CN1188230C - 一种结构体的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种结构体的制造方法，两个旋转工具插入到需要连接的两条接缝处，同时开始移动。在窗户处，旋转工具A从连接处退避，其摩擦搅拌连接停止。在位置P3，逐渐退避旋转工具B，并移动到结合部。在位置P4，旋转工具的移动都停止，旋转工具B被退避，连接停止。下一步，旋转工具都被插入，移动再一次开始。此时旋转工具B的插入量要比其移动停止期间的插入量大。在多条接缝进行摩擦搅拌连接的情况下和摩擦搅拌连接不需要的位置都能获得好的摩擦搅拌连接。

Description

一种结构体的制造方法

本发明涉及一种根据摩擦搅拌连接方法的结构体制造方法，该方法适合于制造铁路车辆的车体。

摩擦搅拌连接方法使用一种称之为“旋转工具”的圆棒，将旋转工具插入到接缝位置，旋转工具沿着接缝线移动，此时，接缝位置被加热软化直至液化，而固化后则产生连接。

旋转工具有两部分，即小直径部分和大直径部分，小直径部分插入到接缝中，而大直径部分在小直径部分的外部。小直径部分与大直径部分有相同的轴线。将少量小直径部分和大直径部分的边界插入到接缝中。旋转工具沿接缝行进方向向后倾斜。

铁路车辆的车体由多块挤压型材构件构成，这种型材通过摩擦搅拌连接形成。挤压型材构件的纵向与车体的纵向一致。而型材的宽度方向则沿车体的圆周方向安排。车体的侧面提供开口用于做窗户等。

上述技术在日本专利申请特开平No.09-309164(EP 0797043A2)进行了说明。

由于车体的窗户高度比一块挤压型材构件的宽度大，窗户的高度由两到三块型材构件形成。因为这一点，切除掉足够于窗户需要的高度后，其余框架沿窗户高度排列并连接。

进行结构体制造的摩擦搅拌连接设备由安放多个挤压型材构件的台面和悬吊多个旋转工具的可移动框架体组成。多个旋转工具由移动框架体带动移动，从而多个挤压型材构件同时被连接。

在多个挤压型材构件被悬吊于移动框架体上的多个旋转工具同时连接情况中，当一个旋转工具首先到达窗户位置时，这个旋转工具被从挤压型材构件中退避，摩擦搅拌连接停止。而其他没有遇上窗户位置的旋转工具继续进行工作。当被退避的旋转工具到达窗户的另一边后，它重新被插入到接缝位置，摩擦搅拌连接工作重新开始。

在上述过程中，通过移动被退避的旋转工具使其重新插入到接缝中，因这一原因，很容易产生焊接缺陷。而且在摩擦搅拌连接开始时间，接缝位置的温度不会到达所需温度，因此需要将旋转工具插入接缝的量加大。

除上述情况外，由于插入接缝的旋转工具被移动，因此旋转工具的轴承构件上会产生一个倾斜的作用力。由于这些原因，轴承的尺寸变大，而旋转工具的寿命将成为问题。

本发明的第一个目的是在摩擦搅拌连接中对多条接缝同时进行焊接时，在被连接部分不再存在或不需要摩擦搅拌连接的部分和需要连接的部分相混合的情况下，当摩擦搅拌连接再一次开始时，能获得较好的连接效果。

本发明的第二个目的是在摩擦搅拌连接中对多条接缝同时进行连接时，在被支配连接部分不再存在或不需要摩擦搅拌连接的部分和需要连接的部分相混合的情况下，当摩擦搅拌连接时，只用短的时间就能再一次开始连接。

通过组合以下步骤的结构体制造方法来达到上述第一个目的：将旋转工具分别插入到两行接缝中开始摩擦搅拌连接，在第一位置，停止一个旋转工具的摩擦搅拌连接并退避旋转工具，同时与另一个旋转工具一起继续沿着连接位置移动，在第二位置，停止旋转工具的摩擦搅拌连接并退避另一个旋转工具，然后再将旋转工具分别插入到预定深度的接缝中，并开始分别移动各旋转工具启动摩擦搅拌连接。

第二个目的通过组合以下结构体制造方法达到：将旋转工具分别插入到两行接缝中开始摩擦搅拌连接，在第一位置，退避一个旋转工具，同时与另一个旋转工具一起继续沿着连接位置移动，在第二位置，将这个旋转工具插入到接缝中。

