CN100475410C - 摩擦搅动焊接组件和形成摩擦搅动焊接组件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搅动焊接T形接头的方法，其包括组装并搅动焊接第一和第二元件。第一元件包括材料的片状部分，并还包括约束表面。第二元件包括肋板。肋板在肋板的边缘余量定位于第一元件的约束表面之间的同时搅动焊接到片状部分上，在搅动焊接过程中，第一元件的约束表面限制肋板相对于第一元件的运动。加工部分优选地形成为第一和第二元件中一个的材料的邻接部分。第一和第二元件在搅动焊接过程中经由加工部分固定到搅动焊接装置上。该方法还包括在形成搅动焊接的T形接头之后，将加工部分从第一和第二元件上分离的步骤。

Description

摩擦搅动焊接组件和形成摩擦搅动焊接组件的方法

技术领域

本发明涉及摩擦搅动焊接(friction stir weld)以及摩擦搅动焊接的组件更具体地说，本发明涉及将相对薄的肋板元件连接到材料的相对薄的片状部分上的搅动焊接的T形接头。

背景技术

摩擦搅动焊接提供了优于其他焊接方法的优点。可能最显著的优点在于摩擦搅动焊接保持了与被焊接元件的材料相关的强度的绝大部分。这可以实现坚固的焊接结构，而不需要后续的退火和热处理。从而，在一个组件不能够退火和/或热处理的情况下，摩擦搅动焊接可能是焊接这种组件的唯一可接受方法。

尽管具有这些优点，但是仍存在一些与摩擦搅动焊接相关联的缺点。这种缺点中的一个就是用来形成搅动焊缝的搅动焊接工具在搅动焊接过程中对组件施加了一个明显的力。因此，这个力必须由组件抵抗，而组件的强度和刚性必须足够大来避免断裂和/或不可接受的偏转。另一个缺点在于搅动焊接工具相对于组件的各部件的移动会导致各部件相对彼此的不期望的运动。再一缺点在于在焊接过程中要求搅动焊接工具的移动相对精确，结果，这个运动通常利用复杂的机器，如CNC垂直或多轴铣床来自动操作。

发明内容

本发明解决了与现有技术中的搅动焊接技术相关联的一些缺点。尤其是，本发明解决了与在相对薄壁的肋板和蒙皮片材之间形成搅动焊接的T形接头相关的问题。另外，本发明解决了与在这种组件上形成搅动焊缝时所需的加工相关的问题。

在本发明的第一方面中，搅动焊接T形接头的方法包括将第一元件组装到第二元件上并将第一元件搅动焊接到第二元件上。第一元件包括具有相对的第一和第二表面的材料的薄的片状部分，并还包括对立的约束表面，该约束表面相对于片状部分的第一表面以一角度取向。第二元件包括一个肋板，该肋板具有一个末端边缘余量(terminal edge margin)。将第一元件组装到第二元件上包括将第二元件的肋板的边缘余量与第一元件相接合，使得第二元件的肋板以远离第一元件的第一表面的一个角度延伸，并使得该边缘余量定位在第一元件的各约束表面之间。搅动焊接包括将搅动焊接工具相对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组装的情况下进行搅动焊接。在搅动焊接过程中，第一元件的约束表面限制第二元件的边缘余量相对于第一元件运动。

在本发明另一方面中，搅动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个加工部分，该部分形成为相应元件的材料的邻接部分。第一元件包括形成为第一元件的材料的邻接部分的薄的片状部分，而第二元件包括形成为第二元件的材料的邻接部分的肋板。肋板具有末端边缘余量。该方法还包括利用搅动焊接装置以形成搅动焊接的T形接头的方式将第二元件的肋板的边缘余量搅动焊接到第一元件的片状部分上。第一和第二元件在搅动焊接过程中通过加工部分固定到搅动焊接装置上。该方法还进一步包括在形成搅动焊接的T形接头之后将加工部分从第一和第二元件上分离的步骤。

在本发明的再一方面中，T形接头包括肋板元件和片状元件。肋板元件具有相对的第一和第二表面。片状元件包括材料的薄的片状部分，该部分具有相对的第一和第二表面，并且片状元件还包括至少两个约束表面，它们相对于片状部分的第一表面以一角度取向。片状元件中的至少一个约束表面与肋板元件的第一表面相接合，并且片状元件的至少一个约束表面与肋板元件的第二表面相接合。片状元件搅动焊接到肋板元件上。

