包括可动反支承件的用于摩擦搅拌焊接的改进系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于两个部件（22，24）的摩擦搅拌焊接的系统（46）以及利用所述系统进行摩擦搅拌焊接的方法，该系统（46）包括：焊接单元（48），焊接单元（48）包括安装有旋转销（66a，66b）的至少一个焊头（54a，54b）；和反支承单元（50），反支承单元（50）具有支承表面（80）以克服由焊头施加的压力支承部件（22，24），并且其中，每个焊头（54a，54b）能够相对于支承表面（80）、沿着平行于旋转销（66a，66b）的旋转轴线（68a，68b）的第一方向（57）和沿着正交于旋转轴线（68a，68b）的第二方向（56）移动，并且其中支承表面（80）能够沿着第二方向（56）移动并且由设置成彼此分开的两个同轴夹紧辊子（62）形成。
【专利说明】包括可动反支承件的用于摩擦搅拌焊接的改进系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于通过摩擦搅拌焊接的技术(FSW)装配两个部件的系统和方法。
[0002]本发明特别地在加强件在飞行器面板一特别是飞机面板一上的固定方面获
得应用。
[0003]根据本发明关注的面板可以是机身面板、翼面面板或者尾翼面板、或者形成储存箱或者起落架舱部分的面板、或者任何其他类型的面板。
[0004]固定至这些面板的加强件可以具体是机身周向框架、机身纵向桁架或者加强件、机翼或者尾翼加强杆或者肋状物、地板横向构件或地板梁等。
【背景技术】
[0005]通常，称为摩擦搅拌焊接(FSW)的技术已知用于以至少等同于使用常规铆钉接合达到的效率来制成允许压力通过所装配的部件之间的快速持久的机械接合。
[0006]在图1中示意性示出的该技术使用包括至少一个焊头10的焊接装置，该至少一个焊头10包括旋转销12、肩部14，该肩部14延伸至旋转销12的基部并且具有通常等于该旋转销12的平均直径的2至2.5倍之间的直径。
[0007]两个部件16a、16b的摩擦搅拌焊接包含在两个部件16a、16b之间的接合面18处将旋转销12引入至两个部件中，直到肩部14与部件16a、16b中的每个的表面进行接触为止。旋转销12至构成部件16a、16b的材料中的引入通过该材料的由于旋转销12针对两个部件16a和16b的摩擦产生的热量而产生的局部软化而成为可能。在旋转销12的周围的部件16a、16b的材料的面团样状态允许该旋转销沿着接合面18移动。旋转销12的转动以及在适当的情况下肩部14的转动引起处于在面团样状态的材料的混合。
[0008]通过旋转销12引起的挤压和通过肩部产生的锻造效果因此逐渐地导致焊缝的形成。该焊缝表现为两种材料所共有的由于恢复再结晶而形成的新金相结构的形式，其中，该金相结构因此保证在冷却后两个部件16a、16b的良好结合。
[0009]如在图2中示意性地示出的，通过使用反模板20，反压力施加在部件16a、16b中的每个的与焊头10相反的面上，以抵消通过旋转销12施加的压力。这种反模板有时结合了允许通过摩擦产生的热的一部分被移除的冷却装置。这通常提高部件在焊接后的机械特性。这种冷却装置表现为例如下述通道21的形式:该通道21结合在反模板20中并且传热流体在通道21中流动。
[0010]该摩擦搅拌焊接技术允许实现所谓的“对接焊接”，如在图1和图2中示出的，在该对接焊接中，旋转销12的轴线局部地平行于要被装配的部件之间的接合面。
[0011]该技术还允许实现所谓的“透明焊接”，在该透明焊接中，旋转销12的轴线局部地平行于待装配的部件之间的接合面。在该情况下，待装配的部件中的一个被置于焊头与待装配的另一个部件之间。
[0012]摩擦搅拌焊接技术特别具有在待装配的部件的组成材料的熔点之下实现的优点，这特别地避免了与重新固化相关的问题并且经常与其他焊接技术同时出现。
[0013]该技术另外提供不需要任何填充物材料和不引起任何污染烟雾散发的优点。
[0014]此外，焊接装置沿着待装配的部件的接合面移动时的速度可以达到每分钟2米，使得该焊接技术允许使部件快速地并且以降低的成本装配。
[0015]该焊接技术另外提供高度自动化水平的可能性。
