空氣粘接方法
【專利摘要】通過歧管輸送加壓空氣經具有0.8至2.5毫米的孔直徑并沿所述歧管以10到30毫米的平均距離間隔的多個孔接觸第一元件以實現具有大于2200雷諾數在150和315℃之間的溫度和超過環境壓力每平方英寸（psi）0.5和10磅之間的壓力下的紊流氣流形式在第一元件和第二元件的外表面上以熱固化元件之間的可固化的粘接劑以在60至90秒中實現粘接劑固化而沒有正常人裸眼可見的粘接線讀出。
【專利說明】空氣粘接方法
【技術領域】
[0001]本發明大體涉及一種粘接方法，特別涉及用于將汽車纖維增強塑料(fiberreinforced plastic, FRP)元件粘接在一起的方法。
【背景技術】
[0002]當前采用各種技術用于將纖維增強塑料(FRP)元件粘接在一起用于使用在汽車車身應用如，但不限于，發動機罩、車門、保險杠和類似物中。由于在汽車行業中用塑料組件取代較重的金屬部件的增長趨勢，在可獲得的用于生產粘接的FRP組件的設備和方法的數量上已經具有發展。這些組件通常通過加熱放置在兩個FRP元件的配合表面之間的粘接劑至超過其固化溫度的溫度進行粘接。
[0003]現有技術圖1至圖3以簡化的方式示出公知的粘接技術的例子，其使用熱量粘接由FRP元件10和12以及放置在它們之間的粘接劑14組成的FRP組件。圖1示出在電極18和塊件20之間產生無線電頻率靜電場的介質加熱設備16。靜電場迅速加熱粘接劑14至其固化溫度以上的溫度，從而粘接FRP元件10和12。共同轉讓給Wilkinson等人的美國專利US4941936和給Iseler等人的美國專利US4941937披露了介質加熱技術的例子，其在這里通過參考并入。介質加熱技術具有減少循環時間的優點，以及伴隨的以很難控制和維持的方式加熱FRP組件的缺點。
[0004]現有技術圖2示出利用筒式加熱器28用于加熱金屬塊件24和26的粘接設備22。塊件24和26反過來加熱 流經空氣管路30的空氣，其中的一部分流經開口 32用于加熱在FRP元件10和12之間的粘接劑14。這種類型的粘接技術的一個缺點是，它需要大量供應壓縮空氣以有效運作。
[0005]現有技術圖3示出利用流經通道40的加熱蒸汽和/或熱水用于加熱金屬塊件36和38的粘接設備34。塊件36和38反過來加熱在FRP元件10和12之間的粘接劑14。當與在現有技術圖1和2中示出的粘接技術相比時，這種粘接技術具有需要高循環時間的缺點。
[0006]當粘接的FRP組件使用在外部汽車車身應用中時，所采用的粘接技術不對外部FRP元件的表面質量產生不利影響，且盡管FRP組件的尺寸，該技術提供均勻粘接，是最重要的。
[0007]其它現有技術，如美國專利US5554252，提出了一種改進的方法，但是留下了它自己的幾個缺點。例如，傳統的方法不能使得片狀成形料(sheet molding compound, SMC)基板至足夠高的溫度，以在粘接夾具中60至90秒后提供足夠的操作強度至粘接的組件。為了獲得較低的循環時間，將需要比使用當前的熱空氣粘接技術的粘接夾具更昂貴的粘接夾具。此外，常規的方法具有使循環時間較長的低速傳熱。這種低傳熱速率的大部分是使用層流氣流的結果，其通過傳統的教導，提供比湍流氣流系統更好的傳熱速率。方法如美國專利US5554252可以實現更理想的循環時間，但因為層流氣流的使用，所披露的較差的方法不會產生足夠的傳熱速率，導致沿粘接接合面板的粘接線的表面變形(又名粘接線讀出)。美國專利US5554252的常規實驗和優化不允許成功使用環境氣流以提供60-90秒的固化時間。
[0008]本領域的目前技術的其它缺點是，使用常規技術，聚氨酯粘合劑不能使用在必須經受電泳涂層(超過205°C的溫度)的SMC粘接組件如發動機罩和行李箱蓋中。常規熱空氣粘接技術目的用于使用在環氧粘合劑中，其中快速固化化學(催化劑)是可得的，而對于其它粘接劑如聚氨酯是不可得的。最后，本領域的目前技術沒有在加熱組件內提供可以調節以促進、協助或優化氣流用于期望效果的輪廓表面。
