CN109202268A - 线性摩擦焊接方法、飞机框梁焊接方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线性摩擦焊方法、飞机框梁焊接方法及其设备。该焊接方法包括：安装连接件，将第一连接件和第二连接件分别夹装在摩擦焊接设备的顶锻夹具上，使所述第一连接件和所述第二连接件在连接处形成楔形槽；安装楔形块，将与所述楔形槽匹配的楔形块夹装在所述摩擦焊接设备的振动夹具上；摩擦焊接，操作所述摩擦焊接设备，使所述楔形块在所述楔形槽内做高频往复振动，所述楔形槽与所述第一连接件及所述第二连接件的连接面均进行摩擦焊接形成连接组件。通过楔形块在楔形槽内的高频往复振动，使楔形块与两个连接件的连接面进行摩擦焊接，适用于长形构件的焊接连接，采用该焊接方法和设备，提高了飞机框梁焊接接头的力学性能，降低了制造成本。

Description

线性摩擦焊接方法、飞机框梁焊接方法及其设备

技术领域

本发明涉及焊接制造技术领域，特别是涉及一种线性摩擦焊接方法、飞机框梁焊接方法及其设备。

背景技术

工业生产中，制造长形构件主要有整体毛坯加工、增材制造和分段组合等三种方法，采用分段组合方法制造这类零件，周期短、成本低，目前工业中一般采用熔焊的方法进行分段组合，即将若干段部件采用对接接头的形式分别焊接，但是在某些关键零部件上采用这种熔焊方法时，焊接接头力学性能常常无法满足使用要求，急需一种高可靠性的固相连接方法进行组合焊接。

线性摩擦焊接是近年来得到快速发展的一种固相焊接技术，主要应用于发动机整体叶盘和飞机框梁类工件的制造。线性摩擦焊相比于数控铣削，可以节省大量的贵重金属，并且焊接质量高，焊接过程中不会产生与熔化和凝固冶金有关的一些焊接缺陷和焊接脆化现象，由于加热时间短，热影响区窄，组织无明显粗化，焊接接头的力学性能更优越。

然而现有的线性摩擦焊接技术中，由于焊接过程中一个工件必须在设备带动下高频往复振动，工件两端垂直于摩擦面必须施加较大的压力，在一定程度上决定了振动端的工件不能过大或过长，这在客观上限制了线性摩擦焊直接应用于长形构件的分段焊接组合。

因此，需要提供一种适用于长形构件的线性摩擦焊接方法、飞机框梁焊接方法及其设备。

发明内容

本发明实施例提供了一种线性摩擦焊接方法、飞机框梁焊接方法及其设备，能够利用摩擦焊接设备对长形构件进行高效高质的组合焊接，解决了关键焊接区域采用熔焊造成的力学性能差以及现有线性摩擦焊接设备不不适用于两个长形连接件的焊接问题。

第一方面，本发明的实施例提出了一种线性摩擦焊接方法，该方法包括：

安装连接件，将第一连接件和第二连接件分别夹装在摩擦焊接设备的顶锻夹具上，使第一连接件和第二连接件在连接处形成楔形槽；

安装楔形块，将与楔形槽匹配的楔形块夹装在摩擦焊接设备的振动夹具上；

摩擦焊接，操作摩擦焊接设备，使楔形块在楔形槽内做高频往复振动，楔形块与第一连接件及第二连接件的连接面均进行摩擦焊接形成连接组件。

在第一种可能的实现方式中，在安装连接件之前还包括：

加工连接件，在第一连接件的连接处加工出第一连接斜面，在第二连接件的连接处加工出第二连接斜面，使第一连接斜面和第二连接斜面在连接处形成楔形槽。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，在安装楔形块之前还包括：

加工楔形块，在楔形块上加工出与第一连接斜面及第二连接斜面分别匹配的焊接斜面。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，在摩擦焊接之后还包括：

