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摩擦 焊接方法

阅读：358发布：2020-05-11

专利汇可以提供摩擦焊接方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且摩擦焊接方法包括：对第一和第二金属构件施加轴向力，以便迫使构件在其间的接触面处彼此抵靠，同时使两个构件相对于彼此以周期运动进行摆动，以便在接触面处产生摩擦和热；快速地停止周期运动；以及在轴向力中施加尖峰，以完成第一和第二构件之间的焊接。，下面是摩擦焊接方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种摩擦焊接方法，包括：
对第一和第二金属构件施加轴向力，以便迫使所述构件在其间的接触面处彼此抵靠，同时使两个所述构件相对于彼此以周期运动进行摆动，以便在所述接触面处产生摩擦和热；
快速地停止所述周期运动；以及
在所述轴向力中施加尖峰，以完成所述第一和第二构件之间的焊接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摆动在不到0.2秒内停止。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摆动在不到0.025秒内停止。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摆动在不到0.0125秒内停止。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轴向力中的所述尖峰在停止所述摆动的几乎同时出现。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轴向力中的所述尖峰在不到大约0.2秒内被施加。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轴向力中的所述尖峰在不到大约0.05秒内被施加。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轴向力中的所述尖峰在无反馈控制的情况下以开的回路施加。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轴向力中的所述尖峰具有至少大约
1.5倍于所述轴向力的初始值的峰值幅值。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一构件包括第一金属合金，并且所述第二构件包括与所述第一金属合金不同的第二金属合金。

说明书全文

摩擦 焊接方法

背景技术

[0001] 本发明大体上涉及焊接，且更具体地涉及用于摩擦焊接的方法。

[0002] 在整体式叶片盘(有时被称为BLISK)的制造或维修中已知构件(诸如，将燃气涡轮发动机叶片)到转子的摩擦焊接。整体式叶片盘是在其周缘上附接或承载有大量叶片而形成一体式结构或构件的盘或轮。该同一技术还可用于将叶片附接到燃气涡轮发动机的多级一体式鼓形转子。在常规的转子组件中，叶片通过互锁燕尾榫附接方法而附接到盘或轮。在整体式叶片盘和鼓中，叶片与盘或鼓整体地形成和机加工，或叶片被焊接或以其它方式结合到盘或鼓上。将被结合在一起的构件由于来回的平移运动而彼此线性地或平移地进行摩擦，使得在其接触面处，通过摩擦而产生足以实现焊接的热。随后，施加轴向焊接力，以用稳定的力推动构件，以促进更好的焊接。

[0003] 在现有技术中，对摩擦焊接机控制进行调整，以防止焊接在调节、焊穿以及锻造操作阶段期间低于或超过期望的设定点。虽然这种调整在焊接期间提供均匀的镦粗率和可预测的总镦粗，但也可制约锻造轴向力的施加速率和量。结果，可减小机器所施加的水平位移速率和压缩力。

[0004] 虽然现有技术的摩擦焊接方法在使用相同类型的材料时运作良好，但测试已表明，如果在焊接的锻造阶段期间摆动器活动中断时，并未施加不足的位移速率和/或压缩力，则异种合金的某些组合易于出现缺陷。测试同样地已表明，在调节和焊穿阶段期间的摆动器的频率和振幅以及锻造阶段期间的摆动器衰减的速率可对锻造阶段期间的镦粗率产生影响，这可对焊接质量产生影响。

发明内容

[0005] 通过一种摩擦焊接方法而解决该问题，该方法使用快速摆动衰减与轴向力中的尖峰相结合来实现双合金焊接。

[0006] 根据本文所描述的技术的一个方面，摩擦焊接方法包括：对第一和第二金属构件施加轴向力，以便迫使构件在其间的接触面处彼此抵靠，同时使两个构件以周期运动相对于彼此摆动，以便在接触面处产生摩擦和热；快速地停止周期运动；以及在轴向力中施加尖峰，以完成第一和第二构件之间的焊接。

