用于將加強件摩擦攪拌焊接在飛行器面板上的改善方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于將加強件（22）的凸緣（26）線性透明摩擦攪拌焊接（FSW）至用于飛行器的至少一個面板（24）上的方法，其中，焊縫（90）沿著加強件的所述凸緣（26）形成，并且焊縫在橫截面從加強件凸緣（26）的第一側邊緣（32a）延伸至相對的第二側邊緣（32b）。用于施行以上焊接方法的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括布置為三角形的三個焊頭（54a，54b），三個焊頭中的每一者均包括旋轉銷（66a，66b）和在所述旋轉銷的基部處延伸的肩部（74a，74b）。
【專利說明】用于將加強件摩擦攪拌焊接在飛行器面板上的改善方法和系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及將加強件固定在飛行器面板特別是飛機面板上。
[0002]根據本發(fā)明涉及的面板可以是機身面板、翼面面板或者尾翼面板、也或者是形成儲存箱或者起落架艙的一部分的面板、或者任何其他類型的面板。
[0003]固定至這些面板的加強件可以具體是機身周向框架、機身縱向桁架或者加強件、機翼表面或者尾翼加強桿或者肋狀物、地板橫向構件或地板梁等。
【背景技術】
[0004]在飛行器中加強件至面板上的固定通常通過鉚接實現(xiàn)。
[0005]為了減少用于固定加強件至對應面板上的時間和操作成本，設想了特別地包括所謂的摩擦攪拌焊接技術的另一技術。
[0006]通常，稱為摩擦攪拌焊接(FSW)的技術已知用于以至少等同于使用常規(guī)鉚釘接合達到的效率的效率來制成允許力在所裝配的部件之間傳遞的快速持久的機械接合。
[0007]在圖1中示意性示出的該技術使用包括至少一個焊頭10的焊接裝置，該至少一個焊頭10包括旋轉銷12、和肩部14，該肩部14延伸至旋轉銷12的基部并且具有通常等于該旋轉銷12的平均直徑的2至2.5倍的直徑。
[0008]兩個部件16a、16b的摩擦攪拌焊接涉及在兩個部件16a、16b之間的接合面18處將旋轉銷12引入至兩個部件中，直到肩部14與部件16a、16b中的每個的表面進行接觸為止。旋轉銷12至構成部件16a、16b的材料中的引入通過該材料的由于旋轉銷12針對兩個部件16a和16b的摩擦產生的熱量而產生的局部軟化而成為可能。在旋轉銷12的周圍的部件16a、16b的材料的面團樣狀態(tài)允許該旋轉銷沿著接合面18移動。旋轉銷12的轉動以及在適當?shù)那闆r下肩部14的轉動引起處于在面團樣狀態(tài)的材料的攪拌。
[0009]通過旋轉銷12引起的擠壓和通過肩部14產生的鍛造效果因此逐漸地導致焊縫的形成。該焊縫表現(xiàn)為兩種材料所共有的由于恢復再結晶現(xiàn)象而形成的新金相結構的形式，其中，該金相結構因此保證在冷卻后兩個部件16a、16b的良好結合。
[0010]如在圖2中示意性地示出的，通過使用反模板20，反壓力施加在部件16a、16b中的每個的與焊頭10相反的面上，以抵消通過旋轉銷12施加的壓力。這種反模板有時結合了允許通過摩擦產生的熱的一部分被移除的冷卻裝置。這通常提高部件在焊接后的機械特性。這種冷卻裝置表現(xiàn)為例如下述通道21的形式:該通道21結合在反模板20中并且傳熱流體在通道21中流動。
[0011]該摩擦攪拌焊接技術允許實現(xiàn)所謂的“對接焊接”，如在圖1和圖2中示出的，在該對接焊接中，其中，旋轉銷12的軸線局部地平行于要被裝配的部件之間的接合面。
[0012]該技術還允許實現(xiàn)所謂的“透明焊接”，在該透明焊接中，旋轉銷12的軸線局部地平行于待裝配的部件之間的接合面。在該情況下，待裝配的部件中的一個被插入焊頭與待裝配的另一個部件之間。[0013]摩擦攪拌焊接技術特別具有在待裝配的部件的組成材料的熔點之下實現(xiàn)的優(yōu)點，這特別地避免了與經常與其他焊接技術同時出現(xiàn)的重新固化相關的問題。
[0014]該技術另外提供不需要任何填充物材料和不引起任何污染煙霧散發(fā)的優(yōu)點。
[0015]此外，焊接裝置沿著待裝配的部件的接合面移動時的速度可以達到每分鐘2米，使得該焊接技術允許使部件快速地并且以降低的成本裝配。
[0016]該焊接技術另外提供高度自動化水平的可能性。
[0017]然而，將該焊接技術應用到加強件組件和到飛行器面板造成了問題。
[0018]實際上，在加強件和飛行器面板的常規(guī)裝配中，通常在加強件與面板之間設置一層膠泥，以特別提供這些元件之間的密封并且因此限制這些元件的腐蝕風險，并且還為了使由加強件與飛行器面板之間的振動導致的耗損現(xiàn)象最小化。
[0019]在摩擦攪拌焊接技術的情況中，盡管振動問題可能比鉚接組裝方法遭遇的問題較不明顯，但另一方面關于裝配的部件之間的密封問題仍存在。
[0020]該密封問題在圖3、圖3a、圖3b中示出。
