將元件連接到由聚合物構成的罐內表面上的製作方法

2023-06-09 05:09:06

專利名稱：將元件連接到由聚合物構成的罐內表面上的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及將元件裝配到中空聚合物罐中，並且特別地，涉 及將元件在罐內連接到壁面上。
技術背景目前，例如閥門的元件被熱板焊接到聚合物燃料罐的外表面上。 為了實現這一目的，要在包含阻擋層的罐壁上鑽孔。破壞了阻擋層， 並且現有的熱板焊接閥的結構增加了罐殼的滲透性。外部熱板焊接對於當前的汙染排放規定來說是可以接受的；但是， 隨著汙染排放要求變得越來越嚴格，將閥門放置在燃料罐的內部以防 止在燃料罐壁上穿孔是有必要的。新發展的技術集中於在模製工藝的過程中安裝閥門，這些工藝是 難於實施且造價昂貴的。元件的內部熱板焊接被經由開口的狹窄入口所妨礙，就像燃料輸 送模塊(FDM)所需要的那樣。在熱板焊接中既需要加熱罐又需要加 熱元件表面，這需要多種自動化操作；因此，該工藝的應用場合很有 限。在罐中進行熱板焊接對於待連接到罐內部的元件的設計提出了要 求，並施加了限制，這些要求和限制都是難於實現的。例如，在熱板 焊接中，在焊接處需要大量的物質，以致該物質與燃料罐的表面分開 地發生融化。在元件和罐壁被加熱至熔化狀態後，在將熱板從罐上移 開的同時，它們必須保持熱量，並保持熔化狀態，將元件在力的作用 下插入且連接起來，熔化的物質融合在一起形成焊縫。 發明內容非接觸式、穿透傳送紅外(TTIR)焊接利用了雷射或紅外輻射源， 或者某些其它能量源，將能量傳送到焊接處並形成焊縫。待焊接的兩個表面被放置在一起，並且焊接能量通過待焊接的元件穿透到焊接處。 能量被傳送到焊縫處，在那裡不透明的介質吸收紅外能量，融化兩個 元件的表面並形成接合。一種用於將元件緊固到罐上的方法，包括形成罐，該罐具有由多 層聚合物材料構成的壁，在該壁上鑽有開口，設置該開口的目的是提 供進入罐內部的通道，並將不同元件，例如燃料泵、燃料指示系統安 裝到那裡。優選地元件形成有安裝表面，該表面接觸罐壁的內部聚合 物層。連接到自動化操作者的夾持裝置用於將元件安裝到罐中，以致 該安裝表面接觸該罐的內表面。能量通過元件傳送到位於罐壁所在區 域上的能量吸收表面，該能量吸收表面或是元件焊接表面上的灰暗色 罐內層表面或是灰暗色的層，在該罐壁區域中，元件的安裝表面接觸 內表面。所傳送的能量用於提供熱量來融化聚合物，以便在該元件安 裝表面和罐壁之間形成焊接。元件的伸展翼安裝表面考慮到了緊湊的元件設計，這種設計使得 閥門通風封擋物的高度最大化，同時在適當的位置上形成了焊縫，以致TTIR熱源可被直接放置在該焊縫的下部。該方法能夠適當遮擋焊接能量源，以保護位於罐壁內部的阻擋層， 並保護正被焊接到罐壁上的元件、閥門、管箍、容器等。這種工藝形成了焊接，這種焊接是堅固的，且在動力衝擊的情況 下，在罐表面不會出現斷裂損壞。破壞性的焊接試驗表明，由於撕裂 而導致的可能的損壞模式是元件的翼在焊接結合處損壞，或者原材料 自身從焊縫處脫落。被焊接的元件可由高密度聚乙烯(HDPE)製成，以確保將其焊 接到罐壁的能力。對於元件，使用天然(未著色)的HDPE將使得紅 外輻射能通過吸收能量的燃料罐的黑色內壁，而後該能量將在焊接處 加熱壁及元件。元件的翼安裝表面同樣能夠添加由黑色HDPE材料制 成的膜，或者將它貼在模具上，或者插入到注塑模具中，以便為將元 件焊接到天然的HDPE燃料罐內表面提供紅外線吸收層。該焊接件可適應於蒸汽控制岡門或其它的元件，其帶有被連接到蒸汽閥門上的單獨零件，或者作為閥門的整體設計部分。將焊接件180 度間隔布置，並使它們對稱分布，這使焊頭具有柔性或靈活性以有助 於在具有一定角度的表面上進行焊接。