CN102186621A - 用于获得板上相同特性的成形；用于使用冷却元件摩擦搅拌焊接的器械 - Google Patents

用于获得板上相同特性的成形；用于使用冷却元件摩擦搅拌焊接的器械 Download PDF

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Abstract

一种组件，其通过以下步骤形成：将多个金属板(802，804)焊接在一起，从而形成具有许多焊点熔核(918)的毛坯；将毛坯放置在模具部分和盖子部分之间，加热模具部分从而加热毛坯；然后在盖子部分和模具部分之间引入加压气体，从而将毛坯压入模具部分的模子中，从而形成组件。许多焊点熔核(918)具有理想厚度比，其在大约1.1至大约1.25之间，以便多个金属板(802，804)和形成的组件具有基本相同的许多特性。

Description

用于获得板上相同特性的成形;用于使用冷却元件摩擦搅拌焊接的器械
技术领域
本公开主要涉及焊接金属件(piece)，并且特别地涉及焊接钛板(sheet)。还更特别地，本公开涉及使用摩擦搅拌焊接来焊接钛板。
背景技术
成形是用于从材料制造组件的过程，所述材料例如金属、塑料和/或其他适当的材料。该组件可用于例如飞机的零件或其装配件。超塑成形是成形过程的一种类型，其加热材料，以便材料具有超塑性。超塑性是材料以均一的方式伸长超过约材料长度100％的材料能力。相比不均一伸长，材料的均一伸长会减少材料的颈缩量。
当材料变形以致许多的应变会不成比例地局部处于材料的一部分内时发生颈缩。结果，响应该变形，材料的该部分在厚度上会比材料的其他部分更薄。在这些例子中，变形是伸长。颈缩可导致材料中的不一致，例如破裂和/或其他类型的不一致。
使用金属的情况下，超塑成形包括在模具部分(die section)和盖子部分(lid section)之间放置金属板。该金属板也可被称作例如毛坯。使用有些目前使用的模具部分，一个金属板可能不够大到制造一个组件。使用这些类型的模具部分，许多金属板可被焊接在一起从而形成毛坯。许多金属板可使用摩擦搅拌焊接被焊接。
使用摩擦搅拌焊接，两个金属板的边缘靠在一起。热能和机械能被施加在金属板上，从而在边缘结合金属板。热能和机械能导致金属板的几部分形成结合了两个金属板的连续金属区域。该区域可为焊点熔核。这种焊接类型不引起金属的熔化并且避免与熔化相关的热畸变。
通常，模具部分具有组件的形状。使用加压气体迫使毛坯具有模具部分的形状。该加压气体可通过盖子部分被引入。模具部分可被加热至影响金属和毛坯焊接部分的机械性能、疲劳性能和/或其他特性的温度。
因此，具有考虑上述的一个或更多问题以及其他可能问题的方法和器械是有利的。
发明内容
本公开的一个有利实施例通过如下步骤形成组件：焊接多个金属板形成具有许多焊点熔核的毛坯、将毛坯放置在模具部分和盖子部分之间、加热模具部分从而加热毛坯以及在盖子部分和模具部分之间引入加压气体从而将毛坯压进模具部分的模子中从而形成组件。形成组件后，许多焊点熔核具有在大约1.1至大约1.25之间的所需厚度比，以便多个金属板和形成的组件具有许多基本相同的特性。
本公开的一个有利实施例是一种焊接机器，其包含砧子、销子工具(pin tool)和冷却元件，其中销子工具绕轴线旋转、在垂直于轴线的方向运动并且在垫板和对焊接头(butt joint)上施加向下的力，从而将第一金属件和第二金属件焊接在一起，从而形成焊点熔核，其中焊点熔核在超塑成形过程后具有在大约1.1至大约1.25之间的理想厚度比，并且在超塑成形后，第一金属件、第二金属件和焊点熔核具有许多基本相同的特性。
本公开的另一个有利实施例是一种制造组件的方法，该方法包含：在理想温度下将金属板摩擦搅拌焊接在一起从而形成具有焊点熔核的毛坯；以及使用超塑成形过程从而由毛坯形成组件，其中在超塑成形过程后焊点熔核具有在大约1.1至大约1.25之间的理想厚度比，其中焊点熔核和被摩擦搅拌焊接的金属板具有在大约每秒每英寸1×10-2英寸至大约每秒每英寸5×10-6英寸之间的基本不变的应变比，并且其中在超塑成形过程后被焊接的金属板和焊点熔核具有许多基本相同的特性。
本公开的另一个有利实施例是一种制造方法，其包含：焊接多个钛板从而形成具有许多焊点熔核的毛坯；将毛坯放置在模具部分和盖子部分之间，其中模具部分被加热从而加热毛坯；在盖子部分和模具部分之间引入加压气体从而将毛坯压进模具部分中的模子，从而形成组件，其中许多焊点熔核具有在大约1.1至大约1.25之间的理想厚度比，以便许多钛板和形成的组件具有许多基本相同的特性。
本公开的另一个有利实施例是用于制造钛结构的方法，该方法包含将多个钛件摩擦搅拌焊接在一起，从而形成具有焊点熔核的毛坯，其中焊点熔核具有理想的超塑性；以及由毛坯形成钛结构，其中在钛结构形成期间焊点熔核伸长得比毛坯的其它部分小大约1％至大约25％。
这些特征、功能和优点在本公开的不同实施例中分别实现，或者可在进一步细节参考以下说明和附图看出的其他实施例中结合。
附图说明
