包括在压力下进行的焊后处理的基于固态的连接方法

包括在压力下进行的焊后处理的基于固态的连接方法
【专利摘要】本发明提供了用于通过固态方法将第一金属件焊接到第二金属件上以形成至少具有焊接区域的焊接物品的方法。通过将焊缝的焊接区域加热至设定的温度并保持设定的时间以及对所述焊缝加压而对所述焊缝的焊接区域进行焊后时效。
【专利说明】包括在压力下进行的焊后处理的基于固态的连接方法
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本专利申请要求于2011年5月3日提交的在先美国专利申请N0.61/481，731和于2011年8月13日提交的在先美国专利申请N0.61/523,314的优先权和权益。
【技术领域】
[0003]本发明总的涉及固态焊接方法和用于该方法的装置。更具体地说，本发明涉及包括对焊缝进行焊后加热和加压的固态焊接方法。
【背景技术】
[0004]用于将两个或更多个零部件彼此焊接在一起的基于固态的连接方法是众所周知的，并且该方法可以不受限制地包括摩擦焊接、搅拌摩擦焊接、扩散粘结、冷焊接和爆炸焊接。而且，用于改善焊缝的方法也是众所周知的，例如，在焊后对焊缝加热一段时间。这些方法已用于连接包括管件的空心金属物品。

【发明内容】

[0005]根据本发明的一个说明性实施例的一个方面，提供了一种方法。该方法包括通过固态方法至少将第一金属件的第一端焊接到第二金属件的第二端上，以形成包括具有焊接区域的焊缝的物品。该方法还包括通过至少将焊缝加热至一定温度并持续一段时间以及对该焊缝进行加压而至少对该焊接区域进行焊后时效处理。
[0006]根据本发明的第二说明性实施例，提供了一种根据以下段落内容的装置:
[0007]5.1: —种装置，包括:
[0008]具有第一金属件和第二金属件的组件；
[0009]其中，该第一金属件包括第一端和第二端，
[0010]该第二金属件包括第三端和第四端，
[0011]第二端和第三端通过摩擦焊接结合在一起，以及
[0012]该第二金属件具有至少一个位于所述第三端和第四端之间的扭矩传递槽；以及
[0013]至少一个具有至少第一夹孔的夹具，该夹孔用于接纳至少一个张力杆的至少第一张力杆端，所述至少一个夹具具有与所述至少一个扭矩传递槽相关联的舌片，
[0014]其中，张力杆、夹具的舌片和所述第二金属件的槽的组合在摩擦焊缝上形成了至少IOksi (千磅/平方英寸)的压力。
[0015]5.2根据5.1段的装置还包括具有至少第一端板孔的端板，该第一端板孔用于接纳至少所述的一个张力杆的至少第二张力杆端，所述端板与第一金属件的第一端相关联。
[0016]5.3在根据5.1段的装置中，张力杆、夹具的舌片和第二金属件的槽的组合在摩擦焊缝上形成了在大约20ksi至大约50ksi之间的压力。
[0017]5.4在根据5.3段的装置中，第一金属件和第二金属件为中空的铝合金柱状件。
[0018]在阅读了下面结合附图进行的详细说明后，本领域技术人员会进一步理解本发明的上述优点和有利特征以及其他重要方面。
【专利附图】

【附图说明】
[0019]下面将参考附图对本文所公开的
【发明内容】
作进一步说明，其中，在各视图中，同样的结构/兀件由相同的参考标号表不，按字母表排序的结构/兀件表不多个不同的结构/元件，并且对镜像的结构/元件加标引号。附图不必按比例绘制，而是通常把重点放在显示本文所公开的发明的原理上。
[0020]图1A显示出已知的用于连接两个金属件的焊接方法的一个实施例的第一步骤；
[0021]图1B显示出已知的用于连接两个金属件的焊接方法的一个实施例的第二步骤；
[0022]图1C显示出已知的用于连接两个金属件的焊接方法的一个实施例的第三步骤；
[0023]图1D显示出已知的用于连接两个金属件的焊接方法的一个实施例的第四步骤；
[0024]图2为根据图1A-D中所示的步骤焊接的物品的剖视图；
[0025]图3A为图2所示焊接物品的横截面的低倍照片；
[0026]图3B为图3A的低倍照片的一部分以200微米级放大的显微图；
[0027]图3C为图3A的低倍照片的一部分以50微米级放大的显微图；
[0028]图3D为图3A的低倍照片的一部分以200微米级放大的显微图；
[0029]图3E为图3A的低倍照片图的一部分以200微米级放大的显微图；
[0030]图3F为图3A的低倍照片的一部分以200微米级放大的显微图；
[0031]图3G为图3A的低倍照片的一部分以200微米级放大的显微图；
[0032]图3H为图3A的低倍照片的一部分以50微米级放大的显微图；
