包括在壓力下進(jìn)行的焊后處理的基于固態(tài)的連接方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于通過固態(tài)方法將第一金屬件焊接到第二金屬件上以形成至少具有焊接區(qū)域的焊接物品的方法。通過將焊縫的焊接區(qū)域加熱至設(shè)定的溫度并保持設(shè)定的時間以及對所述焊縫加壓而對所述焊縫的焊接區(qū)域進(jìn)行焊后時效。
【專利說明】包括在壓力下進(jìn)行的焊后處理的基于固態(tài)的連接方法
[0001]相關(guān)申請的交叉參考
[0002]本專利申請要求于2011年5月3日提交的在先美國專利申請N0.61/481，731和于2011年8月13日提交的在先美國專利申請N0.61/523,314的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總的涉及固態(tài)焊接方法和用于該方法的裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及包括對焊縫進(jìn)行焊后加熱和加壓的固態(tài)焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0004]用于將兩個或更多個零部件彼此焊接在一起的基于固態(tài)的連接方法是眾所周知的，并且該方法可以不受限制地包括摩擦焊接、攪拌摩擦焊接、擴(kuò)散粘結(jié)、冷焊接和爆炸焊接。而且，用于改善焊縫的方法也是眾所周知的，例如，在焊后對焊縫加熱一段時間。這些方法已用于連接包括管件的空心金屬物品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個說明性實(shí)施例的一個方面，提供了一種方法。該方法包括通過固態(tài)方法至少將第一金屬件的第一端焊接到第二金屬件的第二端上，以形成包括具有焊接區(qū)域的焊縫的物品。該方法還包括通過至少將焊縫加熱至一定溫度并持續(xù)一段時間以及對該焊縫進(jìn)行加壓而至少對該焊接區(qū)域進(jìn)行焊后時效處理。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的第二說明性實(shí)施例，提供了一種根據(jù)以下段落內(nèi)容的裝置:
[0007]5.1: —種裝置，包括:
[0008]具有第一金屬件和第二金屬件的組件；
[0009]其中，該第一金屬件包括第一端和第二端，
[0010]該第二金屬件包括第三端和第四端，
[0011]第二端和第三端通過摩擦焊接結(jié)合在一起，以及
[0012]該第二金屬件具有至少一個位于所述第三端和第四端之間的扭矩傳遞槽；以及
[0013]至少一個具有至少第一夾孔的夾具，該夾孔用于接納至少一個張力桿的至少第一張力桿端，所述至少一個夾具具有與所述至少一個扭矩傳遞槽相關(guān)聯(lián)的舌片，
[0014]其中，張力桿、夾具的舌片和所述第二金屬件的槽的組合在摩擦焊縫上形成了至少IOksi (千磅/平方英寸)的壓力。
[0015]5.2根據(jù)5.1段的裝置還包括具有至少第一端板孔的端板，該第一端板孔用于接納至少所述的一個張力桿的至少第二張力桿端，所述端板與第一金屬件的第一端相關(guān)聯(lián)。
[0016]5.3在根據(jù)5.1段的裝置中，張力桿、夾具的舌片和第二金屬件的槽的組合在摩擦焊縫上形成了在大約20ksi至大約50ksi之間的壓力。
[0017]5.4在根據(jù)5.3段的裝置中，第一金屬件和第二金屬件為中空的鋁合金柱狀件。
[0018]在閱讀了下面結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)說明后，本領(lǐng)域技術(shù)人員會進(jìn)一步理解本發(fā)明的上述優(yōu)點(diǎn)和有利特征以及其他重要方面。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]下面將參考附圖對本文所公開的
【發(fā)明內(nèi)容】
作進(jìn)一步說明，其中，在各視圖中，同樣的結(jié)構(gòu)/兀件由相同的參考標(biāo)號表不，按字母表排序的結(jié)構(gòu)/兀件表不多個不同的結(jié)構(gòu)/元件，并且對鏡像的結(jié)構(gòu)/元件加標(biāo)引號。附圖不必按比例繪制，而是通常把重點(diǎn)放在顯示本文所公開的發(fā)明的原理上。
[0020]圖1A顯示出已知的用于連接兩個金屬件的焊接方法的一個實(shí)施例的第一步驟；
[0021]圖1B顯示出已知的用于連接兩個金屬件的焊接方法的一個實(shí)施例的第二步驟；
[0022]圖1C顯示出已知的用于連接兩個金屬件的焊接方法的一個實(shí)施例的第三步驟；
[0023]圖1D顯示出已知的用于連接兩個金屬件的焊接方法的一個實(shí)施例的第四步驟；
[0024]圖2為根據(jù)圖1A-D中所示的步驟焊接的物品的剖視圖；
[0025]圖3A為圖2所示焊接物品的橫截面的低倍照片；
[0026]圖3B為圖3A的低倍照片的一部分以200微米級放大的顯微圖；
[0027]圖3C為圖3A的低倍照片的一部分以50微米級放大的顯微圖；
[0028]圖3D為圖3A的低倍照片的一部分以200微米級放大的顯微圖；
[0029]圖3E為圖3A的低倍照片圖的一部分以200微米級放大的顯微圖；
[0030]圖3F為圖3A的低倍照片的一部分以200微米級放大的顯微圖；
[0031]圖3G為圖3A的低倍照片的一部分以200微米級放大的顯微圖；
[0032]圖3H為圖3A的低倍照片的一部分以50微米級放大的顯微圖；
