一种热塑性复材超声波焊接界面结晶度调控装置及方法与流程

本发明涉及超声焊接，尤其涉及一种热塑性复材超声波焊接界面结晶度调控装置及方法。

背景技术：

1、热塑性复合材料具有可重复熔融、可焊接成型以及适于轻量化结构应用等特点，在航空、轨道交通、汽车结构件及复合材料装配领域中应用较多，超声波焊接作为一种适用于热塑性复合材料连接的工艺，通常通过超声波焊头对层叠设置的两个工件施加压力和高频振动，使两个工件之间的界面树脂熔融并形成焊接界面。

2、在实际焊接作业中，待焊工件在焊接前通常需要达到相对稳定的初始温度状态，焊接结束后焊接界面所在区域也需要保持适当的温度环境，对于点焊、直线连续焊接以及曲面连续焊接等不同场景，工件尺寸、焊接路径和受热区域不同，对焊前预热、焊中接触以及焊后保温或保压保温的配合要求也存在差异，此外，超声振动结束后焊接界面在保压过程中自然降温，而并未对降温速率进行控制，这一过程中界面树脂温度极速降低，导致焊接界面树脂结晶度较低且不可控，从而影响焊接接头强度和稳定性。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种热塑性复材超声波焊接界面结晶度调控装置及方法，旨在解决现有技术难以对降温速率进行控制，导致焊接界面树脂结晶度较低且不可控，从而影响焊接接头强度和稳定性的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种热塑性复材超声波焊接界面结晶度调控装置，所述装置用于对层叠设置的第一工件与第二工件进行超声波焊接，并形成焊接界面，所述装置包括：

3、焊接机构，所述焊接机构包括超声波焊头；

4、预热机构，所述预热机构用于在超声波焊接前对第一工件与第二工件进行预热；

5、调控机构，所述调控机构用于在超声波焊接结束后对焊接界面所在区域进行保温，或对焊接界面所在区域进行保压保温，以控制焊接界面的冷却过程；

6、控制机构，所述控制机构用于根据超声波焊接的温度数据控制所述预热机构与调控机构的加热状态，使所述焊接界面在超声波焊接前处于预热状态，并在超声波焊接结束后处于调控状态，以调控第一工件与第二工件对应焊接界面的结晶度。

7、可选地，所述装置用于超声波点焊时，所述第一工件与第二工件之间设置有导能筋，所述预热机构包括第一温箱，所述第一温箱的上端面设置有滑动门，所述第一温箱内设置有加热管；所述调控机构包括设置于所述第一温箱内的贴片热电偶与插入热电偶，所述贴片热电偶与所述第一工件抵接。

8、可选地，所述装置用于超声波连续焊接时，所述装置还包括龙门架与保压机构，所述保压机构设置于龙门架上，所述预热机构包括第二温箱，所述第二温箱上设置有推拉门、焊接窗口与保压窗口。

9、可选地，所述预热机构还包括热台与预热毯，所述第一工件与第二工件共同置于热台上，且所述预热毯贴合于第一工件上端面；所述装置还包括加热保压模块，所述加热保压模块靠近第一工件的一侧设置有加热管，所述加热保压模块通过伺服电机设置于龙门架上。

10、可选地，所述装置用于对层叠设置的曲面上工件与曲面下工件进行超声波连续焊接；

11、所述焊接机构还包括机械手，所述超声波焊头包括圆弧焊头，且所述圆弧焊头设置于所述机械手上，且所述机械手上还设置有随形保压模块；

12、所述预热机构包括曲面台、预热毯以及加热毯，所述曲面上工件与曲面下工件由上至下依次层叠在曲面台上，所述预热毯、加热毯均覆盖于曲面上工件的上端面，所述预热毯的一端设置有牵引挂钩，且通过所述牵引挂钩与机械手连接。

13、可选地，在超声波焊接前，所述控制机构根据所述贴片热电偶和所述插入热电偶获取的温度数据控制所述第一温箱对第一工件与第二工件进行预热，其中，预热温度为120℃，待第一温箱达到恒温状态后再保持15min；

14、在超声波焊接结束后，控制所述滑动门处于关闭位置，并根据所述温度数据控制所述加热管维持所述第一温箱内的保温状态，以使所述焊接界面在第一温箱内处于调控状态，其中，保温状态为140℃保持10分钟。

15、可选地，所述预热毯连接有牵引机构，所述牵引机构用于在所述超声波焊头沿焊接路径移动时牵引所述预热毯移动，以使待焊接区域露出。

16、可选地，所述加热保压模块用于在待焊接区域完成超声波焊接后抵接已焊接区域，以对已焊接区域进行保压保温，且保温状态为120℃保持20分钟。

17、可选地，所述加热毯用于在所述圆弧焊头完成待焊接区域的超声波焊接后覆盖已焊接区域；

18、所述随形保压模块用于在所述圆弧焊头沿焊接路径移动后抵接已焊接区域，并随曲面上工件的曲面形状对已焊接区域进行保压；

19、所述机械手用于带动所述圆弧焊头和所述随形保压模块沿曲面焊接路径移动，并通过所述牵引挂钩牵引所述预热毯移动，以使曲面待焊接区域露出，同时使已焊接区域由所述加热毯覆盖保温，覆盖保温的温度为150℃，覆盖保温的时间为20分钟。

