CN109014552A - 制造环形部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种制造环形部件的方法，所述方法包括：将板材原料成形为围绕中心轴设置的环形；以及使用超声波焊接将所述原料的一部分接合到所述原料的另一部分，以固定所述环形。

Description

制造环形部件的方法
技术领域
本发明大体上涉及部件制造，并且更确切地说，涉及用于制造大型壳式结构的设备和方法。
背景技术
大量产品包括具有环形的结构或部件，所述环形以圆柱形、圆锥形或部分圆柱形形式存在。一个示例是用于燃气涡轮发动机的圆柱形壳体。
尤其是对于大型环形部件，可能难以采用经济的方式制造这些部件，因为它们必须经过铸造或锻造才会具有足够的材料性质。如果它们是由子部件构成的，则常规连接工艺例如熔融焊接可能以不良方式降低材料性质。
一种替代性连接工艺是超声波焊接。此工艺使用“超声波变幅杆”(ultrasonichorn)，所述超声波变幅杆是薄刀片或肋条工具，由压电变换器提供动力并且在其共振频率下促动，以将超声能注入工件中。这将产生热，但不是熔融焊接；而是一种固态接合。
现有超声波焊接工艺的一个问题是它们无法形成弯曲或环形部件。
发明内容
此问题通过一种将超声波焊接工艺与辊压工艺和折弯(bending)工艺结合使用以形成环形结构的方法来解决。
根据本说明书中所述技术的一个方面，一种制造环形部件的方法包括：将板材原料成形为围绕中心轴设置的环形；以及使用超声波焊接将所述原料的一部分连接到所述原料的另一部分，以固定所述环形。
根据本说明书中所述技术的另一方面，一种制造环形涡轮发动机部件的方法包括：将金属板材原料成形为环形；使用超声波焊接将所述原料的一部分接合到所述原料的另一部分；重复形成和接合所述原料的步骤以形成多个同心层；以及使用超声波焊接形成所述层之间的接合。
具体地，本申请技术方案1涉及一种制造环形部件的方法，所述方法包括：将板材原料成形为围绕中心轴设置的环形；以及使用超声波焊接将所述原料的一部分接合到所述原料的另一部分，以固定所述环形。
本申请技术方案2根据技术方案1所述的方法，进一步包括：重复所述原料的所述成形和接合步骤以形成多个同心层；以及使用超声波焊接形成所述层之间的接合。
本申请技术方案3根据技术方案2所述的方法，其中所述层中的至少一层是不连续的，并且所述层的至少一层是连续的。
本申请技术方案4根据技术方案2所述的方法，其中所述层具有不同宽度。
本申请技术方案5根据技术方案4所述的方法，进一步包括对所述部件进行机械加工以限定一个或多个特征。
本申请技术方案6根据技术方案2所述的方法，其中所述层中的至少一层包括第一金属合金，并且其中所述层中的至少一层包括与所述第一金属合金不同的第二金属合金。
本申请技术方案7根据技术方案2所述的方法，进一步包括：将所述原料成形为第一组层，所述第一组层是连续的；以及将所述原料成形为第二组层，所述第二组层是不连续的，或者所述第二组层的宽度与所述第一组层不同，从而限定所述环形部件的内表面或外表面上的至少一个凸起特征。
本申请技术方案8根据技术方案2所述的方法，进一步包括：将所述原料成形为第一组层，所述第一组层是连续的；将所述原料成形为第二组层，所述第二组层限定所述第二组层之间的空隙；以及将所述原料成形为第三组层，所述第三组层是连续的，从而限定通过所述第一组层、第二组层和第三组层界定的至少一个内部空间。
本申请技术方案9根据技术方案8所述的方法，进一步包括将非金属填料设置在所述内部空间中。
本申请技术方案10根据技术方案1所述的方法，其中所述成形步骤将形成具有自由端的环形，并且超声波焊接用于将所述自由端接合在一起，从而在所述自由端之间形成对接接头或搭接接头。
本申请技术方案11根据技术方案1所述的方法，其中所述成形步骤通过抵靠一个或多个成形元件进给所述原料来执行，所述一个或多个成形元件围绕所述中心轴排列。
本申请技术方案12根据技术方案11所述的方法，其中所述成形元件包括多个辊。
本申请技术方案13根据技术方案11所述的方法，其中所述超声波焊接在所述原料被所述成形元件围绕时执行。
本申请技术方案14根据技术方案1所述的方法，进一步包括将所述原料成形为连续螺旋形，从而限定多个层；以及使用超声波焊接形成所述层之间的接合。
