專利名稱：用于獲得板上相同特性的成形；用于使用冷卻元件摩擦攪拌焊接的器械的制作方法
技術領域：
本公開主要涉及焊接金屬件(piece)，并且特別地涉及焊接鈦板(sheet)。還更特別地，本公開涉及使用摩擦攪拌焊接來焊接鈦板。
背景技術：
成形是用于從材料制造組件的過程，所述材料例如金屬、塑料和/或其他適當?shù)牟牧稀Ｔ摻M件可用于例如飛機的零件或其裝配件。超塑成形是成形過程的一種類型，其加熱材料，以便材料具有超塑性。超塑性是材料以均一的方式伸長超過約材料長度100%的材料能力。相比不均一伸長，材料的均一伸長會減少材料的頸縮量。
當材料變形以致許多的應變會不成比例地局部處于材料的一部分內(nèi)時發(fā)生頸縮。 結果，響應該變形，材料的該部分在厚度上會比材料的其他部分更薄。在這些例子中，變形是伸長。頸縮可導致材料中的不一致，例如破裂和/或其他類型的不一致。
使用金屬的情況下，超塑成形包括在模具部分(die section)和蓋子部分(lid section)之間放置金屬板。該金屬板也可被稱作例如毛坯。使用有些目前使用的模具部分，一個金屬板可能不夠大到制造一個組件。使用這些類型的模具部分，許多金屬板可被焊接在一起從而形成毛坯。許多金屬板可使用摩擦攪拌焊接被焊接。
使用摩擦攪拌焊接，兩個金屬板的邊緣靠在一起。熱能和機械能被施加在金屬板上，從而在邊緣結合金屬板。熱能和機械能導致金屬板的幾部分形成結合了兩個金屬板的連續(xù)金屬區(qū)域。該區(qū)域可為焊點熔核。這種焊接類型不引起金屬的熔化并且避免與熔化相關的熱畸變。
通常，模具部分具有組件的形狀。使用加壓氣體迫使毛坯具有模具部分的形狀。該加壓氣體可通過蓋子部分被引入。模具部分可被加熱至影響金屬和毛坯焊接部分的機械性能、疲勞性能和/或其他特性的溫度。
因此，具有考慮上述的一個或更多問題以及其他可能問題的方法和器械是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
本公開的一個有利實施例通過如下步驟形成組件焊接多個金屬板形成具有許多焊點熔核的毛坯、將毛坯放置在模具部分和蓋子部分之間、加熱模具部分從而加熱毛坯以及在蓋子部分和模具部分之間引入加壓氣體從而將毛坯壓進模具部分的模子中從而形成組件。形成組件后，許多焊點熔核具有在大約1. 1至大約1. 25之間的所需厚度比，以便多個金屬板和形成的組件具有許多基本相同的特性。
本公開的一個有利實施例是一種焊接機器，其包含砧子、銷子工具(pin tool) 和冷卻元件，其中銷子工具繞軸線旋轉(zhuǎn)、在垂直于軸線的方向運動并且在墊板和對焊接頭 (butt joint)上施加向下的力，從而將第一金屬件和第二金屬件焊接在一起，從而形成焊點熔核，其中焊點熔核在超塑成形過程后具有在大約1. 1至大約1. 25之間的理想厚度比， 并且在超塑成形后，第一金屬件、第二金屬件和焊點熔核具有許多基本相同的特性。
本公開的另一個有利實施例是一種制造組件的方法，該方法包含在理想溫度下將金屬板摩擦攪拌焊接在一起從而形成具有焊點熔核的毛坯；以及使用超塑成形過程從而由毛坯形成組件，其中在超塑成形過程后焊點熔核具有在大約1. 1至大約1. 25之間的理想厚度比，其中焊點熔核和被摩擦攪拌焊接的金屬板具有在大約每秒每英寸1 X 10_2英寸至大約每秒每英寸5X 10_6英寸之間的基本不變的應變比，并且其中在超塑成形過程后被焊接的金屬板和焊點熔核具有許多基本相同的特性。
本公開的另一個有利實施例是一種制造方法，其包含焊接多個鈦板從而形成具有許多焊點熔核的毛坯；將毛坯放置在模具部分和蓋子部分之間，其中模具部分被加熱從而加熱毛坯；在蓋子部分和模具部分之間引入加壓氣體從而將毛坯壓進模具部分中的模子，從而形成組件，其中許多焊點熔核具有在大約1. 1至大約1. 25之間的理想厚度比，以便許多鈦板和形成的組件具有許多基本相同的特性。
本公開的另一個有利實施例是用于制造鈦結構的方法，該方法包含將多個鈦件摩擦攪拌焊接在一起，從而形成具有焊點熔核的毛坯，其中焊點熔核具有理想的超塑性；以及由毛坯形成鈦結構，其中在鈦結構形成期間焊點熔核伸長得比毛坯的其它部分小大約至大約25%。
這些特征、功能和優(yōu)點在本公開的不同實施例中分別實現(xiàn)，或者可在進一步細節(jié)參考以下說明和附圖看出的其他實施例中結合。


圖1是制造環(huán)境圖，其使用依照有利實施例的成形和攪拌焊接； 圖2是依照有利實施例的飛機的圖； 圖3是依照有利實施例的噴氣發(fā)動機的分解圖； 圖4是依照有利實施例的制造環(huán)境的圖； 圖5是依照有利實施例的制造環(huán)境的圖； 圖6是依照有利實施例的毛坯的橫截面圖，該毛坯被定位在模具部分和蓋子部分之間； 圖7是依照有利實施例的毛坯的橫截面圖，該毛坯被壓進模具部分的模子中； 圖8是依照有利實施例的具有墊板的對焊接頭圖； 圖9是依照有利實施例的焊接裝置的圖； 圖10是依照有利實施例的焊縫的橫截面圖； 圖11是依照有利實施例的測試件的圖； 圖12是依照有利實施例的測試件的圖； 圖13是依照有利實施例的測試件圖； 圖14是依照有利實施例的厚度比的圖表； 圖15是依照有利實施例描繪測試件的熱度比與厚度比的關系的圖表； 圖16是示出依照有利實施例用于制造組件的過程的流程圖； 圖17是示出依照有利實施例在測試件上進行測試的過程的流程圖； 圖18是示出依照有利實施例識別用于摩擦攪拌焊接過程的參數(shù)的過程的流程圖； 圖19是示出依照有例實施例摩擦攪拌焊接的過程的流程圖； 圖20是示出依照有利實施例實施修整操作的過程的流程圖； 圖21是示出依照有利實施例的測試結果表； 圖22是示出依照有利實施例的測試結果表； 圖23是示出依照有利實施例的測試結果表； 圖24是示出依照有利實施例的測試結果表；以及 圖25是示出依照有利實施例的測試結果表。
