專利名稱：形成具有殘余壓應(yīng)力分布形式的焊接接頭的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于形成焊接接頭的裝置和方法，該焊接接頭具有改良的材料性能，本發(fā)明特別涉及一種形成焊接接頭的方法，該方法誘生殘余壓應(yīng)力分布形式，從而改善焊接接頭的材料性能。
背景技術(shù)：
在制造和建造多種類型結(jié)構(gòu)中，焊接，如氣體焊、電弧焊、電阻焊、熱劑焊、激光焊、電子束焊，已經(jīng)減少或取代了各種緊固方法的使用，這些緊固方法如螺栓連接、鉚釘連接等。這樣的焊接技術(shù)包括使焊接接頭附近的材料完全熔化，由此形成液態(tài)，隨后使其固化而產(chǎn)生改變的微觀結(jié)構(gòu)和性能，或者該技術(shù)包括固態(tài)焊接過程，也產(chǎn)生高度改變的金相狀態(tài)。最適于連接兩金屬件的特定焊接過程取決于金屬的物理性能、其所應(yīng)用的特殊用途以及可利用的生產(chǎn)設(shè)備。
攪拌摩擦焊是比較新的一種焊接方法，用于將金屬材料工件連接起來，并已經(jīng)應(yīng)用于航空、車輛、航海、建筑和其它行業(yè)的設(shè)備、結(jié)構(gòu)等的制造中。如圖1所示，攪拌摩擦焊包括將旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具(攪拌摩擦焊工具)1的帶螺紋探頭1a插入一對(duì)工件2、4的相對(duì)面之間，同時(shí)將這兩工件推壓在一起。攪拌摩擦焊也能用于修復(fù)單個(gè)工件中的裂紋或其它缺陷。帶螺紋探頭1a在工件2、4的相對(duì)面之間或單個(gè)工件內(nèi)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦，摩擦產(chǎn)生足夠的熱能，而使焊接區(qū)6內(nèi)的工件材料塑化。攪拌摩擦焊接工具1還包括肩部，肩部具有各種合適的結(jié)構(gòu)，當(dāng)攪拌摩擦焊接工具沿工件之間的界面3移動(dòng)或移過單個(gè)工件時(shí)，這些肩部的結(jié)構(gòu)適于使塑化的工件材料在焊接區(qū)6內(nèi)固化。當(dāng)工件2、4的塑化區(qū)域在焊接區(qū)6內(nèi)流動(dòng)到一起并冷卻時(shí)，形成攪拌摩擦焊接接頭8，這對(duì)工件被連接在一起而使其呈單個(gè)組件的形式。參見對(duì)攪拌摩擦焊進(jìn)行全面討論的Thomas等人的美國(guó)專利No.5460317，本申請(qǐng)通過引用而結(jié)合其全部?jī)?nèi)容。
攪拌摩擦焊的一個(gè)特別優(yōu)點(diǎn)在于，焊接接頭8的形成是自己生成的，并且是通過塑化的母材的冷卻而形式的，而不是象通常用于普通焊接過程中那樣通過填料的冷卻來形成的。此外，攪拌摩擦焊接接頭8包括具有細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu)的熔核，晶粒呈等軸形狀，晶粒尺寸范圍按量級(jí)次序大致為0.0001至0.0002英寸(大約3至5微米)。改善晶粒結(jié)構(gòu)的結(jié)果是，攪拌摩擦焊接接頭8抵抗微裂紋的形成和增長(zhǎng)，并呈現(xiàn)高的強(qiáng)度、延展性和韌性以及改善的耐腐蝕性和抗疲勞性。
遺憾的是，幾個(gè)重要的問題限制了焊接應(yīng)用于某些制造過程。一個(gè)通常與焊接有關(guān)的問題是，熔化或塑化母材所需的溫度通常會(huì)降低材料的材料性能。例如，如圖1所示，在攪拌摩擦焊中，由旋轉(zhuǎn)攪拌摩擦焊接工具1產(chǎn)生的摩擦熱由焊接區(qū)6通過工件2、4釋放到周圍環(huán)境中，在焊接區(qū)6周圍產(chǎn)生熱影響區(qū)7。與攪拌摩擦焊過程有關(guān)的高溫能夠降低母材的材料性能，包括工件2、4的強(qiáng)度、剛度和延展性。此外，在攪拌摩擦焊過程中，在工件中產(chǎn)生的熱瞬變能夠?qū)е潞附訁^(qū)6對(duì)于腐蝕破壞更為敏感。
另一個(gè)與焊接有關(guān)的共同問題是焊接過程中在工件中形成拉伸殘余應(yīng)力。該拉伸殘余應(yīng)力是工件或工件靠近焊接接頭的區(qū)域膨脹并接著收縮所導(dǎo)致的。已知這樣的拉伸殘余應(yīng)力不但會(huì)降低疲勞壽命，而且提高了很多種材料中的腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在有些通常用于航空業(yè)的某些鋁合金中發(fā)現(xiàn)的顯微偏析(micro-segragation)運(yùn)動(dòng)足夠迅速，這使得即使在短暫熱瞬變之后，也會(huì)降低耐應(yīng)力腐蝕性。此外，如果將具有不同尺寸或包括不同材料的兩個(gè)不同工件焊接在一起，則由于兩工件之間的比熱不同，因此任何殘余應(yīng)力都會(huì)被增大。
與許多熔化和固體狀態(tài)焊接過程有關(guān)的另一個(gè)問題是，在焊接接頭邊緣產(chǎn)生“灼傷(flash)”或過多的材料。由于在焊接接頭邊緣的機(jī)械不連續(xù)性，因而在該區(qū)域以外引發(fā)疲勞裂紋。事實(shí)上在所有類型焊接中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該邊緣成為出現(xiàn)最大拉伸殘余應(yīng)力的區(qū)域。
已經(jīng)提出了幾種方法，以便使熔化狀態(tài)和固體狀態(tài)焊接接頭的材料性能的降低最小化。例如，盡管通過焊后熱處理，按預(yù)定溫度計(jì)劃表的溶液處理并按第二預(yù)定溫度計(jì)劃表老化能夠獲得可接受的耐腐蝕性，但焊后熱處理除了幾何形狀最小和最簡(jiǎn)單的工件外，對(duì)于幾乎所有的工件在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上講都是不實(shí)用的。此外，局部加熱會(huì)導(dǎo)致變形，并增大工件中其它地方的拉伸殘余應(yīng)力。
其它用于改善焊接接頭耐腐蝕性的技術(shù)包括，在具有焊接接頭的成品組件的所有易受影響表面施加涂層，如油漆，以及電鍍。但是，這樣的涂層需要二次操作，該操作增加了人工和材料成本并延長(zhǎng)了成品組件的生產(chǎn)時(shí)間。此外，這樣的涂層僅提供了最上層的保護(hù)層，而沒有保護(hù)組件不可達(dá)到的表面。此外，如果在使用過程中涂層破裂或老化，則組件表面就會(huì)失去保護(hù)。
