DE69629398T2

DE69629398T2 - Mehrschichtige metallische sandwichstrukturen

Info

Publication number: DE69629398T2
Application number: DE69629398T
Authority: DE
Inventors: W. Frederick BULDHAUPT; H. David GANE; G. Matthew KISTNER; D. Jeffrey WILL
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2016-12-21
Also published as: EP0912266A4; EP0923452B1; EP0912266B1; DE69636148T2; EP0923452A4; ES2259444T3; ES2205075T3; US6419146B1; DE69629398D1; EP0912266A1; WO1997027045A2; DE69636148D1; US6656603B2; EP0923452A2; US20030049482A1; US6508394B1; WO1997027970A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Herstellung aufgeweiteter mehrschichtiger metallischer Strukturen und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum superplastischen Formgeben einer aus mehreren Schichten eines superplastischen Metalls hergestellten Packung, welche unter Einsatz von Laserschweißen zusammengeschweißt und in einer vorgeheizten Form aufgeweitet wird, wobei ein genau gesteuertes Gas ausbildendes Programm eingesetzt wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Mehrschichtig superplastisch ausgebildete, mit Diffusion verbundene, aufgeweitete Metall-Sandwich-Strukturen sind seit vielen Jahren primär in der Luftfahrtindustrie wegen der geringen Kosten, der Tauglichkeit bei hohen Temperaturen und guter Festigkeit und Biegesteifigkeit pro Gewichtseinheit, welche diese Strukturen bieten, im Einsatz. Verschiedene Verfahren zum Herstellen dieser Strukturen sind in der Vergangenheit mit unterschiedlichem Erfolg entwickelt worden, aber alle haben sich als teuer und langsam beim Erzeugen erwiesen und sind oft anfällig gewesen, fehlerhafte oder unzuverlässige Teile zu erzeugen.
Die meisten der existierenden Techniken zum Herstellen solcher Strukturen einschließlich der in US-Patent Nr. 3,927,817 von Hamilton dargestellten Bündelkern-Technik ("truss core technique"), welche eine superplastische Formgebung eines Stapels von Schichten in einer Form, welche einen wie die endgültige Sandwich-Struktur geformten Hohlraum besitzt, verwenden. Der Stapel besitzt eine oder mehrere Kernschichten, welche ausgewählt miteinander, wenn es mehr als eine Kernschicht gibt, und mit einer oberen und unteren the die oberen und unteren Seitenschichten der Sandwich-Struktur bilden, verbunden werden. Der Stapel wird mit Gasdruck bei einer superplastischen Temperatur aufgebläht, um die oberen und unteren Schichten nach außen gegen die inneren Wände des Formhohlraumes mit Gasdruck in einem Formhohlraum auf die gewünschten äußeren Abmessungen aufzuweiten. Während der superplastischen Formgebung dehnen sich die Kernschichten zwischen ihren Befestigungsbereichen zu den oberen und unteren Seitenschichten hin aus während sich die Seitenschichten zu den Begrenzungsoberflächen des Formhohlraumes ausdehnen.
Frühe Entwicklungen der Techniken zur Herstellung von mehrschichtigen aufgeweiteten Metall-Sandwich-Strukturen verwenden eine Diffusions-Kontaktherstellung, um die Kernschichten entlang ausgewählter Bereiche zu verbinden, um die gewünschte Kernstruktur zu erzeugen. Diese Techniken erfordern ein genaues Platzieren einer Abdeckung, um eine Diffusions-Kontaktherstellung in Bereichen zu verhindern, wo benachbarte Schichten nicht dafür bestimmt sind, sich miteinander zu verbinden. Diffusions-Kontaktherstellung ist ein erstrebenswertes Verbindungsverfahren, weil die Verbindung superplastische Qualitäten beibehält, aber es ist schwierig gewesen, eine saubere Verbindungslinie frei von Abdeckung, welche schmal genug ist, herzustellen, und Diffusions-Kontaktherstellung kann ein langwieriges Verfahren sein mit einer langen Verweildauer in der Presse bei erhöhten Temperaturen, wobei verhindert wird, dass die Presse für eine andere Herstellung eingesetzt wird. Die kapitalintensive und zeitaufwendige Natur des Diffusions-Kontaktherstellungsverfahrens führte zur Erforschung anderer Techniken zum Verbinden der Kernschichten eines mehrschichtigen Stapels, welche schneller, zuverlässiger und kostengünstiger sein würden.
Ein anderes Verbindungsverfahren, welches in den US-Patenten Nrn. 4,217,397 und 4,304,821 von Hayase und anderen dargestellt ist, setzt Widerstandsschweißen der Kernschichten entlang der ausgewählten Linien ein, um die Verbindungslinien zwischen den Kernschichten zu bilden, wobei Lücken in den Bindenähten für einen Durchlass eines Formiergases in die Zellen gelassen werden. Dieses Verfahren war schneller als die Diffusions-Kontaktherstellungs-Technik, aber erforderte noch, dass die Kern- und Seitenflächenschichten nicht in eine heiße Form zugeführt werden, um eine vorzeitige Diffusions-Kontaktherstellung der Kernschichten miteinander zu vermeiden. Nach dem Ausformen könnte der Stapel gespült und unter Druck gesetzt werden, um den Stapel leicht aufzublähen und um die Schichten voneinander zu trennen, so dass sie nicht dort miteinander durch Diffusion verbunden werden würden, wo keine Verbindung erwünscht war. Die Form würde dann auf eine superplastische Temperatur aufgeheizt werden und Formiergas würde unter Druck in den Stapel zugeführt werden, um die oberen und unteren Schichten gegen die Wände des Formhohlraumes superplastisch aufzuweiten und um die Kernschichten zwischen den oberen und unteren Schichten aufzuweiten, um die gewünschte Sandwich-Struktur auszubilden.
Um eine vorzeitige Diffusions-Kontaktherstellung der Seitenflächenschichten in dem Stapel mit den Kernschichten zu verhindern, wird eine Einheit in der Vorrichtung der Patente von Hayase und anderen eingesetzt, um die Seitenflächenschichten beabstandet entfernt von den Kernschichten zu halten. Acht getrennte Gerätestücke werden für diesen Zweck dargestellt, was die Kosten und die Komplexität des formgebenden Verfahrens erhöht. Für eine hohe Herstellungsgeschwindigkeit wäre es wünschenswert, die Werkzeugbestückung zu vereinfachen und zu ermöglichen, dass die Teile der Form zugeführt werden, während es heiß ist, um eine erhöhte Herstellungsgeschwindigkeit und geringere Herstellungskosten zu erzielen.
Zur erfolgreichen Formgebung muss ein Druckunterschied zwischen den Seitenflächenschichtbereichen und den Kernschichtbereichen gebildet werden, und dieser Druckunterschied muss über beide Seitenflächenschichtbereiche ausgeglichen werden. Andernfalls werden die Kernschichten uneben ausgebildet und es führt zu einer übermäßigen Verdünnung.
Ein Aufheizen von Titanium auf eine hohe Temperatur in der Anwesenheit von Sauerstoff erzeugt eine Oberflächenschicht eines "alpha Gase", was eine harte aber sehr brüchige Zusammensetzung ist und was in strukturellen Teilen aufgrund ihrer Tendenz zum Brechen unakzeptabel ist. Solche Risse können in einer ermüdenden Umgebung anwachsen und zu einem Fehler des Teiles führen. Folglich ist es wünschenswert, Sauerstoff und Feuchtigkeit von dem Stapel der Schichten zu entfernen, bevor auf erhöhte Temperaturen aufgeheizt wird. Bei einem idealen Verfahren wird der Stapel der Schichten abgedichtet und von Sauerstoff und Feuchtigkeit gesäubert, bevor zugeführt wird, so dass die abgedichtete Packung in eine heiße Form zugeführt werden könnte, ohne die Gefahr, dass sich der "alpha Gase" ausbildet, bevor der Stapel gesäubert ist und ohne teure Presszeit, um den Stapel zu säubern und um dann die Form langsam auf eine superplastische Temperatur zu bringen.