具體實施例方式現(xiàn)在參考圖1，其依照有利實施例描述制造環(huán)境圖。在該例示性例子中，制造環(huán)境 100用于制造組件，例如但不限于，零件、裝配件、飛機零件、鉸鏈、蒙皮、加強桿、翼肋和/或其他適當?shù)慕M件。設備供方Iio提供設備，而材料供方112提供材料，以便在制造環(huán)境中 100中使用。在該例示性例子中，設備供方110提供用于板制造114、毛坯制造116和組件制造118的設備。材料供方112提供用于板制造114的材料，例如金屬。
板制造114由材料供方112所提供的金屬形成金屬板。該金屬板之后被毛坯制造 116使用。在該例示性例子中，毛坯制造116使用許多板制造114所形成的金屬板來形成毛坯。例如，毛坯制造116可包括摩擦攪動焊接從而形成毛坯。當涉及物品時，“許多”意思是一個或更多個物品。例如許多器械實施例可為一個或更多個器械實施例。
毛坯被組件制造118使用，從而形成組件。作為一個例子，該組件可為飛機的蒙皮壁板(skin panel)。可使用該組件從而在裝配件制造120中形成飛機的裝配件。該裝配件例如可為飛機的機身。該裝配件在系統(tǒng)集成122中使用。例如，當系統(tǒng)是飛機時，該裝配件在系統(tǒng)集成122中被結合到飛機內(nèi)。該系統(tǒng)然后在服役124中進行服役。
在有些例示性例子中，在組件制造118中形成的組件可用在維護和修理操作1 和/或再制造操作128。
現(xiàn)在參考圖2，其是依照有利實施例描述的飛機圖。在該例示性例子中，飛機200 采取噴氣飛機202的形式。噴氣飛機202是其組件可使用圖1中的制造環(huán)境100來制造的一種平臺的示例。例如，用于噴氣發(fā)動機204的外殼以及噴氣飛機202的噴氣發(fā)動機206 的外殼的組件可在制造環(huán)境100中制造。這些外殼采取用于噴氣發(fā)動機204的機艙208和用于噴氣發(fā)動機206的機艙210的形式。
現(xiàn)在參考圖3，其依照有利實施例，描述噴氣發(fā)動機的分解圖。在該例示性例子中， 描述了帶有機艙208的圖3噴氣發(fā)動機204。如所描述的，機艙208具有唇皮300。唇皮 300是機艙208的前緣。在該例示性實施例中，唇皮300由金屬制造。唇皮300是在圖1的制造環(huán)境100中的組件制造118中形成的組件的例子。
不同有利實施例認識和重視許多不同的考慮。不同有利實施例認識和重視到，由多件形成的組件與由單件形成的組件相比，可具有降低的性能。例如，關于有些目前可利用的機艙，這些機艙的唇皮由被緊固件緊固在一起的多個鋁件形成。這些緊固件以及被緊固的件間的接縫可導致唇皮的不平坦表面。在飛機飛行期間，該不平坦表面可導致唇皮上不希望有的空氣紊流。該不希望有的紊流可產(chǎn)生牽引，這又會降低飛機的燃料效率。
不同有利實施例認識和重視到，由單件形成的唇皮可導致在唇皮上具有比多件形成的唇皮更大的空氣層流。不同有利實施例進一步認識和重視到，單件鋁可用于形成唇皮。 然而，不同有利實施例認識和重視到，與鋁相比，鈦可具有耐更高溫度的能力。
此外，鈦也具有航天平臺期望的特性，例如，期望的重量、期望的強度、抗腐蝕性、 與復合材料的相容性、期望的熱膨脹系數(shù)以及使用成形過程被成形的能力。不同有利實施例也認識和重視到，使用鈦制造大組件會受到目前可利用的鈦板尺寸大小的限制。目前，鈦板可被利用的最大尺寸是大約1. 2米寬、大約3. 6米長。作為特別的例子，有些唇皮具有大于大約10米的直徑。不同有利實施例認識和重視到，不可用單個鈦板來形成這些類型的唇皮。
關于這些類型的唇皮，可使用由多于一個的鈦板所形成的毛坯。
此外，不同有利實施例進一步認識和重視到，由多個金屬板形成的組件的性能可能取決于多個金屬板的焊接效果。例如，多個金屬板的焊接會影響焊接區(qū)域的特性。
不同有利實施例認識和重視到，當毛坯被用在超塑成形過程中時，用于形成毛坯的超塑材料的焊接會導致不希望有的效果。例如，超塑金屬的熔焊會引起在母體材料中鄰近焊點熔核產(chǎn)生與焊點熔核相比更大的超塑應變。母體材料中的這種超塑應變會導致毛坯的早期頸縮。
不同有利實施例也認識和重視到，焊接金屬板形成毛坯后，在焊接和/或超塑成形過程后，毛坯中的母體金屬和毛坯中的焊點熔核的許多特性會基本不同。例如，關于目前用于摩擦攪拌焊接的可利用過程，與毛坯中的母體材料相比，焊點熔核可具有降低的強度。 此外，與母體材料相比，焊點熔核會具有不希望有的疲勞特性。
此外，不同有利實施例進一步認識和重視到，與母體材料相比，焊點熔核可具有不同的顆粒組成。顆粒組成的不同會導致使用超塑成形過程由毛坯形成的組件具有不希望有的特性。不同有利實施例認識和重視到，在超塑成形過程之前和之后，理想的是使得組件具有許多與被焊接在一起的金屬板基本相同的特性。
