CN103331515B - 一种用于整体叶盘制造的线性摩擦焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于整体叶盘制造的线性摩擦焊接方法，所述整体叶盘由多个叶片和轮盘焊接而成，所述叶片具有一体成型的叶片凸台，所述叶片凸台与所述轮盘的圆锥面直接接触，通过线性摩擦焊接在所述轮盘上。本发明的用于整体叶盘制造的线性摩擦焊接方法，通过对构成整体叶盘的叶片和轮盘的相对位置的确定步骤，实现了保留叶片一侧的焊接台，取消轮盘一侧的焊接台，使叶片的焊接台直接和轮盘的圆锥面进行焊接，从而简化了轮盘的外形结构、减小了轮盘的毛坯尺寸、提高了材料利用率、减小了加工难度和加工工作量，同时降低轮盘的制造成本。

Description

一种用于整体叶盘制造的线性摩擦焊接方法

技术领域

本发明是有关于一种线性摩擦焊接方法，具体来说，是有关于一种用于整体叶盘制造时，可用于整体叶盘的轮盘和叶片的线性摩擦焊接方法。

背景技术

线性摩擦焊技术的焊接原理是，一个振动工件高频往复振动，另一个顶锻工件在一定负载力作用下和振动工件接触，在接触界面上产生摩擦热，界面温度快速升高，界面金属软化并发生塑性流动，形成飞边被挤出；当界面金属被挤出到一定程度，振动工件快速停止振动，保持负载力一定时间，界面金属通过相互扩散与再结晶焊接在一起，从而完成整个焊接过程。

目前的线性摩擦焊零件进行结构设计时，振动工件和顶锻工件均需要加工出焊接台，焊接台的端面是平面，而且轮廓完全相同。

如图1所示，以整体叶盘1的制造过程为例，其在制造的时候需要采用线性摩擦焊接技术将若干叶片10焊接到轮盘20上。在焊接之前，为满足焊接工艺的要求，需要在轮盘20的外侧圆锥面21上加工出与叶片10数量相同的轮盘凸台22，轮盘凸台22的端面和四个侧面的精度要求很高，轮盘凸台22需要使用五坐标数控加工中心才能保证精度要求。轮盘20和叶片10焊接前的状态如图1所示，主要包括：轮盘20、圆锥面21、轮盘凸台22、叶片10、叶片装夹台11、叶片凸台12等。

结构要点如下：轮盘20的外侧圆锥面21上加工出若干轮盘凸台22，轮盘凸台22和相邻凸台之间的面是圆锥面21，以上所示的轮盘凸台22、圆锥面21均在五坐标数控加工中心上加工完成，而且轮盘凸台22的外端面和四个侧面均需要有较高的精度。叶片10的结构包括叶片凸台12、叶片装夹台11，叶片凸台12和轮盘凸台22的尺寸相同，在焊接过程中二者以一定压力接触后摩擦焊接，叶片装夹台11用来定位并固定整个叶片的空间位置，焊接后需要保证叶片10的空间位置精度。

为实现线性摩擦焊接，需要在整体叶盘1的轮盘20、叶片10等零件上加工出轮盘凸台22、叶片凸台12，轮盘20和叶片10等零件的外形结构复杂，对于轮盘20的薄壁构件来说明显增大了毛坯材料的尺寸和重量，导致材料利用率较低，加工量大，易变形；而且轮盘凸台22、叶片凸台12的加工精度较高，对于轮盘20的轮盘凸台22需要在五坐标数控加工中心上才能实现，加工完后还需要使用三坐标测量机进行所有轮盘凸台22、叶片凸台12的测量，所以，当前技术的缺点如下：

(1)明显增大了轮盘20等薄壁构件毛坯材料的尺寸和重量，导致材料利用率较低，而且加工量大易导致薄壁构件产生变形；

(2)轮盘凸台22的加工需要使用五坐标数控加工中心设备，导致轮盘加工周期长、加工费用高；

(3)需要使用三坐标测量机进行所有轮盘凸台22、叶片凸台12的测量，测量时间长、测量费用高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于整体叶盘制造的线性摩擦焊接方法，以减少或避免前面所提到的问题。