图1是制造环境图，其使用依照有利实施例的成形和搅拌焊接；
图2是依照有利实施例的飞机的图；
图3是依照有利实施例的喷气发动机的分解图；
图4是依照有利实施例的制造环境的图；
图5是依照有利实施例的制造环境的图；
图6是依照有利实施例的毛坯的横截面图，该毛坯被定位在模具部分和盖子部分之间；
图7是依照有利实施例的毛坯的横截面图，该毛坯被压进模具部分的模子中；
图8是依照有利实施例的具有垫板的对焊接头图；
图9是依照有利实施例的焊接装置的图；
图10是依照有利实施例的焊缝的横截面图；
图11是依照有利实施例的测试件的图；
图12是依照有利实施例的测试件的图；
图13是依照有利实施例的测试件图；
图14是依照有利实施例的厚度比的图表；
图15是依照有利实施例描绘测试件的热度比与厚度比的关系的图表；
图16是示出依照有利实施例用于制造组件的过程的流程图；
图17是示出依照有利实施例在测试件上进行测试的过程的流程图；
图18是示出依照有利实施例识别用于摩擦搅拌焊接过程的参数的过程的流程图；
图19是示出依照有例实施例摩擦搅拌焊接的过程的流程图；
图20是示出依照有利实施例实施修整操作的过程的流程图；
图21是示出依照有利实施例的测试结果表；
图22是示出依照有利实施例的测试结果表；
图23是示出依照有利实施例的测试结果表；
图24是示出依照有利实施例的测试结果表；以及
图25是示出依照有利实施例的测试结果表。
具体实施方式
现在参考图1，其依照有利实施例描述制造环境图。在该例示性例子中，制造环境100用于制造组件，例如但不限于，零件、装配件、飞机零件、铰链、蒙皮、加强杆、翼肋和/或其他适当的组件。设备供方110提供设备，而材料供方112提供材料，以便在制造环境中100中使用。在该例示性例子中，设备供方110提供用于板制造114、毛坯制造116和组件制造118的设备。材料供方112提供用于板制造114的材料，例如金属。
板制造114由材料供方112所提供的金属形成金属板。该金属板之后被毛坯制造116使用。在该例示性例子中，毛坯制造116使用许多板制造114所形成的金属板来形成毛坯。例如，毛坯制造116可包括摩擦搅动焊接从而形成毛坯。当涉及物品时，“许多”意思是一个或更多个物品。例如许多器械实施例可为一个或更多个器械实施例。
毛坯被组件制造118使用，从而形成组件。作为一个例子，该组件可为飞机的蒙皮壁板(skin panel)。可使用该组件从而在装配件制造120中形成飞机的装配件。该装配件例如可为飞机的机身。该装配件在系统集成122中使用。例如，当系统是飞机时，该装配件在系统集成122中被结合到飞机内。该系统然后在服役124中进行服役。
在有些例示性例子中，在组件制造118中形成的组件可用在维护和修理操作126和/或再制造操作128。
现在参考图2，其是依照有利实施例描述的飞机图。在该例示性例子中，飞机200采取喷气飞机202的形式。喷气飞机202是其组件可使用图1中的制造环境100来制造的一种平台的示例。例如，用于喷气发动机204的外壳以及喷气飞机202的喷气发动机206的外壳的组件可在制造环境100中制造。这些外壳采取用于喷气发动机204的机舱208和用于喷气发动机206的机舱210的形式。
现在参考图3，其依照有利实施例，描述喷气发动机的分解图。在该例示性例子中，描述了带有机舱208的图3喷气发动机204。如所描述的，机舱208具有唇皮300。唇皮300是机舱208的前缘。在该例示性实施例中，唇皮300由金属制造。唇皮300是在图1的制造环境100中的组件制造118中形成的组件的例子。
不同有利实施例认识和重视许多不同的考虑。不同有利实施例认识和重视到，由多件形成的组件与由单件形成的组件相比，可具有降低的性能。例如，关于有些目前可利用的机舱，这些机舱的唇皮由被紧固件紧固在一起的多个铝件形成。这些紧固件以及被紧固的件间的接缝可导致唇皮的不平坦表面。在飞机飞行期间，该不平坦表面可导致唇皮上不希望有的空气紊流。该不希望有的紊流可产生牵引，这又会降低飞机的燃料效率。
不同有利实施例认识和重视到，由单件形成的唇皮可导致在唇皮上具有比多件形成的唇皮更大的空气层流。不同有利实施例进一步认识和重视到，单件铝可用于形成唇皮。然而，不同有利实施例认识和重视到，与铝相比，钛可具有耐更高温度的能力。
此外，钛也具有航天平台期望的特性，例如，期望的重量、期望的强度、抗腐蚀性、与复合材料的相容性、期望的热膨胀系数以及使用成形过程被成形的能力。不同有利实施例也认识和重视到，使用钛制造大组件会受到目前可利用的钛板尺寸大小的限制。目前，钛板可被利用的最大尺寸是大约1.2米宽、大约3.6米长。作为特别的例子，有些唇皮具有大于大约10米的直径。不同有利实施例认识和重视到，不可用单个钛板来形成这些类型的唇皮。
关于这些类型的唇皮，可使用由多于一个的钛板所形成的毛坯。
此外，不同有利实施例进一步认识和重视到，由多个金属板形成的组件的性能可能取决于多个金属板的焊接效果。例如，多个金属板的焊接会影响焊接区域的特性。