因而，不同有利實施例提供用于由鈦形成毛坯的方法和器械。本發(fā)明的一個有利實施例通過以下步驟形成組件焊接多個金屬板來形成具有許多焊點熔核的毛坯；將毛坯放置在模具部分和蓋子部分之間；加熱模具部分從而加熱毛坯；以及在蓋子部分和毛坯部分之間引入加壓氣體從而將毛坯壓入模具部分的模子從而形成組件。許多焊點熔核具有在大約1. 1至大約1. 25之間的理想厚度比，以便多個金屬板和形成的組件具有許多基本相同的特性。
現(xiàn)在參考圖4，其依照有利實施例，描述了制造環(huán)境的圖。在這些例示性例子中，制造環(huán)境400可為圖1中的制造環(huán)境100的一部分的一個實施例，其用于板制造114、毛坯制造116和組件制造118。進一步，制造環(huán)境400可用于制造用于平臺的組件，例如圖2中的飛機200。特別地，制造環(huán)境400可用于制造圖3中的機艙208的唇皮300。
制造環(huán)境包括材料402、許多機器404以及計算系統(tǒng)406。在該例示性例子中，材料402包括鈦408、銷子410、砧子材料412、修整材料414和/或其他適當?shù)牟牧?。銷子410 例如可為在摩擦攪拌焊接裝置中使用的攪拌銷子。在這些例子中，材料402可通過圖1中的材料供方112供應。鈦408用于形成許多的鈦408的板416。攪拌焊接銷子410、砧子材料412和修整材料414都用于由許多板416形成毛坯418。
在其他有利實施例中，可以使用除了鈦408之外的其他金屬。例如，材料402可包括但不局限于金屬合金、鋁、鈦、鎂、鋼、鋁合金、鈦合金、鎂鋁合金、鋁鋰合金、鎳鉻鐵合金、 鎳鋼合金、金屬超耐熱合金和/或其他適當?shù)慕饘兕愋椭械闹辽僖环N。
在這些例示性例子中，許多板416和毛坯418都使用許多機器404由材料402形成。許多機器404也用于使用毛坯418形成組件419。組件419例如可為圖3中的唇皮 300。在其他例示性例子中，組件419可采取蒙皮壁板、加強桿、翼肋或其他適當類型的組件的形式。
許多機器404可包括但不局限于，例如焊接機器420、成形機器422、修整工具似4 和測試設備426。許多機器404是設備的一個例子，其可由圖1中的設備供方110供應。如這些例子中所描述的，許多機器404由計算系統(tǒng)406控制。
在該例示性例子中，計算系統(tǒng)406可由許多計算機組成。進一步，計算系統(tǒng)406包括軟件4 和數(shù)據(jù)庫430。軟件4 包括焊接設計軟件432、焊接控制軟件434、修整軟件 436、成形外形生成軟件438、成形控制軟件439和測試軟件440。焊接設計軟件432和焊接控制軟件434在計算系統(tǒng)406上運行，從而控制通過焊接機器420在許多板416上執(zhí)行的焊接操作。
在該描述的例子中，運行修整軟件436從而控制通過修整工具似4在毛坯418上執(zhí)行的修整操作。運行成形外形生成軟件438和成形控制軟件439，從而控制成形機器422， 該成形機器422從毛坯418形成組件419。運行測試軟件440從而通過測試設備4 控制對毛坯418和組件419的測試。
在該例示性例子中，數(shù)據(jù)庫430存儲軟件4 使用的信息從而控制許多機器404。 該信息可為，例如不限于數(shù)據(jù)、命令、消息、用于許多機器404的參數(shù)、安全指南和/或其他適當類型的信息。用于許多機器404的參數(shù)可包括但不限于，例如許多板416的厚度、用于鈦408的顆粒尺寸、用于焊接機器420的每分鐘主軸旋轉(zhuǎn)速度、用于焊接機器420的進給速率和/或其他適當?shù)膮?shù)。
圖4中的制造環(huán)境400的例證不意味著暗含對不同有利實施例可實現(xiàn)的方式的物理或體系結構限制?？墒褂昧硗獾暮?或代替的其他組件。在有些有利實施例中，有些組件不需要。同樣，呈現(xiàn)的方框是為了例證有些功能性組件。當實現(xiàn)在不同有利實施例中時， 一個或更多這些方框可以被組合和/或分解成不同的方框。
現(xiàn)在參考圖5，其依照有利實施例，描述制造環(huán)境圖。在該例示性例子中，制造環(huán)境500是圖4中的制造環(huán)境400的一個實現(xiàn)方式的例子。在制造環(huán)境500中，使用成形過程從而形成唇皮，例如圖3中的唇皮300。該成形過程可為超塑成形過程。
在該例示性例子中，制造環(huán)境500包括軌道系統(tǒng)502、模具部分504和蓋子部分 506。模具部分504具有底座507和具有形狀510的模子508。形狀510可為將成形的唇皮的形狀。如在該例子中所描述的，通道508接收毛坯512。毛坯512包含多個鈦板。這些鈦板包括鈦板514、鈦板516、鈦板518、鈦板520、鈦板522、鈦板524、鈦板5 和鈦板528。 在其他例示性例子中，毛坯512可由不同的許多個鈦板形成。
如所描述的，鈦板514-5 具有定制的形狀。換句話說，鈦板514-5 被配置成當相對于彼此定位時，鈦板514-5 形成象甜甜圈/圓環(huán)的形狀，從而形成毛坯512。在這些例示性例子中，用于鈦板514-5 的定制形狀可由多個鈦板切割而成，以便多個鈦板中的至少約75%被用于鈦板514-5 中的每一板。
