使用散热器和/或冷却的感应焊接的制作方法

[0001]
本公开涉及感应焊接。更具体地，本公开涉及使用柔性散热器和/或冷却以降低远离焊接界面的温度的热塑性复合材料的感应焊接。


背景技术：

[0002]
感应焊接可用于将热塑性复合材料(tpc)部件熔合或接合在一起。tpc部件通常包括用非塑料材料如碳纤维加强的热塑性塑料。tpc部件提供了高的损伤容限以及耐湿性和耐化学性，并且在热或湿条件下不劣化。此外，tpc部件可以再熔化，与其它替代物相比，这在修理和寿命终止的再循环能力以及降低处理和存储成本方面提供益处。
[0003]
感应焊接涉及沿着tpc部件的焊接线移动感应线圈。感应线圈在设置在tpc部件内的内在传导碳纤维中感应出涡电流，这产生热量并使热塑性塑料熔化，意图特别地使热塑性塑料在焊接界面处熔化。tpc部件被压紧在一起产生熔合结合或焊接接头。感应焊接产生被认为是一个实心件的焊接接头，使得两个或更多个部件变成一个部件。
[0004]
虽然感应焊接是有效的，但是感应线圈在整个tpc部件中产生热量，而不仅仅是在焊接接头处产生热量。例如，在tpc部件的更靠近感应线圈的部分中的加热高于在焊接接头处的加热。因此，在本领域中需要一种用于感应焊接tpc部件的系统和方法，其将热量集中在焊接接头处。


技术实现要素：

[0005]
在一个实施例中，提供了一种将第一热塑性复合材料(tpc)感应焊接到第二热塑性复合材料(tpc)的方法。该方法包括感应地加热第一tpc与第二tpc之间的焊接界面区域，以及在感应地加热焊接界面区域的同时冷却第一tpc的与焊接界面区域相反的表面。
[0006]
在另一个实施例中，提供了一种用于感应焊接的散热器。该散热器包括多个瓷砖，其中瓷砖是不导电而是导热的，以及将瓷砖柔性地接合在一起成为单层的机械铰链。
[0007]
在另一个实施例中，提供了一种从第一热塑性复合材料(tpc)的表面耗散热量的方法，该第一热塑性复合材料在焊接界面区域中被感应地焊接到第二热塑性复合材料(tpc)。该方法包括在将散热器放置在焊接界面区域上面期间使散热器挠曲以符合第一tpc的表面，将感应热量施加到第一tpc和第二tpc之间的焊接界面区域，以及经由散热器从第一tpc的表面排出热量。
[0008]
本发明的设备和方法也在以下条款中提及，其不应与权利要求混淆。
[0009]
条款1.一种将第一热塑性复合材料(tpc)12感应焊接到第二热塑性复合材料(tpc)14的方法，所述方法包括：
[0010]
感应地加热所述第一tpc 12和所述第二tpc 14之间的焊接界面区域74；以及
[0011]
在感应地加热所述焊接界面区域74的同时，冷却所述第一tpc 12的与所述焊接界面区域74相反的表面43。
[0012]
条款2.条款1所述的方法，所述方法还包括在将散热器20放置到所述第一tpc12的
与所述焊接界面区域74相反的所述表面43上期间使散热器20挠曲。
[0013]
条款3.前述条款1或2中任一项所述的方法，其中，冷却所述第一tpc 12的所述表面43包括经由所述散热器20耗散所述第一tpc 12的所述表面43上的热量。
[0014]
条款4.前述条款1或2中任一项所述的方法，其中，使所述散热器20挠曲包括使多个导热而不导电的瓷砖40之间的接头42挠曲。
[0015]
条款5.前述条款1至4中任一项所述的方法，所述方法还包括在感应地加热所述焊接界面区域74的同时，冷却所述第二tpc 14的与所述焊接界面区域74相反的表面。
[0016]
条款6.条款5所述的方法，所述方法还包括在将第二散热器78放置到所述第二tpc 14的与所述焊接界面区域74相反的所述表面上期间使第二散热器78挠曲。
[0017]
条款7.条款6所述的方法，其中，冷却所述第二tpc 14的所述表面包括经由所述第二散热器78耗散所述第二tpc 14的所述表面上的热量。
[0018]
条款8.前述条款1至7中任一项所述的方法，其中，冷却所述第一tpc 12的所述表面43包括用冷却剂主动地冷却所述第一tpc 12的所述表面43。
[0019]
条款9.一种用于感应焊接的散热器20，所述散热器20包括：
[0020]
多个瓷砖40，其中，所述瓷砖40是不导电而是导热的；以及
[0021]
机械铰链47，所述机械铰链将所述瓷砖40柔性地接合在一起成为单层。
[0022]
条款10.条款9所述的散热器20，其中，所述机械铰链47包括枢转地设置在槽67内的突片65。
[0023]
条款11.条款10所述的散热器20，其中，其中，所述瓷砖40包括具有侧面68的第一瓷砖40a，并且所述突片65设置在所述第一瓷砖40a的所述侧面68上。
[0024]
条款12.条款11所述的散热器20，其中，所述瓷砖40包括具有侧面68的第二瓷砖40b，并且所述槽67设置在所述第二瓷砖40b的所述侧面68上。
[0025]
条款13.前述条款9至12中任一项所述的散热器20，其中，所述焊接是感应焊接。
[0026]
条款14.前述条款9至13中任一项所述的散热器20，其中，所述机械铰链47包括所述瓷砖的互锁。
[0027]
条款15.前述条款9至14中任一项所述的散热器20，其中，其中，所述第一瓷砖40a和所述第二瓷砖40b可以具有三个或更多个侧面。
[0028]
条款16.一种从在焊接界面区域74中被感应地焊接到第二热塑性复合材料(tpc)14的第一热塑性复合材料(tpc)12的表面43耗散热量的方法80，所述方法包括：
[0029]
在将散热器20放置在所述焊接界面区域74上面期间使散热器20挠曲以符合所述第一tpc 12的所述表面43；
[0030]
将感应热量施加到所述第一tpc与所述第二tpc之间的焊接界面区域74；以及
[0031]
经由所述散热器20从所述第一tpc 12的所述表面43排出热量。
[0032]
条款17.条款16所述的方法，其中，使所述散热器20挠曲包括使导热而不导电的瓷砖40之间的接头42挠曲。
[0033]
条款18.前述条款16或17中任一项所述的方法，所述方法还包括在放置期间使第二散热器78挠曲以符合所述第二tpc 14的表面。
[0034]
条款19.条款18所述的方法，所述方法还包括经由所述第二散热器78从所述第二tpc 14的所述表面排出热量。
[0035]
条款20.前述条款16至19中任一项所述的方法，其中，使所述散热器20挠曲包括使所述散热器20符合所述第一tpc 12的波状表面43。
[0036]
条款21.一种用于感应焊接的散热器，所述散热器包括：
[0037]
多个瓷砖，其中，所述瓷砖是不导电而是导热的；
[0038]
接头，所述接头将所述瓷砖柔性地接合在一起；以及
[0039]
流体路径，所述流体路径形成为穿过所述散热器，用于穿过所述流体路径来传送冷却剂。
[0040]
条款22.条款21所述的散热器，其中，所述流体路径包括形成在所述瓷砖中的每一个中且形成在所述接头中的流体通道。
[0041]
条款23.条款22所述的散热器，其中，所述流体通道串联连接在一起以形成穿过所述散热器的所述流体路径。
[0042]
条款24.前述条款22或23中任一项所述的散热器，其中，在各个瓷砖中的所述流体通道彼此平行。
[0043]
条款25.前述条款22至24中任一项所述的散热器，其中，所述瓷砖中的所述流体通道从所述瓷砖的一侧延伸到所述瓷砖的另一相反侧。
[0044]
条款26.前述条款21至25中任一项所述的散热器，其中，所述接头设置在所述瓷砖之间。
[0045]
条款27.前述条款21至26中任一项所述的散热器，其中，所述流体路径包括形成在所述接头中的流体通道。
[0046]
条款28.前述条款21至27中任一项所述的散热器，其中，所述接头包括柔性粘合剂。
[0047]
条款29.条款28的散热器，其中，所述柔性粘合剂由硅树脂构成。
[0048]
条款30.前述条款21至29中任一项所述的散热器，其中，所述流体通道具有椭圆形横截面。
[0049]
条款31.前述条款21至30中任一项所述的散热器，其中，所述瓷砖具有大于约25mm2/秒的热扩散率。
[0050]
条款32.前述条款21至31中任一项所述的散热器，所述散热器还包括联接到所述流体路径的歧管。
[0051]
条款33.使用条款21至32所述的散热器制造飞行器的一部分。
[0052]
条款34.一种将第一碳纤维热塑性复合材料(tpc)感应焊接到第二碳纤维热塑性复合材料(tpc)的方法，所述方法包括：
[0053]
在所述第一tpc与所述第二tpc之间形成焊接界面区域；
[0054]
使散热器挠曲到所述第一tpc的表面上；
[0055]
利用定位成邻近所述柔性散热器的感应线圈感应地加热所述焊接界面区域；以及
[0056]
通过将所述热量从所述散热器传递到被泵送穿过所述散热器的冷却剂来消散由所述散热器吸收的热量。
[0057]