Eine andere Befestigungstechnik, welche in dem US-Patent Nr. 4,603,089 von Bampton dargestellt ist, benutzt einen CO₂ Laser, um die Schichten in dem Stapel zusammenzuschweißen. Die Offenbarung von Bampton lehrt jedoch keinen Weg, die Schichten zusammenzuhalten während sie lasergeschweißt werden und offenbart in der Tat keinerlei Vorrichtung, den Schweißvorgang auszuführen. Tatsächlich ist es bei einem Herstellungsvorgang zum Herstellen einer lasergeschweißten mehrschichtigen aufgeweiteten Metall-Sandwich-Struktur, wie z. B. bei demjenigen in dem US-Patent Nr.5,330,092 von Gregg und anderen dargestellten, notwendig, die Schichten in engen Kontakt zu pressen, um eine Qualitätsschweißnaht zu erhalten, und dies mit einer effizienten, mit hoher Geschwindigkeit und hoher Herstellungsrate arbeitenden Vorrichtung auszuführen, um von den möglichen Vorteilen, welche Laserschweißen anbieten kann, zu profitieren. Zusätzlich zum Ausüben einer Presskraft auf die Schichten während des Schweißens würde solch eine Vorrichtung Idealerweise den Schweißbereich gegen Oxidation bei hoher Temperatur schützen, welche während des Laserschweißens von Titanium auftritt.
Schweißkraterbildung und enge Radien am Anfang und Ende der Schweißnaht sind inhärente Einschränkungen des Laserschweißens. Dies sind die Folgen der hohen Intensität, begrenzten fokussierten Eigenschaft des Strahles und haben in der Vergangenheit scharfe Endpunkte ergeben, wobei sich Beanspruchungen in solchen Punkten konzentriert hatten, wodurch die Kernschicht reißen kann, wenn der Kern durch Formiergas während der superplastischen Ausbildung unter Druck gesetzt wird. Der Laser erzeugt natürlich eine "Schlüsselloch"-Schweißkonstruktion, welche einen Krater an dem Ende der Schweißnaht bildet, wobei die obere Schicht am Endpunkt einer Heftschweißnaht ernstlich unterschnitten wird. Solche Schweißnähte schwächen die obere Schicht des Kernstapels an dem Schweißnahtende an einem Punkt, welcher eine hohe Belas tung während des Aufblähens durch Gasdruck während der superplastischen Formgebung erfährt. Ein Herstellungsverfahren, welches die möglichen Vorteile des Laserschweißens optimal ausnützt, würde diese Schwachpunkte an den Anfangs- und Endpunkten der Schweißnaht vermeiden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Formgebung von mehrschichtigen aufgeweiteten Metall-Sandwich-Strukturen zur Verfügung zu stellen. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer mehrschichtigen aufgeweiteten Metall-Sandwich-Struktur bereitzustellen, und die dabei hergestellte Struktur besitzt Seitenflächenschichten und mittels Diffusion verbundene interne Rippen, welche sich dazwischen erstrecken, wobei die Rippen eine verminderte Verdünnung und daher eine überlegene Festigkeit über ähnliche mit Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellte Strukturen besitzen. Eine noch andere Aufgabe dieser Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren zum Reinigen von Schichten, welche mittels Diffusion verbunden werden sollen, bereitzustellen, um den Prozentsatz an gut verbundenen in der Fertigung erzeugter Teile zu erhöhen. Eine noch andere Aufgabe dieser Erfindung ist, einen transportablen Laserschweißkopf mit einem Druckfuß ("Pressure Foot") zum Zusammendrücken der Schichten in einem Stapel, welcher lasergeschweißt werden soll, bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren zum Laserschweißen eines Stapels von Schichten bereitzustellen, wobei die Schichten in dem Stapel in engem Kontakt um den Bereich der Schweißnaht zusammengedrückt werden, um eine gute Schweißnahtqualität si cherzustellen. Eine noch weitere Aufgabe dieser Erfindung ist, ein Verfahren zum Laserschweißen von superplastischen Schichten zur späteren superplastischen Formgebung bereitzustellen, wobei eine Abdeckung an der Schichtschnittstelle angewandt wird, um eine spätere Diffusions-Kontaktherstellung zu verhindern, und die Schichten werden durch die Abdeckung hindurch lasergeschweißt. Eine noch andere weitere Aufgabe dieser Erfindung ist, ein Verfahren zur Formgebung einer mehrschichtigen aufgeweiteten metallischen Sandwich-Struktur durch superplastische Formgebung/Diffusions-Kontaktherstellung bereitzustellen, wobei die Packung von Schichten, welche in der Sandwich-Struktur ausgebildet werden soll, bei hoher Temperatur in eine superplastische formgebende Form geladen und aus dieser entladen werden. Eine noch andere weitere Aufgabe dieser Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren und eine Struktur zum sicheren Anbringen einer Gaszuführleitung an einer Packung bereitzustellen, um diese durch superplastische Formgebung/Diffusions-Kontaktherstellung in eine mehrschichtige aufgeweitete Metall-Sandwich-Struktur zu bringen. Eine noch andere weitere Aufgabe dieser Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren zum Zusammenschweißen von Metallschichten mit einem Laser bereitzustellen, wobei Kraterbildung, Unterschneidung und scharfe Laserschweißnahtendpunkte, welche eine Konzentration von Beanspruchung in der geschweißten Struktur und Zerreißen der Schichten verursachen können, wenn die Packung während der superplastischen Formgebung aufgebläht wird, vermieden werden. Eine noch andere weitere Aufgabe dieser Erfindung ist, ein Verfahren zum Herstellen einer mehrschichtigen aufgeweiteten Metall-Sandwich-Struktur mit abgedichteten Öffnungen durch die Sandwich-Struktur hindurch zum Zugang von Befestigungen, Flüssigkeitsleitungen oder elektrischen Leitungen, Steuerkabeln oder ähnlichem durch die Struktur hindurch bereitzustellen.
Diese und andere Aufgaben werden in einem Verfahren zur Herstellung einer auf geweiteten Metall-Sandwich-Struktur erzielt, wobei ein Reinigen von zumindest zwei Metallschichten mit superplastischen Eigenschaften zum Ausformen eines Kerns einer Sandwich-Struktur enthalten ist, um metallische Oxide und Rückstände, welche eine Diffusions-Kontaktherstellung der Schichten beeinflussen würden, zu entfernen. Zumindest eine Oberfläche zumindest einer Kernschicht ist mit einem Abdeckungsgemisch, wie z. B. Bornitrid beschichtet, um eine Diffusions-Kontaktherstellung der Oberfläche mit anderen Schichten zu verhindern.
Die Kernschichten sind in einem senkrechten Stapel platziert, wobei die mit der Abdeckung beschichtete Oberfläche der einen Schicht gegenüber der anderen Schicht liegt. Ein transportabler Laserschweißkopf presst die Kernschichten zusammen und laserschweißt die Kernschichten durch die Abdeckung entlang von Linien, welche sich entlang einer oder mehrerer Ebenen befinden, welche innerhalb der Metall-Sandwich-Struktur zwischen der Dicke davon liegen. Die lasergeschweißten Kernschichten bilden eine Kernpackung. Eine Gasdruckleitungsbefestigung wird zwischen den Kernschichten entlang zumindest einer Kante eingefügt. Die Befestigung besitzt eine Durchbohrung, welche zwischen der äußeren Kernschicht und einem inneren Bereich verläuft. Die Kernpackung ist um ihre Umfangskante herum abgedichtet geschweißt und die Gasdruckleitungsbefestigung ist an die Kernschichten angeschweißt. Die Gasdruckleitungsbefestigung wird zugestopft und die Kernpackung wird chemisch gereinigt, um metallische Oxide und Restbestän de, welche die Diffusions-Kontaktherstellung der Schichten beeinflussen würden, zu entfernen.