毛坯512被放置在模具部分504上。通過使用模具部分504的輪子系統(tǒng)530，模具部分504在軌道系統(tǒng)502上朝向蓋子部分506移動。移動模具部分504直到毛坯512定位在蓋子部分506下方?？梢允褂靡簤和辛?32、534、536和538將蓋子部分506降低至毛坯512上。在該例示性例子中，蓋子部分506可被降低，以便壓力機540嚙合毛坯512。當壓力機540嚙合毛坯512時，加壓氣體可通過壓力機540導入，以便毛坯512被壓入模具部分502的模子508中。毛坯512被壓入模子508中，以便毛坯512采取正在形成的唇皮的形狀510的形式。
現(xiàn)在參考圖6，其依照有利實施例，描述定位在模具部分和蓋子部分之間的毛坯的橫截面圖。在該例示性例子中，毛坯512被擱在模具部分504的底座507上。壓力機540定位在毛坯512上方并被擱在毛坯512的頂部上。進一步，壓力機540使用支撐物600、602、 604和606而擱在毛坯512上。
在該例示性例子中，加壓氣體可通過壓力機540通過通道608導入。加壓氣體可通過壓力機MO的端口 610和612到達毛坯512。加壓氣體可用于將毛坯512壓入模具部分504的模子508中。
現(xiàn)在參考圖7，其依照有利實施例，描述壓入模具部分的模子內(nèi)的毛坯的橫截面圖。在該例示性例子中，模具部分504可被加熱。模具部分504發(fā)出的熱和通過端口 610 和612進入的加壓氣體允許毛坯512被壓入模具部分504的模子508中。如所描述的，毛坯512可被壓入模子508中從而形成唇皮700。
現(xiàn)在參考圖8，其依照有利實施例，描述對焊接頭的圖。在該例示性例子中，通過在鐵氈806上方連結鈦板802和鈦板804來形成對焊接頭800。鈦板802和鈦板804的這種連結可使用激光焊接過程來實現(xiàn)。進一步，墊板808也可使用激光焊接過程被連結到對焊接頭800。
現(xiàn)在參考圖9，其依照有利實施例，描述焊接裝置的圖。在該例示性例子中，使用焊接裝置900從而在對焊接頭800處形成焊縫902。在該例示性例子中，焊接裝置900使用摩擦攪拌焊接形成焊縫902。焊接裝置900由焊接工具904和攪拌銷子906組成。
如在該例子中描述的，焊接裝置900沿著對焊接頭800沿箭頭908方向移動。進一步，隨著焊接裝置900的移動，攪拌銷子906沿箭頭910的方向旋轉(zhuǎn)。隨著焊接裝置900 移動和攪拌銷子906旋轉(zhuǎn)，焊接裝置900施加力912。
隨著焊接裝置900將鈦板802和鈦板804連同墊板808焊接在一起，形成焊點熔核914。隨著焊接裝置900在對焊接頭800上推動，焊點熔核914從鈦板802和鈦板804的部分的置換中形成。隨著焊點熔核914形成，斑紋916在焊縫902的表面918上形成。如所描述的，斑紋916會因為攪拌銷子906的轉(zhuǎn)動而具有圓形形狀。
被激光焊接至對焊接頭800的墊板808確保沿對焊接頭800執(zhí)行焊接后，焊點熔核914具有與鈦板802和鈦板804的未焊接部分基本相同的厚度。
現(xiàn)在參考圖10，其依照有利實施例，描述焊縫的橫截面圖。在該例示性例子中，焊接裝置900的攪拌銷子906的頂端1000置換鈦板802和鈦板804的部分，從而形成焊點熔核 914。
在攪拌銷子906旋轉(zhuǎn)并且焊接裝置900以力912向下推時，攪拌銷子906的頂端 1000和鈦板802、鈦板804的部分之間的接觸產(chǎn)生摩擦熱。該摩擦熱軟化鈦板802和鈦板 804接近攪拌銷子906的頂端1000的部分。該軟化允許焊點熔核914形成。在該例示性例子中，焊點熔核914的溫度不超過鈦板802和鈦板804的熔點。如此，避免或者減少在焊點熔核914中的孔洞和/或熱裂紋。
現(xiàn)在參考圖11-13，其依照有利實施例，描述測試件的圖。在這些例示性例子中， 使用摩擦攪拌焊接過程焊接兩個鈦件，從而形成測試件。摩擦攪拌焊接過程在每一個測試件中都形成焊點熔核。為摩擦攪拌焊接過程選擇的一組參數(shù)確定了焊點熔核的超塑性特性。每一個測試件都使用超塑成形過程而被伸長，從而確定在測試件中產(chǎn)生的超塑應變的量。與測試件母體材料相比在焊點熔核中產(chǎn)生的超塑應變的量可通過使用下列公式計算厚度比而被確定 厚度比=(ep)/(ew) 其中 是母體材料超塑伸長后的母體材料厚度，而^是焊點熔核超塑伸長后的焊點熔核厚度。
首先參考圖11，測試件1100具有焊點熔核1102、部分1104和部分1106。部分 1104和部分1106是測試件1100的部分，其包含測試件1100的母體材料，在該例子中母體材料是鈦。
選擇來形成焊點熔核1102的一組參數(shù)是這樣的，即使得焊點熔核1102相比部分 1104和部分1106具有更小的厚度。換句話說，相比部分1104和部分1106，在焊點熔核1102
中產(chǎn)生更大的超塑應變。
現(xiàn)在參考圖12，測試件1200具有焊點熔核1202、部分1204和部分1206。部分 1204和部分1206由測試件1200的母體材料組成，在該例子中母體材料是鈦。
選擇來形成焊點熔核1202摩擦攪拌焊接過程的參數(shù)是這樣的，即使得部分1204 和部分1206相比焊點熔核1202具有更大的厚度。換句話說，相比焊點熔核1202，在部分 1204和部分1206中產(chǎn)生更大的超塑應變。