本申请技术方案15根据技术方案1所述的方法，其中所述环形部件具有大体圆柱形形状。
本申请技术方案16涉及一种制造环形涡轮发动机部件的方法，所述方法包括：将金属板材原料成形为环形；使用超声波焊接将所述原料的一部分接合到所述原料的另一部分；重复所述原料的所述成形和接合步骤以形成多个同心层；以及使用超声波焊接形成所述层之间的接合。
本申请技术方案17根据技术方案16所述的方法，其中所述层中的至少一层是不连续的，并且所述层中的至少一层是连续的。
本申请技术方案18根据技术方案16所述的方法，其中所述层具有不同宽度。
本申请技术方案19根据技术方案16所述的方法，其中所述层中的至少一层包括第一金属合金，并且所述层中的至少一层包括与所述第一金属合金不同的第二金属合金。
本申请技术方案20根据技术方案16所述的方法，进一步包括：将所述原料成形为第一组层，所述第一组层是连续的；将所述原料成形为第二组层，所述第二组层限定所述第二组层之间的空隙；以及将所述原料成形为第三组层，所述第三组层是连续的，从而限定通过所述第一组层、第二组层和第三组层界定的至少一个内部空间。
附图说明
结合附图阅读以下说明可以更好地理解本发明，在附图中：
图1是示例性超声波焊接设备的端视示意图；
图2是图1中所示设备的超声波焊头的侧视示意图；
图3是示出使用图1所示设备的部件成形工艺的第一步骤的端视示意图；
图4是示出图3所示部件成形工艺的第二步骤的端视示意图；
图5是示出图3所示部件成形工艺的第三步骤的端视示意图；
图6是示出使用图1所示设备的替代性部件成形工艺的端视示意图；
图7是使用图1所示设备制成的示例性多层结构的端视示意图；
图8是图7所示结构的侧视图；
图9是使用图1所示设备制成的另一示例性多层结构的端视示意图；
图10是图9所示结构的侧视图；
图11是使用图1所示设备制成的另一示例性多层结构的部分切除侧视图；以及
图12是沿图11中的线12-12截取的视图。
具体实施方式
参照附图，其中相同的参考数字表示各个视图中的相同元件，图1示意性地示出适用于执行超声波焊接和成形组合操作的焊接和成形设备10。设备10的基本部件包括超声波焊头12、工件支架14和多个成形元件16，所有这些元件均围绕中心轴18排列。下文中将详细描述这些部件中的每个部件。
超声波焊头12包括探头或“超声波变幅杆”20，所述探头或“超声波变幅杆”根据已知技术配置成在其共振频率下执行以将超声能传送到与探头20接触的工件中，从而致使工件受热并且形成固态接合。在图1和2所示的示例中，探头20具有小宽度“W”，例如约1mm(0.04英寸)，以及适用于特定应用的总长度“L”，例如若干厘米(英寸)。探头20的长度(即最长尺寸)定向成与设备10的中心轴18平行，并且可以提供适当的执行器或调节装置22以使超声波焊头12相对于中心轴18沿径向移动(即朝向或背离所述工件)。
所述探头20以机械方式连接到驱动器24(示意性示出)，所述驱动器配置成在其共振频率中的一个共振频率下使探头20振动。已知类型的驱动器的一个示例是压电变换器。驱动器24可以连接到适当的电源26。
工件支架14包括表面，所述表面定位成面向探头20，并且配置成以与探头20反向的方式对工件施压，从而提供支撑并且避免工件偏转。在图示的示例中，工件支架14包括圆柱形辊。可以提供适当的执行器或调节装置28以使背面压力装置沿径向移动并且/或者调节施加到工件的压力。
成形元件16包括一个或多个表面，所述一个或多个表面定位并且配置成向工件施加压力，以使其在进给到设备10中时成形为弯曲形状。在图示的示例中，成形元件16包括围绕中心轴18排列在适当位置处的多个圆柱形辊。可以提供适当的执行器或调节装置30以使成形元件16沿径向移动并且/或者调节施加到工件的压力。可以提供额外的执行器或机械元件(未图示)以根据金属板材弯曲工艺的常规做法使成形元件16进行一个或多个成形运动(滑动、沿圆弧移动等)。
一个或多个进给辊32设置在设备10附近。每个进给辊32均包括原料34的供应，该原料为围绕中心心轴卷绕的板材的形式。
原料34可以是能够使用超声波焊接接合并且还能够成形为弯曲或环形而不断裂的任何材料(例如，可延展而不易碎的材料)。适当原料的示例是为板材形式的金属合金。原料厚度受超声波焊接工艺的穿透深度限制。作为一个示例，所述金属合金板材可以是约0.5mm(0.010英寸)厚或更小厚度。