[0033]圖31為圖3A的低倍照片的一部分以200微米級放大的顯微圖；
[0034]圖4A為用于將壓縮載荷施加到摩擦焊接的組件的焊縫上的裝置的一個實(shí)施例的側(cè)面劑視圖；
[0035]圖4B為用于將壓縮載荷施加到替代的摩擦焊接組件的焊縫上的第二裝置的一個實(shí)施例的側(cè)面剖視圖；
[0036]圖5為具有推力/扭矩傳遞槽的第二摩擦焊接組件的一個實(shí)施例的透視圖；
[0037]圖6為與第三摩擦焊接組件的兩個槽接合的加壓夾具的一個實(shí)施例的說明性剖視圖；
[0038]圖7為照片形式的接合在一裝置(例如，圖4A中所示的用于將壓縮載荷施加到摩擦焊接組件的焊縫上的裝置)中的摩擦焊接組件(例如，圖4A中所示的摩擦焊接的組件)的立體圖；
[0039]圖8為照片形式的接合在一裝置(例如，圖4A中所示的用于將壓縮載荷施加到摩擦焊接組件的焊縫上的裝置)中的摩擦焊接組件(例如，圖4A中所示的摩擦焊接的組件)的第二立體圖；
[0040]圖9為夾緊安裝系統(tǒng)的說明性分解立體圖；
[0041]圖10為圖9所示夾緊安裝系統(tǒng)的第一步驟的說明性立體圖；
[0042]圖11為圖9所示夾緊安裝系統(tǒng)的第二步驟的說明性立體圖；
[0043]圖12為圖9所示夾緊安裝系統(tǒng)的第三步驟的說明性立體圖；
[0044]圖13A和13B為圖9所示夾緊安裝系統(tǒng)的第四步驟的說明性立體圖；[0045]圖14為圖9所示夾緊安裝系統(tǒng)的第五步驟的說明性立體圖；
[0046]圖15為圖9所示夾緊安裝系統(tǒng)的第六至第八步驟的說明性立體圖；
[0047]圖16為圖9所示夾緊安裝系統(tǒng)的第九和第十步驟的說明性立體圖；
[0048]圖17A和17B為圖9所示夾緊安裝系統(tǒng)的可選的鎖定環(huán)的說明性立體圖；
[0049]圖18為用于給具有摩擦焊縫的焊后時效的大型管狀結(jié)構(gòu)提供壓縮力或應(yīng)力的第三裝置的說明性立體圖；
[0050]圖19為用于給具有擴(kuò)散焊縫的焊后時效的大型管狀結(jié)構(gòu)提供壓縮力或應(yīng)力的第四裝置的說明性立體圖；以及
[0051]圖20A-20F為用于給具有攪拌摩擦焊縫的焊接組件提供壓縮力或應(yīng)力的第五裝置的立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0052]本文公開了本發(fā)明的具體實(shí)施例；但是，應(yīng)該理解的是，公開的實(shí)施例僅僅用于直觀地說明本發(fā)明的公開內(nèi)容，而本發(fā)明可以體現(xiàn)為各種形式。此外，結(jié)合本發(fā)明的各種實(shí)施例給出的每個示例僅用于說明目的，而非限定性的。另外，附圖不必按比例繪制，一些特征可以被放大以表現(xiàn)特定部件的細(xì)節(jié)。而且，附圖中示出的任何測量值、規(guī)格等都旨在進(jìn)行舉例說明，而非進(jìn)行限定。因此，本文中公開的具體的結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)都不應(yīng)被解釋為限制性的，而應(yīng)僅僅被解釋為用于指導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以各種方式實(shí)施本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。
[0053]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“對照的摩擦焊接件”可以意指在沒有壓應(yīng)力的情況下經(jīng)歷焊后時效(例如，通過加熱)的摩擦焊接件。
[0054]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“壓應(yīng)力”可以指至少在焊后熱處理(例如，時效)周期的一部分期間施加在各個“摩擦焊縫”上的壓應(yīng)力?？梢酝ㄟ^安裝到可被施加以壓縮載荷的摩擦焊縫、兩個焊接件和/或張力桿上的應(yīng)變計(jì)，在施加壓應(yīng)力之前計(jì)算或者在施加壓應(yīng)力期間測量該壓應(yīng)力。
[0055]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“蠕變”可以指“摩擦焊縫”和它們的鄰接區(qū)域所經(jīng)受的運(yùn)動，該運(yùn)動可以由焊后熱處理(例如，時效)周期(即，溫度和時間)和“鎖定”在“摩擦件”中以及與焊縫相鄰的殘余應(yīng)力共同引起。
[0056]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“端板”可以指一對厚板中的一個，拉緊螺栓或張力桿可以穿過該厚板放置，并且緊固螺母可以抵靠著該厚板被擰緊，從而使螺栓或桿受到張力并使摩擦焊縫處于壓力之下。
[0057]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“ ID”可以指“內(nèi)部直徑”或“內(nèi)徑”。
[0058]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“0D”可以指“外部直徑”或“外徑”。
[0059]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“經(jīng)機(jī)加工的”可以指用來制備用于“摩擦焊接”的擠出金屬件和/或作為去除形成在焊瘤基部處的“焊后溝壑”的方法而對物品的ID和OD上的焊瘤進(jìn)行焊后機(jī)加工的操作。
