CN107790540B - 用于超塑性成形具有单片附接构件的多层结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称是用于超塑性成形具有单片附接构件的多层结构的方法。一种由具有边缘的前体板形成多层结构的方法，所述方法包括以下步骤：连接附接构件至前体板，使得附接构件的边缘与前体板的边缘对齐，和施加热和气压以使前体板膨胀。

Description

用于超塑性成形具有单片附接构件的多层结构的方法
技术领域
本申请涉及多层结构的超塑性成形，和更具体地涉及将单片附接构件并入这种多层结构。
背景技术
多层结构通常由夹在两个面板之间的芯层形成。多层结构的芯层限定大量的空气/孔隙空间，并且具有基本上大于相邻面板的横截面厚度的有效横截面厚度。因此，多层结构在相对低的重量下通常具有相对高的强度和刚度。因此，多层结构被用于各种航空航天应用中。
超塑性成形是用于制造多层结构——比如膨胀的两片式板(无芯层)和膨胀的三片式板(芯层位于两个面板之间)，其可用作传统的蜂窝多层结构的替代物——的已知技术。超塑性成形是在升高的温度下，利用某些材料——比如钛合金、铝合金和镍合金——的超塑性的金属成形过程。当这种材料被加热至超塑性状态时，它们变得柔韧并且可以抵靠模具膨胀(例如，通过气压)以实现期望的形状。在膨胀期间，材料可经历数倍的延伸。
虽然多层结构中的空气/孔隙空间有利地降低密度(增加体积)，但是其呈现了当多层结构必须被连接至另一结构(例如，框架或另一多层结构)时的复杂性。例如，将机械紧固件，比如螺栓插入通过多层结构并且然后拧紧至多层结构上可引起空气/孔隙空间的倒塌，其可损坏相关的连接。
因此，本领域技术人员在多层结构领域继续研究和开发工作。
发明内容
在一个实施方式中，公开了一种由具有边缘的前体板形成多层结构的方法。该方法包括以下步骤：(1)将附接构件连接至前体板使得附接构件的边缘与所述前体板的边缘对齐，和(2)施加热和气压以使前体板膨胀。
在另一实施方式中，公开的用于形成多层结构的方法包括以下步骤：(1)提供具有层状结构的前体板；(2)在前体板中形成凹槽，凹槽限定边缘；(3)将附接构件放置在凹槽中，使得附接构件的边缘与前体板的边缘对齐，附接构件具有单片体；(4)将附接构件焊接至前体板；和(5)施加热和气压以使前体板膨胀。
在又另一实施方式中，公开的用于形成多层结构的方法包括以下步骤：(1)提供具有层状结构的前体板，前体板限定周界和围绕周界延伸的边缘；(2)将附接构件抵靠前体板放置，使得附接构件的边缘与前体板的边缘对齐，附接构件具有单片体；(3)将附接构件焊接至前体板；和(4)施加热和气压以使前体板膨胀。
公开的用于形成多层结构的方法的其他实施方式将从以下详细描述、附图和所附权利要求书变得显而易见。
附图说明
图1是公开的多层结构的一个实施方式的透视图；
图2是展现内部特征的具有切掉部分的图1的多层结构的透视图；
图3是描述公开的用于形成多层结构的方法的一个实施方式的流程图；
图4是在图3的方法中的一个步骤期间显示的前体板的侧横截面图；
图5是图4的前体板的侧横截面图，但是在图3的方法中的后续步骤期间显示；
图6是图5的前体板的侧横截面图，但是在图3的方法中的后续步骤期间显示；
图7是图6的前体板的俯视图；
图8是根据图3的方法中的另一步骤放置在超塑性成形装置中的图6的前体板的侧横截面图；
图9是根据图3的方法的另一步骤的图8的前体板和超塑性成形装置的侧横截面图，但是显示前体板膨胀进多层结构；
图10是根据图3的方法中的又另一步骤的图9的多层结构的侧横截面图，其具有在其中形成的孔；
图11是图10的多层结构的侧横截面图，其通过机械紧固件的方式连接至下面的结构；
图12是描述公开的用于形成多层结构的方法的另一实施方式的流程图；
图13是在图12的方法的一个步骤期间显示的前体板的侧横截面图；
图14是由图13的前体板形成的多层结构的俯视图；和
图15是图14的多层结构的侧横截面图。
具体实施方式
参考图1和2，公开的多层结构——通常指定10——的一个实施方式是膨胀的三片式板12，其包括第一面层14、第二面层16(图2)、芯层18(图2)和附接构件20。第一面层14与第二面层16分隔开以限定多层结构10的内体积22(图2)。芯层18置于内体积22中，并且通过多个第一焊接点24的方式连接至第一面层14和通过多个第二焊接点26的方式连接至第二面层16。