条款35.条款34所述的方法，所述方法还包括通过将处于高温的所述冷却剂泵送穿过所述散热器来控制所述焊接界面的冷却速率。
[0058]
条款36.条款35所述的方法，其中，泵送处于高温的所述冷却剂包括在所述焊接界
面区域的感应加热期间经由来自所述第一tpc的热吸收将所述冷却剂加热至约400华氏度。
[0059]
条款37.前述条款34至37中任一项所述的方法，所述方法还包括在感应地加热所述焊接界面区域的同时，将固结压力施加到所述第一tpc和所述第二tpc上。
[0060]
条款38.前述条款34至37中任一项所述的方法，所述方法还包括基于传感器反馈来实时调节所述感应加热。
[0061]
条款39.前述条款34至38中任一项所述的方法，所述方法还包括沿着焊接线焊接所述焊接界面区域。
[0062]
条款40.前述条款34至39中任一项所述的方法，所述方法还包括经由所述散热器冷却所述第一tpc的表面。
[0063]
条款41.一种用于在焊接界面区域处将第一热塑性复合材料(tpc)感应焊接到第二热塑性复合材料(tpc)的系统，所述系统包括：
[0064]
散热器，所述散热器设置在所述第一tpc上，所述散热器具有通过接头柔性地接合在一起的多个瓷砖并且具有穿过所述瓷砖和所述接头形成的流体路径用于穿过所述流体路径来传送冷却剂；以及
[0065]
感应线圈，所述感应线圈被构造成在所述焊接界面区域处将所述第一tpc感应地焊接到所述第二tpc，所述感应线圈被设置成邻近所述散热器。
[0066]
条款42.条款41所述的系统，所述系统还包括连接到所述散热器的泵，用于泵送所述冷却剂穿过所述散热器。
[0067]
条款43.前述条款41或42中任一项所述的系统，所述系统还包括连接至所述散热器并且与所述流体路径流体连通的歧管。
[0068]
条款44.前述条款41至43中任一项所述的系统，其中，所述流体路径与所述焊接界面区域平行。
[0069]
条款45.一种用于感应焊接的散热器，所述散热器包括：
[0070]
柔性背衬；以及
[0071]
多个瓷砖，所述多个瓷砖以单层设置在所述柔性背衬上，其中，所述瓷砖是不导电而是导热的。
[0072]
条款46.条款45所述的散热器，其中，所述瓷砖在所述柔性背衬上间隔开以在所述瓷砖之间形成气隙。
[0073]
条款47.条款46所述的散热器，所述散热器还包括具有孔的管，所述孔与所述气隙对准并且被构造成传送气体穿过所述孔。
[0074]
条款48.条款47所述的散热器，其中，所述管结合到所述柔性背衬。
[0075]
条款49.条款48所述的散热器，其中，所述管沿所述散热器的纵向边缘布置。
[0076]
条款50.前述条款45至49中任一项所述的散热器，其中，所述柔性背衬由交织纤维构成。
[0077]
条款51.条款50所述的散热器，其中，所述交织纤维包括玻璃纤维或氧化物陶瓷。
[0078]
条款52.前述条款45至51中任一项所述的散热器，其中，所述柔性背衬浸渍有聚四氟乙烯。
[0079]
条款53.前述条款45至52中任一项所述的散热器，其中，所述瓷砖间隔开。
[0080]
条款54.前述条款45至53中任一项所述的散热器，其中，所述瓷砖通过粘合剂粘附
到所述柔性背衬。
[0081]
条款55.条款54所述的散热器，其中，所述粘合剂设置在所述瓷砖之间。
[0082]
条款56.前述条款54或55中任一项所述的散热器，其中，所述粘合剂是硅树脂压敏粘合剂。
[0083]
条款57.前述条款54至56中任一项所述的散热器，其中，所述粘合剂选自由硅树脂、ptfe、聚苯并咪唑(pbi)、高性能聚酰胺(hppa)、聚酰胺(pi)、聚酰胺亚胺(pai)、聚酮、聚砜衍生物-a、含氟聚合物、聚醚酰亚胺(pei)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbts)、聚苯硫醚、间同立构聚苯乙烯和聚对苯二甲酸环己烷二甲酯(pcts)构成的组。
[0084]
条款58.前述条款54至57中任一项所述的散热器，以及具有液体树脂和粉末硬化剂的环氧树脂热固化双组分体系。
[0085]
条款59.一种将第一碳纤维热塑性复合材料(tpc)感应焊接到第二碳纤维热塑性复合材料(tpc)的方法，所述方法包括：
[0086]
在所述第一tpc与所述第二tpc之间形成焊接界面区域；
[0087]
将散热器放置到在所述焊接界面区域上面的所述第一tpc的表面上；
[0088]
感应地加热所述焊接界面区域；
[0089]
使气体移动穿过所述散热器；以及
[0090]
通过将所述热量从所述散热器传递到所述气体来耗散由所述散热器吸收的热量。
[0091]
条款60.条款59所述的方法，所述方法还包括使所述气体移动穿过所述散热器中的瓷砖之间的气隙。
[0092]
条款61.前述条款59或60中任一项所述的方法，其中，将所述散热器放置到在所述焊接界面区域上面的所述第一tpc的所述表面上包括使所述散热器挠曲到所述表面上。
[0093]
条款62.一种用于在焊接界面区域处将第一热塑性复合材料(tpc)感应焊接到第二热塑性复合材料(tpc)的系统，所述系统包括：
[0094]
散热器，所述散热器设置在所述第一tpc上，所述散热器具有通过背衬柔性地接合在一起的多个瓷砖并且具有设置在所述瓷砖之间的气隙；以及
[0095]
感应线圈，所述感应线圈被构造成在所述焊接界面区域处将所述第一tpc感应地焊接到所述第二tpc，所述感应线圈被设置成邻近所述散热器。
[0096]
条款63.条款62所述的系统，所述系统还包括加压气体源，所述加压气体源连接到所述散热器以用于使气体移动穿过所述散热器的所述气隙。
[0097]
条款64.前述条款62或63中任一项所述的系统，所述系统还包括散热器保持器，所述散热器保持器设置在所述散热器上，用于在感应焊接期间将固结压力施加到所述散热器上。
[0098]
已经讨论的特征、功能和优点可以在各个方面独立地实现，或者可以在其它方面组合，其进一步的细节可以参考下面的描述和附图看出。
附图说明
[0099]
本文描述的附图仅用于说明目的，而不旨在以任何方式限制本公开的范围。
[0100]
图1是根据示例性方面的用于感应焊接的系统的立体图；
[0101]
图1a是根据示例性方面的用于感应焊接的系统的变型的立体图；
[0102]
图2是根据示例性方面的图1中的箭头2-2所指示的散热器的放大部分；
[0103]
图2a是根据示例性方面的在示例性弯曲表面上示出的散热器的立体图；
[0104]
图3是根据示例性方面的用于制造图2的散热器的散热器制造系统的立体图；
[0105]
图4是根据示例性方面的示例性过程流程图，示出了使用图3的散热器制造系统制造图2的散热器的方法；
[0106]
图5是根据示例性方面的具有机械铰链的散热器的一部分的示例性立体图；
[0107]
图5a是根据示例性方面的在图5中的箭头5a-5a的方向上观察的散热器的横截面；
[0108]
图6是根据示例性方面的在图1中的箭头6-6的方向上观察的系统的铺设的放大的局部横截面；
[0109]
图7是根据示例性方面的示例性过程流程图，其示出感应焊接的方法；
[0110]
图8是根据示例性方面的在图1中的箭头6-6的方向上观察的系统的另一铺设的放大的局部横截面；
[0111]
图9是根据示例性方面的在图1中的箭头6-6的方向上观察的系统的另一铺设的放大的局部横截面；
[0112]
图10是根据示例性方面的在图1中的箭头6-6的方向上观察的系统的另一铺设的放大的局部横截面；
[0113]
图11是根据示例性方面的在图1中的箭头6-6的方向上观察的系统的另一铺设的放大的局部横截面；
[0114]
图12是根据示例性方面的在图1中的箭头6-6的方向上观察的系统的另一铺设的放大的局部横截面；
[0115]
图13是根据示例性方面的感应焊接的示例性过程流程图；
[0116]
图14是根据示例性方面的感应焊接的另一示例性过程流程图；
[0117]
图15是根据示例性方面的在图1中的箭头6-6的方向上观察的系统的另一铺设的放大的局部横截面；
[0118]
图16是根据示例性方面的在图1中的箭头6-6的方向上观察的系统的另一铺设的放大的局部横截面；
[0119]
图17是根据示例性方面的感应焊接的示例性过程流程图；
[0120]
图18是根据示例性方面的感应焊接的另一示例性过程流程图；
[0121]
图19是根据示例性方面的具有液体冷却的散热器的另一实施例的立体图；
[0122]
图20是根据示例性方面的示例性过程流程图，示出了使用图3的散热器制造系统制造图19的具有液体冷却的散热器的方法；
[0123]
图21是根据示例性方面的用于制造图19的具有液体冷却的散热器的散热器制造系统的立体图；
[0124]
图22是根据示例性方面的使用具有液体冷却的散热器的在图1中的箭头6-6的方向上观察的系统的另一铺设的放大横截面；