沿工件表面誘生壓應(yīng)力的方法已經(jīng)應(yīng)用于提高疲勞壽命和工件表面的耐腐蝕性。但是，由于誘生壓應(yīng)力的過程會(huì)導(dǎo)致焊接接頭損壞或變脆弱，因此，沿焊接接頭誘生或沿最終焊接組件表面誘生的呈規(guī)定分布形式的壓應(yīng)力誘生方法還沒有被使用或沒有作為焊接過程的一部分。拋光是一種在工件表面誘生壓應(yīng)力層從而延長(zhǎng)其疲勞壽命并提高耐腐蝕性的方法。可接受的拋光應(yīng)用利用了零件表面的反復(fù)變形，為的是在材料表面進(jìn)行有意識(shí)的冷作(cold working)，以提高屈服強(qiáng)度。通過使呈張緊狀態(tài)的材料表面屈服而形成壓應(yīng)力，使其恢復(fù)到變形后的壓縮狀態(tài)。但是，過度冷作會(huì)產(chǎn)生拉伸表面殘余應(yīng)力或剝落損壞，并使表面易于過載和熱弛豫(thermal relaxation)。
其它通常用于誘生工件表面中壓應(yīng)力的方法包括射擊式噴丸處理，由此以機(jī)械方式或通過氣壓，將多個(gè)金屬或陶瓷小球射出而撞擊工件表面；以及重力式噴丸，由此使小球從預(yù)定距離通過滑槽落到工件表面上。盡管射擊式噴丸和重力式噴丸可用于沿焊接接頭表面誘生殘余壓應(yīng)力，但是遺憾的是，射擊式噴丸和重力式噴丸所給予的冷作量是不受控制的，因此難于優(yōu)化焊接接頭的材料性能。此外，通過射擊式噴丸和重力式噴丸對(duì)材料進(jìn)行的冷作程度較高，這對(duì)于許多應(yīng)用來說是不合要求的。此外，射擊式噴丸和重力式噴丸誘生的殘余壓應(yīng)力較淺，由于在使用中會(huì)因磨損或腐蝕而損失淺壓縮層，由此幾乎沒有帶來好的效果，因此對(duì)于抑制疲勞或應(yīng)力腐蝕裂紋幾乎沒有有利之處。射擊式噴丸和重力式噴丸還會(huì)形成很差的表面光潔度，使得在許多應(yīng)用中不能接受該加工。還已經(jīng)知道，當(dāng)壓縮分布形式隨時(shí)間弛豫時(shí)，特別是在使用中當(dāng)受高溫影響時(shí)，通常會(huì)失去通過射擊式噴丸和重力式噴丸獲得的有益效果。
除了降低材料性能和形成拉伸殘余應(yīng)力外，與采用固態(tài)和熔化焊接技術(shù)形成的組件有關(guān)的另一問題是，形成較粗糙的表面光潔度。例如，攪拌摩擦焊接工具肩部沿工件表面的摩擦和旋轉(zhuǎn)通常會(huì)產(chǎn)生具有周期性圓形分布形式的較粗糙的表面光潔度。對(duì)于在疲勞加載應(yīng)用中使用的結(jié)構(gòu)，通常不允許表面很粗糙。因此，為了降低表面粗糙度，常常降低旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具的運(yùn)動(dòng)速度。但是，降低焊接工具的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)顯著延長(zhǎng)焊接時(shí)間。通過焊后機(jī)加工也能降低工件的表面粗糙程度。但是，焊后機(jī)加工會(huì)使焊接接頭變薄，并且需要花費(fèi)更多人工和時(shí)間的二次加工操作，這將提高成品組件的成本并延長(zhǎng)加工時(shí)間。此外，由于由軟熔影響區(qū)導(dǎo)致了焊接接頭附近材料硬度的差異，因此在進(jìn)行導(dǎo)致疲勞起始位置的焊后機(jī)加工時(shí)，難于防止局部底切(undercutting)。
現(xiàn)在應(yīng)該明白，直到目前，除了上述已經(jīng)認(rèn)識(shí)到的問題外，所有焊后過程都要求二次操作，該操作通常增加成品組件的人工和/或材料成本以及生產(chǎn)時(shí)間。因此，仍然需要提供改進(jìn)的方法和裝置，用于在形成焊接接頭時(shí)，減小材料性能的降低、拉伸殘余應(yīng)力和表面粗糙度。這樣的制造方法和裝置應(yīng)該比普通方法花費(fèi)更低的人工成本和更短的生產(chǎn)時(shí)間，并且應(yīng)該提供具有改良機(jī)械性能和化學(xué)性能的焊接接頭，這些性能包括耐腐蝕性、屈服強(qiáng)度、硬度、延展性、疲勞壽命和表面光潔度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供包括焊接接頭和工件并具有改良的材料性能和表面光潔度的結(jié)構(gòu)組件，以及用于形成該結(jié)構(gòu)組件的方法和裝置。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，提供一種結(jié)構(gòu)組件，包括至少一個(gè)工件和沿工件的至少部分表面布置的焊接接頭。在一個(gè)實(shí)施例中，焊接接頭由氣體焊、電弧焊、電阻焊、熱劑焊、激光焊或電子束焊形成。在另一實(shí)施例中，焊接接頭包括攪拌摩擦焊接接頭。有利的是，焊接接頭的至少部分表面和工件靠近焊接接頭的至少部分表面包括選擇性形成的殘余壓應(yīng)力層，由此提高焊接接頭的部分表面和工件表面的耐腐蝕性和疲勞強(qiáng)度。在一個(gè)實(shí)施例中，殘余壓應(yīng)力層具有預(yù)定的分布形式。在另一實(shí)施例中，包括選擇性形成的殘余壓應(yīng)力層的焊接接頭部分表面和工件表面呈現(xiàn)的冷作量低于大約5％，更優(yōu)選是低于大約2％。工件可以由各種材料構(gòu)成，包括但不限于鋁、鋁合金、銅、銅合金、鈦或鈦合金。在另一實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)組件包括由不同金屬構(gòu)成的第一和第二工件。