[0016]虽然如此，已知的摩擦搅拌焊接方法确实存在缺点。
[0017]在对接焊接的情况下或者在透明焊接的情况下针对待装配的一个部件，使用的反模板必须按照严格的尺寸公差制造以便尽可能接近地适合待装配的表面。
[0018]如果不是这种情况则必须例如通过机械加工事先调整待装配部件的尺寸，使得装配部件的尺寸尽可能接近地匹配反模板的几何体。
[0019]此外，通过焊接头施加的力的级别可能达到若干吨，使得特别当待装配的部件具有弯曲形状时，例如在图3的纵向截面图中示出的在周向框架22装配至飞行器机身面板24上的情况中，反模板通常必须具有大质量。这种周向框架22包括应用至机身面板24上的、形状基本是圆筒形的凸缘26、和基本上正交于基板26延伸的腹板30。
[0020]此外，如果反模板包括必须能够提取大量热的冷却装置，则反模板的质量将更大并且加工起来更复杂。
【发明内容】
[0021]本发明的一个目的特别是提供一种针对这些问题的简单、经济并且有效解决方法，该解决方案允许避免以上所述的缺点中的至少一些。
[0022]为此目的，本发明提出一种用于焊接待装配的至少两个部件的摩擦搅拌焊接系统，该摩擦搅拌焊接系统包括:
[0023]一焊接单元，该焊接单元包括焊接装置，该焊接装置包括设置有旋转销的至少一个焊头；
[0024]一反支承单元，反支承单元提供支承表面，该支承表面设计成克服由每个所述焊头施加的压力来支承待装配的部件；
[0025]并且其中，每个所述焊头能够相对于所述反支承单元的所述支承表面、沿着平行于每个所述焊头的所述旋转销的旋转轴线的第一方向移动；并且每个所述焊头能够沿着正交于所述焊头的旋转销的旋转轴线的第二方向移动。
[0026]此外，该反支承单元包括用于沿着所述第二方向移动所述支承表面的装置。
[0027]这种移动装置允许支承表面在焊头沿着所述第二方向的位移期间保持基本上与焊头相对。
[0028]该第二方向在实际上可以是在使用本系统施行焊接工序期间与由所述焊头所遵循的总体轨迹相切的方向。为此，在下面所述第二方向将称为“焊接方向”。
[0029]当最初位于待装配的部件外侧的所述焊头沿着所述第一方向朝向待装配的部件移动时，该焊头的旋转销能够穿入形成所述部件的材料中，这将在下面变得更清楚。因为此原因，在本描述的其余部分中所述第一方向有时将被称为“穿透方向”。
[0030]通过提出使用能够沿着焊接方向移动的支承表面，本发明避免依赖于经常使用的、特别有利于焊接弯曲部的类型的大块反模板。[0031]此外，支承表面和焊头沿着所述第一方向的相对运动的可能性允许实现克服通过焊头施加的压力的最佳反压力，同时仍然允许用于支承表面的尺寸精度的需要的降低以及用于待装配的部件的预先调整的需要的降低。[0032]应注意的是，根据本发明的焊接系统可以通常用于实现对接焊接和透明焊接。
[0033]反支承单元优选地设计成能够允许所述支承表面在待装配的部件中的一者上滚动。这种滚动可以在实际上表现为支承表面沿着焊接方向的整个位移。
[0034]根据本发明，该反支承单元包括彼此分开设置并且具有公共回转轴线的两个夹紧辊子，所述公共回转轴线基本上正交于所述第一方向并且正交于所述第二方向，其中，所述夹紧辊子的每个均具有形成所述支承表面的至少一部分的主周向轨道。
[0035]该构型在下述情况中是特别有利的:当待装配的部件中的一个是具有凸缘和腹板的加强件时以及当该焊接系统用于实现加强件的凸缘透明焊接至另一个部件上时，其中，在第二种情况中该构型例如表现为面板的形式。
[0036]在实际上，该夹紧辊子执行抵着通过所述焊头施加的压力的支承板的作用，同时允许这种加强件的腹板穿过该夹紧辊子之间。
[0037]该构型因此当所涉及的加强件的腹板相对于加强件的凸缘是基本上在中心时是特别有利的。
[0038]总的来说，该夹紧辊子特别地具有能够结合具有简单设计的低成本热交换装置以允许在焊接期间对部件进行有效冷却的优点。
[0039]可替代的，这种冷却可以例如通过设置用于喷射的附加自动机械通过将冷却剂喷洒至焊接区域上来实现，或者通过将整个焊接装置浸没在填充有热交换流体的池中来实现，其中，所有这些都不离开本发明的范围。
[0040]应注意的是，所述支承表面优选地完全由所述夹紧辊子的相应主周向轨道形成。