不同有利实施例认识和重视到，当毛坯被用在超塑成形过程中时，用于形成毛坯的超塑材料的焊接会导致不希望有的效果。例如，超塑金属的熔焊会引起在母体材料中邻近焊点熔核产生与焊点熔核相比更大的超塑应变。母体材料中的这种超塑应变会导致毛坯的早期颈缩。
不同有利实施例也认识和重视到，焊接金属板形成毛坯后，在焊接和/或超塑成形过程后，毛坯中的母体金属和毛坯中的焊点熔核的许多特性会基本不同。例如，关于目前用于摩擦搅拌焊接的可利用过程，与毛坯中的母体材料相比，焊点熔核可具有降低的强度。此外，与母体材料相比，焊点熔核会具有不希望有的疲劳特性。
此外，不同有利实施例进一步认识和重视到，与母体材料相比，焊点熔核可具有不同的颗粒组成。颗粒组成的不同会导致使用超塑成形过程由毛坯形成的组件具有不希望有的特性。不同有利实施例认识和重视到，在超塑成形过程之前和之后，理想的是使得组件具有许多与被焊接在一起的金属板基本相同的特性。
因而，不同有利实施例提供用于由钛形成毛坯的方法和器械。本发明的一个有利实施例通过以下步骤形成组件：焊接多个金属板来形成具有许多焊点熔核的毛坯；将毛坯放置在模具部分和盖子部分之间；加热模具部分从而加热毛坯；以及在盖子部分和毛坯部分之间引入加压气体从而将毛坯压入模具部分的模子从而形成组件。许多焊点熔核具有在大约1.1至大约1.25之间的理想厚度比，以便多个金属板和形成的组件具有许多基本相同的特性。
现在参考图4，其依照有利实施例，描述了制造环境的图。在这些例示性例子中，制造环境400可为图1中的制造环境100的一部分的一个实施例，其用于板制造114、毛坯制造116和组件制造118。进一步，制造环境400可用于制造用于平台的组件，例如图2中的飞机200。特别地，制造环境400可用于制造图3中的机舱208的唇皮300。
制造环境包括材料402、许多机器404以及计算系统406。在该例示性例子中，材料402包括钛408、销子410、砧子材料412、修整材料414和/或其他适当的材料。销子410例如可为在摩擦搅拌焊接装置中使用的搅拌销子。在这些例子中，材料402可通过图1中的材料供方112供应。钛408用于形成许多的钛408的板416。搅拌焊接销子410、砧子材料412和修整材料414都用于由许多板416形成毛坯418。
在其他有利实施例中，可以使用除了钛408之外的其他金属。例如，材料402可包括但不局限于金属合金、铝、钛、镁、钢、铝合金、钛合金、镁铝合金、铝锂合金、镍铬铁合金、镍钢合金、金属超耐热合金和/或其他适当的金属类型中的至少一种。
在这些例示性例子中，许多板416和毛坯418都使用许多机器404由材料402形成。许多机器404也用于使用毛坯418形成组件419。组件419例如可为图3中的唇皮300。在其他例示性例子中，组件419可采取蒙皮壁板、加强杆、翼肋或其他适当类型的组件的形式。
许多机器404可包括但不局限于，例如焊接机器420、成形机器422、修整工具424和测试设备426。许多机器404是设备的一个例子，其可由图1中的设备供方110供应。如这些例子中所描述的，许多机器404由计算系统406控制。
在该例示性例子中，计算系统406可由许多计算机组成。进一步，计算系统406包括软件428和数据库430。软件428包括焊接设计软件432、焊接控制软件434、修整软件436、成形外形生成软件438、成形控制软件439和测试软件440。焊接设计软件432和焊接控制软件434在计算系统406上运行，从而控制通过焊接机器420在许多板416上执行的焊接操作。
在该描述的例子中，运行修整软件436从而控制通过修整工具424在毛坯418上执行的修整操作。运行成形外形生成软件438和成形控制软件439，从而控制成形机器422，该成形机器422从毛坯418形成组件419。运行测试软件440从而通过测试设备426控制对毛坯418和组件419的测试。
在该例示性例子中，数据库430存储软件428使用的信息从而控制许多机器404。该信息可为，例如不限于数据、命令、消息、用于许多机器404的参数、安全指南和/或其他适当类型的信息。用于许多机器404的参数可包括但不限于，例如许多板416的厚度、用于钛408的颗粒尺寸、用于焊接机器420的每分钟主轴旋转速度、用于焊接机器420的进给速率和/或其他适当的参数。
图4中的制造环境400的例证不意味着暗含对不同有利实施例可实现的方式的物理或体系结构限制。可使用另外的和/或代替的其他组件。在有些有利实施例中，有些组件不需要。同样，呈现的方框是为了例证有些功能性组件。当实现在不同有利实施例中时，一个或更多这些方框可以被组合和/或分解成不同的方框。
现在参考图5，其依照有利实施例，描述制造环境图。在该例示性例子中，制造环境500是图4中的制造环境400的一个实现方式的例子。在制造环境500中，使用成形过程从而形成唇皮，例如图3中的唇皮300。该成形过程可为超塑成形过程。
