專利名稱：攪拌摩擦焊接組件和相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)攪拌摩擦焊接部件來(lái)形成組件，更具體地說(shuō)，涉及形成 這樣的組件，該組件包括有機(jī)可固結(jié)涂層材料，所述涂層材料有選擇地沉積 在一個(gè)或多個(gè)部件上，位于攪拌摩擦焊接接頭附近。
背景技術(shù)：
攪拌摩擦焊接通常指的是一種冶金接合或組裝過(guò)程，其中結(jié)構(gòu)構(gòu)件或部 件定位成密切接觸，限定對(duì)接或重疊結(jié)合部，并且用力將旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊 接工具或柱銷沖擊或促動(dòng)到部件中，同時(shí)沿著所述結(jié)合部行進(jìn)。所述工具或 柱銷在結(jié)構(gòu)部件中產(chǎn)生足夠的摩擦力，將部件的一部分可塑化，然后通過(guò)柱 銷將可塑化的材料混合。隨著可塑化的材料冷卻并再次凝固，形成攪拌摩擦
焊接接頭，特征在于，混合部分具有細(xì)化的晶粒結(jié)構(gòu)，稱為熔核(nugget core )。 攪拌摩擦焊接過(guò)程例如在美國(guó)專利No. 5,460,317中有進(jìn)一步描述。
提出攪拌摩擦焊接過(guò)程是作為機(jī)械緊固或接合過(guò)程諸如鉚接過(guò)程的替 代方案，所述鉚接過(guò)程傳統(tǒng)上用來(lái)組裝飛行器部件。就是說(shuō)，與鉚接或其他 機(jī)械緊固飛行器部件的方式不同，所述部件可以利用攪拌摩擦焊接接頭而冶 金接合。但是，在任何一種情況下，接合的部件通常在其間限定結(jié)合部，且 該結(jié)合部易于受到化學(xué)品、水分或其他流體或微粒造成的腐蝕和/或侵蝕。因 此，現(xiàn)有的粘濕密封劑可以設(shè)置在該結(jié)合部中，密封所述部件，防止外來(lái)物 質(zhì)進(jìn)入，并保護(hù)部件接頭處不受腐蝕。設(shè)置這種粘濕密封劑通常耗時(shí)且昂貴。 此外，如果不設(shè)置濕密封劑，如果在接合過(guò)程中因擠壓或其他原因而使密封 劑從結(jié)合部丟失，或者如果密封劑干透并劣化或者以其他方式從接頭上剝 離，則接頭質(zhì)量下降。
此外，傳統(tǒng)用于防腐蝕并且壓力密封和燃料密封鋁合金飛行器結(jié)構(gòu)構(gòu)件 的濕密封劑化合物包含有毒的基于溶劑的化合物。因此，必須采取各種預(yù)防 措施來(lái)保護(hù)使用它們的人員，并且確保它們安全降解。這種濕密封劑通常比 較臟，而且難于使用，通常需要用腐蝕性化學(xué)溶液大范圍地清洗。
因此，需要在組件中形成耐腐蝕連接部的改進(jìn)方法。所述方法應(yīng)該與摩 擦焊接過(guò)程相適應(yīng)，并且不能太過(guò)昂貴和費(fèi)時(shí)。此外，所述方法應(yīng)該優(yōu)選不 需要使用傳統(tǒng)濕密封劑化合物來(lái)防止腐蝕。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種形成攪拌摩擦焊接組件的方法以及由該方法形成的相 關(guān)組件。所述方法包括涂覆部件的一個(gè)表面部分，然后將該部件攪拌摩擦焊 接，形成組件，該組件接著進(jìn)行熱處理，例如同時(shí)加熱處理所述部件并且固 結(jié)所述涂層。
根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例，所述方法包括提供第一和第二部件，所述部件 兩者或其中之一包括鋁；和提供耐腐蝕、可固結(jié)的有機(jī)涂層材料。例如，所 述涂層材料可以包括酚醛樹(shù)脂和有機(jī)溶劑。所述涂層材料有選擇地施加到第 一部件的第一表面部分，使第一部件上靠近所述第一表面部分的第二表面部 分基本上保持未涂覆。所述部件配置成預(yù)定構(gòu)型，使第一和第二表面部分與 另一個(gè)表面接觸，例如使第一部件的第一和第二表面與第二部件對(duì)應(yīng)輪廓的 表面接觸。將所述部件攪拌摩擦焊接，在所述第一部件的第二表面部分處形 成攪拌摩擦焊接結(jié)合部或接頭，使第一表面部分基本上保持未焊接，從而形 成焊接結(jié)構(gòu)組件。形成的結(jié)構(gòu)組件然后加熱到足夠高的溫度，將至少一個(gè)部 件熱處理并同時(shí)充分固結(jié)所述有機(jī)涂層。在有些情況下，在施加涂層之后并 且在攪拌摩擦焊接之前，所述部件兩者或其中之一還接受熱處理，從而至少 局部固結(jié)所述涂層材料。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，在保護(hù)層掩蓋所述第二表面部分的情況下，施加 所述涂層材料，將所述涂層材料施加到靠近該第二表面部分的第一表面部分 上，并除去所述保護(hù)層，以使第二表面部分保持未涂覆。在任何情況下，可 以沿著所述第二表面部分的第一和第二相對(duì)邊緣來(lái)施加所述涂層材料，以使 第二表面部分限定沿著該第 一部件延伸的路徑。然后沿著所述路徑移動(dòng)攪拌 摩擦焊接工具或柱銷，實(shí)施攪拌摩擦焊接，形成沿著該路徑細(xì)長(zhǎng)延伸的攪拌 摩擦焊接結(jié)合部或接頭。
