專利名稱：摩擦攪動焊接組件和形成摩擦攪動焊接組件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及摩擦攪動焊接(friction stir weld)以及摩擦攪動焊接的組件。更具體地說，本發(fā)明涉及將相對薄的肋板元件連接到材料的相對薄的片狀部分上的攪動焊接的T形接頭。
背景技術(shù)：
摩擦攪動焊接提供了優(yōu)于其他焊接方法的優(yōu)點(diǎn)。可能最顯著的優(yōu)點(diǎn)在于摩擦攪動焊接保持了與被焊接元件的材料相關(guān)的強(qiáng)度的絕大部分。這可以實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固的焊接結(jié)構(gòu)，而不需要后續(xù)的退火和熱處理。從而，在一個(gè)組件不能夠退火和/或熱處理的情況下，摩擦攪動焊接可能是焊接這種組件的唯一可接受方法。
盡管具有這些優(yōu)點(diǎn)，但是仍存在一些與摩擦攪動焊接相關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)。這種缺點(diǎn)中的一個(gè)就是用來形成攪動焊縫的攪動焊接工具在攪動焊接過程中對組件施加了一個(gè)明顯的力。因此，這個(gè)力必須由組件抵抗，而組件的強(qiáng)度和剛性必須足夠大來避免斷裂和/或不可接受的偏轉(zhuǎn)。另一個(gè)缺點(diǎn)在于攪動焊接工具相對于組件的各部件的移動會導(dǎo)致各部件相對彼此的不期望的運(yùn)動。再一缺點(diǎn)在于在焊接過程中要求攪動焊接工具的移動相對精確，結(jié)果，這個(gè)運(yùn)動通常利用復(fù)雜的機(jī)器，如CNC垂直或多軸銑床來自動操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了與現(xiàn)有技術(shù)中的攪動焊接技術(shù)相關(guān)聯(lián)的一些缺點(diǎn)。尤其是，本發(fā)明解決了與在相對薄壁的肋板和蒙皮片材之間形成攪動焊接的T形接頭相關(guān)的問題。另外，本發(fā)明解決了與在這種組件上形成攪動焊縫時(shí)所需的加工相關(guān)的問題。
在本發(fā)明的第一方面中，攪動焊接T形接頭的方法包括將第一元件組裝到第二元件上并將第一元件攪動焊接到第二元件上。第一元件包括具有相對的第一和第二表面的材料的薄的片狀部分，并還包括對立的約束表面，該約束表面相對于片狀部分的第一表面以一角度取向。第二元件包括一個(gè)肋板，該肋板具有一個(gè)末端邊緣余量(terminal edge margin)。將第一元件組裝到第二元件上包括將第二元件的肋板的邊緣余量與第一元件相接合，使得第二元件的肋板以遠(yuǎn)離第一元件的第一表面的一個(gè)角度延伸，并使得該邊緣余量定位在第一元件的各約束表面之間。攪動焊接包括將攪動焊接工具相對于第一元件的第二表面接合，并在如上所述的第一元件和第二元件彼此組裝的情況下進(jìn)行攪動焊接。在攪動焊接過程中，第一元件的約束表面限制第二元件的邊緣余量相對于第一元件運(yùn)動。
在本發(fā)明另一方面中，攪動焊接方法包括由原料形成第一和第二元件。第一和第二元件之一包括一個(gè)加工部分，該部分形成為相應(yīng)元件的材料的鄰接部分。第一元件包括形成為第一元件的材料的鄰接部分的薄的片狀部分，而第二元件包括形成為第二元件的材料的鄰接部分的肋板。肋板具有末端邊緣余量。該方法還包括利用攪動焊接裝置以形成攪動焊接的T形接頭的方式將第二元件的肋板的邊緣余量攪動焊接到第一元件的片狀部分上。第一和第二元件在攪動焊接過程中通過加工部分固定到攪動焊接裝置上。該方法還進(jìn)一步包括在形成攪動焊接的T形接頭之后將加工部分從第一和第二元件上分離的步驟。