Zwei zusätzliche superplastische Metall-Seitenflächenschichten werden chemisch gereinigt, um Ölverunreinigung, metallische Oxide und Restbestände zu entfernen, welche die Diffusions-Kontaktherstellung der Schichten mit der Kernpackung beeinflussen würden. Jeweils eine dieser Schichten ist auf der oberen und unteren Seitenfläche der Kernpackung platziert. Eine Hüllengasbefestigung ist in einer Aussparung in der Kernpackung zwischen den Seitenflächenschichten platziert und die Umfangskanten der Seitenflächenschichten und die Kernpackung sind abgedichtet verschweißt. Die Gasbefestigungen sind auch zwischen den beiden Seitenflächenschichten abgedichtet verschweißt, um eine abgedichtete die Kernpackung verhüllende Hüllenpackung zu erzeugen, wobei eine vollständige Packung mit Gasbefestigungen in der Kernpackung und in einer Seitenflächenschichtzone zwischen den Seitenflächenschichten und der Kernpackung erzeugt wird.
Eine Gaszuführung ist von einem Gaszuführsteuerungssystem aus mit jeder Befestigung verbunden, und die Packungen werden von Luft und Feuchtigkeit gereinigt. Die Packungen werden mit einem Inert-Formiergas, wie z. B. Argon, unter Druck gesetzt, wobei die Kernpackung mit einem höheren Druck unter Druck gesetzt wird als die vollständige Packung. Eine Form wird ausgewählt, welche einen inneren Hohlraum mit derselben Gestalt wie die erwünschte Gestalt der Metall-Sandwich-Struktur, nachdem sie ausgeweitet ist, besitzt. Die Form, welche ungefähr auf die superplastische Temperatur des Metalls vorgewärmt wird, wird geöffnet, um die vollständige Packung aufzunehmen. In dem Formhohlraum steigt die Temperatur der voll- ständigen Packung auf die superplastische Temperatur des Metalls, und Formiergas wird durch die Befestigungen eingeblasen, um die Hüllenpackung an die inneren Wände des Hohlraumes aufzublähen und um die Kernpackung an die Hüllenpackung aufzublähen. Die vollständige Packung bläht sich auch um die Einlagen herum auf, um ein abgedichtetes Loch durch die Sandwich-Struktur zu erzeugen. Nachdem die Formgebung abgeschlossen ist, wird der Formiergasdruck auf die Nähe des Umgebungsdrucks vermindert, und der Formiergasdruck in der Kernpackung wird gerade genug in die Nähe des Umgebungsdrucks vermindert, um sicherzustellen, dass das Abkühlen des Teiles kein Vakuum zieht, was dazu führen würde, Hohlräume in dem Teil zwischen den Rippen zu erzeugen. Die Form wird geöffnet, und die ausgebildete Packung wird aus der Form bei einer erhöhten Temperatur von noch über 871°C (1600°F) entfernt. Der ausgebildeten Packung wird ermöglicht, sich unter 482°C (900°F) abzukühlen während das Gaszuführungssystem verbunden bleibt, und die Gaszuführungsleitungen werden dann von den Gasbefestigungen entfernt. Abschnitte des die Gasbefestigungen haltenden Umfangflansches werden von der ausgebildeten Packung abgeschnitten.
Wenn abgedichtete Öffnungen durch die Sandwich-Struktur für Befestigungen, Flüssigkeitsleitungen oder elektrische Leitungen, Steuerkabel oder ähnliches benötigt werden, kann eine kreisförmige Laserschweißnaht in der vollständigen Packung hergestellt werden, bevor sie superplastisch aufgeweitet wird, um um den Bereich, wo ein Loch geschnitten werden wird, herum dicht zu schweißen. Das Loch kann dann innerhalb der kreisförmigen Abdichtschweißnaht geschnitten werden, um eine abgedichtete Öffnung durch die vollständige Packung zu erzeugen. Einlagerohre mit einer Länge, welche gleich der Höhe des Formhohlraumes ist, werden in den abgedichteten Löchern in der vollständigen Packung platziert, und die Packung bildet sich um die Einlagen herum aus während sie aufgebläht wird, wobei abgedichtete Öffnungen des gewünschten Öffnungsdurchmessers in der Sandwich-Struktur erzeugt werden.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung und ihre vielen begleitenden Aufgaben und Vorteile werden durch Lesen der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen klarer werden, worin:
1 ist eine perspektivische Ansicht einer vierschichtigen aufgeweiteten erfindungsgemäß hergestellten Metall-Sandwich-Struktur;
2 ist eine schematische Explosionsdarstellung, welche die vier Schichten, welche die in 1 dargestellte Sandwich-Struktur ausmachen, darstellt;
3A–C sind senkrechte Ansichten einer in dieser Erfindung eingesetzten Gasbefestigung;
4 ist eine perspektivische Ansicht einer dicht geschweißten Kernpackung zum Einsatz bei einer Herstellung der in 1 dargestellten Sandwich-Struktur;
5 ist eine perspektivische Ansicht der teilweise aufgeblähten in 4 dargestellten Kernpackung;
6A ist eine perspektivische Ansicht eines Bewegungssteuertisches und einer Laserschweißvorrichtung zum Schweißen der Kernpackung für die in 1 dargestellte Sandwich-Struktur;
6B ist eine perspektivische Ansicht eines Bewegungssteuertisches und der in 6A dargestellten Laserschweißvorrichtung, aber mit einer Abdeckungsschicht über den Vertiefungen in dem Tisch, um den Verlust von Argon zu verhindern;
7 und 8 sind Perspektivansichten bzw. Draufsichten eines Druckwagens, welcher eingesetzt wird, um die Schichten während des Schweißens zusammenzudrücken und sie mit Inertgas zu bedecken;
9A–9G sind schematische Darstellungen, welche das erfindungsgemäße Laserheftschweißverfahren darstellen;
10 ist ein Verfahrensflussdiagramm, welches das erfindungsgemäße Verfahren darstellt;
11A–11E sind schematische Darstellungen, welche die superplastische Formgebung der geschweißten Packung, um die in 1 dargestellte Sandwich-Struktur zu erzeugen, darstellen;
12A–12C sind schematische Zeichnungen, welche die Ausbildung von Rippen um die Laserschweißnähte herum in der in 1 dargestellten Sandwich-Struktur darstellen; und
13 und 14 sind Vergleichsansichten von Widerstandsrollenschweißkonstruktionen und Laserschweißkonstruktionen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nun zu den Zeichnungen, wo gleiche Bezugszeichen identische oder entsprechende Teile bezeichnen, und insbesondere zu 1 davon, wo eine vierschichtige aufgeweitete erfindungsgemäß hergestellte Metall-Sandwich-Struktur 30 mit einer oberen Seitenschicht 32, einer unteren Seitenschicht 34 und einer Mehrzahl von Rippen 36, welche sich dazwischen erstrecken und ganzheitlich mit den oberen und unteren Seitenschichten verbunden sind, dargestellt ist. Die Rippen 36 sind vorzugsweise, wie angedeutet, angeordnet, um eine Mehrzahl quadratischer Zellen 38 auszubilden, obwohl Zellen anderer Form hergestellt werden könnten, wie z. B. hexagonale Zellen, welche mit in hexagonaler Anordnung hergestellten Rippen hergestellt werden.