根據(jù)另 一種實(shí)施例，本發(fā)明提供一種包括第 一和第二部件的結(jié)構(gòu)組件， 所述第一和第二部件兩者或其中之一可由鋁或鋁合金材料形成。所述第一部 件限定相鄰的第一和第二表面部分，且所述第二部件限定與所述第一部件的 所述第一和第二表面部分接觸的表面。攪拌摩擦焊接接頭設(shè)置在所述第一部 件的第二表面部分處，接合所述部件。此外，耐腐蝕、可固結(jié)的有機(jī)涂層材 料設(shè)置在所述第一和第二部件之間，位于所述攪拌摩擦焊接接頭相對(duì)側(cè)部上 的所述第一部件的第一表面部分處。因此，攪拌摩擦焊接接頭延伸穿過(guò)所述 第一部件的第二表面部分，并設(shè)置在有機(jī)涂層材料之間，例如使所述涂層材 料基本上從所述攪拌摩擦焊接接頭分開(kāi)。根據(jù)一個(gè)方面，涂層材料沿著所述 第二表面部分的相對(duì)的第一和第二邊緣設(shè)置，使得所述第二表面部分限定沿 著所述第 一部件延伸的路徑，且所述攪拌摩擦焊接接頭沿著所述路徑細(xì)長(zhǎng)延 伸。所述涂層材料可以適配成在加熱處理操作過(guò)程中固結(jié)，該加熱處理操作 適配成同時(shí)加熱處理至少其中一個(gè)部件。例如，所述涂層材料可以包括酚醛 樹(shù)脂和有機(jī)溶劑。
因此，本發(fā)明的方法可以用來(lái)形成攪拌摩擦焊接組件，在靠近部件之間 的攪拌摩擦焊接連接部的地方耐腐蝕性能得到改進(jìn)。具體來(lái)說(shuō)，所述涂層材 料設(shè)置在攪拌摩擦焊接件附近，能保護(hù)靠近該接頭的組件表面，例如保護(hù)接 合形成所述組件的配合部件之間的表面。


' 在概括描述了本發(fā)明之后，將參照附圖進(jìn)行討論，所述附圖并非依照比 例繪制，其中
圖l是方塊圖，示意性圖示了根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例形成組件的方法步
驟；
圖2是透視圖，圖示了根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例用來(lái)形成組件的部件；
圖3是側(cè)視圖，圖示了圖2所示的部件與形成組件的第二部件定位在一 起，所述組件諸如飛行器組件；
圖4是透視圖，圖示了形成組件的攪拌摩擦焊接過(guò)程中，圖3所示的部
件；
圖5是圖片，圖示了根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例，具有攪拌摩擦焊接接頭的 組件的截面；
圖6是圖片，圖示了根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施例，具有攪拌摩擦焊接接頭 的組件的截面。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖將更為全面地說(shuō)明本發(fā)明，其中示出了本發(fā)明的一些實(shí)施 例，但不是全部。實(shí)際上，本發(fā)明可以以許多不同的方式實(shí)施，且不應(yīng)該理 解為限制到本文所述的實(shí)施例，提供這些實(shí)施例僅僅是為了滿足法律要求。 類似的數(shù)字始終指代類似的元件。
現(xiàn)在參照附圖，圖1是方塊圖，示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例 用于形成結(jié)構(gòu)組件的步驟。簡(jiǎn)要地說(shuō)，所述方法包括提供未處理部件或構(gòu)件
以及涂層材料。參見(jiàn)塊10和12。涂層材料應(yīng)用于一個(gè)或多個(gè)部件上。參見(jiàn) 塊14。在一些情況下，然后對(duì)涂覆過(guò)的部件進(jìn)行熱處理。參見(jiàn)塊16。此后， 對(duì)所述部件進(jìn)行攪拌摩擦焊接，以形成組件，接下來(lái)進(jìn)行熱處理，例如同時(shí) 加熱處理該部件并固結(jié)所述涂層。參見(jiàn)塊18和20。以下將對(duì)這些操作每一 個(gè)進(jìn)〗于更為全面地i兌明。
針對(duì)在塊10提供并且此后進(jìn)行涂覆并組裝的部件，本發(fā)明提供一種組 件以及用于組裝金屬部件的相關(guān)方法，所述部件通常用鋁合金材料形成。結(jié) 合成單個(gè)組件的各個(gè)部件可以用相同材料形成，也可以由不同材料形成。例 如，由第 一鋁合金材料形成的第 一部件可以結(jié)合到由不同于該第 一合金的第 二鋁合金材料形成的第二部件。在一些情況下， 一個(gè)或多個(gè)部件可以由除鋁 合金材料之外的其他材料形成，諸如各種其他金屬。每個(gè)部件的金屬材料可 以根據(jù)組件的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行選擇。
術(shù)語(yǔ)"鋁合金，，或"鋁合金材料"在本文中用來(lái)指代鋁的重量多于50% 而少于100%的合金。本發(fā)明所用的通常鋁合金材料中鋁的重量介于約 85-98%之間，帶有平衡量的合金元素以及少量雜質(zhì)。合金元素可以添加精確 控制的量，以可預(yù)料地改變鋁合金材料的性質(zhì)。所述合金元素包括鎂、銅和 鋅以及其他元素。具體來(lái)說(shuō)，部件或構(gòu)件22、 26可以由擠壓的未處理7075 鋁合金材料形成，或由7150鋁合金材料形成。其他適當(dāng)?shù)暮辖鸢ǖ幌?于2000、 4000、 6000和7000系列可加熱處理的鋁合金材料。