焊接件可以是非對稱分布的， 並以非180度的角度間隔布置，但是這樣做會對焊接裝置的大小和復 雜性產生妨礙。該方法優化了這樣的能力，即在保持狹窄外形的同時 夾緊元件，並稍後將該元件從焊接夾持裝置上拆下，這種狹窄外形對 於罐內部的有限入口來說是必要的。該方法允許將焊接件放置到罐的內表面上，穿過紅外線能，並允 許在焊接處理的過程中，將力施加到焊接件上，以便確保良好的分子 纏結，並形成良好的焊接。該焊接件同樣為閥門生產商提供了最佳的 機會，以將噴嘴定位在閥門的延伸部分中，其中，內部通風管連接在 該延伸部分上。焊接區域從元件的其餘部分中略微升高，以確保元件 的未融化部分不會在焊接操作的過程中接觸到罐的內表面，從而使得 在融化發生時保持熔焊層遠離罐的內表面。將焊接件以180度間隔放置，能夠使得可以在由兩個焊接區域形 成的平面中柔性地使用焊機，從而有助於將焊接件焊接到可能不是絕 對平行的罐的內表面中。將焊接件放置在側面可以使得可視類觀察系 統可能用於確認閥門的放置情況。熔焊層的高度防止元件的未融化部 分與罐的內表面接觸，並使元件不接近罐壁的內表面。焊接區域的尺寸及設計為內部蒸汽閥門的耐久焊接連接提供了足 夠的表面區域；但是在過度衝擊的情況下，燃料罐壁不會被打破。在過度衝擊的情況下，翼部件的設計可使得元件能夠撕開焊縫的 附近部分，而不會損壞基礎閥門。熔焊層的設計使得這種能力最佳化，即在造型操作或模塑過程中， 將黑色的膜添加到該熔焊層中，以便在天然HDPE製成的罐的內壁情 況下，為焊接提供能量吸收物質。通過提供輪廓分明的焊接表面，熔焊層的外形有助於利用紅外線 燈或雷射焊接技術進行最佳焊接，在該焊接表面周圍，可安裝防護層 來防止焊接區域外部的臨界區域融化。優選實施例的可用範圍將通過隨後的詳細說明、權利要求和附圖 而變得明白。應該了解到，雖然指出了本發明的優選實施例，但是僅 以描述的方式做出了說明並給出了特定示例。對於所描述的實施例和 示例的多種改變和改進將對於本領域技術人員來說將變得明白。


當結合附圖加以考慮時，這些以及其它優點將通過隨後對於優選實施例的詳細說明而使本領域技術人員容易明白，附圖為圖1是在模子中製成的中空罐的等距視圖，其中元件可通過所述 方法連接到罐的內壁上；圖2是示出了聚合物材料所構成的層的端視圖，其中該聚合物材 料層包括圖l所示的罐的壁；圖3是待坪接到罐壁上的元件的俯視圖；圖4是從圖3的平面4-4截取的元件的截面圖；圖5是元件的等距視圖，其中該元件被夾具夾持住，並位於待焊 接到罐壁上的適當位置中；和圖6是聚合物膜的俯視等距視圖，可在將元件焊接到罐壁上之前， 將該聚合物膜緊固到翼上；和圖7是形成的中空本體的等距視圖，示出了夾具將元件夾持在待 焊接到壁上的適當位置的情況。
具體實施方式
圖l示出了一種中空本體10，其優選地為具有壁12(同樣示於圖 2中)的中空罐，該壁12由多層塑料形成。罐10通常且優選地通過 將聚合物構成的層擠壓通過擠壓模的孔口而形成。而後通常利用吹塑 模製技術，將該擠壓件封閉、密封並成形加工，以便在模具中成型。 雙片層熱成型是另 一種用於製造此類罐的技術。通過垂直於罐縱軸的 平面所截取的截面可具有任何適當的形狀。圖2示出了罐10的壁12包括由多種聚合物層構成的合成物，這 些聚合物層包括相對較薄的由高密度聚乙烯(HDPE )構成的外層32; 較厚的廢料層34，稱之為再研磨層，有時結合到多層壁中；較薄的膠粘層36，稱之為粘合劑層；較薄的阻擋材料層38,阻擋材料例如是乙 烯一乙烯醇(EVOH)共聚物；第二層膠粘層40;以及相對較厚的由 HDPE構成的內層42。位於HDPE和EVOH材料之間的粘合劑層36、 40促進了相鄰層之間的粘合。當在模具中加工後，罐10完全形成時，可將它用作機動車輛中的 燃料罐。