本發(fā)明還提供一種形成焊接接頭的方法。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，該方法包括沿預(yù)定路徑焊接至少一個(gè)工件，以形成焊接接頭。該焊接步驟可以包括氣體焊、電弧焊、電阻焊、熱劑焊、激光焊、電子束焊或攪拌摩擦焊。在焊接接頭的至少部分表面中和工件靠近焊接接頭的至少部分表面中，誘生殘余壓應(yīng)力層。在一個(gè)實(shí)施例中，同時(shí)完成焊接和誘生步驟。在另一實(shí)施例中，該方法包括控制焊接接頭的部分表面中和工件靠近焊接接頭的部分表面中的冷作和表面硬化量。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，冷作量低于大約5％，更優(yōu)選是低于大約2％。在另一實(shí)施例中，誘生步驟包括拋光。在另一實(shí)施例中，誘生步驟包括使壓縮工具以預(yù)定形式移過焊接接頭，由此形成基本不交迭的殘余壓應(yīng)力區(qū)。在另一實(shí)施例中，該方法包括進(jìn)行X射線衍射，以確定在焊接接頭表面內(nèi)和工件靠近焊接接頭的表面內(nèi)待誘生的需要的壓應(yīng)力分布形式。在另一實(shí)施例中，誘生步驟包括控制壓縮工具通過焊接接頭的運(yùn)動(dòng)方向和/或運(yùn)動(dòng)速度。在另一實(shí)施例中，誘生步驟包括調(diào)節(jié)通過壓縮工具施加在焊接接頭上和工件靠近焊接接頭的表面上的力。在另一實(shí)施例中，該方法包括從焊接接頭去除灼傷。
本發(fā)明還提供一種焊接裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，焊接裝置包括用于沿至少一個(gè)工件的表面形成焊接接頭的焊接工具。該焊接工具被構(gòu)造成可執(zhí)行氣體焊、電弧焊、電阻焊、熱劑焊、激光焊和電子束焊。在另一實(shí)施例中，焊接工具包括旋轉(zhuǎn)軸和與該軸可旋轉(zhuǎn)連接的攪拌摩擦焊接工具。該焊接裝置還包括壓縮工具，該壓縮工具用于在焊接接頭的至少部分表面中和工件的至少部分表面中，有選擇性地誘生殘余壓應(yīng)力層。在一個(gè)實(shí)施例中，壓縮工具包括單點(diǎn)拋光工具。該焊接裝置可以包括與壓縮工具可操作連接的控制器，其中將該控制器構(gòu)造成這樣即，自動(dòng)地控制壓縮工具移過焊接接頭的運(yùn)動(dòng)方向和/或運(yùn)動(dòng)速度。在另一實(shí)施例中，該焊接裝置還包括至少一個(gè)傳感器，將傳感器構(gòu)造成這樣即，測(cè)量通過壓縮工具施加在焊接接頭上和工件靠近焊接接頭的表面上的力。該焊接裝置還包括一控制器，該控制器與傳感器電連接并與壓縮工具可操作地連接，其中將該控制器構(gòu)造成這樣即，自動(dòng)地調(diào)節(jié)通過壓縮工具施加在焊接接頭上和工件靠近焊接接頭的表面上的力。在另一實(shí)施例中，焊接裝置包括用于從焊接接頭去除灼傷的切削工具，其中將切削工具附連在壓縮工具上。
因此，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)組件，該結(jié)構(gòu)組件具有改良材料性能和表面光潔度的焊接接頭，以及形成該結(jié)構(gòu)組件的方法和裝置。與普通方法相比，本發(fā)明的制造方法和裝置所需的人工成本低而且生產(chǎn)時(shí)間短，并提供具有改良機(jī)械和化學(xué)性能的焊接接頭，這些性能包括耐腐蝕性、屈服強(qiáng)度、疲勞壽命和表面光潔度。


通過下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的詳細(xì)說明，將更容易理解本發(fā)明的上述和其它優(yōu)點(diǎn)和特征以及實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方式，附圖給出了某些示例性的實(shí)施例，而不必按比例表示，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)中使用攪拌摩擦焊的兩結(jié)構(gòu)件或工件連接的透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例實(shí)施形成焊接接頭的方法的焊接裝置示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的焊接裝置的透視圖；
圖4是圖2所示焊接裝置的正視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明方法在已焊工件表面誘生的表面殘余應(yīng)力分布與采用普通焊接在工件表面誘生的表面殘余應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比的曲線圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明方法焊接的工件的百分比冷作分布與采用普通焊接焊接的工件的百分比冷作分布進(jìn)行對(duì)比的曲線圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例形成焊接接頭的方法的流程圖；圖8是沿圖3中線8-8的局部橫截面圖，表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的焊接接頭和一個(gè)結(jié)構(gòu)組件的工件；以及圖9是與在采用4點(diǎn)彎曲測(cè)試的具有和不具有選擇性形成的殘余壓應(yīng)力層的攪拌摩擦焊鋁樣本在腐蝕和非腐蝕環(huán)境中的疲勞壽命進(jìn)行比較的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖，更全面地描述本發(fā)明，其中示出了本發(fā)明的一些但不是所有的實(shí)施例。可以以多種不同形式實(shí)施本發(fā)明，而不應(yīng)該將本發(fā)明限定在這些實(shí)施例中；更確切地說，給出這些實(shí)施例是為了充分而完全地公開本發(fā)明，并使本領(lǐng)域的技術(shù)人員充分理解本發(fā)明的范圍。在整個(gè)說明中，相同的標(biāo)號(hào)表表示相同的元件。
參照附圖，特別是參照?qǐng)D8，圖中示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組件112。結(jié)構(gòu)組件112可以使用在各種應(yīng)用，這些應(yīng)用包括但不限于車輛、宇航飛行器、建筑應(yīng)用、航海應(yīng)用等。結(jié)構(gòu)組件112包括一個(gè)或多個(gè)工件12和至少一個(gè)焊接接頭28，該至少一個(gè)焊接接頭沿工件之一的至少一部分表面設(shè)置。采用任何普通焊接法形成焊接接頭28，這些焊接法包括但不限于氣體焊、電弧焊、電阻焊、熱劑焊、激光焊、超聲焊、電子束焊、金屬極惰性氣體保護(hù)焊、鎢極惰性氣體保護(hù)焊、攪拌摩擦焊、慣性焊或線性攪拌摩擦焊。