[0033]图31为图3A的低倍照片的一部分以200微米级放大的显微图；
[0034]图4A为用于将压缩载荷施加到摩擦焊接的组件的焊缝上的装置的一个实施例的侧面剂视图；
[0035]图4B为用于将压缩载荷施加到替代的摩擦焊接组件的焊缝上的第二装置的一个实施例的侧面剖视图；
[0036]图5为具有推力/扭矩传递槽的第二摩擦焊接组件的一个实施例的透视图；
[0037]图6为与第三摩擦焊接组件的两个槽接合的加压夹具的一个实施例的说明性剖视图；
[0038]图7为照片形式的接合在一装置(例如，图4A中所示的用于将压缩载荷施加到摩擦焊接组件的焊缝上的装置)中的摩擦焊接组件(例如，图4A中所示的摩擦焊接的组件)的立体图；
[0039]图8为照片形式的接合在一装置(例如，图4A中所示的用于将压缩载荷施加到摩擦焊接组件的焊缝上的装置)中的摩擦焊接组件(例如，图4A中所示的摩擦焊接的组件)的第二立体图；
[0040]图9为夹紧安装系统的说明性分解立体图；
[0041]图10为图9所示夹紧安装系统的第一步骤的说明性立体图；
[0042]图11为图9所示夹紧安装系统的第二步骤的说明性立体图；
[0043]图12为图9所示夹紧安装系统的第三步骤的说明性立体图；
[0044]图13A和13B为图9所示夹紧安装系统的第四步骤的说明性立体图；[0045]图14为图9所示夹紧安装系统的第五步骤的说明性立体图；
[0046]图15为图9所示夹紧安装系统的第六至第八步骤的说明性立体图；
[0047]图16为图9所示夹紧安装系统的第九和第十步骤的说明性立体图；
[0048]图17A和17B为图9所示夹紧安装系统的可选的锁定环的说明性立体图；
[0049]图18为用于给具有摩擦焊缝的焊后时效的大型管状结构提供压缩力或应力的第三装置的说明性立体图；
[0050]图19为用于给具有扩散焊缝的焊后时效的大型管状结构提供压缩力或应力的第四装置的说明性立体图；以及
[0051]图20A-20F为用于给具有搅拌摩擦焊缝的焊接组件提供压缩力或应力的第五装置的立体图。
【具体实施方式】
[0052]本文公开了本发明的具体实施例；但是，应该理解的是，公开的实施例仅仅用于直观地说明本发明的公开内容，而本发明可以体现为各种形式。此外，结合本发明的各种实施例给出的每个示例仅用于说明目的，而非限定性的。另外，附图不必按比例绘制，一些特征可以被放大以表现特定部件的细节。而且，附图中示出的任何测量值、规格等都旨在进行举例说明，而非进行限定。因此，本文中公开的具体的结构和功能细节都不应被解释为限制性的，而应仅仅被解释为用于指导本领域技术人员以各种方式实施本发明的代表性基础。
[0053]在本文的各实施例中，术语“对照的摩擦焊接件”可以意指在没有压应力的情况下经历焊后时效(例如，通过加热)的摩擦焊接件。
[0054]在本文的各实施例中，术语“压应力”可以指至少在焊后热处理(例如，时效)周期的一部分期间施加在各个“摩擦焊缝”上的压应力。可以通过安装到可被施加以压缩载荷的摩擦焊缝、两个焊接件和/或张力杆上的应变计，在施加压应力之前计算或者在施加压应力期间测量该压应力。
[0055]在本文的各实施例中，术语“蠕变”可以指“摩擦焊缝”和它们的邻接区域所经受的运动，该运动可以由焊后热处理(例如，时效)周期(即，温度和时间)和“锁定”在“摩擦件”中以及与焊缝相邻的残余应力共同引起。
[0056]在本文的各实施例中，术语“端板”可以指一对厚板中的一个，拉紧螺栓或张力杆可以穿过该厚板放置，并且紧固螺母可以抵靠着该厚板被拧紧，从而使螺栓或杆受到张力并使摩擦焊缝处于压力之下。
[0057]在本文的各实施例中，术语“ ID”可以指“内部直径”或“内径”。
[0058]在本文的各实施例中，术语“0D”可以指“外部直径”或“外径”。
[0059]在本文的各实施例中，术语“经机加工的”可以指用来制备用于“摩擦焊接”的挤出金属件和/或作为去除形成在焊瘤基部处的“焊后沟壑”的方法而对物品的ID和OD上的焊瘤进行焊后机加工的操作。
[0060]在本文的各实施例中，术语“焊后沟壑”可以指一旦将两个金属件“摩擦焊接”在一起时形成在ID和OD焊瘤中的任一个或两者底部处的尖锐结构。
[0061]在本文的各实施例中，术语“焊后时效”可以指如下所述的焊后热处理操作，S卩，在该操作期间，摩擦焊缝及其邻接区域(例如，热影响区(“HAZ”)和热机搅拌区(“TMAZ”))中的某些成分析出。 申请人:目前认为，该“焊后时效”使摩擦焊缝具有有利的机械性能和耐腐蚀性能。
[0062]在本文的各实施例中，术语“残余应力”可以指在焊接操作期间被引入并锁定在摩擦焊缝及其邻接区域中的应力。