[0060]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“焊后溝壑”可以指一旦將兩個金屬件“摩擦焊接”在一起時形成在ID和OD焊瘤中的任一個或兩者底部處的尖銳結(jié)構(gòu)。
[0061]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“焊后時效”可以指如下所述的焊后熱處理操作，S卩，在該操作期間，摩擦焊縫及其鄰接區(qū)域(例如，熱影響區(qū)(“HAZ”)和熱機(jī)攪拌區(qū)(“TMAZ”))中的某些成分析出。 申請人:目前認(rèn)為，該“焊后時效”使摩擦焊縫具有有利的機(jī)械性能和耐腐蝕性能。
[0062]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“殘余應(yīng)力”可以指在焊接操作期間被引入并鎖定在摩擦焊縫及其鄰接區(qū)域中的應(yīng)力。
[0063]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“應(yīng)變速率”可以指被加載的材料正在被加載并變形的速率。
[0064]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“推力傳遞舌片”可以指如下所述的傳遞推力負(fù)載的裝置中的一種部件，即，該部件在摩擦焊接操作期間通過與待進(jìn)行摩擦焊接的部件上的對應(yīng)槽的邊緣接合而將推力負(fù)載從例如一機(jī)械裝置的以液壓或電動機(jī)械方式驅(qū)動的活塞傳遞到待進(jìn)行摩擦焊接的部件中。
[0065]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“物品”可以指經(jīng)受焊接(例如，摩擦焊接)處理的結(jié)構(gòu)。
[0066]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“焊瘤”可以指在焊接操作過程中從被摩擦焊接的部件之間的界面以塑化材料的形式排出的材料；該塑化材料剛一被排放到連接部的ID和0D上，就可以冷卻成焊瘤。
[0067]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“焊接區(qū)域”可以指摩擦焊縫及包括HAZ和TMAZ在內(nèi)的該摩擦焊縫的鄰接區(qū)域。
[0068]在本文的各實(shí)施例中，術(shù)語“屈服強(qiáng)度”可以指材料開始經(jīng)受永久變形時的材料強(qiáng)度，該強(qiáng)度以磅/平方英寸(“psi ”)或兆帕(“MPa”)的單位計(jì)量。
[0069]參看圖1A-1D，其中非限制性地示出了摩擦焊接方法100。該摩擦焊接方法100是用于將第一金屬件110的至少第一端105焊接到第二金屬件120的第二端115上以形成具有焊縫130的物品125的固態(tài)方法的一個說明性非限制示例。不受限制地，也可以包括其他合適的固態(tài)方法，例如，攪拌摩擦焊接、擴(kuò)散粘結(jié)、冷焊接和爆炸焊接。
[0070]參看圖1A，第一金屬件110的第一端105可以被放置成與第二金屬件120的第二端115基本對準(zhǔn)且彼此相對。在一實(shí)施例中，當(dāng)?shù)谝唤饘偌?10和第二金屬件120對準(zhǔn)時，第一金屬件110可以繞其縱向軸線X沿圓形箭頭所指示的方向R或沿相反方向旋轉(zhuǎn)。在一可選實(shí)施例中，當(dāng)?shù)谝唤饘偌?10和第二金屬件120對準(zhǔn)時，第二金屬件120可以(沿任一方向)繞其縱向軸線X旋轉(zhuǎn)。在另一可選實(shí)施例中，當(dāng)?shù)谝唤饘偌?10和第二金屬件120彼此對準(zhǔn)時，它們可以都不旋轉(zhuǎn)或者都旋轉(zhuǎn)。
[0071]圖1B不出了第一金屬件的第一端105和第二金屬件120的第二端115可以彼此靠在一起(或緊靠)地放置，以及當(dāng)?shù)诙饘偌?20保持固定時，第一金屬件110可以(沿任一方向繞軸線“X”)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)然，當(dāng)?shù)谝唤饘偌?10保持固定時，第二金屬件120可以(沿任一方向繞軸線“X”)旋轉(zhuǎn)，或者兩個部件都可以(優(yōu)選地沿彼此相反的方向)旋轉(zhuǎn)。在一實(shí)施例中，如圖1C所示，第一金屬件110 (和/或第二金屬件120)的第一旋轉(zhuǎn)優(yōu)選地是足夠充分的，足以使熔化區(qū)域125開始形成。在一實(shí)施例中，如圖1D所示，第一金屬件110 (和/或第二金屬件120)的第一旋轉(zhuǎn)優(yōu)選地是足夠充分的，足以在兩部件之間形成焊縫130?？蛇x地，如圖1A-1D所示的部件105，110可以沿任何方向獨(dú)立地進(jìn)行線性振動，而不是進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