[0009]因此，將期望產生粘接設備，其改善所得FRP組件的表面質量，并在短時間例如60至90秒內提供遍及整個組件的均勻粘接和操作強度，而沒有粘接線讀出。另外，將期望提供一種粘接技術，其迅速粘接第一 FRP元件至增強FRP元件而不影響表面質量或粘接強度特性，并具有獲得足夠高的溫度用于SMC基板以支持這些期望的特性的能力。
【發明內容】
[0010]本發明提供了一種用于將第一元件粘接至第二元件的方法，包括將未固化的粘接劑放置在第一元件的第一元件配合表面上。以間隔關系支撐第一元件和第二元件，第二元件的第二元件配合表面接觸位于第一元件的第一元件配合表面上的未固化的粘合劑。加壓空氣通過歧管輸送，經具有0.8至2.5毫米的孔直徑并沿歧管以10至30毫米的距離間隔的多個孔接觸第一元件。加壓空氣以湍流氣流方式在150和315°C之間的溫度以及超過環境壓力每平方英寸(psi)0.5和10磅之間的空氣壓力下吹入第一元件和第二元件的外表面周圍，用于熱固化粘接劑。然后低于該溫度的較冷的加壓空氣吹入配合表面區域的周圍，而以間隔關系支撐第一元件和第二元件以在60至90秒內實現粘接劑固化，且無正常人裸眼可見的任何粘接線讀出。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]對于本領域技術人員來說，在閱讀以下說明書和參考附圖后，本發明的各種優點將變得明顯，其中:
[0012]圖1是一種現有技術粘接設備的簡化示意圖。
[0013]圖2是第二現有技術粘接設備的簡化示意圖。
[0014]圖3是第三現有技術粘接裝置的簡化示意圖。
[0015]圖4是在本發明的條件下顯示湍流氣流從元件和粘接其間的粘接劑形成的組件的立體圖。
【具體實施方式】
[0016]本發明具有用處在粘接增強外部汽車車身組件，例如，但不限于，發動機罩、車門和保險杠組件中。本發明提供用于粘接第一，通常外部，纖維增強塑料(FRP)元件至第二增強元件的設備和快速方法，盡管可以使用其它塑料或甚至金屬，第二增強元件也優選由FRP材料制造。
[0017] 應理解，在值的范圍提供的情況下，范圍旨在不僅涵蓋范圍的端點值，而且涵蓋范圍的中間值，如明確包含在該范圍內以及通過范圍的最后重要數字變化。舉例來說，從I至4的引用范圍旨在包括1-2、1-3、2-4、3-4、和1-4。[0018]在一個具體實施例中，相關的粘接歧管包括一系列孔，每個孔具有0.8至2.5毫米的直徑，沿粘接歧管彼此間隔10至30mm的距離。在該具體實施例中，在高于環境壓力
0.5至IOpsi之間的壓力下，加壓加熱空氣，含有需要固化的環氧或聚氨酯粘接劑，施加壓力至第一元件的外表面。應理解，典型的環境壓力為14.7psi，但在封閉環境中環境壓力可能會發生變化，因此施加的總壓力可能會有所不同，但是，調節以施加高于環境壓力0.5至IOpsi0本具體實施例的另一個方面需要加壓歧管空氣的空氣溫度為150和315°C之間，并在另一些具體實施例中至230和290° C之間的空氣溫度范圍。與傳統的層流熱粘接系統相比，這些特征的組合導致在1.5至3.0mm的粘合線厚度提供令人驚訝的快速固化的湍流氣流。此外，提供輪廓表面，其是可調的，以促進或協助所述加熱空氣的湍流。 [0019]如在這里所用的，“湍流氣流”限定為來自如在這里詳細描述的歧管并處于具有大于2120并在某些情況下大于3000甚至大于5000的雷諾數(Re)的條件下的氣流。
[0020]本發明提供用于借助于湍流加熱粘接區域通過增強熱傳遞快速粘接汽車至增強塑料(FRP)元件的粘接方法，與層狀氣流最好用于該目的的傳統觀念相反，實現更快的固化時間以及因此生產量。雖然本發明關于FRP元件的粘接進行描述，將理解，其它塑料、復合材料、玻璃或甚至金屬元件容易與可固化的粘接劑接合，以和本發明形成連接。在美國專利US5554252中詳述描述的設備是能夠高通量空氣粘接可固化的粘接劑的示例性設備。
