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技术领域

本公开内容涉及用于聚合物构件的摩擦焊接(举例来说，如旋转焊接)的改进的工 具构件组件及方法。

背景技术

本节提供了未必是现有技术的关于本公开内容的背景信息。

包括旋转焊接的摩擦焊接技术可用于连结各种材料。例如，模制的聚合或塑料构 件可经由旋转焊接过程连结或组装，其中热经由移动构件与静止构件之间的机械摩擦生 成。摩擦区附近加热的材料的区域软化且可移位；因此，产生了具有来自移动构件和静止构 件两者的材料的熔化区域。然而，存在对聚合物或塑料零件的常规旋转焊接的限制。例如， 由旋转焊接形成摩擦焊接部分组件通常限于使用在待连结的界面处具有小表面面积和互 补形状的部分，例如，具有圆柱形且彼此同心的匹配连结表面的部分。此外，常规旋转焊接 设备专用于将高速度和力施加到部分上以有效地熔化界面，且因此需要大的设备花费和训 练。

具有带大表面面积、复杂设计、非圆柱形和/或非互补形状的接头界面区域的聚合 物部分之前并未使用常规旋转焊接过程连结。这归因于这些部分的固有形状和大小，其隐 含了依赖半径的剪切、剪切速率，且因此过程期间的粘性变化。因此，之前不可能使用旋转 焊接来连结具有大表面面积界面或非圆柱形或其它非互补的界面的塑料或聚合物部分。将 期望具有便于旋转焊接具有带大表面面积或非互补形状的接头界面区域的部分形成稳健 的摩擦焊接接头的工艺和工具。此外，也将有利的是具有在非专用设备上以相对低速度进 行此工艺的能力。

发明内容

本节提供了本公开内容的总体概述，且不是其全部范围或所有其特征的详尽公 开。

在某些方面，本公开内容构思一种摩擦焊接组件，其包括第一聚合物构件，该第一 聚合物构件包括限定第一形状的第一焊接表面。在某些变型中，第一焊接表面具有形成在 其中的多个表面特征，其中各个相应的表面特征为凹形或凸形。在某些方面，多个表面特征 为形成在第一焊接表面中的凹形特征(例如，凹槽)。摩擦焊接组件还包括第二聚合物构件， 其包括限定第二形状的第二焊接表面。摩擦焊接组件还包括形成在第一焊接表面与第二焊 接表面之间的摩擦焊接接头。第一形状或第二形状中的一者为凸形，而另一个为凹形。第一 聚合物构件或第二聚合物构件中的一者在固定工具上保持静止，而第一聚合物构件和第二 聚合物构件中的另一者在摩擦焊接过程期间在旋转工具上可旋转，该摩擦焊接过程在第一 焊接表面与第二焊接表面之间形成摩擦焊接接头。以此方式，第一聚合物构件和第二聚合 物构件连结在一起来形成摩擦焊接组件。

在其它方面，本公开内容构思一种摩擦焊接组件，其包括第一聚合物构件，该第一 聚合物构件包括限定第一形状的第一焊接表面。摩擦焊接组件还包括第二聚合物构件，其 包括限定第二形状的第二焊接表面。第一形状或第二形状中的一者为凸形，而另一个为凹 形。第一焊接表面或第二焊接表面中的至少一者具有大于或等于大约3000mm²(大于4.7 in²)的对应于摩擦焊接接头的表面面积。在某些方面中，第一形状和第二形状可不同，且相 对于彼此非互补或非对称。摩擦焊接组件还包括形成在第一焊接表面与第二焊接表面之间 的摩擦焊接接头。第一聚合物构件或第二聚合物构件中的一者在固定工具上保持静止，而 第一聚合物构件和第二聚合物构件中的另一者在摩擦焊接期间在旋转工具上可旋转，该摩 擦焊接在第一焊接表面与第二焊接表面之间形成摩擦焊接接头。

在又一些方面中，本公开内容构思一种旋转焊接的方法。该方法可包括使具有限 定第一形状的第一焊接表面的第一聚合物构件在小于或等于大约3500转每分钟(rpm)的速 度下旋转。该方法也还包括使第一聚合物构件的第一焊接表面与第二聚合物构件的第二焊 接表面接触，第一聚合物构件旋转的同时第二聚合物构件保持静止以在第一聚合物构件与 第二聚合物构件之间产生焊接接头。第一聚合物构件的第一焊接表面或第二聚合物构件的 第二焊接表面中的一者限定凹形区域，而第一焊接表面或第二焊接表面中的另一者限定凸 形区域。

本发明还提供如下方案：

1.一种摩擦焊接组件，包括：

包括限定第一形状且包括多个表面特征的第一焊接表面的第一聚合物构件，其中各个 相应表面特征为凹形或凸形；

包括限定第二形状的第二焊接表面的第二聚合物构件，其中所述第一形状或所述第二 形状中的一者为凸形，而所述第一形状或所述第二形状中的另一者为凹形；以及

形成在所述第一焊接表面与所述第二焊接表面之间的摩擦焊接接头，其中所述第一聚 合物构件或所述第二聚合物构件中的一者在固定工具上保持静止，而所述第一聚合物构件 或所述第二聚合物构件中的另一者在形成所述摩擦焊接接头的摩擦焊接期间在旋转工具 上可旋转。

2.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一聚合物构件或所述第 二聚合物构件中的至少一者由包括热塑性聚合物和增强材料的复合材料形成。

3.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述多个表面特征为多个凹槽， 其中所述多个凹槽中的各个凹槽均具有垂直于旋转方向的定向，且从所述第一焊接表面的 中心区域延伸至所述第一焊接表面的外周。

4.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述多个表面特征包括多个凹 槽，其包括所述第一焊接表面上的大于或等于大约3个到小于或等于大约182个凹槽。

5.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述多个表面特征包括多个凹 槽，其包括限定第一长度的第一多个凹槽和限定比所述第一长度小的第二长度的第二多个 凹槽。

6.根据方案5所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述多个凹槽还包括限定比所 述第一长度和所述第二长度小的第三长度的第三多个凹槽。

7.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述多个表面特征包括多个凹 槽，其中所述多个凹槽中的各个凹槽均具有大于或等于大约0.5mm到小于或等于大约3mm的 宽度和大于或等于大约0.5mm到小于或等于大约3mm的深度。

8.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述多个表面特征包括多个凹 槽，其中所述多个凹槽中的各个凹槽在所述第一焊接表面上限定选自由三角形、矩形、四边 形和它们的组合构成的组的形状。

9.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一形状和所述第二形状 相对于彼此互补。

10.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一形状和所述第二形状 大致为圆形形状。

11.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第二 焊接表面中的至少一者具有大于或等于大约3000mm²(大约4.7in²)的对应于摩擦焊接接头 的表面面积。

12.根据方案1所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述多个表面特征包括用作能 量引导物的凸形表面特征，其中所述凸形表面特征选自由圆形突起、凸块、凸节、脊和它们 的组合构成的组。