[0041]此外，该夹紧辊子能够有利地围绕其公共旋转轴线旋转。
[0042]该夹紧辊子因此能够在待装配的部件中的一个上滚动，以允许所述支承表面整体上沿着所述焊接方向移位。
[0043]在该情况下，该夹紧辊子的回转轴线形成用于夹紧辊子的旋转轴线。
[0044]在本发明的优选实施方式中，反支承单元包括使一个夹紧辊子朝向另一个移动的
>J-U ρ?α装直。
[0045]该构型因此特别允许夹紧辊子将加强件的腹板夹在之间，同时其相应主周向轨道压靠该加强件的一个凸缘。
[0046]这特别有助于在该加强件焊接至另一个部件时对该加强件定中心。
[0047]使得一个夹紧辊子沿着另一个夹紧辊子的方向移动的所述装置包括例如分别地承载所述夹紧辊子的两个支承臂。
[0048]在该情况下，为了允许夹紧辊子朝向彼此进行移动，该反支承单元优选地包括用于使所述支承臂中的一个沿着另一个的方向移动的装置。
[0049]用于移动支承臂的这些装置可以例如结合到机械臂中。
[0050]此外，每个夹紧辊子有利地安装成使得其在相应的支承臂上旋转。
[0051 ] 在本发明的优选实施方式中，夹紧辊子中的每个具有径向地向外突出的周向肩部，该周向肩部限定所述夹紧辊子的所述主周向轨道的在面对另一个所述夹紧辊子那一侧上的横向端部。
[0052]在待装配的两个部件透明焊接过程的情况中，这种周向肩部能够有助于限制和形成构成所述部件中的第一部件的材料，由该夹紧辊子的相应主周向轨道接合地形成的支承表面压靠该第一部件。
[0053]实际上使得每个夹紧辊子沿着另一个夹紧辊子的方向移动允许该夹紧辊子的肩部压靠所述第一部件的边缘。
[0054]在本发明的优选实施方式中，所述夹紧辊子中的每个均具有通过夹紧辊子的所述周向肩部连接至所述夹紧辊子的所述主周向轨道的副周向轨道。
[0055]在待装配的两个部件的透明焊接过程的情况中，每个夹紧辊子的副周向轨道能够有利地按压至所述部件中的对应于形成在焊接单元的焊接装置上的部件的第二部件上。
[0056]该构型加强由每个夹紧装置提供的材料的限制效应，这将在下面变得更清楚。
[0057]通常，根据本发明的焊接系统还优选地包括通过焊接单元承载的非破坏性检验装置和/或通过反支承装置承载的非破坏性检验装置。
[0058]这种非破坏性检验装置快速地和自动地在线控制焊缝的质量。
[0059]在该情况下，焊接系统优选地另外包括通过焊接单元承载的修理装置。
[0060]考虑到焊接的方向，该非破坏性检验装置则布置在前述焊接装置与修理装置之间。
[0061]这种修理装置包括设计成当通过非破坏性检验装置检测到预先形成的焊缝中的缺陷时实现待装配部件的焊接的局部返工。
[0062]该修理装置避免了焊接装置在检测到缺陷时必须反向行进，如将更清楚地在下面示出。
[0063]另外，焊接系统有利地包括通过焊接单元承载的防腐蚀处理装置和/或通过反支承单元承载的防腐蚀处理装置。
[0064]这种防腐蚀处理装置用于在需要的情况下在检验焊缝后并且在焊缝的任何修理后对焊缝应用防腐蚀处理。
[0065]本发明还涉及一种用于通过使用以上描述的类型的焊接系统的透明焊接来线性焊接两个部件的摩擦搅拌焊接(FSW)方法，其中:
[0066]一所述部件被叠置；
[0067]一反支承单元包括两个夹紧辊子，这两个夹紧辊子彼此分开设置并且具有正交于所述第一方向(或“穿透方向”)并且正交于所述第二方向(或“焊接方向”)的共有回转轴线，其中，所述夹紧辊子中的每个均具有形成所述支承表面的至少一部分的主周向轨道；
[0068]一由于形成所述部件的材料因由所述旋转销的摩擦引起的热而局部地软化，所述焊接装置的每个焊头的旋转销通过完全地穿过第二部分而被至少部分地插入所述部件中的第一部件，然后所述旋转销沿着所述部件之间的接触分界面在所述第二方向上移动，使得形成焊缝；
[0069]一所述反支承单元的支承表面压靠所述第一部件并且沿着所述接触分界面在所述第一部件上移动使得能够抵消由所述焊接装置的每个焊头的旋转销在旋转销沿着所述第二方向运动期间施加的压力。
[0070]该方法自然地展示了以上描述的系统在前述支承表面的移动性方面和在对支承表面的尺寸精度并且对待装配的部件的事先调整方面的降低的需要方面的优点。