[0021]根據本發明的一個具體實施例的教導，提供第一元件，通常汽車外殼元件，至增強元件的粘接。形成汽車外殼元件的示例性材料是SMC。理解到，許多汽車車身SMC部件具有高品質的表面光潔度，在行業中通常稱為A級表面光潔度。如在圖4中所示的，第一元件10和第二元件12以間隔關系保持，未固化的粘接劑14位于第一元件10的配合表面42上。提供第一和第二嵌套元件用于以間隔關系容納和支撐第一元件10和第二元件12，如結構增強，以控制通過粘接劑14的固化形成的粘接線厚度。對元件的相對移動進行控制，以便第一元件的配合表面42通過其間的粘接劑14結合第二元件的對應的配合表面44以形成嵌套元件。元件的移動和相對位置的保持由包括真空吸盤的真空組件控制。定位器確保嵌套元件50在粘接之前在適當的位置。
[0022]可切換的加熱和冷卻組件(未示出)首先提供加壓加熱空氣至嵌套元件50，其反過來通過歧管52在第一元件10的外表面54的多個部分周圍導向加熱空氣，氣流處于箭頭顯示的方向。理解到，需要與歧管52類似的在第二元件12下吹動湍流空氣至第二元件12的外表面56上的歧管，以在60至90秒內引發環氧樹脂或聚氨酯固化，但為了視覺清楚，未畫出。將外表面54和56暴露于湍流加熱氣流以引發固化和粘接后，然后該區域暴露于較冷的湍流空氣以加速冷卻形成組件的現在結合的元件，與嵌套元件50只不同在粘接劑現在是固化的。加壓加熱空氣加熱可固化的粘接劑至超過粘接劑固化溫度的溫度，然后加壓冷卻空氣促進用于所得到的組件的冷卻方法。
[0023]本發明很容易使用在汽車組件的制造中，但是，本領域技術人員將理解，本發明，如所附的權利要求所限定的，明確不限于該特定應用。此外，本發明是參照從FRP材料形成的發動機罩組件元件進行描述的，然而，本領域技術人員將理解，其它塑料或金屬的使用是在本發明的范圍內的。
[0024]粘接劑14通常包含樹脂，其包括非交聯聚合物和單體，以及含有硬化劑或催化劑的第二部分。環氧樹脂粘接劑能夠進行電泳涂層，對于許多汽車應用是非常期望的，而聚氨酯也非常適合根據本發明的熱空氣引發粘接。
[0025]歧管 52容易由鋼、鋁、金屬合金、陶瓷或玻璃形成，并具有基本線性系列的多個孔58，定位用于用湍流氣流沖擊在外表面54上。理解到，根據隨著更復雜排列的孔形成而湍流趨于下降的了解，使用雙排或更復雜排列的孔。相鄰孔之間的平均間距，d，選擇在10和30毫米之間。每個孔58具有0.8和2.5毫米之間的直徑。理解到，孔的形狀可以不同于圓形，還包括橢圓形、矩形、三角形和鋸齒切割以形成細長槽；并仍然具有0.5至5平方毫米的相似的面積，A0
[0026]具有在直徑、間距和孔向的至少一個屬性上通過歧管的非均勻性程度的孔58也促進湍流。孔的孔向最經常從管的中心軸線徑向延伸。理解到，沿著圓形橫截面歧管的弦的孔向或否則如果突出而不延伸通過歧管中心給予從這樣的孔出來的氣流不同的矢量流。給定的歧管的流動動力學容易通過有限點分析建模以設計在給定的溫帶和壓力產生湍流氣流的歧管，以確保大于2200、大于3000、或甚至大于5000的雷諾值。
[0027]該加熱空氣以高于環境每平方英寸0.5至10磅的范圍內的壓力和在150和315°C之間的溫度供應，在其它具體實施例中在230和290°C之間的空氣溫度范圍。該加熱空氣供應5至30秒。理解到，進入歧管的氣流也可以施以脈沖以引發湍流。采用電磁閥容易獲得5至500赫茲的脈沖速率。此后，較冷溫度的空氣通過歧管52推動以沖擊在外表面54上，相似的，提供歧管以推動較冷的空氣以高于環境壓力每平方英寸0.5至10磅的范圍內的壓力至表面上O至60秒。當加壓加熱空氣沖擊在嵌套元件上時，元件10和12之間的粘接劑加熱到固化溫度以上的溫度，以便形成粘接組件，對本領域技術人員來說應該是明顯的。熱和冷空氣提供采用的壓力、溫度和時間段是通過舉例的方式使用的，其它操作參數在本發明的范圍內，對本領域的技術人員來說將是明顯的。