[0007] 根据本文中所描述的技术的另一方面，将叶片摩擦焊接到转子的方法包括：施加轴向力，以在其间的接触面处使叶片的翼型件端头(stub)压靠转子的转子端头；使叶片相对于转子端头而以周期运动摆动，以在接触面处产生摩擦和热；以及快速地停止摆动，且在轴向力中施加尖峰，以完成叶片与转子之间的焊接。

[0008] 技术方案1. 一种摩擦焊接方法，包括：对第一和第二金属构件施加轴向力，以便迫使所述构件在其间的接触面处彼此抵靠，同时使两个所述构件相对于彼此以周期运动进行摆动，以便在所述接触面处产生摩擦和热；
快速地停止所述周期运动；以及
在所述轴向力中施加尖峰，以完成所述第一和第二构件之间的焊接。

[0009] 技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述摆动在不到0.2秒内停止。

[0010] 技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述摆动在不到0.025秒内停止。

[0011] 技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述摆动在不到0.0125秒内停止。

[0012] 技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述轴向力中的所述尖峰在停止所述摆动的几乎同时出现。

[0013] 技术方案6. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述轴向力中的所述尖峰在不到大约0.2秒内被施加。

[0014] 技术方案7. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述轴向力中的所述尖峰在不到大约0.05秒内被施加。

[0015] 技术方案8. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述轴向力中的所述尖峰在无反馈控制的情况下以开的回路施加。

[0016] 技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述轴向力中的所述尖峰具有至少大约1.5倍于所述轴向力的初始值的峰值幅值。

[0017] 技术方案10. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述第一构件包括第一金属合金，并且所述第二构件包括与所述第一金属合金不同的第二金属合金。

[0018] 技术方案11. 根据技术方案10所述的方法，其特征在于，所述第一合金是Ti-6-4，并且所述第二合金是Ti-17。

[0019] 技术方案12. 一种将叶片摩擦焊接到转子上的方法，包括：施加轴向力，以在叶片和转子之间的接触面处使所述叶片的翼型件端头压靠所述转子的转子端头；
使所述叶片相对于所述转子端头而以周期运动摆动，以在所述接触面处产生摩擦和热；以及
快速地停止所述摆动，并在轴向力中施加尖峰以完成所述叶片与所述转子之间的焊接。

[0020] 技术方案13. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述叶片包括第一金属合金，并且所述转子端头包括第二金属合金。

[0021] 技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述叶片包括Ti-6-4，并且所述转子包括Ti-17。

[0022] 技术方案15. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述摆动在不到大约0.2秒内停止。

[0023] 技术方案16. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述摆动在不到大约0.025秒内停止。

[0024] 技术方案17. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述摆动在不到大约0.0125秒内停止。

[0025] 技术方案18. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述轴向力中的所述尖峰在所述摆动停止的几乎同时出现。

[0026] 技术方案19. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述轴向力中的所述尖峰在不到大约0.2秒内被施加。

[0027] 技术方案20. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述轴向力中的所述尖峰在不到大约0.05秒内被施加。

[0028] 技术方案21. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述轴向力中的所述尖峰在无反馈控制的情况下以开的回路施加。

[0029] 技术方案22. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述轴向力中的所述尖峰具有至少大约两倍于所述轴向力的初始值的峰值振幅。附图说明

[0030] 通过参照结合附图而进行的以下描述而可最清楚地理解本发明，在附图中：图1是示出现有技术的摩擦结合机的一部分的透视图，该机器包括用于将燃气涡轮发动机叶片构件摩擦焊接到燃气涡轮发动机转子构件的设备；
图2是示出现有技术的摩擦焊接方法的图表；并且，
图3是示出根据本发明的方面而进行的摩擦焊接方法的图表。

[0031] 部件列表摩擦结合机　　10
主轴箱　　11
用于摩擦焊接的设备　　12
叶片　　　14
转子　　　16
翼型件　　 15
翼型件末梢　 13
翼型件端头　 40
焊接表面　 41
保持器　　18
转子端头　 42
周缘　　　44
接触阶段　 120
调节阶段　 122
焊穿阶段　 124
锻造阶段　 126
镦粗　　　128
摆动时间　 130
恒定力　　132
尖峰锻造镦粗　 134
摆动时间　 136
尖峰　　　138
镦粗　　　140。

