CN1184905A - 罐器和制造方法 - Google Patents

Abstract

在建造具有端部穹顶的圆筒形罐器而穹顶由振动摩擦焊接予以装接时,将车轮件在罐器圆筒和穹顶的界面处安置在罐器内侧,使其为振动摩擦焊接工具所施加的压力提供了背面支承,并且通过采用振动摩擦焊接工艺将其焊接在罐器里而加强了焊接区域和罐器的强度。

Description

罐器和制造方法

本发明涉及罐器的焊接。它特别涉及利用摩擦振动焊接(FSW)技术来组装铝合金充压罐器。

焊接技术是众所熟知的。例如，诸如弥散焊接的各种固态焊接工艺已经用作某些独特的冶金应用场合中的专门工艺。摩擦焊接是一种固态接合工艺，可以依靠以机械方式导致的摩擦运动所生成在两个表面之间的热量而产生融合。摩擦焊接具有某些主要的局限性，其中包括各工件的制备和对中，这对于形成均匀的摩擦和发热可能是至关重要的，特别是具有大直径的工件。因而，尽管过去和现在采用了许多不同类型的焊接技术工艺，但与接合高强度铝合金有关的各种技术问题被公认为，对于在汽车结构中更为广泛地施用铝材和对于在铝质宇航结构中进一步降低成本和重量都是主要的约制。

一种称作摩擦振动焊接的新工艺提供了一种用于接合铝合金的独特和革新的方法，特别是为低成本高性能铝质结构的焊接提供了一种新型设计。基本上，摩擦振动焊接是通过在接合线附近使材料塑性化随后再予以固化而把铝合金(以及铜合金)接合起来的。这种作业是依靠把一只非损耗性的销柱插入接合的起始处而实现的。这种用诸如钢材之类硬度大于工件材料的某种非损耗性材料所制成的销柱可依靠摩擦发热而使铝材软化和塑性化。销柱随后旋转并在焊接方向上移动。当销柱旋转时，摩擦会加热围绕销柱的铝合金环形区域。随着销柱在焊接方向上移动，销柱的导端面迫使灼热的已塑性化的材料趋向销柱的背后，填充由运动着的销柱所留下的空间。不出现熔化现象，而留下的焊缝处在一种细粒、热作状况之中，没有任何裹带的氧气或者气隙。

摩擦振动焊接技术在美国专利5460317中有所说明，该专利在本文中引作参考。

摩擦振动焊接，由于其许多优点，被认为是用于组装铝制罐器，特别是对诸如那些用于空间发射系统之中的低温氧气储存的大型铝合金充压罐器来说很有吸引力的工艺。由于摩擦振动焊接中包含有巨大压紧力，在这种罐器结构的最终焊接中存在着如何在罐器内侧适当地形成背面支承的问题，特别是当进入罐器内部受到限制的时候。

本发明的一项目的是，在一特别是铝制的圆筒形罐体内侧提供一种支承构件，用于支承罐体的各壁板。

本发明的又一项目的是，提供一种作为焊接接缝的刚性背面支承的支撑件。

本发明的再一项目的是，支承构件还用作已制成的罐器承载压力容器的一个组成部分，以致支承结构不必从已完成的罐器上拆下拿开。

本发明的还一项目的是，支承构件可阻止罐器在罐内充压气体气动力作用下的向外膨胀。

本发明的另一项目的是，提供一种经优化设计后的支承结构，使最终罐器重量减轻，成本降低。

本发明对于铝制罐器各接缝在最终摩擦振动焊接期间的背面支承问题提供了一种通用解决办法。本发明采用一种内部支承结构，它不仅在摩擦振动焊接过程期间提供用于背面支承的工具，而且在最终产品中用作罐器压力容器的一个组成部分，以致避免从已完成的罐器上拆下支承结构并将其拿开。在其最佳实施例中，一种“车轮”式结构，被用作此内部组成工具和罐器支承。这种车轮件最好是用与罐壳一样的铝合金制成的。因而，为了最终沿周向把一个半球形穹顶式罐器端头组装到一圆筒形罐体上去，车轮件的边缘最好是叠合并支承罐器穹顶与罐器圆筒之间的对接接缝。车轮可以在配装到已部分组装的罐器里面以前通过低温冷却车轮的方式作冷缩配合而被强制形成紧密配合。然后依靠摩擦振动焊接制成接缝，以致三个构件，即穹顶、圆筒形罐体、车轮件，同时焊接成为一三件接合体。在摩擦振动焊接过程期间，车轮件用作穹顶与圆筒形罐体周向对接的刚性背面支承。在制成的罐器中，车轮通过三件式焊接来阻止罐器在罐中充压气体气动力的作用下向外膨胀，而用作为承载压力容器的一个组成部分。

图1是按照本发明建造的一罐器的分解透视图。

图2是对罐器做部分切除后的透视组装图。

图3是通过周向焊缝和背面板件的轴向剖面图。

图4是通过焊缝18所取的切向剖面图。

本发明提供一种焊成的罐器，大体上具有圆筒形状，并能够避免在其中的充压气体的气动力作用下罐器的向外膨胀。此罐器的设计、结构和特点，以及其制作方法，参照描绘本发明某些示范实施例的附图将会得到更为完整的了解。

现在参看附图的图1和2，其中表明本发明的一优选罐器2。一罐器穹顶4可以由周向焊缝16与罐体6适当地接合，它需要可拆除的背撑工具，或是与罐体成一体的背撑板件。在其他一些实施例中，罐体6可以做成为一单一的结构而以罐器穹顶4作为其一个组成部分，特别是在罐器较小的时候。此外，罐器穹顶盖4也可以作为罐器组装中的最后工序被接合于罐体6。