[0071]每个焊头的旋转销具有局部地正交于待装配部件之间的接触分界面的旋转轴线。
[0072]前述的第一部件是例如加强件的凸缘，而前述的第二部件是例如面板特别是飞行器的面板比如机身面板。
[0073]如以上所解释的，所述支承表面优选地完全由夹紧辊子的相应主周向轨道形成。
[0074]此外，所述支承表面的所述移动优选地借助于通过在所述第一部件上实施所述主周向轨道的滚动以引起所述夹紧辊子的每个夹紧辊子围绕所述回转轴线的转动而获得的所述夹紧辊子沿着所述接触分界面的移动来实现。
[0075]优选地，所述夹紧辊子朝向彼此移动使得所述夹紧辊子的两个相应侧壁将所述第一部件的一部分中间夹在中间。
[0076]在将凸缘焊接至面板的期间，该夹紧辊子能够因此特别地通过使用其相应的两侧壁将加强件的腹板夹在中间同时通过其相应主周向轨道在加强件的凸缘上施加支承力。
[0077]优选地，该夹紧辊子各自具有压靠所述第一部件的边缘的周向肩部。
[0078]这允许形成所述第一部件的软化材料受到限制，因此阻止该部件在由每个焊头和所述支承表面施加的压力下变形。
[0079]在本发明的优选实施方式中，每个所述夹紧辊子具有通过该夹紧辊子的所述周向肩部连接至该夹紧辊子的所述主周向轨道的副周向轨道。
[0080]每个夹紧辊子的副周向轨道压靠所述第二部件并且在该夹紧辊子沿着所述接触分界面移动时在所述第二部件上滚动。
[0081]这使通过每个夹紧辊子的肩部实现的材料的限制的完整性最佳化。
[0082]在本发明的优选实施方式中，所述焊接系统包括通过所述焊接单元承载的非破坏性检验装置和/或通过所述反支承单元承载的非破坏性检验装置；并且每个非破坏性检验装置以与所述焊接装置的每个焊头同步以及相对于所述焊接装置的每个焊头延后的方式移动，以使实现所述焊缝的非破坏性检验。
[0083]焊缝的质量检验可以因此结合至焊接过程本身中，并且可以因此自动地并且快速地实现。
[0084]非破坏性检验装置优选地布置在由焊接单元承载的所述所谓的“主”焊接装置与第二所谓的“修理”焊接装置之间。
[0085]在该情况下，只要所述非破坏性检验装置没有显示在焊缝中有任何缺陷，所述第二焊接装置就保持不工作；当所述非破坏性检验装置检测到焊缝中的缺陷时所述第二焊接装置启动，以对所述部件的焊接执行局部返工。
[0086]该第二焊接装置因此允许焊缝的缺陷区域的修理在不需要使制造焊缝的主焊接装置沿反向返回的情况下进行。
[0087]所述焊接系统有利地包括通过焊接单元承载的防腐蚀处理装置和/或通过反支承单元承载的防腐蚀处理装置。
[0088]在该情况下，每个防腐蚀处理装置优选地以与所述焊接单元的每个所述焊接装置同步以及相对于所述焊接单元的每个所述焊接装置延后的方式移动，并且在适当的情况下，相对于形成或者焊接单元或者反支承单元的相同构件的部分的非破坏性检验装置延后，以便将防腐蚀处理应用至焊缝。[0089]在适当的情况下，该防腐蚀处理因此在检验和任何修理后应用至焊缝。
[0090]总的来说，应注意的是根据本发明的方法能够同步地实现对接焊接和透明焊接。换句话说，该方法能够对接焊接两个相邻部件同时将第三部件焊接至两个相邻部件的相应相邻端部。
[0091 ] 在根据本发明的方法的一个特别有利应用中，所述第一部件是用于飞行器的加强件并且所述第二部件是用于飞行器的面板，或者是两个相邻面板的组件，其中，所述加强件被透明焊接至第二部件上。
[0092]该面板可以是机身面板并且所述加强件可以是周向框架或者这种周向框架的角部。
[0093]在该情况下所述支承表面的移动总体上沿着弯曲轨迹实现。
[0094]这种周向框架的凸缘呈现例如圆筒形回转形式，或者回转圆柱的一部分。
[0095]在该情况下，所述支承表面的移动总体上沿着定中心在由所述机身面板限定的机身轴线上的、圆形的、或者圆的弧形的轨迹实现。
[0096]用于飞行器的机身面板具有:外表面，该外表面限定为被设计成位于飞行器的外侧上的表面并且在飞行中通过沿着机身流动的相对空气流冲洗；和内表面，该内表面位于相反侧。前述的周向框架自然地焊接至机身面板的内表面上。
[0097]在涉及将这种周向框架焊接至两个相邻机身面板上的过程的情况中，在该方法的结尾产生的接合是被广泛称为“轨道接合”的类型。
