CN1675019A - 通过使用例如搅拌摩擦焊的焊接方法、具有聚合物密封剂的表面及焊接结构 - Google Patents

通过使用例如搅拌摩擦焊的焊接方法、具有聚合物密封剂的表面及焊接结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种组合结构(10)，如航空器组件，其通过诸如搅拌摩擦焊(FSW)的焊接接缝而形成，从而在加固件(14)和组件(12)外壳的内表面之间形成搭接接缝。密封剂层(24)，如单体密封剂/粘接剂施加到要连接的表面上，并通过焊接工序中产生的高温在适当位置固化，从而形成弹性接合面密封层，如氟基弹性涂层，以防止组件(12)在焊缝(16、18)处腐蚀。用于固化的额外热量可通过激光器(30)或感应热(30)及其类似方式提供。

Description

通过使用例如搅拌摩擦焊的焊接方法、具有 聚合物密封剂的表面及焊接结构
相关申请
本申请要求2002年8月7日提交的临时申请60/402,505的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及一种用于焊接接缝的表面密封剂，特别涉及一种用于航空器结构中的搅拌摩擦焊(FSW)的聚合物接合面密封剂。
背景技术
诸如搭接焊缝这样的焊接接缝用于连接金属部件。搭接接缝在材料的重叠部使用一个或多个焊缝来连接重叠的表面。被称为“接合”表面的，每一件通过搭接接缝而接合的、邻近紧固件或焊缝的连接金属件的表面通常没有完全通过焊接或其它紧固件而粘接到一起，并且通常通过传统的接合面密封剂，如多硫化物或多硫醚来防止腐蚀，该接合面密封剂在连接之前即施加到接合面。该接合面密封剂也可用于减少由接合面之间的摩擦、振动等而产生的机械和疲劳问题。
在焊接中使用接合面密封剂的目的在于通过减少聚集在接合面之间的和/或由于毛细作用带来的湿气来防止或降低在较大部件中的腐蚀。传统的接合面密封剂会降低焊接性能，而且由于在焊接和材料的加工中产生的热量和机械作用以及在使用期间产生的振动，传统的接合面密封剂通常会退化。焊缝内接合面的腐蚀通常很难通过观察来发现。
焊接技术通常通过提高温度来粘接金属和金属合金。搅拌摩擦焊(FSW)是一种焊接技术，其中，通过使旋转工具的凸肩摩擦接触所要焊接的材料，而使该材料变热和变软。该工具包括旋转销，其穿过接缝处并将材料搅拌在一起。从而在不需要添加填充物或使用防护气体的情况下达到固态连接。搅拌摩擦焊在用于航空器结构中时将非常有利，例如，将桁条或其它支撑件焊接到航空器外壳的表面。传统FSW的焊接工序，在焊接期间或其之后，将抗腐蚀材料的环带作为接合面密封剂覆盖到焊接接缝。该技术的示例在martin等人的美国专利6,045,028中有所披露。航空器内搅拌摩擦焊中的接合面的腐蚀会降低航空器结构的强度，因此非常危险，并且很难通过观察发现。
因此需要一种新的接合面密封技术，用以制造具有较高抗腐蚀性能的FSW的焊接部件，该焊接部件例如可用于制造飞机和飞机部件。
发明内容
首先，焊接方法包括在要焊接在一起的表面施加密封剂，以及将表面的至少部分焊接在一起以固化其间的密封剂。
其次，焊接结构包括第一元件、焊接到第一元件上的第二元件、以及在第一元件与通过焊接固化的第二元件之间的接合面密封剂。
附图说明
图1是在金属表面之间包括搭接接缝的航空器或类似结构的部分截面侧视图，示出了FSW焊接接缝线的通常位置，并具有聚合接合面密封剂，以改善抗腐蚀性能。
图2是图1中所示结构的截面侧视图，示出了焊接到表面上的、并通过聚合接合面密封剂进行保护的另一可选择的加固件。
图3是航空器机翼以及具有聚合接合面密封剂的典型加固件的截面图。
图4是普通航空器结构以及具有聚合接合面密封剂的典型加固件的截面图。
具体实施方式
现参见图1，图中示出了航空器或类似结构的部分截面侧视图，该航空器在诸如航空器机翼或本体外壳的铝、钢、钛或合金表面12与诸如“L”型铝、钢、钛或合金支撑件14的桁条之间包括有搭接接缝10。该搭接接缝通过使用FSW或其它已有的焊接技术，在如FSW焊接接缝线16、18或20所示的一处或多处焊接位置上形成。这些接缝线垂直于图中的平面，并且通过FSW焊接工具22朝向支撑件14和/或表面12的旋转而形成。工具22的转动产生摩擦，以便加热和软化要焊接的材料，并且机械混合热塑性材料以形成接缝。该过程中升高的温度能够使密封剂和/或粘接剂单体层在固化时聚合，形成抗腐蚀保护层，即接合面密封剂层24。
单体层优选具有适合FSW焊接工序以及适合连接组件的预期使用的性能。例如，单体层应当很容易地施加(涂抹)到临界区域并固化，但是基本不会由于焊接所产生的高温而损坏。当固化后，密封剂层24应当通过例如阻止由于毛细作用而侵入的水气而对连接处的接合面提供抗腐蚀作用。特别适用于密封剂层24的接合面密封剂材料可通过使用这样一层物质来形成，该层在固化时形成氟基弹性聚合物，从而分别在支撑件14和表面12的邻近接合面26和28之间形成防腐蚀罩。可以想到，在很多场合也可扩大密封剂层24的覆盖面使其超过接合面26和28。
搭接接缝10通过以下工序形成。表面12和(支撑件)14通常通过FSW焊接在一起，之后，准备密封剂层24，以用于将其施加到要焊接的表面上。一种特别有用的聚合接合面密封剂可以通过使用宾夕法尼亚州纽敦市的Pelseal技术有限公司制造的氟基弹性粘接剂PLV2100而形成，PLV2100是一种两组分的粘接剂，该粘接剂可以以25-27重量份的PLV2100基料与1重量份的促进剂#4(Accelerator#4)比例进行混合，其中该促进剂#4加入到基料中并充分混合大约5分钟。为了喷射使用，该混合的涂料可通过以1∶1的重量比率加入甲基异丁基甲酮(MIBK)或甲基乙基(MEK)而稀释。最好要避免将大量的空气引入该混合物中，并且在使用之前可以对混合物进行排气约10分钟。其它适合的材料包括PelsealPLV6032和Thermodyne THP-2000。
