專利名稱：工件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改進(jìn)工件結(jié)構(gòu)的方法，以及涉及如此改進(jìn)的工件。
背景技術(shù)：
用以表面改進(jìn)的功率射束(例如電子束(EM)和激光束)的使用已經(jīng)是公知的了。存在用以改變材料表面特性的若干種不同方法，在所述方法中，使用功率射束來移除、化學(xué)改進(jìn)、或移動(dòng)工件表面上的材料。這些方法中的幾個(gè)已經(jīng)歷了專利申請(qǐng)和專利授權(quán)。
在用于顯示出液相的大部分金屬或其他材料的傳統(tǒng)EB鉆孔加工方法中，如下應(yīng)用所述方法。首先，高功率密度射束在所述材料中形成不透的“鍵孔”。所述“鍵孔”通常由又窄又深的孔構(gòu)成。在所述孔的側(cè)部上具有一層熔融材料。主要由所述材料的蒸汽壓力使得所述孔保持打開，蒸汽壓力將存在于最高射束功率密度區(qū)域中的其沸點(diǎn)下或附近。第二，使得所述射束停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間從而使得所述孔變?yōu)橥ㄍ傅亩皇遣煌傅?。第三，使得所述射束在相同位置處停留略長(zhǎng)的時(shí)間，以使得所述射束沖擊在緊貼于工件后部的基底材料上。該基底材料為揮發(fā)性的，并且產(chǎn)生氣態(tài)材料的爆裂，所述爆裂幾乎將所有的熔融材料都從所述孔的側(cè)部處驅(qū)散。
應(yīng)該注意的是，由于不存在能夠驅(qū)散所有液態(tài)材料的力，因此這種類型的鉆孔操作不能產(chǎn)生清潔的“不透”孔。
在不顯示液相或者可直接被化學(xué)地轉(zhuǎn)化為氣相的材料的情況下，可在不使用基底材料的情況下執(zhí)行鉆孔或切割操作。在這種情況下可形成“不透”孔。
同樣地，在許多情況中也使用其中一股氣體被施加于熔融材料上以使其移動(dòng)以便于切割或鉆孔的“氣體輔助”，例如，使用激光。
存在各種方法，包括使用功率射束從工件的表面移除材料以便于留下基本未變的材料的直立部分，并且以這種方式可獲得功能表面。
還存在這樣的技術(shù)，其中材料可被移動(dòng)到液相中以改變表面的功能性。在一個(gè)變型中，通過相對(duì)于移動(dòng)工件表面固定或者沿與在固定參考坐標(biāo)系范圍內(nèi)移動(dòng)的工件相同方向的表面移動(dòng)的功率射束使得所述材料具有紋理。以這種方式通常能夠形成具有大致均勻的折邊的圓的或細(xì)長(zhǎng)形狀的淺鉆孔。包含這種類型特征的表面紋理在制備用在軋鋼廠中的軋制機(jī)方面是有用的，其中所述紋理被施加于軋制鋼產(chǎn)品上。
在第二“表面紋飾”處理中，在每個(gè)孔的位置處，電子(或激光)束沿多個(gè)方向被操縱，因此可在特定方式下操縱移位的材料。如果在前面的特征仍處于熔融狀態(tài)或者至少仍非常熱時(shí)處理與之相鄰的特征的話，從不同孔中移動(dòng)的熔融材料可能與之結(jié)合，或者整個(gè)表面可能徹底熔化。因此該第二技術(shù)能夠形成各種功能表面。在GB-A-2375728中描述了該技術(shù)。
以上所概述的兩種材料移位技術(shù)都趨向于產(chǎn)生特征表面。在前一種情況中，只有當(dāng)所述孔相對(duì)于其直徑較淺時(shí)所述移動(dòng)材料才被均勻地分布。在第二種情況中，所述孔相對(duì)于其寬度可具有較大深度，假設(shè)從其中移出的材料被適當(dāng)?shù)貜乃隹字幸瞥?。從所述孔中移?dòng)材料，獨(dú)自或者與來自于相鄰孔的其他熔融移動(dòng)材料相結(jié)合，凝固成特征形式。它們只在其形狀具有表面張力這個(gè)事實(shí)上彼此相似。
在大多數(shù)金屬中，所述移動(dòng)材料往往可采取類球形形狀。所述移動(dòng)材料與襯底之間的連接，以及再沉積的移動(dòng)材料的形狀都受到潤(rùn)濕面積和襯底及移動(dòng)材料的兩者的溫度的影響。總體效果在于，在大多數(shù)金屬中，原始襯底表面上的直立特征在其高度/寬度比方面受限制。具體地，原始襯底表面上的再沉積材料的任何給定區(qū)域的高度不太可能明顯超過其寬度。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明中，描述了一種新的功率射束處理，其中新型處理主要用于移動(dòng)液相中的材料以便于形成新型結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，工件上的一個(gè)位置以具體方式在兩個(gè)或多個(gè)(最好是眾多)場(chǎng)合下暴露于移動(dòng)的功率射束下。與所描述的先前方法相反，在同一個(gè)位置或剛好相鄰的位置中再次使用功率射束之前，來自于每個(gè)位置的移動(dòng)材料可在一個(gè)新位置中基本凝固。
這樣的效果在于，從射束的一次侵襲移動(dòng)到工件表面上的具體位置的移動(dòng)材料隨后可被更多的移動(dòng)材料覆蓋。這可為來自于同一位置的更多材料，或者為從另一個(gè)位置移動(dòng)的更多材料。同樣由于材料移動(dòng)所形成的孔也可被覆蓋以產(chǎn)生新型結(jié)構(gòu)。
由于所述技術(shù)也可用于改進(jìn)工件中的結(jié)構(gòu)深度以便于在主體材料中形成真實(shí)的結(jié)構(gòu)修正，因此所述結(jié)構(gòu)不局限于新表面結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。
該新型工藝的結(jié)果在于，不再出現(xiàn)如上所述的強(qiáng)加于凝固材料(以及形成的孔)上的通常限制。使用該技術(shù)，使用射束對(duì)具體位置的連續(xù)侵襲可使得新特征可在表面上“生長(zhǎng)”。也可在材料中形成深孔，并且這可伴隨相應(yīng)的局部表面突出或容納所述移動(dòng)材料的平坦區(qū)。與通過現(xiàn)有技術(shù)制造的特征相反，本發(fā)明的特征在高度/深度上常常大于寬度。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，改進(jìn)工件結(jié)構(gòu)的方法包括1)在功率射束與工件之間進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)，以使得工件的一個(gè)區(qū)域熔化并且使得熔融材料移動(dòng)以在所述區(qū)域的第一位置處形成突起而在所述區(qū)域的另一個(gè)位置處形成孔；2)使得熔融材料至少部分地凝固；之后3)重復(fù)步驟1)一次或多次，與每次重復(fù)相對(duì)應(yīng)的區(qū)域都與步驟1)的區(qū)域交叉。
因此本發(fā)明提供了一種新的改進(jìn)工件結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括主體和/或表面結(jié)構(gòu)改進(jìn)。
使用該方法形成的突起可具有許多不同的形狀，諸如峰丘形、短粗刺狀、高原形等。同樣地，所述孔也可具有各種不同的形狀。所述形狀包括穿透孔、盲孔、空穴、彈坑槽、壓痕以及具有多孔性的封閉式孔。稍后將描述這些突起和孔的一些特殊示例。這些特征中的每一個(gè)通常都由其附近圍繞其的材料的形狀限定。因此，可在工件內(nèi)部的孔中產(chǎn)生所述突起，同樣地，孔也可被形成在所述突起中，其中所述突起位于普通工件表面上?？滓部杀恍纬稍谙薅ìF(xiàn)有孔的內(nèi)表面中，同樣地，突起也可被形成在其他突起上。
所述方法提供了以局部或廣泛的方式從根本上改變工件結(jié)構(gòu)的方法。這又可用于控制各種局部或廣泛特性。以下主體(各向同性/各向異性)和/或表面特性是可使用所述方法改進(jìn)的一些示例電、磁、機(jī)械、化學(xué)、承載、增濕、摩擦、彈性、熱力、放射性、空氣動(dòng)力、水力、變形、滯后、密度、流量、構(gòu)造、晶體定位、腐蝕、粘附。
工件本身通常為單材料工件。然而，也可為兩個(gè)或多個(gè)工件作為復(fù)合工件形式的，其中所述區(qū)域跨越復(fù)合工件之間的界面。以這種方式所述方法可用于將工件連接在一起，這在例如在復(fù)合工件之間提供電連接是有益的。
熔融區(qū)域可具有多種形式。每個(gè)區(qū)域最好都由沿從起始位置到完成位置的路徑相對(duì)于工件行進(jìn)的射束限定。因此區(qū)域的所述形狀包括細(xì)長(zhǎng)區(qū)域，所述區(qū)域可整體或部分為彎曲的或直線的，并且具有移動(dòng)的相對(duì)射束運(yùn)動(dòng)起始或完成點(diǎn)。因此所述路徑的長(zhǎng)度最好基本為至少三倍射束直徑。細(xì)長(zhǎng)區(qū)域的最簡(jiǎn)單的示例為直線區(qū)域。然而，熔融區(qū)域的其他形式包括彎曲和環(huán)，諸如限定圓的圓周路徑的各種部分。