[0072]在一實(shí)施例中，第一金屬件110可以是選自由以下材料構(gòu)成的組的鋁合金:lxxx系列至8xxx系列，尤其是5xxx系列、6xxx系列和7xxx系列招合金；鈦；鈦合金；鋼；不銹鋼；銅；銅合金-M ;和鋅合金(非限制性地包括7085、7075、7055、7050、6013和5083鋁合金)。在一實(shí)施例中，第二金屬件120可以是選自由以下材料構(gòu)成的組的金屬:lxxx系列至8xxx系列,尤其是5xxx系列、6xxx系列和7xxx系列招合金；鈦；鈦合金；鋼；不銹鋼；銅；銅合金-M ;和鋅合金(非限制性地包括7085、7075、7055、7050、6013和5083鋁合金)。第一金屬件110可以具有和第二金屬件120相同或不同的組成。在另一實(shí)施例中，第一金屬件110和第二金屬件120都可以具有任何形狀，非限制性地包括大體呈管狀的形狀。在第一金屬件110和第二金屬件120具有大體呈管狀的形狀的實(shí)施例中，第一金屬件110和第二金屬件120都可以具有ID和OD，其中，ID任意地在約I英寸和約6英寸之間的范圍內(nèi)，OD任意地在約3英寸和約10英寸之間的范圍內(nèi)。第一金屬件110和第二金屬件120的ID和OD可以分別大致相同或不同。優(yōu)選地，第一金屬件110和第二金屬件120的ID和OD大致相同。
[0073]圖2示出了沿摩擦焊接物品200的縱向軸線X截取的剖視圖。第一部件202和第二部件204都是具有6英寸OD和3英寸ID的7xxx_T6鋁合金。圖2所示的具有焊縫205的焊接物品200處于其ID焊瘤210和OD焊瘤215保持原封不動(即，沒有去除)的焊后狀態(tài)。不希望受理論所限， 申請人:認(rèn)為，在現(xiàn)有的方法中，由于焊縫中的殘余應(yīng)力分布和/或在焊后時效(下面將進(jìn)行詳細(xì)說明)期間可能發(fā)生在鄰接的熱影響區(qū)中的蠕變，在后續(xù)的加工(例如，可選地通過機(jī)加工去掉ID和OD焊瘤以及焊后時效處理焊縫205)過程中可能形成在焊縫205的內(nèi)徑處開始的裂縫(在圖2中沒有發(fā)現(xiàn))。不希望受理論所限， 申請人:還認(rèn)為，在現(xiàn)有的方法中，在后續(xù)的加工(例如，可選地通過機(jī)加工去掉ID和OD焊瘤以及焊后時效處理焊縫205)中，可能會主要在內(nèi)部焊瘤210和外部焊瘤215的基部處形成溝壑一或表面缺陷(在圖2中沒有發(fā)現(xiàn))。
[0074]圖3Α示出了圖2的焊接物品200的低倍照片300 (放大100倍)。圖3Β示出了圖3Α的一部分的顯微圖，該顯微圖是具有水平(相對于圖1和2的縱向軸線“X”而言)晶粒結(jié)構(gòu)的母材210的一部分的200微米級放大圖。圖3C示出了圖3Α的一部分的顯微圖，該顯微圖是具有垂直晶粒結(jié)構(gòu)的焊縫215的一部分的50微米級放大圖。圖3D示出了圖3Α的一部分的顯微圖，該顯微圖是具有垂直晶粒結(jié)構(gòu)的焊縫215的一部分的200微米級放大圖。圖3Ε示出了圖3Α的一部分的顯微圖，該顯微圖是具有大體上垂直彎曲的橫截面結(jié)構(gòu)的焊接區(qū)域的ΤΜΑΖ305的一部分的200微米級放大圖，所述大體上垂直彎曲的橫截面結(jié)構(gòu)是通過在高剪切應(yīng)力下的拖曳形成的，而該高剪切應(yīng)力可能出現(xiàn)在塑化材料在焊接過程中的排出期間。圖3F示出了圖3Α的一部分的顯微圖，該顯微圖是具有垂直晶粒結(jié)構(gòu)的焊縫215的一部分的200微米級放大圖。圖3G示出了圖3Α的一部分的顯微圖，該顯微圖是形成在焊瘤315的基部處的焊后溝壑310的一部分的200微米級放大圖。圖3Η示出了圖3Α的一部分的顯微圖，該顯微圖是具有垂直晶粒結(jié)構(gòu)的焊縫215的一部分的50微米級放大圖。圖31示出了圖3Α的一部分的顯微圖，該顯微圖是具有水平彎曲的晶粒結(jié)構(gòu)的焊縫215的一部分的200微米級放大圖。
[0075]進(jìn)一步根據(jù)本文所提供的方法，通過固態(tài)方法形成的焊縫可以經(jīng)歷焊后時效處理。在一實(shí)施例中，合適的焊后時效處理(或方法)可以包括如下所述的處理:通過該處理，焊接的金屬物品可以被加熱至一定溫度并持續(xù)一段時間，該加熱溫度和時間足以將該焊接的金屬物品的機(jī)械性能和/或耐腐蝕性能提高至超過焊接的金屬物品在焊后時效前的機(jī)械性能和/或耐腐蝕性能。在另外的一實(shí)施例中，焊接的金屬物品可以被加熱至足以使成分析出的溫度和時間。不希望對本文公開的內(nèi)容進(jìn)行限制，在一實(shí)施例中，本發(fā)明公開的焊接的金屬物品或至少其焊接區(qū)域可以被自加熱(或者可以將加熱爐/加熱器設(shè)定)至范圍在約IOOF至約500F之間的溫度；可選地，溫度范圍在約200F至約350F之間，或者，溫度范圍在約300F至約325F之間，而且持續(xù)加熱的時間范圍在約I小時至約36小時之間，可選地，在約2小時至約24小時之間，或者在約6小時至約18小時之間。
[0076]進(jìn)一步根據(jù)本文所提供的方法，通過固態(tài)方法形成的焊縫或焊接區(qū)域可以在經(jīng)歷焊后時效之前和/或在經(jīng)歷焊后時效的同時受到擠壓。在一實(shí)施例中，焊縫或焊接區(qū)域可以至少在焊縫經(jīng)歷焊后時效的整個時期內(nèi)受壓?？蛇x地，焊縫或焊接區(qū)域受壓的時間可以短于焊縫或焊接區(qū)域經(jīng)歷焊后時效的整個時期。在一實(shí)施例中，焊縫或焊接區(qū)域可以被局部加壓(例如通過采用圖4A和4B以及圖20A-20F中所示的加壓裝置)或者整體加壓(例如通過采用圖18和19中所示的加壓裝置)至至少約IOksi的壓應(yīng)力；可選地，至少約20ksi的壓應(yīng)力；可選地，至少約30ksi的壓應(yīng)力；可選地，在約IOksi和約50ksi之間的壓應(yīng)力；可選地，在約20ksi和約45ksi之間的壓應(yīng)力；可選地，在約20ksi和約40ksi之間的壓應(yīng)力；可選地，在約30ksi和約45ksi之間的壓應(yīng)力。