用于形成斜面接頭的方法和工具與流程

本發明涉及用于在兩個細長構件之間形成斜面接頭(scarf joint)的方法和工具。

本發明特別地用于在風力渦輪葉片的翼梁帽(spar cap)中形成斜面接頭。然而，該構思能夠更廣泛地應用以連結任何兩個細長的復合構件。

背景技術：

WO2012/004571描述了在翼梁帽中形成接頭的方法。通過形成此種接頭，風力渦輪葉片可由多個小構件制造，該多個小構件然后堆積以形成完整長度葉片。任何這種接頭必須是堅固且可靠的，且不應將不需要的寄生質量引入葉片結構中。WO2012/004571公開了連結翼梁帽的方法，這允許風力渦輪葉片在工廠環境的外側連接在一起，使得區段可以以區段的形式轉移且在它們的使用點附近組裝。本公開然后繼續描述基于工廠的組裝方法。這需要多個U形治具，該多個U形治具在連結過程期間支撐翼梁帽構件。一旦它被支撐，則連接件或者由界面區域中的多個預浸料疊片組成，或者是被完全插入界面中的預固化構件。在該時刻，在真空下加熱且固化接頭區域。WO2012/004571不描述對接頭區域應用真空的細節。然而，這是通過應用真空袋來進行的，該真空袋被圍繞接頭區域密封。然后抽空在袋與接頭區域之間的空間，以便在固化過程期間對該接頭加壓。

本發明涉及該過程的改進。

確保高品質的疊片和沒有瑕疵的接頭是重要的，缺陷導致應力集中且降低結構完整性。孔隙是改變材料特性，引起應力集中且作用為用于裂紋成核(crack nucleation)的點的缺陷。孔隙可由各種起因導致，例如：當混合樹脂時或在鋪疊期間(特別是在層落下)時，空氣可被困住；揮發物可在固化過程期間被釋放；且內部拉伸應力可因樹脂固化收縮而累積。

我們已認識到，為了減少孔隙的形成，流體靜樹脂壓力必須保持高于揮發物蒸汽壓力。否則，揮發物從溶液出來且形成孔隙。固化期間更高的溫度導致更高的揮發壓力，這意味著如果孔隙或揮發壓力超過流體靜樹脂壓力，則先前存在的孔隙將生長。該樹脂流體靜壓力因此應保持足夠高，以確保空氣或揮發氣體可坍縮或溶解在液體樹脂中，直至發生膠凝。

孔隙的問題對所有的復合物制造而言是共通的，但存在對之前描述的斜面接頭布置而言特定的難題。斜面表面可為階梯狀表面，其中通過使纖維層(或層片)降下來形成角度。在接頭界面處，可存在局部富含樹脂的地帶。孔隙傾向于在這些區域中形成。當使用真空袋方法時，如果暴露于真空，則這些孔隙可在尺寸方面生長，因為蒸汽壓力超過流體靜樹脂壓力。如果溶解的氣體或濕氣從溶液出來，則還可形成新的孔隙。斜面表面對斜面接頭的結構完整性而言是關鍵的，且該區域中的任何缺陷可顯著地降低性能。避免作用為應力集中的此種缺陷是重要的。這在斜面接頭的薄端部(朝向錐形端部表面末梢)中是特別重要的，因為相對于疊片的局部厚度，因任何缺陷導致的應力集中是大的。因此，應力集中在薄端部中是更為不利的。

除了在使用具有斜面接頭布置的真空袋時與孔隙有關的難題之外，還存在應用真空的實踐挑戰。從真空獲得一致和均勻地分配的壓力可能是困難的，且必須消除所有的泄漏，以使壓實壓力最大化。真空袋還可夾緊疊片的邊緣，這阻礙空氣/揮發物的抽空。最大壓力還取決于可變的大氣條件，從而導致疊片品質的可變性。