虽然上面已经描述了本发明的主要优点和特征，但是通过参照随后的附图和对实施例的详细描述，可以获得其他特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明的具有薄的片状部分的第一元件的透视图；

图2是根据本发明的具有肋板的第二元件的透视图；

图3是根据本发明组装到第二元件上的第一元件的透视图，并在出于解释本发明的目的而去除了第一元件的一部分的状态下示出；

图4是描绘搅动焊接过程的第一和第二元件的局部横截面图；

图5是根据本发明的第一和第二元件的替代实施例的局部横截面图；

图6是根据本发明的第一和第二元件的再一替代实施例的局部横截面图；

所撰写的说明书中的附图标记标识在所有附图中表示相应的零部件。

具体实施方式

实施本发明的优选方法涉及搅动焊接第一和第二元件。第一元件20和第二元件22彼此独立地在图1和2中示出。第一和第二元件20、22的每一个优选地形成为邻接材料的单独一个整体元件(monolithic piece)。该材料优选地是铝，但是适于搅动焊接的其他材料，如钢或塑料，也可以用来替代铝。

第一元件20优选地包括片状部分24、加工部分26、和多个突起28第一元件20的片状部分24大致为薄壁结构，具有相对的第一和第二表面30、32。片状部分24也优选地为平面的。加工部分26优选地包括围绕片状部分24的相对刚性的材料环。加工部分26还优选地包括多个安装孔34，用来组装和对齐第一和第二元件20、22。突起28优选地是细长的突起，并优选地横截面为矩形，正如图4中清楚看出的。突起28优选地两个一组，并优选地从片状部分24的第一表面30垂直伸出。每对突起28在它们之间形成一个沟槽36，这个沟槽局部由突起的相对表面37限定。

第二元件优选地包括多个肋板38、片状部分40、和加工部分42。如同第一元件20那样，第二元件22的片状部分40大致为薄壁结构，具有相对的第一和第二表面44、46，并也优选地是平面的。仍然如同第一元件20那样，第二元件22的加工部分42优选地包括围绕片状部分40的相对刚性的材料环，并优选地包括多个安装孔48，用于组装和对齐第一和第二元件20、22的相同目的。第二元件22的肋板38从片状部分40的第一表面44伸出，并优选地为薄壁结构，具有相对的第一和第二表面50、52肋板38优选地横截面为矩形，并优选地垂直于片状部分40延伸，最终终止于边缘余量54。

第一和第二元件20、22优选地各自是利用高速铣床由板材加工而成。然而，应理解到诸如模制的其他技术也可以用来形成第一和第二元件20、22。在高速加工过程中，相应元件20、22的加工部分26的安装孔34、38被用来将元件固定到铣床上。每个元件的加工部分26、42与相应元件的剩余部分相比明显坚固，从而防止在铣削和焊接过程中薄壁结构过渡扭曲。

在形成第一和第二元件20、22之后，然后它们如图3和4所示那样相互组装。第一和第二元件20、22的安装孔34、48利于各元件的对齐，并也使得各元件利用穿过安装孔的螺栓彼此固定并固定到搅动焊接装置(未示出)上。在装配时，每个肋板38的边缘余量54定位在由第一元件20的突起28所形成的沟槽36之一内。每个沟槽36尺寸定位宽度与相应肋板3 8的第一和第二表面50、52之间的距离相等或仅稍稍比后者宽。由此，可以理解到形成沟槽36的突起28的相对表面37作用为可以接合肋板38的约束表面，从而防止肋板38相对于第一元件20以从左到右的方式平移(参见图4)。