在本發(fā)明的再一方面中，T形接頭包括肋板元件和片狀元件。肋板元件具有相對的第一和第二表面。片狀元件包括材料的薄的片狀部分，該部分具有相對的第一和第二表面，并且片狀元件還包括至少兩個(gè)約束表面，它們相對于片狀部分的第一表面以一角度取向。片狀元件中的至少一個(gè)約束表面與肋板元件的第一表面相接合，并且片狀元件的至少一個(gè)約束表面與肋板元件的第二表面相接合。片狀元件攪動焊接到肋板元件上。
雖然上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)和特征，但是通過參照隨后的附圖和對實(shí)施例的詳細(xì)描述，可以獲得其他特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有薄的片狀部分的第一元件的透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的具有肋板的第二元件的透視圖；
圖3是根據(jù)本發(fā)明組裝到第二元件上的第一元件的透視圖，并在出于解釋本發(fā)明的目的而去除了第一元件的一部分的狀態(tài)下示出；圖4是描繪攪動焊接過程的第一和第二元件的局部橫截面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的第一和第二元件的替代實(shí)施例的局部橫截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的第一和第二元件的再一替代實(shí)施例的局部橫截面圖；所撰寫的說明書中的附圖標(biāo)記標(biāo)識在所有附圖中表示相應(yīng)的零部件。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選方法涉及攪動焊接第一和第二元件。第一元件20和第二元件22彼此獨(dú)立地在圖1和2中示出。第一和第二元件20、22的每一個(gè)優(yōu)選地形成為鄰接材料的單獨(dú)一個(gè)整體元件(monolithic piece)。該材料優(yōu)選地是鋁，但是適于攪動焊接的其他材料，如鋼或塑料，也可以用來替代鋁。
第一元件20優(yōu)選地包括片狀部分24、加工部分26、和多個(gè)突起28。第一元件20的片狀部分24大致為薄壁結(jié)構(gòu)，具有相對的第一和第二表面30、32。片狀部分24也優(yōu)選地為平面的。加工部分26優(yōu)選地包括圍繞片狀部分24的相對剛性的材料環(huán)。加工部分26還優(yōu)選地包括多個(gè)安裝孔34，用來組裝和對齊第一和第二元件20、22。突起28優(yōu)選地是細(xì)長的突起，并優(yōu)選地橫截面為矩形，正如圖4中清楚看出的。突起28優(yōu)選地兩個(gè)一組，并優(yōu)選地從片狀部分24的第一表面30垂直伸出。每對突起28在它們之間形成一個(gè)溝槽36，這個(gè)溝槽局部由突起的相對表面37限定。
第二元件優(yōu)選地包括多個(gè)肋板38、片狀部分40、和加工部分42。如同第一元件20那樣，第二元件22的片狀部分40大致為薄壁結(jié)構(gòu)，具有相對的第一和第二表面44、46，并也優(yōu)選地是平面的。仍然如同第一元件20那樣，第二元件22的加工部分42優(yōu)選地包括圍繞片狀部分40的相對剛性的材料環(huán)，并優(yōu)選地包括多個(gè)安裝孔48，用于組裝和對齊第一和第二元件20、22的相同目的。第二元件22的肋板38從片狀部分40的第一表面44伸出，并優(yōu)選地為薄壁結(jié)構(gòu)，具有相對的第一和第二表面50、52。肋板38優(yōu)選地橫截面為矩形，并優(yōu)選地垂直于片狀部分40延伸，最終終止于邊緣余量54。