[0125]
图23是根据示例性方面的具有液体冷却的散热器的另一实施例的立体图；
[0126]
图24是根据示例性方面的具有液体冷却的散热器的另一实施例的立体图；
[0127]
图25是根据示例性方面的在感应焊接期间使用的散热器的另一实施例的俯视图；
[0128]
图26是根据示例性方面的在图25中的箭头26-26的方向上观察的散热器的横截面
图；
[0129]
图27是根据示例性方面的图25所示的散热器的变型的横截面图；
[0130]
图28是根据示例性方面的用于使用图25中所示的散热器的感应焊接的系统的示意图；
[0131]
图29是根据另一示例性方面的用于使用图25中所示的散热器的感应焊接的系统的示意图；
[0132]
图30是飞行器生产和维修方法的流程图；以及
[0133]
图31是飞行器的方框图。
具体实施方式
[0134]
以下描述本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开、应用或用途。
[0135]
参照图1，示出了用于将第一热塑性复合材料(tpc)12感应焊接到第二tpc 14的系统10的示意图。系统10可用于飞行器制造和维修的环境中，如将在下面描述的。例如，系统10可以用于飞行器的部件和子组件制造，包括内饰制造、声学面板、飞行器的系统集成、机身制造以及飞行器的日常维护和维修。然而，系统10可用于各种其它行业，包括汽车、建筑、体育用品和一般运输行业，仅举几个例子。第一tpc12和第二tpc 14被图示为平板。然而，应当理解，第一tpc 12和第二tpc 14可以是波状的、弯曲的或其它非平面的，而不脱离本公开的范围，如以下关于图2所述。此外，第一tpc 12和第二tpc 14可以由用各种导电材料加强的各种热塑性塑料构成。在一个实施例中，热塑性塑料选自由半结晶热塑性塑料和非晶热塑性塑料构成的组。半结晶热塑性塑料可以包括聚苯硫醚(pps)、聚醚醚酮(peek)、聚醚酮酮(pekk)和聚芳基酮(paek)。非晶热塑性塑料可以包括聚醚酰亚胺(pei)。该半结晶热塑性塑料具有高固结温度，相对于传统热塑性塑料具有良好的机械性能。非晶热塑性塑料在加热时表现出逐渐软化，相对于传统热塑性塑料，该材料具有良好的伸长率、韧性和抗冲击性能。半结晶热塑性塑料包含紧密折叠链(微晶)区域，该紧密折叠链(微晶)区域连接在一起并且当结晶区域开始溶解时在加热时表现出尖锐的熔点。当聚合物接近其熔点时，晶格分解，并且分子自由旋转和平移。在缓慢冷却期间，半结晶热塑性塑料成核并生长结晶区域，这相对于非晶结构提供了增加的强度、刚度、耐溶剂性和温度稳定性。如果半结晶热塑性塑料冷却过快，它可能形成非晶结构。
[0136]
在另一实施例中，导电材料包括碳纤维。碳纤维可以以各种构造(未示出)在热塑性塑料内定向，这继而影响感应焊接期间的加热的度数。例如，碳纤维可以以交叉影线图案定向，以0和90度，+/-45度，或+/-60度，仅举几例。碳纤维可以是单向的或编织在一起。每个这样的构造影响在给定磁场下第一tpc 12和第二tpc 14的加热的度数。应当理解，虽然示出了两个tpc部件，但是可以采用任意数量的堆叠的tpc部件。
[0137]
系统10通常包括工具基部16、感应焊机18和散热器20。工具基部16在其上支撑第一tpc 12和第二tpc 14。在提供的实施例中，工具基部16是平坦的。然而，应当理解，工具基部16可以具有各种其它形状以支撑第一tpc 12和第二tpc 14。
[0138]
感应焊机18被构造成感应地加热第一tpc 12和第二tpc 14，并且可以采用各种形式而不脱离本公开的范围。在提供的实施例中，感应焊机18包括安装到机器人臂24的感应线圈22。感应线圈22也可以安装在任何其它合适的机器人操纵器。在另一方面，感应线圈22
可以是固定的，并且第一tpc 12和第二tpc 14相对于感应线圈22移动。因此，感应线圈22可以相对于第一tpc 12和第二tpc 14移动，并且第一tpc 12和第二tpc 14可以相对于感应线圈22移动。在另一实施例中，感应线圈22以及第一tpc 12和第二tpc 14都可以移动。感应线圈22产生磁场25以在第一tpc 12和第二tpc 14的碳纤维中感应涡电流。机器人臂24在第一方向26a上沿焊接线26移动感应线圈22。因此，焊接线26是第一tpc 12和第二tpc 14的待焊接在一起的区域。焊接线26可以是直的或弯曲的或任何其它图案。第一辊28a和第二辊28b邻近感应线圈22设置。第一辊28a设置在感应线圈22的前侧22a上。第二辊28b设置在感应线圈22的后侧22b上。第一辊28a和第二辊28b在感应焊接过程期间将固结压力施加到第一tpc 12和第二tpc 14上，如将在下面描述的。在提供的实施例中，第一辊28a和第二辊28b连接到感应线圈22，但是应当理解，第一辊28a和第二辊28b可以是分离的，而不脱离本公开的范围。第一辊28a和第二辊28b可以铰接，以允许第一辊28a和第二辊28b在波状表面上面移动，同时将固结压力维持到第一tpc 12上。另外，当感应线圈22在第一方向26a或相反方向上移动时，可以在感应焊接期间或之后施加固结压力。此外，可以采用其它方法来施加固结压力，如下面参考图1a所述。
[0139]
感应焊机18与控制器30电连通。控制器30可操作以控制供应到感应线圈22的电流量，这继而控制磁场强度，并因此控制第一tpc 12和第二tpc 14的加热。控制器30还可操作以控制机器人臂24或感应线圈22相对于焊接线26的移动。控制器30是非通用的电子控制装置，该电子控制装置具有预编程的数字计算机或处理器32、用于存储诸如控制逻辑、软件应用、指令、计算机代码、数据、查找表等数据的存储器或非暂时性计算机可读介质34、以及输入/输出端口36。非暂时性计算机可读介质34包括能够由计算机访问的任何类型的介质，诸如只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、硬盘驱动器、压缩光盘(cd)、数字视频光盘(dvd)或任何其它类型的存储器。“非暂时性”计算机可读介质排除传输暂时性电信号或其它信号的有线、无线、光学或其它通信链路。非暂时性计算机可读介质包括其中数据可以被永久存储的介质和其中数据可以被存储并且稍后被重写的介质，诸如可重写光盘或可擦除存储器装置。计算机代码包括任何类型的程序代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。处理器32被构造成执行代码或指令。
[0140]
系统10还可以包括与控制器30电子通信的多个传感器38。传感器38被构造成检测或感测第一tpc 12和/或第二tpc 14在感应焊接期间的状态，以便向控制器30提供实时反馈。例如，传感器38可以是被构造成检测第一tpc 12和/或第二tpc 14的温度的红外温度传感器。替代地或另外，传感器38可以是被构造成检测由感应线圈22产生的磁场25的强度的电磁场传感器。传感器38可以由控制器30使用用于感应线圈22的移动的反馈控制，如将在下面描述的。
[0141]
图1a示出了根据本公开的原理的系统10的替代布置。图1a所示的布置类似于图1所示的布置，然而，辊28a和28b已经被移除，并且第二tpc 14被示出为具有“l”形横截面。用于第二tpc 14和/或第一tpc 12的其它可能的横截面包括至少“j”、“i”、“t”、“z”和/或“帽子”形横截面。固结压力由沿着焊接线26设置在第二tpc 14下面的波纹管39提供。波纹管39将固结压力施加到第二tpc 14上的膨胀可以由控制器30控制。
[0142]
回到图1，散热器20被构造成吸收和消散来自第一tpc 12的热量。散热器20设置在第一tpc 12和感应线圈22之间，如下所述。图2示出了图1的散热器20的放大部分。参考图2，
散热器20包括由接头42连接的多个瓷砖40。接头42设置在瓷砖40之间。瓷砖40由不导电而导热的材料制成。因此，当在感应线圈22(图1)下面时，瓷砖40不被磁场25加热，而是从第一tpc 12吸收热量。在一个实施例中，瓷砖40具有大于大约25mm2/秒的热扩散率，并且优选地大于大约70mm2/秒。在此上下文中，术语“大约”是本领域技术人员已知的。或者，术语“大约”可以理解为是指加或减5mm2/秒。在另一实施例中，瓷砖40具有大于大约75w/mk的热导率，优选地大于大约150w/mk。在此上下文中，术语“大约”是本领域技术人员已知的。或者，术语“大约”可以理解为是指加或减10w/mk。在另一实施例中，瓷砖40具有大于大约500j/k/kg的比热容，优选大于大约700j/k/kg。在此上下文中，术语“大约”是本领域技术人员已知的。或者，术语“大约”可以理解为是指加或减50j/k/kg。在一个实施例中，瓷砖40由氮化铝构成。氮化铝在材料基体中具有低残余碳，以确保在第一tpc 12的感应焊接期间，感应线圈22不会与瓷砖40中的碳耦合并且无意地加热瓷砖40。在另一实施例中，瓷砖40由氧化铍构成。在另一实施例中，瓷砖40由立方氮化硼(c-bn)或六方氮化硼(h-bn)构成。