视情况而定，设备10可以包括进给机构，所述进给机构配置成从进给辊32拉出材料并且将其进给到设备10中。在图示的示例中，所述进给机构包括一对相对的进给辊38，所述进给辊38与相对面的原料34夹紧接合。所述进给辊38可以例如由一个或多个电动机(未示出)驱动。
上述包括焊头12、工件支架14、成形元件16和进给机构的设备10的操作可以例如通过在一个或多个处理器上运行的软件来控制，所述一个或多个处理器包括在一个或多个设备中，例如可编程逻辑控制器(“PLC”)或微型计算机(以40示意性示出)。所述处理器可以例如通过有线或无线连接来连接到各种传感器和操作部件。相同的一个或多个处理器可用于检索和分析传感器数据，以用于统计分析和用于反馈控制。
现在将参照图1、图3和图4描述使用上述设备10来形成环形部件的方法。
首先，将来自进给辊32的为板材形式的原料34进给到设备10中。在图示的示例中，所述原料34由动力进给辊38驱动到设备10中。
当原料34进入设备10时，与成形元件16的接触将使原料34偏转，使其弯曲并形成弧形。所述进给和折弯工艺继续进行，直到原料34形成完整的360°环，从而限定大体环形形状。所述环形可以是圆柱形或者可以是锥形，从而形成圆锥形或截头圆锥形。
一旦形成完整环，所述原料34可以通过常规装置例如金属剪切机(未示出)切断，留下成形为具有自由端44(图3)的环形工件42。
之后，焊头12通过以超声波方式将它们焊接在一起来连接自由端44，从而固定所述环形。此步骤可以在工件42仍然处于设备10内被成形元件16围绕时进行。所述接头可以是例如对接接头或搭接接头。如果使用搭接接头，则可以使用机械加工工艺来去除过量材料厚度。结果是形成单层环形部件46(图4)。示例性超声波焊接接头在47处示出。
可以重复所述工艺以在环形部件46的顶部(例如，径向外部)形成另一层，从而产生多层环形部件，如图5中的示例层50、52所示。可以使用超声波焊接以间隔开的方式围绕部件外围将第一层50连接到第二层52。示例性超声波焊接接头在54处示出。所述工艺可根据需要重复任意次数，每个新层通过超声波焊接接头接合到上一层，以积聚成预期材料厚度，从而形成最终多层部件。
或者，这些层可以以连续方式积聚。更确切地说，原料34可以使用焊头12连续进给并且成螺旋形积聚，从而以选定间隔将这些层接合在一起。所述工艺如图6中所示；示例性焊接接头在54处示出。
一旦层积聚完成，环形部件即可进入其他工艺，例如精加工、涂覆、检验等。
上述基本方法允许各种变型以生产不同类型的环形结构。
一种选择是通过在不同层中使用不同材料来改变结构。例如，图7和图8示出了通过上述方法生产并且包括多个层的大体圆柱形环形部件56。标记成58的若干层包括第一金属合金，标记成60的其他层包括第二金属合金。任何合金组合都是可行的，例如每一层均可以是不同的合金。可以使用各种组合和合金来生产具有预期复合性质的部件。例如，部件可以包括由高强度合金例如镍合金制成的层，这些层与具有高导热性的层例如铜合金层交替。
多层环形部件中的一个或多个层也可以是不连续的而不是连续的。例如，这些层可以包括开孔，例如孔、槽或槽道。或者，个体层可以形成为一系列间隔开的肋条，以便限定内部结构和中空空间。
可以使用连续层和不连续层或者不同尺寸的层的组合来形成各种结构，例如法兰、肋条等，或者形成空隙或中空空间。例如，一个或多个层可以是宽度与其他层不同的带状层或条状层的形式。
例如，图9和图10示出了环形多层部件62，所述环形多层部件包括由限定圆柱形的一个或多个连续层66构成的内部或主体64，以及由一个或多个连续层70构成的外部68，其中每个层70的宽度(即平行于轴18测量的尺寸)小于层66。这些层70径向向外延伸以形成法兰72。可以使用类似工艺来选择性地形成较厚部分，以便在后期将这些部分加工成凸台、法兰等。
再如，图11和图12示出了环形多层结构74，所述环形多层结构包括：由一个或多个连续层78形成的内壁76，所述内壁与由一个或多个连续层82形成的外壁80径向间隔开；以及内部结构84，所述内部结构由一个或多个不连续层构成，并且包括限定内部开口空隙或中空空间88的实心部分86。或者，内部结构84可以包括比内壁76和外壁80更窄的间隔开的连续层(例如肋条或带)。