[0021]圖3是通過已知類型的透明摩擦攪拌焊接方法固定至飛行器機身面板24的周向框架22的縱向截面的局部示意圖，其中，沒有使用裝配的部件中設置的膠泥。
[0022]圖3a以放大比例示出了在使用相對靠近周向框架22的腹板30的兩個焊縫28進行焊接的情況中，周向框架22的凸緣26和機身面板24的接合。
[0023]圖3b是類似于圖3a的視圖，其中，示出了使用相對地遠離周向框架22的腹板30的并且分別地接近該周向框架22的凸緣26的相對邊緣32a和32b的兩個焊縫28的焊接情況。
[0024]在兩種情況中，裝配的方法沒有阻止微型腔34的出現(xiàn)，出于清楚的目的，在這些圖中微型腔34的尺寸被夸大。廣泛地稱為“腐蝕圈套”的該微型腔允許濕氣穿入部件之間的接合點并且因此促進這些部件的腐蝕。
[0025]在摩擦攪拌焊接的情況中，在加強件與飛行器面板之間插入一層膠泥是不理想的，這是由于膠泥與組成加強件和面板的材料在焊接期間混合，從而導致焊接組件的結構質量降低。
[0026]該問題當要焊接的凸緣的寬度比旋轉銷的足印的寬度更大——即，比旋轉銷的直徑更大一時，并且特別當凸緣的寬度比旋轉銷的兩倍直徑更大時自然地發(fā)生。

【發(fā)明內容】

[0027]本發(fā)明的一個目的是特別地提供針對該問題的一種簡單、經濟并且有效的解決方案。
[0028]本發(fā)明的目的在于特別提供一種用于將加強件焊接至飛行器面板上的方法，該方法具有摩擦攪拌焊接在裝配質量、速度和低成本方面的優(yōu)點，同時使裝配部件的腐蝕風險最小化以及同時允許這些部件保持其最佳結構屬性。
[0029]為此目的，本發(fā)明提出一種用于將加強件的凸緣焊接至至少一個飛行器面板上的線性透明摩擦攪拌焊接(FSW)方法，在該方法中使用至少一個旋轉銷沿著所述加強件凸緣形成焊縫，并且在該方法中，所述加強件的所述凸緣的寬度比所述旋轉銷的最大直徑更大。
[0030]根據本發(fā)明，所述焊縫在橫截面方面從所述加強件凸緣的第一所述側邊緣延伸至第二相對側邊緣。
[0031]術語“最大直徑”必須要理解為意味著在銷最寬的地方處測量銷的橫截面的直徑。該銷實際上擁有下述形式:以此形式使得其橫向截面的直徑變化，例如圓錐筒形形式或者圓錐形形式。
[0032]根據本發(fā)明的方法實際上在加強件的凸緣的寬度比旋轉銷的最大直徑更大時，特別當加強件凸緣的寬度比旋轉銷的兩倍最大直徑更大時是有用的。
[0033]根據本發(fā)明的焊接方法防止在加強件凸緣與面板之間出現(xiàn)微型腔，因此降低了這些部件的腐蝕風險。
[0034]該方法因此還去除了在加強件凸緣與面板之間置入一層膠泥的需要，并且因此避免在摩擦攪拌焊接技術中背景下使用這種膠泥層所固有材料的污染問題。
[0035]這意味著加強件凸緣優(yōu)選地直接壓靠該面板。
[0036]因此可以優(yōu)化由于根據本發(fā)明的方法獲得的組件的結合。
[0037]總的來說，本發(fā)明因此提供一種使用用于裝配加強件和用于飛行器的面板的摩擦攪拌焊接技術的優(yōu)化方法。
[0038]本發(fā)明因此提供摩擦攪拌焊接技術固有的、特別是在速度方面和自動化可能性方面的優(yōu)點。
[0039]根據本發(fā)明的方法涉及的加強件通常包括腹板，該腹板連接至加強件凸緣并且正交于該凸緣、或者以相對于所述凸緣傾斜的方式一例如在加強件要并入飛行器的鼻錐體或者尾錐體的情況中-延伸。
[0040]根據本發(fā)明的方法總體上包括將加強件凸緣應用到所述面板的第一表面上和將至少一個焊頭應用至所述面板的與第一所述表面相對的第二表面上，并且沿著該加強件凸緣移動該焊頭使得通過摩擦產生熱并且因此從該凸緣的第一側邊緣至第二側邊緣局部地弓I起形成面板的材料和形成加強件凸緣的材料的軟化。
[0041]該方法自然地包括將反支承裝置應用至加強件凸緣上以抵消通過前述焊頭施加的壓力。下面將更詳細地在描述該反支承裝置的示例。
[0042]因為根據本發(fā)明的焊接方法涉及透明焊接，因此焊縫從面板的所述第二表面起始沿著厚度方向延伸。此外，為了在焊接方法結束時提高加強件凸緣的結構同質性，焊縫優(yōu)選地在加強件凸緣的厚度的主要部分上延伸。
[0043]該加強件凸緣可以接合地焊接至兩個相鄰面板。
[0044]該方法因此接合地執(zhí)行兩個面板之間的對接焊接和加強件凸緣至面板的相應相鄰部分的透明焊接。
[0045]概括地說，所述面板可以是機身面板并且所述加強件可以是周向框架或者該周向框架或成角度的部段。
[0046]在該情況中，每個焊頭的移動是沿著彎曲軌跡完成的。
[0047]這種周向框架的凸緣呈現(xiàn)為例如圓筒回轉形形式或者回轉圓筒的一部分的形式。
[0048]在該情況下，每個焊頭的移動總體上沿著定中心在由所述機身面板限定的機身軸線上的、圓形的、或者圓的弧形的軌跡實現(xiàn)。