在第一和第二元件20、22已经相互组装并固定到搅动焊接装置上之后，它们搅动焊接到一起。优选地，用于形成第一或第二元件20、22的同一铣床用作搅动焊接装置。为了形成一条焊缝，在图4-6中示意性示出的搅动焊接工具56压抵到第一元件20的片状部分24的第二表面32上在焊接过程中，搅动焊接工具56以它保持与沟槽36和肋板38对齐的方式旋转并移动。搅动焊接工具56的尖端穿过第一元件20中的它与相应肋板3 8的边缘余量54相接合的片状部分24(如在图4中在中间肋板上所示出的)。这导致片状部分24并也优选地导致第一元件20的突起28熔接到肋板38的边缘余量54上，由此形成搅动焊缝58(如在图4中最右侧的肋板上所示出的)。在这个将肋板38焊接到第一元件20上的过程中，突起28防止肋板从搅动焊接工具56偏移开，因为否则易于发生这种情况。从而应理解到在搅动焊接过程中不需要附加的工具来保持肋板3 8和第一元件20之间的相对位置。此外，第一和第二元件20、22的加工部分26、42刚性地将各元件彼此固定并固定到搅动焊接装置上，由此消除了用于此目的的其他工具的需求。

在已经完成搅动焊接之后，第一和第二元件20、22的加工部分26、42从被焊接的组件上分离。这优选地利用设置在用于执行搅动焊接的同一铣床上的切削工具进行。一旦完成这项工作，则组件完工。

图5示出第一和第二元件的替代实施例。总的来说，这个实施例具有与参照图1-4的实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边缘余量具有不同的构型，其被构造成在搅动焊接过程中进一步将第一和第二元件相互固定。主要地说，肋板边缘余量的横截面是T形的，而不是矩形的，如同由突起形成的沟槽那样。这导致在突起上形成闭锁表面60而在肋板上形成闭锁表面62，这两个闭锁表面60、62以防止第一元件远离第二元件垂直移动(如图所示)的方式彼此配合。应理解到这个实施例需要使第一和第二元件被构造成在第一和第二元件开始相互组装的过程中第二元件的肋板可以滑入到第一元件的沟槽中。从而，可以采取如下形式，即这个实施例的沟槽所有都彼此平行并且在一端开放，以允许肋板插入其中并在其中滑动。

图6示出第一和第二元件的另一替代实施例。如同图5中所示的实施例那样，第一元件的沟槽和第二元件的肋板具有T形横截面。也是这样，突起上的闭锁表面64和肋板38上的闭锁表面68形成的以防止第一元件远离第二元件垂直移动(如图所示)的方式彼此配合。然而，这个实施例的突起还成形为包括一个凸轮表面68。这个凸轮表面68相对于第一元件的片状部分的第一表面对齐。形成沟槽的一对突起中的每个突起都具有这种凸轮表面68，即，随着该对突起的凸轮表面朝向第一元件的片状部分延伸而一个突起中的凸轮表面向该对突起中另一个突起的凸轮表面会聚。凸轮表面68构造成允许第一和第二元件通过将肋板(如图所示垂直地)卡入沟槽中而相互初始组装。随着肋板插入到沟槽内，肋板的边缘余量接合凸轮表面68，该凸轮表面68由于它们的倾斜构型而产生一个与沟槽分开相关联的使得突起分散开的力。该突起被形成为可弹性偏移，使得突起可以分散开到足以允许肋板的T形边缘余量在它们之间穿过，并使得在肋板的闭锁表面66穿过突起的闭锁表面64时突起将朝向彼此移动回来。由此，如图5中所示的实施例不同，第二元件的肋板不必是平行的。还应理解到的是假设肋板不平行，则在将肋板卡入沟槽中时，第一元件将相对于第二元件被完全约束。从而，在搅动焊接过程中，不再需要进一步固定将第一和第二元件固定到一起的工具。

虽然本发明已经足够详细地加以描述以使得本领域技术人员可以实施本发明，但是应理解到在上述描述中所包含的或者在附图中所示出的所有事项意图在于作为示例解释本发明，而不在于限制的含义，在不背离由所附权利要求限定的本发明的范围的前提下，可以采用该装置和方法的各种改进和变型。例如，可以理解到并非实施本发明的优选方法中的所有步骤都是每个权利要求所必须的。因此，通过这些变型和改进，应该理解到本发明的其他方法和装置。