Die 1 dargestellte Sandwich-Struktur wird von vier Schichten eines Metalls, wie z. B. einer Titanium 6-4 Legierung, welche superplastische Eigenschaften und Diffusions-Kontaktherstellungs-Eigenschaften besitzt, hergestellt. Superplastische Eigenschaften beinhalten die Fähigkeit des Metalls, ungewöhnlich stark dehnbare Verlängerungen und plastische Deformation bei erhöhten Temperaturen mit einer verminderten Neigung zur Querzusammenziehung oder Verdünnung zu entwickeln. Diffusions-Kontaktherstellung bezieht sich auf ein metallurgisches Verbinden von zwei Metallteilen durch molekulares oder atomares Zusammenmischen ("Co-Mingling") an der Passfläche der zwei Teile, wenn sie aufgeheizt und für eine ausreichende Zeit in engem Kontakt zusammengedrückt werden. Es ist ein Festkörper-Verfahren, welches die Ausbildung eines einzelnen Metallteiles aus zwei oder mehr getrennten Teilen ergibt, und ist durch die Abwesenheit jeder wesentli chen Änderung der metallurgischen Eigenschaften des Metalls gekennzeichnet, wie sie z. B. bei anderen Verbindungsarten, wie z. B. beim Löten oder Schweißen, auftreten. Die Eigenschaften der superplastischen Formgebung und der Diffusions-Kontaktherstellung sind nun halbwegs gut verstanden und werden im Detail in den US-Patenten Nrn. 3,927,817 von Hamilton und 4,361,262 von Israeli diskutiert.
Nun zu 2, wo ein Stapel 42 von vier Schichten, welcher die in 1 dargestellte Sandwich-Struktur bildet, in Form von aufgelösten Einzelteilen dargestellt ist, um ihre relativen Positionen und die relativen Positionen der Merkmale auf und zwischen den Schichten darzustellen. Der Stapel 42 besitzt zwei Kernschichten 44 und 46 und obere und untere Seitenflächenschichten 48 und 50. Eine Kerngasbefestigung 52 ist zwischen den zwei Kernschichten 44 und 46, welche später zusammengeschweißt werden, um eine Kernpackung 45 zu bilden, eingefügt. Die Kerngasbefestigung stellt eine Verbindung zu einem Formiergaszuführsystem zur Verfügung zur Aufblähung der Kernpackung 45 während der superplastischen Formgebung, worin die Kernpackung 45 superplastisch aufgebläht wird, wie in 5 dargestellt und mit mehr Details unten beschrieben. Eine Hüllengasbefestigung 54 ist in einer Aussparung 56 in die Kernpackung 45 eingefügt, welche mit dem Inneren einer bei dem Schweißen um den Umfang der Seitenflächenschichten 46 und 48 herum hergestellten Hüllenpackung 47 kommuniziert. Die Hüllengasbefestigung 54 stellt einen Gasströmungspfad in den Raum über und unter der Kernpackung 45 und zwischen den Seitenflächen 48 und 50 für die superplastische Formgebung, wie unten beschrieben, zur Verfügung. Die Gasbefestigungen 52 und 54 werden später in dem Verfahren in den Stapel 42 geschweißt.
Die Schichten 44–50 werden auf die gewünschte Größe geschnitten, welche die Größe und die Form der geplanten Form des Sandwich-Struktur-Teiles zuzüglich von ungefähr 50.8-152.4 mm (2''-6'') für einen Flansch 58 um das Teil herum ist, durch welchen das Teil in der superplastischen Form arretiert werden kann und durch welchen es in der Anordnung, für welche es vorgesehen ist, befestigt werden kann. Nach dem Schneiden werden die Schichten mit Aceton abgewischt, um vom Hersteller auf die Schichten geschriebene Tintenmarkierungen zu entfernen. Die Schichten werden dann chemisch durch Immersion gereinigt, erst in einem alkalischen Bad, um Fett und andere solche Verunreinigungen zu entfernen, und dann in einem Säurebad, wie z. B. 42 prozentige Salpetersäure und 2,4 prozentige Fluorwasserstoffsäure, um metallische Oxide von den Titaniumlegierungsschichten zu entfernen. Die gereinigten Schichten werden in gereinigtem Wasser gespült, um Restbestände der Säurereiniger zu entfernen, aber Restbestände von der Spüllösung bleiben nach der Entfernung aus dem Spülbad auf den Schichten. Diese Restbestände werden von den Schichten durch Wischen mit einem Stoffbausch, wie z. B. einem Gazestoff, welcher mit einem als Reagens geeigneten Lösungsmittel, wie z. B. förmlichen Ethylalkohol, benetzt ist, entfernt. Die Schichten werden gewischt, bis die Gaze nach dem Wischen noch sauber ist. Der Alkohol verdunstet, wobei keine Restbestände bleiben und wobei die Schichten frei von Verunreinigungen bleiben, welche eine vollständige und schnelle Diffusions-Kontaktherstellung beeinflussen würden, wenn die Bedingungen für solch eine Kontaktherstellung gebildet werden.
Eine Seite einer der zumindest einen Kernschicht 44 und 46 ist mit einem Abdeckungsgemisch, wie z. B. Bornitrid, beschichtet. Für große Oberflächen kann das Bornitrid in einem Lösungsmittel, wie z. B. einer Mischung aus Wasser und Alkohol, gelöst werden und mit einem elektrostatischem Sprühgerät auf den gesamten Oberflächenbereich der einen Seite der einen Schicht gesprüht werden. Das Wasser und der Alkohol verdunsten, wobei eine dünne ebene Beschichtung von Bornitrid auf der Oberfläche der Titaniumschicht verbleibt. Für kleinere Oberflächen kann die Abdeckung von einem Aerosol gesprüht werden, welches eine Lösung eines Bornitrids in einer Alkohollösung sein kann, was von der Cerac Company in Milwaukee, Wisconsin handelsüblich verfügbar ist.
Die beschichtete Schicht wird mit der anderen Schicht ausgerichtet und stößt an die andere Schicht an, wobei die mit Bornitrid beschichtete Seite gegenüber der anderen Schicht liegt. Die zwei Kernschichten 44 und 46 werden in der in 4 dargestellten Form auf einer in 6A und 6B dargestellten von Convergent Energy Corp. in Sturbridge, Massachusetts gekauften Laserschweißvorrichtung lasergeschweißt. Die Vorrichtung 59 besitzt einen CNC Bewegungssteuertisch 60, auf welchem die Schichten 44 und 46 platziert und in einem ausgerichteten Stapel befestigt werden. Ein senkrecht bewegbarer Plungerkolben ist über dem Tisch 60 angebracht. Der Plungerkolben besitzt eine Befestigung, an welcher ein mit mehr Details in 7 und 8 dargestellter Druckwagen 62 zum Ausüben einer senkrecht auf die Schichten gerichteten Kraft angebracht ist, um sie während des Laserschweißens durch ein senkrecht nach unten durch die Mitte des Wagens 42 auf den Tisch gezielten Laserstrahl in engen Kontakt zu drücken.
Der Bewegungssteuertisch 60 besitzt eine Serie von parallelen sich in seiner oberen Oberfläche nach oben öffnenden Nuten 64 und eine perforierte Röhre 66 in jeder Nut. Die Röhren 66 sind mit einer Sammelleitung verbundenen, welche durch ein Drucksteuerungsventil (nicht dargestellt) mit einer Zuführung von Argongas verbunden ist. Argon wird durch die Röhren zugeführt, um den Bereich zwischen dem Tisch 60 und der unteren Kernschicht 46 überlaufen zu lassen und um den Sauerstoff und den Stickstoff aus diesem Bereich zu entfernen. Wie in 6B dargestellt, ist der Bereich des Tisches 60 nicht durch die Schichten 44 und 46 bedeckt und kann durch eine andere Schicht, welche auf dem Tisch durch Gewichte oder Magnete unten gehalten wird, um Argon zu sparen, bedeckt werden. Der Bewegungssteuertisch 60 ist mit Bedienelementen, wie z. B. Kugelumlaufspindeln oder ähnlichem, verbundenen, um den Tisch 60 auf Führungen in den X-Y Richtungen auf einer horizontalen Ebene unter dem Druckwagen 62 zu bewegen.