通常，使得射束遵循具體路徑以使得突起和孔的位置處于射束路徑的相對(duì)端部處。然而，由于與所述工藝相關(guān)的物理學(xué)，所述突起通常形成在射束路徑的起始處，而所述孔形成在完成端。每種情況中熔融材料都以與所討論區(qū)域基本重合的方式流動(dòng)。然而，由于與形成液相材料的固體基質(zhì)的體積相比較液相下的材料的容積較大，以及由于所述工藝的流動(dòng)動(dòng)力學(xué)，因此所述重合可能不是全部的。
在一些情況中在一個(gè)或多個(gè)連續(xù)步驟中射束相對(duì)于工件所采取的各種路徑不是一樣的。這允許產(chǎn)生不同形式的特征?；蛘撸襟E3)的每個(gè)區(qū)域可基本與步驟1)的重合。
所述方法還可包括形成一組或多組區(qū)域，每組都與步驟1)區(qū)域交叉。在這種情況下每組的孔可被布置得基本與步驟1)的區(qū)域的孔重合。同樣地也可將突起布置得重合。也可以規(guī)則排列不布置所述區(qū)域的組。
每個(gè)區(qū)域的至少部分凝固具有相關(guān)的有限時(shí)間量程并且可通過在所述凝固期間在襯底上的另一處形成一個(gè)或多個(gè)區(qū)域而進(jìn)行功率射束的有效使用。
還可使用由不只一種材料制成的工件(諸如具有涂層的工件)，以使得在執(zhí)行所述方法期間形成合金。在執(zhí)行所述方法期間也可加入一種或多種其他材料以便于實(shí)現(xiàn)合金化，例如也可在氣態(tài)環(huán)境下執(zhí)行所述方法以便于提供適合的合金化。
使用所述方法可形成各種突起形態(tài)，例如可布置交叉區(qū)域以便于形成懸伸于工件表面的突起。當(dāng)工件表面涉及連接時(shí)，這些突起可用作鉤，從而增加連接效果。所述突起還可被聚集以形成直立在表面上的結(jié)構(gòu)。例如，可使用多個(gè)懸伸突起以形成工件表面上的鉤。
在一些情況中，最好將孔和突起形成得具有光滑表面。實(shí)際上，通過使用適當(dāng)?shù)膮?shù)，在許多材料中這些結(jié)構(gòu)(尤其是孔)可形成有較為光滑的表面(如稍后將描述的圖中所示的)。作為輔助或其他光滑程序，在步驟3)期間相對(duì)于射束的一次或多次先前移動(dòng)，功率射束能量密度可被減小，以便于使得所形成的突起和/或孔的邊緣光滑。
本發(fā)明的另一個(gè)重要的應(yīng)用是在工件的連接中，尤其是諸如金屬和合成物的不同材料的工件的連接中。它也可用于(但并非專門地)金屬與金屬連接、塑料與塑料連接、陶瓷與陶瓷連接以及其組合。
合成結(jié)構(gòu)與金屬零件相比較的好處對(duì)于本領(lǐng)域中熟練人員來說是公知的。然而，仍然存在有關(guān)于根本的特性局限或工業(yè)保守性和/或制造法阻礙其使用的許多情況?？紤]到這一點(diǎn)，探詢以最有效的方式組合合成物與其他材料的折衷方法。最通用的示例是通過機(jī)械緊固和粘合劑粘合的組合。
所述混合連接廣泛地使用在各種工業(yè)方面，諸如航空航天和汽車制造業(yè)。然而也證明了它們的局限性，最明顯的就是與隔離地使用粘合劑的情況相比較，效率與平滑負(fù)載轉(zhuǎn)移方面的不足。這些局限性通過保守設(shè)計(jì)解決，所述保守設(shè)計(jì)通常會(huì)打破使用合成材料的最初目的。
US-A-H788披露了將塑料粘合于金屬的方法的一個(gè)示例，其中通過化學(xué)蝕刻或鉆孔在金屬表面上形成有孔。這些孔隨著蝕刻的深度至少部分地增加了寬度，因此當(dāng)塑料層被施加時(shí)，將與金屬性表面互鎖。
CA-A-2302964(通常對(duì)應(yīng)于EP-A-1048442和EP-A-1197316)描述了將塑料粘合于金屬的另一個(gè)方法，其中孔被設(shè)在金屬元件中，纖維通過所述孔結(jié)環(huán)。
US-A-5691391描述了將塑料葉片注射塑模在晶石上。US-A-5118257披露了將有槽金屬元件與合成渦輪葉片的連接。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，制備元件形式的工件以便于與一個(gè)或多個(gè)其他工件相連接的方法包括，使用本發(fā)明第一方面所涉及的方法在元件的表面和或主體中形成多個(gè)孔并且形成從元件表面向外的突起。
因此所述元件可為根據(jù)本發(fā)明的方法處理的特定工件，或者可包括被設(shè)計(jì)得位于與其他工件之間并形成與其他工件的有效連接的中間體。因此本發(fā)明尤其適用于具有完全不同特性的不同工件的連接，諸如金屬和合成物。
因此所述結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法在材料的連接中具有重要優(yōu)勢(shì)，即，在元件(工件)和一個(gè)或多個(gè)其他工件之間的連接中具有重要優(yōu)勢(shì)。具體地所述方法可通過以預(yù)定方式控制所述孔的尺寸、形狀或相對(duì)布置中的一個(gè)或多個(gè)，和/或所述突起的尺寸、形狀、相對(duì)布置或化學(xué)成分中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)現(xiàn)。由于所述方法可適用于多種材料類型的連接，因此可設(shè)想許多不同類型的突起和孔。
所述突起和/或孔最好被形成得可與工件機(jī)械接合，其中元件與所述工件相連接。貫穿所述元件的突起和/或孔可適合于與工件材料產(chǎn)生最佳機(jī)械互鎖。
例如，在將金屬性元件與連續(xù)纖維合成工件相連接的情況中，當(dāng)所述接合處受力時(shí)金屬性突起可彎曲以?shī)A住纖維并且在合成物的處理期間或處理之后都防止移動(dòng)。所述孔可具有允許聚合體(可能為纖維的端部)流入到所述孔中并且在合成物處理之后保持被夾住的尺寸。在通過粘合劑將金屬性元件粘合于金屬性工件的情況中，粘合劑可流入到所述孔中并且在固化之后提高機(jī)械互鎖。因此在需要使用粘合劑的處理中，可將所述孔布置得具有用于容納粘合劑的適合尺寸。
所述突起可被布置得與工件中的互補(bǔ)構(gòu)造交叉。因此突起可適合于與工件中的內(nèi)部特征(可為孔也可不為孔)相匹配。在所述元件包含形狀記憶金屬的一個(gè)具體應(yīng)用中，在接合部分的制備期間和之后突起和孔的形狀可互換。
通過修改所述方法也可提供其他優(yōu)點(diǎn)，以使得所形成的突起和或孔與工件合作以便于在工件與元件工件之間的接合部分中分配應(yīng)力，從而減少接合部分中的應(yīng)力集中。在這種情況下通常突起最好深入地穿透它們相應(yīng)的工件。
而且，所述突起和/或孔可被布置得可提供預(yù)定的局部機(jī)械、物理或熱特性。因此所述方法可用于進(jìn)行元件和所述元件與之連接的工件之間的特性匹配。通常在這種情況中，所述突起和/或孔被布置在所述元件的部分中以使得在使用中所述元件的部分中的局部熱和/或機(jī)械特性基本與所述元件的部分與之連接的工件的局部熱和/或機(jī)械特性相同。一個(gè)示例是所述元件的特性可被分級(jí)以使得與工件相接觸的部分具有基本與工件相同的機(jī)械和/或物理和/或熱特性。這種技術(shù)可減小或防止由于特性(諸如熱膨脹的模數(shù)和系數(shù))中的失配而導(dǎo)致出現(xiàn)在接合部分處的應(yīng)力集中。
與任何熱處理相似，本發(fā)明所涉及的方法可誘發(fā)工件中的壓力。通過調(diào)節(jié)過程特性、位置和時(shí)限，這些應(yīng)力可用于控制工件的變形。
從本方法中可得出的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，所述突起和/或孔可被布置得用于控制接縫破損的方式。這可提供許多優(yōu)點(diǎn)，諸如在破損之前增強(qiáng)的能量吸收確保了接合部分的局部破損不會(huì)導(dǎo)致接合部分的負(fù)載承載能力的降低，并且在破損發(fā)生之前可檢測(cè)出確定的損壞。一個(gè)示例是將金屬性元件連接于纖維增強(qiáng)聚合物合成材料的情況。通過接合設(shè)計(jì)，隨著金屬性元件中的塑性變形可出現(xiàn)破損，塑性變形可在破損之前被檢測(cè)出并且可吸收大量能量。這對(duì)于合成材料中的脆性破斷是有利的，所述合成材料中的脆性破斷可突然發(fā)生并且不可檢測(cè)。