13.一种摩擦焊接组件，包括：

包括限定第一形状的第一焊接表面的第一聚合物构件；以及

包括限定第二形状的第二焊接表面的第二聚合物构件，其中所述第一形状或所述第二 形状中的一者为凸形，而所述第一形状或所述第二形状中的另一者为凹形，其中所述第一 形状和所述第二形状相对于彼此不同且非互补；以及

形成在所述第一焊接表面与所述第二焊接表面之间的摩擦焊接接头，其中所述第一焊 接表面或所述第二焊接表面中的至少一者具有大于或等于大约3000mm²(大约4.7in²)的对 应于所述摩擦焊接接头的表面面积，且所述第一聚合物构件或所述第二聚合物构件中的至 少一者在固定工具上保持静止，而所述第一聚合物构件或所述第二聚合物构件中的另一者 在形成所述第一焊接表面与所述第二焊接表面之间的摩擦焊接接头的摩擦焊接期间在旋 转工具上可旋转。

14.根据方案13所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一聚合物构件或所述 第二聚合物构件中的至少一者由包括热塑性聚合物和增强材料的复合材料形成。

15.根据方案13所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一形状和所述第二形 状大致为圆形形状。

16.根据方案13所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一形状为半球形状，且 所述第二形状为椭圆体形状。

17.根据方案13所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述表面面积为大于或等于 大约3225mm²(大约5in²)到小于或等于大约16200mm²(大约25.1in²)。

18.根据方案13所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述表面面积为大于或等于 大约6500mm²(大约10in²)到小于或等于大约16200mm²(大约25.1in²)。

19.根据方案13所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第 二焊接表面中的至少一者具有形成在其中的多个凹槽。

20.根据方案13所述的摩擦焊接组件，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第 二焊接表面中的至少一者具有用作能量引导物的多个凸形表面特征，其中所述凸形表面特 征选自由圆形突起、凸块、凸节、脊和它们的组合构成的组。

21.一种旋转焊接方法，包括：

使具有限定第一形状的第一焊接表面的第一聚合物构件在小于或等于大约3500转每 分钟(rpm)的速度下旋转；以及

使所述第一聚合物构件的第一焊接表面与第二聚合物构件的第二焊接表面接触，在所 述第一聚合物构件旋转的同时所述第二聚合物构件保持静止以在所述第一聚合物构件与 所述第二聚合物构件之间产生焊接接头，其中所述第一聚合物构件的第一焊接表面或所述 第二聚合物构件的第二焊接表面中的一者限定凹形区域，而所述第一焊接表面或所述第二 焊接表面中的另一者限定凸形区域。

22.根据方案21所述的方法，其特征在于，所述接触在大于或等于大约1MPa到小 于或等于大约4MPa的施加压力下发生。

23.根据方案21所述的方法，其特征在于，所述旋转和所述接触在等速旋转焊接 过程或变速旋转焊接过程中同时发生。

24.根据方案23所述的方法，其特征在于，所述旋转在从大于或等于大约200rpm 到小于或等于大约3500rpm的范围的速度下发生。

25.根据方案21所述的方法，其特征在于，所述旋转和所述接触在大于或等于大 约1秒到小于或等于大约10秒的持续时间内同时发生。

26.根据方案21所述的方法，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第二焊接表 面中的至少一者具有大于或等于大约3000mm²(大约4.7in²)的对应于焊接接头的表面面 积。

27.根据方案21所述的方法，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第二焊接表 面中的至少一者具有形成在其中的多个凹槽。

28.根据方案21所述的方法，其特征在于，所述第一焊接表面或所述第二焊接表 面中的至少一者具有用作能量引导物的多个凸形表面特征，其中所述凸形表面特征选自由 圆形突起、凸块、凸节、脊和它们的组合构成的组。

适用性的其它领域将从本文提供的描述中变得清楚。本概述中的描述和特定实例 旨在仅用于图示的目的，且不旨在限制本公开内容的范围。

附图说明

本文所述的附图仅出于选择的实施例而并非所有可能的实施方式的示范目的，且 不旨在限制本公开内容的范围。

图1示出了具有用于常规旋转焊接过程的互补的成组构件部分的示例性常规旋转 焊接工具构件组件，其中待连结的构件的部分具有圆柱形截面，且在形成摩擦焊接接头之 前在焊接接头区域中限定凹的或倒锥形状和凸锥形状。

图2示出了具有第一静止构件和第二可旋转构件的根据本公开内容的某些方面的 摩擦焊接(例如，旋转焊接)工具或构件组件的第一变型。第一静止构件具有限定凹形界面 区域的第一焊接表面，且第二可旋转构件具有限定互补凸形界面区域的第二焊接表面，它 们在焊接接头界面区域中是彼此的互补形状。

图3示出了根据本教导的某些方面的用于摩擦焊接(例如，旋转焊接)工具或构件 组件的示例性焊接表面的顶部或平面视图，其具有限定形成在垂直于旋转方向的焊接表面 上的长形矩形形状的多个凹入通道或凹槽。

图4示出了根据本教导的某些方面的用于摩擦焊接(例如，旋转焊接)工具或构件 组件的另一个示例性焊接表面的顶部或平面视图，其具有限定形成在垂直于旋转方向的焊 接表面上的长形矩形形状的多个凹入通道或凹槽。

图5示出了根据本教导的某些方面的摩擦焊接(例如，旋转焊接)工具或构件组件 的又一个示例性焊接表面的顶部或平面视图，其具有每个限定形成在焊接表面上的长形矩 形形状的第一多个和第二多个凹入通道或凹槽，其中所述第一多个凹槽具有第一长度，且 第二多个凹槽具有小于第一长度的第二长度。

图6示出了根据本教导的某些方面的用于摩擦焊接(例如，旋转焊接)工具或构件 组件的另一个示例性焊接表面的顶部或平面视图，其具有第一多个、第二多个和第三多个 凹入通道或凹槽，其每个限定形成在焊接表面上的长形矩形形状。第一多个凹槽具有第一 长度，第二多个凹槽具有第二长度，且第三多个凹槽具有第三长度。第二长度小于第一长 度，而第三长度小于第一长度和第二长度。

图7示出了根据本教导的某些方面的用于摩擦焊接(例如，旋转焊接)工具或构件 组件的又一个示例性焊接表面的顶部或平面视图，其具有每个限定形成在焊接表面上的三 角形的第一多个凹入通道或凹槽。

图8示出了根据本教导的某些方面的用于摩擦焊接(例如，旋转焊接)工具或构件 组件的又一个示例性焊接表面的顶部或平面视图，其具有每个限定形成在焊接表面上的四 边形的第一多个凹入通道或凹槽。

图9示出了具有第一静止构件和第二可旋转构件的根据本公开内容的某些方面的 摩擦焊接(例如，旋转焊接)工具或构件组件的另一个变型。第一静止构件具有限定凹形界 面区域的第一焊接表面，且第二可旋转构件具有限定凸形界面区域的第二焊接表面，它们 关于旋转轴线对称。由第一焊接表面和第二焊接表面限定的相应形状彼此非互补或非对 称。