Die Laservorrichtung (nicht dargestellt) besitzt ein optisches System zum Ausrichten und Fokussieren des Laserstrahles von dem Lasergenerator senkrecht durch einen Verbinder 68 mit Gewinde auf dem Wagen 62. Der Verbinder 68 kann gelöst werden, um den Wagen 62 zu wenden, um in eine gewünschte Richtung zu zeigen und um ihn dann mit einer Gegenmutter zu befestigen, damit er in dieser Richtung ausgerichtet bleibt. Eine Gasstromdüse 70, am besten in 7 dargestellt, ist auf dem unteren Ende des Verbinders 68 angebracht, um einen breiten Strahl von Helium mit geringem Druck auf die obere Kernschicht 44 auf den Schweißpunkt, wo der Laserstrahl auf die obere Schicht 44 auftrifft, auszurichten. Das Heliumgas entfernt Sauerstoff und Stickstoff von dem Schweißpunkt und verhindert ein Bilden von Titanium-Oxiden und -Nitriden über der Laserschweißkonstruktion. Helium wird anstelle von Argon eingesetzt, weil es das Plasma erweitert, wogegen Argongas dazu neigt, das Plasma zusammenzudrücken. Die Gasflutungstechnik wird eingesetzt, um ein Stören der Pfütze aus geschmolzener Titaniumlegierung zu vermeiden, anstatt eines schmalen Gasstrahles mit hohem Druck, welcher beim Laserstrahlschneiden eingesetzt wird, um das geschmolzene Metall aus der Kerbe zu entfernen, um einen schmalen Schnitt durch das Metall zu hinterlassen.
Der Laserschweiß-Druckwagen 62 besitzt eine obere Platte 72 mit einem Mittelloch 74, um welches die Verbindung 68 mit Gewinde geschweißt ist. Vier Metallschichtseiten 76 hängen von der oberen Platte 72 ab, um für eine Hülle für eine Wolke von Helium zu sorgen, um den Schweißpunkt und einen umgebenden Bereich zu bedecken. Ein Paar Federwindungen 78 ist befestigt, wobei jeweils eine an jeder Seite des Wagens befestigt ist, und unterstützt ein Paar durch Schrauben 82 an den Federwindungen 78 angebrachter Balken 80. Zwei beabstandete Achsen 84 sind in Löchern in den Balken 80 gelagert, wobei die Balken umfasst werden und die zylindrischen Räder 86 gehalten werden.
Für gebogene Laserschweißnähte, wie z. B. zum Bilden einer "Eierkiste" verwendete kreisförmige Schweißnähte, werden dreischichtige aufgeweitete Metall-Sandwich-Strukturen oder sinusförmige Schweißnähte verwendet, um vierschichtige sinusförmige Rippen-Sandwich-Strukturen zu bilden, eine Eigenschaft, den Wagen auf der Kernpackung in alle Richtungen zu rollen, wäre wünschenswert. Die zylindrischen Räder 86 rollen am besten in der senkrecht zu ihrer Rotationsachse befindlichen Ebene. Für eine Eigenschaft, in alle Richtungen zu rol- len, wird durch kugelförmige ballförmige Rollen gesorgt, wobei jede am Ende einer Kolbenfeder oder durch Luftdruck vorgespannt in einer Zylinderöffnung in der Unterseite des Wagens 62 angebracht ist. Die ballförmigen Rollen sollten ziemlich groß, vorzugsweise ungefähr 25,4 mm (ein Inch) im Durchmesser, sein, und es sollten zumindest sechs Stück sein, welche in einem Kreis einheitlich beabstandet um die Gasstromdüse 70 herum angeordnet sind.
Während eines Einsatzes liegen ein Paar Kernschichten 44 und 46 auf dem Tisch 60 und sind darauf durch Halter 88 befestigt. Das Argongas wird aufgedreht, um die Unterseite der unteren Kernschicht 46 durch die Röhren 66 mit Inertgas zu fluten, und entfernt den Sauerstoff und Stickstoff aus dem Bereich zwischen dem Tisch 60 und der Unterseite der Schicht 46. Die Strömungsgeschwindigkeit hängt von der Tischgröße ab, aber für einen Tisch von 914,4 mm (36") im Quadrat ist eine Strömungsgeschwindigkeit von ungefähr 20 Kubikfuß pro Stunde ausreichend. Die Steuerung für die Tischbedienelemente ist mit der Geschwindigkeit und dem Stillstehen der Tischbewegung und dem Abstand zwischen benachbarten Schweißnähten programmiert. Der Wagen 60 ist mit der Ebene seiner Räder 86 parallel zu den Nuten 64 in dem Tisch ausgerichtet, und die senkrechte Bewegungsvorrichtung, auf welchem der Wagen 62 angebracht ist, wird abgesenkt, um die Räder 86 mit der oberen Oberfläche der oberen Schicht 44 in Eingriff zu bringen. Die senkrechte Ausdehnung der senkrechten Bewegungsvorrichtung wird derart gewählt, dass die Federwindungen 78 zu dem erforderlichen Umfang ausgelenkt werden, um die gewünschte zusammendrückende Kraft, welche durch die Räder 86 auf die obere Schicht 44 ausgeübt wird, zu entwickeln. Z. B. kann eine Kraft von 169 N (38 Pfund) durch zwei 12,7 mm (1/2'') breite und 88,9 mm (3 1/2'') lange Titanium-Federwindungen ausgeübt werden, wenn diese um 19,05 mm (3/4'') ausgelenkt werden. Dies wäre eine ausreichende Kraft, um die zwei 0,635 mm (0,025") dicken Titanium-Legierungsschichten in solch einen engen Kontakt zu pressen, dass eine ausgezeichnete Laserschweißnaht, im Wesentlichen frei von Porigkeit, erzielt wird.
Das Heliumgas wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ungefähr 40 Kubikfuß pro Stunde aufgedreht, und nachdem die Luft von der Schichtmetallhülle gereinigt ist, wird der Laser mit einer Leistung von ungefähr 650 Watt mit einer kontinuierlichen Welle angeschaltet. Am Anfang der Schweißnaht ist es dem Laser ermöglicht, für ungefähr 0,25 Sekunden am Anfangspunkt in der Schweißnaht zu verweilen, wie in 9A und 9B dargestellt. Die Verweilzeit schmilzt eine kleine Pfütze von Titanium und bildet einen kugelförmigen Knoten 90 an dem Beginn der Schweißnaht anstatt des gewöhnlichen scharfen Punktes an dem Anfang einer Laserschweißnaht, was Kräfte auf einen kleinen Punkt konzentrieren kann und zu einem Riss in dem Metall führen kann, welcher dann durch die Schweißkonstruktion oder irgendwo in dem Material fortschreiten kann.
Nach der Verweilperiode wird der Tisch 60, wie in 9C angedeutet, bewegt, wodurch der Schweißpunkt entlang der Schichten 44 und 46 wandert, um eine Bindenaht 92 zu erzeugen. Die Geschwindigkeit der Wanderung wird auf der Basis der Laserleistung und der Dicke der Schichten gewählt. Für zwei Schichten einer 0,635 mm (0,025") dicken Titanium 6–4 Legierung und bei einer Laserleistung von 650 Watt erzeugt eine Tischgeschwindigkeit von 1,524 m/min (60 Inch/min) eine voll-ständige Schweißnaht von ausgezeichneter Qualität. Wenn der Schweißpunkt den Mittelpunkt der Bindenaht 92 überschreitet, wird die Laserleistung allmählich heruntergefahren bis er sich schließlich von den Schichten 44/46 abkoppelt, wie in 9D angedeutet. Der Tisch 60 wird nun derart bewegt, dass der Laserpunkt auf der anderen Seite der Bindenaht platziert wird, und der Laser wird wieder angeschaltet und dem Laser wird ermöglicht, wie zuvor zu verweilen, um einen anderen kugelförmigen Knoten 90 an dem anderen Ende der Bindenaht zu erzeugen, wie in 9E angedeutet. Nach dem Verweilen wird der Tisch derart bewegt, dass der Laserschweißpunkt zu dem ersten Ende der Schweißnaht hin bewegt wird, wie in 9F angedeutet, und wenn der Laser den Bindenahtmittelpunkt erreicht, wird die Laserleistung allmählich herunter gefahren, so dass der Laser zurück über den vorhergehend geschweißten Abschnitt schweißt, wie in 9G dargestellt, und dann wird die Leistung vermindert, bis sich der Laser schließlich von den Schichten 44/46 abkoppelt. Das allmähliche Herunterfahren der Leistung verhindert die Ausbildung eines unterschnittenen Anschlussabschnittes in einer Laserschweißnaht, welcher andernfalls auftritt, wenn die Laserleistung abrupt abgeschaltet wird.