所述元件的形狀最好還被布置得使得接合部分的機(jī)械性能在形成之后最大化。本發(fā)明在多種接合結(jié)構(gòu)中提供了優(yōu)點(diǎn)。在圖31中提供了可行性結(jié)構(gòu)的示例。接合部分可包括多種接合結(jié)構(gòu)或者接合結(jié)構(gòu)的組合。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，我們提供了已使用本發(fā)明第一和第二方面所涉及的方法處理的工件。使用所述方法處理的包括得自于如此處理的工件與其他工件的更大結(jié)構(gòu)的所有工件都包含在本發(fā)明中。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了將依照本發(fā)明第二方面改進(jìn)的第一工件連接于一個(gè)或多個(gè)其他工件的一種方法。該方法包括使用本發(fā)明第二方面所涉及的方法制備用于連接的第一工件，然后將如此制備的第一工件連接于其他工件?？梢赃@種方式處理即將與其他工件相連接的工件的部分或全部表面。
在形成之后，可使用本領(lǐng)域中公知的任何連接技術(shù)將所述工件進(jìn)一步連接于其他元件，諸如焊接、粘合和共同固化。在將一個(gè)纖維增強(qiáng)聚合物合成材料與另一個(gè)纖維增強(qiáng)聚合物合成材料或與任何其他材料相連接的情況下，可在合成物處理的同時(shí)進(jìn)行連接處理，并且樹脂可為或可不為所使用的唯一粘合劑。
在以這種方式連接之前需要預(yù)處理工件(元件)以便于提高和保持粘合特性。這可需要諸如(但不局限于)本領(lǐng)域中公知的蝕刻、陽(yáng)極處理、樹脂涂覆和粘合劑注入等輔助處理。
該方法的優(yōu)選應(yīng)用是，將纖維增強(qiáng)聚合物合成結(jié)構(gòu)與金屬相連接。首先使用本發(fā)明處理金屬性元件。也可在所述元件上執(zhí)行適當(dāng)?shù)谋砻嬷苽洹Ｔ诤铣刹牧蠑R置在所述元件上的期間將金屬性元件連接于合成工件。所述突起和孔被如此設(shè)計(jì)，即，使得與先前連接方法相比較，具有更光滑的負(fù)載轉(zhuǎn)移并且在連接部分上在機(jī)械和/或物理和/或熱特性中具有較少突變。這種設(shè)計(jì)還考慮了通過塑性變形而在金屬中開始接合部分的破損而取代合成工件中的脆性破斷。
可以展望可通過適當(dāng)長(zhǎng)度的第三方制造工件元件，所述第三方可由使用者在需要時(shí)切割成應(yīng)有的尺寸并且所述元件的合并可平穩(wěn)地與合成物制造程序相結(jié)合。例如，所述方法可用于為合成組件提供金屬端部以便于隨后可通過金屬-金屬焊接將所述組件連接于金屬結(jié)構(gòu)。
本申請(qǐng)具體適用于航空航天應(yīng)用，其中可使用的通用材料包括(但不局限于)鋁和其合金、鈦和其合金、以及碳纖維增強(qiáng)聚合體合成物。在其他工業(yè)部門中可使用的其他材料包括不銹鋼、玻璃纖維增強(qiáng)和芳族聚酰胺增強(qiáng)聚合體合成物、或其混合物、熱塑性聚合物和纖維增強(qiáng)熱塑性合成材料。
因此提出了一種新型連接方法。這種方法通過包含最大/最小水平的機(jī)械連接的概念，通常結(jié)合最小/分子水平的粘合劑粘合，解決了當(dāng)前混合結(jié)構(gòu)的局限性。
本發(fā)明的重要方面涉及這個(gè)事實(shí)，即，所述孔和外部特征由母體材料(諸如金屬)制成并且不會(huì)如同陽(yáng)極氧化或者與所述材料的表面或主體交叉并且使得所述材料的表面或主體化學(xué)改變的一些其他化學(xué)處理一樣由于氧化改進(jìn)而產(chǎn)生。然而，根據(jù)本發(fā)明的以下處理也可使用陽(yáng)極氧化或一些其他化學(xué)處理。
突起和孔的形狀和分配是重要的。所述孔可為或可不為相互連接，但是為了連接應(yīng)用，它們最好不會(huì)與金屬的表面相隔離，即，在粘合出現(xiàn)之前或期間它們應(yīng)被充滿樹脂或粘合劑。然而，所述方法可通過在材料結(jié)構(gòu)中形成絕緣孔而在一些期望內(nèi)部氣孔的應(yīng)用中提供優(yōu)點(diǎn)。


下面將參照附圖描述本發(fā)明所涉及的方法的一些示例，其中圖1示出了沿襯底的一次重?fù)簦粓D2以橫截面圖示出了圖1的重?fù)?；圖3到圖5是與圖2相似的視圖，但是分別示出了兩個(gè)、三個(gè)和n個(gè)交叉的重?fù)簦粓D6是圖5示例的透視圖；圖7到圖9示出了記數(shù)系統(tǒng)；圖10示出了“超級(jí)突起”的形成；
圖11示出了“超級(jí)孔”的形成；圖12示出了超級(jí)孔和超級(jí)突起的網(wǎng)絡(luò)的形成；圖13是奧氏體不銹鋼的超級(jí)突起的顯微照片；圖14圖13中所示的襯底的一個(gè)區(qū)域的顯微照片；圖15是示出了形成有局部環(huán)形射束路徑的顯微照片；圖16是示出了多個(gè)彎曲射束路徑的使用的顯微照片；圖17是示出了脊的顯微照片；圖18是示出了懸伸特征的顯微照片；圖19是示出了孔和三角形突起的顯微照片；圖20是示出了改進(jìn)表面結(jié)構(gòu)中的孔和突起的顯微照片；圖21A-21F根據(jù)圖32的圖表示出了各種圖形；圖22是包含依照本發(fā)明改進(jìn)的工件的連接部分的透視圖；圖23是工件元件的透視圖；圖24示出了合成物層擱置于工件上；圖25示出了粘合工件和合成物的另一個(gè)視圖；圖26是示出了突起與合成物之間的相互作用的示意性截面圖；圖27示出了突起與纖維合成物層之間的相互作用的示例；圖28是工件中的突起的圖；圖29示出了“航空片”的形成；圖30示出了處理工件的下側(cè)上的穿通孔；圖31是示出了連接部分類型的示例的圖表；以及圖32是示出了處理參數(shù)的圖表。
具體實(shí)施例方式
在所述的所有示例中，通過使用傳統(tǒng)電子束源所產(chǎn)生的聚焦的電子束(EB)執(zhí)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，所述電子束相對(duì)于襯底移動(dòng)。當(dāng)然，如上所述的，工件也可相對(duì)于所述射束移動(dòng)或者兩者都可移動(dòng)?；蛘呖墒褂弥T如激光等其他功率射束。
圖1示出了工件1(諸如鋼)中的一次重?fù)?swipe)的形成。所述重?fù)糸_始于圖1中的位置標(biāo)記2處，從而形成小峰丘(突起)。然后射束沿通常為線形路徑5移動(dòng)以便于形成熔融區(qū)域3并且終止于點(diǎn)4處，在點(diǎn)4處形成有小孔(彈坑或空穴)。這將導(dǎo)致襯底材料的移動(dòng)并且在所述射束在其他位置中形成重?fù)魰r(shí)可允許凝固。然后所述射束可返回到該重?fù)粑恢靡员阌诰_地或以稍后將詳細(xì)描述的其他方式重復(fù)所述重?fù)簟?br> 應(yīng)該注意的是，在該示例中，熔融材料沿與射束路徑的方向(箭頭5所示的)相反的方向(如圖2中由小箭頭所示的)流動(dòng)。通過兩個(gè)截然不同機(jī)構(gòu)的組合發(fā)生所述的示例中的材料移動(dòng)。第一機(jī)構(gòu)以與電子束焊接期間相似的方式使用平移蒸氣充填穴(TVFC)中的壓力。一旦與射束“鍵孔”的平移相結(jié)合，該壓力效果導(dǎo)致材料沿與平移相反的方向的凈位移。在這些條件下，假如沿路徑的平移距離(“重?fù)糸L(zhǎng)度”)超過了通常約三倍射束直徑的距離并且材料的凝固以接近于射束移動(dòng)的均勻方式進(jìn)行的話，那么材料的移動(dòng)量是固定的，與重?fù)糸L(zhǎng)度無關(guān)。然而，在這種情況中凈材料移動(dòng)的視距僅取決于重?fù)糸L(zhǎng)度。因此可以看出，為了產(chǎn)生期望的效果可獨(dú)立地控制這兩個(gè)參數(shù)。
第二機(jī)構(gòu)依靠隨著液態(tài)金屬的溫度的而在表面張力中的改變。除了在它影響液態(tài)金屬中的溫度分布的方式下外，表面張力溫度梯度(STTG)被動(dòng)流與“重?fù)簟钡姆较驘o關(guān)。STTG材料移動(dòng)以如下方式發(fā)生。假設(shè)材料的細(xì)長(zhǎng)(至少為兩倍寬度那么長(zhǎng))、淺區(qū)域在較大的基本平坦的表面中快速熔化，但是不會(huì)以均勻速率冷卻。應(yīng)該注意的是，所述池將具有略微凸起的表面(由于熱液態(tài)金屬將通常具有比周圍較冷的固體更大的容積)。在不存在諸如重力、來自于入射射束的蒸汽壓力等任何其他力的情況下，該凸起表面將具有均勻的形狀。然而，如果所述池的一端在另一端之前冷卻，并且表面張力強(qiáng)烈取決于溫度的話，那么所述池的凸起上表面的形狀將是不穩(wěn)定的。如果在高溫下表面張力較大的話，那么所述池的較熱端將平坦，并且材料的相應(yīng)體積將在所述池的較冷端形成凸起。如果在高溫下表面張力較小的話，將出現(xiàn)相反的情況。