[0098]可替代地，所述加强件可以是纵向加强件，也被称为是桁梁。
[0099]在该情况下，特别当机身面板是要用于机身部段的位于飞行器的鼻锥体和尾锥体之间的长度，所述支承表面的移动可以沿着基本为直线的轨迹实现。
[0100]在另一可替代的实施方式中，面板可以是飞行器的机翼表面元件-比如飞行
器机翼或者尾翼组件一的航空动力学面板。
[0101]在该情况下，所涉及的加强件可以是飞行器的这种元件的加强杆或者肋部。
[0102]在又一个可替代实施方式中，面板可以是形成飞行器的地板的一部分的面板，在该情况下，加强件可以是支承该地板或者用于导向座椅配装至该地板上的扶手的横向构件。
[0103]在又一个可替代实施方式中，该面板可以形成飞行器起落架外壳的一部分或者形成飞行中的存储箱的基部。
[0104]在所有这些涉及用于飞行器的加强件和面板的应用中，其可以特别有利于所述焊缝在横截面方面从所述加强件凸缘的第一侧边缘延伸至第二相反侧边缘。
[0105]这能够使焊接过程防止在面板与加强件的凸缘之间形成微空腔，因此减小了这些部件的腐蚀风险同时保证了在方法结束时得到的组件的最佳结合。
[0106]在该情况下，该焊接方法优选地包括使用包括多个焊头的焊接系统，这些焊头中的每个包括旋转销和延伸至旋转销的基部的肩部。
[0107]优选地，通过所述焊头的所有相应旋转销形成的足印在横截面方面从加强件的凸缘的第一侧边缘基本延伸至第二侧边缘。
[0108]术语“基本上”要理解为意味足印从加强件凸缘的每个侧边缘延伸小于0.2mm的距离。[0109]术语“足印”要理解为意味将通过将旋转销插入材料中而在该材料中产生的而与由所述销的旋转造成的任何搅拌现象无关的痕迹。
[0110]优选地，旋转销的每个从位于远离焊头那一侧的凸缘的表面穿入加强件的凸缘至0.2至0.5mm的深度。
[0111]这减小了使旋转销与反支承单元的所述支承表面接触的风险。
[0112]所述多个焊头有利地包括布置为三角形构型的三个焊头。
[0113]焊头的这种构型特别有利地适合覆盖飞行器加强件凸缘的整个宽度的焊缝的形成。
[0114]在该情况下，所述多个焊头优选地包括相对于正交于所述第二方向或者焊接方向的给定平面定中心的两个侧部焊头，和相对于所述侧部焊头的每一个沿着所述焊接方向偏移的中心焊头。
[0115]优选地，中心焊头的旋转销的沿着焊接方向的投影与侧部焊头的相应旋转销相交。
[0116]该特性保证在一方面的中心焊头的旋转销的足印与另一方面侧部焊头的相应旋转销的相应足印之间一定程度的重叠。这特别优化焊缝的同质性。
[0117]优选地，所述焊头中的第一焊头定位成面向加强件的腹板，而另外两个焊头相对于所述加强件腹板偏移，并且所述第一焊头的旋转销并不如其他两个焊头的相应旋转销那样深入地穿入至所述加强件凸缘中。
[0118]该构型减小对加强件的位于接近加强件的腹板的关键结构部件的损坏的风险。
[0119]特别地，所述第一焊头可以是所述中心焊头。
[0120]该构型当加强件包括相对于该加强件的凸缘基本在中心的腹板时是特别适合的。
[0121]此外，所述焊头有利地沿着下述方向移动:以此方向移动使得所述中心焊头布置在所述侧部焊头的后方。
【专利附图】
【附图说明】
[0122]通过阅读下面的仅作为非限制性示例给出的描述同时参照附图，将更容易地明白本发明并且本发明的细节、优点和特征的其他方面将变得明显。其中:
[0123]-已经描述过的图1是通过摩擦搅拌焊接技术而被对接焊接的两个部件的局部立体示意图；
[0124]-已经描述过的图2是通过摩擦搅拌焊接技术而被对接焊接的两个部件的立体示意图，也示出了用于支承两个部件的反模板；
[0125]-已经描述过的图3是通过使用已知类型的摩擦搅拌焊接技术固定至飞行器机身面板上的周向框架的纵向截面示意图；
[0126]-图4是示出了包括根据本发明的优选实施方式的用于飞行器周向框架和机身面板的组件的若干焊接系统的焊接装置的示意性侧视图；
[0127]-图5是图4的焊接装置的沿图4的平面V-V截取的横截面示意图，其中，示出了属于该焊接装置的焊接系统；
[0128]-图6是图5中的焊接系统的、放大比例的并且沿图5的平面V1-VI截取的纵向截面中的局部示意图；[0129]-图7是图5的沿图5的平面VI1-VII截取的部分的放大比例的示意图图；