在该例示性例子中，制造环境500包括轨道系统502、模具部分504和盖子部分506。模具部分504具有底座507和具有形状510的模子508。形状510可为将成形的唇皮的形状。如在该例子中所描述的，通道508接收毛坯512。毛坯512包含多个钛板。这些钛板包括钛板514、钛板516、钛板518、钛板520、钛板522、钛板524、钛板526和钛板528。在其他例示性例子中，毛坯512可由不同的许多个钛板形成。
如所描述的，钛板514-528具有定制的形状。换句话说，钛板514-528被配置成当相对于彼此定位时，钛板514-528形成象甜甜圈/圆环的形状，从而形成毛坯512。在这些例示性例子中，用于钛板514-528的定制形状可由多个钛板切割而成，以便多个钛板中的至少约75％被用于钛板514-528中的每一板。
毛坯512被放置在模具部分504上。通过使用模具部分504的轮子系统530，模具部分504在轨道系统502上朝向盖子部分506移动。移动模具部分504直到毛坯512定位在盖子部分506下方。可以使用液压托梁532、534、536和538将盖子部分506降低至毛坯512上。在该例示性例子中，盖子部分506可被降低，以便压力机540啮合毛坯512。当压力机540啮合毛坯512时，加压气体可通过压力机540导入，以便毛坯512被压入模具部分502的模子508中。毛坯512被压入模子508中，以便毛坯512采取正在形成的唇皮的形状510的形式。
现在参考图6，其依照有利实施例，描述定位在模具部分和盖子部分之间的毛坯的横截面图。在该例示性例子中，毛坯512被搁在模具部分504的底座507上。压力机540定位在毛坯512上方并被搁在毛坯512的顶部上。进一步，压力机540使用支撑物600、602、604和606而搁在毛坯512上。
在该例示性例子中，加压气体可通过压力机540通过通道608导入。加压气体可通过压力机540的端口610和612到达毛坯512。加压气体可用于将毛坯512压入模具部分504的模子508中。
现在参考图7，其依照有利实施例，描述压入模具部分的模子内的毛坯的横截面图。在该例示性例子中，模具部分504可被加热。模具部分504发出的热和通过端口610和612进入的加压气体允许毛坯512被压入模具部分504的模子508中。如所描述的，毛坯512可被压入模子508中从而形成唇皮700。
现在参考图8，其依照有利实施例，描述对焊接头的图。在该例示性例子中，通过在铁毡806上方连结钛板802和钛板804来形成对焊接头800。钛板802和钛板804的这种连结可使用激光焊接过程来实现。进一步，垫板808也可使用激光焊接过程被连结到对焊接头800。
现在参考图9，其依照有利实施例，描述焊接装置的图。在该例示性例子中，使用焊接装置900从而在对焊接头800处形成焊缝902。在该例示性例子中，焊接装置900使用摩擦搅拌焊接形成焊缝902。焊接装置900由焊接工具904和搅拌销子906组成。
如在该例子中描述的，焊接装置900沿着对焊接头800沿箭头908方向移动。进一步，随着焊接装置900的移动，搅拌销子906沿箭头910的方向旋转。随着焊接装置900移动和搅拌销子906旋转，焊接装置900施加力912。
随着焊接装置900将钛板802和钛板804连同垫板808焊接在一起，形成焊点熔核914。随着焊接装置900在对焊接头800上推动，焊点熔核914从钛板802和钛板804的部分的置换中形成。随着焊点熔核914形成，斑纹916在焊缝902的表面918上形成。如所描述的，斑纹916会因为搅拌销子906的转动而具有圆形形状。
被激光焊接至对焊接头800的垫板808确保沿对焊接头800执行焊接后，焊点熔核914具有与钛板802和钛板804的未焊接部分基本相同的厚度。
现在参考图10，其依照有利实施例，描述焊缝的横截面图。在该例示性例子中，焊接装置900的搅拌销子906的顶端1000置换钛板802和钛板804的部分，从而形成焊点熔核914。
在搅拌销子906旋转并且焊接装置900以力912向下推时，搅拌销子906的顶端1000和钛板802、钛板804的部分之间的接触产生摩擦热。该摩擦热软化钛板802和钛板804接近搅拌销子906的顶端1000的部分。该软化允许焊点熔核914形成。在该例示性例子中，焊点熔核914的温度不超过钛板802和钛板804的熔点。如此，避免或者减少在焊点熔核914中的孔洞和/或热裂纹。
现在参考图11-13，其依照有利实施例，描述测试件的图。在这些例示性例子中，使用摩擦搅拌焊接过程焊接两个钛件，从而形成测试件。摩擦搅拌焊接过程在每一个测试件中都形成焊点熔核。为摩擦搅拌焊接过程选择的一组参数确定了焊点熔核的超塑性特性。每一个测试件都使用超塑成形过程而被伸长，从而确定在测试件中产生的超塑应变的量。与测试件母体材料相比在焊点熔核中产生的超塑应变的量可通过使用下列公式计算厚度比而被确定：
厚度比＝(ep)/(ew)
其中ep是母体材料超塑伸长后的母体材料厚度，而ew是焊点熔核超塑伸长后的焊点熔核厚度。
首先参考图11，测试件1100具有焊点熔核1102、部分1104和部分1106。部分1104和部分1106是测试件1100的部分，其包含测试件1100的母体材料，在该例子中母体材料是钛。