第一和第二元件20、22優(yōu)選地各自是利用高速銑床由板材加工而成。然而，應(yīng)理解到諸如模制的其他技術(shù)也可以用來形成第一和第二元件20、22。在高速加工過程中，相應(yīng)元件20、22的加工部分26的安裝孔34、38被用來將元件固定到銑床上。每個(gè)元件的加工部分26、42與相應(yīng)元件的剩余部分相比明顯堅(jiān)固，從而防止在銑削和焊接過程中薄壁結(jié)構(gòu)過渡扭曲。
在形成第一和第二元件20、22之后，然后它們?nèi)鐖D3和4所示那樣相互組裝。第一和第二元件20、22的安裝孔34、48利于各元件的對齊，并也使得各元件利用穿過安裝孔的螺栓彼此固定并固定到攪動焊接裝置(未示出)上。在裝配時(shí)，每個(gè)肋板38的邊緣余量54定位在由第一元件20的突起28所形成的溝槽36之一內(nèi)。每個(gè)溝槽36尺寸定位寬度與相應(yīng)肋板38的第一和第二表面50、52之間的距離相等或僅稍稍比后者寬。由此，可以理解到形成溝槽36的突起28的相對表面37作用為可以接合肋板38的約束表面，從而防止肋板38相對于第一元件20以從左到右的方式平移(參見圖4)。
在第一和第二元件20、22已經(jīng)相互組裝并固定到攪動焊接裝置上之后，它們攪動焊接到一起。優(yōu)選地，用于形成第一或第二元件20、22的同一銑床用作攪動焊接裝置。為了形成一條焊縫，在圖4-6中示意性示出的攪動焊接工具56壓抵到第一元件20的片狀部分24的第二表面32上。在焊接過程中，攪動焊接工具56以它保持與溝槽36和肋板38對齊的方式旋轉(zhuǎn)并移動。攪動焊接工具56的尖端穿過第一元件20中的它與相應(yīng)肋板38的邊緣余量54相接合的片狀部分24(如在圖4中在中間肋板上所示出的)。這導(dǎo)致片狀部分24并也優(yōu)選地導(dǎo)致第一元件20的突起28熔接到肋板38的邊緣余量54上，由此形成攪動焊縫58(如在圖4中最右側(cè)的肋板上所示出的)。在這個(gè)將肋板38焊接到第一元件20上的過程中，突起28防止肋板從攪動焊接工具56偏移開，因?yàn)榉駝t易于發(fā)生這種情況。從而應(yīng)理解到在攪動焊接過程中不需要附加的工具來保持肋板38和第一元件20之間的相對位置。此外，第一和第二元件20、22的加工部分26、42剛性地將各元件彼此固定并固定到攪動焊接裝置上，由此消除了用于此目的的其他工具的需求。
在已經(jīng)完成攪動焊接之后，第一和第二元件20、22的加工部分26、42從被焊接的組件上分離。這優(yōu)選地利用設(shè)置在用于執(zhí)行攪動焊接的同一銑床上的切削工具進(jìn)行。一旦完成這項(xiàng)工作，則組件完工。
圖5示出第一和第二元件的替代實(shí)施例?？偟膩碚f，這個(gè)實(shí)施例具有與參照圖1-4的實(shí)施例所描述的相同的特征。然而，第一元件的突起和第二元件的肋板的邊緣余量具有不同的構(gòu)型，其被構(gòu)造成在攪動焊接過程中進(jìn)一步將第一和第二元件相互固定。主要地說，肋板邊緣余量的橫截面是T形的，而不是矩形的，如同由突起形成的溝槽那樣。這導(dǎo)致在突起上形成閉鎖表面60而在肋板上形成閉鎖表面62，這兩個(gè)閉鎖表面60、62以防止第一元件遠(yuǎn)離第二元件垂直移動(如圖所示)的方式彼此配合。應(yīng)理解到這個(gè)實(shí)施例需要使第一和第二元件被構(gòu)造成在第一和第二元件開始相互組裝的過程中第二元件的肋板可以滑入到第一元件的溝槽中。從而，可以采取如下形式，即這個(gè)實(shí)施例的溝槽所有都彼此平行并且在一端開放，以允許肋板插入其中并在其中滑動。