图1提供了根据本发明的结构体的制造方法的一个实施例的操作说明；

图2提供了根据本发明的结构体的制造方法的一个实施例的流程表；

图3是利用本发明制造的结构体纵向截面视图；

图4是一个透视图，展示了利用本发明的一个实施例所使用的摩擦搅拌连接设备；

图5是一个透视图，展示了利用本发明连接铁路车辆的车体；

图6提供了利用本发明—结构体制造方法的另一个实施例的操作说明。

以下参考图1至图5说明依据本发明的结构体制造方法的一个实施例。车体是一种结构体的实例，如图5所示，车体分别由结构体201组成的侧壁、结构体202组成的车顶、框架203组成的车底以及结构体204组成的车体纵向端墙构成。

侧壁结构体201、车顶结构体202和框架203都是用多个挤压型材构件构成。每个挤压型材构件的纵向沿着车体的纵向排列。挤压型材构件的材料为铝合金。

如图5所示，侧壁结构体201由挤压型材构件10、20、30和40组成。在侧壁上有出入口220。在许多情况下，出入口220是在挤压构件10、20、30和40被连接后才形成。窗户210也用类似方法形成。出入口220通过切除挤压型材构件10、20和30上的相应部分后形成。

侧壁结构体201由10、20、30和40四个挤压型材构件构成，然而，对于挤压型材构件为中空的情况，侧壁结构体由更多个挤压构件组成。而且，还存在窗户由三个挤压型材构件构成的情况。在这种情况下，处于中间的挤压型材构件在中间部分被切除。

图3说明了侧壁结构体201的构成。这里只对挤压型材构件20和30进行说明，而框架10和40与框架20和30类似。型材构件20和30是中空的型材构件。

中空的型材构件20由两个面板21和22、多个筋23和支持板24构成，其中，筋23以桁架形式布置用于连接两个面板，支持板24在中空型材构件20宽度方向的端部(连接位置)连接两个面板。中空的型材构件30由两个面板31和32、多个筋33和支持板34构成，其中，筋33以桁架形式布置用于连接两个面板，支持板34在中空型材构件30宽度方向的端部(连接部分)连接两个面板。

在面板21和22端部(连接位置)的宽度方向，沿面板的外侧有凸台部分25。在面板31和32端部(连接位置)的宽度方向，沿面板的外侧有凸台部分35。在中空型材构件30宽度方向的端部有一个突出部36，并与中空型材构件20相应的凸起位置对应。

突出部36插入到面板21和22之间。中空型材构件20的面板21和22的端部与突出部36装配到一起。突出部36形成一个座承受旋转工具340的插入力。

凸台部分25与35的宽度相同。与凸台部分25相对应的凸台35的端面处于支持板34板厚度的宽度方向。摩擦搅拌连接设备330的旋转工具340的旋转轴中心处于两个凸台部分25和35的中心。

构成侧壁结构201的挤压型材构件10、20、30和40安装在摩擦搅拌连接设备的台面310上并与其固定。在多个挤压型材构件10、20、30和40的上部有可移动的框架体320。移动框架体在位于台面310两侧的导向轨上移动。在移动框架体的横梁上朝下安装有三个摩擦搅拌连接设备330。

在摩擦搅拌连接设备330的底端安装旋转工具340。各摩擦搅拌连接设备330独立地相对横梁321移动，包括旋转工具340的上下移动和转动。

各摩擦搅拌连接设备330都有可选用传感器。可选的传感器用于检测旋转工具与凸台25和35上表面的距离并按照预定的值确定旋转工具340的插入量。而且，上述传感器还检测凸台25和35的宽度，使其中心与旋转工具340的轴心保持一致。

在挤压型材构件20和30上预先为窗户留有形状与窗户完全一样的开口。这些开口是在挤压型材构件20和30上相应的窗户位置进行切除而获得。

挤压型材构件10、20和30在设有出入口220的位置处被切断，并设定出入口220的宽度尺寸。而对于构成出入口220上端的挤压型材构件40，预先在该开口通过切削挤压型材构件40而得到。出入口220的位置设置本质上具有出入口220形状的开口(切除部分)。

下面说明窗户210的切除。挤压型材构件20和30连接部分在窗户210位置有一个起始端和一个结束端。为此，在挤压型材构件20和30接缝附近切除一部分而留下突出片28、38、29、39，它们向窗户210内突出。各突出片28、38、29、39的宽度与支持板24和34以及凸台25和35的尺寸相一致。

同时构成出入口220的位置也被切除。挤压型材构件10、20、30和40被切除后留下突出片28、38、29、39。而且，在侧壁201纵向的两个端部相应地留有上述突出片28、38、29、39。