可以看出，為了發(fā)生STTG材料流動(dòng)，所需要的是在其冷卻時(shí)存在一池液體上的控制溫度梯度。通常溫度梯度是沿“重?fù)簟狈较虻?，但是為了表面改進(jìn)當(dāng)加入STTG和TVFC效果時(shí)獲得了最好的“造型”結(jié)果。然而，如果存在導(dǎo)致所述池中的溫度梯度的倒轉(zhuǎn)的其他因素的話，低功率密度射束可用于沿重?fù)舻南喾捶较蛞苿?dòng)材料。
對(duì)于包含相對(duì)于工件1的主要直線運(yùn)動(dòng)的重?fù)?，那么重?fù)糸L(zhǎng)度通常為射束直徑的幾倍大。如果重?fù)袈窂?為彎曲的話，所述彎曲的通常最小半徑將與射束直徑相當(dāng)(但不局限于此)。
如上所述的，每次重?fù)舳寄墚a(chǎn)生一小池熔融金屬，所述熔融金屬在工件1的表面上平移。在該池中，從來自于入射到金屬表面上的射束中產(chǎn)生出來的蒸汽壓力中通常存在較大的表面成形力。每次重?fù)舻淖饔枚际且苿?dòng)少量材料。如圖2中所示的，在重?fù)糸_始處通常少量的剩余材料可被看作是峰丘2。在重?fù)敉瓿商幙煽吹较鄳?yīng)尺寸的小孔4。
如果第二重?fù)艟_地重疊在第一重?fù)羯系脑挘瓿煽?和起始峰丘2都將為第一重?fù)粝碌某叽绲膬杀?圖3)。這里在6處示出了一次熔化的材料，其中上方的區(qū)域被兩倍熔化。
如果第三重疊重?fù)糁丿B在第一第二重?fù)羯系脑?，完成?和起始峰丘2都將為第一重?fù)艉蟮娜洞?圖4)。這里在6和7處分別示出了材料的一次熔化和兩次熔化區(qū)域。
在多次重疊重?fù)糁?，由于其現(xiàn)在的遠(yuǎn)程連接，起始峰丘2處的材料可不再被主體充分地冷卻。這可導(dǎo)致在相似性質(zhì)的類型重?fù)粝缕鹗挤迩鸶叨壬系牟辉龠M(jìn)一步增加，這是由于每次重?fù)舳荚偃刍藖碜杂谇按沃負(fù)舻膸缀跞坎牧?。在n次重疊重?fù)糁?圖5和圖6)，工件1中的完成孔4和起始峰丘2可具有更大的高度/深度與寬度比率。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，由于入射點(diǎn)處每單位面積射束功率密度中的有效下降，入射射束可不在完成彈坑處熔化相同量的材料。
圖7到圖9示出了用于描述以下所述一些示例的記數(shù)系統(tǒng)。在圖7中，1000重?fù)魣D案用于使用“B”類型的重?fù)魣D案產(chǎn)生250個(gè)突起。起始突起表示在8處而結(jié)束彈坑(孔)表示在9處。這些位置之間的線示出了射束路徑而該線上的箭頭示出了材料流動(dòng)的方向。如圖中所示的，突起標(biāo)號(hào)“1”由重?fù)魳?biāo)號(hào)1、21、41、61構(gòu)成。圖8更普遍地示出了這種情況，示出了四次重?fù)襞c在其它位置處的二十次將之分離的其他重?fù)?。如圖9中所示的，“n”表示每個(gè)位置處的重?fù)魯?shù)量，“r”表示每次再訪之前的數(shù)量，“H”為突起的數(shù)量而“S”為重復(fù)方式中的重?fù)魯?shù)量。
如果幾個(gè)不同重?fù)舻钠鹗嘉恢弥丿B的話，其作用將使得重疊的起始突起為每個(gè)完成孔的許多倍大，也就是“超級(jí)突起”(圖10)。因此n＝20、r＝250以及S＝25000。5個(gè)不同重?fù)粑恢锰幍耐黄鸨恢丿B以實(shí)現(xiàn)這個(gè)。
如果沒有一個(gè)完成孔重疊但是所有起始突起都重疊的話，那么結(jié)果將為在相當(dāng)大起始突起特征周圍的襯底表面高度上的通常減小。
如果幾次重?fù)舻耐瓿煽妆恢丿B的話，那么結(jié)果將形成一個(gè)為每個(gè)起始突起幾倍大的孔，即，“超級(jí)孔”(圖11)。這里n＝3、r＝10、H＝10、S＝120。四個(gè)重?fù)粑恢糜糜讷@得該超級(jí)孔。
如果沒有一個(gè)起始突起重疊但是所有完成孔都重疊的話，那么結(jié)果將形成由略微升高在原始工件表面上方的小高原圍繞的深孔。
圖12示出了超級(jí)孔(每個(gè)都由3個(gè)重?fù)粑恢弥瞥?和超級(jí)突起(每個(gè)都由6個(gè)重?fù)粑恢弥瞥?的網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)示例。在該示例中n＝20。
如果待處理區(qū)域中的工件是由不只一種材料(例如鍍有或涂覆有第二材料)制成的話，或者在適合的氣態(tài)或液體環(huán)境下執(zhí)行該工作的話，可產(chǎn)生一種新的功能合金。在涂覆的情況下，連續(xù)重?fù)艨墒沟貌牧蠌钠渫繉犹幓驈囊r底的露出區(qū)域處移動(dòng)。以這種方式，起始突起的成分和性能可從頂級(jí)降低到底級(jí)。通常該處理會(huì)導(dǎo)致處理材料由于蒸氣和飛濺引起的少量流失，尤其是當(dāng)在TVFC模式下操作時(shí)。更易揮發(fā)的物質(zhì)通常更優(yōu)先從處理材料中作為蒸氣流失。例如，在許多材料中，50到95％的處理材料可被移動(dòng)但是在處理之后保持附著在工件上。
如果需要的話，在使用所述方法處理期間某些元素從基底材料中的流失可謹(jǐn)慎地用于提供成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)中的局部改變。
由于新處理的表面是清潔的并且可接受進(jìn)一步涂覆，因此通?？稍谟霉β噬涫幚砥陂g或剛剛處理之后執(zhí)行該涂覆。在一些情況中，在所述處理期間可容易地形成優(yōu)先流失元素的涂層。
如果在相同位置執(zhí)行連續(xù)的線形重?fù)舻脑?，結(jié)果通常是起始突起近似為三角形形狀。遠(yuǎn)離和面對(duì)重?fù)舴较虻拿總?cè)的起始突起的側(cè)部幾乎是豎直的。另一側(cè)通常與襯底表面成角度。完成孔也可為相應(yīng)的三角形形狀的。
可以相似的方式完成孔的幾何形狀，假定射束仍具有通向孔底部的視線，在傾斜完成孔的情況下這可需要復(fù)雜射束/工件操作。
所述處理通常應(yīng)用于與入射功率射束方向垂直的表面，但是在許多情況中也可成功地在與工件表面成其他角度下應(yīng)用。
如果以正確方式執(zhí)行的話，所述處理允許在工件表面中產(chǎn)生邊緣平行的狹槽。
工件中的狹槽(細(xì)長(zhǎng)孔)可在多個(gè)位置處相互交叉。然而，如果新重?fù)袈窂脚c現(xiàn)有狹槽交叉的話，通常不能保持正確的材料移動(dòng)。
狹槽可具有它們寬度的許多倍的深度和長(zhǎng)度。在適合的截面厚度下，狹槽可完全穿透工件。
通常由所述射束的具有充足功率密度的那部分(核心)的直徑確定最小狹槽寬度以便于產(chǎn)生如上所述的成形力效果。
通過該處理形成的狹槽的側(cè)部可完全由再熔化材料構(gòu)成，在EB鉆孔說法下將為“未下定義的(undefined)”。在本發(fā)明的造型處理中，假如使用適當(dāng)功率射束密度的話，來自于每次重?fù)舻摹拔聪露x的”材料通常與來自于前次重?fù)舻牟牧掀椒€(wěn)地熔合。因此其結(jié)果是具有較光滑和平行側(cè)部的狹槽。
通過用具有適當(dāng)直徑和功率的射束進(jìn)行本發(fā)明處理，幾乎為任何尺寸的特征都可在該處理?xiàng)l件下顯示出基本穩(wěn)定液相的材料上產(chǎn)生。
在其中液相的表面張力在溫度上具有較強(qiáng)作用的情況中可能需要特殊的處理?xiàng)l件。
如果一種或多種(匹配或不匹配)材料被連續(xù)地加入到通常為工件的“完成孔”區(qū)域中的話，如果理想的話，凈結(jié)果可為表面上的具有少量或不具有相應(yīng)孔的直立特征。通過使用傳統(tǒng)技術(shù)可加入附加材料，例如，金屬絲或粉末。如果從工件的“起始突起”區(qū)域中連續(xù)地移除材料的話，其結(jié)果可為具有少量或不具有直立材料的工件中的孔。通過芯吸、抽吸或吹風(fēng)(例如，通過氣體噴嘴)或通過應(yīng)用更高功率密度的射束可移除剩余熔融材料，所述更高功率密度的射束可導(dǎo)致熔池的自然噴發(fā)以及材料從工件中的移除。在任意一種情況中，使用另一種獨(dú)立元件都可移除或加入材料，所述另一種獨(dú)立元件可包括與工件緊密接觸的消耗品或一次性“調(diào)色板”。在這種情況下，重?fù)袈窂綄⒕植柯湓诠ぜ驼{(diào)色板上。
因此使用該技術(shù)可將包括兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立部分的工件連接在一起。在通用方式下通過用工件的一個(gè)或全部部分形成突起，但是因此它們從一個(gè)部分橋接到另一個(gè)部分，從而可形成接合部分。這些接合部分可用于許多用途，例如機(jī)械或電連接。這是由兩個(gè)或多個(gè)組成工件構(gòu)成的合成工件的一個(gè)示例。