現(xiàn)在參考圖13，測試件1300具有焊點熔核1302、部分1304和部分1306。部分 1304和部分1306由測試件1200的母體材料組成，在該例子中母體材料是鈦。
選擇來形成焊點熔核1302的摩擦攪拌焊接過程的參數(shù)是這樣的，即使得焊點熔核1302、部分1304和部分1306獲得基本相同的厚度。換句話說，在焊點熔核1302、部分 1304和部分1306中產(chǎn)生基本相同的超塑應變量。此外，焊點熔核1302、部分1304和部分 1306跨過測試件1300均一伸長，以便部分1304和部分1306基本不變細。
在該例示性例子中，可計算出厚度比為大約1. 0。大約1. 00的厚度比指示測試件 1300的母體材料和焊點熔核1302在伸長后具有基本相同的厚度。
當在成形過程中使用毛坯時，期望大約1. 1至大約1.25的厚度比。在具有大約1. 1 至大約1. 25的厚度比的情況下，伸長之后焊點熔核可具有比母體材料厚大約至25%的厚度。該厚度允許焊點熔核和母體材料在伸長后具有許多基本相同的特性。這些特性可包含但不局限于，例如強度、疲勞特性、斷裂韌度性能、抗腐蝕性、碰撞損傷容限、顆粒組成和/ 或其他適當?shù)奶匦浴?br> 材料的顆粒組成可包括以下的至少一個顆粒尺寸、顆粒取向、材料內(nèi)的顆粒密度和/或其他適當?shù)念w粒特性。
在不同的有利實施例中，焊點熔核的超塑應變可通過用于形成焊點熔核的焊接過程來確定。例如，關于摩擦攪拌焊接過程，焊點熔核的超塑應變可隨著主軸速度和摩擦攪拌焊接裝置的進給速率的增大而減小。在不同有利實施例中，毛坯的超塑應變在大約每秒每英寸1 X 10_2英寸至大約每秒每英寸5X 10_6英寸之間。
摩擦攪拌焊接過程可被調(diào)整，從而實現(xiàn)焊點熔核的理想超塑應變。該調(diào)整可以基于在摩擦攪拌焊接過程期間跨過焊點熔核產(chǎn)生的相對溫度。此外，可使用擬熱比做該調(diào)整。 該擬熱比使用以下公式計算 擬熱比=(N)2/(fr) 其中N是主軸速度，以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)(rmp)表示，而fr是進給速率，以每秒鐘的毫米數(shù)表示(mm/sec)。
在這些例示性例子中，用于擬熱比的計算值用于解釋產(chǎn)生的熱量，該熱量由于在摩擦攪拌焊接過程中產(chǎn)生的摩擦的量而產(chǎn)生。擬熱比計算值可被調(diào)整比例從而適合數(shù)據(jù)曲線。相比進給速率的改變，主軸速度的改變可對摩擦攪拌焊接期間所產(chǎn)生的熱能量產(chǎn)生更大的影響。
現(xiàn)在參考圖14，其依照有利實施例，描述了厚度比的圖表。在該例示性例子中，圖表1400繪制厚度比的圖，其是測試件的母體材料厚度和測試件的焊點熔核的厚度比。在該例示性例子中，母體材料可為5083-SP鋁合金。此外，焊點熔核可使用摩擦攪拌焊接過程形成。
圖表1400圖解沿測試件長度的測試件厚度比的數(shù)據(jù)曲線。水平軸線1402是距形成焊點熔核的焊接過程的開始處的距離。垂直軸線1404是厚度比。數(shù)據(jù)曲線1406是關于大約每秒150毫米的恒定進給速率和變化的主軸速度。
數(shù)據(jù)曲線1406中的每一條都具有三個測試點，其取自距焊接過程開始的大約75 毫米、大約125毫米和大約175毫米處的距離。
大約為1的厚度比為焊點熔核提供了理想的超塑應變?？墒褂脠D表1400來確定將提供厚度比大約為1的主軸速度和進給速率。大約為1的厚度比可在進給速率大約為每秒150毫米、主軸速度大約為每分鐘420轉(zhuǎn)的情況下實現(xiàn)。
如圖表1400所描述的，隨著主軸速度增大，焊點熔核的超塑應變減小。隨著主軸速度增大，摩擦攪拌焊接過程中產(chǎn)生的熱量可增加焊點熔核內(nèi)的溫度。該增加的溫度可降低焊點熔核的超塑性。
現(xiàn)在參考圖15，其依照有利實施例，描述擬熱比和用于測試件的厚度比的比值間關系的曲線圖表。在該例示性例子中，圖表1500具有水平軸線1502和垂直軸線1504。水平軸線1502是擬熱比，而垂直軸線1504是厚度比。該厚度比以所述厚度比計算。
在該例示性例子中，曲線1506是最適合圖表1500中的數(shù)據(jù)曲線點1508的曲線。 如點1510所示，大約為30的擬熱比可提供大約為1的理想厚度比。使用大約為30的擬熱比，可計算用于主軸速度和進給速率的許多參數(shù)值。為了實現(xiàn)焊點熔核內(nèi)的理想超塑應變， 這些值可用于調(diào)整摩擦攪拌焊接過程。
在不同的有利實施例中，用于焊點熔核的理想超塑應變在大約每秒每英寸IX 10_2 英寸至大約每秒每英寸5X10—6英寸之間。具有這種超塑性類型的焊點熔核在超塑成形過程后具有比母體材料厚大約至25%的厚度。焊點熔核的附加厚度確保了焊點熔核在超塑成形過程期間不變薄。
此外，在不同的有利實施例中，摩擦攪拌焊接可被調(diào)整以便焊點熔核和母體材料具有基本相同的顆粒組成。例如，當使用細顆粒鈦形成毛坯時，摩擦攪拌焊接過程可被調(diào)整以便形成的焊點熔核具有與母體鈦基本相同的顆粒組成。通過使焊點熔核和母體鈦的顆粒組成匹配，可實現(xiàn)用于毛坯的理想超塑性。
此外，在焊點熔核和母體材料都具有類似的顆粒組成的情況下，用于形成毛坯的超塑成形過程可在大約華氏1425度至大約華氏1450度之間的溫度下實施。在有些有利實施例中，成形過程可在大約華氏1300度至大約華氏1750度之間的溫度下實施。