虽然公开的多层结构10被显示和描述为由三层(第一面层14、第二面层16和芯层18)组成的三片式板12，但是在一个可选的实施方式中，公开的多层结构仅包括两层(例如，仅两个面层)，而在另一可选的实施方式中，公开的多层结构包括四层或更多层(例如，多个面层和多个芯层)。此外，虽然在图1和2中显示公开的多层结构10为具有基本上平的几何形状的三片式板12，但是可以形成各种非平面几何形状(例如，弯曲的、环形的、复杂的形状等等)，而不背离本公开内容的范围。
公开的多层结构10的第一面层14、第二面层16和芯层18可以由在升高的温度下展现超塑性行为的各种材料形成。在一个具体的实施中，第一面层14、第二面层16和芯层18由金属材料形成。合适的金属材料的一般实例包括但不限于钛合金、铝合金和镍合金。作为一个特定的非限制性实例，第一面层14、第二面层16和芯层18由钛合金Ti–6Al–4V形成。
附接构件20在附接位置30处并入多层结构，并且在附接位置30处可以在多层结构10中形成凹陷32。在图解的实施方式(图1和2)中，多层结构10仅包括单个附接位置30，并且附接位置30完全地在由多层结构10限定的周界34内。然而，本领域技术人员将认识到，多层结构10可包括两个或更多个附接构件20，每个在相关的附接位置30处，并且附接位置30可以在多层结构10的周界34内的各个位置处，以及在多层结构10的周界34上的各个位置处(例如，附接构件20可以形成多层结构10的周界34的至少一部分)。
多层结构10的附接构件20包括单片体36，如图2中最佳显示。附接构件20的单片体36由与用于形成第一面层14、第二面层16和芯层18的相同或相似的材料形成，尽管使用不相似的材料将不导致与本公开内容背离。例如，附接构件20的单片体36，以及第一面层14、第二面层16和芯层18，由钛合金，比如Ti–6Al–4V形成。
不被任何具体理论所限制，认为使用具有单片体36——形成为不具有任何接缝或接头的单个整体件的主体——的附接构件20提供用于制造多层结构10的附件的更坚实的和可靠的基础，无论通过机械紧固件、焊接或其他方式。
附接构件20包括比如通过机械紧固件、焊接等等的方式促进多层结构10连接至一个或多个其他结构的各种零件。例如，在附接构件20中形成定制尺寸和形状为接收机械紧固件42(图11)比如螺栓的孔40。各种其他零件，比如埋头钻、扩孔、整体圈(integralcollar)、切口/刻口(例如，以减轻重量)等等，可以在附接构件20的单片体36中形成，而不背离本公开内容的范围。
因此，虽然多层结构10围绕附接构件20的部分具有层状的横截面轮廓，但是附接构件20的单片体36具有连续的和完整的横截面轮廓。因此，附接构件20可提供用于连接多层结构10至一个或多个其他结构的坚实的和刚性的基础。
现在参考图3，公开了一种用于形成具有单片附接构件的多层结构的方法。公开的方法的一个实施方式，通常指定为100，在方框102以提供前体板50(图4)的步骤开始，其将形成为期望的多层结构。
如图4中所显示，前体板50具有层状结构52，其包括例如(在三片式板12(图1和2)的情况中)夹在第一面层14和第二面层16之间的芯层18。第一面层14通过多个第一焊接点24(例如，焊接接头)被焊接至芯层18。芯层18通过多个第二焊接点26(例如，焊接接头)被焊接至第二面层16。第一焊接点24和第二焊接点26可以是部分焊透焊接点。芯层18被焊接至第一和第二面层14、16使得一半焊接点(例如，第一焊接点24)在第一面层14和芯层18之间，并且另一半焊接点(例如，第二焊接点26)在相对的第二面层16和芯层18之间。第一焊接点24可以彼此对齐并且可以形成第一焊接点24的网格。第二焊接点26可以彼此对齐并且可以形成第二焊接点26的网格。第一焊接点24和第二焊接点26可以彼此偏离。
在方框104(图3)处，在前体板50中期望的附接位置30处形成凹槽54，如图5中所显示。凹槽54限定前体板50的边缘60(例如，内边缘)。凹槽54完全地延伸通过前体板50的层状结构52的横截面厚度。可选地，凹槽54仅部分地延伸通过层状结构52，比如通过第一面层14和芯层18，但是不通过(或仅部分通过)第二面层16。