在優(yōu)選情況下，任何一個(gè)位置處重?fù)糁g的時(shí)間都不會(huì)由于切斷射束而浪費(fèi)。相反在該時(shí)間期間使用所述射束來處理和重?fù)艄ぜ钠渌麉^(qū)域或其他工件。
可由一個(gè)連續(xù)射束同時(shí)處理的最少數(shù)量的獨(dú)立位置由與在重?fù)糁g每個(gè)位置處所需的停留時(shí)間相關(guān)的每個(gè)位置的重?fù)羲ㄙM(fèi)的時(shí)間表示。假如提供比實(shí)際所需更長(zhǎng)停留時(shí)間的額外冷卻是容許的話，最大數(shù)量?jī)H由射束偏轉(zhuǎn)/工件操作系統(tǒng)的能力限制。
在一些情況中，最好同時(shí)使用多個(gè)功率射束以執(zhí)行本發(fā)明。例如，簡(jiǎn)單的示例是具有與第一電子槍柱一樣的第二獨(dú)立電子槍柱。使用該方法，每個(gè)槍柱都可以相同的方式使用以便于同時(shí)處理工件的其他部分。使用該方法，如果需要的話可加入其他射束發(fā)生器。另一種方法是使用多個(gè)射束發(fā)射器，但是具有通用的射束突起和操縱系統(tǒng)。以這種方式，可使得多個(gè)射束同時(shí)工作而不會(huì)增加所需的設(shè)備量。如果需要的話，可同時(shí)使用許多所述系統(tǒng)以便于在更快的速率下執(zhí)行所述處理。
在一種情況中，工件可相對(duì)于電子束發(fā)生器靜止?！扒蛐巍鄙涫D(zhuǎn)圖案在工件表面上的位置的陣列(例如，包括均勻間隔的排和列)之間操縱射束。在每個(gè)位置處可執(zhí)行“主題(motif)”偏轉(zhuǎn)，包括所需的一次或多次“重?fù)簟?。在“球形”偏轉(zhuǎn)圖案的多次重復(fù)之后，處理完成，并且射束終止。
在另一種情況中，如上所述使用“球形”和“主題”圖案。然而，在這種情況中，工件也是移動(dòng)的，以使得在每次重復(fù)“球形”圖案時(shí)，都不同地重疊在工件上。在每次重復(fù)時(shí)，第一列位置“球形”圖案覆蓋原材料，第二列覆蓋最近暴露于第一列的位置，依此類推。在該處理的改進(jìn)中A)可使得“球形”圖案中列的數(shù)量等于訪問或重?fù)粼诿總€(gè)位置處所需的數(shù)量。以這種方式，所述處理可連續(xù)地應(yīng)用于襯底材料的移動(dòng)帶或板，其中在每種情況下在每個(gè)位置處具有相同的凈效應(yīng)(不包括運(yùn)行起始和結(jié)束時(shí)的那些)。
B)如果應(yīng)用于在處理期間形狀的圓對(duì)稱的一部分的話，可在工件上的每個(gè)位置處獲得完全相同的作用(不包括某些情況中兩個(gè)不同重?fù)糁負(fù)舻木_溫度改變)。假如工件的移動(dòng)與球形射束偏轉(zhuǎn)同步以使得360度旋轉(zhuǎn)實(shí)際對(duì)應(yīng)于重復(fù)的球形圖案的整數(shù)的話可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
C)球形圖案中的每列都可被布置得用于在每個(gè)位置處產(chǎn)生相同的重?fù)魣D案，或在每個(gè)位置處產(chǎn)生不同的重?fù)魣D案，結(jié)合工件運(yùn)動(dòng)，這可以用于在工件上產(chǎn)生更復(fù)雜或更傾斜的特征；D)如果需要的話，可在相對(duì)于電子槍固定的位置處將材料加入于工件中或從工件中移除材料。
在圖13到圖15中示出了該方法應(yīng)用于奧氏體不銹鋼的一些示例。圖13示出了由六個(gè)孔圍繞的一個(gè)超級(jí)突起。圖14示出了圖13中所示的超級(jí)突起相對(duì)于其緊靠相鄰?fù)黄鸬奈恢谩?br> 在圖32中的圖表中示出了這些示例的參數(shù)。
在圖15和圖16中示出了本發(fā)明所涉及的在奧氏體不銹鋼中使用彎曲射束路徑的結(jié)構(gòu)改進(jìn)的示例。圖15示出了直立突起，每個(gè)都使用局部彎曲的射束路徑形成。在圖16中，中心直立突起特征被形成在周圍彎曲(局部環(huán)形)射束路徑的2×2矩陣的中心處。在圖32中的圖表中示出了每種情況中所使用的處理參數(shù)。
使用該方法也可獲得重疊特征。圖32中的參數(shù)也給出了重疊連續(xù)“造型”操作的示例。如圖32中所提及的，在圖21A到21F中給出了射束路徑的詳細(xì)內(nèi)容。在圖21A到21F中，點(diǎn)劃線示出了重復(fù)射束路徑圖案(實(shí)線)相對(duì)于第一射束路徑圖案的一般移動(dòng)。
這可形成更精細(xì)的特征。在一個(gè)示例中，通過第一操作制成材料的多個(gè)較低、較寬脊。然后這些脊通過第二操作被處理，所述操作通常在材料表面的下方和上方產(chǎn)生具有大致相等高度的孔和突起。然而在這種情況中，由于在材料的低直立脊中產(chǎn)生孔，因此所述孔不會(huì)深入地穿透于材料的原始厚度。這是沒有在表面中形成具有相應(yīng)深度孔的情況下在材料的原始表面上制成高直立部分的一種方式。如圖17中所示的，多個(gè)“飛邊”和“狹槽”被重疊在低脊上。在圖32中提供了其他細(xì)節(jié)。
如果在略微不同的位置處開始連續(xù)的線形重?fù)舻脑挘?，每一個(gè)都需要略微不同長(zhǎng)度的路徑以到達(dá)相同的完成孔，其結(jié)果將為非豎直開始的突起特征。在這種情況下，如果使用連續(xù)的更短重?fù)籼卣鞯脑挘h(yuǎn)離重?fù)舴较虻钠鹗纪黄鸬膫?cè)部將與襯底表面成銳角。這種作用可被調(diào)節(jié)以便于產(chǎn)生近似為對(duì)稱的起始突起特征。
或者，在連續(xù)的較長(zhǎng)重?fù)袈窂较?，遠(yuǎn)離重?fù)舴较虻钠鹗纪黄鸬膫?cè)部將相對(duì)于襯底表面傾斜以便于產(chǎn)生懸伸特征。
如果在相同位置處執(zhí)行連續(xù)地線形重?fù)舻侵負(fù)舨⒎蔷_重疊以使得沿與線形重?fù)舴较蚪徊娴姆较虻拿看沃負(fù)艟哂休^小位移的話，結(jié)果將產(chǎn)生傾斜于襯底表面的起始突起。
在這兩種情況下，如果以使得它們朝向彼此傾斜的方式形成相鄰的傾斜起始突起的話，若干個(gè)起始突起可被熔合在一起?？梢孕纬梢r底表面上直立的熔合材料的環(huán)這種方式實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
至于“懸伸”(傾斜)特征的產(chǎn)生，每次“重?fù)簟毙纬傻娜廴诼窂降恼鎸?shí)長(zhǎng)度略大于重?fù)舻膶?shí)際長(zhǎng)度一個(gè)量，所述量與電子束的直徑、材料特性以及重?fù)羲俣扔嘘P(guān)。這意味著一次重?fù)羲苿?dòng)的材料可懸伸或伸出到前次重?fù)舻钠鹗键c(diǎn)或者重?fù)羝鹗键c(diǎn)處的邊緣特征之外。如果重新定位連續(xù)的重?fù)舻脑?，每次重?fù)舳紝⒃谶B續(xù)的更懸伸的位置處開始，然后懸伸部分可伸出到所述邊緣的更外邊。
以這種方式，較厚部分的工件中所形成的孔可由頂表面處的金屬突起部分堵塞。一項(xiàng)應(yīng)用是用其中鉆有大孔的整體零件制造細(xì)濾清器。如果需要的話，在突出材料位移時(shí)所形成的狹槽或孔允許液體材料穿過所述表面自由輸送。這增強(qiáng)了從孔之間的區(qū)域中的液體流動(dòng)。
如果在平坦表面上執(zhí)行連續(xù)的移動(dòng)重?fù)舻脑?，可形成具有鉤狀外形的向后傾斜的突出特征。一個(gè)示例應(yīng)用是在纖維增強(qiáng)材料與金屬襯底的負(fù)載轉(zhuǎn)移中。圖18示出了所述懸伸特征的一個(gè)示例，其中在圖32中示出了處理參數(shù)。實(shí)際上使用對(duì)于圖32圖表中的參數(shù)的改進(jìn)，可在所使用的2毫米厚的鈦合金工件中形成完全穿透孔。
所述改進(jìn)包括引入暫停以允許材料冷卻，從而減少工件的變形。
圖19示出了在軟鋼樣品T299中所述方法的使用。
圖20示出了在A15083、T291中的另一個(gè)示例。在每種情況下，更詳細(xì)的內(nèi)容都在圖32中提供。
材料的“雕塑穩(wěn)定性”取決于參數(shù)的數(shù)量，包括圖32的圖表中所列示的那些。另外，材料的純度具有重要作用。材料中的局部非均質(zhì)性或溶解的揮發(fā)性物質(zhì)的量?jī)烧叨紝?duì)材料的“雕塑穩(wěn)定性”產(chǎn)生較大差異。
在諸如期望在工件中產(chǎn)生主要為板狀平坦的凹陷部分或脊的一些情況中，最好使用較強(qiáng)烈的射束執(zhí)行“孔”的最初挖掘。這可留下表面外觀上看來較為粗糙的孔和脊。通過在挖掘的最終階段或作為隨后的操作中使用較低功率密度的射束，可大大較低材料移動(dòng)的速率，但是可產(chǎn)生對(duì)于孔或脊的更精細(xì)的修整。