图10为示出焊接接头由旋转焊接形成时的焊接接头界面区域的图9中的详细截面 视图。

图11为图9中的第二可旋转构件的截面视图。

图12示出了图9和11中的第二可旋转构件的平面或顶部视图。

图13示出了具有第一静止构件和第二可旋转构件的根据本公开内容的某些方面 的摩擦焊接(例如，旋转焊接)工具或构件组件的又一个变型。第一静止构件具有限定凹形 界面区域的第一焊接表面，且第二可旋转构件具有限定凸形界面区域的第二焊接表面，其 中由第一焊接表面和第二焊接表面限定的相应形状互补。第二可旋转构件示出了具有用于 焊接表面的凹槽尺寸的示例性设计。

图14示出了具有形成在焊接表面上的多个凹槽的图13中类似的可旋转构件的平 面视图。

对应的参考标号指示附图的若干视图的对应部分。

具体实施方式

示例性实施例提供成以便本公开内容将为彻底的，且将范围完全传达给本领域的 技术人员。阐明了许多特定细节，如，特定成分、构件、装置和方法的实例，以提供本公开内 容的实施例的彻底理解。本领域的技术人员将清楚的是，不需要使用特定细节，示例性实施 例可体现为许多不同形式，且两者都不应当解释为限制本公开内容的范围。在一些示例性 实施例中，并未详细描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。

本文使用的术语仅出于描述特定示例性实施例的目的，且不旨在是限制性的。如 本文使用的单数形式"一个"、"一"和"该"可旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地相反 指出。术语"包括"、"包含"、"含有"和"具有"是包含性的，且因此表示存在陈述的特征、整 数、步骤、操作、元件和/或构件，但并未排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、 操作、元件、构件和/或其组。本文所述的方法步骤、过程和操作不应解释成必须其以所述或 所示的特定顺序的执行，除非明确表示为执行的顺序。还应理解可使用附加或替代的步骤。

当元件或层称为在另一个元件或层"上"、"接合"、"连接"或"联接"到另一个元件 或层时，其可直接在其它元件或层上、与其接合、连接或联接，或可存在介入的元件或层。相 反，当元件称为"直接在另一元件或层上"、"直接地接合"、"直接地连接"或"直接地联接"到 另一个元件或层时，可不存在介入的元件或层。用于描述元件之间的关系的其它词语应当 以类似的方式理解(例如，"之间"对"直接之间"，"相邻"对"直接地相邻"等)。如本文使用的 术语"和/或"包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

尽管术语第一、第二、第三等可在本文中用于描述各种元件、构件、区域、层和/或 区段，但这些元件、构件、区域、层和/或区段不应当由这些术语限制。这些术语可仅用于将 一个元件、构件、区域、层或区段与另一个区域、层或区段区分开。术语如"第一"、"第二"和 其它数字项在本文使用时并不表示序列或顺序，除非由上下文清楚指出。因此，下文所述的 第一元件、构件、区域、层或区段可称为第二元件、构件、区域、层或区段，而并未脱离示例性 实施例的教导。空间相对术语如"内"、"外"、"之下"、"下方"、"下"、"上方"、"上"等可在这里 用于便于描述，以描述一个元件或特征与附图中所示的其他（多个）元件或（多个）特征的关 系。空间相对术语可旨在包含除附图中绘出的定向之外的使用或操作中的装置的不同定 向。例如，如果附图中的装置翻转，则描述为在其它元件或特征"下方"或"之下"的元件则将 定向为在其它元件或特征"上方"。因此，示例性术语"下方"可包含上方和下方定向两者。装 置可另外定向(旋转90度或以其它定向)，且本文使用的空间相对描述相应理解。应当理解 的是，对于"包括"某些步骤、组分或特征的方法、成分、装置或系统的任何叙述，在某些替代 变型中，还构思此方法、成分、装置或系统还可由列举的步骤、组分或特征"基本上构成"，以 便将本质上改变本发明的基本和新颖特征的任何其它步骤、组分或特征都从此排除。

在本公开内容的各处，数值表示近似量度或将范围限于包含与给定值的小偏差， 以及具有大约提到的值以及具有精确地提到的值的实施例。除详细描述的结尾处提供的工 作实例之外，包括所附权利要求的本说明书中的参数(例如，量或条件)的所有数值应理解 为在所有情况下用术语"大约"修饰，而不论"大约"实际上是否出现在数值之前。"大约"是 指叙述的数值允许一些略微不精确(其中一些接近值的准确值；大致或合理接近该值；几 乎)。如果由"大约"提供的不精确在其它情况下在本领域中并未以这种普通意义理解，则如 本文使用的"大约"指示至少可起因于测量和使用此参数的普通方法的偏差。

此外，范围的公开包括所有值及整个范围内的进一步划分的范围的公开，包括对 范围给定的端点和子范围。涉及所述特定实施例的任何范围的公开是示例性的，且如本领 域的技术人员认识到那样，改变构件或部分的形状和尺寸可影响所列的任何值范围。

参照附图现在将更完整地描述示例性实施例。

本公开内容提供了用于摩擦焊接特别是用于旋转焊接以连结具有大表面面积和/ 或复杂的非互补或非对称接头界面区域形状的聚合物部分的新方法及工具。通过背景技 术，图1示出了示例性常规旋转焊接工具构件组件20。第一构件22可保持静止，而第二构件 24可旋转且因此可围绕轴线30旋转或自旋。特别地，作为初始步骤，第一构件22和第二构件 24在开始旋转焊接之前大致沿轴线30布置或对准。第一构件22限定凹形界面区域32，其限 定第一锥形表面34，而第二构件24限定互补的凸形界面区域36，其限定第二锥形表面38。因 此，第一构件22和第二构件24分别沿凹形界面区域32的第一锥形表面34和凸形界面区域36 的第二锥形表面38限定互补或匹配的部分，它们在其间形成摩擦焊接的焊接接头界面26处 将连结在一起。

更具体而言，凹形界面区域32的第一锥形表面34限定倒锥形状，而凸形界面区域 36的第二锥形表面38限定锥形状，两者都关于轴线30完全对称。锥形凹形界面区域32和凸 形界面区域36的互补的锥/倒锥形状设计成在第一构件22与第二构件24接触和连结时彼此 大致匹配和连结。因此，互补的锥/倒锥形状具有彼此对称或互补的形状，因为它们限定相 同形状。由于常规旋转焊接工具构件组件20关于轴线30完全对称，故凹形界面区域32的凹 形第一锥形表面34和凸形界面区域36的凸形第二锥形表面38特别适于通过旋转摩擦过程 摩擦焊接到彼此上。

旋转焊接系统因此通常包括两个工具(用于保持待被摩擦焊接的第一构件和第二 构件)。一个工具被固定以保持静止构件就位，而另一个工具提供旋转构件的旋转。压力可 在旋转焊接过程期间由旋转工具施加到构件上。在焊接之前，一个构件附接到旋转工具上。 附接到旋转工具上的构件然后由电机自旋至高转速。一旦在适当速度下旋转，待连结的构 件接触且压到一起来便于加热。一旦材料凝固且变硬，因此形成焊接。