另外的表面处理也可用于本发明披露的工序中。如果设备组件是铝或铝合金的，并且需要较高的接缝耐腐蚀性，则在使用表面密封剂之前，可以在至少所要焊接的表面上施加传统的化学转换涂层。
通过使用硬橡胶滚子、刷子，或优选的HPLV喷射器作为施加装置29，该混合物可以施加到加固件14的表面26，和/或外壳12的表面28上。为了避免焊接过程中FSW工具22的急剧下降而潜在地形成不合格的焊接，涂层24的合适的粘接剂湿膜厚度在直至大约0.0005到0.0100英寸的数量级，优选0.001到0.005英寸。在涂上混合物之后，将支撑件14的表面26最好在20分钟之内固定到外壳表面12的表面28上。如果固定不是在20分钟内完成的，则需要在涂覆之后通过喷射MIBK或MEK的细雾而重湿表面，并持续大约1小时。然后，如果固定仍未完成，则需要使用新的涂层。
PLV2100氟基弹性粘接剂在约75°F±10°F的温度下，在约24小时内固化。用于形成FSW焊接接缝线16、18和/或24的FSW工具22的使用可以产生使聚合物密封剂粘接剂更快地固化所需的温度。除了在FSW工具22和接缝线16、18或20之间旋转接触引起的摩擦产生的热量之外，也可以在FSW焊接工序之前或作为该工序的一部分施加其它的热量以减少固化时间，这可通过在已知的激光辅助FSW(LAFSW)的工序中使用激光器30，或通过使用加热器，如感应加热器32来提供。在FSW焊接以形成具有聚合接合面密封剂层24的接缝10之后，密封剂可以充分地固化以进行其他作业，如在间隔4小时后可在邻近的非焊接表面进行涂底漆作业。
现参照图2、3和4，示出了许多不同类型的加固件和要连接的表面，其可通过焊接工序固化的密封剂来改善其性能。图2中，通过FSW或类似工序采用搭接接缝或其它已知的焊接技术，将“Z”型加固件15在接缝16、18或20处，通过使用合适的粘接剂或密封剂而焊接到表面12上，其中密封剂固化形成接合面密封剂层24。
现参照图3，示出了航空器机翼组件34的截面，其中加固件36通过焊接工序连接到合适的表面上，该焊接工序固化密封剂层，以形成适当的聚合接合面密封剂层24。
现参照图4，示出了普通航空器结构38的截面，其中Z型加固件37通过焊接工序连接到适当的表面上，该焊接工序固化密封剂层以形成适当的聚合接合面密封剂层24。
尽管PLV2100氟基弹性粘接剂被作为形成接合面密封剂层24的合适材料的实例，但是也可使用其它的聚合物，只要其可被焊接工序中产生的热量固化而不会产生损伤，从而形成具有适当抗腐蚀性能的密封层即可。为此目的，优选使用氟基弹性物，并包括Dupont/Dow的Viton品牌的材料。
尽管FSW焊接技术对于加工焊接接缝特别有用，其中焊接接缝可以通过由焊接工序中固化的接合密封剂来保护，但是，也可使用其它的焊接技术。同样地，除了搭接接缝之外，填充接缝以及其他任意的接缝均可，只要其可通过焊接工序固化的接合密封剂形成保护即可。通过焊接工序至少部分固化的接合面密封剂的使用尤其适合于航空器和航空器分部件的结构中，许多其他组件也可受益于热固化接合面密封剂的使用。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种搅拌摩擦焊的方法，包括：
在要进行搅拌摩擦焊的位置处，在铝或铝合金表面之间放置密封剂，所述密封剂要经过选择，以便在所述搅拌摩擦焊的过程中所达到的温度下没有损伤地进行固化；以及
将所述表面的至少部分通过所述密封剂搅拌摩擦焊在一起，以固化其间的所述密封剂。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在将所述表面焊接在一起之前，部分固化所述密封剂。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述密封剂是粘接剂，所述方法进一步包括：
在所述搅拌摩擦焊之前将所述表面固定在一起；以及在焊接之前，部分固化所述密封剂。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述密封剂是单体，所述搅拌摩擦焊进一步包括：
聚合所述单体密封剂。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述密封剂是氟基弹性物。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
提供额外热量，以固化所述密封剂。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述提供额外热量的步骤进一步包括：
提供激光能以固化所述密封剂。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述提供额外热量的步骤进一步包括：
感应加热以固化所述密封剂。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述提供额外热量的步骤还包括：
在所述搅拌摩擦焊的过程中提供热量。
10.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述提供额外热量的步骤还包括：
在所述搅拌摩擦焊之后提供热量。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的方法，其中所述表面在搭接接缝处焊接在一起，并且所述密封剂在所述表面之间防止腐蚀。