[0143]
接头42将瓷砖40柔性地保持在一起，并为散热器20提供柔性，从而允许散热器20符合第一tpc 12的轮廓。例如，图2a示出了第一tpc 12的轮廓表面43上的散热器20。在提供的实施例中，轮廓表面43是弯曲的。散热器20在接头42处枢转以维持瓷砖40和波状表面43之间的接触。接头42可由图2和图2a所示的柔性粘合剂45或图5所示的机械铰链47构成。参照图2，柔性粘合剂45为散热器20提供柔性，并且在感应焊接期间在加热瓷砖40期间不会熔化。最少数量的柔性粘合剂45优选地用于将瓷砖40保持在一起，从而增加散热器20的热量耗散能力。因此，在一个实施例中，柔性粘合剂45在空气中具有大于大约570华氏度的长期降解温度。在此上下文中，术语“大约”是本领域技术人员已知的。或者，术语“大约”可以理解为是指加或减25华氏度。在另一实施例中，柔性粘合剂45具有在120％和670％之间的伸长率。在另一实施例中，柔性粘合剂45具有690psi至1035psi之间的拉伸强度。在另一实施例中，柔性粘合剂45具有31lb/in到190lb/in之间的撕裂强度(冲模b)。因此，在一个实施例中，柔性粘合剂45由硅树脂构成。合适的硅树脂的实施例是dow corning的3145rtv。然而，可以使用其它硅树脂。
[0144]
瓷砖40被布置成单层，作为镶木地板或几何图案。因此，瓷砖40中的每一个在其间限定间隙44，并且接头42设置在间隙44内。瓷砖40被布置成、尺寸被确定为和成形为有助于符合第一tpc 12的波状表面43(图2a)的轮廓。在一个实施例中，间隙44的宽度49在大约0.005英寸至大约0.1英寸之间，优选地为大约0.040英寸。在此上下文中，术语“大约”是本领域技术人员已知的。或者，术语“大约”可以理解为是指加或减0.005英寸。虽然瓷砖40被示出为正方形，其最大化瓷砖40相对于接头42的表面面积，但是瓷砖40可以具有各种其它形状，而不脱离本公开的范围。例如，瓷砖40可具有直的或弯曲的边缘，并具有三个或更多个侧面，以有助于符合第一tpc 12的轮廓和/或焊接的形状。散热器20尺寸被确定为优选地至少覆盖焊接线26(图1)，或者如在本实施例中，覆盖整个第一tpc 12(图1)。
[0145]
图3示出了用于制造散热器20(图2)的散热器制造系统50。散热器制造系统50包括支撑背衬材料54的基板52。在一个实施例中，背衬材料54是粘附到基板52的双面胶带。在另一实施例中，背衬材料54是玻璃布胶带。在又一个实施例中，背衬材料54是特氟隆涂覆的玻璃纤维，该玻璃纤维喷涂有粘合剂，具有玻璃布的底层。在这种构造中，固化发生在背衬材料54的两侧上。具有夹具58的框架56设置在背衬材料54上。在一个方面，夹具58由编织在一
起的各个线59构成。夹具58尺寸被确定为在散热器20中产生间隙44(图2)。框架56和夹具58可从背衬材料54移除。
[0146]
图4示出了用于使用图3的散热器制造系统50来制造图2的散热器20的方法60的流程图。方法60开始于方框60a，其中，在布置到背衬材料54上之前，可以用底漆对瓷砖40涂底漆。在一个实施例中，底漆是硅树脂底漆。在方框60b，瓷砖40在夹具58内布置成图案。例如，瓷砖40放置在夹具58之间的背衬材料54上。背衬材料54将瓷砖40保持就位，同时夹具58将瓷砖40间隔开。因此，图案由夹具58限定。在方框60b，一旦瓷砖40已经被放置，则在方框60c移除框架56和夹具58，从而在瓷砖40之间留下间隙44。
[0147]
接着，在方框60d，将瓷砖40与接头42柔性地接合在一起。在提供的实施例中，将接头42施加在瓷砖40之间的间隙44内。然后在方框60e，优选地在一段时间内使接头42固化。一旦固化，在方框60f，可以从背衬材料54移除组装的散热器20。
[0148]
图5示出了散热器20的一部分，该散热器20采用了柔性地连接瓷砖40的机械铰链47的实施例。机械铰链47包括瓷砖的互锁47a。第一瓷砖40a包括从第一瓷砖40a的多个侧面66延伸出的突片65。突片65可与第一瓷砖40a一体地形成或结合到第一瓷砖40a。相邻的第二瓷砖40b包括设置在第二瓷砖40b的多个侧面68中的槽67。应当理解，如上所述，第一瓷砖40a和第二瓷砖40b可具有三个或更多的侧面而不偏离本公开的范围。参照图5a，第一瓷砖40a通过将突片65插入槽67内而连接至第二瓷砖40b。突片65和槽67被构造成允许第一瓷砖40a相对于第二瓷砖40b枢转。例如，第一瓷砖40a可以相对于第二瓷砖40b枢转+/-θ度。在一个实施例中，柔性粘合剂45(图2)可设置在机械铰链47内。瓷砖40a、40b布置成单层以形成镶木地板图案。因此，通过将多个第一瓷砖40a交替地连接到多个第二瓷砖40b，散热器20可以被制造成任何尺寸或形状。
[0149]
回到图1，系统10还可以包括真空袋70，真空袋70连接至真空源72。真空源72被构造成向真空袋70施加真空。真空源72优选地由控制器30控制。第一tpc 12、第二tpc 14和散热器20全部设置在真空袋70内。通过从真空袋70移除空气，散热器20的接头42(图2)的柔性粘合剂45能够在降解(degrade)之前承受比在具有空气/氧气的环境中更高的温度。或者，真空源72可以用泵(未示出)代替，该泵用惰性气体如氮气填充真空袋70。惰性气体替代真空袋70内的空气，并且还允许散热器20的接头42(图2)的柔性粘合剂45在降解之前承受比具有空气/氧气的环境更高的温度。真空袋70还被构造成经由真空压紧将固结压力施加到第一tpc 12和第二tpc 14上。
[0150]
图6示出了铺设的横截面，以感应线圈22的侧视图示出了在工具基部16上的第一tpc 12、第二tpc 14、散热器20和真空袋70。第一tpc 12设置在第二tpc 14的顶部上。焊接界面区域74沿着焊接线26(图1)限定在第一tpc 12和第二tpc 14之间。散热器20设置在第一tpc 12的顶部上在感应线圈22和第一tpc 12之间。感应线圈22距第一tpc 12的距离为“d”。在一个实施例中，距离d为大约8mm。散热器20具有小于距离d的厚度“t”。在一个实施例中，厚度t为大约4mm。在又一个实施例中，在散热器20被放置在第一tpc 12上之前冷却散热器20。第一辊28a和第二辊28b通过真空袋70和散热器20在第一tpc 12上施加固结压力以将第一tpc 12压紧到第二tpc 14上。在一个实施例中，第一辊28a和第二辊28b将感应线圈22维持在第一tpc 12上面的一致高度处。
[0151]
在感应焊接期间，控制器30(图1)发出指令使电流通过感应线圈22以产生磁场25。
磁场25加热第一tpc 12和第二tpc 14内的碳纤维。第一tpc 12的更靠近感应线圈22的部分76被加热到比在焊接界面区域74处更大的程度。然而，散热器20吸收和耗散第一tpc 12的部分76内的热量。因此，由感应焊机18产生的热量集中在焊接界面区域74处。当焊接界面区域74处的热塑性塑料被加热到材料的熔点或固结温度以上时，第一辊28a和第二辊28b在第一tpc 12上施加固结压力以使第一tpc 12与第二tpc 14在焊接界面区域74处融合，因此一经冷却就产生均匀的熔合结合。在一个实施例中，焊接界面区域74被加热到固结温度以上大约20度。然后控制器30发出指令使机器人臂24沿着焊接线26(图1)在第一方向26a(图1)上移动，以将第一tpc 12部件焊接到第二tpc 14。来自传感器38(图1)的反馈可用于命令不同的电流流到感应线圈22，从而实时调节加热量。散热器20还允许第一tpc12以在感应焊接之后促进半结晶性热塑性塑料在焊接界面区域74中结晶的速率冷却，从而增加半结晶性热塑性塑料的结晶量。例如，在感应焊接期间，散热器20吸收瓷砖40中的热量。在感应焊接之后，瓷砖40中未耗散到大气中的吸收的热量被吸收回到第一tpc 12中，从而允许第一tpc 12以增加结晶量的特定速率冷却。例如，peek的最佳冷却速率在0.2至20
°
f/min的范围内，这将产生25至35％的晶体含量。结晶速率还取决于特定的退火温度，其中峰值速率大约位于玻璃化转变温度(t
g
)和熔化温度(t
m
)之间的中点。
[0152]