圖6示出第一和第二元件的另一替代實(shí)施例。如同圖5中所示的實(shí)施例那樣，第一元件的溝槽和第二元件的肋板具有T形橫截面。也是這樣，突起上的閉鎖表面64和肋板38上的閉鎖表面68形成的以防止第一元件遠(yuǎn)離第二元件垂直移動(如圖所示)的方式彼此配合。然而，這個(gè)實(shí)施例的突起還成形為包括一個(gè)凸輪表面68。這個(gè)凸輪表面68相對于第一元件的片狀部分的第一表面對齊。形成溝槽的一對突起中的每個(gè)突起都具有這種凸輪表面68，即，隨著該對突起的凸輪表面朝向第一元件的片狀部分延伸而一個(gè)突起中的凸輪表面向該對突起中另一個(gè)突起的凸輪表面會聚。凸輪表面68構(gòu)造成允許第一和第二元件通過將肋板(如圖所示垂直地)卡入溝槽中而相互初始組裝。隨著肋板插入到溝槽內(nèi)，肋板的邊緣余量接合凸輪表面68，該凸輪表面68由于它們的傾斜構(gòu)型而產(chǎn)生一個(gè)與溝槽分開相關(guān)聯(lián)的使得突起分散開的力。該突起被形成為可彈性偏移，使得突起可以分散開到足以允許肋板的T形邊緣余量在它們之間穿過，并使得在肋板的閉鎖表面66穿過突起的閉鎖表面64時(shí)突起將朝向彼此移動回來。由此，如圖5中所示的實(shí)施例不同，第二元件的肋板不必是平行的。還應(yīng)理解到的是假設(shè)肋板不平行，則在將肋板卡入溝槽中時(shí)，第一元件將相對于第二元件被完全約束。從而，在攪動焊接過程中，不再需要進(jìn)一步固定將第一和第二元件固定到一起的工具。
雖然本發(fā)明已經(jīng)足夠詳細(xì)地加以描述以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可以實(shí)施本發(fā)明，但是應(yīng)理解到在上述描述中所包含的或者在附圖中所示出的所有事項(xiàng)意圖在于作為示例解釋本發(fā)明，而不在于限制的含義，在不背離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍的前提下，可以采用該裝置和方法的各種改進(jìn)和變型。例如，可以理解到并非實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選方法中的所有步驟都是每個(gè)權(quán)利要求所必須的。因此，通過這些變型和改進(jìn)，應(yīng)該理解到本發(fā)明的其他方法和裝置。
此外，應(yīng)理解到在權(quán)利要求中介紹本發(fā)明的元件時(shí)或者在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的描述中介紹元件時(shí)，術(shù)語“包括”、“包含”以及“具有”目的是開放式的，并且意味著可以存在所列出的元件之外的附加元件。類似地，對于在權(quán)利要求中使用術(shù)語“部分”或修改中添加術(shù)語“部分”，這個(gè)術(shù)語應(yīng)被理解為意味著它所定量的物品或元件的一些或全部。
權(quán)利要求
1.一種攪動焊接T形連接的方法，包括將第一元件組裝到第二元件上，第一元件包括材料的薄的片狀部分，其具有相對的第一和第二表面，且第一元件還包括相對的約束表面，該約束表面相對于片狀部分的第一表面以一定角度取向，第二元件包括具有末端邊緣余量的肋板，組裝包括將第二元件的肋板的邊緣余量與第一元件相接合，使得第二元件的肋板以遠(yuǎn)離第一元件的第一表面的角度延伸，并且使得邊緣余量定位在第一元件的約束表面之間；以及通過將攪動焊接工具接合在第一元件的第二表面上來將第一元件攪動焊接到第二元件上，攪動焊接在第一和第二元件根據(jù)前面將第一元件組裝到第二元件上的步驟而彼此組裝的前提下發(fā)生，在攪動焊接過程中第一元件的約束表面限制第二元件的邊緣余量相對于第一元件移動。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一和第二元件各自形成為鄰接材料的單獨(dú)的整體元件，其中，第一和第二元件中的一個(gè)包括形成它的整體元件的一部分的加工部分，該方法還包括在將第一元件攪動焊接到第二元件上的過程中通過加工部分將第一和第二元件固定到攪動焊接裝置上，以及在將第一元件攪動焊接到第二元件上之后將加工部分從第一和第二元件上去除。