[0130]-图8是飞行器机身面板和固定至飞行器机身面板的两个周向框架的局部立体示意图，其中，示出了焊头的在该面板上的通道；
[0131]-图9是包括根据本发明的另一个实施方式的焊接系统的焊接装置的局部示意性侧视图；
[0132]-图10是包括根据本发明的又一个实施方式的焊接系统的焊接装置的局部示意侧视图。
[0133]在所有这些附图中，相同的附图标记能够标示相同的或者类似的元件。
【具体实施方式】
[0134]图4示出根据本发明的优选实施方式的设计成实施用于将周向框架装配至飞行器机身面板上的“透明”型的摩擦搅拌焊接方法的摩擦搅拌焊接装置40的总图。
[0135]图4特别地示出五个周向框架22，该五个周向框架22中的每一个例如通过分别地穿过周向框架22中的两个中心孔的两个中心销44均固定至支承件42，其中，周向框架22可以例如通过与中心销44联动的销而被保持。
[0136]由飞行器机身面板24形成的蒙皮应用于周向框架22中的每个的凸缘26的外表面上。
[0137]另外，四个焊接系统46并排地布置成与保持周向框架22和机身面板24的支承件42相对。出于清楚的目的，四个焊接系统46示出为关于周向框架22纵向地偏移，但是在该焊接装置40的操作期间，焊接系统46中的每个设置成基本地面向对应的周向框架22。
[0138]图5示出沿图4的平面V-V截取的焊接装置40并且因此示出从这一侧观察的这些焊接系统46中的一个。
[0139]该焊接系统46总体上包括焊接单元48和反支承单元50，该焊接单元48和该反支承单元50彼此相对地设置在承载支承周向框架22和机身面板24的支承件42的两侧。
[0140]焊接单元48表现为自动机械装置的形式，该自动机械装置在机械臂52的一端处包括设置有多个焊接头的焊接装置54，如在下面将变得更清楚的。
[0141]焊接单元48设计成特别地允许焊接装置54在图5的平面中沿着周向框架22、以与机身面板24相切的局部焊接方向56移动。
[0142]焊接单元48另外设计成允许焊接装置54沿着该焊接装置的焊头的各个旋转销穿透形成机身面板24和周向框架22的材料的方向移动，如在下面将变得更清楚。该穿透方向由箭头57表示并且平行于形成了图5的平面和能够在图5中看到的平面V1-VI的交线。通过限定，该穿透方向57垂直于机身面板24的外表面并且因此直交于前述的焊接方向56。
[0143]反支承单元50也表现为配备有机械臂58的自动机械装置的形式。该机械臂58具有配备有布置在周向框架22的腹板30的两侧的两个支承臂60的末端，其中，这些支承壁60中的仅一个在图5中可见。这些支承臂60各自保持夹紧辊子62和导引辊子64，如在下面将变得更清楚的。
[0144]图6更详细地示出用于通过使用焊接装置40来实施摩擦搅拌焊接方法的主要元件。
[0145]如在图6中示出的，焊接装置54包括布置为三角形的三个焊头(图6)。这些焊头分布为两个侧部焊头54a和一个中心焊头54b，其中中心焊头54b相对于侧部焊头54a朝向后方(沿着焊接方向56限定为后方)偏移，如在图7中更清楚地示出。
[0146]三个前述焊头54a、54b中的每个均包括旋转销66a、66b(图6和图7)，旋转销66a、66b围绕旋转轴线68a、68b旋转，旋转轴线68a、68b基本正交于焊接方向56并且因此也基本垂直于机身面板24的外表面70和内表面72。三个焊头54a、54b中的每个均还包括形成在对应的旋转销66a、66b的基部处的肩部74a、74b。所述肩部74a、74b能够以本身已知的方式沿着与对应旋转销66a、66b的旋转方向相同或者相反的方向旋转、或者甚至静止。每个
旋转销66a、66b具有整体上渐缩的形式,使得每个旋转销的横截面在旋转销的自由端-
SP,与对应肩部74a、74b相反那侧-的方向上缩小。对每个旋转销，最大直径Dmax (图
7)限定为旋转销的在旋转销最宽处的横截面的直径，该最大直径Dmax在旋转销的靠近相应的肩部74a、74b的基部处。
[0147]自然地，焊接单元48包括允许旋转销66a、66b旋转、以及在适当的情况下允许肩部74a、74b旋转的驱动马达装置。