使用紧固工具将中空型材构件10、20、30和40安装并固定在台面310上。当中空型材构件10、20、30和40被固定好后，使用弧焊方式沿着接缝将中空型材构件10、20、30和40比邻的凸台25和35间隔地和临时地固定起来。接缝的起始端和结束端的突出片28、38和29、39的最尾端也临时固定。

在图1中的字符“W”代表临时焊接。特别地，起始端的临时焊接W在凸台25和35的上表面和中空型材构件10、20、30和40纵向最尾端。最尾端表面的临时焊接W的范围与从凸台25和35的上表面到突出部36的范围一致。临时固定用焊接不是V字形凹槽，而是I字形凹槽。

上述准备之后，摩擦搅拌连接从中空型材构件纵向的一端开始。转动各个旋转工具340，将其落下并插入到接缝起始端缺口的凸台25和35中。插入位置为比片的端部的临时焊接位置W更接近焊接线结束端。该插入位置就是如图1中旋转工具340A的位置P4。

旋转工具340的小直径部件341的缺口端插入到突出部36的上表面。旋转工具340的大直径部件342的最低端位置在面板21和31(面板22和32)的外表面与凸台25和35的顶点间。旋转工具340的轴心线位置在两个凸台25和35之间。旋转工具340的小直径部件的轴心线与大直径部件的轴心线相同。旋转工具340的小直径部件为螺杆形构件。

当旋转工具340插入到预定的深度后，带有多个摩擦搅拌连接设备330的移动框架体320开始向另一端方向移动，而摩擦搅拌连接也开始。

下面参考图1和图2说明在窗户210和出入口220周边的摩擦搅拌连接的操作。这里以窗户210为主说明。接缝上有窗户时，旋转工具340表示为“340A”，而没有窗户时则表示为“340B”。旋转工具340A和340B被安排在同一起始线上。如图1所示，两旋转工具从左向右移动。

当摩擦搅拌连接从挤压型材构件的端部行进时，旋转工具340A和340B到达窗户210的突出片28和38的位置P1，通过旋转工具340A使340A后退。也即是旋转工具340A上升。而移动继续。旋转工具340A逐渐上升。位置P1根据移动框架体320的移动量确定。而位置P1是预先确定的。(步骤S10和S30)

摩擦搅拌连接结束后，突出片28和38被切除。因此，位置P1仅是突出片28和38在上游的一个位置，从强度方面考虑的连接深度是不成问题的。旋转工具340B在窗户位置时不上升，而是继续移动并继续进行摩擦搅拌连接。

正如上面说明的一样，因为旋转工具340A在移动中上升，旋转工具340A和340B并不停顿，从挤压型材构件20和30中退避旋转工具340A是可能的，这样能减少时间。

当旋转工具340A上升到预先确定的位置(图中P2)时，340A的旋转停止。340A的上升位置有足够的高度而防止旋转工具与凸台25和35产生干涉。由于旋转工具340A的小直径部件被从凸台25和35退避，因此摩擦搅拌连接也停止。

旋转工具340A和340B到达窗户210的另一端，也就是预先确定的位置P3，即是在连接部分起始端突出片29和39一侧，此时340B开始上升(即退避)，其退避速度较慢。而移动框架体320继续移动。因此旋转工具340B产生的连接深度逐渐变浅。(步骤S50和S70)

当旋转工具移动到在突出片29和39上的位置P4时，移动框架体320停止移动。在此时，340B继续上升，并完全从连接部分退避。在位置P4，340B的上升速度可能会增加。位置P4在临时焊接W的内侧。(步骤90和110)

50mm是位置P3和P4间距离的一个实例，而此时位置P3和P4间旋转工具的上升量是0.5mm。对于这一上升，连接深度变得较小。从强度方面考虑，在最小深度处也不会因尺寸而出现问题。

当旋转工具340B退避后，在连接处会留下一个与旋转工具340的小直径部件341的直径相当大小的孔。

接着，在位置P4，所有旋转工具(包括340A和340B)开始旋转并下降，直到它们插入到预定的深度。旋转工具340A和340B的插入固定是在通用(固定的)深度(步骤130)。

旋转工具340B插入到前面提到的孔中。由于旋转工具340B插入的深度是通用的深度，插入深度值是位置P3之前的深度值(即旋转工具340B上升开始时的深度值)，也就是在位置P4处摩擦搅拌连接停止时的深度加上0.5mm。也即是从旋转工具340B退避时产生的孔的最低端再深插0.5mm。

上述过程完成后，移动框架体320开始移动。旋转工具340A和340B再一次开始摩擦搅拌连接。摩擦搅拌连接的深度是通用的深度。(步骤S150)