如圖3和8所示，結(jié)構(gòu)組件112可以包括一對(duì)工件12，這對(duì)工件12彼此靠近，從而在其間形成連接界面13，其中焊接接頭28沿至少一部分界面設(shè)置，由此將工件連接起來。在另一實(shí)施例(未示出)中，可以使三個(gè)或三個(gè)以上的工件12連接起來，或者可以在單個(gè)工件12中形成焊接接頭28，以修補(bǔ)裂紋或其它缺陷。如發(fā)明名稱為“結(jié)構(gòu)件的攪拌摩擦晶粒細(xì)化(Friction Stir Grain Refinement of Structural Members)”的美國(guó)專利No.6398883中所描述的，焊接接頭28，特別是攪拌摩擦焊接接頭，也可以被形成為這樣，即，在具有較高工作應(yīng)力的工件第二區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu)的區(qū)域，該專利已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人之一，這里通過引用而結(jié)合其內(nèi)容。
可以通過已知制造方法機(jī)加工每個(gè)工件12，按照特定設(shè)計(jì)載荷和規(guī)格的需要，將單個(gè)工件加工成預(yù)定的形狀和厚度。例如，可以使用數(shù)控銑床根據(jù)需要加工每個(gè)工件12?？梢詫⒐ぜ?2制造成各種結(jié)構(gòu)，包括板、塊、管狀件和曲線形件，這些結(jié)構(gòu)僅為了示范而不是為了限制。類似地，每個(gè)工件12可按照特定設(shè)計(jì)載荷和規(guī)格的需要由各種材料構(gòu)成。工件12優(yōu)選是由高強(qiáng)度重量比的材料構(gòu)成，包括鋁、鋁合金、鈦和鈦合金，這些材料僅是為了示范而不是為了限制。
當(dāng)使用兩個(gè)或兩個(gè)以上工件12時(shí)，工件可以由相同或不同金屬構(gòu)成，有利的是，由于可以通過攪拌摩擦焊來連接工件12，工件可以由通過普通熔焊技術(shù)不可焊接或焊接很不經(jīng)濟(jì)的不同金屬構(gòu)成。不可焊接材料在通過普通熔焊技術(shù)連接時(shí)產(chǎn)生較弱的焊接接頭，在焊接接頭凝固過程中趨于產(chǎn)生裂紋。這樣的材料包括鋁和一些鋁合金，特別是AA系列2000和7000合金。攪拌摩擦焊的使用使由不可焊的材料構(gòu)成的工件12得以可靠地連接。攪拌摩擦焊還能用于使可焊接材料與其它可焊接和不可焊接材料可靠地連接。因此，本發(fā)明方法使構(gòu)成工件12的材料可以從很寬范圍的多種重量輕、強(qiáng)度高的金屬和合金中選擇，由此便于減小最終焊接結(jié)構(gòu)的總重量。重量和強(qiáng)度是航空業(yè)中極關(guān)注的問題。
如圖8所示，下面作更全面的描述，結(jié)構(gòu)組件112以這樣的方式構(gòu)成，使焊接接頭28的至少部分表面和工件12靠近焊接接頭的至少部分表面包括，選擇性形成的殘余壓應(yīng)力層114。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，選擇性形成的殘余壓應(yīng)力層114的深度為大約0.5mm至大約1.5mm。這里使用的術(shù)語“工件”可以指一個(gè)或多個(gè)工件12。優(yōu)選是，工件12靠近焊接接頭28的并包括具有選擇性形成的殘余壓應(yīng)力層114的部分表面大體包括工件的熱影響區(qū)，這些熱影響區(qū)是由形成焊接接頭時(shí)產(chǎn)生的熱量所導(dǎo)致的。焊接接頭28穿透工件12的整個(gè)厚度，可在工件的雙側(cè)誘生殘余壓應(yīng)力層114。
參照?qǐng)D5，示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的在通過攪拌摩擦焊焊接的工件12表面選擇性誘生的表面殘余應(yīng)力分布與采用普通攪拌摩擦焊接在工件12表面誘生的表面殘余應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比的曲線圖。有利的是，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，殘余壓應(yīng)力層114顯著地改善了工件12表面和焊接接頭28表面的相應(yīng)部分的耐腐蝕性和疲勞強(qiáng)度，由此解決了與普通焊接技術(shù)有關(guān)的問題，即材料性能降低以及拉伸殘余應(yīng)力，材料性能降低包括耐腐蝕性和疲勞強(qiáng)度的降低。例如，如圖9所示，具有選擇性形成的殘余壓應(yīng)力層的攪拌摩擦焊鋁測(cè)試取樣在圖9中表示為測(cè)試取樣“+LPB”，其在腐蝕性(3.5％NaCl溶液)和非腐蝕性環(huán)境中具有的疲勞壽命均高于沒有選擇性形成的殘余壓應(yīng)力層的取樣。
參照?qǐng)D3和4，示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例用于形成結(jié)構(gòu)組件112的焊接裝置100。焊接裝置100包括一個(gè)或多個(gè)焊接工具102和壓縮工具106。每個(gè)焊接工具102具有用于進(jìn)行任何傳統(tǒng)焊接操作的焊頭，這些焊接操作包括但不限于氣體焊、電弧焊、電阻焊、熱劑焊、激光焊、超聲焊、電子束焊、金屬極惰性氣體保護(hù)焊、鎢極惰性氣體保護(hù)焊、攪拌摩擦焊、慣性焊或線性攪拌摩擦焊。如圖2示意性所示，焊接工具102優(yōu)選是安裝在定位裝置104上，如機(jī)器人臂(未示出)。
在一個(gè)實(shí)施例中，如圖4所示，定位裝置104包括具有旋轉(zhuǎn)軸103的數(shù)控機(jī)床或銑床(未示出)，旋轉(zhuǎn)軸繞軸線旋轉(zhuǎn)，如圖3中的箭頭105所示。焊接工具102可以包括攪拌摩擦焊接工具111，其與軸103轉(zhuǎn)動(dòng)相連。如上所述，攪拌摩擦焊接工具111包括肩部和探頭111a，其構(gòu)造成用于塑化并鍛造工件12靠近探頭的部分，由此形成固態(tài)焊接接頭28。在一個(gè)實(shí)施例中，在形成焊接接頭28之前和之中，使用一個(gè)或多個(gè)加熱器(未示出)加熱攪拌摩擦焊接工具111，以便向探頭111a傳遞熱量。申請(qǐng)?zhí)枮?0/035865、發(fā)明名稱為“高強(qiáng)度攪拌摩擦焊(High StrengthFriction Stir Welding)”的美國(guó)專利申請(qǐng)中描述了通過對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射或感應(yīng)來加熱攪拌摩擦焊接工具111的方法和裝置，該專利申請(qǐng)轉(zhuǎn)讓給了本發(fā)明的受讓人之一，這里通過引用而結(jié)合其內(nèi)容。