可使用射束和工件表面之間的各種角度執(zhí)行本發(fā)明。通常保持的是各種功率射束處理可僅在遠(yuǎn)離于垂直于射束到一定點(diǎn)成角度的表面上操作。這限制了使用所述射束鉆出淺角度的孔。這種結(jié)果是由于隨著(比方說)工件表面上的圓點(diǎn)變成橢圓而使得幾何功率密度減小導(dǎo)致的以及由于通常在淺進(jìn)入角下表面與入射光束之間增加的反射率導(dǎo)致的。對(duì)于激光/電子束鉆孔或其他應(yīng)用處理來說，預(yù)期處理所要求的功率密度基本上大于使得材料熔化所需的功率密度。然而，通過本發(fā)明，即使功率密度僅足以熔化所述材料，假如STTG被動(dòng)流機(jī)構(gòu)在所述材料中可操作的話，也可執(zhí)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。所述操作可用于產(chǎn)生工件的局部?jī)A斜中的改變。因此可作為要求射束的更高功率密度的隨后操作的先驅(qū)在傾斜工件上局部地執(zhí)行這個(gè)操作。
下面將描述另一個(gè)示例，所述示例描述了在制備待連接的工件結(jié)構(gòu)的重要應(yīng)用中本發(fā)明的使用。
在圖22中示出了依照這些示例中的第一個(gè)制造的所述接合部分的總體外觀，所述圖22示出了通過中間元件102與第二金屬性工件102相連接的第一合成工件100。通過如下所述的連接方法實(shí)現(xiàn)金屬性組件101和102之間的連接。焊縫如103處所示的。
如圖23中所示的，在本示例中，金屬性中間元件102通過將一些鈦加工成不對(duì)稱斜嵌接所需的普通形狀而形成。在圖31中示出了其他大量可行接合部分結(jié)構(gòu)的一些示例。
即將與合成工件100相連接的表面104如圖23中所示的。在加工表面之后就用使用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法的電子束系統(tǒng)處理所述表面。在這種情況下所述處理方法適用于整個(gè)表面104以便于產(chǎn)生突起105和孔106的有序排列(圖23中示意性地示出)。
應(yīng)該注意的是，通過突起和孔的相對(duì)布置所形成的不同圖案可應(yīng)用使得所述元件適用于不同的特定需求。在本發(fā)明示例中，每個(gè)突起都被布置成短粗刺狀，其中每個(gè)短粗刺的形狀和尺寸都是相似的，同樣地，每個(gè)孔都具有彼此相似的形狀和尺寸。所述相似性當(dāng)然不是主要的但是在本發(fā)明示例中在簡(jiǎn)化用于結(jié)構(gòu)改進(jìn)的處理參數(shù)方面提供了一些便利性。
在不使用所述相似性的情況下，尤其是突起的形狀和尺寸在即將特征的表面的不同區(qū)域中可為不同，以便于在那些區(qū)域中提供不同的接合特性。除基本垂直于它們從中突出的通用表面以外，也可在不同的角度下產(chǎn)生突起、成角度的突起在俘獲合成物中的纖維以及防止它們?cè)谪?fù)載下移動(dòng)的方面具有優(yōu)勢(shì)。然而，對(duì)于給定長(zhǎng)度的突起來說，相對(duì)于表面的角度越小，所述突起進(jìn)入合成材料中所需的距離就越小，因此任何應(yīng)力將不會(huì)通過合成物深度被傳輸。這是突起的高度應(yīng)被謹(jǐn)慎調(diào)節(jié)的一個(gè)示例。
在元件的不同部分中突起的形狀也可不同。在一些情況中，鉤形狀可有利于接合強(qiáng)度。
在該示例中，在元件工件的不同區(qū)域中突起的化學(xué)成分也可不同。這可通過各種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其中一些為a)在功率射束處理期間金屬性元件合金的部分的優(yōu)先汽化；b)具有若干層的元件的使用，其中在功率射束處理期間方式來自于層中的材料的混合；c)在處理期間附加材料的添加。
以與突起相似的方式，所產(chǎn)生的孔的尺寸、形狀等在元件工件的不同區(qū)域中也可不同。
某些機(jī)械、物理和熱特性以及由于這些特性中的值而發(fā)生的一些作用取決于元件中的材料的局部密度。這又取決于所形成的孔的體積。例如，通過謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)元件的不同區(qū)域中孔的形狀和它們的密度，可減少或消除由于元件與它所要連接的工件之間的特性值中的不匹配而導(dǎo)致出現(xiàn)的問題。
返回到本示例，在根據(jù)本發(fā)明的表面處理之后，可以適合于增強(qiáng)和保持粘合特性的方式(諸如通過噴粒處理、蝕刻或陽(yáng)極處理)進(jìn)一步處理所述表面。
之后如圖24中所示的，將碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧預(yù)浸料坯的層107擱置在處理的元件表面上。在完成了預(yù)浸料坯的擱置之后，將整個(gè)層疊部分布置于高壓滅菌器中并且以傳統(tǒng)方式進(jìn)行固化。雖然用于本示例的合成板的材料和制造方法是在高壓滅菌器中進(jìn)行固化的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧預(yù)浸料坯，但是應(yīng)該理解的是，也可使用許多其他材料和制造方法以進(jìn)行金屬與合成物接合。
第一替換示例包括干燥纖維預(yù)成型毛坯擱置在元件上，之后將樹脂真空注射于預(yù)成型毛坯中。當(dāng)然還有許多適合材料的示例。在航空航天組件的情況中，纖維可為碳，預(yù)成型毛坯可為機(jī)織織物、針織物、非縐紋織物或編織物，樹脂可為環(huán)氧樹脂，并且所述部分可被熱固化。在航海組件的情況中，纖維可為玻璃，樹脂可為乙烯基酯或聚酯，并且所述部分可被室溫固化。
第二替換示例包括碳纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料坯擱置在元件上，之后在熱壓機(jī)中進(jìn)行加固。
諸如以上所述的任何制造過程在元件和工件之間的分界面處層疊期間都可需要添加附加的樹脂或粘合劑以便于確保流入到至少一些孔中。
在從高壓滅菌器中取出之后，最終產(chǎn)品包括，具有金屬性端部102的合成結(jié)構(gòu)100。在圖25中已示出。在圖26中示出了穿過所述結(jié)構(gòu)的橫截面圖。圖中示出了元件中的金屬性突起伸入到產(chǎn)品的合成部分中。同樣地樹脂和有可能產(chǎn)品的合成部分中的一些纖維流入到所述元件的孔中。
圖27示出了穿過實(shí)際接合部分的橫截面圖，其中白色的金屬性突起向上伸入到合成物的層中。由所述突起與所述工件形成的所述接合提供了改進(jìn)的機(jī)械互鎖，并且應(yīng)力穿過合成工件的厚度傳輸。
應(yīng)該理解的是，元件與纖維增強(qiáng)合成物之間的負(fù)載轉(zhuǎn)移將遍布合成纖維增強(qiáng)的若干層上，這是由于突起穿透所述層的方式而導(dǎo)致的。由于可將所述突起形成得使其高于其寬度的許多倍，當(dāng)接合部分受到應(yīng)力時(shí)，在它們中誘發(fā)較強(qiáng)的彈性彎曲應(yīng)變。在最簡(jiǎn)單的情況中，較小的施加負(fù)載使得近似平行側(cè)的突起以通過傳統(tǒng)合成荷載懸臂梁原理預(yù)測(cè)的方式彈性變形。然而，可將所述突起制成為幾乎具有任何形狀的，以允許合成物的切變模數(shù)以及實(shí)際中可發(fā)生的復(fù)雜的接合負(fù)載。這意味著可以非通常可行的方式有利地改變和控制接合部分中的負(fù)載分布。
同樣地，由于突起可被不同地定位，和/或被形成得沿不同方向具有不同的彎曲特性，因此可使得合成物與金屬零件之間的負(fù)載轉(zhuǎn)移為各向異性的以便于更好地配合合成材料的各向異性。
作為本示例的程序中的另一個(gè)步驟，如先前所述的，金屬性中間元件102可與圖22中所示的金屬性結(jié)構(gòu)相連接，以便于產(chǎn)生合并于金屬性結(jié)構(gòu)中的合成組件?？墒褂萌魏芜m合的連接技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的金屬性零件與金屬性結(jié)構(gòu)之間的連接，所述連接技術(shù)包括栓接、擴(kuò)散粘結(jié)、激光焊接、摩擦攪拌焊接、電子束焊接或電阻焊接。
在圖28中示出了典型工件的圖片。其中示出了用于具有位于其接合表面上的多個(gè)突起的階式接合的鈦工件。所述突起都具有約2毫米的長(zhǎng)度。它們與表面成角度因此它們?cè)诒砻嫔系淖畲蟾叨葹榧s1.5毫米。同樣地，所述孔具有約1.5毫米到2毫米的深度。然后將碳纖維增強(qiáng)預(yù)浸料坯擱置在這些突起上以便于給出約2.5毫米的穿透合成物的厚度。在所述應(yīng)用中，取決于所需要的特性，碳纖維增強(qiáng)預(yù)浸料坯通常被擱置到1和15毫米之間的厚度。