存在若干不同类型的旋转焊接。一种类型是等速旋转焊接过程。此过程可为直接 驱动的摩擦焊接，其中能量由直接连接到连接到旋转工具上的机器心轴上的电动机提供至 系统。能量施加到界面材料，直到在摩擦区域处获得预定量的热或塑性状态。在压力变化 时，速度可在选择的时间和/或距离保持恒定。当实现期望的塑性状态时，旋转构件停止且 铸造负载施加来完成连结过程，使得部分焊接成组件。在相比于可变速度摩擦焊接时，更大 的总的热通常随直接驱动摩擦焊接出现，这可减慢冷却速率，导致直接驱动摩擦焊接的略 微较长的循环时间。

在其它方面，旋转焊接替代地可为变速过程。一种此过程为惯性摩擦焊接，其中能 量可由储存在旋转系统或质量中的动能提供。因此，质量/重量、速度和压力的特定参数用 于满足焊接接头的要求。在焊接之前，其中一个构件(旋转构件)附接到旋转工具上，其可与 预定重量的飞轮相关联。附接到旋转工具上的构件然后经由电机自旋至高转速以将能量储 存在飞轮中。一旦在期望速度下旋转，则电机解除接合，且待连结的构件接触且压在一起。 当实现期望的转速时，动能传递至自由旋转的部分中。施加恒定铸造压力，直到达到塑性状 态。当实现材料的期望总移位长度(例如，镦锻)时，旋转由于受控的施加压力停止。在构件 之间的相对旋转停止时，接触力保持在构件上，从而允许焊接凝固或变硬。转速对于惯性焊 接来说比直接驱动摩擦焊接一般更大。相比于在焊接循环的中间到结束内展开，总移位的 大部分在焊接循环的最后结束得到。

重新参看图1，不管是否使用等速或变速常规摩擦旋转焊接系统，常规旋转焊接工 具构件组件20的第一构件22和第二构件24都是必须具有圆柱形截面和相对小表面面积的 部分，其中它们经由摩擦焊接连结(由凹形界面区域32或凸形界面区域36限定)。在某些方 面，相对小的表面面积意思是在接头界面区域处，待被连结的构件的任一焊接表面的表面 面积可小于3000mm²(4.7in²)。

在某些方面，本公开内容构思将两个聚合物部分旋转焊接在一起，其中对应于形 成焊接接头的焊接表面的表面面积(在待连结的构件的区域中)是相对大的表面面积。在某 些方面，大表面面积意思是在接头界面区域处，构件的焊接表面的表面面积可大于或等于 大约3000mm²(大约4.7in²)，可选地大于或等于大约3225m²(大约5in²)，可选地大于或等 于大约4000mm²(大约6.2in²)，可选地大于或等于大约5000mm²(大约7.8in²)，可选地大于 或等于大约6000mm²(大约9.3in²)，可选地大于或等于大约7000mm²(大约10.9in²)，可选 地大于或等于大约8000mm²(大约12.4in²)，可选地大于或等于大约9000mm²(大约14in²)， 可选地大于或等于大约10000mm²(大约15.5in²)，可选地大于或等于大约12000mm²(大约 18.6in²)，可选地大于或等于大约15000mm²(大约23.3in²)，可选地大于或等于大约 17000mm²(大约26.4in²)，可选地大于或等于大约20000mm²(大约31in²)，且在某些变型 中，可选地大于或等于大约22500mm²(大约35in²)。在某些变型中，焊接表面的表面面积可 大于或等于大约3000mm²(大约4.7in²)到小于或等于大约22500mm²(大约35in²)，可选地 大于或等于大约3225m²(大约5in²)到小于或等于大约16200mm²(大约25.1in²)，且在某些 实施例中，可选地大于或等于大约6500mm²(大约10in²)到小于或等于大约16200mm²(大约 25.1in²)。

图2示出了根据本公开内容的某些方面的摩擦焊接(例如，旋转焊接)工具或构件 组件50的第一变型。第一构件52为可为静止的且在图2中示出。第二构件54为围绕轴线60可 旋转和自旋。第一构件52限定凹形界面区域62，其限定第一焊接表面64，而第二构件54限定 互补的凸形界面区域66，其限定第二焊接表面68。第一构件52和第二构件54因此分别限定 沿将在焊接接头界面56处连结在一起的凹形界面区域62的第一焊接表面64和凸形界面区 域66的第二焊接表面68的互补或匹配部分，其中摩擦焊接形成在其间。在所示变型中，凹形 界面区域62和凸形界面区域66一起限定对称形状，如下文将进一步所述，对称形状彼此互 补或同心，且关于旋转轴线对称。

第一构件52和第二构件54两者可由聚合物材料形成。在某些变型中，聚合物可为 热塑性聚合物，其能够在摩擦热下软化，且因此形成熔化和连结的接头。热塑性聚合物可由 任何适合类型的热塑性树脂形成。通过非限制性实例，热塑性聚合物可包括：氯乙烯树脂、 偏二氯乙烯树脂、乙醋酸乙烯树脂、聚乙烯醇树脂、聚苯乙烯树脂、丙烯腈苯乙烯树脂、丙烯 腈-丁二烯-苯乙烯树脂、丙烯酸树脂、甲基丙烯酸树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚酰胺树 脂(PA6,PA11,PA12,PA46,PA66,PA610)、聚缩醛树脂、聚碳酸酯树酯、聚对苯二甲酸乙二醇 酯树脂、聚萘二甲酸乙二酯树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂、聚丙烯酸酯树脂、聚苯醚树 脂、聚苯硫树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚醚酮树脂、聚交酯树脂，或这些树脂的任何组 合或共聚物。

在某些方面中，聚合物构件为聚合物复合材料，其包括聚合物基质和分布于其中 的增强材料，如，多个增强颗粒或纤维。在某些方面，通过非限制性实例，聚合物复合物可包 括多个碳纤维、玻璃纤维或炭黑作为增强材料。在某些方面，纤维增强复合物可为在分别通 过引用以其整体并入本文中的美国专利公布第2013/0122262号和第2013/0272780号,PCT 国际公布第WO2012/117593号、第WO2012/105716号、第WO2012/102315号、第WO2012/ 105387号、第WO2012/105389号、第WO2012/105717号、第WO2012/108446号和第WO2012/ 140793号中公开的任意纤维增强的复合材料。用作根据本公开内容的工具或构件的特别适 合的纤维增强复合物在2013年10月21日提交的题为"CarbonFiberCrossMemberfor AutomotiveChassisStructure"的PCT国际公布第WO2012/105080号和美国专利申请序列 第14/056,656号中描述，各个文献分别通过引用以其整体并入本文中。

因此，在某些变型中，适合的纤维增强的复合材料可包括以增强材料如碳纤维材 料增强的热塑性聚合物。纤维(例如，碳纤维)可提供为具有互连或接触的纤维的纤维垫，或 可为树脂基质内的随机分布的独立纤维。适合的纤维可包括相对短长度的纤维(具有≥大 约0.1mm到≤大约10mm的长度)、相对长长度的纤维(具有大于等于10mm到≤大约100mm的长 度)，或连续纤维(具有≥大约100mm的长度)，且可包括它们的任何组合。长长度的纤维可提 供可模制/可生产/机械性能的良好平衡。纤维也可为切断的。