壁12作為多層構成的合成物而形成，以防止罐中承載的燃料 所逸出的碳氫化合物通過壁12的厚度，並提供了抗撓剛度和強度。 HDPE層42提供了罐10的內表面44，並與容納在罐中的汽油或其它 流體接觸。罐10的壁包含至少一層阻擋層38，該阻擋層38位於多層 聚合物結構的內部，並在兩側均被至少一層塑料所包圍，這層塑料具 有相對可忽略的阻擋特性。術語"阻擋層，，意味著一層材料，其具有較 低的氣體及液體滲透性。它通常包含阻擋樹脂。任何公知的阻擋樹脂 均可存在於中空本體中，前提是它對於可能與容器接觸的流體，特別 是碳氫化合物而言是有效的。可能用於阻擋層38的樹脂的非限制性示 例包括聚醯胺或共聚多醯胺以及乙烯和乙烯醇的無規共聚物。不同阻 擋樹脂的混合也是可能的。術語"塑料"意味著任何包含至少一種聚合物的材料。熱塑性聚合 物是優選的。術語"聚合物"意味著均聚物及共聚物。這種共聚物的示 例包括，但不限定於，無規共聚物，來自定序聚合作用的共聚物，嵌 段共聚物以及接枝共聚物。熱塑性聚合物還包括熱塑性合成橡膠及其 混合物。特別地，罐10可包含聚烯烴、熱塑性聚酯、聚酮、聚醯胺及 其共聚物。通常存在於罐10的壁中的聚合物是聚乙烯。利用高密度聚乙烯 (HDPE)的連接方法已經產生了良好的效果。通常所使用的共聚物為 乙烯一乙烯醇(EVOH)共聚物。還可使用聚合物或共聚物的混合物， 同樣可以是帶有無機、有機和/或天然填料的聚合物物質的混合物。在形成罐10的壁12後，貫穿罐壁12鑽有開口 50。在該罐是燃 料罐的情況下，開口 50用於稍後安裝燃料傳送模塊(FDM)，儘管還 可以利用其它的直徑，但是該燃料傳送模塊具有約130mm的直徑。如圖3所示，通過開口 50，將可以被相關聯的焊接裝置所操作的元件 52插入，移動到位於罐10內部的適當位置中，並通過採用TTIR處 理，在那裡焊接到罐的內表面44上。圖3和4示出了形成有側焊部件，例如翼或凸緣56、 57的閥門 元件52，該元件由HDPE製成，以提供將這些翼焊接到罐壁12的內 表面44上的能力。這些翼通過凹槽60、 61與本體58分離開，以致傳 遞到元件52的熱能集中在翼56、 57上，而不是集中在元件的本體上。 翼56、 57的外形與罐壁12的內表面44的目標區域62的外形精確一 致，元件52將在該目標區域62處焊接到罐10上。現在參照圖5和6。圖5示出了一種與元件夾具65整合在一起的 紅外線輻射或雷射輻射的能量源64，該夾具65與位於罐10外側的元 件52結合，經由出入孔50支承該元件，並且保持該元件，使得在形 成焊接時，翼56、 57在區域62處與壁12的內表面44接觸。來自能 量源64的能量通過翼56和57送往能量吸收器，該吸收器或者是罐壁 12的黑色或深色的內表面44 (最佳示於圖2中)，或者是分別連接到 翼56、 57的外表面上的薄膜68、 69的黑色或灰暗色區域。來自能量 源64的能量加熱翼56、 57的頂面以及罐壁12在區域62處的內表面 44，從而在罐內在罐壁12和元件52之間形成焊接或結合。圖7示出了被夾具65接合的元件52，該夾具65支承在自動化操 作的柔性臂70上，該彈性臂70通過孔50進入到中空本體10中。該 臂將夾具65移動到其焊接位置上，在該位置上，翼56、 57在目標區 域62處與壁12的內表面44接觸。當夾具和元件如所示定位時，來自 能量源64的能量加熱翼56、 57的頂面以及罐壁12位於區域62處的 內表面44，從而在中空本體內部，在元件52和罐壁12之間形成焊接 或接合。翼56、 57優選地由天然、即未著色的HDPE構成，這種材料使 紅外線或雷射輻射能能夠,.過翼56、 57到達HDPE構成的壁12的黑 色內表面44。優選地，壁12的HDPE層42是黑色的或者是灰暗色的。 