[0063]在本文的各实施例中，术语“应变速率”可以指被加载的材料正在被加载并变形的速率。
[0064]在本文的各实施例中，术语“推力传递舌片”可以指如下所述的传递推力负载的装置中的一种部件，即，该部件在摩擦焊接操作期间通过与待进行摩擦焊接的部件上的对应槽的边缘接合而将推力负载从例如一机械装置的以液压或电动机械方式驱动的活塞传递到待进行摩擦焊接的部件中。
[0065]在本文的各实施例中，术语“物品”可以指经受焊接(例如，摩擦焊接)处理的结构。
[0066]在本文的各实施例中，术语“焊瘤”可以指在焊接操作过程中从被摩擦焊接的部件之间的界面以塑化材料的形式排出的材料；该塑化材料刚一被排放到连接部的ID和0D上，就可以冷却成焊瘤。
[0067]在本文的各实施例中，术语“焊接区域”可以指摩擦焊缝及包括HAZ和TMAZ在内的该摩擦焊缝的邻接区域。
[0068]在本文的各实施例中，术语“屈服强度”可以指材料开始经受永久变形时的材料强度，该强度以磅/平方英寸(“psi ”)或兆帕(“MPa”)的单位计量。
[0069]参看图1A-1D，其中非限制性地示出了摩擦焊接方法100。该摩擦焊接方法100是用于将第一金属件110的至少第一端105焊接到第二金属件120的第二端115上以形成具有焊缝130的物品125的固态方法的一个说明性非限制示例。不受限制地，也可以包括其他合适的固态方法，例如，搅拌摩擦焊接、扩散粘结、冷焊接和爆炸焊接。
[0070]参看图1A，第一金属件110的第一端105可以被放置成与第二金属件120的第二端115基本对准且彼此相对。在一实施例中，当第一金属件110和第二金属件120对准时，第一金属件110可以绕其纵向轴线X沿圆形箭头所指示的方向R或沿相反方向旋转。在一可选实施例中，当第一金属件110和第二金属件120对准时，第二金属件120可以(沿任一方向)绕其纵向轴线X旋转。在另一可选实施例中，当第一金属件110和第二金属件120彼此对准时，它们可以都不旋转或者都旋转。
[0071]图1B不出了第一金属件的第一端105和第二金属件120的第二端115可以彼此靠在一起(或紧靠)地放置，以及当第二金属件120保持固定时，第一金属件110可以(沿任一方向绕轴线“X”)旋转。当然，当第一金属件110保持固定时，第二金属件120可以(沿任一方向绕轴线“X”)旋转，或者两个部件都可以(优选地沿彼此相反的方向)旋转。在一实施例中，如图1C所示，第一金属件110 (和/或第二金属件120)的第一旋转优选地是足够充分的，足以使熔化区域125开始形成。在一实施例中，如图1D所示，第一金属件110 (和/或第二金属件120)的第一旋转优选地是足够充分的，足以在两部件之间形成焊缝130。可选地，如图1A-1D所示的部件105，110可以沿任何方向独立地进行线性振动，而不是进行旋转。
[0072]在一实施例中，第一金属件110可以是选自由以下材料构成的组的铝合金:lxxx系列至8xxx系列，尤其是5xxx系列、6xxx系列和7xxx系列招合金；钛；钛合金；钢；不锈钢；铜；铜合金-M ;和锌合金(非限制性地包括7085、7075、7055、7050、6013和5083铝合金)。在一实施例中，第二金属件120可以是选自由以下材料构成的组的金属:lxxx系列至8xxx系列,尤其是5xxx系列、6xxx系列和7xxx系列招合金；钛；钛合金；钢；不锈钢；铜；铜合金-M ;和锌合金(非限制性地包括7085、7075、7055、7050、6013和5083铝合金)。第一金属件110可以具有和第二金属件120相同或不同的组成。在另一实施例中，第一金属件110和第二金属件120都可以具有任何形状，非限制性地包括大体呈管状的形状。在第一金属件110和第二金属件120具有大体呈管状的形状的实施例中，第一金属件110和第二金属件120都可以具有ID和OD，其中，ID任意地在约I英寸和约6英寸之间的范围内，OD任意地在约3英寸和约10英寸之间的范围内。第一金属件110和第二金属件120的ID和OD可以分别大致相同或不同。优选地，第一金属件110和第二金属件120的ID和OD大致相同。