所述組件可以用在任何場(chǎng)合，包括飛行器結(jié)構(gòu)部件諸如機(jī)翼和機(jī)身表層 面板、加強(qiáng)件(包括但不限于翼梁、肋、街條、縱梁、框架和夾片)、鉸鏈、 門等等。此外，所述方法可以用于其他類型的組件，包括用在其他航天結(jié)構(gòu)、 其他交通工具諸如汽車和輪船、建筑結(jié)構(gòu)等中的組件。所述部件通常具有與 最終組件設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)合相對(duì)應(yīng)的特性。例如，每個(gè)部件可以具有適當(dāng)?shù)男螤?br> 和尺寸，用于由其形成的組件的相應(yīng)部分。
為了說(shuō)明，圖2圖示了第一部件22，其具有拐角形狀，即具有L形截 面的細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件。在圖3所示實(shí)施例中，第一部件的基部凸緣24結(jié)合到具有 平面結(jié)構(gòu)的第二部件26。在其他實(shí)施例中，兩個(gè)部件22、 26其中之一可以 以其他方式配置，例如用于限定其他形狀諸如平面、拐角、曲錢、管狀、槽 狀等等。此外，應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明，可以組裝任意數(shù)目的部件。
可以在圖1中的塊10處提供局部處理狀態(tài)的部件22、 26。例如，在涂 覆操作之前，部件22、 26可以人工老化和/或陽(yáng)極化。但是，部件22、 26 可以處于完全加熱處理狀態(tài)，或者不處于完全加熱處理狀態(tài)。特別來(lái)說(shuō)，在 涂覆操作之前，部件22、 26可以并不完全退火。
特別是，部件以及此后產(chǎn)生的組件可以用這樣的鋁合金制成，該鋁合金 具有自然老化或人工老化到其最終狀態(tài)的回火度。人工老化和自然老化的區(qū) 別在于在析出加熱處理過(guò)程中，人工老化涉及將部件加熱到較高的溫度，并 持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。自然老化在室溫下通過(guò)延長(zhǎng)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)部件的合金 元素可以進(jìn)行選擇，以使部件可以加工到相對(duì)較軟的狀態(tài)，例如，加熱到較 高的溫度并持續(xù)一定的時(shí)間周期，然后淬火到較低溫度。這種過(guò)程稱為"溶 液加熱處理"。在溶液加熱處理過(guò)程中，溶質(zhì)元素?cái)U(kuò)散到合金基體中(即， 溶液處理)并通過(guò)快速淬火而保持在溶體中。
在所述構(gòu)件進(jìn)行溶液處理/退火后，可以對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步加工，將其強(qiáng)度 提高若干倍，以具有希望的高強(qiáng)度特性，如下所述。這種進(jìn)一步的加工，通 常借助析出硬化/老化處理，可以通過(guò)加熱到較高溫度并持續(xù)一定的時(shí)間(稱 為人工老化)或著保持在室溫下并持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間(稱為自然老化)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在傳統(tǒng)鋁工業(yè)術(shù)語(yǔ)中，不同的人工老化、析出加熱處理(有時(shí)與中間變形或 冷加工相結(jié)合)，產(chǎn)生出基本的T6、 T7、 T8或T9回火狀態(tài)。自然老化析出 處理產(chǎn)生出基本的T3或T4回火狀態(tài)。 一些合金要求人工老話，而另一些合 金可以任一種方式老化。本發(fā)明經(jīng)過(guò)處理的結(jié)構(gòu)部件都可以用這兩種類型的 材料制成。在兩種老化方式中，因?yàn)樵阡X合金基體中形成第二相顆粒，通常 稱為析出相，所以產(chǎn)生了增強(qiáng)效果?？偟膩?lái)說(shuō)，所有歸結(jié)為增強(qiáng)作用的處理 步驟一般稱為"加熱處理"，其中部件在一個(gè)時(shí)期或者多個(gè)時(shí)期暴露于較高 的溫度，并持續(xù)一定的時(shí)間。加熱速率和冷卻速率經(jīng)過(guò)選擇，以協(xié)助產(chǎn)生希 望的最終特性。實(shí)現(xiàn)特定特性所需要的溫度、時(shí)間和其他參數(shù)對(duì)于鋁合金和
冶金領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是已知的。
在塊13處，部件可以接受各種額外的處理步驟，為后續(xù)涂覆和焊接操 作做準(zhǔn)備。例如，在本發(fā)明一種實(shí)施例中，除了將要涂覆和焊接的表面部分