[0049]用于飛行器的機身面板具有:外表面，該外表面限定為設計成位于飛行器的外側上的表面并且在飛行中通過沿著機身流動的相對空氣流沖洗；和內表面，該內表面位于相反側。前述的周向框架自然地焊接至機身面板的內表面上。
[0050]在涉及將這種周向框架焊接至兩個相鄰機身面板上的方法的情況中，在該方法的結尾產生的接合是被廣泛稱為“軌道接合”的類型。
[0051]可替代地，所述加強件可以是縱向加強件，也被稱為是桁梁。
[0052]在該情況下，特別當機身面板是要用于機身部段的位于飛行器的鼻錐體和機身末端之間的長度，每個焊頭的移動可以沿著基本為直線的軌跡實現(xiàn)。
[0053]在另一可替代的實施方式中，面板可以是飛行器的機翼表面元件的航空動力學面板比如飛行器機翼或者尾翼組件。
[0054]在該情況下，所涉及的加強件可以是飛行器的這種元件的加強桿或者肋部。
[0055]在又一個可替代實施方式中，面板可以是形成飛行器的地板的一部分的面板，在該情況下，加強件可以是支承該地板或者用于導向座椅配裝至該地板上的扶手的橫梁。
[0056]在又一個可替代實施方式中，該面板可以形成飛行器起落架外殼的一部分或者形成飛行中的存儲箱的基部。
[0057]總的來說，根據本發(fā)明的方法優(yōu)選地包括焊接系統(tǒng)的使用，該焊接系統(tǒng)包括多個焊頭，這些焊頭中的每一者包括旋轉銷和在旋轉銷的基部延伸的肩部，并且該焊接系統(tǒng)還包括反支承表面。
[0058]在該情況中，該方法包括由所述旋轉銷的摩擦引起的熱量造成的形成面板的材料和形成加強件凸緣的材料的局部軟化所允許的，一方面將所述焊頭的相應旋轉銷插入至所述面板和所述加強件凸緣中，然后沿著焊接方向沿著所述加強件凸緣移動所述焊頭。
[0059]另一方面，與旋轉銷的插入和移動相結合地，該過程包括將反支承單元的支承表面應用至加強件凸緣上以便抵消通過所述旋轉銷施加的壓力。
[0060]焊頭的相應旋轉銷優(yōu)選地沿著正交于焊接方向和旋轉銷中的每一者的旋轉軸線的方向相互偏移。
[0061]優(yōu)選地，通過所述焊頭的所有相應旋轉銷形成的足印在橫截面方面從加強件凸緣的第一側邊緣延伸至第二側邊緣。
[0062]術語“基本上”要理解為意味著足印從加強件凸緣的每個側邊緣延伸少于0.2mm的距離。
[0063]這保證在方法結束時獲得的焊縫自身沿著橫截面從加強件凸緣的第一側邊緣延伸至第二側邊緣。
[0064]術語“足印”要理解為意味著通過將旋轉銷插入至該材料中在該材料中會產生的痕跡，而與由所述銷的旋轉引起的任何攪拌現(xiàn)象無關。
[0065]應注意的是每個焊頭的肩部可以是靜止的或者旋轉的。在最后情況中，該肩部的旋轉方向可以與相同的焊頭的旋轉銷的方向相同，或者可以以眾所周知的“Delta N”構型與所述旋轉銷的旋轉方向相反。
[0066]優(yōu)選地，旋轉銷中的每個均從凸緣的位于遠離焊頭的那一側上的表面穿入加強件的凸緣中的深度達0.2mm至0.5mm。
[0067]這降低了旋轉銷與反支承裝置進行接觸的風險，如在下面將變得更清楚。
[0068]在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述多個焊頭包括布置為三角形構型的三個焊頭。
[0069]焊頭的這種構型特別有利地適合覆蓋飛行器加強件凸緣的整個寬度的焊縫的形成。
[0070]在該情況下，所述多個焊頭優(yōu)選地包括相對于正交于焊接方向的給定平面定中心的兩個側部焊頭，和相對于所述側部焊頭的每一個沿著所述焊縫方向偏移的中心焊頭。
[0071]術語“焊接方向”要理解為意味著正交于每個焊頭所遵循的總的軌跡的方向。這種方向基本正交于每個前述旋轉銷的旋轉軸線。
[0072]優(yōu)選地，中心焊頭的旋轉銷的沿著焊接方向的投影與側部焊頭的相應旋轉銷相交。
[0073]該特性保證在一方面的中心焊頭的旋轉銷的足印與另一方面?zhèn)炔亢割^的相應旋轉銷的相應足印之間一定程度的疊。這特別優(yōu)化焊縫的同質性
[0074]在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述焊頭中的第一焊頭定位成面向加強件的腹板，而另外兩個焊頭相對于所述加強件腹板偏移，并且所述第一焊頭的旋轉銷并不如其他兩個焊頭的相應旋轉銷那樣深入地穿入至所述加強件凸緣中。
[0075]該構型減小對加強件的位于接近加強件的腹板的關鍵結構部件的損壞的風險。
[0076]特別地，所述第一焊頭可以是所述中心焊頭。
[0077]該構型當加強件包括相對于該加強件的凸緣基本在中心的腹板時是特別適合的。
[0078]在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述焊縫沿著下述方向移動:以此方向移動使得所述中心焊頭布置在所述側部焊頭的后方。
[0079]概括地說，在這些焊頭允許獲得覆蓋涉及的加強件凸緣的整個寬度的焊縫的范圍內，焊頭的其他構型能夠用于施行根據本發(fā)明的焊接過程。
[0080]另外，該反支承單元的所述支承表面有利地由承載在反支承單元上并且通過靠著加強件凸緣滾動而移動的兩個夾緊輥子聯(lián)合地形成。