各种技术可用于形成前体板50中的凹槽54(和相关的边缘60)。作为一个选择，凹槽54在将前体板50装配和焊接在一起之后形成。例如，凹槽54通过切割(例如，模切、激光切割、等离子切割等)装配的前体板50形成。作为另一选择，在将层14、16、18装配为层状结构52之前通过切割前体板50的层(第一面层14、第二面层16和芯层18)形成凹槽54，从而在将层14、16、18装配为层状结构52时形成凹槽54(例如，方框102和104同时进行)。
在方框106(图3)处，将附接构件20放置在前体板50中形成的凹槽54中，如图6中所显示。附接构件20具有定制尺寸和形状为紧密地接收在凹槽54中的单片体36。因此，附接构件20与前体板50为边缘-与-边缘对齐，并且在附接构件20的边缘58和前体板50的边缘60之间的任意间隙56被最小化。
附接构件20显示在图1、2和6中，其在平面图中具有方形(沿着图6中显示的凹槽轴A)，并且被接收在凹槽54中，其在平面图中也是方形(沿着图6中显示的凹槽轴A)。然而，凹槽54的形状和附接构件20的相应形状可以变化(例如，可以是圆形的、多边形的、不规则的等)，而不背离本公开内容的范围。
如图6中所显示，附接构件20具有横截面厚度TA，其小于前体板50的层状结构52的层14、16、18的组合的横截面厚度TC。例如，附接构件20的横截面厚度TA范围为从前体板50的组合横截面厚度TC的约20％至约80％。在一种变化中，附接构件20的横截面厚度TA基本上等于前体板50的组合横截面厚度TC。在另一变化中，附接构件20的横截面厚度TA大于前体板50的组合横截面厚度TC。
在方框108(图3)处，将附接构件20连接至前体板50以形成前体板/单片体组件62，如图7中所显示。例如，附接构件20的边缘58被连接至前体板50的边缘60，使得附接构件20被连接至前体板50的层状结构52(图6)的每一层(第一面层14、第二面层16和芯层18)。
通过焊接——比如电弧焊、摩擦搅拌焊接等——可以建立附接构件20和前体板50之间的连接。因此，连接步骤(方框108)可导致附接构件20和前体板50之间的焊接接头64的形成。焊接接头64可以仅部分地围绕附接构件20或完全地围绕附接构件20延伸。
因此，在连接步骤(方框108)之后，前体板/单片体组件62包括在附接位置30处的单片部分(单片体36)和与附接位置30相邻的层状部分(层状结构52(图6))二者。
在方框110(图3)处，将前体板/单片体组件62放置在超塑性成形装置70中，如图8中所显示。超塑性成形装置70包括第一(例如，上面的)工具72和第二(例如，下面的)工具74。第一工具72和第二工具74组合以限定成形腔76。定制成形腔76的至少一部分的形状以对应于多层结构10的期望的最终形状(图1和2)。具体而言，第一工具72包括第一成形表面78，其具有与多层结构10的第一面层14的期望形状对应的形状，并且第二工具74包括第二成形表面80，其具有与多层结构10的第二面层16的期望形状对应的形状。
在方框112处，随着将前体板/单片体组件62放置在超塑性成形装置70中，施加热和气压以使前体板/单片体组件62抵靠超塑性成形装置70的第一和第二工具72、74膨胀，从而产生具有期望形状的多层结构10，如图9中所显示。在施加热和气压(方框112)的步骤期间施加的热可足以致使前体板/单片体组件62呈超塑性。施加热和气压(方框112)的步骤期间引入的气体(例如，热空气)在足够的压力下被引导至前体板/单片体组件62的内体积22(第一面层14和第二面层16之间的空间)促使超塑性材料抵靠超塑性成形装置70的第一和第二工具72、74的成形表面78、80。
在该点，本领域技术人员将认识到，方框110和112的步骤涉及超塑性成形。各种超塑性成形技术可用于将公开的前体板/单片体组件62转变为公开的膨胀的多层结构10，而不背离本公开内容的范围。
在方框114(图3)处，将所得多层结构10任选地机器加工以在附接构件20中形成孔40，如图10中所显示。例如，机械加工114可包括钻取通过附接构件20的孔40。使用机械紧固件42——比如螺母/螺栓、铆钉、螺钉等——孔40可利于将多层结构10连接至另一结构90，比如另一多层结构，框架等。