此外，应理解到在权利要求中介绍本发明的元件时或者在本发明优选实施例的描述中介绍元件时，术语“包括”、“包含”以及“具有”目的是开放式的，并且意味着可以存在所列出的元件之外的附加元件。类似地，对于在权利要求中使用术语“部分”或修改中添加术语“部分”，这个术语应被理解为意味着它所定量的物品或元件的一些或全部。

Claims (19)

1.一种搅动焊接T形连接的方法，包括：

将第一元件组装到第二元件上，第一元件包括材料的薄的片状部分，其具有相对的第一和第二表面，且第一元件还包括相对的约束表面，该约束表面相对于片状部分的第一表面以一定角度取向，第二元件包括具有末端边缘余量的肋板，组装包括将第二元件的肋板的边缘余量与第一元件相接合，使得第二元件的肋板以远离第一元件的第一表面的角度延伸，并且使得边缘余量定位在第一元件的约束表面之间，使得约束表面在三维坐标系的上下左右四个方向限制肋板和片状部分之间的相对运动；以及

通过将搅动焊接工具接合在第一元件的第二表面上来将第一元件搅动焊接到第二元件上，搅动焊接在第一和第二元件根据前面将第一元件组装到第二元件上的步骤而彼此组装的前提下发生，在搅动焊接过程中第一元件的约束表面限制第二元件的边缘余量相对于第一元件移动。

2.如权利要求1所述的方法，其中，第一和第二元件各自形成为邻接材料的单独的整体元件，其中，第一和第二元件中的一个包括形成它的整体元件的一部分的加工部分，该方法还包括在将第一元件搅动焊接到第二元件上的过程中通过加工部分将第一和第二元件固定到搅动焊接装置上，以及在将第一元件搅动焊接到第二元件上之后将加工部分从第一和第二元件上去除。

3.如权利要求2所述的方法，其中，加工部分形成第二元件的整体元件的一部分，并在从第一元件和第二元件分离之前形成围绕第二元件的肋板的环。

4.如权利要求2所述的方法，其中，加工部分构成第一加工部分，该第一加工部分形成第一和第二元件中的一个的整体元件的一部分，并且第一和第二元件中的另一个包括第二加工部分，该第二加工部分形成其整体元件的一部分，该方法还包括在将第一元件搅动焊接到第二元件上步骤的过程中通过第一和第二加工部分将第一和第二元件相互固定，以及在将第一元件搅动焊接到第二元件上之后，将第二加工部分从第一和第二元件上去除。

5.如权利要求1所述的方法，其中，第一元件的约束表面彼此平行地延伸，并在它们之间形成沟槽，组装的步骤还包括将第二元件的肋板的边缘余量插入到第一元件的沟槽中。

6.如权利要求5所述的方法，其中，第一元件还包括一对闭锁表面，该对闭锁表面与第一元件的片状部分的第一表面相对，第一元件的约束表面定位在闭锁表面和第一表面之间，且肋板具有相对的第一和第二表面，肋板的边缘余量包括一对闭锁表面，肋板的第一和第二表面定位在肋板的闭锁表面之间，另外，组装的步骤还包括将第一元件的闭锁表面与第二元件的闭锁表面以限制肋板远离第一元件的第一表面移动的方式彼此啮合。

7.如权利要求6所述的方法，其中，组装的步骤还包括随着第二元件的肋板的边缘余量插入到第一元件的沟槽中，弹性偏移第一元件的闭锁表面彼此远离，并使允许第一元件的闭锁表面彼此朝向地弹性移动，使得第二元件的肋板的闭锁表面定位在第一元件的闭锁表面和第一元件的片状部分之间。

8.一种搅动焊接的方法，包括：

由原料形成第一和第二元件，第一和第二元件中的一个包括加工部分，该加工部分形成为相应元件的材料的邻接部分，第一元件包括薄的片状部分，该盘状部分形成为第一元件的材料的邻接部分，第二元件包括肋板，该肋板形成为第二元件的材料的邻接部分，肋板具有末端边缘余量；

利用搅动焊接装置将第二元件的肋板的边缘余量搅动焊接到第一元件的片状部分上，使得形成搅动焊接的T形接头，第一和第二元件在搅动焊接过程中通过加工部分固定到搅动焊接装置上；以及