[0073]图2示出了沿摩擦焊接物品200的纵向轴线X截取的剖视图。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铝合金。图2所示的具有焊缝205的焊接物品200处于其ID焊瘤210和OD焊瘤215保持原封不动(即，没有去除)的焊后状态。不希望受理论所限， 申请人:认为，在现有的方法中，由于焊缝中的残余应力分布和/或在焊后时效(下面将进行详细说明)期间可能发生在邻接的热影响区中的蠕变，在后续的加工(例如，可选地通过机加工去掉ID和OD焊瘤以及焊后时效处理焊缝205)过程中可能形成在焊缝205的内径处开始的裂缝(在图2中没有发现)。不希望受理论所限， 申请人:还认为，在现有的方法中，在后续的加工(例如，可选地通过机加工去掉ID和OD焊瘤以及焊后时效处理焊缝205)中，可能会主要在内部焊瘤210和外部焊瘤215的基部处形成沟壑一或表面缺陷(在图2中没有发现)。
[0074]图3Α示出了图2的焊接物品200的低倍照片300 (放大100倍)。图3Β示出了图3Α的一部分的显微图，该显微图是具有水平(相对于图1和2的纵向轴线“X”而言)晶粒结构的母材210的一部分的200微米级放大图。图3C示出了图3Α的一部分的显微图，该显微图是具有垂直晶粒结构的焊缝215的一部分的50微米级放大图。图3D示出了图3Α的一部分的显微图，该显微图是具有垂直晶粒结构的焊缝215的一部分的200微米级放大图。图3Ε示出了图3Α的一部分的显微图，该显微图是具有大体上垂直弯曲的横截面结构的焊接区域的ΤΜΑΖ305的一部分的200微米级放大图，所述大体上垂直弯曲的横截面结构是通过在高剪切应力下的拖曳形成的，而该高剪切应力可能出现在塑化材料在焊接过程中的排出期间。图3F示出了图3Α的一部分的显微图，该显微图是具有垂直晶粒结构的焊缝215的一部分的200微米级放大图。图3G示出了图3Α的一部分的显微图，该显微图是形成在焊瘤315的基部处的焊后沟壑310的一部分的200微米级放大图。图3Η示出了图3Α的一部分的显微图，该显微图是具有垂直晶粒结构的焊缝215的一部分的50微米级放大图。图31示出了图3Α的一部分的显微图，该显微图是具有水平弯曲的晶粒结构的焊缝215的一部分的200微米级放大图。
[0075]进一步根据本文所提供的方法，通过固态方法形成的焊缝可以经历焊后时效处理。在一实施例中，合适的焊后时效处理(或方法)可以包括如下所述的处理:通过该处理，焊接的金属物品可以被加热至一定温度并持续一段时间，该加热温度和时间足以将该焊接的金属物品的机械性能和/或耐腐蚀性能提高至超过焊接的金属物品在焊后时效前的机械性能和/或耐腐蚀性能。在另外的一实施例中，焊接的金属物品可以被加热至足以使成分析出的温度和时间。不希望对本文公开的内容进行限制，在一实施例中，本发明公开的焊接的金属物品或至少其焊接区域可以被自加热(或者可以将加热炉/加热器设定)至范围在约IOOF至约500F之间的温度；可选地，温度范围在约200F至约350F之间，或者，温度范围在约300F至约325F之间，而且持续加热的时间范围在约I小时至约36小时之间，可选地，在约2小时至约24小时之间，或者在约6小时至约18小时之间。
[0076]进一步根据本文所提供的方法，通过固态方法形成的焊缝或焊接区域可以在经历焊后时效之前和/或在经历焊后时效的同时受到挤压。在一实施例中，焊缝或焊接区域可以至少在焊缝经历焊后时效的整个时期内受压。可选地，焊缝或焊接区域受压的时间可以短于焊缝或焊接区域经历焊后时效的整个时期。在一实施例中，焊缝或焊接区域可以被局部加压(例如通过采用图4A和4B以及图20A-20F中所示的加压装置)或者整体加压(例如通过采用图18和19中所示的加压装置)至至少约IOksi的压应力；可选地，至少约20ksi的压应力；可选地，至少约30ksi的压应力；可选地，在约IOksi和约50ksi之间的压应力；可选地，在约20ksi和约45ksi之间的压应力；可选地，在约20ksi和约40ksi之间的压应力；可选地，在约30ksi和约45ksi之间的压应力。在另外的一实施例中，焊缝和/或焊接区域可能在其ID上具有初始残余应力，而且焊缝和/或焊接区域可以被挤压至足以将该焊缝和/或焊接区域的ID上的初始残余应力减少至少大约5ksi以致达到第二残余应力的压应力。在另外一实施例中，施加到焊缝和/或焊接区域上的压应力可以等于或大于焊接金属件之间的焊接区域(即，焊缝和HAZ)的屈服强度。 申请人:目前认为，在焊后周期内，摩擦焊缝的基于压紧的焊后时效可以:抵消焊缝的“薄弱”区域处的摩擦焊接点的蠕变；减少和/或抵消焊缝的ID处的高残余张应力；最大限度地减小由蠕变和ID处的张力型残余应力的联合作用引起的焊缝中的位错聚结的可能性，所述蠕变和ID处的张力型残余应力的联合作用会导致在焊缝中形成微观孔洞，而该孔洞又可以作为可引发和/或扩展焊缝中的裂缝的引起应力集中的因素；在焊后时效周期内抵消摩擦焊缝的极其细微的微观结构对断裂形成的潜在不利影响；抵消焊缝中的极小组分(例如，在晶界和/或晶粒矩阵处偏析出)的潜在影响，该组分可以是多面的和/或尖锐的，它们可能成为裂缝产生的部位；以及有助于在焊后时效周期内保持焊缝坚固和完整，并且抵消焊后时效周期内存在的应力升高效应和表面间断(例如，在ID和OD焊瘤的基部处的沟壑、机加工标记和裂缝)的潜在扩展。在一实施例中，在压力之下经历焊后时效的摩擦焊缝可以具有良好的机械性能，例如(非限制性地)，至少90%的屈服强度(可选地，根据ASTM B557-06进行测量)、至少90%的极限拉伸强度(可选地，根据ASTM E8和B557-06进行测量)和至少5%的伸长率(可选地，根据B557-06进行测量)。