如上所述，在位置P4，当旋转工具340B退避时产生一个孔，摩擦搅拌连接开始前旋转工具340B插入到该孔中。因此这个孔将被凸台25和35的材料所充满。

而且，由于旋转工具340B的下端要比上述孔的最底端还低，因此上述孔的底端将被完全连接，从而严格约束了在该位置产生缺陷的可能性。特别地，由于上述孔的最底端被旋转工具340B的下端完全搅拌，因此也严格约束了在上述孔的最底端中间部分产生缺陷的可能。

再者，即使在上述孔的最底端中间部分存有缺陷，该缺陷也不会大，从强度方面考虑也完全不是问题。

由于旋转工具340A的插入位置在突出片29和39端部临时焊接部分W的内侧，因此接缝的间隔不会扩大。因此能获得较好的连接结果。

下一个窗户210以同样的方法形成。而在出入口220处旋转工具340的上升与落下操作也相同。当然也没必要将所有的旋转工具340布置在同一起始线上。

正如上述，当连接到另一端后，由多个中空型材构件构成的结构体被翻转，然后继续相同的摩擦搅拌连接。连接完毕后，在车体外侧的凸台被切除，因此使外侧面板得到一样的表面。

此外，需要进行下面的工作。如果在位置P4时用上述的插入深度不能避免缺陷的产生时，旋转工具340应插入更深，而连接部分则更厚。为此，移动开始后，在位置P5(或预先确定的时间间隔)，使旋转工具340B上升，直至插入深度变为正常。

旋转工具340B的上升通过340的高度位置控制功能进行控制。旋转工具340的控制功能通过传感器来实现，传感器检测凸台25和35的高度，而距离凸台25和35的插入量预先确定。这样使所有旋转工具340A和340B处于正常条件。

此外，下述工作需要进行。摩擦搅拌连接以正常插入深度进行到位置P4，在位置P4，旋转工具340B被退避。

下一步，在位置P4，旋转工具340A和340B被插入。340A的插入深度为正常量，而340B的插入深度比正常时大。例如大0.5mm。

达到上述情形后，旋转工具340A和340B开始移动。移动开始后，在位置P5(或预先确定的时间间隔)，使旋转工具340B上升，其上升速度较慢。移动框架体320保持移动。因为这个原因，旋转工具340B的连接深度逐渐变浅。

当旋转工具340B上升到预定的位置(位置P4前的插入深度)，停止上升。此时，旋转工具340A和340B都处于正常情形。此外，位置P1、P2、P3和P4可根据时间来控制。

在旋转工具340B退避的位置，旋转工具340能立即插入，然而由于一些原因，移动框架体320在移动，到位置P4，旋转工具340A和340B才能被插入。

在旋转工具340B退避的位置P4，旋转工具340B插入到其退避时形成的孔中，然而其沿着位置P4的上游侧插入是可能的。在这种情况下，旋转工具340A的第二次插入量与之前连接时的插入量相同。

下面参考图6说明另一个利用本发明的结构体的制造方法的实施例。当旋转工具340A和340B到达窗户210的另一端，也就是340A和340B达到突出片29和39处时，旋转工具340A使其下降并按预定的深度插入。340A插入到突出片29和39的位置P4处于临时焊接部W的内边(下游边)。

由于旋转工具340A在下降的同时保持移动，因此连接的深度是逐渐加深的。当其插入到预定的深度时停止下降(位置P5)。其后，摩擦搅拌连接以正常深度进行。

旋转工具340A下降到正常深度时的位置P5处于突出片29和39上。连接完毕后切除29和39。340A插入量由可选的传感器控制。

如上所述，旋转工具340A是在没有停止移动的同时下降的，340A和340B都不停止移动，而340A被插入到中空型材构件20和30中，这样就缩短了连接时间。

由于旋转工具340A插入位置处于突出片29和39的内边，没有切除临时焊接部分，接缝的间隔也没有扩大，因此可获得较好的焊接效果。

旋转工具340插入位置处(接缝的起始端)的两构件间隔可能容易扩大，然而由于在凸台25和35的上表面有临时焊接而且在突出片29和39的尾端厚度方向有临时连接，因此开始端被强有力的组合在一起，能容易地阻止起始端的扩大。

在中空型材构件20和30的尾部，也就是旋转工具340A和340B的插入位置，提供了突出片29和39，与前面的实施例一样形成临时焊接部分W和旋转工具340A和340B的插入位置。与只在中空型材构件上表面有临时焊接的情况比较，凹槽的长度可缩短。而且中空型材构件的长度也可缩短。