回避這些難題的一個方式是使用高壓釜。高壓釜施加超過大氣但通常在500kPa(5 bar)到700kPa(7 bar)的范圍中的壓力。該高壓通過真空袋來避免上面提及的難題。然而，高壓釜是昂貴的且在尺寸方面受限。它們尤其不適用于兩個細長構件之間的接頭，且足夠長以保持這些構件的高壓釜的成本是極高的。

技術實現要素：

根據本發明，提供根據權利要求1的形成斜面接頭的方法。

本發明提供前述真空袋方法的便利性，但以高壓釜的成本的一小部分來避免與施加壓實壓力相關的所有難題。

因為圍繞構件的形成接頭的部分來應用模制工具，所以不需要大的壓力容器。施加的壓實壓力可超過真空袋方法(限于與大氣壓力相等的最大壓力)且可接近在高壓釜中使用的壓力。此外，需要被加壓的體積可為最小的，從而降低對大體積加壓的成本，且顯著地減少周期時間。

施加正壓力增長的步驟優選地包括施加小于600kPa(6 bar)，優選地小于500kPa(5 bar)，優選地小于400kPa(4 bar)且優選地小于300kPa(3 bar)的最大壓力。

可通過機械或液壓方式來實現施加壓力的步驟。然而，優選地通過將壓力袋放置在模制工具中且將壓力施加至壓力袋以加壓構件來實現施加壓力的步驟。

在此情形中，板可包括在壓力袋與復合構件之間，以確保將壓力均勻地施加至被施加壓力的面。

該模制工具可設有一件式殼體，待連結的構件插入該殼體中。然而，優選地，模制工具包括兩部分式殼體。優選地，其采取處于通道形狀的基底的形式，以接收該第一和第二細長構件和可附接至該基底的蓋子，使得施加壓力步驟采取在蓋子與細長復合構件之間施加壓力的形式。這意味著，形成接頭的構件可放置到該基底中，這在構成構件時允許容易的可達性。

可應用該方法，以在任何兩個細長復合構件之間形成接頭。然而，優選地，其應用至形成翼梁帽的適合用于在風力渦輪葉片中使用的部分的細長復合構件。

該接頭可為“雙斜面”接頭。在此情形中，第二細長復合元件為連接件，該連接件在一個端部處連接至第一細長構件且在相反端部處連接至第三細長復合構件。連接件與第三細長復合構件之間的接頭優選地以與第一細長復合構件與連接件之間的接頭相同的方式形成。實際上，其可在相同的模制工具中同時地形成。

根據本發明的第二方面，提供根據權利要求9的工具。

該工具適合用于實現上面的方法。

優選地，該通道在兩個端部處打開，使得復合元件可在模制過程期間沿兩個方向突出。

用于施加正壓力的器件是可優選的，在該器件上，可施加小于600kPa(6 bar)、優選地小于500kPa(5 bar)、優選地小于400kPa(4 bar)和優選地小于300kPa(3 bar)的最大壓力。

用于施加正壓力的器件可為機械器件，其可手動地啟動(例如螺旋壓力機)，或通過電馬達來啟動。然而，優選地，用于施加正壓力的器件為壓力袋。在此情形中，板優選地在如下位置提供在壓力袋下方，在該位置中，其在使用時布置為接觸第一和第二細長復合元件。蓋子優選地包括用于對壓力袋加壓和排氣的一個或更多個端口。理想地，該基底盡可能地簡單，且實施模制過程所需的所有特征設在蓋子中。這使細長復合元件能夠在簡單的通道結構中組裝，且然后將具有所有必要連接的蓋子帶到合適位置。模制工具優選地包括加熱器，以便在固化過程期間加熱復合元件。該加熱器可設在蓋子中，但優選地在基底中，因為其對復合構件提供更直接的加熱。