在另外的一實(shí)施例中，焊縫和/或焊接區(qū)域可能在其ID上具有初始?xì)堄鄳?yīng)力，而且焊縫和/或焊接區(qū)域可以被擠壓至足以將該焊縫和/或焊接區(qū)域的ID上的初始?xì)堄鄳?yīng)力減少至少大約5ksi以致達(dá)到第二殘余應(yīng)力的壓應(yīng)力。在另外一實(shí)施例中，施加到焊縫和/或焊接區(qū)域上的壓應(yīng)力可以等于或大于焊接金屬件之間的焊接區(qū)域(即，焊縫和HAZ)的屈服強(qiáng)度。 申請人:目前認(rèn)為，在焊后周期內(nèi)，摩擦焊縫的基于壓緊的焊后時效可以:抵消焊縫的“薄弱”區(qū)域處的摩擦焊接點(diǎn)的蠕變；減少和/或抵消焊縫的ID處的高殘余張應(yīng)力；最大限度地減小由蠕變和ID處的張力型殘余應(yīng)力的聯(lián)合作用引起的焊縫中的位錯聚結(jié)的可能性，所述蠕變和ID處的張力型殘余應(yīng)力的聯(lián)合作用會導(dǎo)致在焊縫中形成微觀孔洞，而該孔洞又可以作為可引發(fā)和/或擴(kuò)展焊縫中的裂縫的引起應(yīng)力集中的因素；在焊后時效周期內(nèi)抵消摩擦焊縫的極其細(xì)微的微觀結(jié)構(gòu)對斷裂形成的潛在不利影響；抵消焊縫中的極小組分(例如，在晶界和/或晶粒矩陣處偏析出)的潛在影響，該組分可以是多面的和/或尖銳的，它們可能成為裂縫產(chǎn)生的部位；以及有助于在焊后時效周期內(nèi)保持焊縫堅(jiān)固和完整，并且抵消焊后時效周期內(nèi)存在的應(yīng)力升高效應(yīng)和表面間斷(例如，在ID和OD焊瘤的基部處的溝壑、機(jī)加工標(biāo)記和裂縫)的潛在擴(kuò)展。在一實(shí)施例中，在壓力之下經(jīng)歷焊后時效的摩擦焊縫可以具有良好的機(jī)械性能，例如(非限制性地)，至少90%的屈服強(qiáng)度(可選地，根據(jù)ASTM B557-06進(jìn)行測量)、至少90%的極限拉伸強(qiáng)度(可選地，根據(jù)ASTM E8和B557-06進(jìn)行測量)和至少5%的伸長率(可選地，根據(jù)B557-06進(jìn)行測量)。
[0077]此外，能夠?qū)⑸鲜鼍植康幕蛘w的壓力或壓應(yīng)力傳遞或者傳送或施加到摩擦焊接的物品的焊接區(qū)域上的裝置在本發(fā)明的公開范圍內(nèi)。圖4A示出了適于將局部壓力或壓應(yīng)力施加到摩擦焊縫405上的加壓裝置400的一個實(shí)施例，該焊縫405連接第一中空的圓柱狀金屬件410和第二中空的圓柱狀金屬件415，以形成焊接的中空圓柱狀物品420。在一實(shí)施例中，局部壓力適合于整體長度小于約10英尺的中空圓柱狀物品420，可選地，上述整體長度小于約7英尺，或者小于約6英尺，或者可選地，小于約5英尺。第一金屬件410可以包括抵靠在第一端板430上(或靠著或鄰近第一端板430放置)的端部425。第二金屬件415可以包括一個或多個周向推力或扭矩傳遞槽435，該槽435可以被機(jī)加工到第二金屬件415上，深度在為OD和ID之差的約75%至約1%的范圍內(nèi)；可選地，在為OD和ID之差的約50%至約10%的范圍內(nèi)；并且可選地，在為OD和ID之差的約40%至約25%的范圍內(nèi)。該推力或扭矩傳遞槽435可以接合或接納夾具440。端板430和夾具440可以均包括至少一個孔445A，445B,該孔可以基本對準(zhǔn)，從而使得線性拉桿(或“張力桿”)450可以由相應(yīng)的孔445A，445B接納。優(yōu)選地，端板430和夾具440分別可以包括多個孔445A，445B，這些孔可以基本對準(zhǔn)以分別接納以相應(yīng)的線性張力桿450。此外，線性張力桿450在每個末端都可以設(shè)有螺紋，以接納相應(yīng)的螺母455A，455B。在一實(shí)施例中，螺母455A，455B的旋轉(zhuǎn)(或者張力桿450相對于螺母455A，455B的旋轉(zhuǎn))可以給摩擦焊縫405提供局部壓力。
[0078]圖4B示出了適于將局部壓力或壓應(yīng)力施加到可選的摩擦焊縫465上的第二加壓裝置460的一個實(shí)施例，該焊縫465連接第一可選的中空圓柱狀金屬件470和第二可選的中空圓柱狀金屬件475，以形成可選的焊接的中空圓柱狀物品477。第一可選金屬件470可以包括抵靠在可選的第一端板483上(或靠著或鄰近可選的第一端板483放置)的可選端部480。第二可選金屬件475可以包括抵靠在第二端板487上(或靠著或鄰近第二端板487放置)的可選第二端部485?？蛇x的端板483和第二可選的端板487可以均具有可選的孔490A，490B,該孔可以基本對準(zhǔn)，從而使得可選的線性拉桿(或“張力桿”)493可以穿過中空的圓柱狀第一可選金屬件470和中空的圓柱狀第二可選金屬件475由相應(yīng)的可選的孔490A,490B接納。此外，可選的線性張力桿493的每個末端都可以設(shè)有螺紋，以接納相應(yīng)的可選螺母495A，495B。在一實(shí)施例中，可選螺母495A，495B的旋轉(zhuǎn)可以給可選的摩擦焊縫465提供局部壓力。
[0079]圖5為第二摩擦焊接組件500的一個實(shí)施例的透視圖。該第二摩擦焊接組件500可以包括摩擦焊縫505和505’，它們將第一中空的圓柱狀金屬件510連接到第二中空的圓柱狀金屬件515和第三中空的圓柱狀金屬件510’上。第一金屬件510和第三金屬件510’可以均包括一個相應(yīng)的用于放置或抵靠(或鄰近)第一端板(在圖4A中示出了 一個合適的第一端板，如元件430)的端部525，525’。第二金屬件515可以包括一個或多個周向的推力或扭矩傳遞槽535 (和535’)，該槽可以被機(jī)加工到第二金屬件515上，深度在為OD和ID之差的約75%至約1%的范圍內(nèi)；可選地，在為OD和ID之差的約50%至約10%的范圍內(nèi)；并且可選地，在為OD和ID之差的約40%至約25%的范圍內(nèi)。