参照图7，并继续参照图1和图6，示出了使用系统10将第一tpc 12感应焊接到第二tpc 14的方法80的流程图。方法80在方框81通过将第一tpc 12与第二tpc14对准以形成焊接界面区域74而开始。接下来，在方框82，将散热器20放置到第一tpc 12上。如上所述，散热器20优选地沿焊接线26至少覆盖焊接界面区域74。由于散热器20是柔性的，所以散热器20符合第一tpc 12的表面轮廓，无论是平面的还是非平面的，如图2a所示。在提供的实施例中，第一tpc 12、第二tpc 14和散热器20都放置在真空袋70内。然后可以通过真空源72将真空施加到真空袋70。真空袋70在第一tpc 12和第二tpc 14上施加高达1个大气压的固结力。或者，可以将惰性气体泵送到真空袋70中。
[0153]
在方框83，通过感应线圈22感应地加热焊接界面区域74。在方框84，通过散热器20吸收和耗散在最靠近感应线圈22的部分76中产生的热量，从而冷却该部分76。在方框85，第一辊28a和第二辊28b将固结压力施加到第一tpc 12上，以在焊接界面区域74处使第一tpc 12与第二tpc 14融合，从而一经冷却就产生均匀的熔合结合。应当理解，方框83、84和85可以同时发生。在另一实施例中，波纹管39(图1a)或其它装置可将固结压力施加到第二tpc 14上。在方框86，通过沿焊接线26移动感应线圈22以将第一tpc 12部件焊接到第二tpc 14，沿焊接线26感应地焊接焊接界面区域74。或者，可相对于感应线圈22移动焊接界面区域74。在方框87，来自传感器38的反馈用于实时调节感应焊接过程。例如，控制器30可以发出指令使不同的电流到感应线圈22，从而实时地调整加热量，控制(command)感应线圈22和焊接界面区域74之间的速度等。
[0154]
图8以感应线圈22的侧视图示出了第一tpc 12、第二tpc 14、散热器20和真空袋70在工具基部16上铺设的横截面。然而，包括了第二散热器78。第二散热器78基本上类似于散热器20。
[0155]
第一tpc 12设置在第二tpc 14的顶部上。散热器20在感应线圈22和第一tpc12之间设置在第一tpc 12的顶部上。第二散热器78设置在工具基部16和第二tpc14之间。另外，第二散热器78设置在真空袋70内。在感应焊接期间，如上所述，希望将热量集中在焊接界面
区域74处，并使第一tpc 12和第二tpc 14的其它区域中的热量最小化。然而，在感应焊接期间，在第一tpc 12、焊接界面区域74和第二tpc 14中产生热量。散热器20吸收并耗散在第一tpc 12的部分76中产生的热量。第二散热器78吸收并耗散在第二tpc 14的邻近第二散热器78的部分88中产生的热量。因此，热量沿着焊接界面区域74集中，而不在第一tpc 12的部分76中，也不在第二tpc 14的部分88中。
[0156]
图9示出了系统10的放大的横截面，其示出了第一tpc 12、第二tpc 14、散热器20和真空袋70在工具基部16上铺设的另一实施例。然而，工具基部16包括嵌入其中的冷却器单元89。或者，冷却器单元89可以设置在工具基部16的表面上(未示出)。冷却器单元89连接到冷却剂源90。冷却器单元89可以包括在工具基部16内的管道，并且冷却剂源90可以包括流体热交换器和泵(未示出)。冷却剂源90与控制器30(图1)电连通。
[0157]
第一tpc 12设置在第二tpc 14的顶部上。散热器20在感应线圈22和第一tpc12之间设置在第一tpc 12的顶部上。第二tpc 14设置成邻近工具基部16内的冷却器单元89。在感应焊接期间，如上所述，希望将热量集中在焊接界面区域74处。冷却器单元89用作用于第二tpc 14的邻近冷却器单元89的部分88的热交换器，并且在散热器20吸收和耗散第一tpc 12中的热量的同时减少第二tpc 14中的热量。因此，热量沿着焊接界面区域74集中，而不是在第一tpc 12的部分76和第二tpc 14的部分88中。
[0158]
图10以感应线圈22的侧视图示出了第一tpc 12、第二tpc 14、散热器20和第二散热器78在工具基部16上铺设的横截面。然而，真空袋70用第一板91和第二板92替代。
[0159]
第一tpc 12设置在第二tpc 14的顶部上。散热器20在感应线圈22和第一tpc12之间设置在第一tpc 12的顶部上。第二散热器78邻近第二tpc 14。第一tpc 12、第二tpc 14、散热器20和第二散热器78全部夹在第一板91和第二板92之间。第一板91和第二板92通过防止第一tpc 12、第二tpc 14、散热器20和第二散热器78相对于彼此移动来为铺设提供稳定性。第一辊28a和第二辊28b接触第一板91，并在感应焊接期间提供固结压力，如上所述。
[0160]
图11示出了系统10的放大的局部横截面，其示出了第一tpc 12、第二tpc 14和真空袋70在工具基部16上铺设的另一实施例，其中不使用散热器。然而，感应焊机18包括冷却设备93。冷却设备93设置成在第一方向26a(图1)上邻近感应线圈22。冷却设备93通过构件94连接到感应线圈22，以便固定感应线圈22和冷却设备93之间的距离。然而，应当理解，冷却设备93可以是分离的，而不脱离本公开的范围。冷却设备93包括多个喷嘴96，该多个喷嘴96被构造成喷射冷却剂。冷却设备93连接到冷却剂源98以及控制器30。在一个实施例中，使用的冷却剂是co2气体。然而，也可以使用其它冷却剂。如上所述，在该实施例中没有采用散热器。
[0161]
在感应焊接期间，冷却设备93通过将冷却剂喷射到第一tpc 12上而在感应线圈22之前冷却第一tpc 12。在一个实施例中，冷却设备93被构造成将第一tpc 12冷却到大约-100华氏度。在此上下文中，术语“大约”是本领域技术人员已知的。或者，术语“大约”可以理解为是指加或减25华氏度。冷却第一tpc 12产生了热梯度，并在感应焊接期间将第一tpc 12的部分76的温度保持在固结温度以下。热梯度是第一tpc 12的邻近感应线圈22的部分76处相对于焊接界面区域74处的温度的温度差。热梯度可通过喷嘴96的数量、来自喷嘴96的冷却剂流速、从冷却设备93到感应线圈22的距离、由感应线圈22产生的磁场强度、以及第一tpc 12和第二tpc 14的厚度和碳纤维定向来控制。此外，冷却和加热的量可由控制器30基
于从传感器38(图1)接收的反馈实时地调节。
[0162]
图12以感应线圈22的侧视图示出了第一tpc 12、第二tpc 14、真空袋70在工具基部16上铺设的横截面，其中不使用散热器。然而，感应焊机18包括第二冷却设备100和第二感应线圈102。第二冷却设备100和第二感应线圈102两者均设置成在与第一方向26a(图1)相反的方向上邻近感应线圈22。因此，第二冷却设备100和第二感应线圈102设置成与冷却设备93相反。第二冷却设备100和第二感应线圈102通过构件104连接到感应线圈22，以便固定感应线圈22与第二冷却设备100和第二感应线圈102之间的距离。然而，应当理解，第二冷却设备100和/或第二感应线圈102可为分离的，而不脱离本公开的范围。第二冷却设备100包括多个喷嘴106，该多个喷嘴106被构造成喷射冷却剂。第二冷却设备100连接到冷却剂源98以及控制器30。第二感应线圈102类似于感应线圈22并由控制器30控制。如上所述，在该实施例中没有采用散热器。
[0163]
在感应焊接期间，冷却设备93通过将冷却剂喷射到第一tpc 12上而在感应线圈22之前冷却第一tpc 12，如上所述。当感应焊机18沿着焊接线26(图1)移动时，感应线圈22熔化焊接界面区域74，并且第一tpc 12在来自第一辊28a和第二辊28b的固结压力下与第二tpc 14融合。为了控制焊接界面区域74的冷却，控制器30使用第二冷却设备100和第二感应线圈102加热和冷却融合的焊接界面区域74。焊接界面区域74处的冷却速率通过由控制器30基于从传感器38(图1)接收的反馈实时控制冷却和加热的量来控制。可以控制冷却速率，以使热塑性塑料在焊接界面区域74处的结晶最大化，从而增加强度。
[0164]
参照图13，并继续参照图1和图11，示出了使用具有冷却设备93的系统10将第一tpc 12感应焊接到第二tpc 14的方法110的流程图。方法110在方框112通过将第一tpc 12与第二tpc 14对准以形成焊接界面区域74而开始。在提供的实施例中，第一tpc 12和第二tpc 14都放置在真空袋70内。然后，通过真空源72将真空施加至真空袋70。或者，可将惰性气体泵送到真空袋70中。
[0165]