具体实施方式

[0032] 本发明可用于摩擦焊接的任何非旋转活动，其可采用两种形式中的任一形式。该活动可为线性的，在这种情况下，致使构件在摩擦生热阶段期间进行基本上线性或平移的来回运动，或该活动可为轨道式活动，其中，活动构件沿着封闭回路路径行进。

[0033] 现在详细地参照附图，其中，遍及多个视图，相同的标号指示相同的元件，图1示出如美国专利5,813,593中所描述的现有技术的摩擦结合机10的一部分，该专利的公开内容通过引用而并于本文中。机器10具有主轴箱11。根据本发明的示范性实施例，主轴箱11安装到设备12，用于将以燃气涡轮发动机叶片14为例的第一构件摩擦焊接到以燃气涡轮发动机转子16为例的第二构件。叶片14具有翼型件15，翼型件15在翼型件末梢13与翼型件端头40之间纵向地延伸，并且在前缘与后缘之间横向地延伸。翼型件端头40在其底部处具有平坦的焊接表面41。设备12包括保持器18，以保持叶片14。沿第一方向F1通过保持器18而对叶片14施加轴向力，以将叶片14的翼型件端头40压成与转子16的周缘44上的转子端头42接触。
摩擦焊接涉及叶片14和翼型件端头40的摆动运动。

[0034] 将理解到，图1中所示出的设备仅仅是合适的摩擦结合设备的一个示例。本发明包括用于使用摩擦结合设备将叶片14摩擦焊接到转子端头42的方法。

[0035] 摩擦焊接过程涉及以轴向力F1将两个构件沿轴向方向压在一起，且随后使两个构件相对于彼此摆动以产生摩擦和热。存在四个截然不同的阶段：接触阶段120、调节阶段122、焊穿阶段124以及锻造阶段126。图2示出该过程的现有技术的版本。在锻造阶段126期间，材料实际上“镦粗”128，即从接合部向外流动，而两个部件沿轴向方向相互更靠近。

[0036] 大体上，过程通过如下的步骤而运作：在施加轴向力的同时，摆动以产生热，随后在部件处于正确位置处时停止摆动，并在锻造阶段发生时继续施加轴向力。随着部件冷却，焊缝从塑性相变换回到固相。随后，将从接合部挤压出的过量的材料机加工去除。

[0037] 在现有技术中，在锻造阶段126期间，过程以经过相对较长的时段130(例如，大约7至8个摆动周期)的摆动结束，而轴向力保持恒定132(参见在摆动结束时形成的锥形和标称恒定的力分布图)。换句话说，以反馈回路对所有的输入参数严格地进行控制，并且所施加的轴向力自始至终都相同。

[0038] 遗憾的是，已经发现，使用现有技术的方法可出现缺陷。在将异种合金(诸如，Ti-6-4和Ti-17)焊接在一起时，由于具有不同的性质的异种合金，这种缺陷可更普遍。

[0039] 如图3中所示出的，本发明的方法使用“尖峰锻造镦粗”134，已经发现，“尖峰锻造镦粗”134限制与现有技术的方法相关联的缺陷。如本文中所使用的，“尖峰锻造镦粗”被限定为临近焊接周期结束时的焊接区域中的快速镦粗。与图2的现有技术的方法(其经过相对较长的时期的摆动结束且保持轴向力恒定)不同，本发明的方法例如在一个周期或更短的时间内非常快速地停止摆动136(参见方形化摆动信号)。在锻造阶段126期间，在停止摆动的同时或几乎同时，在轴向力中施加尖峰138(参见力信号的振幅的大幅度增加)。尖峰可包括高于基线轴向力的任何额外轴向力。在一个示例中，峰值轴向力可迅速上升至基线轴向力的至少大约1.5倍的幅值。在另一示例中，峰值轴向力可迅速上升至基线轴向力的至少大约两倍的幅值。在另一示例中，峰值轴向力可迅速上升至基线轴向力的至少大约五倍的幅值。如本文所使用的，“尖峰”大体上指轴向力的快速增加。在一个示例中，轴向力可在不到大约0.2秒内从基线水平上升(即，“迅速上升”)至峰值。在另一示例中，轴向力可在不到大约0.05秒内从基线水平迅速上升至峰值。如图3中所示出的，这导致在过程的最后，响应于轴向力尖峰，发生140相当大量的额外材料位移或镦粗。在一个示例中，在尖峰期间，可出现大约15%的总镦粗。