在其他各优选做法是，用一个将三部分联接起来的周向焊缝18将罐体端部8及其背板支撑件10和穹顶盖12联接成一体。作为范例，对于用以把一半球形穹顶罐器12接合于罐体6的圆筒形端部8的此最终周向焊缝18来说，板件10可以为一车轮形态，用作内侧整体化工具或罐器支承。车轮件10最好是用与罐器6同样的铝合金制成的。铝制车轮10的边缘最好叠合并支承罐器穹顶12与罐器圆筒形端部8之间的对接焊缝。车轮件10可以在配装到已部分组装的罐器里面以前以低温冷却方式作冷缩配合而强制形成紧密配合。然后依靠摩擦振动焊接制成焊缝18，以便三个构件，即穹顶、圆筒主体端部8和背撑板件或车轮件10，利用一摩擦振动焊接工具20同时焊接成为三部分接合体。由于在摩擦振动焊接过程期间所施加的压力，车轮件10用作穹顶与圆筒周向对接的刚性背向支承。在制成的罐器中，车轮件作为承载压力容器的一个组成部分。依靠通过三件式焊接来阻止罐器在罐器中充压气体的气动力作用下的向外膨胀。这样设计的车轮件使最终罐器的重量减轻，成本下降。

参照附图的图3和4，其中各同样的编号指的是各同样的零部件，图中一旋转工具心轴22的端部是一摩擦销柱24，方向26表示心轴和销柱的转动方向。方向28表示焊接前行方向。如图3和4所示，依靠图示摩擦振动焊接工具20的动作完成一个连接三部分的周向焊缝18。

可以理解，支承构件10的主要功能是要在摩擦振动作业期间用作一背撑板件或工具。对于某些应用场合，其随之而来的功能是，作为压力容器结构的一个整体组成部分，免除了从已组装的罐器中拆除笨重工具的必要。在充压罐器用于在重量限制很大的空间发射系统之中储存低温氧气时，这一点可能具有特殊的重要性，尤其是当进入罐器内部的通路又受到限制的时候。一但罐器组装完毕，根据具体用途，诸如用于空间发射系统之中，就可以通过各孔口(未画出)向罐器内部加氧气，随后将各孔口密封。

应当认识到，在本发明所制作的罐器的设计和作业方面可以作出各种不同的变更而不偏离本发明的精神。因而，应当理解，在所附各项权利要求的范围之内，本发明可以以不同于所图示和所说明的另外方式予以实施。

Claims (12)

1.一种具有预定长度的罐器，具有一圆筒形主体和至少一个穹顶式罐端构件，所述罐器能够避免在其中的充压气体的气力动力作用下向外膨胀，它包括一伸长的圆筒形罐体，其中具有一支承构件，用于支承所述罐体的各壁板；一穹顶式罐端构件，同所述罐器的主体以及支承构件接触；所述罐器端部与所述圆筒形罐器主体构成一圆筒形对接接缝，支承构件的边缘叠合和支承罐器穹顶与罐器圆筒主体之间的对接接缝，所有三个构件同时焊在一起成为一个三件式接合件，以使支承构件用作穹顶式圆筒周向对接接缝的一个刚性背面支承，并随后用作已完成的罐器的承载压力容器的一个组成部分，从而避免在罐器中充压气体动力的作用下向外膨胀。

2.按照权利要求1所述的罐器，其中穹顶、圆筒主体和整体组合支承结构利用一种摩擦振动焊接工艺同时焊接成为一个三件式接合体。

3.按照权利要求1所述的罐器，其中组合焊成的压力容器支承构件为一车轮形状，整体地连接于穹顶和圆筒周向对接接缝。

4.按照权利要求3所述的罐器，其中车轮件、罐器主体和罐器穹顶由一种或多种铝合金制成。

5.按照权利要求4所述的罐器，其中车轮件、罐器主体和罐器穹顶由同一种铝合金制成。

6.一种用于制作一罐器的方法，此罐器可以防止罐器在其中盛放的充压气体的气动力作用下向外膨胀，此方法包括制备一部分组装的罐器，同罐体里面一支承构件紧密配合；把一圆筒形穹顶端部对接于所述罐器主体；以及利用摩擦振动焊接组装罐器，以使圆筒形主体、支承构件和穹顶，在把支承构件利用于摩擦振动焊接过程的同时，三者同时焊接成为一个三件式接合体。

7.按照权利要求6所述的方法，其中支承构件为一车轮形状。

8.按照权利要求7所述的方法，其中车轮件在配装到已部分组装的罐器内部以前以低温冷却车轮件的方式作冷缩配合而紧密配合在圆筒形主体之内，然后允许车轮件作热力膨胀而紧密配合在罐器内部。

9.按照权利要求8所述的方法，其中低温气体用于冷却车轮件，以便使车轮件在罐器圆筒内部形成紧密冷缩配合。

10.按照权利要求8所述的方法，其中车轮件的边缘叠合支承罐器穹顶与罐器圆筒形主体之间的对接接缝，然后车轮件、罐器穹顶和罐器圆筒形主体利用摩擦振动焊接同时焊接成为一个三件式接合体，这一过程需要一种高强度的、刚性背面支承结构。

11.按照权利要求7所述的方法，在进行摩擦振动焊接之前，罐器、穹顶和车轮件由一种或多种铝合金制成。

12.按照权利要求11所述的方法，罐器、穹顶和车轮件由同一种铝合金制成。

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