焊接裝置100還包括壓縮工具106，用于沿著焊接接頭28的表面和靠近焊接接頭的工件12表面選擇性產(chǎn)生變形區(qū)或殘余壓應(yīng)力層114，如圖8所示。盡管已經(jīng)研制了各種壓縮工具，以便在工件表面形成殘余壓應(yīng)力層114，但是，優(yōu)選是壓縮工具106是拋光工具107。例如，拋光工具107可包括單點(diǎn)拋光工具，如在發(fā)明名稱為“用于在工件表面形成殘余壓應(yīng)力層的拋光方法和裝置(Burnishing Method and Apparatus forProviding a Layer of Compressive Residual Stress in the Surface ofa Workpiece)”的美國(guó)專利No.5826453中公開的一種單點(diǎn)拋光工具，這里通過引用而結(jié)合其內(nèi)容。如圖3和4所示，單點(diǎn)拋光工具107包括拋光球110，使其最前端108在滾動(dòng)過程中在焊接接頭28上和工件12靠近焊接接頭的部分上移過以誘發(fā)深層壓縮，如圖2示意性所示，壓縮工具106優(yōu)選是安裝在普通定位裝置104上，如機(jī)器人臂或銑床(未示出)。
焊接裝置100還包括切削工具115，將其構(gòu)造成從焊接接頭28和工件12靠近焊接接頭的表面去除灼傷，由此提供具有較光滑表面的結(jié)構(gòu)組件112。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，如圖3和4所示，切削工具115包括附連在壓縮工具106上的截齒116、當(dāng)壓縮工具106旋轉(zhuǎn)時(shí)，如圖3中的箭頭119所示，切削工具115繞焊接接頭28的表面和工具12的表面旋轉(zhuǎn)，去除灼傷。
焊接工具102和壓縮工具106沿著由連接界面13形成的焊接線18的運(yùn)動(dòng)方向和速度，將取決于沿著工件12表面和殘余壓應(yīng)力層114需要的深度所形成的焊接接頭28的類型。通過壓縮工具106施加在焊接接頭28表面和工件12靠近焊接接頭的表面的力，將同樣取決于殘余壓縮應(yīng)力層114需要的深度。此外，如果焊接接頭28是攪拌摩擦焊接接頭，由攪拌摩擦焊接工具111施加在工件12上的力將取決于工件的材料成分、材料性能和尺寸。
可以以手動(dòng)或自動(dòng)方式操作本發(fā)明的焊接裝置100。如圖2示意性所示，焊接裝置100可以包括控制器116，用于自動(dòng)控制定位裝置104，由此控制焊接工具102和壓縮工具106的運(yùn)動(dòng)方向和速度?？刂破?06也可用于控制由壓縮工具106施加在焊接接頭28表面上和工件12靠近焊接接頭的表面上的力。同樣地，如果焊接接頭28包括攪拌摩擦焊接接頭，控制器116可用于控制由攪拌摩擦焊接工具111施加在工件12上的力?？刂破?16可以包括微處理器，如受計(jì)算機(jī)軟件控制的計(jì)算機(jī)操作。在一個(gè)實(shí)施例中，如本領(lǐng)域公知的，定位裝置104包括由伺服電動(dòng)機(jī)(未示出)驅(qū)動(dòng)的帶傳動(dòng)和/或齒輪傳動(dòng)組件(未示出)。控制器116可通過合適的接線(未示出)與定位裝置104的伺服電動(dòng)機(jī)可操作地連接。
一個(gè)或多個(gè)傳感器(未示出)，包括但不限于線性可變差動(dòng)變壓器或激光、電容、電感或超聲位移傳感器，它們通過合適的接線與控制器116電連接，可用于測(cè)量工具在工件12表面上的間距，由此測(cè)量焊接工具102和壓縮工具106的運(yùn)動(dòng)。同樣地，伺服系統(tǒng)中的軸編碼器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、線性可變差動(dòng)變壓器、或者電阻或光定位傳感器可以用于確定工具沿工件12表面的位置。一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器(未示出)包括但不限于結(jié)合有電阻、壓電或電容元件的測(cè)壓元件，這些測(cè)壓元件通過合適接線與控制器116電連接，可以用于測(cè)量壓縮工具106施加在在焊接接頭28表面和工件12靠近焊接接頭的表面上的力。同樣地，如果焊接工具102是攪拌摩擦焊接工具111，則通過合適接線與控制器116電連接的一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器(未示出)可用于測(cè)量通過焊接工具施加在工件12表面上的力。例如，壓力傳感器可以用于監(jiān)控通過活塞施加的液壓力，以便確定工具上的法向力。通過運(yùn)動(dòng)和壓力傳感器獲得的測(cè)量值傳遞給控制器116?？刂破?16比較測(cè)量值和預(yù)編程序參數(shù)，如果必要的話，向定位裝置104的伺服電動(dòng)機(jī)(未示出)發(fā)出指令，對(duì)運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度和/或由焊接工具102和/或壓縮工具106施加的力進(jìn)行校正或調(diào)整。
為了連接兩個(gè)或兩個(gè)以上工件12，工件彼此之間進(jìn)行相對(duì)定位，使得工件之間形成連接界面13。該界面形成焊接裝置100的預(yù)定路徑或焊接線18。當(dāng)修補(bǔ)單個(gè)工件12中的裂紋或其它缺陷時(shí)，裂紋或缺陷將形成預(yù)定路徑或焊接線18。優(yōu)選是固定工件12，以防工件彼此相對(duì)移動(dòng)。例如，可以通過本領(lǐng)域所公知的點(diǎn)焊或采用夾具將工件12彼此固定。接著可通過夾具或類似裝置(未示出)將工件12固定工作臺(tái)上。當(dāng)在單個(gè)工件12中形成焊接接頭28時(shí)，工件優(yōu)選是通過夾具或類似裝置固定在工作臺(tái)上。焊接裝置100相對(duì)于工件12定位，使得焊接工具102和壓縮工具106靠近焊接線18。焊接工具102接合焊接線18并沿其移動(dòng)，從而焊接工件12。根據(jù)另一實(shí)施例(未示出)，焊接工具102固定，而使工件12相對(duì)于焊接工具移動(dòng)。