32之外，部件根據(jù)Douglas Process Standard ( DPS ) 11.01-03或MIL-A-8625 進(jìn)行鉻酸陽(yáng)極化?？梢赃x擇的是，可以利用堿性清潔、脫氧程序以溶劑為需 要涂覆和焊接的表面部分32、 34進(jìn)行脫脂。優(yōu)選可以利用例如Scotch Brite (中等粒度的磨料)來(lái)去除表面32、34的外層，直達(dá)約0.00010英寸到0.00030 英寸深度，以便去除任何現(xiàn)存的軋制(mill scale)氧化層。然后利用異丙醇 來(lái)清潔干凈的表面32、 34。清潔后的表面可以風(fēng)干約IO分鐘，以允許該表 面干燥。然后向第二表面部分34施加保護(hù)層(maskant)，并施加涂層材料。
在塊12處提供的用于涂覆部件22、 26的涂層材料通常為有機(jī)防腐蝕涂 層材料，可以用來(lái)涂覆(或"預(yù)處理，，)所述部件?？梢允褂酶鞣N所述涂層。 例如，美國(guó)專利No5，614,037說(shuō)明了在安裝前可以用來(lái)預(yù)處理飛行器緊固件 諸如鉚釘?shù)耐繉硬牧虾屯扛卜椒?，該文件通過(guò)引用方式全文包含在本文中。 其中描述的涂層和涂覆方法可以類似地用在本發(fā)明中。特別是，美國(guó)專利 No. 5,614,037說(shuō)明了以有機(jī)涂層材料涂覆緊固件，以保護(hù)緊固件的基體金屬 以及周圍的相鄰結(jié)構(gòu)不會(huì)腐蝕損壞。首先制造所述緊固件，然后任選加熱處 理到需要的強(qiáng)度。在任選的加熱處理之后，以苛性鈉池對(duì)所述緊固件進(jìn)行蝕 刻，或者以其他方式對(duì)其進(jìn)行清潔，以去除加熱處理中產(chǎn)生的任何氧化皮。 溶解在易揮發(fā)載體液體中的涂層材料通過(guò)噴涂、浸洗等方式施加到緊固件 上 將涂覆后的緊固件經(jīng)受高溫并持續(xù)一定的時(shí)間周期，通常在400下下持 續(xù)l小時(shí)，以允許載體液體蒸發(fā)，并快速(flash)固結(jié)所述涂層。
這種涂層材料的一個(gè)示例包括樹(shù)脂，其與一種或多種增塑劑、其他有機(jī)
成分諸如聚四氟乙烯以及無(wú)機(jī)添加劑諸如鋁粉和/或鉻酸鹽諸如鉻酸鍶、鉻酸
鋇、鉻酸鋅等混合。這些涂層成分優(yōu)選溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲校嬖诹恳a(chǎn)生
希望的施加濃度。對(duì)于上述涂層材料來(lái)說(shuō)，溶劑是乙醇、曱苯和曱乙酮的混
合物。通?？蓢娡康耐繉尤芤壕哂屑s30% (重量)的乙醇，約7% (重量)
的曱苯和約45% (重量)的曱乙酮作為溶劑，并且約2% (重量)的鉻酸鍶、
約2% (重量)的鋁粉、平衡量的酚醛樹(shù)脂和增塑劑作為涂層材料。可以任
選添加少量聚四氟乙烯。例如，這種可固結(jié)的涂層為Hi-Shear Corporation,
Torrance, California生產(chǎn)的Hi-Kote l,其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用方式包含在本文
中。制造商推薦，Hi-Kote l在350-400。F下接受1-4小時(shí)的升溫固結(jié)處理。 可以選擇的是，可以使用無(wú)鉻酸鹽的涂層。這些涂層材料可以分散在適當(dāng)?shù)?溶劑中，存在量根據(jù)所選擇的應(yīng)用場(chǎng)合，要能產(chǎn)生希望的濃度。溶劑可以是 乙醇混合物，但是優(yōu)選為水基介質(zhì)。其他涂層在美國(guó)專利No.6,953，509中說(shuō) 明，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用方式包含在本文中。
在優(yōu)選使用Hi-Kotel的情況下，通過(guò)EDS分析對(duì)噴涂的涂層進(jìn)行分析。 較重的元素以下述的量存在Al, 82.4%(重量)；Cr， 2.9% (重量)；Fe， 0.1%(重量)；Zn, 0.7。/。(重量)和Sr， 13.9% (重量)。在涂層中檢測(cè)到了 較輕的元素諸如碳、氧和氫，但是沒(méi)有報(bào)告，因?yàn)閷?duì)于這些元素的EDS分 析一般不精確。
涂層材料通常僅直接施加在部件配合表面的其中之一上。例如，在圖2 和3所示的實(shí)施例中，涂層材料直接施加到第一部件22而不施加到第二配 合部件26。更具體地說(shuō)，涂層材料施加到第一部件22的表面28上，該表面 定位成相對(duì)著第二配合部件26的對(duì)應(yīng)表面30并最終接合到第二部件26。在 這方面，第一和第二部件22、 26的對(duì)應(yīng)表面28、 30可以限定對(duì)應(yīng)的類似輪 廓，諸如平面、曲線、拐角或其他形式的配合表面。
涂層材料通常根據(jù)部件之間需要形成焊接接頭的相鄰路徑而有選擇地 施加到部件上。例如，如圖2所示，第一部件22限定第一表面部分32和第 二表面部分34。涂層材料施加在第一表面部分32上，但是不施加在的第二 表面部分34上，以使焊接接頭可以形成與第二部分34相符并且基本上不受 涂層材料的影響或者不與其發(fā)生干涉。具體來(lái)說(shuō)，兩個(gè)第一表面部分32可 以設(shè)置在第二表面部分34的相對(duì)兩側(cè)，以使第一部分32限定第二部分34 的相對(duì)邊緣36、 38。如圖所示，每個(gè)部分32、 34可以沿著部件22縱向延伸， 以使第二部分34沿著部件22限定路徑，該路徑在兩側(cè)由被涂覆的第一表面 部分32所限定。