[0148]前述焊头的相应肩部74a、74b在相同平面中延伸。这些肩部74a、74b可以因此同时地按压至机身面板24的外表面70上，如在图6和图7中示出的。
[0149]侧部焊头54a的相应旋转销66a具有比机身面板24和机身框架22的凸缘26的累计厚度略小的高度。这些旋转销66a的高度与机身面板24和凸缘26的累计厚度之间的差通常达到十分之几毫米的程度，优选地在0.2_与0.5_之间。术语旋转销的“高度”自然地指的是其沿着其旋转轴线的长度。
[0150]此外，中心焊头54b的旋转销66b具有比侧部焊头54a的相应旋转销66a的高度更小、但是比机身面板24的厚度更大的高度。一方面的旋转销66b与另一方面的旋转销66a在高度上的差通常大约达到十分之几毫米的程度，优选地在0.2mm与0.5mm之间。
[0151]概括地说，三个旋转销66a、66b布置成使得中心焊头54b的旋转销66b的垂直于平面P (图7)的投影与这些旋转销66a相交(图6)，所述平面P在侧部焊头54a的所述相应旋转销66a的相应旋转轴线68a的方向上穿过侧部焊头54a的所述相应旋转销66a的相应旋转轴线68。另外，由三个旋转销66a、66b形成的组件的宽度基本等于周向框架22的凸缘26的宽度。这保证了使用焊接单元得到的焊缝实现覆盖前述凸缘26的整个宽度，这在下面将变得更清楚。
[0152]图6另外示出支承臂60中的每个的端部，该端部包括通过支承臂60承载的加紧棍子62和导引棍子64。
[0153]每个加紧辊子62安装成使得其围绕旋转轴线76在对应支承臂60上旋转，旋转轴线76还形成用于辊子的几何回转的轴线。
[0154]夹紧辊子62具有设计成分别地抵靠着周向框架22的腹板30的两侧施用的相应侧壁78。以此方式，如在图6中示出的，周向框架22的腹板30可以夹在夹紧辊子62的相应侧壁78之间。因此，反支承单元50的机械臂58包括用于操作支承臂60的装置，该装置能够引起每个支承臂60朝向另一个支承臂60移动并因此使所述夹紧辊子62朝向彼此移动。
[0155]每个夹紧辊子62另外具有主周向轨道80，该主周向轨道80为圆筒形形式并且围绕旋转轴线76转动，该主周向轨道80从夹紧辊子62的侧壁78延伸并且设计成压靠周向框架22的凸缘26的内表面，如在图6中示出的。
[0156]每个夹紧辊子62的侧壁78通过弯曲周向部81连接至对应主周向轨道80，弯曲周向部81设计成抵靠将周向框架22的腹板30的对应侧连接至周向框架22的凸缘26的弯曲表面安装。
[0157]在属于本发明的术语中，两个夹紧辊子62的相应主周向轨道80组合在周向框架22的凸缘26上形成支承表面。
[0158]此外每个夹紧辊子62具有周向肩部82，周向肩部82限定了夹紧辊子的主周向轨道80的在面向夹紧辊子的侧壁78那一侧上的一端。该周向肩部82连接至夹紧辊子的副周向轨道84，该副周向轨道84延伸至夹紧辊子62的限定在面向夹紧辊子62的侧壁78那一侧的端面85。如在图6中示出的，该副周向轨道84意在基本上与机身面板24的内表面72接触。因此，每个夹紧辊子62的周向肩部82具有基本等于周向框架22的凸缘26的厚度的览度。
[0159]应注意的是每个夹紧辊子的主周向轨道80和副周向轨道84可以是圆筒形形式或者圆锥形形式。
[0160]夹紧辊子62另外包括冷却装置。这些夹紧辊子中的每个因而包括定中心在夹紧辊子76的旋转轴线76上的基本为环形的通道Cl并且具有连接至进口通道C2的端部和连接至出口通道(在图中未示出)的相对端部。所述进口通道和所述出口通道通向夹紧辊子的端面85并且分别地连接至供给管道C3和出口管道(在图中未示出)，供给管道C3和出口管道布置在对应的支承臂60中并且连接至用于冷却热交换流体的热交换器(未示出)。
[0161]此外，每个导引辊子64安装成使得其能够围绕正交于对应夹紧辊子62的旋转轴线76的相应旋转轴线86旋转。
[0162]每个导引辊子64具有周向导引轨道88，周向导引轨道88为圆筒形形式并且围绕导引辊子64的旋转轴线86转动，并且周向导引轨道88设计成压靠周向框架22的凸缘30的对应表面。
[0163]参照附图5至8，现将更详细地对用于通过使用焊接装置40的焊接系统46中的一个焊接系统将周向框架22焊接至机身面板24的摩擦搅拌焊接方法进行描述。