复合物内的纤维或其它增强物可以以随机定向方式构造，例如，以大致二维随机 定向或特定方向定向的方式。在某些变型中，适合的纤维增强的复合材料可包括热塑性聚 合物，其包括以大致三维随机定向分布的增强材料的热塑性聚合物。此复合物可通过注射 模制具有增强材料的树脂形成复合物来形成。在其它方面，此增强复合物可由压缩模制过 程形成。

在某些变型中，包括碳纤维的纤维垫可结合高度平面定向或单向定向的纤维或它 们的组合来使用。纤维垫可具有任意定向的纤维以便可模制/可生产/机械性能的良好平 衡。在某些实施例中，随机碳纤维垫可用作被成形的纤维增强复合材料的预成形件。随机垫 可包括热塑性树脂和具有大于或等于大约3mm到小于或等于大约100mm的平均纤维长度的 增强碳纤维。此随机碳纤维垫在上文所述的WO2012/105080中进一步描述。此外，可包括单 向定向的碳纤维层以便提高局部刚度和强度。

在某些实施例中，纤维增强复合物可包括以聚合物来表面改性或移植的增强材 料，如，附接到碳纤维的表面上的共聚聚烯烃。通过非限制性实例，共聚聚烯烃可包含芳香 族乙烯基化合物和酸和/或酸酐来作为共聚组分。

如本领域的技术人员认识到那样，增强复合材料还可包括其它常规组分，包括其 它增强材料、功能填料或添加剂，如有机或无机填料、耐火材料、抗紫外辐射剂(UV稳定剂)、 抗氧化剂、着色剂、脱模剂、软化剂、增塑剂、表面活性剂等。聚合物复合材料可包括层叠在 一起的纤维增强层和树脂层。此纤维增强复合材料可由压缩模制过程制成。然而，在某些优 选方面中，聚合物构件或聚合物复合构件由注射模制过程形成。

重新参看图2，凹形界面区域62具有用于第一焊接表面64的倒置凹形半球形状。第 二构件54将凸形半球形状限定为限定第二焊接表面68的互补凸形界面区域66。在各种方面 中，本公开内容大体上关于具有任何形状的凹入区域或限定第一形状的凸形区域的第一构 件、以及可通过第一构件的凹入区域收纳且因此在焊接接头界面处连接在一起的具有任何 形状的突区域或凹形形状的第二构件的旋转焊接。因此，在图2中所示的变型中，第一焊接 表面64的凹形半球形状和第二焊接表面68的凸形半球形状互补同心，其中它们共用相同的 旋转轴线，且彼此对称或互补。通过非限制性实例，焊接表面的互补形状或互补部分形状可 包括凸形和凹形球、半球、盘、椭圆体、半椭圆体、环面、锥或杆/圆柱。在某些变型中，由在焊 接接头界面处待被连结的构件的焊接表面限定的形状可为凸形和凹形的"大致修圆形"，包 括类似球(例如，半球)、球状体、椭圆体(例如，半椭圆体)、圆柱、球、环带、环面、盘、平圆形、 拱形、蛋形、椭圆、圆形物等的形状或部分形状。将注意的是，仅待连结的焊接界面表面可限 定形状，而零件的其余部分可以具有或可不具有形状，因此限定截断的或部分的形状。因 此，经由根据本公开内容的摩擦焊接彼此待被连结的构件可具有任何形状。此外，焊接界面 表面的形状可以是复杂的，且不一定限于常规形状或设计。

在某些变型中，第一界面区域的第一形状与由摩擦焊接将连结的两个构件的第二 界面区域的第二形状对称、同心和互补(例如，凹形和凸形互补形状)。然而，在其它变型中， 第一界面区域的第一形状与由摩擦焊接将连结的两个构件的第二界面区域的第二形状非 互补且非对称和/或不同。第一形状和第二形状可从上文所述的示范性形状独立地选择。例 如，通过非限制性实例，第一形状可为椭球体或半椭球体，而第二形状可为球或半球。即使 在第一形状和第二形状非互补的情况下，它们仍同心，且共用相同的旋转轴线，因此允许旋 转焊接。

更具体而言，分别地，凹形界面区域62的第一焊接表面64限定倒置半球形状，而凸 形界面区域66的第二焊接表面68限定半球形状，它们围绕轴线60完全对称。旋转第二构件 54将围绕轴线60沿旋转方向(示为反时针方向，但可为顺时针方向)自旋或旋转。在图2中所 示的实施例中，凹面界面区域62和凸面界面区域66的互补半球形状设计成在第一构件52与 第二构件54连结时彼此大致匹配和连结(如，沿凹形界面区域62的第一焊接表面64和凸形 界面区域66的第二焊接表面68形成完全接触)。应当认识到的是，第一焊接表面64和第二焊 接表面68的形状不限于图2中所示的形状，而是可构想出许多不同的形状，只要它们彼此对 称。特别地，图2中所示的实施例中的旋转焊接工具构件组件50因此关于轴线60对称，其中 凹形界面区域62的凹形第一焊接表面64和凸形界面区域66的凸形第二焊接表面68特别适 于由旋转焊接过程摩擦焊接到彼此上。

如所示，第二构件54围绕插入件70(例如，心轴或杆)模制。因此，第一构件52在旋 转焊接连结过程发生时限定用于收纳第二构件54的插入件70的腔72。然而，插入件70是可 选地的，且可用于便于第二构件54在旋转工具组件内旋转。作为替代，用于固持第二构件54 的工具可改为在旋转焊接期间保持和旋转第二构件54。在旋转焊接期间，焊接区域74形成 在第一构件52与第二构件54之间对应于界面区域56中的焊接接头，其中材料软化且熔化来 产生凹形界面区域62的第一焊接表面64与凸形界面区域66的第二焊接表面68之间的稳健 连结。在某些方面，示例性焊接接头56(例如，焊接陷缩区或熔化区)在连结适合的聚合物构 件时可具有大于或等于大约0.5mm到小于或等于3mm的平均宽度。

在如图2中所示类似的实施例中的旋转焊接期间，当(第一构件52的)第一焊接表 面64和(第二构件54的)第二焊接表面68平滑时，第一焊接表面64和第二焊接表面68的所有 表面区域都在旋转焊接过程的焊接循环期间同时彼此接触。此广泛接触需要随焊接界面的 直径变化的剪切力(例如，对于较小半径来说剪切力较大)。在更小半径下，需要较大的剪切 力，因此需要可导致穿过表面面积的非均匀焊接的高转速。通常，旋转焊接的限制因素需要 具有小表面面积和小半径的部分。即使以此小半径和表面面积，也需要专用设备来实现此 高转速、剪切力和施加压力。此外，在待连结的表面平滑的常规系统中，溢料(由来自摩擦的 热产生的熔化材料)仍包含在焊接接头界面区域内的焊线处，且空气可陷入，这可潜在地产 生缺陷焊缝/接头。此外，可产生聚合物的过早退化。在焊接表面的表面面积较大的情况下， 此问题变得更明显成问题。