[0077]此外，能够将上述局部的或整体的压力或压应力传递或者传送或施加到摩擦焊接的物品的焊接区域上的装置在本发明的公开范围内。图4A示出了适于将局部压力或压应力施加到摩擦焊缝405上的加压装置400的一个实施例，该焊缝405连接第一中空的圆柱状金属件410和第二中空的圆柱状金属件415，以形成焊接的中空圆柱状物品420。在一实施例中，局部压力适合于整体长度小于约10英尺的中空圆柱状物品420，可选地，上述整体长度小于约7英尺，或者小于约6英尺，或者可选地，小于约5英尺。第一金属件410可以包括抵靠在第一端板430上(或靠着或邻近第一端板430放置)的端部425。第二金属件415可以包括一个或多个周向推力或扭矩传递槽435，该槽435可以被机加工到第二金属件415上，深度在为OD和ID之差的约75%至约1%的范围内；可选地，在为OD和ID之差的约50%至约10%的范围内；并且可选地，在为OD和ID之差的约40%至约25%的范围内。该推力或扭矩传递槽435可以接合或接纳夹具440。端板430和夹具440可以均包括至少一个孔445A，445B,该孔可以基本对准，从而使得线性拉杆(或“张力杆”)450可以由相应的孔445A，445B接纳。优选地，端板430和夹具440分别可以包括多个孔445A，445B，这些孔可以基本对准以分别接纳以相应的线性张力杆450。此外，线性张力杆450在每个末端都可以设有螺纹，以接纳相应的螺母455A，455B。在一实施例中，螺母455A，455B的旋转(或者张力杆450相对于螺母455A，455B的旋转)可以给摩擦焊缝405提供局部压力。
[0078]图4B示出了适于将局部压力或压应力施加到可选的摩擦焊缝465上的第二加压装置460的一个实施例，该焊缝465连接第一可选的中空圆柱状金属件470和第二可选的中空圆柱状金属件475，以形成可选的焊接的中空圆柱状物品477。第一可选金属件470可以包括抵靠在可选的第一端板483上(或靠着或邻近可选的第一端板483放置)的可选端部480。第二可选金属件475可以包括抵靠在第二端板487上(或靠着或邻近第二端板487放置)的可选第二端部485。可选的端板483和第二可选的端板487可以均具有可选的孔490A，490B,该孔可以基本对准，从而使得可选的线性拉杆(或“张力杆”)493可以穿过中空的圆柱状第一可选金属件470和中空的圆柱状第二可选金属件475由相应的可选的孔490A,490B接纳。此外，可选的线性张力杆493的每个末端都可以设有螺纹，以接纳相应的可选螺母495A，495B。在一实施例中，可选螺母495A，495B的旋转可以给可选的摩擦焊缝465提供局部压力。
[0079]图5为第二摩擦焊接组件500的一个实施例的透视图。该第二摩擦焊接组件500可以包括摩擦焊缝505和505’，它们将第一中空的圆柱状金属件510连接到第二中空的圆柱状金属件515和第三中空的圆柱状金属件510’上。第一金属件510和第三金属件510’可以均包括一个相应的用于放置或抵靠(或邻近)第一端板(在图4A中示出了 一个合适的第一端板，如元件430)的端部525，525’。第二金属件515可以包括一个或多个周向的推力或扭矩传递槽535 (和535’)，该槽可以被机加工到第二金属件515上，深度在为OD和ID之差的约75%至约1%的范围内；可选地，在为OD和ID之差的约50%至约10%的范围内；并且可选地，在为OD和ID之差的约40%至约25%的范围内。
[0080]图6为与中空的圆柱状金属件610的两个槽605A，605B接合的双舌片加压夹具600的一个实施例的示意性剖视图。槽605A，605B在一个实施例中均具有4.5英寸的水平长度L和L’，而且双舌片加压夹具600的每个舌片603A，603B在一个实施例中都具有4英寸的水平长度。在一个实施例中，在舌片和槽之间具有长度可以大约为0.5英寸的间隙G。