[0080]圖6為與中空的圓柱狀金屬件610的兩個槽605A，605B接合的雙舌片加壓夾具600的一個實(shí)施例的示意性剖視圖。槽605A，605B在一個實(shí)施例中均具有4.5英寸的水平長度L和L’，而且雙舌片加壓夾具600的每個舌片603A，603B在一個實(shí)施例中都具有4英寸的水平長度。在一個實(shí)施例中，在舌片和槽之間具有長度可以大約為0.5英寸的間隙G。
[0081]圖7和8為接合在圖4A所示的用于將壓縮載荷施加到摩擦焊縫405上的加壓裝置400中的圖4A所示摩擦焊接組件的透視圖，該焊縫405將第一中空的圓柱狀金屬件410連接到第二中空的圓柱狀金屬件415上，以形成焊接的中空圓柱狀物品420。第一金屬件410可以包括抵靠在第一端板430上(或者靠著或鄰近第一端板430放置)的端部425。端板430和夾具440均包括至少一個孔445A，445B,所述孔基本對準(zhǔn)，從而使得線性拉桿(或“張力桿”)450可以由相應(yīng)的孔445A，445B接納。線性張力桿450的每個末端都設(shè)有螺紋，以接納相應(yīng)的螺母455A，455B。螺母455A，455B的旋轉(zhuǎn)給摩擦焊縫405提供了局部壓力。在一實(shí)施例中，其中，將在時效前施加在摩擦焊縫上的30ksi局部壓縮載荷下進(jìn)行焊縫的焊后時效，通過焊接區(qū)域的局部屈服和蠕變的結(jié)合，該壓縮載荷在焊后時效周期內(nèi)可以縮短大約0.02英寸(或0.5毫米)。
[0082]圖9為具有以下結(jié)構(gòu)的夾緊安裝系統(tǒng)900的示意圖，即，所述系統(tǒng)具有:底座裝置905 ;兩個加壓樞軸C型(或蛤形)夾具910，910’，該夾具均具有兩個舌片915A和915B以及915么’，9158’；以及具有兩個摩擦焊縫925，925’的摩擦焊接的組件920，所述焊縫各自位于兩個推力傳遞槽930A和930B以及930A’和930B’之間。
[0083]圖10為圖9所示夾緊安裝系統(tǒng)900的第一步驟1000的說明性透視圖。在一個實(shí)施例中，該第一步驟1000包括將加壓夾具910，910’放置到底座裝置905的相應(yīng)支座935，935，中。
[0084]圖11為圖9所示夾緊安裝系統(tǒng)900的第二步驟1100的說明性透視圖。在一個實(shí)施例中，該第二步驟1100包括將摩擦焊接的組件920放置到加壓夾具910，910’中，從而使得夾具910，910’的舌片915A和915B以及915A，，915B’與相應(yīng)的推力傳遞槽930A和930B以及930A，和930B，對準(zhǔn)。
[0085]圖12為圖9所示夾緊安裝系統(tǒng)900的第三步驟1200的說明性透視圖。在一個實(shí)施例中，該第三步驟1200包括擺動或閉合樞軸C型加壓夾具910，910’，以使得夾具910，910’的舌片915A和915B以及915A’，915B’圍繞相應(yīng)的推力傳遞槽930A和930B以及930A’和930B’閉合。樞軸C型加壓夾具910，910’可以通過螺栓或其他合適的機(jī)械連接件鎖定閉合。該第三步驟1200還包括圍繞相應(yīng)的閉合的加壓夾具910，910’閉合或擺動底座裝置950的可繞樞軸轉(zhuǎn)動的加載臂940，940’。
[0086]圖13A和13B為圖9所示夾緊安裝系統(tǒng)900的第四步驟1300的說明性透視圖。在一個實(shí)施例中，該第四步驟1300包括插入軸向螺栓驅(qū)動頭1305，由此相對于螺母1315和板端部1320驅(qū)動張力桿1310，以使焊縫處于受壓狀態(tài)。
[0087]圖14為圖9所示夾緊安裝系統(tǒng)的第五步驟1400的說明性透視圖。在一個實(shí)施例中，該第五步驟1400包括收回軸向螺栓驅(qū)動頭1305 (不可見)。
[0088]圖15為圖9所示夾緊安裝系統(tǒng)的第六步驟1500、第七步驟1600和第八步驟1700的說明性透視圖。在一個實(shí)施例中，第六步驟1500包括擺動打開可繞樞軸轉(zhuǎn)動的加載臂940，940’。第七步驟1600包括:移動具有兩個加壓樞軸C型(或蛤形)夾具910，910’的摩擦焊接的組件920，其中每個所述夾具都向相應(yīng)的摩擦焊縫925，925’(在圖5中不可見)施加壓力或壓應(yīng)力；然后將摩擦焊接的組件920放置到焊后時效爐(未示出)中；以及進(jìn)行焊后時效處理。第八步驟1700包括從焊后時效爐中取出摩擦焊接的組件920。
[0089]圖16為圖9所示夾緊安裝系統(tǒng)的第九步驟1800和第十步驟1900的說明性透視圖。在第九步驟1800中，通過旋轉(zhuǎn)軸向螺栓驅(qū)動頭1305 (在圖13中示出)來釋放由加壓夾具910，910’施加的力或應(yīng)力。在第十步驟1900中，從摩擦焊縫925，925’附近取走加壓夾具910，910’(圖16中不可見)。在一實(shí)施例中，可以按序進(jìn)行第一步驟1000至第十步驟1900。在一實(shí)施例中，第一步驟1000至第十步驟1900的方法可以應(yīng)用到整體長度小于大約10英尺的中空圓柱狀金屬物品上，可選地，所述整體長度小于大約9英尺；可選地，還可以小于大約8英尺；可選地，還可以小于大約7英尺；可選地，可以小于大約6英尺；可選地，還可以小于大約5英尺；可選地，可以小于大約4英尺。[0090]圖17A和17B為任選的鎖定環(huán)1700的說明性透視圖。該鎖定環(huán)1700可以包括滑動槽(不可見)，張力桿(不可見)可以從該滑動槽中穿過，從而使得該環(huán)1700可以在用作鎖定楔時以及當(dāng)釋放和取出組件920時圍繞張力桿旋轉(zhuǎn)。在一實(shí)施例中，鎖定楔1700包括成角度的齒1710 (優(yōu)選地成8度的角度)和位于加壓夾具910的端面上的對應(yīng)齒1710。鎖定環(huán)楔1700的轉(zhuǎn)動是在軸向螺栓緊固板端部和加壓夾具910的端面之間進(jìn)行的。