[0040] 根据一个方面，本发明的方法对摆动器频率和振幅以及轴向力参数进行调整，以允许在调节阶段122期间产生的摩擦热和在焊穿阶段124期间产生的绝热热量回吸到翼型件端头40和转子端头42中，从而在锻造阶段126之前，对这些区域进行预热。这在锻造阶段126期间增加力时有助于促进更快速的轴向材料流动。对尖峰锻造产生影响的其它参数包括锻造力、锻造斜坡时间以及摆动器斜坡时间，这些参数全都出现于焊接的锻造阶段期间。

[0041] 除了设定这些参数之外，机器10还需要能够以非常快速的方式供应且维持足够高的锻造力。这是因为，在焊接结束时，由于摆动停止，因而通过摆动器活动而产生的预热的大部分快速地散走。通过同时或几乎同时的摆动快速衰减和锻造力的施加而增强尖峰锻造效果。大体上，如本文所使用的“快速衰减”指在足够短的时段内停止摆动，在该时段内，相当大量的热并未在锻造力迅速上升之前而散走。在一个示例中，可在不到大约0.2秒内停止摆动。这对应于摆动频率为40 Hz的不到8个周期。在另一示例中，可在不到大约0.025秒内停止摆动。这对应于摆动频率为40 Hz的不到一个周期。在另一示例中，可在不到大约0.0125秒内停止摆动。这对应于摆动频率为40 Hz的不到半个周期。

[0042] 由于在焊接期间，机器的活动配件通常为大块的且对摆动和轴向负载反应慢，因而在尖峰锻造期间难以使如此大的质量加速。然而，通过对压力系统进行调整并使工具作业的活动质量最小化而可实现快速活动。通过对控制反馈系统进行调整，以允许力最初超过目标锻造力，从而可完成快速焊接镦粗。

[0043] 通过有意地对轴向力反馈控制的响应进行解调，随着焊接摆动器同时中断，会出现快得多的尖峰锻造事件。该解调致使轴向力有意地超过锻造力设定点，以在焊接期间产生快得多的轴向随动。该快速轴向活动在热机械影响区中造成更快速的压缩，并且焊接的热影响区致使异常大量的焊接镦粗。与现有技术的方法相比，尖峰锻造过程造成三到四倍的镦粗增加140。

[0044] 与现有技术的方法不同，在仅仅将轴向力增加到机器10能够提供的最大值而无需尝试控制的意义上，尖峰可为不受控制的或开的回路的。镦粗由两部件的动力学、焊接准备、合金等确定。通过利用机器10中存在动量的优点而有助于实现尖峰(即，轴向力已被施加并且当摆动停止时力快速地增加)。方法为高度可重复的。大体上有必要将额外材料加到部件上，以适应额外的偏转/镦粗。

[0045] 本文所描述的方法具有优于现有技术的若干优点。尤其是，该方法提供使用摩擦焊接来产生无缺陷的双合金焊缝的能力。因而，允许使用特别适合于特定部件的材料来优化性能和重量。

[0046] 前文描述了用于摩擦焊接的设备和方法。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要以及附图)中所公开的所有的特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可按任何组合进行组合，除了至少一些这样的特征和/或步骤为互相排斥的之外。

[0047] 除非另外明确地阐明，否则本说明书(包括任何所附权利要求、摘要以及附图)中所公开的各个特征可由用于相同、等效或类似目的备选特征代替。因而，除非另外明确地阐明，否则所公开的各个特征仅仅是通用的一系列等效或类似的特征的一个示例。

[0048] 本发明不限于前文的(若干)实施例的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何所附权利要求、摘要以及附图)中所公开的特征的任何新型特征或任何新颖特征的组合或者扩展到如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖步骤或任何新颖步骤的组合。

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