現(xiàn)在參考圖16，其依照有利實施例，描述用于制造組件的過程的流程圖。在圖16 中圖解的過程可在圖4中的制造環(huán)境中實現(xiàn)。
該過程首先焊接多個鈦板從而形成具有許多焊點熔核的毛坯(操作1600)。焊點熔核可在鈦板被焊接操作結合的部分處形成。然后該過程將毛坯放置在模具部分和蓋子部分之間(操作1602)。模具部分可以是被加熱模具部分，其又加熱毛坯至大約華氏1300度至大約華氏1750度之間的溫度。
其后，該過程在蓋子部分和模具部分之間引入加壓氣體，從而將毛坯壓入模具部分中的模子中，從而形成組件(操作1604)。操作1602和1604可包含超塑成形過程。在操作1604中，毛坯可被壓入模子中，以便毛坯在具有超塑應變的情況下伸長。
此外，操作1600中的焊接操作可被實施成響應超塑成形過程可以為毛坯計算大約1. 1至大約1. 25之間的厚度比。在這些例示性例子中，厚度比是母體材料的厚度與焊點熔核的厚度的比。
現(xiàn)在參考圖17，其依照有利實施例，示出用于在測試件上實施測試過程的流程圖。 圖17中示出的過程可在使用圖4中的測試設備426的制造環(huán)境400中實現(xiàn)。
該過程首先輸入用于超塑成形過程的許多參數(shù)(操作1700)。這些參數(shù)可在測試件上被測試，以便當形成毛坯時超塑成形過程可被調(diào)整。所述參數(shù)可包括但不限于，例如厚度、顆粒尺寸、模鍛載荷、主軸速度、進給速率、攪拌銷子磨損、水流和/或其他適當?shù)膮?shù)。 然后，該過程為測試件形成對焊接頭(操作1702)。其后，該過程摩擦攪拌焊接對焊接頭從而形成焊點熔核(操作1704)。然后該過程通過使測試件伸長從而在焊點熔核中和測試件的母體材料中產(chǎn)生超塑應變而進行測試(操作1706)。
該過程記錄測試的結果(操作1708)。然后，該過程確定是否應基于結果而調(diào)整參數(shù)(1710)。如果參數(shù)不被調(diào)整，則該過程繪制該數(shù)據(jù)(操作1712)，而其后該過程終止。否則，該過程返回操作1700。
現(xiàn)在參考圖18，其依照有利實施例，描述用于摩擦攪拌焊接過程的參數(shù)識別過程圖。在該例示性例子中，圖18中圖解的過程可在圖4中的制造環(huán)境400中實現(xiàn)。
該過程首先輸入用于摩擦攪拌過程的許多參數(shù)(操作1800)。這些參數(shù)可包括但不局限于，例如厚度、顆粒尺寸和/或其他適當?shù)膮?shù)。該過程然后確定是否使用墊板(操作1802)。如果使用墊板，然后該過程輸入用于墊板的許多參數(shù)(操作1804)。這些參數(shù)包括但不局限于，例如厚度和顆粒尺寸。
然后，該過程基于輸入的參數(shù)計算厚度比(操作1806)和擬熱指數(shù)(操作1808)。操作1806和操作1808可通過訪問數(shù)值數(shù)據(jù)庫執(zhí)行。其后，該過程然后基于理想厚度比和理想擬熱指數(shù)來識別理想主軸速度和理想進給速率(操作1810)。然后使用理想主軸速度和理想進給速率從而識別用于摩擦攪拌焊接過程的主軸速度和進給速率(操作1812)，而其后過程終止。
重新參考操作1802，如果不使用墊板，過程繼續(xù)上述的操作1806。
現(xiàn)在參考圖19，其依照有利實施例，描述用于摩擦攪拌焊接的過程圖。圖19中圖解的過程可在圖4中的制造環(huán)境400中實現(xiàn)。
該過程首先將兩個金屬件定位在一起(操作1900)。然后，該過程激光焊接兩個金屬件，從而形成對焊接頭(操作1902)。該過程在對焊接頭的頂部上激光焊接墊板(操作 1904)。其后，該過程輸入用于摩擦攪拌焊接過程的許多參數(shù)(操作1906)。這些參數(shù)可包括以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)表示的主軸速度、進給速率、銷子磨損、力和/或其他適當?shù)膮?shù)。然后，該過程摩擦攪拌焊接對焊接頭(操作1908)，而其后過程終止。
現(xiàn)在參考圖20，其依照有利實施例，示出執(zhí)行修整操作的過程的流程圖。圖20中圖解的過程可在圖4中的制造環(huán)境400中實現(xiàn)。
該過程首先確定已被摩擦攪拌焊接的毛坯內(nèi)是否出現(xiàn)毛口(burr) (操作2000)。如果出現(xiàn)毛口，該過程磨掉毛口(操作2002)。然后，該過程確定斑紋是否出現(xiàn)在焊點熔核的表面上(操作2004)。如果未出現(xiàn)斑紋，則過程終止。相反，如果出現(xiàn)斑紋，該過程機加工掉斑紋(操作2006)，而其后過程終止。重新參考操作2000，如果毛口未出現(xiàn)，該過程繼續(xù)到上述操作2004。
現(xiàn)在參考圖21-25，其依照有利實施例，描述測試結果表。在這些例示性例子中，表是結果的例子，該結果通過在操作1706中執(zhí)行測試而產(chǎn)生并且然后在圖17的操作1708中被記錄。
首先參考圖21，表2100依照有利實施例被描述。然后參考圖22，表2200依照有利實施例被描述。然后參考圖23，表2300依照有利實施例被描述。然后參考圖M，表MOO 依照有利實施例被描述。然后參考圖25，表2500依照有利實施例被描述。