本发明的技术范围不局限于在权利要求中定义的记载文字和技术方案中的文字说明，而是提供了本领域的普通技术人员容易替代的范围。

根据本发明的第一方法，对于在相同时间里有多条接缝需要用摩擦搅拌连接的情况、用于连接的构件不存在的情况、不需要摩擦搅拌连接的情况、以及连接部分混合在一起的情况，当第二次连接开始时，能获得好的摩擦搅拌连接。

而根据本发明的第二方法，对于在相同时间里有多条接缝需要用摩擦搅拌连接的情况、用于连接的构件不存在的情况、不需要摩擦搅拌连接的情况、以及连接部分混合在一起的情况，当第二次连接开始时，也能在短时间内实现连接。

Claims (10)

1.一种结构体的制造方法，由以下几步组成：

通过将各旋转工具插入到两排接缝中开始摩擦搅拌连接；

在第一位置，通过从连接部分退避上述旋转工具中的一个而停止摩擦搅拌连接，而退避的旋转工具与另一个旋转工具一起继续沿着连接部分移动；

在第二位置，停止各旋转工具的移动并停止摩擦搅拌连接，从连接位置退避另一个旋转工具；

将各旋转工具以预定的深度插入到上述退避时的连接部分；

开始移动各旋转工具并开始摩擦搅拌连接。

2.如权利要求1所述的结构体的制造方法，其中，

在第二位置退避另一个旋转工具后，插入各旋转工具的位置为第二位置。

3.如权利要求2所述的结构体的制造方法，其中，

在第二位置插入另一个旋转工具时，其插入深度比该工具在退避期间的插入深度要深。

4.如权利要求1所述的结构体的制造方法，其中，

在第二位置退避另一个旋转工具后，插入各旋转工具的位置为第二位置的上游侧。

5.一种结构体的制造方法，由以下几步组成：

通过将各旋转工具插入到两接缝中开始摩擦搅拌连接；

在第一位置，通过从连接部分退避上述旋转工具中的一个而停止摩擦搅拌连接，而退避的旋转工具与另一个旋转工具一起继续沿着连接部分移动；

在第二位置，开始退避另一个旋转工具，同时继续摩擦搅拌连接；

在第三位置，从连接部分退避另一个旋转工具，停止各旋转工具的移动，并停止摩擦搅拌连接；

将各旋转工具以预定的深度插入到上述退避时的连接部分，而第二个旋转工具的插入深度比该工具在退避期间的插入深度要更深；

开始移动各旋转工具并开始摩擦搅拌连接。

6.如权利要求5所述的结构体的制造方法，其中，

在第三位置插入另一个旋转工具时，其插入深度比该工具在退避期间的插入深度要深。

7.一种结构体的制造方法，由以下几步组成：

通过将各旋转工具插入到两接缝中开始摩擦搅拌连接；

在第一位置，通过从连接部分退避上述旋转工具中的一个而停止摩擦搅拌连接，而退避的旋转工具与另一个旋转工具一起继续沿着连接部分移动；

在第二位置，停止各旋转工具的移动并停止摩擦搅拌连接，从连接位置退避另一个旋转工具；

将各旋转工具以预定的深度插入到上述退避时的连接部分，而第二个旋转的插入深度比该工具在退避期间的插入深度要更深；

开始移动各旋转工具并开始摩擦搅拌连接，并且退避另一个旋转工具直到使插入深度达到其移动停止时的插入深度。

8.一种结构体的制造方法，由以下几步组成：

通过将各旋转工具插入到两排接缝中开始摩擦搅拌连接；

在第一位置，通过从连接部分退避一个上述旋转工具而停止其摩擦搅拌连接，而退避的旋转工具与另一个旋转工具一起继续沿着连接部分移动；

在第二位置，将退避的旋转工具插入到上述退避时的连接部分。

9.一种结构体的制造方法，由以下几步组成：

在两个旋转工具都插入到一相应的两列接合线的情况下，通过相对于被连接的构件移动各旋转工具开始摩擦搅拌连接；

在第一位置，即各旋转工具移动的中途，开始退避一个旋转工具，使其与连接构件分离；

在第二位置，即各旋转工具移动的中途并超过一个旋转工具所在接缝起始端的焊接部分，开始将该旋转工具插入到被连接的构件中并开始移动和旋转；

保持上述旋转工具插入直至达到预定的深度。

10.如权利要求9所述的结构体的制造方法，其中，

摩擦搅拌连接之后，上述第一和第二位置是被切除掉的位置。

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