[0081]图7和8为接合在图4A所示的用于将压缩载荷施加到摩擦焊缝405上的加压装置400中的图4A所示摩擦焊接组件的透视图，该焊缝405将第一中空的圆柱状金属件410连接到第二中空的圆柱状金属件415上，以形成焊接的中空圆柱状物品420。第一金属件410可以包括抵靠在第一端板430上(或者靠着或邻近第一端板430放置)的端部425。端板430和夹具440均包括至少一个孔445A，445B,所述孔基本对准，从而使得线性拉杆(或“张力杆”)450可以由相应的孔445A，445B接纳。线性张力杆450的每个末端都设有螺纹，以接纳相应的螺母455A，455B。螺母455A，455B的旋转给摩擦焊缝405提供了局部压力。在一实施例中，其中，将在时效前施加在摩擦焊缝上的30ksi局部压缩载荷下进行焊缝的焊后时效，通过焊接区域的局部屈服和蠕变的结合，该压缩载荷在焊后时效周期内可以缩短大约0.02英寸(或0.5毫米)。
[0082]图9为具有以下结构的夹紧安装系统900的示意图，即，所述系统具有:底座装置905 ;两个加压枢轴C型(或蛤形)夹具910，910’，该夹具均具有两个舌片915A和915B以及915么’，9158’；以及具有两个摩擦焊缝925，925’的摩擦焊接的组件920，所述焊缝各自位于两个推力传递槽930A和930B以及930A’和930B’之间。
[0083]图10为图9所示夹紧安装系统900的第一步骤1000的说明性透视图。在一个实施例中，该第一步骤1000包括将加压夹具910，910’放置到底座装置905的相应支座935，935，中。
[0084]图11为图9所示夹紧安装系统900的第二步骤1100的说明性透视图。在一个实施例中，该第二步骤1100包括将摩擦焊接的组件920放置到加压夹具910，910’中，从而使得夹具910，910’的舌片915A和915B以及915A，，915B’与相应的推力传递槽930A和930B以及930A，和930B，对准。
[0085]图12为图9所示夹紧安装系统900的第三步骤1200的说明性透视图。在一个实施例中，该第三步骤1200包括摆动或闭合枢轴C型加压夹具910，910’，以使得夹具910，910’的舌片915A和915B以及915A’，915B’围绕相应的推力传递槽930A和930B以及930A’和930B’闭合。枢轴C型加压夹具910，910’可以通过螺栓或其他合适的机械连接件锁定闭合。该第三步骤1200还包括围绕相应的闭合的加压夹具910，910’闭合或摆动底座装置950的可绕枢轴转动的加载臂940，940’。
[0086]图13A和13B为图9所示夹紧安装系统900的第四步骤1300的说明性透视图。在一个实施例中，该第四步骤1300包括插入轴向螺栓驱动头1305，由此相对于螺母1315和板端部1320驱动张力杆1310，以使焊缝处于受压状态。
[0087]图14为图9所示夹紧安装系统的第五步骤1400的说明性透视图。在一个实施例中，该第五步骤1400包括收回轴向螺栓驱动头1305 (不可见)。
[0088]图15为图9所示夹紧安装系统的第六步骤1500、第七步骤1600和第八步骤1700的说明性透视图。在一个实施例中，第六步骤1500包括摆动打开可绕枢轴转动的加载臂940，940’。第七步骤1600包括:移动具有两个加压枢轴C型(或蛤形)夹具910，910’的摩擦焊接的组件920，其中每个所述夹具都向相应的摩擦焊缝925，925’(在图5中不可见)施加压力或压应力；然后将摩擦焊接的组件920放置到焊后时效炉(未示出)中；以及进行焊后时效处理。第八步骤1700包括从焊后时效炉中取出摩擦焊接的组件920。
[0089]图16为图9所示夹紧安装系统的第九步骤1800和第十步骤1900的说明性透视图。在第九步骤1800中，通过旋转轴向螺栓驱动头1305 (在图13中示出)来释放由加压夹具910，910’施加的力或应力。在第十步骤1900中，从摩擦焊缝925，925’附近取走加压夹具910，910’(图16中不可见)。在一实施例中，可以按序进行第一步骤1000至第十步骤1900。在一实施例中，第一步骤1000至第十步骤1900的方法可以应用到整体长度小于大约10英尺的中空圆柱状金属物品上，可选地，所述整体长度小于大约9英尺；可选地，还可以小于大约8英尺；可选地，还可以小于大约7英尺；可选地，可以小于大约6英尺；可选地，还可以小于大约5英尺；可选地，可以小于大约4英尺。[0090]图17A和17B为任选的锁定环1700的说明性透视图。该锁定环1700可以包括滑动槽(不可见)，张力杆(不可见)可以从该滑动槽中穿过，从而使得该环1700可以在用作锁定楔时以及当释放和取出组件920时围绕张力杆旋转。在一实施例中，锁定楔1700包括成角度的齿1710 (优选地成8度的角度)和位于加压夹具910的端面上的对应齿1710。锁定环楔1700的转动是在轴向螺栓紧固板端部和加压夹具910的端面之间进行的。