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，加工部分形成第二元件的整體元件的一部分，并在從第一元件和第二元件分離之前形成圍繞第二元件的肋板的環(huán)。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，加工部分構(gòu)成第一加工部分，該第一加工部分形成第一和第二元件中的一個(gè)的整體元件的一部分，并且第一和第二元件中的另一個(gè)包括第二加工部分，該第二加工部分形成其整體元件的一部分，該方法還包括在將第一元件攪動焊接到第二元件上步驟的過程中通過第一和第二加工部分將第一和第二元件相互固定，以及在將第一元件攪動焊接到第二元件上之后，將第二加工部分從第一和第二元件上去除。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一元件的約束表面彼此平行地延伸，并在它們之間形成溝槽，組裝的步驟還包括將第二元件的肋板的邊緣余量插入到第一元件的溝槽中。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，第一元件還包括一對閉鎖表面，該對閉鎖表面與第一元件的片狀部分的第一表面相對，第一元件的約束表面定位在閉鎖表面和第一表面之間，且肋板具有相對的第一和第二表面，肋板的邊緣余量包括一對閉鎖表面，肋板的第一和第二表面定位在肋板的閉鎖表面之間，另外，組裝的步驟還包括將第一元件的閉鎖表面與第二元件的閉鎖表面以限制肋板遠(yuǎn)離第一元件的第一表面移動的方式彼此嚙合。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，組裝的步驟還包括隨著第二元件的肋板的邊緣余量插入到第一元件的溝槽中，彈性偏移第一元件的閉鎖表面彼此遠(yuǎn)離，并使允許第一元件的閉鎖表面彼此朝向地彈性移動，使得第二元件的肋板的閉鎖表面定位在第一元件的閉鎖表面和第一元件的片狀部分之間。
8.一種攪動焊接的方法，包括由原料形成第一和第二元件，第一和第二元件中的一個(gè)包括加工部分，該加工部分形成為相應(yīng)元件的材料的鄰接部分，第一元件包括薄的片狀部分，該盤狀部分形成為第一元件的材料的鄰接部分，第二元件包括肋板，該肋板形成為第二元件的材料的鄰接部分，肋板具有末端邊緣余量；利用攪動焊接裝置將第二元件的肋板的邊緣余量攪動焊接到第一元件的片狀部分上，使得形成攪動焊接的T形接頭，第一和第二元件在攪動焊接過程中通過加工部分固定到攪動焊接裝置上；以及在形成攪動焊接的T形接頭之后，將加工部分與第一和第二元件分離。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，形成第一元件以第一元件的片狀部分具有相對的第一和第二表面的方式進(jìn)行，第一元件還包括相對的約束表面，該約束表面相對于片狀部分的第一表面以一定角度取向，且利用攪動焊接裝置將第二元件的肋板的邊緣余量焊接到片狀部分上的步驟還包括將肋板的邊緣余量定位在第一元件的約束表面之間，使得約束表面限制肋板和片狀部分之間的相對運(yùn)動。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，第一元件的相對的約束表面彼此平行地延伸，并在它們之間形成溝槽，且利用攪動焊接裝置將第二元件的肋板的邊緣余量攪動焊接到片狀部分上的步驟還包括將第二元件的肋板的邊緣余量插入到第一元件的溝槽中。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，形成第一和第二元件的步驟還包括在第一元件上形成一對閉鎖表面，該閉鎖表面與片狀部分的第一表面相對，第一元件的約束表面定位在閉鎖表面和第一表面之間，并且肋板形成有相對的第一和第二表面，并在其邊緣余量上形成一對閉鎖表面，肋板的第一和第二表面定位在肋板的閉鎖表面之間，再者，利用攪動焊接裝置將第二元件的肋板的邊緣余量攪動焊接到第一元件的片狀部分上的步驟還包括將第一元件的閉鎖表面與第二元件的閉鎖表面以限制肋板遠(yuǎn)離第一元件的第一表面移動的方式嚙合。