Die schematisch in 2 und 4 dargestellte Schweißnahtform ist in Form einer Serie von senkrecht ausgerichteten Kreuzen 94, oder anders betrachtet, ist in Form eines Gitters mit Unterbrechungen oder Lücken 96 in den Bindenähten in der Mitte zwischen jeder Kreuzung 98 in den Bindenähten. Die Lücken 96 in den Bindenähten 92 sorgen für einen Durchgang, durch welchen Formiergas strömen kann, wenn die Kernpackung 45 superplastisch ausgebildet wird, wobei sie in einer Form auf ungefähr 960°C (1760°F) aufgeheizt wird und Formiergas durch die Kerngasbefestigung 52 einströmt, wie schematisch in 5 dargestellt. Wenn die Kernpackung 45 aufgebläht wird, öffnen sich die Lücken 96, um für nahezu kreisförmige Öffnungen 100 in den Rippen 102 zu sorgen, welche durch das Material der oberen und unteren Kernschichten 44 und 46 gebildet werden, da sich das Material superplastisch weg von den Laserschweißnähten 92 ausweitet.
Nachdem das Gittermuster in den Schichten 44 und 46 lasergeschweißt ist, sind die Schichten 44 und 46 vollständig um ihren Umfang und um die Kerngasbefestigung 52 herum dicht geschweißt, um den Umfang der Kernpackung 45 vollständig abzudichten. Eine bequeme Art des Schweißens zu diesem Zweck ist Lichtbogenschweißen mit Wolframgas (auch als TIG Schweißen bezeichnet), wobei der Schweißlichtbogen in die Kantenfläche der Schichten 44 und 46 gerichtet werden kann. Eine herkömmliche Druckkopplung aus rostfreiem Stahl, wie z. B. eine Swagelock Kopplung (nicht dargestellt) ist an der Gasbefestigung 52 angebracht und ein Ende einer kurzen Länge eines Gasrohres aus rostfreiem Stahl ist an der Druckkopplung angebracht. Das andere Ende des Rohres ist gequetscht abgeschlossen und geschlossen geschweißt, um das Innere der Kernpackung 45 gegen Eindringen von Reinigungslösung während dem folgenden Reinigungsvorgang abzudichten.
Die abgedichtete Kernpackung 45 wird durch Immersion in einem alkalischen Bad und dem abbeizenden Bad, wie oben beschrieben, gereinigt und wird mit einem mit förmlichem Alkohol benetzten Stoffbausch abgewischt, wie auch oben beschrieben. Die gereinigte Kernpackung 45 wird zwischen den gereinigten Seitenflächenschichten 48 und 50 mit der in der Aussparung 56 befindlichen Hüllengasbefestigung 54 und dem Umfang der zwei Seitenflächenschichten 48 und 50 zusammengebaut, zusätzlich wird die Kernpackung 45 überall herum und um die Hüllengasbe festigung 54 herum dicht geschweißt, um eine vollständige Packung 110 zu erzeugen, welche vollständig abgedichtet ist außer für den Gasströmungspfad, welcher in der Hüllenpackung 49 zwischen den Seitenflächenschichten 48 und 50 durch die Hüllengasbefestigung 54 und die Aussparung 56 vorhanden ist.
Die Hüllengasbefestigung 54 wird mit einem anderen gequetschten und geschweißten Rohr in einer Druckkopplung abgedichtet, wie oben für die Kernpackung 45 beschrieben, und die voll-ständige Packung wird gereinigt wie zuvor. Nach dem Reinigen ist die vollständige Packung nun bereit für eine superplastische Formgebung und eine Diffusions-Kontaktherstellung, um die erfindungsgemäße aufgeweitete Metall-Sandwich-Struktur zu erzeugen. Das Verfahren ist schematisch in 10 und 11A–E dargestellt und unten beschrieben.
Die äußere Oberfläche der Packung 110 wird mit einem Scheidemittel beschichtet, wie z. B. einer oben beschriebenen Bornitrid-Abdeckung. Druckbefestigungen sind an den Gasbefestigungen 52 und 54 angebracht, und Gasleitungen von einem Formiergas-Steuerungssystem sind, z. B. wie in dem US-Patent Nr. 5,419,170 von Sanders und anderen beschrieben, mit den Druckkopplungen verbunden. Die vollständige Packung wird mit einem Inertgas, wie z. B. Argon, gereinigt, um Luft und Feuchtigkeit innerhalb der Hüllenpackung 49 und der Kernpackung zu entfernen. Dies kann mit mehreren Zyklen von wechselndem Vakuumsaugen und Wiederbefüllen mit Argon unter einem Druck von ungefähr 0,0345 bar (0,5 PSI) in der Hüllenpackung 49 und ungefähr 0,689 bar (10 PSI) in der Kernpackung 45 bewerkstelligt werden, bis das Innere der Packungen 45 und 49 von Luft und Feuchtigkeit gereinigt ist. Die Packungen 45 und 49 werden nun mit Argon unter Druck gesetzt, um die Oberflächen vonein ander zu trennen. Der Druck innerhalb der Kernpackung 45 ist vorzugsweise höher als der Druck in der Hüllenpackung 49, weil die Gitterschweißnähte 92 dazu neigen, die Kernschichten 44 und 46 dichter zusammenzuhalten als die Umfangsschweißnaht die Seitenflächenschichten 48 und 50 zusammenhält. Der anfängliche Druck ist ungefähr 689 Pa (0,1 PSI) in dem Seitenschichtbereich in der Hüllenpackung und ungefähr 10 PSI in der Kernpackung 45. Dies sorgt für einen ausreichenden Druck, um eine Berührung und eine vorzeitige Diffusions-Kontaktherstellung zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der Schichten zu verhindern, aber ist nicht so hoch, um ein vorzeitiges Stützen der Kernhülle oder ein Reißen der Schichten an den Laserschweißnähten oder den Umfangsschweißnähten zu verursachen. Die unter Druck gesetzte Packung 110 wird in eine auf ungefähr 960°C (1760°F) aufgeheizte Form 112 platziert, und die Form wird mit einer superplastisch formgebenden Presse (nicht dargestellt) geschlossen. Die Form kann mit Vertiefungen, welche sich von einer inneren Aushöhlung zu dem Äußeren erstrecken, ausgestaltet sein, in welchen die Gasbefestigungen 52 und 54 liegen, um einen abgequetschten Verschluss der Gasdurchgänge durch den Flansch 58 zu vermeiden. Nachdem die Form geschlossen ist, wird der Druck des Formiergases in der Hüllenpackung 49 sofort erhöht, um eine Ausweitung der Seitenflächenschichten 48 und 50 weg von der Kernpackung 45 sicherzustellen, und der Druck in der Kernpackung 45 wird auch erhöht, um dem Zusammendrücken des Gasdruckes in der Hüllenpackung 49 zu widerstehen.