之后，壓縮工具106使得焊接接頭28表面和工件12靠近焊接接頭的表面接合，并沿這兩個(gè)表面移動(dòng)，以便誘生殘余壓應(yīng)力層114。根據(jù)另一實(shí)施例(未示出)，壓縮工具106固定，而工件12相對(duì)于壓縮工具移動(dòng)，如上所述，優(yōu)選是工件12靠近焊接接頭28的表面大體包括由焊接過程產(chǎn)生的工件熱影響區(qū)。根據(jù)圖3和4所示的實(shí)施例，通過使拋光球110壓靠焊接接頭28表面和工件12靠近焊接接頭的表面來操作壓縮工具106，從而產(chǎn)生變形區(qū)并誘生殘余壓應(yīng)力層114。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，普通X射線衍射技術(shù)用于分析焊接接頭28和工件12靠近焊接接頭的區(qū)域，以便確定需要的壓應(yīng)力分布形式，以及確定，優(yōu)化焊接接頭和工件區(qū)域的材料性能所必需的冷作和表面硬化量。接著，拋光球110以預(yù)定分布形式和變化的壓力并以手動(dòng)方式或采用控制器116移動(dòng)通過焊接接頭28和工件12靠近焊接接頭的表面，從而誘生具有需要的冷作和表面硬化量的需要的殘余壓應(yīng)力分布形式。
參照?qǐng)D7，示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的形成焊接接頭的操作。該方法包括沿預(yù)定路徑焊接至少一個(gè)工件，以形成焊接接頭。見方框200。焊接步驟可包括氣體焊、電弧焊、電阻焊、熱劑焊、激光焊、電子束焊或攪拌摩擦焊。在焊接接頭的至少部分表面和工件靠近焊接接頭的至少部分表面誘生殘余壓應(yīng)力層。見方框圖202。在一個(gè)實(shí)施例中，焊接和誘生步驟同時(shí)進(jìn)行。在另一實(shí)施例中，該方法包括，控制焊接接頭部分表面和工件靠近焊接接頭的部分表面中的冷作和表面硬化量，見方框204。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，冷作量低于大約5％，并更優(yōu)選是低于大約2％。在另一實(shí)施例中，誘生步驟包括拋光。在另一實(shí)施例中，誘生步驟包括，使壓縮工具以預(yù)定形式通過焊接接頭，由此形成基本不交迭的殘余壓應(yīng)力帶。見方框206。在另一實(shí)施例中，該方法包括進(jìn)行X射線衍射，以確定在焊接接頭表面和工件靠近焊接接頭的表面內(nèi)待誘生的需要的壓應(yīng)力分布形式。見方框208。在另一實(shí)施例中，誘生步驟包括控制壓縮工具通過焊接接頭的運(yùn)動(dòng)方向和/或運(yùn)動(dòng)速度。見方框210。在另一實(shí)施例中，誘生步驟包括調(diào)整由壓縮工具施加在焊接接頭和工件靠近焊接接頭的表面上的力。見方框圖212。在另一實(shí)施例中，該方法包括從焊接接頭上去除灼傷。見方框214。
應(yīng)用于單程或多程低壓力中的單點(diǎn)拋光方法可在工件拉伸變形之后有效產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，并到達(dá)焊接接頭28和工件12靠近焊接接頭的區(qū)域內(nèi)的一定深度，并以最小程度的冷作產(chǎn)生深的壓縮。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該單點(diǎn)拋光方法生產(chǎn)的零件的冷作和表面硬化低于受普通噴丸處理或重力式噴丸處理的零件。而且還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明形成的殘余壓應(yīng)力層114穿透的深度大于由普通噴丸表面處理所形成的深度。冷作和表面硬化的量也能作為部分處理工藝來改變，以便優(yōu)化焊接接頭28和工件12靠近焊接接頭的區(qū)域的材料性能。冷作和表面硬化的最佳量將取決于焊接的特定材料和在零件使用壽命中所處的環(huán)境。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)焊接接頭表面和工件12靠近焊接接頭的表面，進(jìn)行低于大約5％并且更優(yōu)選是低于大約2％的冷作，將導(dǎo)致焊接接頭28具有在高溫下更耐久的殘余壓應(yīng)力層，并且其在拉伸或壓縮過載中的殘余應(yīng)力場(chǎng)的變化小于采用普通冷作和表面硬化工藝所形成的焊接接頭。但是應(yīng)該明白，可以通過提高表面冷作量而提高在高溫下的屈服強(qiáng)度。這對(duì)于某些應(yīng)用可能是需要的。
因此，本發(fā)明方法和裝置是一種成本低而有效的焊接手段，它提供了沿焊接接頭的壓力，從而通過受控的冷作和表面硬化的量，在適當(dāng)限定的局部區(qū)域引起壓應(yīng)力。圖5示出了在焊接操作(在本實(shí)例中是攪拌摩擦焊操作)后處于殘余張力狀態(tài)的零件表面與在焊接后接著通過本發(fā)明拋光方法處理的處于殘余壓應(yīng)力狀態(tài)的零件表面的比較曲線圖。如圖5所示，焊接后，表面在焊接區(qū)中呈現(xiàn)具有較高程度拉伸的區(qū)域，由此顯著縮短零件的疲勞壽命并降低零件的耐應(yīng)力腐蝕性。
通過使冷作和表面硬化量達(dá)到最小，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的方法會(huì)沿著焊接接頭28的表面和工件12靠近焊接接頭的表面誘生殘余壓應(yīng)力層114，其大體包括工件的熱影響區(qū)，導(dǎo)致零件的材料性能(如疲勞強(qiáng)度)提高，特別是在高溫下，以及使拉伸或壓縮過載時(shí)殘余應(yīng)力場(chǎng)的變化達(dá)到最小。圖6示出了攪拌摩擦焊操作之后零件表面中的冷作百分率與焊接后接著由本發(fā)明拋光方法處理的零件表面中的冷作百分率的曲線對(duì)比圖。對(duì)于特定的應(yīng)用，零件表面的冷作百分率可以超過5％，如圖6所示冷作量大約為12％。但是，可以根據(jù)特定應(yīng)用的材料性能需要改變冷作量。就這點(diǎn)來說，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)冷作百分率減小可以提高零件的疲勞強(qiáng)度，而冷作百分率增大可以提高零件在高溫下的屈服強(qiáng)度。對(duì)于需要較高疲勞強(qiáng)度的應(yīng)用，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，冷作百分率低于大約5％，更優(yōu)選是低于大約2％。