這樣，壁層42黑色的HDPE內表面44的區域62直接與翼56、 57接觸，輻射能被引導到該區域上，且被吸收，並加熱翼56、 57在區域 62處接觸內表面44的表面。從位於罐10內部的能量源64輻射出來 的能量被持續引導到目標區域62，直到翼56、 57與罐10的內表面44 之間的相互接觸面的溫度升高到足以將元件52焊接到罐壁12上。作為替換，罐壁12的內部HDPE層42的顏色可以是其自然色， 即未通過將碳、黑色著色劑或其它灰暗色著色劑添加到HDPE聚合物 中而著色。在這種情況下，在針對元件進行的模製處理過程中，或者 在將該元件模製而成後，將黑色HDPE材料製成的薄膜68、 69應用 到元件52的翼56、 57的內表面上。無論是哪種情況，膜68、 69均被 緊固到翼56、 57上，並在目標區域62處接觸內表面44。當能量源64 傳送的能量被膜68和69吸收時，翼56、 57與罐10的內表面44的接 觸面的溫度升高到足以在元件52與罐10的內表面44之間形成焊接。這種焊接件的設計可適於蒸汽控制閥，該控制閥或者具有連接到 蒸汽閥門上的單獨元件或者作為閥門的整體設計元件。將焊接件180 度分開放置，使它們對稱分布，這使焊頭能夠具有設計柔性或靈活性， 以有助於在具有一定角度的表面上進行焊接。這種設計優化了這種能 力，即在保持狹窄外形的同時夾緊元件，並稍後將該元件從焊接夾持 裝置上卸下，這種狹窄外形對於罐內部的有限入口來說是必需的。這 種設計允許將焊接件放置到表面上，該表面能夠透過紅外線光，以使 力能夠在焊接處理的過程中施加到焊接件上，從而確保良好的分子纏 結，並由此獲得良好的焊接。該焊接件還為閥門生產商提供了最佳的 機會，以將噴嘴定位在閥門的延伸部分上，其中內部通風管連接在該 延伸部分上。焊接區域從元件的其餘部分上略微升高，以確保未融化 的物質不會在焊接操作的過程中接觸到罐的內表面，並當融化發生時， 使正被焊接的元件保持遠離罐表面。雖然這個方法是結合用於機動車輛的燃料罐10進行說明的，但該 方法同樣可用在任何中空本體上。術語"中空本體"意味著任何結構， 其包括圍繞至少一個空的或中空的凹部的壁。優選地，中空本體意味 著一種封閉的結構，例如是用於容納液體、汽體或液/汽混合物的容器或罐。中空本體可具有貫穿其壁的開口，該開口能夠與外部環境連通， 並且它可包括流體泵、液面檢測裝置閥，以及其它元件。根據專利法的規定，已經描述了優選實施例。但是應該注意到， 除了具體描述和說明的實施例以外，替換實施例也可以加以實施。
權利要求
1.一種待焊接到聚合物罐的表面上的元件，包括本體部分；第一翼，其緊固到該本體上，並從該本體上橫向延伸，所述第一翼由聚合物構成，並包括在焊接位置上至少部分地接觸罐表面的第一表面；和第二翼，其緊固到該本體上，並從該本體上橫向延伸，與所述第一翼間隔開，所述第二翼由聚合物構成，並包括在焊接位置上至少部分地接觸罐表面的第二表面。
2. 如權利要求l所述的元件，其特徵在於 所述第一表面具有第一外形，所述第一外形在焊接位置上與罐表面的外形至少部分地相符；和所述第二表面具有第二外形，所述第二外形在焊接位置上與罐表 面的外形至少部分地相符。
3. 如權利要求l所述的元件，還包括由黑色聚合物構成的第一薄膜，其緊固在所述第一表面上；和 由黑色聚合物構成的第二薄膜，其緊固在所述第二表面上。
4. 如權利要求l所述的元件，其特徵在於 所述第一翼和第二翼由高密度聚乙烯構成。