[0091]图18为用于焊后时效具有摩擦焊缝1810的大型管状结构1805的第三可选装置1800的说明性透视图，其中，在该焊缝上施加有压力。该第三可选装置1800包括摩擦焊接的大型管状结构1805，该结构具有通过摩擦焊缝1810连接到第二金属件1820上的第一金属件1815。该摩擦焊接的大型管状结构1805的整体长度大于5英尺；可选地，该整体长度大于6英尺；可选地，该整体长度大于7英尺；可选地，该整体长度大于8英尺；可选地，该整体长度大于9英尺；可选地，该整体长度大于10英尺。装置1800还包括滑动地固定到固定轨道1807上的底座1803。固定到底座1803上的还有多个上部支承结构1825和多个下部支承结构1830，其中，所述上部支承结构1825具有用于接合管状结构1805的上部辊子1827，所述下部支承结构1830具有用于进一步接合管状结构1805的下部辊子1833。液压致动器1835可以与该管状结构1805的第一端机械连接，而固定的止挡件1840可以与管状结构1805的第二端机械连接。当致动时，致动器1835可以将管状结构1805压在止挡件1840上，由此使焊缝1810处于压力或应力下。整个管状结构1805和轨道1807的至少大部分可以被装在炉子1850中。这样，摩擦焊缝1810可以在压力或压应力下得到焊后时效处理。
[0092]图19为用于焊后时效具有扩散焊缝(不可见)的大型管状结构1905的第四可选装置1900的说明性透视图，其中，该焊缝上施加有压力。该第四可选装置1900包括扩散焊接的大型管状结构1905，该结构具有被扩散焊接(不可见)到第二金属件1920上的第一金属件1915。该扩散焊接的大型管状结构1905的整体长度大于5英尺；可选地，该整体长度大于6英尺；可选地，该整体长度大于7英尺；可选地，该整体长度大于8英尺；可选地，该整体长度大于9英尺；可选地，该整体长度大于10英尺。第四可选装置1900还包括滑动地固定到固定轨道1907上的底座1903。固定到底座1903上的还有多个上部支承结构1925和多个下部支承结构1930，其中，该上部支承结构1925具有用于接合管状结构1905的上部辊子1927，该下部支承结构1930具有用于进一步接合管状结构1905的下部辊子1933。液压致动器1935 (未示出)可以与管状结构1905的第一端机械连接，而固定的止挡件1940可以与管状结构1905的第二端机械连接。当致动时，致动器1935 (未示出)可以将管状结构1905压到止挡件1940上，由此使焊缝1910处于压力或应力下。整个管状结构1905和轨道1907的至少大部分可以被装在炉子(未示出)中。这样，扩散焊缝1910可以在压力或压应力下经焊后时效处理。可以将任选的位于中心的C型夹具1955放置在扩散焊缝1910的周围，以便增加加压期间的稳定性。
[0093]图20A-20F为用于向具有搅拌摩擦焊缝2010的焊接组件2005提供压力或压应力的第五可选装置2000 (完整地在图20E中示出)的说明性透视图。在图20A中，第一半边夹具2015可以与第一金属件2025的槽2020的至少一部分接合。第二半边夹具2030可以与第二金属件2040的第二槽2035的至少一部分接合。在图20B中，相互对应的第一半边夹具2045可以与槽2020的至少一部分和第一半边夹具2015接合。相互对应的第二半边夹具2050可以与第二槽2035的至少一部分和第二半边夹具2030接合。在图20C中，多个螺母2055A，2055B，2055C和螺栓(图20A及图21B中所示的2060A，2060B，2060C)可以用于将第一半边夹具2015固定到相互对应的第一半边夹具2045上，并将第二半边夹具2035固定到相互对应的第二半边夹具2050上。在图20D中，哈克枪(huck gun，一种铆钉枪)2065可以用于将第一半边夹具2015和第二半边夹具2030与相互对应的第一半边夹具2045和相互对应的第二半夹具2050固定在一起；由此在焊缝2010 (图20D中不可见)上提供(或施加)压力或压应力。在图20E中，压力(优选地在从约IOksi到约50ksi的范围内)可以在一定温度(优选地在从约100F至约500F的范围内)下保持一段时间(优选地在从约I小时至约36小时的范围内);由此在压力下对焊缝进行焊接时效处理。在图20F中，可以移除夹具，并提供在压力下经过焊接时效的组件。