参考图12，公开的用于形成多层结构的方法——通常指定为200——的另一实施方式与方法100(图3)略有不同。具体而言，按照方法200，不必要在前体板300(图13)中形成凹槽54(图5)和相关的边缘60(图5)。而是，在前体板300的周界310处建立单片附接构件314(图13)和前体板300之间的边缘-与-边缘连接。
方法200在方框202以提供前体板300的步骤开始，如图13中所显示。前体板300具有层状结构302，其包括例如夹在第一面层306和第二面层308之间的芯层304。芯层304可以被焊接至第一面层306和第二面层308，如本文所描述和图4中所显示。因此，前体板300限定周界310和围绕周界310延伸的边缘312。
在方框204(图12)处，附接构件314被放置为与前体板300边缘-与-边缘对齐，如图13中所显示。附接构件314具有单片体316并且限定边缘318。因此，放置步骤(方框204)包括使附接构件314的边缘318与前体板300的边缘312对齐和邻接。
在一个具体的构造中，附接构件314围绕前体板300的周界310连续地或不连续地延伸，从而有效构造前体板300。因此，在将附接构件314连接至前体板300(方框206)时，附接构件314至少部分地密封前体板300的边缘312。
在方框206(图12)处，附接构件314被连接至前体板300以形成前体板/单片体组件。例如，附接构件314的边缘318被连接至前体板300的边缘312使得附接构件314被连接至前体板300的层状结构302的每一层(芯层304、第一面层306、第二面层306)。
附接构件314和前体板300之间的连接可以通过焊接——比如通过电弧焊、摩擦搅拌焊接等——建立。因此，连接步骤(方框206)可导致附接构件314和前体板300之间的焊接接头(见图7中的焊接接头64)的形成。
在方框208和210(图12)处，前体板/单片体组件被放置在超塑性成形装置中并且经历施加热和气压的超塑性成形过程，如本文所描述(见图3的方框110和112)，从而产生多层结构350，如图14和15中所显示。任选地，在方框212(图12)处，所得多层结构350被机器加工(例如，钻孔、铰孔等)以在附接构件314中形成一个或多个孔352。使用机械紧固件——比如螺母/螺栓、铆钉、螺钉等——孔352可促进将多层结构350连接至另一结构，比如另一多层结构，框架等。
因此，公开的多层结构10、350的附接构件20、314可提供比如用机械紧固件42(图11)，或使用其他技术(例如，焊接)将多层结构10、350连接至一个或多个其他结构90(图11)的坚实的和刚性基础。
此外，本公开内容包括根据下述条款的实施方式：
条款1.由具有边缘的前体板形成多层结构的方法，所述方法包括：将附接构件连接至所述前体板，使得所述附接构件的边缘与所述前体板的所述边缘对齐；和施加热和气压以使所述前体板膨胀。
条款2.根据条款1所述的方法，其中所述连接所述附接构件至所述前体板包括连接包括单片体的附接构件。
条款3.根据条款1或2所述的方法，其中所述连接所述附接构件至所述前体板包括连接包括层状结构的前体板。
条款4.根据条款3所述的方法，其包括连接所述附接构件至所述层状结构的每一层。
条款5.根据条款1至4任一项所述的方法，其中所述连接所述附接构件至所述前体板包括连接包括芯层的前体板，所述芯层位于第一面层和第二面层之间。
条款6.根据条款5所述的方法，其中多个第一焊接点连接所述芯层至所述第一面层，并且多个第二焊接点连接所述芯层至所述第二面层。
条款7.根据条款1至6任一项所述的方法，其中所述连接所述附接构件至所述前体板包括连接包括周界的前体板，并且所述前体板的所述边缘围绕所述周界延伸。
条款8.根据条款7所述的方法，其中所述连接所述附接构件至所述前体板包括连接所述附接构件使得所述附接构件围绕所述周界连续地延伸。
条款9.根据条款1至8任一项所述的方法，其中所述连接所述附接构件至所述前体板包括连接包括凹槽的前体板，其中所述前体板的所述边缘由所述凹槽限定。
条款10.根据条款9所述的方法，其中所述连接所述附接构件至所述前体板包括连接定制大小和形状为紧密接收在所述凹槽中的附接构件。