具体来说，本发明提供了一种用于整体叶盘制造的线性摩擦焊接方法，该方法通过对构成整体叶盘的叶片和轮盘的相对位置的确定步骤，实现了仅需保留叶片一侧的焊接台，取消轮盘一侧的焊接台，使叶片的焊接台直接和轮盘的圆锥面进行焊接。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于整体叶盘制造的线性摩擦焊接方法，所述整体叶盘由多个叶片和轮盘焊接而成，所述叶片具有一体成型的叶片凸台，所述叶片凸台与所述轮盘的圆锥面直接接触，通过线性摩擦焊接在所述轮盘上，所述方法包括如下步骤：

A：提供一个叶片模拟件和一个轮盘模拟件，将所述叶片模拟件和所述轮盘模拟件分别安装到叶片夹具和轮盘夹具上，通过检测所述叶片模拟件和所述轮盘模拟件之间的相对位置，确定所述叶片模拟件和所述轮盘模拟件在所述叶片夹具和所述轮盘夹具上的正确位置；

B：将所述叶片模拟件和所述轮盘模拟件分别从所述叶片夹具和所述轮盘夹具上拆卸下来，将所述叶片和轮盘安装到所述叶片夹具和所述轮盘夹具上；

C：使所述叶片凸台与所述轮盘的圆锥面直接接触，通过线性摩擦将所述叶片焊接在所述轮盘上；

D：将所述轮盘相对所述轮盘夹具转动预定的角度，在所述叶片夹具上安装另一个叶片，重复上述步骤C，将全部叶片焊接在所述轮盘上；

E：通过机械加工，将所述叶片凸台以及多余的焊接余料结构切除。

所述步骤A进一步包括如下步骤：

所述叶片模拟件包括具有一个顶部平面的夹持块，在所述夹持块上设置一个百分表，将所述叶片模拟件连同所述夹持块和所述百分表安装到所述叶片夹具上；

在所述轮盘模拟件上固定一个具有两个相互垂直的第一平面和第二平面的检测轴，将所述轮盘模拟件连同所述检测轴安装到所述轮盘夹具上；

利用所述百分表垂直于所述检测轴的第一平面，检测所述叶片模拟件和所述轮盘模拟件的水平相对位置；利用所述夹持块的顶部平面与所述检测轴的第二平面的垂直距离，检测所述叶片模拟件和所述轮盘模拟件的垂直相对位置。

本发明的用于整体叶盘制造的线性摩擦焊接方法的特点和优点是：通过对构成整体叶盘的叶片和轮盘的相对位置的确定步骤，实现了仅仅保留叶片一侧的焊接台，取消轮盘一侧的焊接台，使叶片的焊接台直接和轮盘的圆锥面进行焊接，从而简化了轮盘的外形结构、减小了轮盘的毛坯尺寸、提高了材料利用率、减小了加工难度和加工工作量，同时降低轮盘的制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1显示的是背景技术所述整体叶盘的制造结构分解透视图；

图2显示的是根据本发明的一个具体实施例的整体叶盘的制造结构分解透视图；

图3显示的是焊接前的叶片的剖视图；

图4显示的是焊接后，切除凸台以及多余的焊接余料结构后的一个叶片和叶盘的结构示意图；

图5显示的是焊接定位结构的立体图；

图6显示的是图5所示焊接定位结构的侧视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2显示的是根据本发明的一个具体实施例的整体叶盘的制造结构分解透视图，对比图1和图2可以明显看出，本发明的用于整体叶盘1制造的线性摩擦焊接方法中，仅仅保留了叶片10一侧的叶片凸台12，取消了轮盘20一侧的焊接台，使叶片10的叶片凸台12直接和轮盘20的圆锥面21进行焊接，从而简化了轮盘20的外形结构、减小了轮盘20的毛坯尺寸、提高了材料利用率、减小了加工难度和加工工作量，同时降低轮盘20的制造成本。

参见图1，叶片10和轮盘20上均设计了轮廓相同的叶片凸台12、轮盘凸台22，主要原因在于两方面。一方面是目前所有关于线性摩擦焊的技术书籍、论文中提到的线性摩擦焊接台设计都是相同的，工艺设计人员的主观上接受了这一设计思路，认为轮廓相同的焊接台焊接时由于整个面同时接触摩擦，有利于摩擦热的产生和焊接材料的挤出，主观上认为有利于获得良好的焊接接头，形成了固定的工艺设计思维；