接下来，在方框114，使用冷却设备93冷却第一tpc 12。在一个实施例中，由控制器30设定焊接界面区域74处或部分76处的目标温度。然后，控制器30在通过冷却设备93冷却期间使用传感器38监测焊接界面区域74或部分76处的实际温度。然后，控制器30控制由冷却设备93提供的冷却量以使实际温度与目标温度匹配。目标温度可以使用查找表或计算的给定特定因素来设定，以便实现特定的热梯度。例如，设定目标温度可确定焊接界面区域74相对于感应线圈22的位置，并基于焊接界面区域74的位置设定目标温度。其它因素可包括喷嘴96的数量、来自喷嘴96的冷却剂流速、从冷却设备93到感应线圈22的距离、由感应线圈22产生的磁场的强度、以及第一tpc 12和第二tpc 14的厚度和碳纤维定向、以及感应线圈22相对于焊接界面区域74移动的速度或焊接界面区域74相对于感应线圈22移动的速度，或两者。在另一实施例中，目标温度被设定为大约-100华氏度。在此上下文中，术语“大约”是本领域技术人员已知的。或者，术语“大约”可以理解为是指加或减25华氏度。
[0166]
在方框116，焊接界面区域74被感应线圈22感应地加热。通过首先冷却第一tpc12产生的热梯度将最靠近感应线圈22的部分76的温度保持在固结温度以下，同时允许焊接界面区域74的温度超过固结温度。
[0167]
在方框118，第一辊28a和第二辊28b将固结压力施加到第一tpc 12上，以使第一tpc 12与第二tpc 14在焊接界面区域74处融合，从而一经冷却就产生均匀的熔合结合。在
另一实施例中，波纹管39(图1a)或其它装置可将固结压力施加到第二tpc 14上。在方框120，通过沿焊接线26移动感应线圈22以将第一tpc 12部件焊接到第二tpc 14，沿焊接线26感应地焊接焊接界面区域74。或者，可相对于感应线圈22移动焊接界面区域74。应当理解，方框116、118和120可同时发生。在方框122，来自传感器38的反馈用于实时调节感应焊接过程。例如，控制器30可以发出指令使不同的电流到感应线圈22，从而实时地调节加热量，控制感应线圈22和焊接界面区域74之间的速度等。
[0168]
参照图14，并继续参照图1和图12，示出了使用具有冷却设备93、第二冷却设备100和第二感应线圈102的系统10将第一tpc 12感应焊接到第二tpc 14的方法130的流程图。方法130在方框132通过将第一tpc 12与第二tpc 14对准以形成焊接界面区域74而开始。在提供的实施例中，第一tpc 12和第二tpc 14都放置在真空袋70内。然后，通过真空源72将真空施加至真空袋70。或者，可将惰性气体泵送到真空袋70中。
[0169]
接着，在方框134，使用冷却设备93冷却第一tpc 12。在一个实施例中，由控制器30设定第一tpc 12在焊接界面区域74或部分76处的目标温度。然后，控制器30在冷却设备93冷却期间使用传感器38监测第一tpc 12在焊接界面区域74或部分76处的实际温度。然后，控制器30控制由冷却设备93提供的冷却量以使实际温度与目标温度匹配。目标温度可以使用查找表或计算的给定特定因素来设定，以便实现特定的热梯度。例如，设定目标温度可确定焊接界面区域74相对于感应线圈22的位置，并基于焊接界面区域74的位置设定目标温度。其它因素可包括喷嘴96的数量、来自喷嘴96的冷却剂流速、从冷却设备93到感应线圈22的距离、由感应线圈22产生的磁场的强度、以及第一tpc 12和第二tpc 14的厚度以及碳纤维定向和感应线圈22相对于焊接界面区域74的速度。在另一实施例中，目标温度设定为大约-100华氏度。在此上下文中，术语“大约”是本领域技术人员已知的。或者，术语“大约”可以理解为是指加或减25华氏度。
[0170]
在方框136，焊接界面区域74被感应线圈22感应地加热。通过首先冷却第一tpc12产生的热梯度将最靠近感应线圈22的部分76的温度保持在固结温度以下，同时允许焊接界面区域74的温度超过固结温度。
[0171]
在方框138，第一辊28a和第二辊28b将固结压力施加到第一tpc 12上，以使第一tpc 12与第二tpc 14在焊接界面区域74处融合，从而一经冷却就产生均匀的熔合结合。在另一实施例中，波纹管39(图1a)或其它装置可将固结压力施加到第二tpc 14上。在方框140，通过沿焊接线26移动感应线圈22以将第一tpc 12部件焊接到第二tpc 14，沿焊接线26感应地焊接焊接界面区域74。或者，可相对于感应线圈22移动焊接界面区域74。应当理解，方框136、138和140可同时发生。在方框142，来自传感器38的反馈用于实时调节感应焊接过程。例如，控制器30可以发出指令使不同的电流到感应线圈22，从而实时地调节加热量，控制感应线圈22和焊接界面区域74之间的速度等。在方框144，第二冷却设备100和/或第二感应线圈102用于控制焊接界面区域74的冷却速率。通过基于从传感器38(图1)接收的反馈由控制器30实时控制冷却和加热的量来控制焊接界面区域74处的冷却速率。
[0172]
图15以感应线圈22和冷却设备93的侧视图示出了第一tpc 12、第二tpc 14和真空袋70在工具基部16上铺设的横截面，其中使用散热器20。在该实施例中，冷却设备93冷却散热器20而不是直接冷却第一tpc 12。冷却散热器20增加了热梯度，并且允许散热器20在感应焊接期间比没有冷却时从第一tpc 12移除更多的热量。在另一实施例(未示出)中，除了
散热器20之外，可以使用第二散热器78。
[0173]
图16以冷却设备93、第二冷却设备100和第二感应线圈102的侧视图示出了第一tpc 12、第二tpc 14和真空袋70在工具基部16上铺设的横截面，其中使用散热器20。在该实施例中，第二冷却设备100冷却散热器20，而不是在通过感应线圈22感应焊接之后直接冷却第一tpc 12。由于散热器20不导电，第二感应线圈102如前所述操作。在另一实施例(未示出)中，除了散热器20之外，可以使用第二散热器78。
[0174]
参照图17，并继续参照图1和图15，示出了使用具有冷却设备93和散热器20的系统10将第一tpc 12感应焊接到第二tpc 14的方法150的流程图。方法150在方框152通过将第一tpc 12与第二tpc 14对准以形成焊接界面区域74而开始。
[0175]
接下来，在方框154，将散热器20放置到第一tpc 12上。如上所述，散热器20优选地沿焊接线26至少覆盖焊接界面区域74。由于散热器20是柔性的，所以散热器20符合第一tpc 12的表面轮廓，无论是平面的还是非平面的，如图2a所示。在提供的实施例中，第一tpc 12、第二tpc 14和散热器20都放置在真空袋70内。然后，通过真空源72将真空施加至真空袋70。或者，可将惰性气体泵送到真空袋70中。
[0176]
在方框156，使用冷却设备93冷却散热器20。在一个实施例中，散热器20的目标温度由控制器30设定。然后控制器30在通过冷却设备93冷却期间使用传感器38监测散热器20的实际温度。然后控制器30控制由冷却设备93提供的冷却量以使实际温度与目标温度匹配。目标温度可以使用查找表或计算的给定特定因素来设定，以便实现特定的热梯度。例如，设定目标温度可确定焊接界面区域74相对于感应线圈22的位置，并基于焊接界面区域74的位置设定目标温度。其它因素可包括喷嘴96的数量、来自喷嘴96的冷却剂流速、从冷却设备93到感应线圈22的距离、由感应线圈22产生的磁场强度、以及第一tpc 12和第二tpc 14的厚度和碳纤维定向。在另一实施例中，目标温度被设定为大约-100华氏度。在此上下文中，术语“大约”是本领域技术人员已知的。或者，术语“大约”可以理解为是指加或减25华氏度。
[0177]
在方框158，焊接界面区域74被感应线圈22感应地加热。在方框156处被冷却的散热器20将最靠近感应线圈22的部分76的温度保持在固结温度以下，同时允许焊接界面区域74的温度超过固结温度。
[0178]
在方框160，第一辊28a和第二辊28b将固结压力施加到第一tpc 12上，以在焊接界面区域74处使第一tpc 12与第二tpc 14融合，从而一经冷却就产生均匀的熔合结合。在另一实施例中，波纹管39(图1a)或其它装置可将固结压力施加到第二tpc 14上。在方框162，通过沿焊接线26移动感应线圈22以将第一tpc 12部件焊接到第二tpc 14，沿焊接线26感应地焊接焊接界面区域74。或者，可相对于感应线圈22移动焊接界面区域74。应当理解，方框158、160和162可同时发生。在方框164，来自传感器38的反馈用于实时调节感应焊接过程。例如，控制器30可以发出指令使不同的电流到感应线圈22，从而实时地调节加热量，控制感应线圈22和焊接界面区域74之间的速度等。参照图18，并继续参照图1和图16，示出了使用具有散热器20、冷却设备93、第二冷却设备100和第二感应线圈102的系统10将第一tpc 12感应焊接到第二tpc 14的方法170的流程图。方法170在方框172通过将第一tpc 12与第二tpc 14对准以形成焊接界面区域74而开始。
[0179]
接下来，在方框174，将散热器20放置到第一tpc 12上。如上所述，散热器20优选地