[0081]總之，這種夾緊輥子特別提供能夠合并簡單設計地低成本熱交換裝置允許在焊接期間使加強件和面板有效地冷卻。
[0082]可替代的，在所有都不離開本發(fā)明的范圍的情況下，這種冷卻可以通過噴灑冷卻劑在焊接區(qū)域上——例如通過出于此目的設置的附加自動機械裝置——，或者通過將整個焊接裝置沉浸在填充有熱交換流體的箱中來實現(xiàn)。
[0083]這些夾緊輥子中的每一者有利地具有壓靠該加強件凸緣的對應邊緣的肩部。
[0084]另外，這些夾緊輥子優(yōu)選地將加強件的腹板夾在中間。
[0085]可替代的，在所有都不離開本發(fā)明的范圍的情況下，反支承單元的支承表面可以由靜止部件形成，又稱為反形體。
[0086]本發(fā)明還涉及用于施行以上描述的類型的焊接過程的焊接系統(tǒng)并且該焊接系統(tǒng)包括布置為三角形的三個焊頭，這些焊頭中每一者均包括旋轉銷和在旋轉銷的基部延伸的肩部。
[0087]自然地，該系統(tǒng)展示了以上描述的關于根據本發(fā)明的過程的優(yōu)點，并且更加可以展示以上描述的一個或多個優(yōu)選特征。
[0088]可替代的，其他類型的焊接系統(tǒng)可以用于實施以上描述類型的焊接過程。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0089]通過閱讀下面的僅作為示例給出并不限制的描述同時參照附圖，將更容易地明白本發(fā)明并且本發(fā)明的細節(jié)、優(yōu)點和特征的其他方面將變得明顯。其中:
[0090]-已經描述過的圖1是通過摩擦攪拌焊接技術而被對接焊接的兩個部件的局部立體示意圖；
[0091]-已經描述過的圖2是通過摩擦攪拌焊接技術而被對接焊接的兩個部件的立體示意圖，也示出了用于支承兩個部件的反模板；
[0092]-已經描述過的圖3是通過使用已知類型的摩擦攪拌焊接技術固定至飛行器機身面板上的周向框架的縱向截面示意圖；
[0093]-圖3a是示出了圖3的細節(jié)IIIa的放大比例的視圖；
[0094]-圖3b是類似于圖3a的、使用另一種眾所周知類型的摩擦焊接技術固定至飛行器機身面板上的周向框架的視圖；
[0095]-圖4是包括根據本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的用于飛行器周向框架和機身面板的組件的若干焊接系統(tǒng)的焊接裝置的示意性側視圖；
[0096]-圖5是圖4的焊接裝置的沿圖4的平面V-V截取的橫截面示意圖，其中，示出了屬于該焊接裝置的焊接系統(tǒng)；
[0097]-圖6是圖5中的焊接系統(tǒng)的、放大比例的并且沿圖5的平面V1-VI截取的縱向截面中的局部示意圖；
[0098]-圖7是圖5的沿圖5的平面VI1-VII截取的部分的放大比例的示意圖圖；
[0099]-圖8是飛行器機身面板和固定至飛行器機身面板的兩個周向框架的局部立體示意圖，其中，示出了焊頭的在該面板上的通道；
[0100]-圖9是包括根據本發(fā)明的另一個實施方式的焊接系統(tǒng)的焊接裝置的局部示意性側視圖；
[0101]-圖10是包括根據本發(fā)明的又一個實施方式的焊接系統(tǒng)的焊接裝置的局部示意側視圖。
[0102]在所有這些附圖中，相同的附圖標記能夠標示相同的或者類似的元件。
【具體實施方式】
[0103]圖4示出根據本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的設計成實施用于將周向框架裝配至飛行器機身面板上的透明摩擦攪拌焊接方法的摩擦攪拌焊接裝置40的總圖。
[0104]圖4特別地示出五個周向框架22，該五個周向框架22中的每一個例如通過分別地穿過周向框架22中的兩個中心孔的兩個中心銷44均固定至支承件42，其中，周向框架22可以例如通過與中心銷44聯(lián)動的銷而被保持。
[0105]由飛行器機身面板24形成的蒙皮應用于周向框架22中的每個的凸緣26的外表面上。
[0106]另外，四個焊接系統(tǒng)46并排地布置成與保持周向框架22和機身面板24的支承件42相對。出于清楚的目的，四個焊接系統(tǒng)46示出為關于周向框架22縱向地偏移，但是在該焊接裝置40的操作期間，焊接系統(tǒng)46中的每個設置成基本地面向對應的周向框架22。
[0107]圖5示出沿圖4的平面V-V截取的焊接裝置40并且因此示出從這一側觀察的這些焊接系統(tǒng)46中的一個。
[0108]該焊接系統(tǒng)46總體上包括焊接單元48和反支承單元50，該焊接單元48和該反支承單元50彼此相對地設置在承載支承周向框架22和機身面板24的支承件42的兩側。
[0109]焊接單元48表現(xiàn)為自動機械裝置的形式，該自動機械裝置在機械臂52的一端處包括設置有多個焊接頭的焊接裝置54，如在下面將變得更清楚的。