可以通過(guò)掩蓋第二表面部分34以防止涂層材料沉積到其上來(lái)實(shí)現(xiàn)有選 擇地涂覆部件22。就是說(shuō)，在進(jìn)行涂覆操作之前，保護(hù)層諸如帶材或其他可 去除的材料可以施加到第二表面部分34上?？梢越柚魏纬练e過(guò)程將涂層 材料涂覆到第一表面部分32上，諸如噴涂、涂刷、浸洗等。在涂覆第一表 面部分32之后，可以去除保護(hù)層，從而去除沉積在第二表面部分34上的任 何涂層材料?？梢赃x擇的是，可以有選擇地施加涂層材料而不使用保護(hù)層，
例如使用受控涂覆過(guò)程，諸如用于沉積涂層材料的印刷過(guò)程。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的涂層厚度可以根據(jù)涂覆部件、部件的組件以及涂層本身的 優(yōu)選最終結(jié)果特性而進(jìn)行改變。涂層通常足夠薄，以避免與部件配合以及在
它們之間形成焊接接頭結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉。例如，與第二部件26組裝前，第一 部件22上實(shí)現(xiàn)的涂層厚度小于約0.001英寸，例如介于約0.00015英寸和約 0.00035英寸之間。
通常僅涂覆其中一個(gè)部件，且被涂覆的部件表面部分是定位成與另一個(gè) 配合部件相接觸但不直接焊接到另一個(gè)部件的表面部分。例如，如圖2和3 所示，第一部件22的全部表面28要設(shè)置成與第二部件26接觸。被涂覆的 第 一表面部分32各自的寬度足夠在其之間為第二表面部分34留出足夠的寬 度，以使焊接接頭可以形成與第二表面部分34相符，并從第一表面部分32 隔開(kāi)。具體來(lái)說(shuō)，在第一部件22具有約0.875英寸寬的基部凸緣24的情況 下，每個(gè)被涂覆的第一表面部分32的寬度可以約為0.250英寸，以使其間的 第二表面部分34的寬度約為0.375英寸。
在有些情況下，可以涂覆多個(gè)部件，和/或接合部件時(shí)，其中一個(gè)部件的 涂覆表面可以設(shè)置成與另一個(gè)部件的涂覆表面接觸。此外，應(yīng)該明白，可以 向一個(gè)部件施加多個(gè)涂層，例如讓多個(gè)涂層施加到部件的不同部分和/或讓多 個(gè)涂層依次施加，在一個(gè)或多個(gè)表面部分上形成疊層。
如塊16所示，在施加涂層'之后，但在攪拌摩擦焊接過(guò)程接合部件之前， 可以讓部件接受任選的加熱處理操作。例如，可以將部件22、 26加熱，以 局部固結(jié)所述涂層材料，以使部件22、 26容易操作而不會(huì)干擾涂層材料。 具體來(lái)說(shuō)，由7075-T6鋁合金材料制成的部件可以加熱到約320下并持續(xù)約 15-18小時(shí)的周期，進(jìn)行老化，以實(shí)現(xiàn)-T76回火度。可以選擇的是，可以在 約200。F下處理部件約2分鐘，以便為后續(xù)操作"快速固結(jié)"涂層材料，直 到涂覆部件全部老化處理進(jìn)行完為止。在任何情況下，如果不是立即通過(guò)攪 拌摩擦焊來(lái)組裝部件，則部件可以保存在干燥環(huán)境中，例如將部件與干燥劑 包裹在一起。
在部件布置和定位成預(yù)定配置的情況下，即需要形成的構(gòu)件組件的希望 配置的情況下，進(jìn)行塊18的攪拌摩擦焊接操作。通常，根據(jù)DPS10.700實(shí) 施攪拌摩擦焊接操作。例如，部件22、 26可以如圖3那樣布置成最終完工 組件的希望配置。如圖4所示，在第一和第二部件22、 26的對(duì)應(yīng)表面28、
30相接觸，且部件處于預(yù)定配置的情況下，可以形成攪拌摩擦焊接接頭42 來(lái)結(jié)合部件22、 26,形成組件40。為了清楚地說(shuō)明，圖4圖示的結(jié)構(gòu)組件 40帶有局部形成的攪拌摩擦焊接接頭42和用來(lái)形成焊接接頭42的攪拌摩擦 焊接設(shè)備44。攪拌摩擦焊接設(shè)備44包括柱銷或工具46,其具有攪拌摩擦焊 柱銷或工具部分50，該工具部分從工具或柱銷46肩部48延伸。設(shè)置一個(gè)或 多個(gè)構(gòu)件或促動(dòng)器52例如沿著旋轉(zhuǎn)方向54旋轉(zhuǎn)工具46，并例如沿著方向 56沿著部件22、 26橫移工具46。因此，旋轉(zhuǎn)的工具46可以至少局部穿入 每個(gè)部件22、 26，并沿著未涂覆的第二表面部分34所限定的路徑促動(dòng)該旋 轉(zhuǎn)工具，以使部件22、 26的材料可塑化，并將這些材料混合或摻和，從而 隨著材料在再固結(jié)過(guò)程中冷卻和硬化而形成攪拌摩擦焊接接頭42。