因此，根据本公开内容的某些方面，焊接接头界面处的至少一个焊接表面具有形 成在其中的多个表面特征，其中各个相应表面特征为凹形或凸形的。在某些方面，多个表面 特征为形成在第一焊接表面中的凹面特征(例如，凹槽)。在其它替代变型中，多个表面特征 可为用作能量引导物的凸形(例如，突起)。

在某些变型中，第一焊接表面图案为凹面特征，其中其具有形成在其中的至少一 个通道或凹槽。根据本公开内容的各种方面，凹面特征如凹槽有助于在焊接期间减小接触 面积，但还用于管理遍及旋转焊接过程的溢料流。在某些方面中，凹槽可垂直于或大致垂直 于(例如，可偏离垂直小于10°)焊接旋转或自旋的方向。在接触焊接表面上包括此一个或多 个凹槽提供了遍及焊接过程的不断接触出现的能力，同时便于受控的溢料排出而导致形成 强的稳健摩擦焊接。例如，如图3中所示，示出了示例性焊接表面76。焊接表面76可在固定或 静止构件的焊接表面上(例如，图2中的第一构件52的第一焊接表面64上)或在旋转构件的 焊接表面上(例如，图2中的第二构件54的第二焊接表面68上)实施。特别地，成对构件的仅 一个焊接表面可具有形成在其中的一个或多个此凹槽，而另一个焊接表面可仍平滑，而不 需要一个或多个凹槽。在其它方面中，待连结的不同构件的两个焊接表面可具有形成在其 中的凹槽或表面图案。尽管示出了焊接表面76的平面视图，但将认识到的是，焊接表面76为 三维的，且可如前文所述是凹形或凸形的。

多个凹入通道或凹槽78限定在焊接表面76上。多个凹槽78可从中心区域80延伸至 焊接表面76的外周82，因此限定从中心区域80到外周82的长度。可选地的插入件85存在于 中心区域80中。在图3中，存在形成于焊接表面76内的三个凹槽，但同样可构想出更少或更 多凹槽。此外，多个凹槽78可具有不同数目、不同位置或大小，且不一定需要从中心区域80 完全延伸至外周82。当材料软化且变得熔化时，多个凹槽78用于在摩擦焊接期间管理溢料 流，因此便于溢料沿多个凹槽78流动。应当注意的是，尽管凹槽或通道是优选的，但同样可 构想出摩擦焊接期间便于向外的溢料流的其他表面轮廓。应当注意的是，如上文所述，焊接 表面78的表面可为锥形，且可限定多种三维形状。

在图3中，焊接表面76具有半径77，且各个凹槽78具有直径79。各个凹槽78限定焊 接表面76上的长矩形的形状(在从上方看时)。尽管未示出，但各个凹槽78的截面轮廓可具 有矩形、正方形、缝隙、半椭圆、半球、三角形或其它类型的通道形状。角81限定在各个相应 的凹槽78之间。如图所示，角81为大约120°。在某些变型中，插入构件，例如，旋转构件，可具 有大于或等于大约23mm到小于或等于大约72mm的半径77。因此，从中心区域80延伸至外周 82的凹槽78的长度将为大于或等于大约23mm到小于或等于大约72mm。特别地，在某些方面 中，凹槽可不完全延伸至形状的中心，例如，在中心区域80为截断或平的情况下。在某些变 型中，各个相应凹槽78的凹槽直径或宽度79可从大于或等于大约0.5mm到小于或等于大约 3mm的范围。

图3中所示的设计特别适用于变速旋转焊接过程，如，惯性旋转焊接，其中出现增 大的力。在焊接表面76中设计的凹入凹槽78减小总体接触表面面积，以限制所需的焊接力， 且还允许溢料管理(焊接过程期间便于溢料流)，以提供从外到内的方向(或从外周82到中 心区域80)的方向上的可变焊接强度，以便在待连结到彼此上的第一构件与第二构件之间 产生稳健的摩擦焊接连结。此焊接表面设计因此允许良好的焊接性能，其中在连结部分的 边沿处产生有限的溢料或不产生溢料。此外，此焊接表面设计可消除在摩擦焊接零件组件 的暴露表面处除去突出溢料的焊接后机加工或处理的需要。

图4示出了根据本公开内容的某些方面的用于旋转焊接的改性焊接表面的又一个 变型。示出了示例性焊接表面84。类似图3中的焊接表面76，焊接表面84可形成在固定或静 止构件的焊接表面上(例如，图2中的第一构件52的第一焊接表面64上)，或旋转构件的焊接 表面上(例如，图2中的第二构件54的第二焊接表面68上)。多个凹入通道或凹槽86限定在焊 接表面84上。多个凹槽86从中心区域88延伸到焊接表面84的外周89。在图4中，形成的八个 凹槽86从中心区域88延伸到焊接表面84上的外周89，但还可构想出更少或更多的凹槽。此 外，多个凹槽可具有不同的位置或大小，且不一定需要从中心区域88完全延伸至外周89。在 图4的设计中，期望凹槽86从中心区域88完全或几乎延伸至外周89。

当材料软化且变得熔化时，凹槽86减小总体表面面积，以限制所需的焊接力和管 理摩擦焊接期间的溢料流，允许加强溢料管理。图4中所示的实施例特别用于增大力的过 程，例如，变速旋转焊接过程，这引起从内半径位置到外半径位置的可变焊接速度。此设计 允许从外到内的径向位置的焊接接头界面处的可变焊接强度。此外，焊接表面设计可消除 在摩擦焊接零件组件的暴露表面处除去突出溢料的焊接后机加工或处理的需要。

图5示出了根据本公开内容的某些方面的用于旋转焊接的改性焊接表面的又一个 变型。示出了示例性焊接表面90。类似图3中的焊接表面76或图4中的焊接表面84，焊接表面 90可在固定或静止构件的焊接表面上(例如，图2中的第一构件52的第一焊接表面64上)，或 旋转构件的焊接表面上(例如，图2中的第二构件54的第二焊接表面68上)实施。第一多个凹 入通道或凹槽92限定在焊接表面90上。第一多个凹槽92从中心区域94延伸到焊接表面90的 外周96。在图5中，存在形成于焊接表面90内的八个第一凹槽92，但也可构想出更少或更多 凹槽。此外，第一多个凹槽可具有不同的位置或大小，且不一定需要从中心区域94完全延伸 至外周96。在图5的设计中，期望第一多个凹槽92从中心区域94完全或几乎延伸至外周96。 焊接表面90还包括第二多个通道或凹槽98。第二多个凹槽98从外周96向内延伸，但仅朝中 心区域94延伸半径的距离的一部分(例如，半径的大约一半)。如图所示，存在8个第二凹槽 98，但第二凹槽数目、定位和大小可在某些替代方面中变化。