另一方面，轮廓相同的叶片凸台12、轮盘凸台22能够比较容易实现叶片10和轮盘20的对正，容易保证叶片10和轮盘20的相对位置关系。只要叶片10和轮盘20的叶片凸台12、轮盘凸台22的顶面和侧面实现共面，二者的相对位置关系就确定了。在实际工作中，叶片凸台12、轮盘凸台22的共面状态非常直观，而且采用量具也比较容易准确测量。

如果省略轮盘20一侧的轮盘凸台22(图2中是没有的)，在带来若干好处的同时，可能带来的缺陷就体现在以上两方面。一方面，由于叶片10和轮盘20的焊接面轮廓不相同，甚至叶片10的叶片凸台12是平面，轮盘20的焊接面是圆锥面21。焊接时，先是局部接触摩擦，然后随着摩擦的进行和材料的消耗，焊接面是逐渐过渡到整个面接触的，所以，接头边缘可能会产生未焊合等焊接缺陷。为此，发明人专门进行了平面和圆锥面的线性摩擦焊接试验，试验结果证明，叶片10和轮盘20焊接面轮廓的变化并未产生焊缝缺陷。也就是说，在叶片10和轮盘20上都设置叶片凸台12、轮盘凸台22是一种明显的技术偏见，实际焊接的时候完全可以做到不需要在轮盘20上设置轮盘凸台22。

另一方面，当取消轮盘20一侧的轮盘凸台22后，无法再向以前那样，只要叶片10和轮盘20的叶片凸台12、轮盘凸台22的顶面和侧面实现共面，二者的相对位置关系就能确定，所以，给整体叶盘1的叶片10和轮盘20的对正带来了一定困难，为解决这个问题，本发明提供了叶片10和轮盘20对准的方法，以实现二者相对位置关系的确定。

具体来说，本发明的用于整体叶盘制造的线性摩擦焊接方法中，所述整体叶盘1由多个叶片10和轮盘20焊接而成，所述叶片10具有一体成型的叶片凸台12，所述叶片凸台12与所述轮盘20的圆锥面21直接接触，通过线性摩擦焊接在所述轮盘20上，如图2所示。

其中，图3显示的是叶片10焊接前的剖视图，图中可见叶片凸台12、叶片装夹台11属于叶片10的一个完整的实体材料的不同部位，焊接之后需要将叶片装夹台11以及焊接余料通过机械加工的方式去除，如图4所示。

具体来说，本发明的用于整体叶盘制造的线性摩擦焊接方法包括如下步骤：

A：提供一个叶片模拟件和一个轮盘模拟件，将所述叶片模拟件和所述轮盘模拟件分别安装到叶片夹具和轮盘夹具上，通过检测所述叶片模拟件和所述轮盘模拟件之间的相对位置，确定所述叶片模拟件和所述轮盘模拟件在所述叶片夹具和所述轮盘夹具上的正确位置。本步骤中的叶片模拟件和轮盘模拟件的位置定位方法将随后详细描述。

本步骤中，叶片模拟件和轮盘模拟件是仅仅是用于定位用的模拟构件，其外形可以与真实的叶片和轮盘完全相同，当然，从成本上考虑，叶片模拟件和轮盘模拟件仅需要具有适于定位的外形即可，而且其构成材料也可以采用易于加工成型且轻便的塑料、铝合金或者木材等。

叶片模拟件和轮盘模拟件的位置定位方法可以参照附图5-6进行说明，如图所示，首先，所述叶片模拟件10’包括具有一个顶部平面111的夹持块11’，在所述夹持块11’上设置一个百分表30，将所述叶片模拟件10’连同所述夹持块11’和所述百分表30安装到所述叶片夹具上。

然后，在所述轮盘模拟件20’上固定一个具有两个相互垂直的第一平面41和第二平面42的检测轴40，将所述轮盘模拟件20’连同所述检测轴40安装到所述轮盘夹具上。

最后，利用所述百分表30垂直于所述检测轴40的第一平面41，检测所述叶片模拟件10’和所述轮盘模拟件20’的水平相对位置；利用所述夹持块11’的顶部平面111与所述检测轴40的第二平面42的垂直距离，检测所述叶片模拟件10’和所述轮盘模拟件20’的垂直相对位置。

具体来说，水平相对位置的检测是利用所述百分表30垂直于所述检测轴40的第一平面41，检测所述叶片模拟件10’和所述轮盘模拟件20’的水平相对位置是否达到三维设计模型中的理论相对位置，如果有误差，使用调整螺钉等工具在平行于百分表表杆轴线的方向上整体平行移动轮盘夹具，直到达到理论相对位置±0.03mm范围内，然后固定轮盘夹具。在以后的整体叶盘焊接中，叶片和轮盘在水平方向的相对位置保持不变。