即將連接的這些結(jié)構(gòu)的尺寸可改變。但是實(shí)際上可包括從微米到米的任何合成物厚度。
應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的表面和/或結(jié)構(gòu)改進(jìn)在多種應(yīng)用中提供了優(yōu)勢(shì)。下面將簡(jiǎn)要描述一些應(yīng)用。
A)用于定型氣體或液體流動(dòng)的不同孔/管形狀(例如，“NACA”管形狀)或壓力波的制造。
B)用于新穎表面結(jié)構(gòu)/功能性和結(jié)構(gòu)改進(jìn)的模具/沖模的制造。另外使用本方法可進(jìn)行一些材料中的表面硬化。模具中的孔也可用于除氣和氣體輸注(用于脫模)。
C)低模數(shù)材料(例如橡膠)和/或用于制造所述低模數(shù)材料的模具的處理，以便于包含對(duì)于制造存在問題的深窄特征，例如，對(duì)于輪胎的新設(shè)計(jì)?？缮a(chǎn)出用于改進(jìn)用水管理和減小噪音的新輪胎結(jié)構(gòu)。
D)具有金屬性、陶瓷或聚合體組件的修補(bǔ)物、插入物和其他生物機(jī)械工程結(jié)構(gòu)的制造，用于使用精確地摹仿自然生物相容表面的處理增強(qiáng)與生物學(xué)物質(zhì)(諸如骨骼)的接合。負(fù)載承載生物機(jī)械接合表面也可被處理以便于提高性能。
E)具有受控地形學(xué)和/或化學(xué)成分的表面的生產(chǎn)，以便于摩擦學(xué)的應(yīng)用。例如，通過處理板面，可在基本柔軟的基質(zhì)中形成硬的、金屬間化合物材料的小孔和小島狀物。這些或其他處理變量可用于支承面的制造。
F)通過形成高縱橫比的直立部分而生產(chǎn)電路系統(tǒng)中的電子“Z”連接。
G)船體中用于氣體流動(dòng)以便于提供氣體輔助邊界層(GABL)的多個(gè)孔的生產(chǎn)，從而減小阻力。在航空器機(jī)翼表面材料中，也可使用利用本發(fā)明處理的材料，例如用于將流動(dòng)的部分拉進(jìn)機(jī)翼中以便于保持表面外部的必需流動(dòng)條件。
H)用于擴(kuò)散粘結(jié)的材料制備，以便于通過產(chǎn)生直立突起的規(guī)則排列而制成新材料(例如航空板)(見圖29)。通過將處理的板粘合在一起以在板材料的中心線處留下空隙可產(chǎn)生航空板。通過將適當(dāng)處理的表面粘合在一起可產(chǎn)生互相連接的多孔板，容許冷卻流體/氣體或化學(xué)活性種類沿板中心線前進(jìn)。通過在粘合之前在所述板的頂面和底面的任意一面中形成穿透孔也可產(chǎn)生微孔板。
通過使用本發(fā)明處理一片或多片材料，所述材料隨后將相互連接或者與一個(gè)或多個(gè)未處理的材料片相連接，所形成的產(chǎn)品可具有增強(qiáng)的特性?？墒褂玫倪B接技術(shù)包括所有形式的焊接、擴(kuò)散粘結(jié)、銅焊、粘合劑粘合和機(jī)械連接。例如，這可用在低密度高硬度板材和包含內(nèi)部孔隙和槽的零件的制造中。如果與這種方式生產(chǎn)擴(kuò)散粘結(jié)的鈦板以便于制造航空板的話，所獲得的材料可具有明顯增強(qiáng)的特性。在這種情況下，可使用傳統(tǒng)技術(shù)焊接、切割、形成和連接所述材料。處理的板可被組裝和邊緣焊接(例如，通過EBW)以便于提供抽空的密封包裝，所述密封包裝用于通過HIPing連接以便于給出這種類型的材料。組裝板之間的連接可被調(diào)節(jié)得用以提供應(yīng)用所要求的最佳機(jī)械、熱或其他特性。如果本發(fā)明處理用于在結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)部分中生產(chǎn)完全穿透孔的話，那么流體可穿過這些孔和/或內(nèi)部孔隙，例如，以用于冷卻、加熱、混合、減小阻力、或化學(xué)反應(yīng)的目的。通過將不同材料的板連接在一起，例如通過取得已使用本發(fā)明處理的金屬性面板并且將它們粘合為低密度蜂窩結(jié)構(gòu)的芯部，可制成先進(jìn)的合成結(jié)構(gòu)。
I)通過使用用于聲波破壞或反射的方法處理材料可生產(chǎn)音速活性表面。
J)可處理形狀記憶金屬以賦予其活性功能。主體材料可被局部進(jìn)行化學(xué)或幾何改進(jìn)，以便于給出局部具有形狀記憶合金成分的功能區(qū)域。
K)通過所述方法可實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件的處理，以便于改進(jìn)表面的光學(xué)特性(例如傳輸和反射)，例如具有全息照相功能。
L)通過所述方法可實(shí)現(xiàn)傳感器的生產(chǎn)，以便于實(shí)現(xiàn)孔或直立部分的精確和/或規(guī)則排列，例如用在線性編碼器中的。
M)通過所述方法可將諸如熱交換器、催化式排氣凈化器和通流化學(xué)反應(yīng)容器等設(shè)備都制造得具有提高的特性，以便于在適當(dāng)?shù)慕M件中產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牟?孔和/或表面突起。
N)通過處理輔助材料已被加入的表面可獲得雙金屬的表面功能，從而形成包括具有兩種或多種不同成分的層的表面特征。
O)使用本方法也可執(zhí)行柴油機(jī)噴油器的制造，具體有關(guān)于噴嘴的水力特性，以及其汽化噴射燃料的能力。再熔化材料(通過所述方法制成)的表面硬化可用于提高磨損特性。另外，也可制造噴嘴特征，其中旋渦運(yùn)動(dòng)被施加于通過噴嘴的流動(dòng)。這也允許例如體積流動(dòng)特性自動(dòng)地補(bǔ)償使用者所發(fā)生的噴嘴磨損。
P)使用本方法也可實(shí)現(xiàn)無毛邊毛刺孔的生產(chǎn)。當(dāng)制造完全穿透孔時(shí)，在適當(dāng)條件下，在工件的遠(yuǎn)側(cè)上形成有實(shí)際上無毛邊毛刺的孔。這種類型的孔可用在需要無毛邊毛刺的孔邊緣的許多應(yīng)用中。這些還可包括各種切割或剪切處理，以及其中流體在穿孔表面上的流動(dòng)至少被具有無毛邊毛刺邊緣擾亂的處理。圖30中示出了一個(gè)示例。
Q)可進(jìn)行各種處理以便于使用所述方法使得所述表面達(dá)到隨后的處理要求。例如，可執(zhí)行任何涂覆或化學(xué)轉(zhuǎn)換處理。另外，在所處理的表面上可執(zhí)行各種機(jī)械處理。例如，可使得突起變形為新的功能形狀，或使其簡(jiǎn)單變形以賦予其與配合零件的完美的均勻高度或構(gòu)造。從施加負(fù)載、光滑度和平坦度方面看，裝有所述表面的接合部分可具有優(yōu)越于普通接合部分的熱接觸和電接觸，這是由于分界面處的局部變形和接觸的模式導(dǎo)致的。
R)所述方法可用于局部改變對(duì)于表面的各種勢(shì)梯度(包括化學(xué)、電、磁)，從而改變表面的材料沉積或移除，或者進(jìn)行表面處的化學(xué)反應(yīng)。
S)使用本方法也可實(shí)現(xiàn)結(jié)晶學(xué)織構(gòu)化/定向材料和表面的制造。通常，最初通過連續(xù)重?fù)舳吧L(zhǎng)”的突起和其他特征通過傳統(tǒng)非均勻成核和生長(zhǎng)而實(shí)現(xiàn)。然而，在適當(dāng)?shù)臈l件下，可制造以這種方式生長(zhǎng)的特征，所述方式即，獲得特定的晶粒取向或結(jié)晶學(xué)結(jié)構(gòu)。例如，這可用于正確地給出特定材料結(jié)構(gòu)/特性，或控制材料的結(jié)晶學(xué)定向和/或生長(zhǎng)形態(tài)學(xué)，所述材料隨后沉積，或從液相或氣相生長(zhǎng)在工件上。
T)也可生產(chǎn)各向異性的微粒和纖維。通過在它們形成之后執(zhí)行不同的處理步驟，可以各向異性纖維或微粒的形式將這些特征從工件上分離下來。
權(quán)利要求
1.改進(jìn)工件結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括1)在功率射束與工件之間進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)，以使得工件的一個(gè)區(qū)域熔化并且使得熔融材料移動(dòng)以在所述區(qū)域的第一位置處形成突起而在所述區(qū)域的另一個(gè)位置處形成孔；2)使得熔融材料至少部分地凝固；之后3)重復(fù)步驟1)一次或多次，與每次重復(fù)相對(duì)應(yīng)的區(qū)域都與步驟1)的區(qū)域交叉。
2.依照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)還包括在步驟1)的每次重復(fù)之后重復(fù)步驟2)。