Nachdem die Packung eine formgebende Temperatur innerhalb der Form 112 erreicht hat, wird der Druck in der Hüllenpackung 49 und der Kernpackung 45 auf einen formgebenden Druck erhöht, und die Schichten 44, 46, 48 und 50 dehnen sich superplas tisch, wie in 11C und 11D dargestellt, und werden mittels Diffusion verbunden, wie in 11D und 11E dargestellt. Die superplastische Formgebung der Kernschichten 44 und 46 um die Laserschweißnähte 92 herum ist in 12A–C und in 8 dargestellt. Die schmale Breite der Laserschweißkonstruktion 92 sorgt für einen schmalen Bereich, um welchen die Schichten 44 und 46 gewickelt werden müssen, wenn sie über die Schweißkonstruktion 92 zurück gefaltet werden, um durch Diffusion zusammen verbunden zu werden, um die Rippe 102 zu bilden. Dies steht im Gegensatz zu einer relativ breiten in 13 dargestellten Schweißkonstruktion 92', welche mit einem herkömmlichen Widerstandsschweißrad hergestellt ist. Bei der in 13 dargestellten Rippe 102' kann man sehen, dass die Verdünnung in dem Bereich oberhalb und unterhalb der Schweißkonstruktion 92' deutlich größer ist, als sie für die in 14 dargestellte Schweißkonstruktion 92 ist.
Nachdem die Packung 110 vollständig ausgebildet ist, wie in 11E dargestellt, wird der Druck in die Nähe des Umgebungsdrucks auf ungefähr 345 Pa (0,05 PSI) vermindert und die Presse wird geöffnet, um die Form 112 zu öffnen. Das Sandwich-Teil wird aus dem Formhohlraum 114 entfernt, und es wird ihm ermöglicht abzukühlen während der Gasdruck leicht über dem Umgebungsdruck gehalten wird, um zu verhindern, dass das abkühlende Teil ein Vakuum zieht und unter Luftdruck zusammenfällt. Nach einem Abkühlen unter 482°C (900°F) und vorzugsweise unter 260°C (500°F) werden die Gasleitungen von den Druckkopplungen entfernt, und das Teil wird mit gequetschten und geschweißten Gasleitungen in den Kopplungen abgedichtet zum Nachwaschen jeglichen äußeren "Alpha Case", welcher sich auf dem Teil durch die Berührung der äußeren Oberflächen mit Luft bei hoher Temperatur gebildet haben könnte. Nach dem Reinigen kann das Teil beschnitten werden, um die Gasbefestigungen 52 und 54 zu entfernen, und das Teil ist vollständig.
Wenn es erwünscht ist, abgedichtete Durchgangsöffnungen in dem Teil zu haben, kann die vollständige Packung 110 in einem Umkreis um den Bereich herum, wo sich die Öffnung befinden soll, lasergeschweißt werden. Das Innere dieses Bereiches kann mit einem Laserstrahlschneider, welcher denselben Laser und Tisch 60 verwendet, aber eine Hochdruckgasdüse anstelle der in 3 dargestellten Gasstromdüse verwendet, herausgeschnitten werden. Die vollständige Packung wird auf einer schützenden Matte platziert werden, um Schneiden oder Bespritzen der Oberfläche des Tisches 60 zu verhindern, wenn der Laser durch die Packung schneidet, wenn das Loch in der Mitte des dicht geschweißten Bereiches herausgeschnitten wird. Eine Hülse mit derselben Höhe wie das Sandwich-Strukturteil wird in die durch den Laser ausgeschnittene Öffnung eingefügt, und die vollständige Packung mit den in den Öffnungen montierten Hülsen wird in dem Formhohlraum 114 platziert und wird um die Hülsen herum superplastisch ausgebildet. Wenn die Hülse aus einem nicht superplastischen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl, ist, kann sie entfernt oder beibehalten werden, was immer für die Anwendung erwünscht ist. Wenn ein superplastisches Material, wie z. B. Titanium, verwendet wird, wird es an der Stelle in der Öffnung mittels Diffusion verbunden und bildet das Innere der Öffnung. Die Hülse kann mit einem Einsatz mit Gewinde für eine Verbindung mit Gewinde mit dem späteren Teil ausgestaltet sein, oder die "Hülse" kann ein festes Titanium-Rohteil sein, welches gebohrt und mit einem Gewinde versehen werden kann, nachdem das Teil für einen Verbindungsansatzpunkt mit der Sandwich-Struktur ausgebildet worden ist.
Offensichtlich sehen Fachleute im Lichte dieser Offenbarung zahlreiche Veränderungen und Variationen der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform. Entsprechend ist es ausdrücklich klar, dass diese Veränderung und Variation und die Äquivalente davon als im Umfang unserer Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, befindlich angesehen werden müssen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer aufgeweiteten Metall-Sandwich-Struktur (30), umfassend: Auswählen von zumindest zwei Metall-Schichten (44, 46) mit superplastischen Eigenschaften zum Ausbilden eines Kerns der Sandwich-Struktur, wobei die Kernschichten einen Oberflächenbereich und eine Form haben, welche zumindest gleich mit der geplanten Größe und Form des Kerns der metallischen Sandwich-Struktur sind; chemisches Reinigen der Kernschichten, um metallische Oxide und Rückstände zu entfernen, welche eine Diffusions-Kontaktherstellung der Schichten beeinflussen würden; Platzieren der Kernschichten in einem senkrechten Stapel; Einfügen einer Gasdruckleitungsbefestigung (52) zwischen den Kernschichten an zumindest einer Kante davon, wobei die Befestigung eine zwischen der Äußeren der Kernschichten und einem inneren Bereich verlaufende Durchbohrung besitzt; Schweißen der Gasdruckleitungsbefestigung an die Kernschichten; Zusammenpressen der Kernschichten und Laserschweißen der Kernschichten, wobei eine Kernpackung (45) ausgebildet wird, wobei das Schweißen entlang von Linien ausgeführt wird, welche Verbindungslinien zwischen den Kernschichten ausbilden, wenn die Kernpackung superplastisch aufgeweitet wird; chemisches Reinigen der Kernpackung, um metallische Oxide und Restbestände zu entfernen, welche eine Diffusions-Kontaktherstellung der Schichten beeinflussen würden; Auswählen von zumindest zwei zusätzlichen Metall-Schichten mit superplastischen Eigenschaften zum Ausbilden von Seitenflächenschichten (48, 50) der Sandwich-Struktur; chemisches Reinigen der Seitenflächenschichten, um metallische Oxide und Restbestände zu entfernen, welche eine Diffusions-Kontaktherstellung der Schichten mit der Kernpackung beeinflussen würden; Platzieren jeweils einer der Schichten an der oberen und unteren Seitenfläche der Kernpackung und Platzieren einer Hül-lengasbefestigung (54) zwischen den Seitenflächenschichten; Abdichten von Umfangskanten der Seitenflächenschichten zu Umfangskanten der Kernpackung hin und Abdichten der Gasbefestigungen zwischen den Seitenflächenschichten, um eine abgedichtete die Kernpackung verhüllende Hüllenpackung (47) zu erzeugen, mit Gasbefestigungen in der Kernpackung und in einem Seitenflächenschichtbereich zwischen den Seitenflächenschichten und der Kernpackung; Verbinden eines Gaszuführrohres von einem Gaszuführsteuerungssystem mit jeder Befestigung und Säubern der Packungen von Luft und Feuchtigkeit; unter Druck setzen der Packungen mit einem niedrigen Druck mit einem Inert-Formiergas, wie z. B. Argon, wobei die Kernpackung mit einem höheren Druck unter Druck gesetzt wird als die vollständige Packung; Platzieren der vollständigen Packung in einem inneren Hohlraum einer aufgeheizten Form, wobei der Hohlraum dieselbe Form besitzt wie die gewünschte Form der metallischen Sandwich-Struktur, nachdem sie aufgeweitet ist; Erhöhen der Temperatur der vollständigen Packung in der Form auf eine Temperatur, bei welcher das Metall superplastische Eigenschaften aufweist; Einblasen von Formiergas durch die Befestigungen mit einem Form gebenden Druck, welcher ausreicht, die Hüllenpackung zu den inneren Wänden des Hohlraumes aufzublähen und die Kernpackung zu der Hüllenpackung aufzublähen; Beibehalten des Formiergasdruckes bis die Kernschichten mit den Seitenflächenschichten mittels Diffusion verbunden sind; Öffnen der Form und Entfernen der ausgebildeten Packung aus der Form während noch eine erhöhte Temperatur von über 538°C (1000°F) herrscht; Ermöglichen, dass die ausgebildete Form abkühlt während sie an das Gaszuführsystem angeschlossen bleibt, und dann Entfernen der Gaszuführleitungen von den Gasbefestigungen; und Abschneiden von Abschnitten eines die Gasbefestigungen von der ausgebildeten Packung haltenden Umfangsflansches (58).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der chemische Reinigungsschritt für die Schichten beinhaltet: Eintauchen der Schichten in eine chemische Reinigungslösung, wie z. B. eine Mischung aus Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure, welche die metallischen Oxide entfernt; Entfernung der Schichten aus der chemischen Reinigungslösung und Abspülen der chemischen Reinigungslösung von den Schichten; Wischen der Schichten mit einem Lösungsmittel auf mittels Diffusion zu verbindenden Oberflächen, um die von dem Spülschritt verbleibenden Restbestände zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der Wischschritt aufweist: Benetzten eines Bauschs von Stoff mit einem als Reagens geeigneten Lösungsmittel, wie z. B. förmlichem Alkohol; und Wischen der Schichten mit dem Stoffbausch bis der Stoff nach dem Wischen noch sauber ist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: Ausgleichen des Formiergasdruckes auf beiden Seiten der Kernpackung.