选择来形成焊点熔核1102的一组参数是这样的，即使得焊点熔核1102相比部分1104和部分1106具有更小的厚度。换句话说，相比部分1104和部分1106，在焊点熔核1102中产生更大的超塑应变。
现在参考图12，测试件1200具有焊点熔核1202、部分1204和部分1206。部分1204和部分1206由测试件1200的母体材料组成，在该例子中母体材料是钛。
选择来形成焊点熔核1202摩擦搅拌焊接过程的参数是这样的，即使得部分1204和部分1206相比焊点熔核1202具有更大的厚度。换句话说，相比焊点熔核1202，在部分1204和部分1206中产生更大的超塑应变。
现在参考图13，测试件1300具有焊点熔核1302、部分1304和部分1306。部分1304和部分1306由测试件1200的母体材料组成，在该例子中母体材料是钛。
选择来形成焊点熔核1302的摩擦搅拌焊接过程的参数是这样的，即使得焊点熔核1302、部分1304和部分1306获得基本相同的厚度。换句话说，在焊点熔核1302、部分1304和部分1306中产生基本相同的超塑应变量。此外，焊点熔核1302、部分1304和部分1306跨过测试件1300均一伸长，以便部分1304和部分1306基本不变细。
在该例示性例子中，可计算出厚度比为大约1.0。大约1.00的厚度比指示测试件1300的母体材料和焊点熔核1302在伸长后具有基本相同的厚度。
当在成形过程中使用毛坯时，期望大约1.1至大约1.25的厚度比。在具有大约1.1至大约1.25的厚度比的情况下，伸长之后焊点熔核可具有比母体材料厚大约1％至25％的厚度。该厚度允许焊点熔核和母体材料在伸长后具有许多基本相同的特性。这些特性可包含但不局限于，例如强度、疲劳特性、断裂韧度性能、抗腐蚀性、碰撞损伤容限、颗粒组成和/或其他适当的特性。
材料的颗粒组成可包括以下的至少一个：颗粒尺寸、颗粒取向、材料内的颗粒密度和/或其他适当的颗粒特性。
在不同的有利实施例中，焊点熔核的超塑应变可通过用于形成焊点熔核的焊接过程来确定。例如，关于摩擦搅拌焊接过程，焊点熔核的超塑应变可随着主轴速度和摩擦搅拌焊接装置的进给速率的增大而减小。在不同有利实施例中，毛坯的超塑应变在大约每秒每英寸1×10-2英寸至大约每秒每英寸5×10-6英寸之间。
摩擦搅拌焊接过程可被调整，从而实现焊点熔核的理想超塑应变。该调整可以基于在摩擦搅拌焊接过程期间跨过焊点熔核产生的相对温度。此外，可使用拟热比做该调整。该拟热比使用以下公式计算：
拟热比＝(N)2/(fr)
其中N是主轴速度，以每分钟的转数(rmp)表示，而fr是进给速率，以每秒钟的毫米数表示(mm/sec)。
在这些例示性例子中，用于拟热比的计算值用于解释产生的热量，该热量由于在摩擦搅拌焊接过程中产生的摩擦的量而产生。拟热比计算值可被调整比例从而适合数据曲线。相比进给速率的改变，主轴速度的改变可对摩擦搅拌焊接期间所产生的热能量产生更大的影响。
现在参考图14，其依照有利实施例，描述了厚度比的图表。在该例示性例子中，图表1400绘制厚度比的图，其是测试件的母体材料厚度和测试件的焊点熔核的厚度比。在该例示性例子中，母体材料可为5083-SP铝合金。此外，焊点熔核可使用摩擦搅拌焊接过程形成。
图表1400图解沿测试件长度的测试件厚度比的数据曲线。水平轴线1402是距形成焊点熔核的焊接过程的开始处的距离。垂直轴线1404是厚度比。数据曲线1406是关于大约每秒150毫米的恒定进给速率和变化的主轴速度。
数据曲线1406中的每一条都具有三个测试点，其取自距焊接过程开始的大约75毫米、大约125毫米和大约175毫米处的距离。
大约为1的厚度比为焊点熔核提供了理想的超塑应变。可使用图表1400来确定将提供厚度比大约为1的主轴速度和进给速率。大约为1的厚度比可在进给速率大约为每秒150毫米、主轴速度大约为每分钟420转的情况下实现。
如图表1400所描述的，随着主轴速度增大，焊点熔核的超塑应变减小。随着主轴速度增大，摩擦搅拌焊接过程中产生的热量可增加焊点熔核内的温度。该增加的温度可降低焊点熔核的超塑性。
现在参考图15，其依照有利实施例，描述拟热比和用于测试件的厚度比的比值间关系的曲线图表。在该例示性例子中，图表1500具有水平轴线1502和垂直轴线1504。水平轴线1502是拟热比，而垂直轴线1504是厚度比。该厚度比以所述厚度比计算。
在该例示性例子中，曲线1506是最适合图表1500中的数据曲线点1508的曲线。如点1510所示，大约为30的拟热比可提供大约为1的理想厚度比。使用大约为30的拟热比，可计算用于主轴速度和进给速率的许多参数值。为了实现焊点熔核内的理想超塑应变，这些值可用于调整摩擦搅拌焊接过程。
在不同的有利实施例中，用于焊点熔核的理想超塑应变在大约每秒每英寸1×10-2英寸至大约每秒每英寸5×10-6英寸之间。具有这种超塑性类型的焊点熔核在超塑成形过程后具有比母体材料厚大约1％至25％的厚度。焊点熔核的附加厚度确保了焊点熔核在超塑成形过程期间不变薄。