不同有利實施例的描述已出于圖解和描述的目的被呈現(xiàn)，其不是詳盡或者限制于公開的實施例的形式。本領域技術人員應明白有許多更改和改變。
雖然已描述了關于飛機的不同有利實施例，不同有利實施例也認識到，有些有利實施例也可應用在其他類型的平臺。例如，不限于，其他有利實施例也認識到，有些有利實施例可應用在移動平臺、固定平臺、陸基結構(land-based structure)、水基結構 (aquatic-based structure)、空基結構(space-based structure)禾口 / 或有些其他適當?shù)膶ο?。更特別地，不同有利實施例可應用在而不限于，例如潛艇、公共汽車、人員運輸車、坦克、火車、汽車、宇宙飛船、宇宙空間站、衛(wèi)星、水面艦艇、發(fā)電站、大壩、制造設施、建筑物和/ 或有些其他適當?shù)膶ο蟆?br> 此外，相比其他有利實施例，不同的有利實施例可提供不同的優(yōu)點。選擇的實施例或多個實施例被選擇和描述是為了最好地解釋實施例的原理、實際應用，并且使本領域其他普通技術人員理解，具有不同更改的不同實施例的公開適合考慮的特別用途。
權利要求
1.一種制造方法，其包括焊接多個金屬板從而形成具有許多焊點熔核的毛坯；將所述毛坯放置在模具部分和蓋子部分之間，其中所述模具部分被加熱從而加熱所述毛坯；在所述蓋子部分和所述模具部分之間引入加壓氣體，從而將所述毛坯壓入所述模具部分中的模子中來形成組件，其中在形成所述組件后，所述許多焊點熔核具有在大約1.1至大約1. 25之間的理想厚度比，以便所述多個金屬板和形成的所述組件具有許多基本相同的特性。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述許多特性從以下的組中選擇強度、疲勞特性、斷裂韌度性能、抗腐蝕性、碰撞損傷容限以及顆粒組成。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中所述金屬板是鈦板，并且進一步包含執(zhí)行加熱或冷卻所述毛坯中的至少一項，從而在所述毛坯被所述模具部分加熱后使得所述毛坯達到大約華氏1300度至大約華氏1750度之間的溫度。
4.根據(jù)權利要求1-3中任一項權利要求所述的方法，其中在形成所述組件期間，所述毛坯具有的應變比在每秒每英寸1X10_2英寸至每秒每英寸5X10_6英寸之間。
5.根據(jù)權利要求1-4中任一項權利要求所述的方法，其中所述毛坯的不是所述許多焊點熔核處的部分是所述金屬板的母體金屬，并且其中在形成所述組件期間所述母體金屬伸長得比所述許多焊點熔核多約至約25%倍。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中在所述組件形成后，在所述毛坯中的所述母體金屬和所述許多焊點熔核具有許多基本相同的特性。
7.根據(jù)權利要求1-6中任一項權利要求所述的方法，其中所述金屬板中的金屬從以下至少一種中選擇金屬合金、鋁、鈦、鎂、鋼、鋁合金、鈦合金、鎂鋁合金、鋁鋰合金、鎳鉻鐵合金、鎳鋼合金和金屬超合金。
8.一種器械，其包含第一金屬件；第二金屬件，其中所述第一金屬件和所述第二金屬件被結合而形成對焊接頭；墊板，其附在所述對焊接頭上；以及摩擦攪拌焊接機器，其包含砧子、銷子工具和冷卻元件，其中，所述銷子工具繞軸線旋轉(zhuǎn)、沿垂直于所述軸線的方向運動并且在所述墊板和所述對焊接頭上施加向下的力，從而將所述兩個金屬件焊接在一起，從而形成焊點熔核，其中所述焊點熔核在超塑成形過程后具有在大約1. 1至大約1. 25之間的理想厚度比，并且其中在所述超塑成形后所述第一金屬件、所述第二金屬件和所述焊點熔核具有許多基本相同的許多特性。
9.根據(jù)權利要求8所述的器械，其中所述許多特性從以下的組中選擇強度、疲勞特性、斷裂韌度性能、抗腐蝕性、碰撞損傷容限以及顆粒組成。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的器械，其中被焊接的所述第一金屬件和所述第二金屬件形成具有所述焊點熔核的毛坯。
11.根據(jù)權利要求10所述的器械，其中所述第一金屬件和所述第二金屬件是鈦件，并且其中在所述超塑成形過程期間所述毛坯被加熱至大約華氏1300度至大約華氏1750度之間的溫度。
12.根據(jù)權利要求10或11所述的器械，其中所述毛坯在所述超塑成形過程期間具有的應變比在每秒每英寸1X10_2英寸至每秒每英寸5X10_6英寸之間。
13.根據(jù)權利要求10-12中任一項權利要求所述的器械，其中所述毛坯的不是所述許多焊點熔核處的部分是所述金屬板的母體金屬，并且其中在所述超塑成形過程中所述母體金屬伸長得比所述許多焊點熔核多約至約25%倍。
14.根據(jù)權利要求8-13中任一項權利要求所述的器械，其中所述第一金屬件和所述第二金屬件從以下至少一種中選擇金屬合金、鋁、鈦、鎂、鋼、鋁合金、鈦合金、鎂鋁合金、鋁鋰合金、鎳鉻鐵合金、鎳鋼合金和金屬超合金。