技術方案1：一種在第一和第二細長復合構件之間形成斜面接頭的方法，所述第一和第二細長復合構件各自具有互補的錐形端部表面；

構件中的至少一個由浸漬在樹脂中的纖維層的堆疊形成，所述錐形端部表面通過各纖維層比鄰近層更遠地縱向前進地延伸而形成；

所述方法包括將粘合劑應用至所述錐形端部表面中的至少一個；

圍繞該第一和第二細長構件，在它們的錐形端部表面鄰近彼此的情況下附接模制工具；

貫穿固化過程施加正壓力增長，以朝彼此推錐形表面，而不使壓力局部地降低為低于樹脂或粘合劑的蒸汽壓力；和

通過所施加的壓力來固化所述模制工具中的樹脂和粘合劑。

技術方案2：根據技術方案1所述的方法，其中，施加壓力的步驟包括施加小于600kPa(6 bar)的最大壓力。

技術方案3：根據技術方案1所述的方法，其中，施加壓力的步驟是通過以下來執行的：將壓力袋放置在所述模制工具中，且將壓力施加至所述壓力袋，以對構件加壓。

技術方案4：根據技術方案3所述的方法，還包含：包括在所述壓力袋與所述復合構件之間的板。

技術方案5：根據任一前述技術方案所述的方法，其中，所述模制工具包括兩部分式殼體。

技術方案6：根據技術方案5所述的方法，其中，所述工具包括基底和蓋子，所述基底處于通道的形狀以接收所述第一和第二細長構件，所述蓋子能夠附接至所述基底，使得施加壓力步驟采取在所述蓋子與細長復合構件之間施加壓力的形式。

技術方案7：根據前述技術方案中的任一項所述的方法，其中，所述第一和第二構件形成適合用于在風力渦輪葉片中使用的翼梁帽的部分。

技術方案8：根據前述技術方案中的任一項所述的方法，其中，所述接頭為雙斜面接頭，其中第二細長復合元件為連接件，所述連接件在一個端部處連接至所述第一細長構件且在相反端部處連接至第三細長復合構件。

技術方案9：一種用于連結第一和第二細長復合元件的模制工具，所述工具包括兩部分式殼體，所述兩部分式殼體包括基底和蓋子，基底限定在至少一個端部處的通道開口，以允許復合元件中的一個在模制過程期間從所述開口突出；所述蓋子能夠可釋放地附接至所述通道的頂部；在所述蓋子下方的區域中，所述殼體包括用于在所述通道中在所述殼體與所述第一和第二細長復合元件之間施加正壓力增長的器件。

技術方案10：根據技術方案9所述的工具，其中，所述通道在兩個端部處打開。

技術方案11：根據技術方案9所述的工具，其中，用于施加正壓力的所述器件為可施加小于500kPa(5 bar)的最大壓力的器件。

技術方案12：根據技術方案11所述的工具，其中，用于施加正壓力的所述器件為可施加小于300kPa(3 bar)的最大壓力的器件。

技術方案13：根據技術方案12所述的工具，其中，用于施加正壓力的所述器件是壓力袋。

技術方案14：根據技術方案13所述的工具，其中，板在如下位置設在所述壓力袋的下方，在所述位置中，所述板布置成在使用時接觸所述第一和第二細長復合元件。

技術方案15：根據技術方案14所述的工具，其中，所述蓋子包括用于對所述壓力袋加壓和排氣的一個或更多個端口。

技術方案16：根據技術方案13所述的工具，還包括加熱器。

附圖說明

現在將參考附圖來描述根據本發明的方法和模制工具的示例，在該附圖中：

圖1a是可使用本發明的方法和工具制造的接頭的第一示例；

圖1b是可使用本發明的方法和工具制造的接頭的第二示例；

圖2是穿過模制工具的橫截面；且

圖3是穿過模制工具的細長截面。

具體實施方式

下面的描述將第二組兩個構件稱為翼梁帽構件，且主要意圖是，它們是用于在風力渦輪葉片中使用的翼梁帽構件。然而，該方法和工具可同樣地應用至具有互補的錐形端部表面的任何兩個或更多個細長復合構件，這些互補的錐形端部表面待連接在一起。

