CN101952078B - 摩擦塞焊方法及系统 - Google Patents

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Abstract

摩擦塞焊方法及系统，其用于塞住从构成部件的前表面和后表面延伸通过构成部件的孔。牺牲板具有开口，其借助限制部件而抵靠着构成部件的后表面定位，使得开口与待塞住的孔同轴地对准。当在摩擦塞焊条件下使阳型塞前进进入孔中时，在阳型塞与延伸通过构成部件的孔和延伸通过牺牲板的开口这两者的限定表面之间形成了摩擦焊接区域。塞杆可包括环形台肩凸缘，该环形台肩凸缘位于与构成部件的前表面平行的平面上，使得来自摩擦焊接的浇流从孔横向地移位。阳型塞可被成形为截头锥形。

Description

摩擦塞焊方法及系统
技术领域
本发明总的涉及焊接方法及系统。在优选形式中，本发明涉及用于塞住构成部件中的孔的摩擦塞焊，其中渐缩的阳型塞可插入孔中并被摩擦焊接到孔的限定表面。
背景技术
摩擦塞焊是公知的技术，通过该技术，构成部件(尤其是金属部件)中的孔可被填充有相类似的材料，以便基本上保持部件的机械性能。例如，在公布于2006年6月22日的美国专利申请公布2006/0131364中(其全部内容在此通过参考明确地并入)公开了一种摩擦塞焊技术，其利用了限制部件，该限制部件限定了与待塞住的孔同轴地对准的盲腔，以便在焊接操作期间接纳阳型塞的末端。该盲腔的底部表面用作阳型塞的限制阻挡，并且其接纳在焊接期间产生的在构成部件的后表面离开孔的焊接混合材料的浇流(flash flow)。也可能在构成部件的前表面产生过量的浇流。这样的浇流是不期望的，因为其能导致构成部件的前表面和后表面产生环形焊接缺陷。
发明内容
因此，如果能提供使这样的环形焊接缺陷(如果不是完全消除的话)最小化的摩擦塞焊技术，则将是理想的。本发明涉及提供这样的解决方案。
提供了一种摩擦塞焊方法及系统，以便塞住从构成部件的前表面和后表面延伸通过构成部件的孔。在一些实施例中，具有贯穿的开口的牺牲板定位成抵靠着构成部件的后表面，使得开口与待塞住的孔同轴地对准。当在摩擦塞焊条件下使塞杆的阳型塞前进进入孔中时，将因此在阳型塞与延伸通过构成部件的孔和延伸通过牺牲板的开口这两者的限定表面之间形成摩擦焊接区域。
在某些有利的实施例中，塞杆设置有环形台肩凸缘，该环形台肩凸缘限定出与构成部件的前表面平行的平面。因而，使塞杆的阳型塞前进进入孔中将使得环形台肩凸缘邻接前表面的包围孔的对应区域。这样，来自摩擦焊接的浇流从孔横向地移位。阳型塞优选地为渐缩的，即具有截头锥形形状。还可设置有将阳型塞结合到台肩凸缘的拱形环形表面。
根据某些实施例，利用限制部件将牺牲板定位成抵靠着构成部件的后表面。限制部件可设置有凹进区域，该凹进区域邻接构成部件的后表面开放，且凹进区域被确定尺寸并构造成在其中接纳牺牲板。限制部件还可设置有用于在摩擦塞焊期间在其中接纳阳型塞的末端部分的具有足够深度的空间(例如，通孔或凹进腔)。
通常优选地是，阳型塞和牺牲板均由与构成部件的材料相同的材料或相容的类似的材料形成。
在摩擦塞焊操作之后，可沿与构成部件的前表面和后表面重合的相应平面从构成部件移走塞杆和牺牲板。因此，当移走时，阳型塞的一段将定位成位于孔内的塞子并被焊接到构成部件。因而，可形成通过阳型塞的这个保留段的新孔。
在仔细考虑本发明的优选的示例性实施例的以下详述之后，本发明的这些和其他方面及优点将变得更加显而易见。
附图说明
下面将参考附图，其中在各个图中相似的附图标记表示相似的结构元件，且其中：
图1是根据本发明的摩擦塞焊技术的实施例的示意性剖视图，示出处于焊接操作开始时的状态；
图2是与图1类似的摩擦塞焊技术的实施例的示意性剖视图，但是示出了焊接结束时的状态；以及
图3A-3C逐步地描述了对塞焊孔进行修整并重新钻孔的方式。
具体实施方式
附图1和2示出实施本发明的塞焊技术。关于此，构成部件P具有所要被塞住的通孔H，该通孔H限定在构成部件的前表面Ff和后表面Fb之间。按照常规实践，孔H之前已由适当的机加工技术加工而成，以便纠正可能存在的任何形状缺陷，且产生具有中心轴线AC的基本上截头锥形构造。