在形成搅动焊接的T形接头之后，将加工部分与第一和第二元件分离，

其中，形成第一元件以第一元件的片状部分具有相对的第一和第二表面的方式进行，第一元件还包括相对的约束表面，该约束表面相对于片状部分的第一表面以一定角度取向，且利用搅动焊接装置将第二元件的肋板的边缘余量焊接到片状部分上的步骤还包括将肋板的边缘余量定位在第一元件的约束表面之间，使得约束表面在三维坐标系的上下左右四个方向限制肋板和片状部分之间的相对运动。

9.如权利要求8所述的方法，其中，第一元件的相对的约束表面彼此平行地延伸，并在它们之间形成沟槽，且利用搅动焊接装置将第二元件的肋板的边缘余量搅动焊接到片状部分上的步骤还包括将第二元件的肋板的边缘余量插入到第一元件的沟槽中。

10.如权利要求9所述的方法，其中，形成第一和第二元件的步骤还包括在第一元件上形成一对闭锁表面，该闭锁表面与片状部分的第一表面相对，第一元件的约束表面定位在闭锁表面和第一表面之间，并且肋板形成有相对的第一和第二表面，并在其边缘余量上形成一对闭锁表面，肋板的第一和第二表面定位在肋板的闭锁表面之间，再者，利用搅动焊接装置将第二元件的肋板的边缘余量搅动焊接到第一元件的片状部分上的步骤还包括将第一元件的闭锁表面与第二元件的闭锁表面以限制肋板远离第一元件的第一表面移动的方式啮合。

11.如权利要求10所述的方法，其中，利用搅动焊接装置将第二元件的肋板的边缘余量搅动焊接到第一元件的片状部分上的步骤还包括随着第二元件的肋板的边缘余量插入到第一元件的沟槽中弹性偏移第一元件的闭锁表面使之彼此远离，并且允许第一元件的闭锁表面相互朝向地移动，使得第二元件的肋板的闭锁表面定位在第一元件的闭锁表面和第一元件的片状部分之间。

12.如权利要求8所述的方法，其中，在加工元件从第一和第二元件上分开之前加工部分形成围绕第二元件的肋板的环。

13.如权利要求8所述的方法，其中，加工部分构成第一和第二元件中的一个的第一加工部分，并且第一和第二元件中的另一个包括第二加工部分，该第二加工部分形成其材料的邻接部分，该方法还包括在利用搅动焊接装置将第二元件的肋板的边缘余量搅动焊接到第一元件的片状部分上的步骤的过程中，将第一和第二元件通过第一和第二加工部分相互固定，并且在形成搅动焊接的T形接头之后将第二加工部分从第一和第二元件上分离。

14.如权利要求13所述的方法，还包括将第一和第二元件通过第一和第二加工部分相对彼此对齐的步骤。

15.一种T形接头，包括：

具有相对的第一和第二表面的肋板元件；以及

片状元件，片状元件包括具有相对的第一和第二表面的材料的薄的片状部分，并还包括至少两个约束表面，该约束表面相对于片状部分的第一表面以一定角度取向，片状元件的至少一个约束表面与肋板元件的第一表面相接合，而片状元件的至少一个约束表面与肋板的第二表面相接合，使得约束表面在三维坐标系的上下左右四个方向限制肋板和片状部分之间的相对运动，片状元件搅动焊接到肋板元件上。

16.如权利要求15所述的T形接头，其中，片状元件的相对的约束表面彼此平行，并在它们之间形成沟槽，且肋板元件的一部分定位在沟槽之内。

17.如权利要求15所述的T形接头，其中，片状元件还包括一对闭锁表面，该对闭锁表面与片状部分的第一表面相对，片状元件的约束表面定位在闭锁表面和片状元件的第一表面之间，肋板元件包括一对闭锁表面，肋板元件的该闭锁表面定位在片状元件的闭锁表面和片状元件的第一表面之间。

18.如权利要求17所述的T形接头，其中，片状元件还包括一对凸轮表面，片状元件的每个闭锁表面定位在凸轮表面之一和片状部分之间，凸轮表面以凸轮表面随着其朝向片状元件的片状部分延伸而朝向彼此会聚的方式取向。

19.如权利要求15所述的T形接头，其中，肋板元件相对于片状元件的片状部分的第一表面垂直延伸。

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