如上所述和圖中所示，本發(fā)明形成焊接接頭28的方法優(yōu)于現(xiàn)有焊接法之處在于，本發(fā)明方法能使加工好的焊接接頭獲得高的疲勞強(qiáng)度和耐應(yīng)力腐蝕性，如圖9所示，同時(shí)形成很高的表面光潔度。此外，通過使焊接過程與以最小冷作和表面硬化量誘生深殘余壓應(yīng)力層114的過程組合，實(shí)現(xiàn)了焊接處理后的低成本過程，該過程費(fèi)用低和/或耗時(shí)少。特別是對(duì)于本發(fā)明采用攪拌摩擦焊過程形成焊接接頭28更是如此，且不需要降低攪拌摩擦焊接工具111的旋轉(zhuǎn)速度。此外，還改善了表面粗糙度，而不需要費(fèi)用較高而且耗時(shí)的二次操作。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，形成焊接接頭的方法和實(shí)現(xiàn)主題發(fā)明方法的裝置大大增加了通過焊接而不是通過使用螺栓和鉚釘而經(jīng)濟(jì)地制造的零件的類型。這樣的零件尤其出現(xiàn)在航空工業(yè)中，如在飛機(jī)機(jī)身的制造和機(jī)翼蒙皮和支承的制造中，在其中重量的考慮是最重要的。通過在這樣的結(jié)構(gòu)中不使用或較少使用螺栓和鉚釘，能夠顯著降低重量，因此降低燃料的耗費(fèi)，以及降低總的制造和維護(hù)時(shí)間。此外，去除或減少螺栓和鉚釘將改善飛機(jī)周圍的氣流，由此減降飛機(jī)噪聲和并減小其空氣動(dòng)力阻力。
本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)上述說明和相關(guān)附圖的教導(dǎo)，作出本發(fā)明的許多修改和其它實(shí)施例。因此應(yīng)理解，本發(fā)明不限于所公開的這些特定實(shí)施例，而是包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的多種修改和其它實(shí)施例。盡管這里采用了特定的術(shù)語，但是這些術(shù)語僅是一般描述性意義上使用的術(shù)語，并不是為了進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1.一種形成焊接接頭的方法，包括沿預(yù)定路徑焊接至少一個(gè)工件，以形成焊接接頭；以及在焊接接頭的至少部分表面中和至少一個(gè)工件靠近焊接接頭的至少部分表面中，誘生殘余壓應(yīng)力層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括控制所述焊接接頭的部分表面中和至少一個(gè)工件靠近焊接接頭的部分表面中的冷作和表面硬化量。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述冷作量低于大約2％。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述冷作量低于大約5％。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述誘生步驟包括拋光。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述誘生步驟包括使壓縮工具以預(yù)定形式移過焊接接頭，由此形成基本不交迭的殘余壓應(yīng)力區(qū)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括進(jìn)行X射線衍射，以確定在所述焊接接頭表面內(nèi)和所述至少一個(gè)工件靠近所述焊接接頭的表面內(nèi)待誘生的需要的壓應(yīng)力分布形式。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述誘生步驟包括控制一壓縮工具通過所述焊接接頭的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度中的至少一個(gè)。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述誘生步驟包括調(diào)節(jié)通過一壓縮工具施加在所述焊接接頭上和所述至少一個(gè)工件靠近焊接接頭的表面上的力。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接步驟包括從以下組中選擇的焊接過程氣體焊、電弧焊、電阻焊、熱劑焊、激光焊和電子束焊。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接步驟包括攪拌摩擦焊。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括從所述焊接接頭去除灼傷。
13.一種形成焊接接頭的方法，包括沿至少一個(gè)工件的表面形成焊接接頭；以及在所述形成步驟的同時(shí)，在所述焊接接頭的至少部分表面中和至少一個(gè)工件靠近所述焊接接頭的至少部分表面中，誘生殘余壓應(yīng)力層。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括控制在所述焊接接頭的部分表面中和在所述至少一個(gè)工件靠近焊接接頭的部分表面中的冷作和表面硬化量。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述冷作量低于大約2％。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述冷作量低于大約5％。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述誘生步驟包括拋光。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述誘生步驟包括使壓縮工具以預(yù)定形式移過焊接接頭，由此形成基本不交迭的殘余壓應(yīng)力區(qū)。