柱状塞杆10设置成在其末端具有阳型塞10a，该阳型塞10a具有基本上与孔H的截头锥形形状一致的截头锥形形状。阳型塞10a优选地由与构成部件P的材料相容(如果不相同的话)的材料形成。就此而言，尽管构成部件P和阳型塞10a可由金属(例如，铝合金)形成，但是也可设想它们可由相容的非金属材料(如热塑性塑料或树脂复合材料)形成。因而，尽管附图描述了金属材料，但是此处公开的技术能等同地适用于非金属材料。
塞杆10限定环形台肩凸缘10b，该环形台肩凸缘10b通过凹入拱状环形表面10c结合到阳型塞10a。因而，环形表面10c提供截头锥形阳型塞10a和台肩凸缘10b之间的平滑过渡，台肩凸缘10b限定与构成部件P的前表面Ff平行的平面。
限制部件12设置在后表面Fb上并限定了空间12a。空间12a不是必需要设置成如图1和图2所示的通孔，而是代替地可设置为盲腔。不管是通孔还是盲腔的形式，空间12a都具有足够的深度，以便当进行摩擦焊接操作时接纳阳型塞10a的末端。限制部件12还包括环形凹进区域12b，该环形凹进区域12b相对于中心轴线AC与孔12a同轴地对准，并邻接构成部件P的后表面Fb敞开。
凹进区域12b被确定尺寸并构造成在其中接纳由与构成部件P和阳型塞10a相同的材料或相容类似的材料形成的牺牲板14。牺牲板14限定了贯穿其的开口14a，该开口14a与孔H和孔12a一起相对于中心轴线AC同轴地对准。开口14a的直径与孔H的在构成部件P的后表面Fb处的直径至少相同或略小。另一方面，孔12a的直径最优选地大于开口14a的直径。
在焊接操作过程中，塞杆10以及因此其阳型塞10a与中心轴线AC同轴地对准，且通过适当的驱动装置11而与孔H的限定表面形成接触，同时围绕中心轴线AC旋转(箭头R)。阳型塞10a的限定表面、孔H和开口14a之间的摩擦引起它们各自的材料熔化并流到一起，同时在其间熔化从而形成焊接区域16(参见图2)。
特别是观察到，焊接区域16延伸到牺牲板14的包围开口14a的一部分并包括该部分。这样，焊接区域延伸到限制部件的孔12a内，使得浇流区域16a不紧邻着构成部件P的后表面Fb。这样，焊接缺陷(例如，不完全焊接的环形区域)被最小化(如果不是完全避免的话)，因为焊接区域16整体上延伸超过构成部件P的后表面Fb。
在前表面Ff处，熔化材料的浇流被塞杆10的环形台肩凸缘10b横向地引导，使得浇流区域16b形成在前表面Ff上径向地移位的位置处。区域16a因而不定位成紧邻着前表面Ff的孔H，且以与浇流区域16a的定位类似的方式，使环形焊接缺陷被减到最小(如果不是完全消除的话)。在焊接操作之后，塞杆10、构成部件P和牺牲板14因此通过焊接区域16而彼此焊接到一起。
附图3A-3C描述了塞焊孔H可被修整和重新钻孔的方式。关于此，图3A描述了其中塞杆10、构成部件P和牺牲板14从焊接机器移走(例如，从限制部件12移走)的状态。可通过沿分别与前表面Ff和后表面Fb重合的平面切割这种结构来从构成部件P移走塞杆10和牺牲板14。如图3B所示，一旦这些结构被移走，被塞住的孔H包括阳型塞10a的残余段(图3B中表示为10a’)和焊接区域16的保留部分。被塞住的孔H随后可被重新钻孔以形成新的适当尺寸的孔H’，如图3C所示。然后，如此更新的构成部件P可被投入使用。
应理解，尽管为了上面说明的目的使用了一些方向类语言(例如，“前”和“后”)且这些方向类语言存在于下面的权利要求书中，但是这样的语言对本发明是非限制性的。因此，意图的是，构成部件P的前表面Ff和后表面Fb表示塞杆10和牺牲板14的相对方位，因而不必必需对应于构成部件P的技术上的“前”和“后”。
因此，尽管结合目前考虑是最实际且优选的实施例描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，本发明意图涵盖所附权利要求的精神和范围内包含的各种修改和等同的布置。