Verfahren nach Anspruch 4, worin das Ausgleichen umfasst: Montieren der Hüllenpackungsgasbefestigung (54) in einer Aussparung (56) in einem Flansch um die Kernpackung herum, wobei von der Hüllenpackungsgasbefestigung eingeblasenes Gas in die Aussparung strömt und die Hüllenpackung auf beiden Seiten der Kernpackung gleichmäßig unter Druck setzt.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: Beschichten zumindest einer Oberfläche der zumindest einen Kernschicht mit einem Abdeckungsgemisch, wie z. B. Bornitrid.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das chemische Reinigen der Kernpackung ein Verstopfen der Gasdruckleitungsbefestigung und ein Eintauchen der Kernpackung in eine chemische Reinigungslösung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, worin die chemische Reinigungslösung eine Mischung aus Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure ist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: nach der Diffusions-Kontaktherstellung der Seitenflächenschichten mit den Kernschichten Vermindern des Formiergasdrucks in der Hüllenpackung und der Kernpackung auf den Druck in die Nähe des Umgebungsdrucks während die ausgebildete Sandwich-Struktur abkühlt.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: Stapeln der Schichten (44, 46) in einem senkrechten Stapel und Pressen der Schichten in engen Kontakt an einem Punkt, an welchem Laserschweißen beginnen soll; Fokussieren eines Hochleistungslaserstrahls auf oder ein wenig über die Oberfläche der oberen Schicht in dem Stapel auf einen Anfangspunkt einer Heftschweißnaht; Einschalten des Lasers, um einen leistungsstarken Lichtstrahl zu erzeugen, und Halten des Strahles stationär auf dem Anfangspunkt für eine erste kurze Verweildauer, um eine kleine Pfütze Metall an dem Punkt zu schmelzen und um dabei einen kugelförmigen Knoten an dem Anfang der Schweißnaht zu erzeugen; Bewegen des Laserstrahles entlang der oberen Oberfläche der oberen Schicht, und allmähliches Verringern der dem Laser zugeführten Leistung bis sich die Leistung des Laserstrahles derart verringert, dass er sich von der oberen Schicht an einem dazwischenliegenden Punkt abkoppelt; Bewegen des Lasers zu dem entgegengesetzten Ende der Heftschweißnaht und Wiedereinschalten des Lasers, um einen leistungsstarken Strahl von kohärentem Licht zu erzeugen; Halten des Strahles stationär auf dem entgegengesetzten Endpunkt für eine zweite kurze Verweildauer, um eine kleine Pfütze Metall an dem entgegengesetzten Endpunkt zu schmelzen und um dabei einen zweiten kugelförmigen Knoten an dem Endpunkt der Schweißnaht zu erzeugen; Bewegen des Laserstrahles entlang der oberen Oberfläche der oberen Schicht von dem entgegengesetzten Endpunkt zu dem Anfangspunkt hin und Überdecken des dazwischenliegenden Punktes, und allmähliches Verringern der dem Laser zugeführten Leistung bis die Leistung des Laserstrahles sich derart verringert, dass er sich von der oberen Schicht abkoppelt; des Umgebungsdrucks während die ausgebildete Sandwich-Struktur abkühlt.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: Stapeln der Schichten (44, 46) in einem senkrechten Stapel und Pressen der Schichten in engen Kontakt an einem Punkt, an welchem Laserschweißen beginnen soll; Fokussieren eines Hochleistungslaserstrahls auf oder ein wenig über die Oberfläche der oberen Schicht in dem Stapel auf einen Anfangspunkt einer Heftschweißnaht; Einschalten des Lasers, um einen leistungsstarken Lichtstrahl zu erzeugen, und Halten des Strahles stationär auf dem Anfangspunkt für eine erste kurze Verweildauer, um eine kleine Pfütze Metall an dem Punkt zu schmelzen und um dabei einen kugelförmigen Knoten an dem Anfang der Schweißnaht zu erzeugen; Bewegen des Laserstrahles entlang der oberen Oberfläche der oberen Schicht, und allmähliches Verringern der dem Laser zugeführten Leistung bis sich die Leistung des Laserstrahles derart verringert, dass er sich von der oberen Schicht an einem dazwischenliegenden Punkt abkoppelt; Bewegen des Lasers zu dem entgegengesetzten Ende der Heftschweißnaht und Wiedereinschalten des Lasers, um einen leistungsstarken Strahl von kohärentem Licht zu erzeugen; Halten des Strahles stationär auf dem entgegengesetzten Endpunkt für eine zweite kurze Verweildauer, um eine kleine Pfütze Metall an dem entgegengesetzten Endpunkt zu schmelzen und um dabei einen zweiten kugelförmigen Knoten an dem Endpunkt der Schweißnaht zu erzeugen; Bewegen des Laserstrahles entlang der oberen Oberfläche der oberen Schicht von dem entgegengesetzten Endpunkt zu dem Anfangspunkt hin und Überdecken des dazwischenliegenden Punktes, und allmähliches Verringern der dem Laser zugeführten Leistung bis die Leistung des Laserstrahles sich derart verringert, dass er sich von der oberen Schicht abkoppelt; wobei eine sehr feste Schweißung an dem kugelförmigen Knoten an dem Anfangspunkt der Schweißnaht erzeugt wird, welche breit genug ist, um das Erzeugen eines scharfen Punktes eines beanspruchten Risers zu vermeiden, und wobei die Schweißnaht in einem breiten kugelförmigen Knoten endet, welcher nicht unterschnitten ist.
Verfahren nach Anspruch 10, worin die erste kurze Verweildauer ungefähr 0,25 Sekunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch 10, worin der erste kugelförmige Knoten ungefähr 6,35 mm (0,25 Inch) breit ist.
Verfahren nach Anspruch 10, worin der Laserpunkt entlang der Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 2,286 m/min (90 Inch/Minute) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, worin der Laserpunkt einen Durchmesser von ungefähr 0,508 mm (0,020 Inch) auf der oberen Oberfläche besitzt.