件进行超声波处理。尤其，本专利技术涉及对层叠件进行超声波缩小(debulk)或焊接的设备和方法。
技术介绍
层叠材料广泛地用作许多领域中，诸如航空航天领域。层叠材料包括聚合物复合层叠件，诸如热塑性和热固性复合层叠材料，以及金属层叠材料。这种热固性复合材料许多情况下应用在结构中，其中，材料的质量是关键因素。例如，在硬化或凝固之前希望消除截留在未硬化复合层叠件中的空气。一般地，制造聚合物复合材料需要将聚合树脂注入围绕多个纤维的体积中，形成设置在树脂基体中的纤维层或层片(ply)。通常，先完成注入过程，然后将多个层或层片组装或“层叠”为组件或者“叠层(layup)”，随后再进行加热或“硬化”以形成产品。注入过程关键在于控制截留在叠层中的空气以及注入材料的未硬化厚度。不完整的注入通常导致空气截留在复合材料中。空气也可在层叠过程期间截留在复合材料层或层片之间。这种截留空气导致未硬化部件的体积大于硬化部件的体积。截留在一个部件中的空气的体积公知为“大块体积(bulk)”。过大的体积通常导致在硬化复合部件中产生“波浪丝(marcels)”和/或空隙。波浪丝是在处理和/或硬化期间因为纤维被制造过程的过大、不平衡力推动而变成波浪形状的纤维。在室温下或者在热和真空作用下的体积缩小或者“缩小(debulking)”是在部件层叠期间用于控制由巨大的体积导致的质量异常的传统方法。传统地，体积缩小循环包括手工劳动，用于将部件抽成真空，将该部件加热到体积缩小温度并且从体积缩小温度冷却该部件，并且打开(unbag)该部件。这种体积缩小循环可能需要高达八至更多的小时来完成。而且，体积缩小温度必须进行仔细地选择，从而使得复合材料在体积减小过程中不会被明显地提前或分阶段(stage)进行。较厚的复合部件通常需要多次体积减小的循环，这样明显增加的整个部件循环时间和成本。一种减少将复合叠层的体积减小所需的时间的方法是将超声波振动应用至层叠件。采用这种方法，超声波焊头(horn)与层叠的聚合物复合材料层或层片的上表面接合。超声波焊头启动以在层片中产生环状变形，从而加热该层片，减小树脂的粘性并且增强纤维与树脂的湿度。振动焊头沿着叠层的上表面移动从而固化各层或层片。而且，超声波振动有助于所截留的气体聚合并且形成较大的气泡，这些气泡更易于在振动超声波焊头的“扫动”移动下被推出。但是，传统的超声波体积减小技术可导致复合材料叠层的过度加热。这种过度加热通常导致热固性树脂部件的无益实质交联(即，硬化)。而且，这种过度加热会导致树脂和/或聚合物复合材料降解。这种缺陷可能导致硬化热固性复合部件的降解，造成部件的机械属性降低。层叠材料的层或层片可超声波焊接至邻近的层或层片。在这种层叠材料中，大部分的设计需要邻近的层或层片跨过整个邻近表面进行焊接。但是，传统的超声波焊接过程无法补偿过程中的变化，而过程中的变化可能导致焊接的层叠件出现亚标准的质量。虽然存在多种公知程序能够超声波处理层叠材料，但是仍然存在大量的改善余地。
技术实现思路
需要一种用于超声波处理层叠件的改善的设备和方法。因此，本专利技术的目的是提供一种用于超声波处理层叠件的改善的设备和方法。在本专利技术的一个方面，提供一种用于超声波处理层叠件的方法。该方法包括下述步骤限定跨过所述层叠件的路径，所述路径具有开始位置和结束位置；沿着所述路径向所述层叠件施加力并且将超声波振动传送入所述层叠件，在开始位置开始，在结束位置终止。该方法还包括确定所述层叠件与所述路径邻近的表面的温度；以及根据所述层叠件的表面的确定温度改变超声波振动的幅值、所施加的力、沿着所述路径施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个。在本专利技术的另一方面，提供一种用于超声波处理层叠件的设备。该设备包括具有超声波焊头的超声波装置，适于将超声波振动传送进入层叠件；以及操作关联于所述超声波装置的致动器，适于移动超声波焊头以与层叠件接触。该设备还包定位器，用于将超声波焊头相对于层叠件移动或者将层叠件相对于超声波焊头移动；适于检测层叠件的表面温度的温度传感器。