Claims (9)

1.一种摩擦塞焊方法，其用于塞住在构成部件的前表面和后表面之间延伸通过所述构成部件的孔，所述方法包括：
（a）将具有贯穿的开口的牺牲板定位在限制部件的凹进区域中，所述凹进区域朝向所述构成部件的后表面敞开，并且所述凹进区域被确定尺寸并构造成在其中接纳所述牺牲板；
（b）将所述牺牲板在所述限制部件的所述凹进区域中定位成抵靠着所述构成部件的所述后表面，使得所述开口与待塞住的所述孔同轴地对准；以及
（c）在摩擦塞焊条件下使塞杆的阳型塞前进进入所述孔中，以使得在所述阳型塞与延伸通过所述构成部件的所述孔和延伸通过所述牺牲板的所述开口这两者的限定表面之间形成摩擦焊接区域。
2.如权利要求1所述的方法，包括：提供具有环形台肩凸缘的所述塞杆，所述环形台肩凸缘限定出与所述构成部件的所述前表面平行的平面，其中所述方法包括：使所述塞杆的所述阳型塞前进进入所述孔中，使得所述环形台肩凸缘邻接所述前表面的包围所述孔的相对应区域，以使来自摩擦焊接的浇流从所述孔横向地移位。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述限制部件包括用于在摩擦塞焊期间在其中接纳所述阳型塞的末端部分的空间。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述阳型塞和所述牺牲板均由与所述构成部件相同的或相容的材料形成。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：通过沿与所述构成部件的所述前表面和所述后表面重合的相应平面切割而从所述构成部件移走所述塞杆和所述牺牲板。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述阳型塞的一段保留为用于所述孔的塞子并被焊接到所述构成部件，且其中所述方法包括：形成通过所述阳型塞的保留的所述段的新孔。
7.一种摩擦塞焊系统，其用于塞住从构成部件的前表面和后表面延伸通过所述构成部件的孔，所述系统包括：
牺牲板，所述牺牲板具有贯穿的开口，
限制部件，所述限制部件包括凹进区域，所述凹进区域邻接所述构成部件的所述后表面敞开，且所述凹进区域被确定尺寸并构造成在其中接纳所述牺牲板，用于将所述牺牲板定位成抵靠着所述构成部件的所述后表面，使得所述开口与待塞住的所述孔同轴地对准；以及
塞杆，所述塞杆具有阳型塞，所述阳型塞能够在摩擦塞焊条件下被推入所述孔中，以使得在所述阳型塞与延伸通过所述构成部件的所述孔和延伸通过所述牺牲板的所述开口这两者的限定表面之间形成摩擦焊接区域。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述限制部件包括用于在摩擦塞焊期间在其中接纳所述阳型塞的末端部分的空间。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述阳型塞和所述牺牲板均由与所述构成部件相同的或相容的材料形成。
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