[0091]圖18為用于焊后時效具有摩擦焊縫1810的大型管狀結(jié)構(gòu)1805的第三可選裝置1800的說明性透視圖，其中，在該焊縫上施加有壓力。該第三可選裝置1800包括摩擦焊接的大型管狀結(jié)構(gòu)1805，該結(jié)構(gòu)具有通過摩擦焊縫1810連接到第二金屬件1820上的第一金屬件1815。該摩擦焊接的大型管狀結(jié)構(gòu)1805的整體長度大于5英尺；可選地，該整體長度大于6英尺；可選地，該整體長度大于7英尺；可選地，該整體長度大于8英尺；可選地，該整體長度大于9英尺；可選地，該整體長度大于10英尺。裝置1800還包括滑動地固定到固定軌道1807上的底座1803。固定到底座1803上的還有多個上部支承結(jié)構(gòu)1825和多個下部支承結(jié)構(gòu)1830，其中，所述上部支承結(jié)構(gòu)1825具有用于接合管狀結(jié)構(gòu)1805的上部輥?zhàn)?827，所述下部支承結(jié)構(gòu)1830具有用于進(jìn)一步接合管狀結(jié)構(gòu)1805的下部輥?zhàn)?833。液壓致動器1835可以與該管狀結(jié)構(gòu)1805的第一端機(jī)械連接，而固定的止擋件1840可以與管狀結(jié)構(gòu)1805的第二端機(jī)械連接。當(dāng)致動時，致動器1835可以將管狀結(jié)構(gòu)1805壓在止擋件1840上，由此使焊縫1810處于壓力或應(yīng)力下。整個管狀結(jié)構(gòu)1805和軌道1807的至少大部分可以被裝在爐子1850中。這樣，摩擦焊縫1810可以在壓力或壓應(yīng)力下得到焊后時效處理。
[0092]圖19為用于焊后時效具有擴(kuò)散焊縫(不可見)的大型管狀結(jié)構(gòu)1905的第四可選裝置1900的說明性透視圖，其中，該焊縫上施加有壓力。該第四可選裝置1900包括擴(kuò)散焊接的大型管狀結(jié)構(gòu)1905，該結(jié)構(gòu)具有被擴(kuò)散焊接(不可見)到第二金屬件1920上的第一金屬件1915。該擴(kuò)散焊接的大型管狀結(jié)構(gòu)1905的整體長度大于5英尺；可選地，該整體長度大于6英尺；可選地，該整體長度大于7英尺；可選地，該整體長度大于8英尺；可選地，該整體長度大于9英尺；可選地，該整體長度大于10英尺。第四可選裝置1900還包括滑動地固定到固定軌道1907上的底座1903。固定到底座1903上的還有多個上部支承結(jié)構(gòu)1925和多個下部支承結(jié)構(gòu)1930，其中，該上部支承結(jié)構(gòu)1925具有用于接合管狀結(jié)構(gòu)1905的上部輥?zhàn)?927，該下部支承結(jié)構(gòu)1930具有用于進(jìn)一步接合管狀結(jié)構(gòu)1905的下部輥?zhàn)?933。液壓致動器1935 (未示出)可以與管狀結(jié)構(gòu)1905的第一端機(jī)械連接，而固定的止擋件1940可以與管狀結(jié)構(gòu)1905的第二端機(jī)械連接。當(dāng)致動時，致動器1935 (未示出)可以將管狀結(jié)構(gòu)1905壓到止擋件1940上，由此使焊縫1910處于壓力或應(yīng)力下。整個管狀結(jié)構(gòu)1905和軌道1907的至少大部分可以被裝在爐子(未示出)中。這樣，擴(kuò)散焊縫1910可以在壓力或壓應(yīng)力下經(jīng)焊后時效處理?？梢詫⑷芜x的位于中心的C型夾具1955放置在擴(kuò)散焊縫1910的周圍，以便增加加壓期間的穩(wěn)定性。
[0093]圖20A-20F為用于向具有攪拌摩擦焊縫2010的焊接組件2005提供壓力或壓應(yīng)力的第五可選裝置2000 (完整地在圖20E中示出)的說明性透視圖。在圖20A中，第一半邊夾具2015可以與第一金屬件2025的槽2020的至少一部分接合。第二半邊夾具2030可以與第二金屬件2040的第二槽2035的至少一部分接合。在圖20B中，相互對應(yīng)的第一半邊夾具2045可以與槽2020的至少一部分和第一半邊夾具2015接合。相互對應(yīng)的第二半邊夾具2050可以與第二槽2035的至少一部分和第二半邊夾具2030接合。在圖20C中，多個螺母2055A，2055B，2055C和螺栓(圖20A及圖21B中所示的2060A，2060B，2060C)可以用于將第一半邊夾具2015固定到相互對應(yīng)的第一半邊夾具2045上，并將第二半邊夾具2035固定到相互對應(yīng)的第二半邊夾具2050上。在圖20D中，哈克槍(huck gun，一種鉚釘槍)2065可以用于將第一半邊夾具2015和第二半邊夾具2030與相互對應(yīng)的第一半邊夾具2045和相互對應(yīng)的第二半夾具2050固定在一起；由此在焊縫2010 (圖20D中不可見)上提供(或施加)壓力或壓應(yīng)力。在圖20E中，壓力(優(yōu)選地在從約IOksi到約50ksi的范圍內(nèi))可以在一定溫度(優(yōu)選地在從約100F至約500F的范圍內(nèi))下保持一段時間(優(yōu)選地在從約I小時至約36小時的范圍內(nèi));由此在壓力下對焊縫進(jìn)行焊接時效處理。在圖20F中，可以移除夾具，并提供在壓力下經(jīng)過焊接時效的組件。