Claims (27)

1.一种焊接方法，包括：
在要焊接在一起的表面之间放置密封剂；以及
将所述表面的至少部分焊接在一起，以固化其间的所述密封剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述焊接还包括：
搅拌摩擦焊。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中放置所述密封剂的步骤进一步包括：
在要焊接的第一和第二表面之间放置单体。
4.根据权利要求3所述的方法，其中放置所述单体的步骤进一步包括：
在焊接所述第一和第二表面之前，部分固化所述密封剂。
5.根据权利要求4所述的方法，其中焊接所述表面的步骤进一步包括：
完成所述密封剂的固化。
6.根据权利要求3所述的方法，其中放置所述单体的步骤进一步包括：
将粘接剂单体施加到所述要焊接的表面上。
7.根据权利要求3所述的方法，其中放置所述单体的步骤进一步包括：
在将所述表面焊接在一起之前，部分固化所述单体。
8.根据权利要求3所述的方法，其中放置所述单体的步骤进一步包括：
将粘接剂单体施加到所述要焊接的表面上，以及在将所述表面焊接在一起之前，部分固化所述密封剂。
9.根据权利要求3所述的方法，其中将所述表面焊接在一起的步骤进一步包括：
通过聚合所述单体，在所述要焊接表面的至少部分之间形成密封剂层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中形成所述密封层的步骤进一步包括：
通过将所述表面焊接在一起，聚合所述单体。
11.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：
向所述第一和第二连接件提供热量，以固化所述密封剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述供热步骤进一步包括：
向所述要焊接的表面提供激光能以固化所述密封剂。
13.根据权利要求3所述的方法，其中所述焊接产生：
搭接接缝或嵌缝。
14.根据权利要求3所述的方法，其中放置所述密封剂的步骤进一步包括：
施加弹性密封剂。
15.根据权利要求14所述的方法，其中放置所述密封剂的步骤进一步包括：
施加氟基弹性密封剂。
16.一种焊接结构，包括：
第一元件；
焊接到所述第一元件上的第二元件；以及
通过焊接固化的、在所述第一和第二元件之间的接合面密封剂。
17.根据权利要求16所述的结构，其中所述第二元件进一步包括：
通过搅拌摩擦焊焊接到所述第一元件上的第二元件。
18.根据权利要求16或17所述的结构，其中所述接合面密封剂包括：
在焊接之前，施加到所述第一和第二元件的接合面上的的单体层。
19.根据权利要求18所述的结构，其中所述接合面密封剂包括：
在焊接之前，施加到所述第一和第二元件的接合面上的粘接剂单体层。
20.根据权利要求18所述的结构，其中所述接合面密封剂包括：
在焊接之前，施加到所述第一和第二元件的接合面、且部分固化的粘接剂单体层。
21.根据权利要求20所述的结构，其中所述接合面密封剂包括：
在焊接之前，施加到所述第一和第二元件的接合面、且通过焊接完全固化的粘接剂单体层。
22.根据权利要求18所述的结构，其中所述接合面密封剂包括：
施加到所述第一和第二元件的接合面之间的、且通过焊接至少部分固化的粘接剂单体层。
23.根据权利要求22所述的结构，其中所述接合面密封剂包括：
在所述第一和第二元件的接合面之间、且除了通过焊接产生的热量外还使用其它热量至少使其部分固化的粘接剂单体层。
24.根据权利要求22所述的结构，其中所述接合面密封剂包括：
所述第一和第二元件的接合面之间、且通过激光能至少部分固化的粘接剂单体层。
25.根据权利要求18所述的结构，包括：
与所述接合面密封剂相连的搭接接缝或嵌缝。
26.根据权利要求18所述的结构，其中所述密封剂进一步包括：
弹性密封剂。
27.根据权利要求14所述的方法，其中放置所述密封剂的步骤进一步包括：
施加氟基弹性密封剂。
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