如圖4所示，攪拌摩擦焊接接頭42形成與第二表面部分34相符，即位 于第一部件22的第一表面涂覆部分32的邊緣36、 38之間，以使第一表面 部分32基本上保持分開(kāi)或者保持未焊接到第二部件26。換句話說(shuō)，未涂覆 的第二表面部分34可以摩擦焊接到第二部件26,而不將涂覆的第一表面部 分32焊接到第二部件26。這樣，可以留下涂層材料，在配合的第一表面部 分32附近的位置，即靠近焊接接頭42并與通常形成在部件22、 26之間的 縫隙重合的位置，為部件22、 26提供防腐蝕性。而且，在攪拌摩擦焊接操 作過(guò)程中，涂層材料可以保持基本上不熔化和/或不混合，從而防止因涂層材 料混入攪拌摩擦焊接接頭42而帶來(lái)的不良影響以及可能因這種混合而為焊 接接頭整體性帶來(lái)的不良影響。在部件22、 26通過(guò)攪拌摩擦焊接而組裝成 希望的配置后，所述部件限定構(gòu)件組件40。
如圖2-4所示，所述一對(duì)構(gòu)件或部件22、 26在部件22、 26之間限定材 料結(jié)合部60,該結(jié)合部與第一表面部分32相符。例如可以通過(guò)攪拌摩擦焊 接操作將材料結(jié)合部60處的涂層材料固結(jié)，在材料結(jié)合部60處形成熱固結(jié) 耐腐蝕有機(jī)材料62，如圖4所示。攪拌摩擦焊接接頭42可以設(shè)置在構(gòu)件之 間的攪拌摩擦焊接結(jié)合部64處，即與第二表面部分34相符，因此位于雙向 排除熱固結(jié)結(jié)合部60的地方。具體來(lái)說(shuō)，有機(jī)材料可以沿著攪拌摩擦焊接 結(jié)合部64的相對(duì)邊緣設(shè)置，如圖所示，以使材料結(jié)合部60的兩個(gè)部分在其 間限定沿著部件22、 26延伸的路徑，攪拌摩擦焊接結(jié)合部64沿著該路徑細(xì) 長(zhǎng)延伸。
在攪拌摩擦焊接操作之后，構(gòu)件組件40可以接受熱處理，即加熱處理
操作。參見(jiàn)圖1的塊20。熱處理通常用來(lái)改善構(gòu)件組件40的一個(gè)或多個(gè)部 件22、 26的材料特性。就是說(shuō)，部件的基體金屬和施加的涂層作為一個(gè)組 件一起加熱到適當(dāng)?shù)母邷兀允逛X合金通過(guò)人工老化而析出加熱處理到最終 希望的強(qiáng)度狀態(tài)。優(yōu)選用于該熱處理的溫度和時(shí)間選擇為實(shí)現(xiàn)所述鋁合金基 體金屬希望特性所需的溫度和時(shí)間，正如用于該特定鋁合金材料的工業(yè)上可 接受并經(jīng)驗(yàn)證的加工標(biāo)準(zhǔn)所提供的。
此外，熱處理操作還可以任選將有機(jī)涂層材料固結(jié)到其希望的最終結(jié)合 狀態(tài)。因此，部件22、 26的熱處理和涂層材料的固結(jié)可以作為組合操作， 通常作為同時(shí)發(fā)生的操作來(lái)完成。就是說(shuō)，可以將涂層材料適配成在用于進(jìn) 行部件22、 26加熱處理的、溫度足夠和持續(xù)期間足夠的熱處理過(guò)程中進(jìn)行 固結(jié)。例如，在7075鋁合金部件和以"Hi-Kote 1"涂層為代表的上述涂層 的情況下，加熱處理過(guò)程可以包括將構(gòu)件組件40加熱到約250。F的溫度，持 續(xù)約12-14小時(shí)，以穩(wěn)定所述涂層材料，隨后以環(huán)境空氣冷卻到室溫。
此后，構(gòu)件組件40可以按照DPS9.45或MIL-C-5541施加無(wú)色的組件轉(zhuǎn) 換涂層，按照DPS4.50-36或MIL-PRF-23377施加環(huán)氧底層涂層，按照 DPS4.50-36施加光澤白色環(huán)氧頂層涂層，諸如DN7507,以完成工作，接著 最后邊緣密封該構(gòu)件組件。
圖5和6圖示了根據(jù)本發(fā)明形成在部件之間的攪拌摩擦焊接接頭的兩幅 顯微截面圖像。具體來(lái)說(shuō)，圖5圖示了這樣的實(shí)施例部件22、 26的配合 表面28、 30進(jìn)行過(guò)脫脂，且在攪拌摩擦焊接操作之前，第一表面部分32進(jìn) 行過(guò)涂覆，以產(chǎn)生如圖所示的攪拌摩擦焊接接頭。在圖6的實(shí)施例中，在第 一表面部分32涂覆以及隨后的攪拌摩擦焊接操作之前，配合表面28、 30通 過(guò)氧化物噴^^、操作進(jìn)行過(guò)機(jī)械清潔。
根據(jù)一種實(shí)施例，有機(jī)涂層材料施加到其中 一個(gè)部件陽(yáng)極化的未密封表 面，所述部件尚未處于其最終加熱處理狀態(tài)。在攪拌摩擦焊接之后，完成構(gòu) 件組件的加熱處理操作，通過(guò)加熱到高溫進(jìn)行析出加熱處理，從而將完成的 組件處理到具有完全強(qiáng)度。在析出加熱處理/老化過(guò)程中，根據(jù)用于所述構(gòu)件 組件的特別鋁合金材料的具體溫度、時(shí)間和環(huán)境組合，在實(shí)現(xiàn)部件所需的冶 金特性的同時(shí)，將所述涂層固結(jié)。因此，在組件加熱處理之后，不需要用于 涂層的單獨(dú)固結(jié)過(guò)程，且涂層材料保護(hù)組件不受部件之間的腐蝕影響，即靠 近攪拌摩擦焊接接頭的腐蝕影響。
本發(fā)明的許多改型和其他實(shí)施例將會(huì)出現(xiàn)在本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人 員腦海中，并具有前述說(shuō)明和附圖教導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)。因此，應(yīng)該理解，本發(fā)明并 未限于所公開(kāi)的具體實(shí)施例，所述改型和其他實(shí)施例也包括在附帶的權(quán)利要 求書(shū)的范圍之內(nèi)。雖然本文采用具體的術(shù)語(yǔ)，但是它們僅用作概括和描述的 意思，并非用于限制。