沿焊接线26至少覆盖焊接界面区域74。由于散热器20是柔性的，所以散热器20符合第一tpc 12的表面轮廓，无论是平面的还是非平面的，如图2a所示。在提供的实施例中，第一tpc 12、第二tpc 14和散热器20都放置在真空袋70内。然后，通过真空源72将真空施加至真空袋70。或者，可将惰性气体泵送到真空袋70中。
[0180]
在方框176，使用冷却设备93冷却散热器20。在一个实施例中，散热器20的目标温度由控制器30设定。然后，控制器30在通过冷却设备93冷却期间使用传感器38监测散热器20的实际温度。然后，控制器30控制由冷却设备93提供的冷却量，以使实际温度与目标温度匹配。目标温度可以使用查找表或计算的给定特定因素来设定，以便实现特定的热梯度。例如，设定目标温度可确定焊接界面区域74相对于感应线圈22的位置，并基于焊接界面区域74的位置设定目标温度。其它因素可包括喷嘴96的数量、来自喷嘴96的冷却剂流速、从冷却设备93到感应线圈22的距离、由感应线圈22产生的磁场的强度、以及第一tpc 12和第二tpc 14的厚度、碳纤维定向、以及感应线圈22相对于焊接界面区域74的移动速度。在另一实施例中，目标温度设定为约-100华氏度。在此上下文中，术语“大约”是本领域技术人员已知的。或者，术语“大约”可以理解为是指加或减25华氏度。
[0181]
在方框178，焊接界面区域74被感应线圈22感应地加热。在方框176处被冷却的散热器20将最靠近感应线圈22的部分76的温度保持在固结温度以下，同时允许焊接界面区域74的温度超过固结温度。
[0182]
在方框179，第一辊28a和第二辊28b将固结压力施加到第一tpc 12上以使第一tpc 12与第二tpc 14在焊接界面区域74处融合，从而一经冷却就产生均匀的熔合结合。在另一实施例中，波纹管39(图1a)或其它装置可将固结压力施加到第二tpc 14上。在方框180，通过沿焊接线26移动感应线圈22以将第一tpc 12部件焊接到第二tpc 14，沿焊接线26感应地焊接焊接界面区域74。或者，可相对于感应线圈22移动焊接界面区域74。应当理解，方框178、179和180可同时发生。在方框182，来自传感器38的反馈用于实时调节感应焊接过程。例如，控制器30可以发出指令使不同的电流到感应线圈22，从而实时地调节加热量，控制感应线圈22和焊接界面区域74之间的速度等。在方框184，第二冷却设备100和/或第二感应线圈102用于控制焊接界面区域74的冷却速率。通过基于从传感器38(图1)接收的反馈由控制器30实时控制冷却和加热的量来控制焊接界面区域74处的冷却速率。
[0183]
图19示出了根据本公开的原理的散热器185的替代实施例。散热器185被构造成吸收和消散来自第一tpc 12和/或第二tpc 14的热量。散热器185包括通过接头187柔性地连接的多个瓷砖186。接头187设置在瓷砖186之间。瓷砖186与瓷砖40基本相似，且接头187与图2所示的散热器20的接头42基本相似。然而，散热器185还包括穿过其中形成的多个流体通道188。流体通道188延伸穿过每个瓷砖186并穿过每个接头187。相邻瓷砖186和接头187之间的多组流体通道188串联连接在一起，以形成穿过散热器185的多个流体路径188a。流体路径188a优选地是单向的并且彼此平行。然而，流体路径188a可具有其它构造，例如不平行的或偏移的。在提供的实施例中，每个瓷砖186包括三个流体通道188，然而，应当理解，可以采用任何数量的流体通道188。流体通道188尺寸被确定为穿过其中传送冷却剂，如下所述。在一个实施例中，流体通道188具有大约0.042英寸的直径。在另一实施例中，流体通道188具有大约0.082英寸的直径。在一个方面，歧管189连接到散热器185。歧管189包括经由多个内部通道(未示出)与流体通道188连通的端口190，以便为散热器185提供单个连接端
口。
[0184]
图20示出了用于使用图3的散热器制造系统50来制造散热器185的方法200的流程图。方法200开始于方框202，其中穿过每个瓷砖186形成流体通道188。在一个实施例中，使用超声机加工(未示出)穿过瓷砖186来钻出流体通道188。
[0185]
在方框204，图21中所示的多个杆205插入到流体通道188中。杆193可以涂覆有释放材料以有助于随后移除杆193。杆193的尺寸被确定为与流体通道188的直径匹配。每个杆193穿过具有对准的流体通道188的多个瓷砖186。在方框206，将瓷砖186布置成图案。例如，将瓷砖186放置到位于夹具58之间的背衬材料54上。背衬材料54将瓷砖186保持就位，同时夹具58使瓷砖186间隔开。因此，图案由夹具58限定。在布置到背衬材料54上之前，可以用底漆对瓷砖186进行涂底漆。优选地，将瓷砖186布置成使得流体通道188彼此对准。应当理解，方框204和206可以按任何顺序执行而不脱离本公开的范围。
[0186]
在方框208，移除框架56和夹具58，从而在瓷砖186之间留下间隙44。接着，在方框210，用柔性粘合剂45将瓷砖40柔性地结合在一起。柔性粘合剂45被施加在瓷砖186之间的间隙44内。杆205防止柔性粘合剂45进入形成在瓷砖186中的流体通道188。另外，柔性粘合剂45围绕杆205流动以形成穿过接头187的流体通道188。然后，柔性粘合剂45优选地在一段时间内固化。一旦固化，在方框212，杆193被从流体通道188移除。组装的散热器185可以被从背衬材料54移除。
[0187]
图22示出了系统10的放大的局部横截面，其示出了第一tpc 12、第二tpc 14和散热器185在工具基部16上的铺设。第一tpc 12设置在第二tpc 14的顶部上。散热器185在感应线圈22和第一tpc 12之间设置在第一tpc 12的顶部上。第一辊28a和第二辊28b通过散热器185将固结压力施加在第一tpc 12上，以将第一tpc12压紧到第二tpc 14上。散热器185的流体路径188a连接到将冷却剂供应到散热器185的泵220。泵220被构造成泵送例如水或高温传递流体的冷却剂穿过散热器185的流体路径188a。高温传递流体的实例是dynalene公司的dynalene sf。在一个实施例中，泵220连接到歧管189的端口190(图19)。
[0188]
在感应焊接期间，控制器30(图1)发出指令使电流通过感应线圈22以产生磁场25。磁场25加热第一tpc 12和第二tpc 14内的碳纤维。第一tpc 12的更靠近感应线圈22的部分76被加热到比在焊接界面区域74处更大的程度。冷却剂由泵220泵送穿过散热器185。在第一tpc 12中产生的热量被散热器185吸收并消散到流体路径188a中的冷却剂中。冷却剂被泵出散热器185之外，从而消散第一tpc 12中的热量。
[0189]
当在焊接界面区域74处的热塑性塑料被加热到材料的熔点或固结温度以上时，第一辊28a和第二辊28b在第一tpc 12上施加固结压力以使第一tpc 12与第二tpc14在焊接界面区域74处融合，从而一经冷却就产生均匀的熔合结合。在一个实施例中，焊接界面区域74被加热到固结温度以上大约20度。
[0190]
一旦被加热，冷却剂可以被泵送回去穿过散热器185以控制焊接界面区域74的冷却速率。在一个实施例中，在感应焊接之后，冷却剂以大约400华氏度的温度循环回去穿过散热器185以控制焊接界面区域74的冷却速率。穿过散热器185的冷却剂的输入温度和流速，连同供应到感应线圈22的功率，可以被调节以控制焊接界面区域74的冷却速率。
[0191]
然后控制器30发出指令使机器人臂24沿焊接线26(图1)在第一方向26a(图1)上移动，以将第一tpc 12部件焊接到第二tpc 14。或者，焊接界面区域74相对于感应线圈22移
动。来自传感器38(图1)的反馈可用于命令不同的电流到感应线圈22，从而实时地调节加热量。
[0192]
图23示出了根据本公开的原理的散热器250的另一实施例。散热器250类似于图19所示的散热器185，然而，流体通道188设置在接头187内。因此，流体通道188设置在瓷砖186之间而不是穿过瓷砖186。瓷砖186并未被穿过其中钻孔，因此可以承受比在散热器185中更大的压紧力。流体通道188能够承受感应焊接期间的固结压力，而不会挤压和切断流体通道188。
[0193]
图24示出了根据本公开的原理的散热器300的又一实施例。散热器250类似于图19所示的散热器185，然而，流体通道188是椭圆形形状的。另外，在每个瓷砖186中仅形成一个流体通道188。椭圆形流体通道188减小了压降，并且相对于散热器185减小了在流体通道188内受限的任何机会。另外，相对于散热器185，由于流体通道188的表面面积较大，椭圆形流体通道188具有增加的热传递。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以采用包括正方形或星形的其它形状。