3.依照權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述區(qū)域由所述射束限定，所述射束被引發(fā)沿著從起始位置到完成位置的路徑相對(duì)于工件行進(jìn)。
4.依照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，第一位置位于起始位置或完成位置中的一個(gè)處，而另一個(gè)位置位于起始位置或完成位置中的另一個(gè)處。
5.依照權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述路徑在長(zhǎng)度上至少為射束直徑的三倍長(zhǎng)。
6.依照前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述區(qū)域的至少部分是細(xì)長(zhǎng)的。
7.依照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述區(qū)域基本為線形的。
8.依照權(quán)利要求1到6中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述區(qū)域的至少部分是彎曲的。
9.依照前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述改進(jìn)包括基本為工件的主體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。
10.依照前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述改進(jìn)包括基本為工件的表面結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。
11.依照前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，步驟3)的每個(gè)區(qū)域都基本與步驟1)的區(qū)域重合。
12.依照前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，還包括形成一組或多組區(qū)域，每組都與步驟1)的區(qū)域交叉。
13.依照權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，每組的孔基本與步驟1)的區(qū)域的孔重合。
14.依照權(quán)利要求12或權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，每組的突起基本與步驟1)的區(qū)域的突起重合。
15.依照權(quán)利要求12到14中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述區(qū)域組被布置成規(guī)則排列。
16.依照前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在步驟2)期間，功率射束在工件上另外的位置處形成一個(gè)或多個(gè)區(qū)域。
17.依照前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述工件具有另一種材料，因此在執(zhí)行所述方法期間形成了一種或多種合金。
18.依照前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在氣態(tài)環(huán)境下執(zhí)行步驟1)到3)以便于形成一種或多種合金。
19.依照前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，交叉區(qū)域被布置成用于形成懸伸于工件表面上的突起。
20.依照權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，兩個(gè)或多個(gè)懸伸突起被連接以便于在工件表面上形成一個(gè)或多個(gè)環(huán)。
21.依照前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在步驟3)期間功率射束能量密度相對(duì)于功率射束的一個(gè)或多個(gè)先前移動(dòng)被減小，以便于使得所形成的突起和/或孔的邊緣更光滑。
22.制備用于與一個(gè)或多個(gè)其他工件相連接的元件形式的工件的方法，所述方法包括使用權(quán)利要求1到21所述的方法在元件的表面和/或主體中形成多個(gè)孔并且形成從元件表面向外的突起。
23.依照權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，以預(yù)定方式控制孔的尺寸、形狀或相對(duì)布置中的一個(gè)或多個(gè)，和/或突起的尺寸、形狀、相對(duì)布置或化學(xué)成分中的一個(gè)或多個(gè)。
24.依照權(quán)利要求22或權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述突起和/或孔被形成為與工件機(jī)械接合，所述元件與工件相連接。
25.依照權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述突起被布置成與工件中的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)相互作用。
26.依照權(quán)利要求22到25中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述孔具有用于容納粘合劑或樹脂的適合尺寸。
27.依照權(quán)利要求22到26中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述突起和/或孔被如此形成，即，在使用中，所述突起和/或孔與所述工件合作以便于在所述工件與元件之間分配接合部分中的任何應(yīng)力，從而減少接合部分中的應(yīng)力集中。
28.依照權(quán)利要求22到27中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述突起和/或孔被布置成用于提供預(yù)定局部機(jī)械、物理或熱特性。
29.依照權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述突起和/或孔被布置在所述元件的至少部分中以使得所述元件的那個(gè)部分中的局部熱和/或機(jī)械特性與工件的局部熱和/或機(jī)械特性基本相同，所述元件的那個(gè)部分在使用中與所述工件相連接。
30.依照權(quán)利要求22到29中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述突起和/或孔被布置成用于控制所述接合部分的破損方式。
31.依照權(quán)利要求22到30中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述元件為用于將兩個(gè)或多個(gè)其他工件連接在一起的中間元件。
32.使用前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法已被處理的工件。
33.將第一工件與一個(gè)或多個(gè)其他工件相連接的方法，包括使用權(quán)利要求22到31中任意一項(xiàng)所述的方法制備用于連接的第一工件，以及將所述第一工件與一個(gè)或多個(gè)其他工件相連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種改進(jìn)工件(1)結(jié)構(gòu)的方法。所述方法包括形成功率射束與工件(1)之間的相對(duì)移動(dòng)的第一步驟，以使得工件(1)的區(qū)域(3)熔化并且使得熔融材料移動(dòng)以便于在區(qū)域(3)中的第一位置處形成突起(2)以及在所述區(qū)域中的另一個(gè)位置處形成孔(4)。熔化使得熔融材料至少部分凝固，之后重復(fù)一次或多次第一步驟，其中與每次重復(fù)相對(duì)應(yīng)的區(qū)域與第一步驟的區(qū)域(3)交叉。
文檔編號(hào)C21D1/09GK1684790SQ03823331
公開日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2003年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月30日
發(fā)明者B·G·I·丹斯, E·J·C·凱勒 申請(qǐng)人:焊接研究院