[0110]焊接單元48設計成特別地允許焊接裝置54在圖5的平面中沿著周向框架22、以與機身面板24相切的局部焊接方向56移動。
[0111]焊接單元48另外設計成允許焊接裝置54沿著該焊接裝置的焊頭的各個旋轉銷穿透形成機身面板24和周向框架22的材料的方向移動，如在下面將變得更清楚。該穿透方向由箭頭57表示并且平行于形成了圖5的平面和能夠在圖5中看到的平面V1-VI的交線。通過限定，該穿透方向57垂直于機身面板24的外表面并且因此直交于前述的焊接方向56。
[0112]反支承單元50也表現(xiàn)為配備有機械臂58的自動機械裝置的形式。該機械臂58具有配備有布置在周向框架22的腹板30的兩側的兩個支承臂60的末端，其中，這些支承壁60中的僅一個在圖5中可見。這些支承臂60各自保持夾緊輥子62和導引輥子64，如在下面將變得更清楚的。
[0113]圖6更詳細地示出用于通過使用焊接裝置40來實施摩擦攪拌焊接方法的主要元件。
[0114]如在該圖6中示出的，焊接裝置54包括布置為三角形的三個焊頭(圖6)。這些焊頭分布為兩個側部焊頭54a和一個中心焊頭54b，其中中心焊頭54b相對于側部焊頭54a朝向后方(沿著焊接方向56限定為后方)偏移，如在圖7中更清楚地示出。
[0115]三個前述焊頭54a、54b中的每個均包括旋轉銷66a、66b(圖6和圖7)，旋轉銷66a、66b圍繞旋轉軸線68a、68b旋轉，旋轉軸線68a、68b基本正交于焊接方向56并且因此也基本垂直于機身面板24的外表面70和內表面72。三個焊頭54a、54b中的每個均還包括形成在對應的旋轉銷66a、66b的基部處的肩部74a、74b。所述肩部74a、74b能夠以本身已知的方式沿著與對應旋轉銷66a、66b的旋轉方向相同或者相反的方向旋轉、或者甚至靜止。每個
旋轉銷66a、66b具有整體上漸縮的形式,使得每個旋轉銷的橫截面在旋轉銷的自由端-
SP,與對應肩部74a、74b相反那側-的方向上縮小。對每個旋轉銷，最大直徑Dmax (圖
7)限定為旋轉銷的在旋轉銷最寬處的橫截面的直徑，該最大直徑Dmax在旋轉銷的靠近相應的肩部74a、74b的基部處。
[0116]自然地，焊接單元48包括允許旋轉銷66a、66b旋轉、以及在適當?shù)那闆r下允許肩部74a、74b旋轉的驅動馬達裝置。
[0117]前述焊頭的相應肩部74a、74b在相同平面中延伸。這些肩部74a、74b可以因此同時地按壓至機身面板24的外表面70上，如在圖6和圖7中示出的。
[0118]側部焊頭54a的相應旋轉銷66a具有比機身面板24和機身框架22的凸緣26的累計厚度略小的高度。這些旋轉銷66a的高度與機身面板24和凸緣26的累計厚度之間的差通常達到十分之幾毫米的程度，優(yōu)選地在0.2mm與0.5mm之間。術語旋轉銷的“高度”自然地指的是其沿著其旋轉軸線的長度。
[0119]此外，中心焊頭54b的旋轉銷66b具有比側部焊頭54a的相應旋轉銷66a的高度更小、但是比機身面板24的厚度更大的高度。一方面的旋轉銷66b與另一方面的旋轉銷66a在高度上的差通常大約達到十分之幾毫米的程度，優(yōu)選地在0.2mm與0.5mm之間。
[0120]概括地說，三個旋轉銷66a、66b布置成使得中心焊頭54b的旋轉銷66b的垂直于平面P (圖7)的投影與這些旋轉銷66a相交(圖6)，所述平面P在側部焊頭54a的所述相應旋轉銷66a的相應旋轉軸線68a的方向上穿過側部焊頭54a的所述相應旋轉銷66a的相應旋轉軸線68。另外，由三個旋轉銷66a、66b形成的組件的寬度基本等于周向框架22的凸緣26的寬度。這保證了使用焊接單元得到的焊縫實現(xiàn)覆蓋前述凸緣26的整個寬度，這在下面將變得更清楚。
[0121]圖6另外示出支承臂60中的每個的端部，該端部包括通過支承臂60承載的夾緊棍子62和導引棍子64。
[0122]每個夾緊輥子62安裝成使得其圍繞旋轉軸線76在對應支承臂60上旋轉，旋轉軸線76還形成用于輥子的幾何回轉的軸線。
[0123]夾緊輥子62具有設計成分別地抵靠著周向框架22的腹板30的兩側施用的相應側壁78。以此方式，如在圖6中示出的，周向框架22的腹板30可以夾在夾緊輥子62的相應側壁78之間。因此，反支承單元50的機械臂58包括用于操作支承臂60的裝置，該裝置能夠引起每個支承臂60朝向另一個支承臂60移動并因此使所述夾緊輥子62朝向彼此移動。
[0124]每個夾緊輥子62另外具有主周向軌道80，該主周向軌道80為圓筒形形式并且圍繞旋轉軸線76轉動，該主周向軌道80從夾緊輥子62的側壁78延伸并且設計成壓靠周向框架22的凸緣26的內表面，如在圖6中示出的。
[0125]每個夾緊輥子62的側壁78通過彎曲周向部81連接至對應主周向軌道80，彎曲周向部81設計成抵靠將周向框架22的腹板30的對應側連接至周向框架22的凸緣26的彎曲表面安裝。
[0126]在屬于本發(fā)明的術語中，兩個夾緊輥子62的相應主周向軌道80組合在周向框架22的凸緣26上形成支承表面。