[0094]雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明公開的多個實(shí)施例，但是可以理解的是，這些實(shí)施例都是說明性的，而非限制性的，并且對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，多種變型和/或替代實(shí)施例可以是顯而易見的。例如，可以以任何所需的順序來實(shí)施任何步驟(并且可以增加任何期望的步驟和/或可以刪減任何期望的步驟)。因此，可以理解的是，后附的權(quán)利要求旨在覆蓋所有這些落入本發(fā)明公開內(nèi)容的精神和范圍內(nèi)的變型和實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種方法，包括: 通過固態(tài)方法將第一金屬件的至少第一端焊接到第二金屬件的第二端上，以形成包括具有焊接區(qū)域的焊縫的物品；以及 通過至少將焊縫加熱至一定溫度并保持一段時間以及對所述焊縫加壓而至少對所述焊接區(qū)域進(jìn)行焊后時效處理。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，第一金屬件是選自由以下材料構(gòu)成的組中的招合金:lxxx系列，2xxx系列，3xxx系列,4xxx系列，5xxx系列,6xxx系列，7xxx系列和8xxx系列招合金,而第二金屬件是選自由以下材料構(gòu)成的組中的金屬:lxxx系列，2xxx系列，3xxx系列,4xxx系列，5xxx系列，6xxx系列，7xxx系列和8xxx系列招合金，其中，第一金屬件和第二金屬件為不同的或相同的合金。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述第一金屬件和所述第二金屬件都分別獨(dú)立地選自由以下材料構(gòu)成的組:鈦，鈦合金，鋼，不銹鋼，銅，銅合金，鋅和鋅合金，其中，所述第一金屬件具有與所述第二金屬件相同或不同的成分。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述固態(tài)方法選自以下方法:摩擦焊接、攪拌摩擦焊接、擴(kuò)散焊接、冷焊接和爆炸焊接。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，將所述焊接區(qū)域加熱至一定溫度并保持一定時間，其中，所述溫度在約200F至約350F之間的范圍內(nèi)，所述時間在約2小時至約24小時之間的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征為，將所述焊接區(qū)域加熱至一定溫度并持續(xù)一定時間，其中，所述溫度在約300F至約325F之間的范圍內(nèi)，所述時間在約6小時至約18小時之間的范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征為，在加熱所述焊接區(qū)域的整個時間段內(nèi)對所述焊接區(qū)域加壓。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述焊接區(qū)域在焊后狀態(tài)被加壓至至少等于所述焊接區(qū)域的壓縮屈服強(qiáng)度的壓應(yīng)力。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征為，所述加壓局限于所述焊接區(qū)域，并且其中，所述物品的整體長度小于約10英尺。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述焊接區(qū)域被加壓至至少為約lOksi的壓應(yīng)力。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征為，所述焊接區(qū)域被加壓至在約20ksi和約40ksi之間的壓應(yīng)力。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述焊接區(qū)域具有在內(nèi)徑上的殘余應(yīng)力，并且所述焊接區(qū)域被加壓至足以將在所述內(nèi)徑上的殘余應(yīng)力減少至少約5ksi的壓應(yīng)力。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，所述焊接在所述第一鋁合金件和所述第二金屬件的內(nèi)徑和外徑上形成了焊瘤，而且所述方法還包括:從所述第一鋁合金件和所述第二金屬件的內(nèi)徑和外徑上機(jī)加工去掉所述焊瘤。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征為，所述焊接還在所述焊瘤的基部處形成了多個溝壑，而且其中，至少大部分所述溝壑在通過機(jī)加工去掉所述焊瘤時被去除。
15.如權(quán)利要求1所述的方法 ，其特征為，所述第一金屬件和所述第二金屬件均為外徑在約1英寸至約30英寸之間的管件。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征為，所述第一金屬件和所述第二金屬件各自的外徑和內(nèi)徑之間的距離在約0.25英寸至約5英寸之間。
【文檔編號】B23K20/02GK103747913SQ201280024355
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月3日
【發(fā)明者】伊斯雷爾·斯托爾, 斯蒂芬·馬科賽, 約翰·高貝斯 申請人:美鋁公司