此外，在不同的有利实施例中，摩擦搅拌焊接可被调整以便焊点熔核和母体材料具有基本相同的颗粒组成。例如，当使用细颗粒钛形成毛坯时，摩擦搅拌焊接过程可被调整以便形成的焊点熔核具有与母体钛基本相同的颗粒组成。通过使焊点熔核和母体钛的颗粒组成匹配，可实现用于毛坯的理想超塑性。
此外，在焊点熔核和母体材料都具有类似的颗粒组成的情况下，用于形成毛坯的超塑成形过程可在大约华氏1425度至大约华氏1450度之间的温度下实施。在有些有利实施例中，成形过程可在大约华氏1300度至大约华氏1750度之间的温度下实施。
现在参考图16，其依照有利实施例，描述用于制造组件的过程的流程图。在图16中图解的过程可在图4中的制造环境中实现。
该过程首先焊接多个钛板从而形成具有许多焊点熔核的毛坯(操作1600)。焊点熔核可在钛板被焊接操作结合的部分处形成。然后该过程将毛坯放置在模具部分和盖子部分之间(操作1602)。模具部分可以是被加热模具部分，其又加热毛坯至大约华氏1300度至大约华氏1750度之间的温度。
其后，该过程在盖子部分和模具部分之间引入加压气体，从而将毛坯压入模具部分中的模子中，从而形成组件(操作1604)。操作1602和1604可包含超塑成形过程。在操作1604中，毛坯可被压入模子中，以便毛坯在具有超塑应变的情况下伸长。
此外，操作1600中的焊接操作可被实施成响应超塑成形过程可以为毛坯计算大约1.1至大约1.25之间的厚度比。在这些例示性例子中，厚度比是母体材料的厚度与焊点熔核的厚度的比。
现在参考图17，其依照有利实施例，示出用于在测试件上实施测试过程的流程图。图17中示出的过程可在使用图4中的测试设备426的制造环境400中实现。
该过程首先输入用于超塑成形过程的许多参数(操作1700)。这些参数可在测试件上被测试，以便当形成毛坯时超塑成形过程可被调整。所述参数可包括但不限于，例如厚度、颗粒尺寸、模锻载荷、主轴速度、进给速率、搅拌销子磨损、水流和/或其他适当的参数。然后，该过程为测试件形成对焊接头(操作1702)。其后，该过程摩擦搅拌焊接对焊接头从而形成焊点熔核(操作1704)。然后该过程通过使测试件伸长从而在焊点熔核中和测试件的母体材料中产生超塑应变而进行测试(操作1706)。
该过程记录测试的结果(操作1708)。然后，该过程确定是否应基于结果而调整参数(1710)。如果参数不被调整，则该过程绘制该数据(操作1712)，而其后该过程终止。否则，该过程返回操作1700。
现在参考图18，其依照有利实施例，描述用于摩擦搅拌焊接过程的参数识别过程图。在该例示性例子中，图18中图解的过程可在图4中的制造环境400中实现。
该过程首先输入用于摩擦搅拌过程的许多参数(操作1800)。这些参数可包括但不局限于，例如厚度、颗粒尺寸和/或其他适当的参数。该过程然后确定是否使用垫板(操作1802)。如果使用垫板，然后该过程输入用于垫板的许多参数(操作1804)。这些参数包括但不局限于，例如厚度和颗粒尺寸。
然后，该过程基于输入的参数计算厚度比(操作1806)和拟热指数(操作1808)。操作1806和操作1808可通过访问数值数据库执行。其后，该过程然后基于理想厚度比和理想拟热指数来识别理想主轴速度和理想进给速率(操作1810)。然后使用理想主轴速度和理想进给速率从而识别用于摩擦搅拌焊接过程的主轴速度和进给速率(操作1812)，而其后过程终止。
重新参考操作1802，如果不使用垫板，过程继续上述的操作1806。
现在参考图19，其依照有利实施例，描述用于摩擦搅拌焊接的过程图。图19中图解的过程可在图4中的制造环境400中实现。
该过程首先将两个金属件定位在一起(操作1900)。然后，该过程激光焊接两个金属件，从而形成对焊接头(操作1902)。该过程在对焊接头的顶部上激光焊接垫板(操作1904)。其后，该过程输入用于摩擦搅拌焊接过程的许多参数(操作1906)。这些参数可包括以每分钟转数表示的主轴速度、进给速率、销子磨损、力和/或其他适当的参数。然后，该过程摩擦搅拌焊接对焊接头(操作1908)，而其后过程终止。
现在参考图20，其依照有利实施例，示出执行修整操作的过程的流程图。图20中图解的过程可在图4中的制造环境400中实现。
该过程首先确定已被摩擦搅拌焊接的毛坯内是否出现毛口(burr)
(操作2000)。如果出现毛口，该过程磨掉毛口(操作2002)。然后，该过程确定斑纹是否出现在焊点熔核的表面上(操作2004)。如果未出现斑纹，则过程终止。相反，如果出现斑纹，该过程机加工掉斑纹(操作2006)，而其后过程终止。重新参考操作2000，如果毛口未出现，该过程继续到上述操作2004。
现在参考图21-25，其依照有利实施例，描述测试结果表。在这些例示性例子中，表是结果的例子，该结果通过在操作1706中执行测试而产生并且然后在图17的操作1708中被记录。