加工连接组件，将连接组件进行去除飞边与多余材料的机械加工。

第二方面，本发明的实施例提供了一种飞机框梁的焊接方法，采用第一方面的线性摩擦焊接方法，包括：

将工字型长形构件的第一连接件和第二连接件焊接成框梁连接组件。

将若干框梁连接组件焊接连接形成飞机框梁的整体结构。

结合上述可能的实现方式，在第一种可能的实现方式中，在第一连接件及第二连接件的待连接处留有预定的加工余量。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，楔形槽的楔形角设定为30°-150°。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，在摩擦焊接过程中，焊接缩短量达到预定值后停止焊接，保持压力待冷却至300℃以下完成焊接过程。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，当楔形槽为三角形槽时，相应地，楔形块为三角楔形块，当楔形槽为梯形槽时，相应地，楔形块为梯形楔形块或三角楔形块。

第三方面，本发明的实施例提供了一种摩擦焊接设备，在焊接设备上可进行权利第一方面和/或第二方面的焊接方法，该焊接设备包括振动端和顶锻端，振动端上设有振动夹具用于夹装楔形块的振动夹具，顶锻端上设有用于同时夹装第一连接件和第二连接件的顶锻夹具。

综上，通过楔形块在楔形槽内的高频往复振动，使楔形块与两个连接件的相应连接面进行摩擦焊接而形成组件，克服了现有方法和设备中振动端不适用于安装长形连接构件的缺陷，采用本发明的方法和设备能够提高长形连接构件的焊接质量和效率，在飞机的框梁焊接中采用本发明的焊接方法和设备能够大大提高焊接接头的力学性能，同时降低了制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明实施例的线性摩擦焊接设备结构示意图。

图2是本发明线性摩擦焊接方法的第一实施例的流程示意图。

图3是本发明线性摩擦焊接方法的第二实施例的流程示意图。

图4发明实施例的飞机框梁连接组件焊接的结构示意图。

图中：

1：振动端；2：振动夹具；3：楔形块；4：第一连接件；5：顶锻夹具；6：顶锻夹具；7：第二连接件；8：顶锻端；9：楔形槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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作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1是本发明实施例的线性摩擦焊接设备结构示意图。

如图1所示，一种线性摩擦焊接设备，该设备的主要结构包括振动端1和顶锻端8，在振动端1上设有用于夹装楔形块3的振动夹具2，在顶锻端8上设有用于能够同时夹装第一连接件4和第二连接件7的顶锻夹具5（6）。使用该设备可以对需要焊接的连接件（4，7）进行线性摩擦焊接，尤其适用于对长形构件的连接件进行焊接连接，焊接接头的力学性能优越，显著提高了焊接质量和效率，简化了焊接工艺流程，节约了制造成本。

图2是本发明的一种线性摩擦焊接方法的第一实施例的流程示意图。下面将结合图1的焊接设备对本发明的一种线性摩擦焊接方法进行说明，该方法包括：

S201：安装连接件步骤，将第一连接件4和第二连接件7分别夹装在摩擦焊接设备的顶锻夹具5（6）上，使该第一连接件4和第二连接件7在连接处形成楔形槽9。

在本步骤中，楔形槽9可设计成预定需求的三角形槽，也可以设计成梯形槽等形式，顶锻夹具5和顶锻夹具6可以整体理解为用于夹装两个连接件的顶锻夹具统称，也可以理解为两个顶锻夹具。可根据实际需求设计该顶锻夹具的具体结构和安装位置，一般设计成可调节夹具便于夹装不同的待连接件，具有更广泛的通用性。

S202：安装楔形块步骤，将与楔形槽9匹配的楔形块3夹装在摩擦焊接设备的振动夹具2上。

在本步骤中，楔形块3与楔形槽9相匹配，具体地，当楔形槽9为三角形槽时，相应的，楔形块3是三角形的楔形块；当楔形槽9为梯形槽时，相应地，楔形块3是梯形或三角形的楔形块，只要楔形块3的焊接斜面角度与楔形槽的连接斜面的倾斜角度相同即可。本实施例的附图以三角形为例说明，但并不限于三角形的形式，只要是楔形块3和楔形槽9的焊接连接面上有预定角度的倾斜坡度均可。