權(quán)利要求
1.一種形成結(jié)構(gòu)組件的方法，所述方法包括將第一和第二飛行器構(gòu)件攪拌摩擦焊接在一起，所述第一構(gòu)件包括處理過(guò)的表面，該表面具有以可固結(jié)的有機(jī)材料涂覆的部分和未涂覆部分，所述處理過(guò)的表面靠接所述第二構(gòu)件，使得在所述未涂覆部分形成攪拌摩擦焊接接頭；和對(duì)焊接后的所述構(gòu)件進(jìn)行熱處理。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述熱處理步驟包括將所 述焊接后的構(gòu)件加熱到足夠高的溫度，以固結(jié)所述有機(jī)材料。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述熱處理步驟包括加熱 處理焊接后的所述構(gòu)件。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括設(shè)置由鋁合金構(gòu)成的所述第 一和第二構(gòu)件，所述第一構(gòu)件限定所述處理過(guò)的表面的涂覆部分和未涂覆部 分，所述處理過(guò)的表面的輪廓對(duì)應(yīng)于所述第二構(gòu)件的表面。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述攪拌摩擦悍接步驟包 括將攪拌摩擦焊接柱銷設(shè)置成經(jīng)過(guò)所述第一構(gòu)件的所述涂覆部分并經(jīng)過(guò)所 述第二構(gòu)件的表面，并且旋轉(zhuǎn)所述攪拌摩擦焊接柱銷，使所述柱銷將靠近所 述柱銷的所述構(gòu)件的材料可塑化并使其混合，從而形成所述攪拌摩擦焊接接 頭。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括有選擇地向所述第一構(gòu)件的 第一表面部分施加所述可固結(jié)的有機(jī)材料，形成所述涂覆部分，使得靠近所 述第一表面部分的所述第一構(gòu)件的第二表面部分基本上保持未涂覆。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括在所述施加步驟之后，所述 攪拌摩擦焊接步驟之前，使至少一個(gè)所述構(gòu)件接受熱處理，從而至少局部固 結(jié)所述有機(jī)材料。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述施加步驟包括以保護(hù) 層掩蓋所述第二表面部分；將所述有機(jī)材料施加到靠近所述第二表面部分的 所述第一表面部分上；和除去所述保護(hù)層，以使所述第二表面部分保持未涂覆。
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述施加步驟包括沿著所 述第二表面部分相對(duì)的第一和第二邊緣施加所述有機(jī)材料，以使所述第二表 面部分限定沿著所述第 一構(gòu)件延伸的路徑，且其中所述攪拌摩擦焊接步驟包 括沿著所述路徑移動(dòng)攪拌摩擦焊接柱銷，形成沿著該路徑細(xì)長(zhǎng)延伸的所述攪 拌摩擦焊接接頭。
10. 如權(quán)利要求l所述的方法，進(jìn)一步包括提供包括酚醛樹(shù)脂和有機(jī)溶 劑的所述有機(jī)材料。
11. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述熱處理步驟包括將所 述焊接過(guò)的構(gòu)件加熱到足夠高的溫度，同時(shí)加熱處理所述構(gòu)件并固結(jié)所述有 機(jī)材料。
12. —種以權(quán)利要求1所述方法形成的結(jié)構(gòu)組件。
13. —種形成結(jié)構(gòu)組件的方法，所述方法包括提供包括鋁的第 一和第二部件，所述第 一部件限定相鄰的第 一和第二表 面部分，所述第一表面部分被限定為靠近所述第二表面部分的相對(duì)邊緣，以 使所述第二表面部分限定沿著所述第一部件延伸的路徑；提供耐腐蝕、可固結(jié)的有機(jī)涂層材料；將所述涂層材料施加到所述第一部件的所述第一表面部分，用保護(hù)層覆 蓋所述第二表面部分；從所述第一部件除去所述保護(hù)層，將所述第二表面部分基本上暴露成未 涂覆；將所述部件配置成預(yù)定構(gòu)型，使所述第一和第二表面部分與所述第二部 件接觸；沿著由所述第 一部件的第二表面部分限定的路徑攪拌摩擦焊接所述部 件，在所述第一表面部分之間形成沿著該路徑延伸的攪拌摩擦焊接接頭，從 而形成焊接結(jié)構(gòu)組件，所述第一表面部分基本上保持未焊接；和將所述結(jié)構(gòu)組件加熱到足夠高的溫度，以同時(shí)加熱處理至少一個(gè)所述部 件并固結(jié)所述有機(jī)涂層。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述提供所述第一和第 二部件的步驟包括提供由鋁合金構(gòu)成的所述第一和第二部件，所述第一部件 限定所述第一和第二表面，其輪廓對(duì)應(yīng)于所述第二部件的表面。.