首先参考图21，表2100依照有利实施例被描述。然后参考图22，表2200依照有利实施例被描述。然后参考图23，表2300依照有利实施例被描述。然后参考图24，表2400依照有利实施例被描述。然后参考图25，表2500依照有利实施例被描述。
不同有利实施例的描述已出于图解和描述的目的被呈现，其不是详尽或者限制于公开的实施例的形式。本领域技术人员应明白有许多更改和改变。
虽然已描述了关于飞机的不同有利实施例，不同有利实施例也认识到，有些有利实施例也可应用在其他类型的平台。例如，不限于，其他有利实施例也认识到，有些有利实施例可应用在移动平台、固定平台、陆基结构(land-based structure)、水基结构(aquatic-based structure)、空基结构(space-based structure)和/或有些其他适当的对象。更特别地，不同有利实施例可应用在而不限于，例如潜艇、公共汽车、人员运输车、坦克、火车、汽车、宇宙飞船、宇宙空间站、卫星、水面舰艇、发电站、大坝、制造设施、建筑物和/或有些其他适当的对象。
此外，相比其他有利实施例，不同的有利实施例可提供不同的优点。选择的实施例或多个实施例被选择和描述是为了最好地解释实施例的原理、实际应用，并且使本领域其他普通技术人员理解，具有不同更改的不同实施例的公开适合考虑的特别用途。

Claims (35)

1.一种制造方法，其包括：
焊接多个金属板从而形成具有许多焊点熔核的毛坯；
将所述毛坯放置在模具部分和盖子部分之间，其中所述模具部分被加热从而加热所述毛坯；
在所述盖子部分和所述模具部分之间引入加压气体，从而将所述毛坯压入所述模具部分中的模子中来形成组件，其中在形成所述组件后，所述许多焊点熔核具有在大约1.1至大约1.25之间的理想厚度比，以便所述多个金属板和形成的所述组件具有许多基本相同的特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述许多特性从以下的组中选择：强度、疲劳特性、断裂韧度性能、抗腐蚀性、碰撞损伤容限以及颗粒组成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述金属板是钛板，并且进一步包含执行加热或冷却所述毛坯中的至少一项，从而在所述毛坯被所述模具部分加热后使得所述毛坯达到大约华氏1300度至大约华氏1750度之间的温度。
4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的方法，其中在形成所述组件期间，所述毛坯具有的应变比在每秒每英寸1×10-2英寸至每秒每英寸5×10-6英寸之间。
5.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的方法，其中所述毛坯的不是所述许多焊点熔核处的部分是所述金属板的母体金属，并且其中在形成所述组件期间所述母体金属伸长得比所述许多焊点熔核多约1％至约25％倍。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在所述组件形成后，在所述毛坯中的所述母体金属和所述许多焊点熔核具有许多基本相同的特性。
7.根据权利要求1-6中任一项权利要求所述的方法，其中所述金属板中的金属从以下至少一种中选择：金属合金、铝、钛、镁、钢、铝合金、钛合金、镁铝合金、铝锂合金、镍铬铁合金、镍钢合金和金属超合金。
8.一种器械，其包含：
第一金属件；
第二金属件，其中所述第一金属件和所述第二金属件被结合而形成对焊接头；
垫板，其附在所述对焊接头上；以及
摩擦搅拌焊接机器，其包含砧子、销子工具和冷却元件，其中，所述销子工具绕轴线旋转、沿垂直于所述轴线的方向运动并且在所述垫板和所述对焊接头上施加向下的力，从而将所述两个金属件焊接在一起，从而形成焊点熔核，其中所述焊点熔核在超塑成形过程后具有在大约1.1至大约1.25之间的理想厚度比，并且其中在所述超塑成形后所述第一金属件、所述第二金属件和所述焊点熔核具有许多基本相同的许多特性。
9.根据权利要求8所述的器械，其中所述许多特性从以下的组中选择：强度、疲劳特性、断裂韧度性能、抗腐蚀性、碰撞损伤容限以及颗粒组成。
10.根据权利要求8或9所述的器械，其中被焊接的所述第一金属件和所述第二金属件形成具有所述焊点熔核的毛坯。
11.根据权利要求10所述的器械，其中所述第一金属件和所述第二金属件是钛件，并且其中在所述超塑成形过程期间所述毛坯被加热至大约华氏1300度至大约华氏1750度之间的温度。
12.根据权利要求10或11所述的器械，其中所述毛坯在所述超塑成形过程期间具有的应变比在每秒每英寸1×10-2英寸至每秒每英寸5×10-6英寸之间。
13.根据权利要求10-12中任一项权利要求所述的器械，其中所述毛坯的不是所述许多焊点熔核处的部分是所述金属板的母体金属，并且其中在所述超塑成形过程中所述母体金属伸长得比所述许多焊点熔核多约1％至约25％倍。
14.根据权利要求8-13中任一项权利要求所述的器械，其中所述第一金属件和所述第二金属件从以下至少一种中选择：金属合金、铝、钛、镁、钢、铝合金、钛合金、镁铝合金、铝锂合金、镍铬铁合金、镍钢合金和金属超合金。