如果多层结构中的层包括空隙，则可以使用能够承受超声波焊接工艺的高温的任何材料来填充这些空隙。例如，金属层中的任何开口都可以用非金属材料填充。具有高温能力的适合的非金属材料的非限制性示例包括聚醚酰亚胺树脂(例如ULTEM)或芳族聚酰胺纤维(例如KEVLAR)。
本说明书中所述的方法相对于现有技术具备若干优势。确切地说，与锻造相比，所述方法可降低大型环形结构的原材料成本和工具成本。固态接合的使用可避免通常与焊接工艺相关的材料性质减损，使得结构更接近或相当于锻造结构。所述方法通过将交替材料层混合/分层布置来提供改进环形结构性能的机会。它还能够将结构性材料层与较轻重量的层交替布置，以减少单位燃料消耗(“SFC”)。
上文描述了使用超声波焊接工艺形成大型结构部件的设备和方法。本说明书(包括任何随附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及/或者所公开的任何方法或工艺的所有步骤都可以任何组合来进行组合，但是至少部分所述特征和/或步骤相互排斥的组合除外。
除非明确另作说明，否则本说明书(包括任何随附权利要求、摘要和附图)中公开的每种特征可更换成用于相同、同等或类似用途的替代特征。因此，除非明确另作说明，否则所公开的每种特征仅为一系列一般性同等或类似特征的一个示例。
本发明并不限于以上实施例的细节。本发明延伸到本说明书(包括任何随附权利要求、摘要和附图)中公开的任何新颖特征或任何新颖特征组合，或者所公开的任何方法或工艺中的任何新颖步骤或任何新颖步骤组合。

Claims (10)

1.一种制造环形部件的方法，所述方法包括：
将板材原料成形为围绕中心轴设置的环形；以及
使用超声波焊接将所述原料的一部分接合到所述原料的另一部分，以固定所述环形。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：重复所述原料的所述成形和接合步骤以形成多个同心层；以及
使用超声波焊接形成所述层之间的接合。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述层中的至少一层是不连续的，并且所述层的至少一层是连续的。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述层具有不同宽度。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括对所述部件进行机械加工以限定一个或多个特征。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述层中的至少一层包括第一金属合金，并且其中所述层中的至少一层包括与所述第一金属合金不同的第二金属合金。
7.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：
将所述原料成形为第一组层，所述第一组层是连续的；以及
将所述原料成形为第二组层，所述第二组层是不连续的，或者所述第二组层的宽度与所述第一组层不同，从而限定所述环形部件的内表面或外表面上的至少一个凸起特征。
8.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：
将所述原料成形为第一组层，所述第一组层是连续的；
将所述原料成形为第二组层，所述第二组层限定所述第二组层之间的空隙；以及
将所述原料成形为第三组层，所述第三组层是连续的，从而限定通过所述第一组层、第二组层和第三组层界定的至少一个内部空间。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括将非金属填料设置在所述内部空间中。
10.一种制造环形涡轮发动机部件的方法，所述方法包括：
将金属板材原料成形为环形；
使用超声波焊接将所述原料的一部分接合到所述原料的另一部分；
重复所述原料的所述成形和接合步骤以形成多个同心层；以及
使用超声波焊接形成所述层之间的接合。
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