此外，振动夹具2的具体结构也没有限制，只要楔形块3夹装在振动夹具2上，能随振动端1做高频往复振动即可，一般将振动夹具2设计成可调方式以适应不同形式的楔形块3。

S203：摩擦焊接步骤，操作摩擦焊接设备，使楔形块3在楔形槽9内做高频往复振动，楔形块3与第一连接件4及第二连接件7的连接面均进行摩擦焊接形成连接组件。

在本步骤中，利用摩擦焊接原理，将楔形块3作为振动连接件，将第一连接件4和第二连接件7均作为顶锻连接件固定夹装在焊接设备上进行摩擦焊接。由于楔形块3较待焊连接件（4和7）体积小且质量轻，易于夹装，可实现超长型连接构件的任意位置焊接，且楔形的接头形式可以较好的承受焊接过程中的摩擦压力，无需从两端施加压力，从而可在通用摩擦焊接设备上实现了长形构件的焊接。因此，小巧的楔形块3作为振动件比待焊连接件更具优势，焊接质量和效率也更高。

图3是本发明的一种线性摩擦焊接方法的第二个实施例的流程示意图。

如图3所示，在安装连接件（4和7）步骤之前还包括加工连接件的步骤。具体地，在第一连接件4的连接处加工出第一连接斜面，在第二连接件7的连接处加工出第二连接斜面，使第一连接斜面和第二连接斜面在连接处形成楔形槽9。

在安装楔形块3步骤前还包括加工楔形块3的步骤。具体地，在楔形块3上加工出与第一连接斜面及第二连接斜面分别匹配的焊接斜面。

以及，在摩擦焊接步骤之后还包括加工连接组件的步骤。具体是将连接组件进行去除飞边与多余材料的机械加工。

在本实施例中，对两个连接件（4和7）的待连接处加工出相应斜面作为连接斜面，一般地，相互连接的两个连接斜面相对应加工出预定角度θ，在工程应用中该斜面角度θ的具体值是根据材料本身的特点（包括室温强度，焊接热过程中的高温强度，热传导能力）进行工艺试验确定的，一般在30°-150°之间，相应地，为与楔形槽相匹配，楔形块的焊接斜面角度也在30°-150°之间。

需要说明的是，楔形块3与第一连接件4及第二连接件7的斜面加工顺序不受限制，可以先加工楔形块3后再根据楔形块3的斜面再加工出连接件（4和7）上的相应连接斜面，也可以先加工连接件（4和7）上的连接斜面后再根据连接斜面加工出相应斜面的楔形块3。本发明连接区域斜面的设计，更有利于连接处的定位安装，能够使楔形块3在压力的重用下沿楔形槽9快速定位连接。

本发明实施例的方法中，焊接频率在20Hz-80Hz范围内,焊接过程中因摩擦产生塑性金属流出，形成飞边，消耗材料，对连接组件进行去飞边与多余材料的继续加工以形成预定要求的组件。并且楔形块3在压力作用下向构件内部发生移动，产生预定值的缩短量δ，为形成良好接头缩短量δ一般不小于3mm，达到预定位置即停止焊接过程，保压一段时间待构件冷却，完成焊接。

图4发明实施例的飞机框梁连接组件焊接的结构示意图。

例如某飞机的框粱为工字型长形结构，材料为TA15钛合金，为降低制造成本，首先将其分成若干段分别锻造以及加工，在此基础上，采用以上实施例的摩擦焊接方法进行焊接连接。具体方法包括：将工字型长形构件的第一连接件4和第二连接件7焊接成框梁连接组件；再将若干框梁连接组件再焊接形成飞机框梁的整体结构。