[0127]此外每個夾緊輥子62具有周向肩部82，周向肩部82限定了夾緊輥子的主周向軌道80的在面向夾緊輥子的側壁78那一側上的一端。該周向肩部82連接至夾緊輥子的副周向軌道84，該副周向軌道84延伸至夾緊輥子62的限定在面向夾緊輥子62的側壁78那一側的端面85。如在圖6中示出的，該副周向軌道84意在基本上與機身面板24的內表面72接觸。因此，每個夾緊輥子62的周向肩部82具有基本等于周向框架22的凸緣26的厚度的覽度。
[0128]應注意的是每個夾緊輥子的主周向軌道80和副周向軌道84可以是圓筒形形式或者圓錐形形式。
[0129]夾緊輥子62另外包括冷卻裝置。這些夾緊輥子中的每個因而包括定中心在夾緊輥子76的旋轉軸線76上的基本為環(huán)形的通道Cl并且具有連接至進口通道C2的端部和連接至出口通道(在圖中未示出)的相對端部。所述進口通道和所述出口通道通向夾緊輥子的端面85并且分別地連接至供給管道C3和出口管道(在圖中未示出)，供給管道C3和出口管道布置在對應的支承臂60中并且連接至用于冷卻熱交換流體的熱交換器(未示出)。
[0130]此外，每個導引輥子64安裝成使得其能夠圍繞正交于對應夾緊輥子62的旋轉軸線76的相應旋轉軸線86旋轉。
[0131]每個導引輥子64具有周向導引軌道88，周向導引軌道88為圓筒形形式并且圍繞導引輥子64的旋轉軸線86轉動，并且周向導引軌道88設計成壓靠周向框架22的凸緣30的對應表面。
[0132]參照附圖5至8，現(xiàn)將更詳細地對用于通過使用焊接裝置40的焊接系統(tǒng)46中的一個焊接系統(tǒng)將周向框架22焊接至機身面板24的摩擦攪拌焊接方法進行描述。
[0133]首先該方法涉及以下述方式使焊接系統(tǒng)46的面向周向框架22的焊接單元48和反支承單元50預定位。如果必要，可以通過移動焊接裝置40的焊接系統(tǒng)46和/或通過移動承載周向框架22和機身面板24的支承件42實現(xiàn)該預定位。
[0134]然后該方法涉及三個焊頭54a、54b的相應旋轉銷66a、66b垂直于周向框架22的凸緣26的定位。因為三個旋轉銷66a、66b的布局，通過這些三個旋轉銷形成的組件的沿著穿透方向57的投影基本與所述凸緣26的整個寬度相交。該定位可以通過焊接單元48的機械臂52的操作來實現(xiàn)。
[0135]該方法然后涉及焊接單元48，特別是機械臂52的操作，以使旋轉銷66a、66b的自由端與機身面板24的外表面接觸。
[0136]該方法還包括對反支承單元50的每個夾緊輥子62進行定位使得每個夾緊輥子62的側壁78壓靠周向框架22的腹板30并且使得每個夾緊輥子62的主周向軌道80壓靠周向框架22的凸緣26。特別地，每個夾緊輥子62定位成使得其旋轉軸線76局部地平行于機身面板24并且正交于焊接方向56和穿透方向57?？梢酝ㄟ^操作反支承單元50，特別是機械臂58來實現(xiàn)夾緊輥子62的定位。
[0137]在圖6中示出的夾緊輥子62的該定位中，每個夾緊輥子62的旋轉軸線76正交于周向框架22的腹板30，而每個導引輥子64的旋轉軸線86平行于前述的腹板30。此外，每個夾緊輥子62的周向肩部82壓靠周向框架22的凸緣26的橫向邊緣(圖6)并且每個導引輥子64的周向軌道88壓靠周向框架22的腹板30。
[0138]概括地說，夾緊輥子62另外面向焊接裝置54設置。在示出的示例中，夾緊輥子62定位成使得夾緊輥子62中的每個與側部焊頭54a中的每一個的旋轉銷66a的旋轉軸線68a相交(圖6和圖7)。更具體地，每個夾緊輥子62的回轉軸線76相對于對應旋轉銷66a的旋轉軸線68a稍微地向前偏移，使得夾緊輥子62中的每個夾緊輥子的該回轉軸線76的平行于所述夾緊輥子的旋轉軸線68a的投影仍然與所述夾緊棍子相交。
[0139]該方法涉及使旋轉銷66a、66b旋轉，并且在適當?shù)那闆r下使相關的肩部74a、74b旋轉，然后將旋轉銷插入至形成機身面板24的材料中然后再插入至形成周向框架22的凸緣26的材料中。根據眾所周知的摩擦攪拌焊接原理，由旋轉銷的摩擦引起的材料的局部軟化使得該插入成為可能。
[0140]該方法然后包含操作焊接單元48，特別是機械臂52，使得焊頭54a、54b沿著周向框架22移動，優(yōu)選地以旋轉銷66a、66b覆蓋周向框架22的整個凸緣26的方式移動。
[0141]在焊頭54a、54b的移動期間，旋轉銷66a、66b的快速旋轉引起圍繞這些旋轉銷中的每個攪拌形成機身面板24和凸緣26的局部軟化材料。因為三個旋轉銷66a、66b的布局，攪拌的材料的區(qū)域從所述凸緣26的一個側邊緣32a延伸至另一個側邊緣32b。在示出的示例中，在焊頭54a、54b的移動期間，所有三個旋轉銷68a、68b的足印在橫截面上覆蓋整個前述凸緣26。需要理解的是,足印從凸緣26的一個側邊緣32a延伸至另一個側邊緣32b。術語“足印”要理解為意味通過將旋轉銷66a、66b插入至在所述材料中會產生的痕跡，而與通過所述銷的旋轉造成的任何攪拌現(xiàn)象無關。[0142]另外在焊接頭54a、54b移動的期間，還由于如以上解釋的中心焊頭54b的旋轉銷66b的有限高度，旋轉銷66b并不到達周向框架22的彎曲表面，所述彎曲表面分別與夾緊輥子62的相應彎曲部81接觸并且分別將周向框架22的腹板30的面連接至周向框架22的凸緣26。因此能夠保持周向框架22的這些彎曲表面的完整性。