5. —種將元件焊接到罐上的方法，所述方法包括如下步驟(a) 形成所述罐，該罐具有由多層聚合物材料構成的壁，該壁具 有由聚合物構成的外層，以及由聚合物構成的內層，其中在所述壁上 具有開口 ，並且所述聚合物內層具有比所述外層的自然色顏色灰暗的內表面；(b) 形成聚合物元件，所述元件包括第一翼和與所述第一翼間隔 開的第二翼，其中，所述第一翼具有在焊接位置處至少部分地接觸相應罐表面的第一表面，所述第二翼具有在焊接位置處至少部分地接觸 相應罐表面的第二表面；(C)利用所述開口將所述元件安裝在所述罐中，以使得所述第一和第二表面在焊接處接觸所述罐的相應內表面；(d)將能量通過所述元件傳送到所述罐壁的表面區域上，在該區 域中，安裝表面接觸所述內表面；和(e )利用所述傳送的能量在所述元件安裝表面和所述罐的內壁之 間形成焊接。
6. 如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述內層的內表面的 顏色為黑色。
7. 如權利要求5所述的方法，其特徵在於，步驟(d)還包括將 來自紅外輻射源的能量傳送到所述區域上。
8. 如權利要求5所述的方法，其特徵在於，步驟(d)還包括將 來自雷射源的能量傳送到所述區域上。
9. 如權利要求5所述的方法，其特徵在於，步驟(a)還包括 形成具有內表面的罐，所述內表面的顏色比每個所述外層的聚合物的自然色、以及除了內層的內表面之外的內層的自然色要灰暗。
10. 如權利要求5所述的方法，其特徵在於，步驟(a)還包括 將由HDPE聚合物構成的外層、再研磨聚合物、阻擋層以及膠粘層定位在所述內層的外部。
11. 一種用於將元件固定到罐上的方法，所述方法包括如下步驟(a) 形成所述罐，該罐具有由多層聚合物材料構成的壁，該壁具 有由聚合物構成的外層，以及由聚合物構成的內層，其中在所述壁上 具有開口，並且所述內層具有內表面；(b) 在所述內表面上緊固一聚合物膜，所述膜的顏色比所述聚合 物的自然色灰暗；(c) 在所述元件上形成由聚合物構成的安裝表面；(d) 利用所述開口將所述元件安裝到所述罐中，以使得所述安裝 表面接觸所述膜；(e) 將能量傳送到所述罐壁的內表面區域上，在該區域中，所述 安裝表面接觸所述膜；並且(f)利用所述傳送的能量在所述安裝表面和所述罐壁之間形成焊接。
12. 如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述膜的顏色為黑色。
13. 如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述內層的顏色為 黑色。
14. 如權利要求11所述的方法，其特徵在於，步驟(e)還包括， 將來自紅外輻射源的能量傳送到所述區域上。
15. 如權利要求11所述的方法，其特徵在於，步驟(e)還包括， 將來自雷射源的能量傳送到所述區域上。
16. 如權利要求11所述的方法，其特徵在於，步驟(a)還包括 形成具有內表面的罐，所述內表面的顏色比每個所述外層的聚合物的自然色以及內層的自然色灰暗。
17. 如權利要求11所述的方法，其特徵在於，步驟(a)還包括 將由HDPE聚合物構成的外層、研磨聚合物、阻擋層以及膠粘層定位在所述內層的外部。
全文摘要
本發明公開一種用於將元件緊固在罐上的方法，包括形成所述罐，該罐具有由多層聚合物材料構成的壁，該壁具有由聚合物構成的外層，以及由聚合物構成的內層，其中在所述壁上具有開口，並且所述內層具有比所述外層的自然色灰暗的內表面。該元件形成有由聚合物構成的安裝表面。罐壁開口用於將該元件安裝在罐中，以使該安裝表面接觸內表面。將能量傳送到罐壁表面的區域上，在該區域中，安裝表面接觸內表面。所傳送的能量用於在安裝表面和罐壁之間形成焊接。
文檔編號F17C13/00GK101269717SQ20081000944
公開日2008年9月24日 申請日期2008年2月2日 優先權日2007年2月8日
發明者J·德瑪麗亞, J·波特, M·A·哈裡斯, M·J·貝克, M·W·普蘭西尼斯, S·蘭克 申請人:汽車配件控股有限責任公司