15.一種用于制造組件的方法，所述方法包含在理想溫度下將金屬板摩擦攪拌焊接在一起從而形成具有焊點熔核的毛坯；以及使用超塑成形過程從而由所述毛坯形成所述組件，其中在所述超塑成形過程后所述焊點熔核具有在大約1. 1至大約1. 25之間的理想厚度比，其中所述焊點熔核和被摩擦攪拌焊接的所述金屬板具有在大約每秒每英寸1 X 10_2英寸至大約每秒每英寸5 X ΙΟ"6英寸之間的應變比，并且其中在所述超塑成形過程后被焊接的所述金屬板和所述焊點熔核具有基本相同的許多特性。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中所述毛坯的不是所述焊點熔核處的部分是母體金屬，并且其中在所述超塑成形過程中所述母體金屬伸長得比所述焊點熔核多約至約 25% 倍。
17.根據(jù)權利要求15或16所述的方法，其中所述許多特性從以下選擇強度、疲勞特性、斷裂韌度性能、抗腐蝕性、碰撞損傷容限以及顆粒組成。
18.根據(jù)權利要求15-17中任一項權利要求所述的方法，其中所述金屬板是鈦板。
19.根據(jù)權利要求15-18中任一項權利要求所述的方法，其中所述組件是用于噴氣發(fā)動機的機艙的唇皮。
20.根據(jù)權利要求15-19中任一項權利要求所述的方法，其中所述毛坯被選擇成具有不是矩形形狀或正方形形狀的至少一種形狀，并且至少有一個維度更長。
21.一種制造方法，其包含焊接多個鈦板從而形成具有許多焊點熔核的毛坯；將所述毛坯放置在模具部分和蓋子部分之間，其中所述模具部分被加熱從而加熱所述毛坯；在所述蓋子部分和所述模具部分之間引入加壓氣體，從而將所述毛坯壓入所述模具部分中的模子中而形成組件，其中所述許多焊點熔核具有在大約1. 1至大約1. 25之間的理想厚度比，以便所述多個鈦板和形成的所述組件具有基本相同的許多特性。
22.一種用于制造鈦結構的方法，所述方法包含將多個鈦件摩擦攪拌焊接在一起從而形成具有焊點熔核的毛坯，其中所述焊點熔核具有理想超塑性；以及從所述毛坯形成所述鈦結構，其中在所述鈦結構的成形期間所述焊點熔核比所述毛坯的其他部分伸長得少大約至大約25%。
23.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中所述鈦結構是用于飛機發(fā)動機的機艙的唇皮， 其中所述唇皮至少有一個維度大于大約1. 2米。
24.根據(jù)權利要求22或23所述的方法，其中形成所述鈦結構的步驟是通過使用從超塑成形過程和熱蠕變成形過程中選擇的一個過程而被執(zhí)行的。
25.根據(jù)權利要求22-24中任一項權利要求所述的方法，其中所述多個鈦件具有常規(guī)形狀。
26.根據(jù)權利要求22-25中任一項權利要求所述的方法，其中多個鈦件是由整體板切割的以便所述整體板的至少約75%包含所述段。
27.根據(jù)權利要求22-26中任一項權利要求所述的方法，其中所述毛坯具有甜甜圈狀的形狀且其具有多個超塑焊縫，所述焊縫具有比所述母體鈦板薄大約至25%的超塑厚度。
28.根據(jù)權利要求22-27中任一項權利要求所述的方法，進一步包含處理所述機艙的進口從而提高空氣動力學性能從而減少飛行中的拖曳。
29.根據(jù)權利要求觀所述的方法，其中所述處理步驟包括磨削、砂紙打磨或者其他方式拋光所述進口的外部表面。
30.根據(jù)權利要求觀所述的方法，其中所述處理步驟包括通過使用包含兩個被結合的板和氣體管入口的密封包由此通過施加真空并且灌沖惰性氣體來使用惰性氣體更換所述板之間的空氣，從而基本避免在所述進口的內(nèi)部表面上的任何α相的形成。
31.根據(jù)權利要求23所述的方法，進一步包含在成形的所述唇皮里面安裝單獨的隔板，以作為在所述機艙的前向頂端處濃縮除冰加熱空氣的輔助。
32.根據(jù)權利要求22-31中任一項權利要求所述的方法，其中形成所述鈦結構的步驟包含在摩擦攪拌焊接所述對焊接頭之前將墊板熔焊至對焊接頭的頂側，并且然后機加工超過對接焊縫的頂部表面的部分，以便在超塑成形或熱蠕變成形之前所述對接焊縫最初具有如母體金屬板大約相同的厚度和大約相同的表面粗糙度。
33.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中所述鈦結構是用于飛機前緣或機翼的結構構件、尾翼、或操縱面組件的毛坯。
34.根據(jù)權利要求22-33中任一項權利要求所述的方法，其中所述毛坯的段被局部地加厚，從而獲得更厚的成形部分，從而適應緊固件需求或者解決比其他不需要額外厚度的區(qū)域更高的局部應力。
35.根據(jù)權利要求22-34中任一項權利要求所述的方法，其中在摩擦攪拌焊接前，所述毛坯的段被局部激光焊接，從而避免摩擦攪拌焊接和超塑成形之后在所述對焊接頭的底部處焊接的未焊透。
全文摘要
一種組件，其通過以下步驟形成將多個金屬板(802，804)焊接在一起，從而形成具有許多焊點熔核(918)的毛坯；將毛坯放置在模具部分和蓋子部分之間，加熱模具部分從而加熱毛坯；然后在蓋子部分和模具部分之間引入加壓氣體，從而將毛坯壓入模具部分的模子中，從而形成組件。許多焊點熔核(918)具有理想厚度比，其在大約1.1至大約1.25之間，以便多個金屬板(802，804)和形成的組件具有基本相同的許多特性。
文檔編號B21D26/055GK102186621SQ200980141802
公開日2011年9月14日 申請日期2009年11月13日 優(yōu)先權日2008年11月15日
發(fā)明者D·G·桑德斯, L·R·利昂, P·D·愛德華茲, G·L·拉姆齊, G·W·科爾曼 申請人:波音公司