其中，在第一连接件4及第二连接件7的待连接处留有预定的加工余量，楔形槽的楔形角设定为50°，相应地，楔形块3的斜面角度也是50°，在将楔形块3与形成楔形槽的第一连接件4和第二链接件7进行摩擦焊接过程中，焊接缩短量达到10mm后停止焊接，保持压力待冷却至300℃以下完成焊接过程。

需要说明的是，本发明的方法和设备的应用不限于是长直形零件的焊接，也可以应用于圆形等超长形构件的焊接，并且作为振动件的楔形块的截面也不限于三角形和梯形等形式，还可以在本发明的原理上拓展为其他多种形式截面的楔形块。

综上所述:本发明的线性摩擦焊接方法，在连接处采用了楔形块和楔形槽摩擦焊接的方法。通过将两个连接件夹装在焊接设备的顶锻端并形成楔形槽，将楔形块夹装在焊接设备的振动端，只需振动楔形块即可实现摩擦焊接，由于楔形块较连接件小巧轻便，容易夹装和运动，两个待连接件固定夹装在设备的顶锻夹具上，不存在位置误差，楔形块的振动对连接件的位置没有影响，在焊接完成后，只需加工焊接区域即可，因此待连接件表面不需要预留加工余量，使用本发明的焊接方法和设备进行长形构件的焊接操作便捷，焊接质量高；简化了制造工序，节约了成产成本。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种线性摩擦焊接方法，其特征在于，所述方法包括：

安装连接件，将第一连接件和第二连接件分别夹装在摩擦焊接设备的顶锻夹具上，使所述第一连接件和所述第二连接件在连接处形成楔形槽；

安装楔形块，将与所述楔形槽匹配的楔形块夹装在所述摩擦焊接设备的振动夹具上；

摩擦焊接，操作所述摩擦焊接设备，使所述楔形块在所述楔形槽内做高频往复振动，所述楔形块与所述第一连接件及所述第二连接件的连接面均进行摩擦焊接形成连接组件。

2.根据权利要求1所述的线性摩擦焊接方法，其特征在于，在所述安装连接件之前还包括：

加工连接件，在所述第一连接件的连接处加工出第一连接斜面，在所述第二连接件的连接处加工出第二连接斜面，使所述第一连接斜面和所述第二连接斜面在所述连接处形成所述楔形槽。

3.根据权利要求2所述的线性摩擦焊接方法，其特征在于，在安装楔形块之前还包括：

加工楔形块，在所述楔形块上加工出与所述第一连接斜面及所述第二连接斜面分别匹配的焊接斜面。

4.根据权利要求1所述的线性摩擦焊接方法，其特征在于，在所述摩擦焊接之后还包括：

加工连接组件，将所述连接组件进行去除飞边与多余材料的机械加工。

5.一种飞机框梁的焊接方法，其特征在于，采用权利要求1所述的焊接方法，包括：

将工字型长形构件的所述第一连接件和所述第二连接件焊接成框梁连接组件；

将若干所述框梁连接组件再焊接形成所述飞机框梁的整体结构。

6.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于，在所述第一连接件及所述第二连接件的待连接处留有预定的加工余量。

7.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于，所述楔形槽的楔形角设定为30°-150°。

8.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于，在所述摩擦焊接过程中，焊接缩短量达到预定值后停止焊接，保持压力待冷却至300℃以下完成焊接过程。

9.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于，当所述楔形槽为三角形槽时，相应地，所述楔形块为三角楔形块，当所述楔形槽为梯形槽时，相应地，所述楔形块为梯形楔形块或三角楔形块。

10.一种摩擦焊接设备，其特征在于，在所述焊接设备上可进行权利要求1和/或5所述的焊接方法，所述焊接设备包括振动端和顶锻端，所述振动端上设有用于夹装所述楔形块的振动夹具，所述顶锻端上设有用于同时夹装所述第一连接件和所述第二连接件的顶锻夹具。