15.一种用于制造组件的方法，所述方法包含：
在理想温度下将金属板摩擦搅拌焊接在一起从而形成具有焊点熔核的毛坯；以及
使用超塑成形过程从而由所述毛坯形成所述组件，其中在所述超塑成形过程后所述焊点熔核具有在大约1.1至大约1.25之间的理想厚度比，其中所述焊点熔核和被摩擦搅拌焊接的所述金属板具有在大约每秒每英寸1×10-2英寸至大约每秒每英寸5×10-6英寸之间的应变比，并且其中在所述超塑成形过程后被焊接的所述金属板和所述焊点熔核具有基本相同的许多特性。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述毛坯的不是所述焊点熔核处的部分是母体金属，并且其中在所述超塑成形过程中所述母体金属伸长得比所述焊点熔核多约1％至约25％倍。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述许多特性从以下选择：强度、疲劳特性、断裂韧度性能、抗腐蚀性、碰撞损伤容限以及颗粒组成。
18.根据权利要求15-17中任一项权利要求所述的方法，其中所述金属板是钛板。
19.根据权利要求15-18中任一项权利要求所述的方法，其中所述组件是用于喷气发动机的机舱的唇皮。
20.根据权利要求15-19中任一项权利要求所述的方法，其中所述毛坯被选择成具有不是矩形形状或正方形形状的至少一种形状，并且至少有一个维度更长。
21.一种制造方法，其包含：
焊接多个钛板从而形成具有许多焊点熔核的毛坯；
将所述毛坯放置在模具部分和盖子部分之间，其中所述模具部分被加热从而加热所述毛坯；
在所述盖子部分和所述模具部分之间引入加压气体，从而将所述毛坯压入所述模具部分中的模子中而形成组件，其中所述许多焊点熔核具有在大约1.1至大约1.25之间的理想厚度比，以便所述多个钛板和形成的所述组件具有基本相同的许多特性。
22.一种用于制造钛结构的方法，所述方法包含：
将多个钛件摩擦搅拌焊接在一起从而形成具有焊点熔核的毛坯，其中所述焊点熔核具有理想超塑性；以及
从所述毛坯形成所述钛结构，其中在所述钛结构的成形期间所述焊点熔核比所述毛坯的其他部分伸长得少大约1％至大约25％。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述钛结构是用于飞机发动机的机舱的唇皮，其中所述唇皮至少有一个维度大于大约1.2米。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中形成所述钛结构的步骤是通过使用从超塑成形过程和热蠕变成形过程中选择的一个过程而被执行的。
25.根据权利要求22-24中任一项权利要求所述的方法，其中所述多个钛件具有常规形状。
26.根据权利要求22-25中任一项权利要求所述的方法，其中多个钛件是由整体板切割的以便所述整体板的至少约75％包含所述段。
27.根据权利要求22-26中任一项权利要求所述的方法，其中所述毛坯具有甜甜圈状的形状且其具有多个超塑焊缝，所述焊缝具有比所述母体钛板薄大约1％至25％的超塑厚度。
28.根据权利要求22-27中任一项权利要求所述的方法，进一步包含处理所述机舱的进口从而提高空气动力学性能从而减少飞行中的拖曳。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述处理步骤包括磨削、砂纸打磨或者其他方式抛光所述进口的外部表面。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述处理步骤包括通过使用包含两个被结合的板和气体管入口的密封包由此通过施加真空并且灌冲惰性气体来使用惰性气体更换所述板之间的空气，从而基本避免在所述进口的内部表面上的任何α相的形成。
31.根据权利要求23所述的方法，进一步包含：
在成形的所述唇皮里面安装单独的隔板，以作为在所述机舱的前向顶端处浓缩除冰加热空气的辅助。
32.根据权利要求22-31中任一项权利要求所述的方法，其中形成所述钛结构的步骤包含：在摩擦搅拌焊接所述对焊接头之前将垫板熔焊至对焊接头的顶侧，并且然后机加工超过对接焊缝的顶部表面的部分，以便在超塑成形或热蠕变成形之前所述对接焊缝最初具有如母体金属板大约相同的厚度和大约相同的表面粗糙度。
33.根据权利要求22所述的方法，其中所述钛结构是用于飞机前缘或机翼的结构构件、尾翼、或操纵面组件的毛坯。
34.根据权利要求22-33中任一项权利要求所述的方法，其中所述毛坯的段被局部地加厚，从而获得更厚的成形部分，从而适应紧固件需求或者解决比其他不需要额外厚度的区域更高的局部应力。
35.根据权利要求22-34中任一项权利要求所述的方法，其中在摩擦搅拌焊接前，所述毛坯的段被局部激光焊接，从而避免摩擦搅拌焊接和超塑成形之后在所述对焊接头的底部处焊接的未焊透。
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