圖1a是通過本發明形成的雙斜面接頭的典型示例，而圖1b為單個斜面接頭的典型示例。

在圖1a中，如在WO2012/004571中更詳細地描述的，第一翼梁帽構件1經由v形連接件3而連結至第二翼梁帽構件2。翼梁帽構件具有錐形端部4，錐形端部4中的各個與其粘結至的連接件3的較低面5互補，如下所述。構件中的各個具有復合結構，且由多個纖維層制成，該多個纖維層被浸漬在樹脂中。各纖維層在縱向方向上前進地延伸，以便形成傾斜表面。該傾斜表面也可為加工的表面，使得其相當地光滑。備選地，其可具有階梯狀構造，因為如構成纖維層的層片中的各個在接頭界面處終止。連接件3可在如下所述地固化之前由半凝乳預浸料層構成為圖1a中示出的形狀。備選地，連接件3可為預固化的構件，在該情形中，不可適用本發明的方法，但仍可使用本發明的工具來連結此種構件。

在圖1b中示出第二種形式的接頭。其為單斜面接頭，其中不存在連接件。作為替代，存在具有傾斜端部的第一翼梁帽構件7，其在界面9處聯接至具有互補傾斜端部的第二翼梁帽構件8。該構件具有與上述相同的構造，且上面關于界面的說明同樣地適應于圖1b的單個界面。

為了形成接頭，使用圖2和3中示出的工具。其包括基底10，該基底10具有通道形構造，該通道形構造限定接頭構件的較低壁和側壁。如圖3中所示，基底10在各端部處具有開口11，在連結過程期間，翼梁帽構件1、2從開口11突出。首先，圖1a或1b中示出的翼梁帽的各種構件將被鋪疊在通道形基底10內。一旦所有的構件都在合適的位置，則將網膜板12放置在構件的頂部上，以確保壓力一致地施加至翼梁帽構件。然后通過多個螺栓14將蓋子13螺接到基底上，以將它穩固地固連在合適位置。基底10中的通道比翼梁帽深，從而允許用于將壓力袋15插入蓋子13正下方且在網膜板12上方的空間。蓋子13可具有朝下下垂的唇緣，使得它形成腔來接收壓力袋15，而非具有如圖2所示的平面構造。在此情形中，基底10與蓋子13之間的界面將比圖2中所示的低，且螺栓14將相應地放置。

在將蓋子13螺接在合適位置的情況下，壓力袋15被沿氣動線路16供應高壓空氣(直到500kPa(5bar))，可存在沿蓋子的長度間隔的多個氣動線路16。這些線路可同樣地經由基底而連接，但將它們提供在蓋子13中以允許將基底13用作模具是更便利的，而沒有與各種隨后的連接干涉的可能性。如果連接件13為預固化構件，則在粘合劑固化時施加壓力。另一方面，如果它是局部固化的構件，則在構件和粘合劑固化時施加高壓。在此情形中，加熱器可并入基底10中或優選地并入蓋子13中，以在固化過程期間加熱翼梁帽構件。作為氣動壓力的備選方案，可沿液壓線路16對壓力袋15供應高壓液體。

如從圖2和3中特別顯而易見的，形成接頭所需的加工占用與由待連結的構件自身占用的空間幾乎無差別的空間。因此它比可容納整個構件的高壓釜顯著更小且更便宜。而且，如從圖2和3可見的，壓力袋15的體積在給定接頭尺寸的情況下是最小的，使得加壓起來快速且便宜。壓力袋的小體積使加壓系統中儲存的能量最小化，特別是相對于高壓釜而言。

一旦粘合劑和/或翼梁帽構件已固化，則沿氣動線路16釋放壓力，拆卸螺栓14且移除蓋子13和壓力袋15，由此可從基底10移除固化的翼梁帽構件。