[0143]此外，如以上解釋的，由于這些旋轉銷65a的有限高度，因此側部焊頭54a的相應旋轉銷66a并不到達夾緊輥子62的相應主周向軌道80。
[0144]同時，反支承單元50被操作使得以與焊接裝置54的運動同步的方式實現(xiàn)夾緊輥子62在周向框架22的凸緣26的內表面之上和在機身面板24的內表面72之上的滾動運動，使得夾緊輥子62連續(xù)地施加基本上與通過焊頭54a、54b的相應旋轉銷66a、66b的組件施加的壓力相反的支承力，如在圖7中示出的。
[0145]夾緊輥子62另外通過抵靠周向框架22的凸緣26的部段而安裝從而在軟化材料的限制和構造方面起作用。夾緊輥子62中的每個的周向肩部82特別用于保持所述凸緣26的每一側上的材料。
[0146]與夾緊輥子62的移動相結合，導引輥子64分別在周向框架22的腹板30的兩面之上滾動并且因此有助于使周向框架22相對于機身面板24定中心。
[0147]在焊接方法的結尾，在冷卻后，以前攪拌過的材料恢復其剛性并且形成在周向框架22的凸緣26與機身面板24之間提供完全結合的焊縫90 (圖8)。該焊縫90對應以前攪拌過的材料的區(qū)域并且因此覆蓋周向框架22的凸緣26的整個寬度。
[0148]以上描述的方法對應于裝置40中的焊接系統(tǒng)46中的一個焊接系統(tǒng)的工作。自然地，其他的焊接系統(tǒng)能夠并行地實現(xiàn)相同的過程。
[0149]應注意的是以上描述的方法也能夠應用于將周向框架同時地焊接至兩個相鄰的機身面板上。在該情況下，該方法共同地實現(xiàn)對接焊接兩個相鄰面板并且和將周向框架透明焊接至所述面板的相鄰端。
[0150]圖9示出根據本發(fā)明的另一個實施方式的焊接系統(tǒng)46，其中，焊接單元48另外包括通過機械臂52承載并且可以各自是常規(guī)類型的非破壞性檢驗裝置92和防腐蝕處理裝置94。非破壞性檢驗裝置92是例如超聲波檢驗裝置。
[0151]在焊接方法的施行期間，考慮到焊接方向56，焊接單元定位成使得非破壞性檢驗裝置92設置成存在延后——即是說，其相對于焊接裝置54在后面，并且焊接單元以下述方式定位:以此方式使得防腐蝕處理裝置94布置成使得存在延后——即是說，其相對于非破壞性檢驗裝直92在后面。
[0152]以此方式非破壞性檢驗裝置92用于自動地并且在焊縫90形成之后立即檢驗焊縫90的質量。
[0153]在檢測到缺陷的結果下，焊接方法則包括焊接裝置54的反向運動，然后從焊縫90的缺陷區(qū)域開始焊接的返工。
[0154]此外，防腐蝕處理裝置94能夠用于緊接著在通過非破壞性檢驗裝置的質量檢查當檢驗顯示無缺陷之后，將防腐蝕處理應用至機身面板24的外表面上的焊縫90處。
[0155]可替代的或者以補充方式，非破壞性檢驗裝置和/或防腐蝕裝置可配裝至反支承單元50的機械臂58以便在周向框架22的凸緣26上作用。
[0156]另外，圖9的示例中示出夾緊輥子和導引輥子的另一個構型。[0157]實際上，考慮到焊接方向56，在圖9中的反支承單元50不僅包括以上描述的兩個夾緊輥子62還包括布置至夾緊輥子62的后方的并且相似于夾緊輥子62的兩個附加的夾緊輥子96。這些附加的夾緊輥子92也壓靠周向框架22的凸緣26的內表面。
[0158]反支承單元50包括兩個導引輥子64’，該兩個導引輥子64’的旋轉軸線86’平行于夾緊輥子62和夾緊輥子92的相應旋轉軸線76和旋轉軸線76’。這些導引輥子64’壓靠在周向框架22的滑道98的內表面上。應注意的是滑道98在圖6和圖8中能夠更清楚地看見。
[0159]此外，在圖10示出的本發(fā)明的另一個實施方式中，焊接單元48另外包括修理裝置，該修理裝置由第二焊接裝置100形成，該第二焊接裝置100優(yōu)選地類似于以上描述的焊接裝置54但是布置在非破壞性檢驗裝置92與防腐蝕處理裝置94之間。
[0160]只要非破壞性檢驗裝置92沒有到檢測任何缺陷，則該第二焊接裝置100就一直保持非工作狀態(tài)，并且隨著任何缺陷被檢測到后而啟動。在該情況下，該方法然后包括通過第二焊接裝置100在焊縫90的缺陷區(qū)域中的焊接的返工。在缺陷區(qū)域的返工結束時，該方法通常地繼續(xù)使用焊接裝置54。
[0161]第二焊接裝置100因而避免了在發(fā)生通過非破壞性檢驗裝置92在焊縫90中檢測到缺陷的情況時焊接裝置54的任何反向運動。這使得焊接過程更快速。
[0162]在前面的描述中，關于將周向框架焊接至飛行器機身面板上，已經描述了根據本發(fā)明的焊接方法的示例和允許該方法施行的裝置的示例。