19.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括進(jìn)行X射線衍射，以確定在所述焊接接頭表面內(nèi)和所述至少一個(gè)工件靠近所述焊接接頭的表面內(nèi)待誘生的需要的壓應(yīng)力分布形式。
20.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述誘生步驟包括控制一壓縮工具通過所述焊接接頭的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度中的至少一個(gè)。
21.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述誘生步驟包括調(diào)節(jié)通過一壓縮工具施加在所述焊接接頭上和所述至少一個(gè)工件靠近所述焊接接頭的表面上的力。
22.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述焊接步驟包括從以下組中選擇的焊接過程氣體焊、電弧焊、電阻焊、熱劑焊、激光焊和電子束焊。
23.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述焊接步驟包括攪拌摩擦焊。
24.如權(quán)利需要13所述的方法，其特征在于，還包括從所述焊接接頭去除灼傷。
25.一種焊接裝置，包括焊接工具，用于沿至少一個(gè)工件的表面形成焊接接頭；以及壓縮工具，用于在焊接接頭的至少部分表面中和至少一個(gè)工件的表面中，有選擇性地誘生殘余壓應(yīng)力層。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，所述焊接工具構(gòu)造成執(zhí)行從以下組中選擇的焊接過程氣體焊、電弧焊、電阻焊、熱劑焊、激光焊和電子束焊。
27.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，所述焊接工具包括旋轉(zhuǎn)軸和與該軸可旋轉(zhuǎn)連接的攪拌摩擦焊接工具。
28.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，所述壓縮工具包括單點(diǎn)拋光工具。
29.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，還包括與所述壓縮工具可操作連接的控制器，所述控制器構(gòu)造成這樣，即，自動(dòng)控制所述壓縮工具移過所述焊接接頭的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度中的至少一個(gè)。
30.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，還包括至少一個(gè)傳感器，將所述傳感器構(gòu)造成，測(cè)量通過所述壓縮工具施加在所述焊接接頭上和所述至少一個(gè)工件靠近所述焊接接頭的表面上的力。
31.如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，還包括一控制器，該控制器與所述至少一個(gè)傳感器電連接并與所述壓縮工具可操作地連接，所述控制器構(gòu)造成這樣，即，自動(dòng)調(diào)節(jié)通過所述壓縮工具施加在所述焊接接頭上和所述至少一個(gè)工件靠近所述焊接接頭的表面上的力。
32.如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，還包括切削工具，用于從所述焊接接頭去除灼傷，所述切削工具附連在所述壓縮工具上。
33.一種結(jié)構(gòu)組件，包括至少一個(gè)工件；焊接接頭，沿所述至少一個(gè)工件的至少部分表面布置；并且其中，所述焊接接頭的至少部分表面和所述至少一個(gè)工件靠近焊接接頭的至少部分表面包括，選擇性形成的殘余壓應(yīng)力層，由此提高所述焊接接頭的部分表面和所述至少一個(gè)工件的部分表面的耐腐蝕性和疲勞強(qiáng)度。
34.如權(quán)利要求33所述的結(jié)構(gòu)組件，其特征在于，所述殘余壓應(yīng)力層具有預(yù)定分布形式。
35.如權(quán)利要求33所述的結(jié)構(gòu)組件，其特征在于，通過從以下的組中選取焊接過程來形成所述焊接接頭氣體焊、電弧焊、電阻焊、熱劑焊、激光焊和電子束焊。
36.如權(quán)利要求33所述的結(jié)構(gòu)組件，其特征在于，所述焊接接頭包括攪拌摩擦焊接接頭。
37.如權(quán)利要求33所述的結(jié)構(gòu)組件，其特征在于，包括所述選擇性形成的殘余壓應(yīng)力層的，所述焊接接頭的所述部分表面和所述至少一個(gè)工件的所述部分表面顯示出低于大約2％的冷作量。
38.如權(quán)利要求33所述的結(jié)構(gòu)組件，其特征在于，包括所述選擇性形成的殘余壓應(yīng)力層的，所述焊接接頭的所述部分表面和所述至少一個(gè)工件的所述部分表面顯示出低于大約5％的冷作量。
39.如權(quán)利要求33所述的結(jié)構(gòu)組件，其特征在于，構(gòu)成所述至少一個(gè)工件的材料是從以下組中選取的鋁、鋁合金、銅、銅合金、鈦、鈦合金。
40.如權(quán)利要求33所述的結(jié)構(gòu)組件，其特征在于，還包括第一和第二工件，所述第一和第二工件包括不同的金屬。
全文摘要
提供一種焊接裝置及其方法。該焊接裝置包括焊接工具，該焊接工具用于沿至少一個(gè)工具的表面形成焊接接頭。焊接裝置還包括壓縮工具，用于在焊接接頭的至少部分表面中和至少一個(gè)工件的至少部分表面中，有選擇性地誘生殘余壓應(yīng)力層，由此提高工件的材料性能，包括耐腐蝕性和疲勞強(qiáng)度。
文檔編號(hào)B23K37/08GK1729077SQ02821695
公開日2006年2月1日 申請(qǐng)日期2002年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月2日
發(fā)明者邁克爾·羅斯頓·詹姆士, 默里·W·馬哈里, 道格拉斯·J·瓦爾登, 保羅·S·普雷維三世 申請(qǐng)人:波音公司, 朗達(dá)研究公司