对于垂直相对位置的检测，在三维设计模型中，夹持块11’的顶部平面111与检测轴40的第二平面42有一个理论距离，在线性摩擦焊接设备调整过程中，需要使叶片夹具上下平行移动，此时可以使用量具(例如：高度尺、深度尺)测量夹持块11’的顶部平面111与所述检测轴40的第二平面42的垂直距离，一直到实测距离达到理论距离±0.03mm范围内，此时记录下设备操作屏上显示的叶片夹具的位置数据。在以后的整体叶盘焊接中，每个叶片装夹后进行焊接前，均要确认设备操作屏上显示的叶片夹具的位置和已记录数据相同。

B：将所述叶片模拟件10’和所述轮盘模拟件20’分别从所述叶片夹具和所述轮盘夹具上拆卸下来，将所述叶片10和轮盘20安装到所述叶片夹具和所述轮盘夹具上。

C：使所述叶片凸台12与所述轮盘20的圆锥面21直接接触，通过线性摩擦将所述叶片10焊接在所述轮盘20上，如图2所示。

D：将所述轮盘20相对所述轮盘夹具转动预定的角度，在所述叶片夹具上安装另一个叶片10，重复上述步骤C，将全部叶片10焊接在所述轮盘20上。

E：通过机械加工，将所述叶片凸台12以及多余的焊接余料结构切除，如图4所示，其中显示的是焊接后，切除凸台以及多余的焊接余料结构后的一个叶片和叶盘的结构示意图。

本发明的用于整体叶盘制造的线性摩擦焊接方法，通过对构成整体叶盘的叶片和轮盘的相对位置的确定步骤，实现了仅需保留叶片一侧的焊接台，取消轮盘一侧的焊接台，使叶片的焊接台直接和轮盘的圆锥面进行焊接，从而简化了轮盘的外形结构、减小了轮盘的毛坯尺寸、提高了材料利用率、减小了加工难度和加工工作量，同时降低轮盘的制造成本。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的可以对本发明实施例进行各种改动，变型或组合而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (2)

1.一种用于整体叶盘制造的线性摩擦焊接方法，其特征在于，所述整体叶盘由多个叶片和轮盘焊接而成，所述叶片具有一体成型的叶片凸台，所述叶片凸台与所述轮盘的圆锥面直接接触，通过线性摩擦焊接在所述轮盘上，所述方法包括如下步骤：

A：提供一个叶片模拟件和一个轮盘模拟件，将所述叶片模拟件和所述轮盘模拟件分别安装到叶片夹具和轮盘夹具上，通过检测所述叶片模拟件和所述轮盘模拟件之间的相对位置，确定所述叶片模拟件和所述轮盘模拟件在所述叶片夹具和所述轮盘夹具上的正确位置；

B：将所述叶片模拟件和所述轮盘模拟件分别从所述叶片夹具和所述轮盘夹具上拆卸下来，将所述叶片和轮盘安装到所述叶片夹具和所述轮盘夹具上；

C：使所述叶片凸台与所述轮盘的圆锥面直接接触，通过线性摩擦将所述叶片焊接在所述轮盘上；

D：将所述轮盘相对所述轮盘夹具转动预定的角度，在所述叶片夹具上安装另一个叶片，重复上述步骤C，将全部叶片焊接在所述轮盘上；

E：通过机械加工，将所述叶片凸台以及多余的焊接余料结构切除。

2.根据权利要求1所述的用于整体叶盘制造的线性摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤A进一步包括如下步骤：

所述叶片模拟件包括具有一个顶部平面的夹持块，在所述夹持块上设置一个百分表，将所述叶片模拟件连同所述夹持块和所述百分表安装到所述叶片夹具上；

在所述轮盘模拟件上固定一个具有两个相互垂直的第一平面和第二平面的检测轴，将所述轮盘模拟件连同所述检测轴安装到所述轮盘夹具上；

利用所述百分表垂直于所述检测轴的第一平面，检测所述叶片模拟件和所述轮盘模拟件的水平相对位置；利用所述夹持块的顶部平面与所述检测轴的第二平面的垂直距离，检测所述叶片模拟件和所述轮盘模拟件的垂直相对位置。