条款11.根据条款9或10所述的方法，进一步包括在所述前体板中形成所述凹槽的步骤。
条款12.根据条款1至11任一项所述的方法，其包括通过焊接连接所述附接构件至所述前体板。
条款13.根据条款1至12任一项所述的方法，其中所述施加热和气压包括加热所述前体板以致使所述前体板呈超塑性。
条款14.根据条款1至13任一项所述的方法，其中所述施加热和气压包括将气体引入所述前体板的内体积中。
条款15.根据条款1至14任一项所述的方法，其中所述施加热和气压包括促使所述前体板抵靠工具。
条款16.根据条款1至15任一项所述的方法，其进一步包括机械加工所述附接构件中的孔。
条款17.根据条款1至16任一项所述的方法，其中所述连接所述附接构件至所述前体板包括连接由钛合金形成的附接构件至由钛合金形成的前体板。
条款18.一种由根据条款1至17任一项所述的方法形成的多层结构。
条款19.一种用于形成多层结构的方法，所述多层结构包括具有层状结构的前体板，所述方法包括：在所述前体板中形成凹槽，所述凹槽限定边缘；将附接构件放置在所述凹槽中使得所述附接构件的边缘与所述前体板的所述边缘对齐，所述附接构件包括单片体；连接所述附接构件至所述前体板；和施加热和气压以使所述前体板膨胀。
条款20.根据条款19所述的方法，其中所述施加热和气压包括加热所述前体板以致使所述前体板超塑性。
条款21.一种由条款19或20所述的方法形成的多层结构。
虽然已经显示和描述了公开的用于形成多层结构的方法的各种实施方式，但是当阅读说明书时，本领域技术人员可以想到改进。本申请包括这种改进并且仅由权利要求的范围所限定。

Claims (11)

1.一种由具有边缘(60、312)的前体板(50、300)形成多层结构(10、350)的方法(100、200)，所述方法包括：
连接(108，206)附接构件(20、314)至所述前体板，使得所述附接构件的边缘(58、318)与所述前体板的所述边缘对齐；和
施加(112、210)热和气压以使所述前体板膨胀。
2.根据权利要求1所述的方法(100、200)，其中所述连接(108、206)所述附接构件(20、314)至所述前体板(50、300)包括连接包括单片体(36、316)的附接构件。
3.根据权利要求1所述的方法(100、200)，其中所述连接(108、206)所述附接构件(20、314)至所述前体板(50、300)包括连接包括层状结构(52、302)的前体板。
4.根据权利要求1所述的方法(100、200)，其中所述连接(108、206)所述附接构件(20、314)至所述前体板(50、300)包括连接包括芯层(18、304)的前体板，所述芯层(18、304)位于第一面层(14、306)和第二面层(16、308)之间。
5.根据权利要求1所述的方法(100、200)，其中所述连接(108、206)所述附接构件(20、314)至所述前体板(50、300)包括连接包括周界(34、310)的前体板，并且所述前体板的所述边缘(60、312)围绕所述周界延伸。
6.根据权利要求1所述的方法(100、200)，其中所述连接(108)所述附接构件(20)至所述前体板(50)包括连接包括凹槽(54)的前体板，其中所述前体板的所述边缘(60)由所述凹槽限定。
7.根据权利要求1所述的方法(100、200)，其中所述施加(112、210) 热和气压包括加热所述前体板(50、300)以致使所述前体板呈超塑性。
8.根据权利要求1所述的方法(100、200)，其中所述施加(112、210)热和气压包括将气体引入所述前体板(50、300)的内体积(22)中。
9.根据权利要求1所述的方法(100、200)，其中所述施加(112、210)热和气压包括促使所述前体板(50、300)抵靠工具(72、74)。
10.根据权利要求1所述的方法(100、200)，其进一步包括机械加工(114、212)所述附接构件(20、314)中的孔(40、352)。
11.由权利要求1至10中任一项所述的方法(100、200)形成的多层结构(10、350)。
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