20、为实现上述目的，本发明还提供了一种热塑性复材超声波焊接界面结晶度调控方法，所述方法包括：

21、获取第一工件与第二工件的基体材质，并根据所述基体材质确定对应的预热温度和焊后调控温度；

22、将第一工件与第二工件层叠设置，使第一工件与第二工件之间形成待焊接区域；

23、在超声波焊接前，对第一工件与第二工件进行预热，并获取超声波焊接的温度数据，根据所述温度数据控制预热过程的加热状态，使所述待焊接区域达到预热状态；

24、通过超声波焊头对所述待焊接区域施加压力和超声振动，使第一工件与第二工件之间的界面树脂熔融并形成焊接界面；

25、在超声波焊接结束后，对所述焊接界面所在区域进行保温，或对所述焊接界面所在区域进行保压保温，并根据所述温度数据控制焊后调控过程的加热状态，使所述焊接界面按照所述焊后调控温度处于调控状态。

26、本发明所能实现的有益效果如下：

27、本发明通过设置包括超声波焊头的焊接机构、用于焊前预热的预热机构、用于焊后保温或保压保温的调控机构，以及能够根据超声波焊接温度数据控制预热机构和调控机构加热状态的控制机构，使层叠设置的第一工件与第二工件在超声波焊接前先进入稳定的预热状态，并在焊接界面形成后继续处于受控的焊后调控状态，解决了现有热塑性复材超声波焊接中焊接界面在焊后容易直接自然降温、冷却过程缺少有效控制，导致界面结晶度难以稳定调控，进而影响焊接接头强度和稳定性的问题；

28、本发明通过上述结构配合，焊接界面的温度变化不再仅依赖焊接结束后的自然散热，而是能够在焊前、焊中和焊后形成连续的温度管理过程，使界面树脂在熔融成形后获得更平稳的冷却条件，有利于改善界面树脂结晶过程的可控性，提高不同批次焊接接头的性能一致性，同时，调控机构可根据实际焊接需要选择保温或保压保温方式，使焊接界面在冷却阶段仍保持必要的热环境和界面贴合状态，从而减少了焊后冷却波动对界面成形质量的不利影响，提升了热塑性复材超声波焊接接头的可靠性。

1.一种热塑性复材超声波焊接界面结晶度调控装置，其特征在于，所述装置用于对层叠设置的第一工件与第二工件进行超声波焊接，并形成焊接界面，所述装置包括：

2.如权利要求1所述的一种热塑性复材超声波焊接界面结晶度调控装置，其特征在于，所述装置用于超声波点焊时，所述第一工件与第二工件之间设置有导能筋，所述预热机构包括第一温箱，所述第一温箱的上端面设置有滑动门，所述第一温箱内设置有加热管；所述调控机构包括设置于所述第一温箱内的贴片热电偶与插入热电偶，所述贴片热电偶与所述第一工件抵接。

3.如权利要求1所述的一种热塑性复材超声波焊接界面结晶度调控装置，其特征在于，所述装置用于超声波连续焊接时，所述装置还包括龙门架与保压机构，所述保压机构设置于龙门架上，所述预热机构包括第二温箱，所述第二温箱上设置有推拉门、焊接窗口与保压窗口。

4.如权利要求3所述的一种热塑性复材超声波焊接界面结晶度调控装置，其特征在于，所述预热机构还包括热台与预热毯，所述第一工件与第二工件共同置于热台上，且所述预热毯贴合于第一工件上端面；所述装置还包括加热保压模块，所述加热保压模块靠近第一工件的一侧设置有加热管，所述加热保压模块通过伺服电机设置于龙门架上。

5.如权利要求1所述的一种热塑性复材超声波焊接界面结晶度调控装置，其特征在于，所述装置用于对层叠设置的曲面上工件与曲面下工件进行超声波连续焊接；

6.如权利要求2所述的一种热塑性复材超声波焊接界面结晶度调控装置，其特征在于，

7.如权利要求4或5所述的一种热塑性复材超声波焊接界面结晶度调控装置，其特征在于，

8.如权利要求3所述的一种热塑性复材超声波焊接界面结晶度调控装置，其特征在于，

9.如权利要求5所述的一种热塑性复材超声波焊接界面结晶度调控装置，其特征在于，所述加热毯用于在所述圆弧焊头完成待焊接区域的超声波焊接后覆盖已焊接区域；

10.一种热塑性复材超声波焊接界面结晶度调控方法，其特征在于，所述方法包括：