[发明专利]超声波处理层叠件的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及对层叠件进行超声波处理。尤其，本发明涉及对层叠件进行超声波缩小(debulk)或焊接的设备和方法。

背景技术

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。

发明内容

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，本发明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。

在本发明的一个方面，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。