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述攪拌摩擦焊接步驟 包括將攪拌摩擦焊接柱銷設(shè)置成經(jīng)過(guò)所述第一部件的所述第二表面部分并 經(jīng)過(guò)所述第二部件的表面，并旋轉(zhuǎn)所述攪拌摩擦焊接柱銷，使得所述柱銷將 靠近所述柱銷的所述部件的材料可塑化并使其混合，從而形成攪拌摩擦焊接 接頭。
16. 如權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括在所述施加步驟之后，在 所述攪拌摩擦焊接步驟之前，讓所述部件接受熱處理，從而至少局部固結(jié)所 述施加步驟過(guò)程中設(shè)置的所述涂層材料。
17. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述提供有機(jī)涂層材料 的步驟包括提供包括酚醛樹(shù)脂和有機(jī)溶劑的所述涂層材料。
18. —種以權(quán)利要求13所述的方法形成的結(jié)構(gòu)組件。
19. 一種結(jié)構(gòu)組件，包括包括鋁的第一部件，所述第一部件限定相鄰的第一表面部分和第二表面部分；第二部件，其限定與所述第一部件的所述第一和第二表面部分接觸的表面；接合所述第一和第二部件的攪拌摩擦焊接接頭，所述接頭設(shè)置在所述第 一部件的所述第二表面部分處；和耐腐燭、可固結(jié)的有機(jī)涂層材料，其設(shè)置在所述第一部件和第二部件之 間，位于所述攪拌摩擦焊接接頭相對(duì)側(cè)上的所述第一部件的第一表面部分 處，以使所述攪拌摩擦焊接接頭延伸穿過(guò)所述第一部件的所述第二表面部 分，并設(shè)置在所述有機(jī)涂層材料之間。
20. 如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)組件,其特征在于，所述涂層材料基本 上從所述攪拌摩擦焊接接頭分開(kāi)。
21. 如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)組件，其特征在于，所述第一和第二部 件包括鋁合金。
22. 如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)組件，其特征在于，所述涂層材料適配 成在加熱處理操作過(guò)程中固結(jié)，所述加熱處理過(guò)程適配成同時(shí)加熱處理至少 一個(gè)所述部件。
23. 如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)組件，其特征在于，所述涂層材料沿著 所述第二表面部分的相對(duì)的第一和第二邊緣設(shè)置，使得所述第二表面部分限 定沿著所述第一部件延伸的路徑，所述攪拌摩擦焊接接頭沿著該路徑細(xì)長(zhǎng)延 伸。
24. 如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)組件，其特征在于，所述涂層材料包括酚醛樹(shù)脂和有機(jī)溶劑。
25. —種飛行器組件，包括一對(duì)飛行器構(gòu)件，所述飛行器組件包括 位于所述構(gòu)件之間并包括加熱固結(jié)的耐腐蝕有機(jī)材料的材料結(jié)合部；和 位于所述構(gòu)件之間并設(shè)置在雙向排除加熱固結(jié)的所述結(jié)合部的位置的攪拌摩擦焊接結(jié)合部。
26. 如權(quán)利要求25所述的組件，其特征在于，所述一對(duì)構(gòu)件每一個(gè)包 括鋁合金。
27. 如權(quán)利要求25所述的組件，其特征在于，所述有機(jī)溶劑沿著所述 攪拌摩擦焊接結(jié)合部的相對(duì)的第一和第二邊緣設(shè)置，以使所述材料結(jié)合部限 定沿著所述構(gòu)件延伸的路徑，使得所述攪拌摩擦焊接結(jié)合部沿著該路徑細(xì)長(zhǎng) 延伸。
28. 如權(quán)利要求25所述的組件，其特征在于，所述涂層材料包括酚醛 樹(shù)脂。
全文摘要
提供了一種用于形成攪拌摩擦焊接組件的方法，以及根據(jù)該方法形成的相關(guān)構(gòu)件組件。所述方法包括以涂層材料涂覆一個(gè)或多個(gè)未處理部件的表面部分。此后，將所述部件攪拌摩擦焊接，形成組件。在所述焊接操作之前或之后，執(zhí)行熱處理，例如同時(shí)加熱處理所述部件并固結(jié)所述涂層。
文檔編號(hào)B23K20/12GK101340999SQ200680047935
公開(kāi)日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2006年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月20日
發(fā)明者史蒂文·G·基納, 羅納德·S·惠滕, 阿迪蒂亞·N·阿加瓦爾, 馬克斯·魯尼安 申請(qǐng)人:波音公司