[0028]前述僅僅披露和描述本發明的示例性的具體實施例。本領域技術人員將容易地從這種討論以及從附圖和權利要求認識到，可以在其中進行各種改變，修改和變化，而不脫離如由下面的權利要求所限定的本發明的精神和范圍。前面的描述是本發明的特定實施例的說明，但并不意味著是對其實踐的限制。下面的權利要求，包括其所有的等同物，旨在限定本發明的范圍。
【權利要求】
1.一種用于粘接第一元件至第二元件的方法，其特征在于，包括: 將未固化的粘接劑放置在第一元件的第一元件配合表面上； 以間隔關系支撐第一元件和第二元件； 將第二元件的第二元件配合表面接觸位于第一元件的第一元件配合表面上的未固化的粘接劑； 通過歧管輸送加壓空氣經具有0.8至2.5毫米的孔直徑并沿所述歧管以10到30毫米的平均距離間隔的多個孔接觸第一元件； 將處于湍流氣流形式的在150和315°C之間的溫度和超過環境壓力每平方英寸(psi)0.5和10磅之間的空氣壓力下的加壓空氣沖擊到第一元件的外表面上或加熱粘接劑，然后，吹入低于該溫度的加壓空氣，而以間隔關系支撐第一元件和第二元件； 在60至90秒內固化未固化的粘接劑，而沒有正常人裸眼可見的任何粘接線讀出。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，其中第一元件和第二元件由每個包括分別對應于第一元件和第二元件的外表面的輪廓的輪廓表面的嵌套結構以間隔關系保持，外表面包括沿第一元件和第二元件的配合表面的長度延伸的第一和第二通道，以便基本相等的空氣壓力施加至第一元件和第二元件的外表面的多個部分，調節外表面以促進湍流氣流形式。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，其中間隔關系是1.5至3mm。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，加壓加熱空氣以230和290°C之間的溫度供應。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包括將湍流加熱空氣沖擊在第二元件外表面上用于增強熱傳遞速率，以引發所述的可固化的粘接劑固化。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，其中第一元件是汽車車身面板。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，其中第二元件是增強結構元件。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，其中第一元件是纖維增強塑料A級表面元件。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包括施加脈沖至加壓空氣。
10.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，其中以5至500赫茲的速率施加脈沖至加壓空氣。
11.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述多個孔在相鄰孔間距、孔形狀、孔直徑或孔向的至少一個屬性上變化。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，其中所述多個孔至少之一具有不延伸通過所述歧管的中心軸線的孔向。
13.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，其中所述多個孔至少之一是槽。
【文檔編號】C09J5/00GK103965792SQ201310109227
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年3月29日 優先權日:2013年1月29日
【發明者】普羅比爾·庫馬爾·古哈, 布拉德·哈斯克爾, 休·C·福倫 申請人:康廷南拓結構塑料有限公司