[0094]虽然已经描述了本发明公开的多个实施例，但是可以理解的是，这些实施例都是说明性的，而非限制性的，并且对于本领域技术人员来说，多种变型和/或替代实施例可以是显而易见的。例如，可以以任何所需的顺序来实施任何步骤(并且可以增加任何期望的步骤和/或可以删减任何期望的步骤)。因此，可以理解的是，后附的权利要求旨在覆盖所有这些落入本发明公开内容的精神和范围内的变型和实施例。
【权利要求】
1.一种方法，包括: 通过固态方法将第一金属件的至少第一端焊接到第二金属件的第二端上，以形成包括具有焊接区域的焊缝的物品；以及 通过至少将焊缝加热至一定温度并保持一段时间以及对所述焊缝加压而至少对所述焊接区域进行焊后时效处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征为，第一金属件是选自由以下材料构成的组中的招合金: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,而第二金属件是选自由以下材料构成的组中的金属: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，第一金属件和第二金属件为不同的或相同的合金。
3.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述第一金属件和所述第二金属件都分别独立地选自由以下材料构成的组:钛，钛合金，钢，不锈钢，铜，铜合金，锌和锌合金，其中，所述第一金属件具有与所述第二金属件相同或不同的成分。
4.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述固态方法选自以下方法:摩擦焊接、搅拌摩擦焊接、扩散焊接、冷焊接和爆炸焊接。
5.如权利要求1所述的方法，其特征为，将所述焊接区域加热至一定温度并保持一定时间，其中，所述温度在约200F至约350F之间的范围内，所述时间在约2小时至约24小时之间的范围内。
6.如权利要求5所述的方法，其特征为，将所述焊接区域加热至一定温度并持续一定时间，其中，所述温度在约300F至约325F之间的范围内，所述时间在约6小时至约18小时之间的范围内。
7.如权利要求5所述的方法，其特征为，在加热所述焊接区域的整个时间段内对所述焊接区域加压。
8.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述焊接区域在焊后状态被加压至至少等于所述焊接区域的压缩屈服强度的压应力。
9.如权利要求8所述的方法，其特征为，所述加压局限于所述焊接区域，并且其中，所述物品的整体长度小于约10英尺。
10.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述焊接区域被加压至至少为约lOksi的压应力。
11.如权利要求9所述的方法，其特征为，所述焊接区域被加压至在约20ksi和约40ksi之间的压应力。
12.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述焊接区域具有在内径上的残余应力，并且所述焊接区域被加压至足以将在所述内径上的残余应力减少至少约5ksi的压应力。
13.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述焊接在所述第一铝合金件和所述第二金属件的内径和外径上形成了焊瘤，而且所述方法还包括:从所述第一铝合金件和所述第二金属件的内径和外径上机加工去掉所述焊瘤。
14.如权利要求12所述的方法，其特征为，所述焊接还在所述焊瘤的基部处形成了多个沟壑，而且其中，至少大部分所述沟壑在通过机加工去掉所述焊瘤时被去除。
15.如权利要求1所述的方法 ，其特征为，所述第一金属件和所述第二金属件均为外径在约1英寸至约30英寸之间的管件。
16.如权利要求15所述的方法，其特征为，所述第一金属件和所述第二金属件各自的外径和内径之间的距离在约0.25英寸至约5英寸之间。
【文档编号】B23K20/02GK103747913SQ201280024355
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2012年5月3日 优先权日:2011年5月3日
【发明者】伊斯雷尔·斯托尔, 斯蒂芬·马科赛, 约翰·高贝斯 申请人:美铝公司