此外，本设备还包括操作关联于超声波装置、致动器、定位器和温度传感器至少其中一个的控制器，该控制器根据由温度传感器检测的温度控制下述至少一项传送入层叠件的超声波振动的幅值；超声波焊头与层叠件接触的力；超声波焊头相对于层叠件移动以及层叠件相对于超声波焊头移动的馈送速度；以及处理层叠件的层片的间隔。在本专利技术的另一方面中，设置一种用于超声波处理层叠件的设备。该设备包括用于沿着路径将力施加至层叠件的装置，在开始位置开始，在结束位置终止；用于沿着所述路径将超声波振动传送入所述层叠件的装置，在开始位置开始，在结束位置终止。该设备还包括用于确定所述复合层叠件与所述路径邻近的表面的温度的装置；以及根据所述层叠件的表面的确定温度改变超声波振动的幅值、力、沿着所述路径施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个的装置。在本专利技术的另一方面中，提供一种用于超声波处理层叠件的方法。该方法包括下述步骤将力施加至层叠件并且将超声波振动传送入层叠件；确定层叠件的表面温度；以及根据所述层叠件的表面的确定温度改变超声波振动的幅值、所施加的力、沿着所述路径施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个。在本专利技术的另一方面，提供一种用于超声波处理层叠件的设备。该设备包括具有超声波焊头的超声波装置，适于将超声波振动传送进入层叠件；操作关联于所述超声波装置的致动器，适于移动超声波焊头以与层叠件接触。该设备还包括适于检测层叠件的表面温度的温度传感器；以及操作关联于超声波装置、致动器和温度传感器至少其中一个的控制器，该控制器根据由温度传感器检测的温度控制下述至少一项传送入层叠件的超声波振动的幅值；超声波焊头与层叠件接触的力；以及处理层叠件的层片的间隔。本专利技术具有明显的优势，包括(1)减小处理层叠件所需的时间、手工劳动和成本；以及(2)提供一种在层片处理期间适应性地控制层片质量的方法。其他目的、特征和优势将在下文进行说明。附图说明本专利技术的新颖特征将在所附的权利要求中得以阐述。但是，本专利技术本身以及优选实施方式和其目的和优势将结合附图并参照下述详细说明得以清楚地了解，附图标记中最左边的数字表示附图标记的第一位，其中图1是示出根据本专利技术的超声波处理未硬化、复合层叠件的方法的一项特定实施例的示意图；图2是示出根据本专利技术的超声波处理方法的一项特定实施例的流程图；图3是用于超声波处理复合层叠件的示例性实施例的示意图；图4是力校核数据的图解示意图；图5是红外线温度传感器校核数据的图解示意图；图6是提供实验输入和输出的设计总结的表格；图7是作为层叠件中的固化层片的数量的函数的最大表面温度的图解示意图；图8是层叠件厚度和层叠件温度之间的关系的图解示意图；图9是力校核数据的图解示意图；图10是振动校核数据的幅值的图解示意图；图11是红外线温度传感器校核数据的图解示意图；图12是处于第一理想温度下时表面温度上的闭环控制的作用的图解示意图；图13是处于第二理想温度下时表面温度上的闭环控制的作用的图解示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于超声波处理层叠件的方法，包括下述步骤：限定跨过所述层叠件的路径，所述路径具有开始位置和结束位置；沿着所述路径向所述层叠件施加力并且将超声波振动传送入所述层叠件，在开始位置开始，在结束位置终止；确定所述层叠件与 所述路径邻近的表面的温度；以及根据所述层叠件的表面的确定温度改变超声波振动的幅值、所施加的力、沿着所述路径施加力和超声波振动的馈送速率、将超声波振动施加至层叠件的角度、处理层叠件的层片的间隔的至少其中一个。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：爱德华W李，阿夫拉哈姆贝纳塔，戴维格雷韦尔，
申请(专利权)人：贝尔直升机泰克斯特龙公司，俄亥俄州立大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：US[美国]