在图5的设计中，第一凹槽92的长度93(L₁)大于第二凹槽98的长度95(L₂)。在某些 变型中，L₂可等于L₁的大约二分之一(L₁=2L₂)。

当材料软化且变得熔化时，第一多个凹槽92和第二多个凹槽98两者都用于在摩擦 焊接期间管理溢料流，因此便于溢料沿第一多个凹槽92和第二多个凹槽98流动。应当注意 的是，尽管凹槽或通道是优选的，但同样可构想出摩擦焊接期间便于向外的溢料流的其他 表面轮廓。图5中所示的设计特别适用于恒力旋转焊接过程。第一多个凹槽92和第二多个凹 槽98允许遍及焊接过程的恒定表面区域接触，且还允许溢料排出或溢料管理(便于焊接过 程期间的溢料流)，以在待连结到彼此上的第一构件与第二构件之间产生稳健的摩擦焊接 连结。此焊接表面设计因此允许良好的焊接性能，其中在连结部分的边沿处产生有限的溢 料或不产生溢料。

图6示出了根据本公开内容的某些方面的用于旋转焊接的改性焊接表面的又一个 变型。示出了示例性焊接表面100，其可形成在固定或静止构件的焊接表面上(例如，图2中 的第一构件52的第一焊接表面64上)或在旋转构件的焊接表面上(例如，图2中的第二构件 54的第二焊接表面68上)形成。第一多个凹入通道或凹槽102限定在焊接表面100上。第一多 个凹槽102从中心区域104延伸到焊接表面100的外周106。在图6中，存在形成于焊接表面 100内的三个第一凹槽102，但也可构想出更少或更多凹槽。角107(β₁)限定在各个相应的第 一凹槽102之间。如图所示，角107为大约120°。如上文所述，多个凹槽102可具有不同的位置 或大小，且不一定需要从中心区域104完全延伸至外周106。在图6的设计中，期望第一多个 凹槽102从中心区域104完全或几乎延伸至外周106。各个第一凹槽102限定长度103(L₁)。

焊接表面100还包括第二多个通道或凹槽108。第二多个凹槽108从外周106向内延 伸，但仅朝中心区域104延伸半径的距离的一部分(例如，半径的大约三分之二)。如图所示， 存在3个第二凹槽93，但第二凹槽数目、定位和大小可在某些替代方面中变化。角111(β₂) 限定在各个相应的第二凹槽108之间。如图所示，角111为大约120°。各个第二凹槽108均限 定长度109(L₂)。

第三多个通道或凹槽110也形成在焊接表面100中。第三多个凹槽110从外周106向 内延伸，但仅朝中心区域104延伸半径的距离的一部分(例如，半径的大约三分之一)。如图 所示，存在六个第三凹槽93，但第三凹槽数目、定位和大小可在某些替代方面中变化。角115 (β₃)限定在各个相应的第三凹槽110之间。如图所示，角115为大约60°。各个第三凹槽110限 定长度113(L₃)。

在图6中所示的设计中，第一凹槽102的长度103(L₁)大于第二凹槽108的长度109 (L₂)和第三凹槽110的长度113(L₃)。第三凹槽108的长度L₂大于第三凹槽110的长度L₃。在某 些变型中，L₂为L₁的大约三分之二(例如，L₁=3/2L₂)，且L₃为L₁的大约三分之一(例如，L₁= 3L₃)。

类似其它实施例，当材料软化且变得熔化时，第一多个凹槽102、第二多个凹槽108 和第三多个凹槽110用于在摩擦焊接期间管理溢料流，因此便于溢料沿各种凹槽流动。应当 注意的是，尽管凹槽或通道是优选的，但同样可构想出摩擦焊接期间便于向外的溢料流的 其他表面轮廓。图6中所示的设计特别适用于恒力旋转焊接过程。第一多个凹槽102、第二多 个凹槽108和第三多个凹槽110允许遍及焊接过程的表面区域接触的降低可变性，且此外允 许溢料排出或溢料管理(焊接过程期间便于溢料流)，以在待连结到彼此上的第一构件与第 二构件之间产生稳健的摩擦焊接。此焊接表面设计因此允许了良好的焊接性能，其中在连 结部分的边沿处产生有限的溢料或不产生溢料。此焊接表面设计可消除旋转焊接之后的焊 接后机加工或处理的需要，以便在摩擦焊接零件组件的暴露表面处除去突出溢料。

图7示出了根据本公开内容的某些方面的用于旋转焊接的改性焊接表面120的又 一个变型。焊接表面120可形成在固定或静止构件的焊接表面上(例如，图2中的第一构件52 的第一焊接表面64上)，或旋转构件的焊接表面上(例如，图2中的第二构件54的第二焊接表 面68上)。多个凹入通道或凹槽122限定在焊接表面120上。多个凹槽122从中心区域124延伸 到焊接表面120的外周126。在图7中，形成了从中心区域124延伸到焊接表面120的外周126 的5个凹槽122，但还可构想出更少或更多的凹槽。

如图7中所示，各个相应凹槽122均具有在中心区域124处的凹槽直径或宽度128 (D_G1)，其减小至外周126处的第二凹槽直径或宽度130(D_G2)。D_G1因此明显大于D_G2。因此，各个 相应凹槽122限定在表面上形成星形图案的锥形三角形。其它凹槽形状和宽度在本公开内 容的某些替代方面中类似地构想出。此外，如同前文所述的变型，多个凹槽122可具有不同 的位置或大小，且不一定需要从中心区域124完全延伸至外周126。在图7的设计中，期望凹 槽122从中心区域124完全或几乎延伸至外圆周126。

图8示出了根据本公开内容的某些方面的用于旋转焊接的改性焊接表面150的又 一个变型。焊接表面150可形成在固定或静止构件的焊接表面上(例如，图2中的第一构件52 的第一焊接表面64上)，或旋转构件的焊接表面上(例如，图2中的第二构件54的第二焊接表 面68上)。多个凹入通道或凹槽152限定在焊接表面150上。多个凹槽152从中心区域154延伸 到焊接表面150的外周156。在图8中，形成了从中心区域154延伸到焊接表面150的外圆周 156的6个凹槽152，但还可构想出更少或更多的凹槽。如图8中所示，各个相应凹槽152均具 有在中心区域154处的凹槽直径或宽度158(D_G1)，其增大至外周156处的第二凹槽直径或宽 度160(D_G2)。在所示实施例中，D_G1小于D_G2。因此，各个相应凹槽152限定锥形形状，其中凹槽 直径或宽度在外周156处扩大，以形成楔形图案。类似于其它实施例，不同的凹槽形状和宽 度在本公开内容的某些替代方面中类似地构想出。此外，如同前文所述的变型，多个凹槽 152可具有不同的位置或大小，且不一定需要从中心区域154完全延伸至外周156。在图8的 设计中，期望凹槽152从中心区域154完全或几乎延伸至外圆周156。

在本公开内容的替代实施例中，焊接接头界面处的至少一个焊接表面具有形成在 其中的多个凸面特征。此凸面特征可为用作能量引导物的突起或凸块，通过将初始接触集 中于对应于可用于便于熔化引发的凸面特征的有限表面区域而便于旋转焊接过程，因此焊 接引发且减小了旋转焊接过程期间生成的溢料的总量。焊接接头界面处的至少一个焊接表 面可包括多个凸面特征，如，圆形突起、凸块或凸节。凸形能量引导物特征的其它形状也可 构想出，如，长形脊。