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，利用攪動焊接裝置將第二元件的肋板的邊緣余量攪動焊接到第一元件的片狀部分上的步驟還包括隨著第二元件的肋板的邊緣余量插入到第一元件的溝槽中彈性偏移第一元件的閉鎖表面使之彼此遠(yuǎn)離，并且允許第一元件的閉鎖表面相互朝向地移動，使得第二元件的肋板的閉鎖表面定位在第一元件的閉鎖表面和第一元件的片狀部分之間。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，在加工元件從第一和第二元件上分開之前加工部分形成圍繞第二元件的肋板的環(huán)。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，加工部分構(gòu)成第一和第二元件中的一個(gè)的第一加工部分，并且第一和第二元件中的另一個(gè)包括第二加工部分，該第二加工部分形成其材料的鄰接部分，該方法還包括在利用攪動焊接裝置將第二元件的肋板的邊緣余量攪動焊接到第一元件的片狀部分上的步驟的過程中，將第一和第二元件通過第一和第二加工部分相互固定，并且在形成攪動焊接的T形接頭之后將第二加工部分從第一和第二元件上分離。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括將第一和第二元件通過第一和第二加工部分相對彼此對齊的步驟。
16.一種T形接頭，包括具有相對的第一和第二表面的肋板元件；以及片狀元件，片狀元件包括具有相對的第一和第二表面的材料的薄的片狀部分，并還包括至少兩個(gè)約束表面，該約束表面相對于片狀部分的第一表面以一定角度取向，片狀元件的至少一個(gè)約束表面與肋板元件的第一表面相接合，而片狀元件的至少一個(gè)約束表面與肋板的第二表面相接合，片狀元件攪動焊接到肋板元件上。
17.如權(quán)利要求16所述的T形接頭，其中，片狀元件的相對的約束表面彼此平行，并在它們之間形成溝槽，且肋板元件的一部分定位在溝槽之內(nèi)。
18.如權(quán)利要求16所述的T形接頭，其中，片狀元件還包括一對閉鎖表面，該對閉鎖表面與片狀部分的第一表面相對，片狀元件的約束表面定位在閉鎖表面和片狀元件的第一表面之間，肋板元件包括一對閉鎖表面，肋板元件的該閉鎖表面定位在片狀元件的閉鎖表面和片狀元件的第一表面之間。
19.如權(quán)利要求18所述的T形接頭，其中，片狀元件還包括一對凸輪表面，片狀元件的每個(gè)閉鎖表面定位在凸輪表面之一和片狀部分之間，凸輪表面以凸輪表面隨著其朝向片狀元件的片狀部分延伸而朝向彼此會聚的方式取向。
20.如權(quán)利要求16所述的T形接頭，其中，肋板元件相對于片狀元件的片狀部分的第一表面垂直延伸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種攪動焊接T形接頭的方法，其包括組裝并攪動焊接第一和第二元件。第一元件包括材料的片狀部分，并還包括約束表面。第二元件包括肋板。肋板在肋板的邊緣余量定位于第一元件的約束表面之間的同時(shí)攪動焊接到片狀部分上，在攪動焊接過程中，第一元件的約束表面限制肋板相對于第一元件的運(yùn)動。加工部分優(yōu)選地形成為第一和第二元件中一個(gè)的材料的鄰接部分。第一和第二元件在攪動焊接過程中經(jīng)由加工部分固定到攪動焊接裝置上。該方法還包括在形成攪動焊接的T形接頭之后，將加工部分從第一和第二元件上分離的步驟。
文檔編號B23K103/10GK1575907SQ20041003332
公開日2005年2月9日 申請日期2004年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月17日
發(fā)明者基思·A·揚(yáng), 約翰·A·鮑曼, 凱文·G·韋馬克 申請人:波音公司