[0163]應注意的是本發(fā)明能夠應用于其他部件的焊接，特別是縱向加強件、加強桿或者橫向構件的焊接。
【權利要求】
1.一種用于將加強件(22)的凸緣(26)線性透明摩擦攪拌焊接(FSW)至用于飛行器的至少一個面板(24)上的方法，其中，焊縫(90)通過至少一個旋轉銷(66a，66b)沿著所述加強件(22)的所述凸緣(26)而形成，并且其中，所述加強件(22)的所述凸緣(26)的寬度比所述旋轉銷(66a，66b)的最大直徑更大，其特征在于，所述焊縫(90)在橫截面中從所述加強件的所述凸緣(26)的第一側邊緣(32a)延伸至第二側邊緣(32b)。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述加強件(22)的所述凸緣(26)的寬度比所述旋轉銷(66a, 66b)的所述最大直徑的兩倍更大。
3.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，使用焊接系統(tǒng)(46)，所述焊接系統(tǒng)(46)包括多個焊頭(54a，54b)，所述多個焊頭(54a，54b)中的每一個均包括旋轉銷(66a，66b )和在所述旋轉銷的基部處延伸的肩部(74a，74b )，其中，所述焊接系統(tǒng)另外包括具有支承表面(80)的反支承單元(50)，其中，所述方法包括: -一方面，將所述焊頭(54a, 54b)的相應的所述旋轉銷(66a, 66b)插入至所述面板(24)和所述加強件的所述凸緣(26)中，然后在焊接方向(56)上沿著所述加強件的所述凸緣移動所述焊頭，通過由所述旋轉銷(66a，66b)的摩擦產生的熱量造成的形成所述面板(24)的材料和形成所述加強件(26)的材料的局部軟化而能夠進行所述移動； -另一方面，將所述反支承單元(50)的所述支承表面(80)按壓至所述加強件(22)的所述凸緣(26)上以抵消通過所述旋轉銷(66a，66b)施加的壓力。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述焊頭(54a，54b)的相應的所述旋轉銷(66a，66b)在正交于所述焊接方向(56)和正交于每個所述旋轉銷(66a, 66b)的相應旋轉軸線(68a,68b)的橫向方向上相 互偏移。
5.根據權利要求3或4所述的方法，其中，通過所述焊頭(54a，54b)的所有相應的所述旋轉銷(66a，66b)形成的足印在橫截面中從所述加強件的所述凸緣(26)的所述第一側邊緣(32a)基本延伸至所述第二側邊緣(32b)。
6.根據權利要求3至5中任一項所述的方法，其中，所述多個焊頭包括根據三角形構型布置的三個焊頭(54a，54b )。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述三個焊頭包括:相對于與所述焊接方向(56)正交的給定平面(P)定中心的兩個側部焊頭(54a);和相對于每個所述側部焊頭(54a)在所述焊接方向(56 )上偏移的中心焊頭(54b )。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述焊頭中的第一焊頭(54b)定位成面向所述加強件(22 )的腹板(30 )，而另外兩個所述焊頭(54a)相對于所述加強件(22 )的所述腹板(30 )偏移，并且所述第一焊頭(54b )的旋轉銷(66b )穿入至所述加強件(22 )的所述凸緣(26 )中的穿入深度比另外兩個所述焊頭(54a)的相應的所述旋轉銷(66a)穿入至所述加強件(22)的所述凸緣(26)中的穿入深度更小。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述第一焊頭是所述中心焊頭(54b)。
10.根據權利要求7至9中任一項所述的方法，其中，所述焊頭沿著使得所述中心焊頭(54b)布置于所述側部焊頭(54a)的后面的方向移動。
11.根據權利要求4至10中任一項所述的方法，其中，所述支承表面(80)由通過所述反支承單元承載并且通過靠著所述加強件(22)的所述凸緣(26)滾動而移動的兩個輥子結合地形成。
12.一種用于執(zhí)行根據前述權利要求中任一項所述的焊接方法的焊接系統(tǒng)(46)，其特征在于，所述焊接系統(tǒng)(46)包括布置為三角形的三個焊頭(54a，54b)，每個所述焊頭(54a，54b)均包括旋轉銷(66a，`66b)和在所述旋轉銷的基部處延伸的肩部(74a，74b)。
【文檔編號】B23K20/12GK103658967SQ201310406874
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月9日 優(yōu)先權日:2012年9月7日
【發(fā)明者】克里斯托夫·米亞勒, 帕特里克·利芬, 羅曼·德拉艾 申請人:空中客車營運有限公司