因此，在某些方面，本公开内容构思一种摩擦焊接组件，其包括第一聚合物构件， 该构件包括限定第一形状的第一焊接表面。摩擦焊接组件还包括第二聚合物构件，其包括 限定第二形状的第二焊接表面。第一形状和第二形状中的一者为凸形，而另一个为凹形。此 外，至少一个焊接表面(第一或第二焊接表面)具有可为凹形或凸形的多个表面特征。在某 些变型中，至少一个焊接表面具有形成在其中的多个凹面特征(例如，凹槽)。第一聚合物构 件或第二聚合物构件中的一者在固定工具上保持静止，而第一聚合物构件和第二聚合物构 件中的另一者在摩擦焊接过程期间在旋转工具上可旋转，摩擦焊接过程在第一焊接表面与 第二焊接表面之间形成摩擦焊接接头。以此方式，第一聚合物构件和第二聚合物构件经由 摩擦焊接接头连结在一起。在某些方面，第一形状和第二形状相对于彼此互补且对称。在其 它方面中，第一形状和第二形状可彼此非互补且不同。在某些变型中，第一形状和第二形状 大致为圆形形状。在某些其它方面中，第一焊接表面或第二焊接表面中的至少一者具有大 于或等于大约3000mm²(大于4.7in²)的对应于摩擦焊接接头的大表面面积。

在某些变型中，如上文所述，第一聚合物构件和/或第二聚合物构件由包括热塑性 聚合物和增强材料的复合材料形成。在某些变型中，至少一个焊接表面具有多个凹面特征 (例如，凹槽)，其从第一焊接表面的中心区域延伸至第一焊接表面的外周。凹槽的数目取决 于管理旋转焊接过程期间的熔体或溢料的流动所需的空间容积，这取决于总体焊接表面、 构件部分尺寸和目标焊接接头厚度。在某些实例中，多个凹槽可包括大于或等于大约3个凹 槽，可选地大于或等于大约4个凹槽，可选地大于或等于大约5个凹槽，可选地大于或等于大 约6个凹槽，可选地大于或等于大约7个凹槽，可选地大于或等于大约8个凹槽，可选地大于 或等于大约9个凹槽，可选地大于或等于大约10个凹槽，可选地大于或等于大约11个凹槽， 可选地大于或等于大约15个凹槽，可选地大于或等于大约20个凹槽，可选地大于或等于大 约25个凹槽，可选地大于或等于大约30个凹槽，可选地大于或等于大约35个凹槽，可选地大 于或等于大约40个凹槽，可选地大于或等于大约50个凹槽，可选地大于或等于大约60个凹 槽，可选地大于或等于大约70个凹槽，可选地大于或等于大约80个凹槽，可选地大于或等于 大约90个凹槽，可选地大于或等于大约100个凹槽，可选地大于或等于大约110个凹槽，可选 地大于或等于大约120个凹槽，可选地大于或等于大约130个凹槽，可选地大于或等于大约 140个凹槽，可选地大于或等于大约150个凹槽，可选地大于或等于大约160个凹槽，可选地 大于或等于大约170个凹槽，且在某些实施例中，可选地大于或等于大约180个凹槽。在某些 实施例中，多个凹槽可包括3到182个凹槽，可选地3到100个凹槽，在某些变型中，可选地6到 45个凹槽。

多个凹槽可选地包括第一多个凹槽和第二多个凹槽两者。第一多个凹槽从第一焊 接表面的中心区域延伸至第一焊接表面的外周，而第二多个凹槽限定小于第一长度的第二 长度。在其它变型中，多个凹槽还包括第三多个凹槽，其具有小于第一长度和第二长度的第 三长度。

各个相应凹槽的大小取决于旋转焊接过程期间待被管理的熔体量，这继而随凹槽 的数目和总体焊接表面和零件尺寸变化。在某些示例性方面中，多个中的各个相应凹槽可 具有大于或等于大于大约0.5mm到小于或等于大约3mm的宽度，以及大于或等于大约0.5mm 到小于或等于大约3mm的深度。多个中的各个相应凹槽均具有从由作为例子三角形、矩形、 四边形和它们的组合构成的组选择的形状(沿焊接表面看)。各个凹槽的截面侧轮廓形状可 为矩形、正方形、缝隙、半椭圆、半球、三角形，或允许溢料向外流动的任何其它类型的通道 或凹部。凹槽的适合形状可取决于使用的焊接表面面积和形状变化，但在某些变型中，适合 的凹槽长度可大于或等于大约1mm到小于或等于大约100mm，可选地大于或等于大约2mm到 小于或等于大约85mm，可选地大于或等于大约3mm到小于或等于大约75mm，且在某些实施例 中，大于或等于大约5mm到小于或等于大约72mm。

通过非限制性实例，在图13和14的情形中示出示例性凹槽设计。图13示出了示例 性常规旋转焊接工具构件组件300。第一构件302可围绕轴线312旋转，而第二构件306可保 持静止。第一构件302限定第一焊接表面304，其限定凸形形状，而第二构件306限定由第二 焊接表面308限定的互补凹形形状。如图13中所示，第一焊接表面304和第二焊接表面308限 定互补的形状。第一焊接表面304和第二焊接表面308将在界面或焊接接头330处连结在一 起，在该处，摩擦焊接形成在其间。在某些方面中，示例性焊接接头330(例如，焊接陷缩区或 熔化区)包括各个焊接表面的一部分(示为第一构件302的第一焊接表面304上的宽度320和 第二构件304上的宽度321)。

对于确定凹槽大小的示例性方法，第一构件302和第二构件306具有互补的半球形 状，其中在轴线312与延伸至第一焊接界面表面304的不同区域的半径之间形成的角314从 30度到90度变化。第一构件302的半径范围可从大约23mm到大约72mm(例如，23mm(= R_Insert^min)<R_Insert≤72mm(=R_Insert^max))。出于该实例的目的，"Insert（插入件）"是指第 一构件302，且"部件（part）"是指第二构件306。R_Insert=R_o+"陷缩宽度"且R_Part=R_o-"陷 缩"，其中Ro限定为"焊线"半径或宽度(包括图13中的320和321两者)。因此，插入件或第一 构件302的典型陷缩示为宽度320(焊线宽度330的大约?)。在该实例中，陷缩宽度范围可从 0.5mm到1mm。

如图14中所示，第一多个凹入通道或凹槽322限定在插入件或第一构件302的焊接 表面304上。在图14中，出于图示的目的，存在形成在焊接表面304内的十一个典型的凹槽 322。如可看到那样，各个凹槽322均具有沿焊接接头将形成的区域延伸的长度310。各个典 型的凹槽322均具有范围从大约1mm到大约3mm的直径或宽度324。各个相应凹槽322与相邻 凹槽322分开角(β)316。焊接时间假定为大约3秒的持续时间，而转速为大约3000rpm。对于