[0194]
图25示出了根据本公开的原理的散热器400的另一实施例的一部分的俯视图。散热器400包括由背衬404连接的多个瓷砖402。瓷砖402由不导电而导热的材料制成，并且类似于散热器20的瓷砖40(图2)，然而，瓷砖402的形状是六边形而不是正方形。然而，应当理解，瓷砖402可以具有任何数量的侧面和形状，而不脱离本公开的范围。瓷砖402由背衬404固定就位。
[0195]
背衬404将瓷砖402柔性地保持在一起，并且向散热器400提供柔性，从而允许散热器400符合弯曲表面(未示出)。瓷砖402以单层布置成镶木地板或几何图案。每个瓷砖402在瓷砖之间限定气隙406。气隙406没有材料。在一个实施例中，气隙406具有在大约0.005英寸到大约0.1英寸之间的宽度407，并且优选地为大约0.040英寸。在此上下文中，术语“大约”是本领域技术人员已知的。或者，术语“大约”可以理解为是指加或减0.005英寸。气隙406允许使用气流来增加对瓷砖402的冷却，如下文将描述。背衬404优选地是由交织纤维408构成的网，图25中仅示出了其中的一些交织纤维408。纤维408是不导电的并且在感应焊接期间不会熔化。纤维408可以由玻璃或氧化物陶瓷构成，并且可以嵌入硅树脂或其它材料中。在另一实施例中，背衬404由浸渍有聚四氟乙烯(ptfe)的玻璃纤维布或网构成。
[0196]
在一个实施例中，散热器400包括沿着散热器400的纵向边缘412设置的管410。在一个实施例中，管410结合到背衬404。在另一实施例中，管410由ptfe构成。另外或替代地，管410可设置在散热器400的不沿着纵向边缘412的部分中，诸如横向边缘等。管410与加压气体源414连接。加压气体源414可以包括风扇、泵或加压罐。加压气体源414传送气体例如空气或冷co2通过管410。管410包括穿过其设置的孔416。孔416与瓷砖402之间的气隙406对准。在感应焊接期间，气体由加压气体源414提供，并且被传送穿过管410且穿过孔416。然后，气体穿过气隙406，并从瓷砖402吸收和耗散热量。
[0197]
图26示出了散热器400的局部横截面。瓷砖402通过粘合剂420粘附到背衬404。由于背衬404是柔性的，因此粘合剂420不需要是柔性的。合适的粘合剂的实施例包括硅树脂、ptfe、聚苯并咪唑(pbi)、高性能聚酰胺(hppa)、聚酰胺(pi)、聚酰胺亚胺(pai)、聚酮、聚砜衍生物-a、含氟聚合物、聚醚酰亚胺(pei)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚苯硫醚、间同立构聚苯乙烯和聚对苯二甲酸环己烷二甲酯(pcts)。合适的粘合剂的另一实施例是具有液体
树脂和粉末硬化剂的环氧热固化双组分体系。例如，粘合剂可以是elantas pdg股份有限公司注册的epoxylite5403或epoxylite5302。在另一实施例中，粘合剂420可以是硅树脂压敏粘合剂。在另一实施例中，粘合剂420由与散热器20的接头42(图2)中使用的相同类型的硅树脂构成。图27示出了散热器450的另一变型的横截面，其中瓷砖402嵌入粘合剂420内。在该实施例中，气隙406填充有粘合剂420。
[0198]
图28和图29示出了用于使用散热器400将第一tpc 12感应焊接到第二tpc 14的系统500的局部横截面。系统500以类似于上述系统10(图1)的方式操作。在提供的实施例中，第一tpc 12和第二tpc 14是弯曲的，因此第一tpc 12限定了弯曲的接触表面502。第一tpc 12和第二tpc 14由弯曲的工具基部504支撑。感应焊接期间的固结压力由波纹管506通过弯曲的工具基部504施加。或者，可使用气压缸或机械致动器，例如弹簧、条带或杠杆来施加固结压力。
[0199]
散热器400在感应线圈22和第二tpc 14之间设置在第一tpc 12上。背衬404挠曲以允许瓷砖402接触弯曲接触表面502。瓷砖402与弯曲接触表面502之间的接触使热传递最大化。在另一实施例(未示出)中，背衬404浸渍有ptfe，并且背衬404与弯曲接触表面502接触。ptfe允许背衬404用作释放膜，并防止散热器400在感应焊接期间粘到第一tpc 12。
[0200]
散热器400由散热器保持器508保持就位。替代地或附加地，真空袋70(图1)可以用于保持散热器400与弯曲接触表面502接触。在一个实施例中，如图28所示，仅当背衬404挠曲时，才形成与焊接界面区域74相反的气隙510。在该实施例中，气流不被用于帮助冷却瓷砖402，并且散热器可以仅适应二维(即，x和y坐标)的弯曲表面。在图29所示的另一实施例中，当背衬404挠曲时，气隙512也形成为邻近弯曲接触表面502。在该实施例中，使用穿过气隙510、512的气流来帮助冷却瓷砖402。另外，散热器400可以适应三维(即，x、y和z坐标)的弯曲表面。感应焊接以与上面参照图1所述的方式类似的方式执行。
[0201]
上述系统10和500、散热器20、185、250、300和400以及方法60、80、110、130、150和170都操作以控制第一tpc 12和第二tpc 14的感应加热，以沿着焊接界面区域74集中加热。因此，避免了在最靠近感应线圈22的第一tpc 12中的部分76中以及第二tpc 14中的部分88中的温度超过固结温度。
[0202]
系统10和500的各方面以及方法60、80、110、130、150和170可用于图30所示的飞行器制造和维修方法1000和图31所示的飞行器1002的环境中。在预生产期间，示例性方法1000可包括飞行器1002的规格和设计1004以及材料采购1006。在生产期间，发生飞行器1002的部件和子组件制造1008和系统集成1010。此后，飞行器1002可以经历认证和交付1012以便投入服役1014。当由客户使用时，飞行器1002被安排进行日常维护和维修1016(其也可以包括修改、重新构造、整修等)。在方法1000中描述的生产和维修的任何一个或多个合适的阶段(例如，规格和设计1004、材料采购1006、部件和子组件制造1008、系统集成1010、认证和交付1012、服役1014、维护和维修1016)和/或飞行器1002的任何合适的部件(例如，机身1018、系统1020、内饰1022、推进系统1024、电气系统1026、液压系统1028、环境系统1030)期间，可以采用本文中呈现的设备和方法。
[0203]
本文所述的系统和方法的每个过程可由系统集成商、第三方和/或运营商(例如，客户)执行或实行。为了本说明书的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞行器制造商和主系统转包商；第三方可以包括但不限于任何数量的卖主、分包商和供应商；并且
运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、维修组织等。
[0204]
如图31所示，通过示例性方法1000生产的飞行器1002可包括具有多个系统1020和内饰1022的机身1018。系统1020的实施例包括推进系统1024、电气系统1026、液压系统1028和环境系统1030中的一种或多种。可以包括任何数量的其它系统。尽管示出了航空航天实施例，但是本公开的原理可以应用于其它工业，诸如汽车工业。
[0205]
在示例性方法1000的任何一个或多个阶段期间可以采用上述系统和方法。例如，对应于部件和子组件制造1008的部件或子组件可以以类似于当飞行器1002在服役时生产的部件或子组件的方式制造或生产。而且，在部件和子组件制造1008和系统集成1010期间，例如通过充分加快飞行器1002的组装或降低其成本，可以利用一个或多个设备方面、方法方面或其组合。类似地，在飞行器1002服役时，可以利用设备方面、方法方面或其组合中的一种或多种，例如但不限于，维护和维修1016。例如，本文描述的技术和系统可以用于材料采购1006、部件和子组件制造208、系统集成1010、服役1014和/或维护和维修1016，和/或可以用于机身1018和/或内饰1022。这些技术和系统甚至可以用于系统1020，包括例如推进系统1024、电气系统1026、液压系统1028和/或环境系统1030。
[0206]
本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开的要旨的变型旨在处于本公开的范围内。这些变型不应被认为是脱离了本公开的精神和范围。

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