[0164]首先该方法涉及以下述方式使焊接系统46的焊接单元48和反支承单元50预定位:以此方式使得这些元件面向周向框架22。如果必要，可以通过移动焊接装置40的焊接系统46和/或通过移动承载周向框架22和机身面板24的支承件42实现该预定位。
[0165]然后该方法涉及三个焊头54a、54b的相应旋转销66a、66b垂直于周向框架22的凸缘26的定位。因为三个旋转销66a、66b的布局，通过这些三个旋转销形成的组件的沿着穿透方向57的投影基本与所述凸缘26的整个宽度相交。该定位可以通过焊接单元48的机械臂52的操作来实现。
[0166]该方法然后涉及焊接单元48，特别是机械臂52的操作，以使旋转销66a、66b的自由端与机身面板24的外表面接触。
[0167]该方法还包括对反支承单元50的每个夹紧辊子62进行定位使得每个夹紧辊子62的侧壁78压靠周向框架22的腹板30并且使得每个夹紧辊子62的主周向轨道80压靠周向框架22的凸缘26。特别地，每个夹紧辊子62定位成使得其旋转轴线76局部地平行于机身面板24并且正交于焊接方向56和穿透方向57。可以通过操作反支承单元50，特别是机械臂58来实现夹紧辊子62的定位。
[0168]在图6中示出的夹紧辊子62的该定位中，每个夹紧辊子62的旋转轴线76正交于周向框架22的腹板30，而每个导引辊子64的旋转轴线86平行于前述的腹板30。此外，每个夹紧辊子62的周向肩部82压靠周向框架22的凸缘26的横向边缘(图6)并且每个导引辊子64的周向轨道88压靠周向框架22的腹板30。
[0169]概括地说，夹紧辊子62另外面向焊接装置54设置。在示出的示例中，夹紧辊子62定位成使得夹紧辊子62中的每个与侧部焊头54a中的每一个的旋转销66a的旋转轴线68a相交(图6和图7)。更具体地，每个夹紧辊子62的回转轴线76相对于对应旋转销66a的旋转轴线68a稍微地向前偏移，使得夹紧辊子62中的每个夹紧辊子的该回转轴线76的平行于所述夹紧辊子的旋转轴线68a的投影仍然与所述夹紧棍子相交。
[0170]该方法涉及使旋转销66a、66b旋转，并且在适当的情况下使相关的肩部74a、74b旋转，然后将旋转销插入至形成机身面板24的材料中然后再插入至形成周向框架22的凸缘26的材料中。根据众所周知的摩擦搅拌焊接原理，由旋转销的摩擦引起的材料的局部软化使得该插入成为可能。
[0171]该方法然后包含操作焊接单元48，特别是机械臂52，使得焊头54a、54b沿着周向框架22移动，优选地以旋转销66a、66b覆盖周向框架22的整个凸缘26的方式移动。
[0172]在焊头54a、54b的移动期间，旋转销66a、66b的快速旋转引起围绕这些旋转销中的每个搅拌形成机身面板24和凸缘26的局部软化材料。因为三个旋转销66a、66b的布局，搅拌的材料的区域从所述凸缘26的一个侧边缘32a延伸至另一个侧边缘32b。在示出的示例中，在焊头54a、54b的移动期间，所有三个旋转销68a、68b的足印在横截面上覆盖整个前述凸缘26。这意味着足印从凸缘26的一个侧边缘32a延伸至另一个侧边缘32b。术语“足印”要理解为意味通过将旋转销66a、66b插入至在所述材料中会产生的痕迹而与通过所述销的旋转造成的任何搅拌现象无关。
[0173]另外在焊接头54a、54b移动的期间，还由于如以上解释的中心焊头54b的旋转销66b的有限高度，旋转销66b并不到达周向框架22的弯曲表面，所述弯曲表面分别与夹紧辊子62的相应弯曲部81接触并且分别将周向框架22的腹板30的面连接至周向框架22的凸缘26。因此能够保持周向框架22的这些弯曲表面的完整性。
[0174]此外，如以上解释的，由于这些旋转销65a的有限高度，因此侧部焊头54a的相应旋转销66a并不到达夹紧辊子62的相应主周向轨道80。
[0175]同时，反支承单元50被操作使得以与焊接装置54的运动同步的方式实现夹紧辊子62在周向框架22的凸缘26的内表面之上和在机身面板24的内表面72之上的滚动运动，使得夹紧辊子62连续地施加基本上与通过焊头54a、54b的相应旋转销66a、66b的组件施加的压力相反的支承力，如在图7中示出的。
[0176]夹紧辊子62另外通过抵靠周向框架22的凸缘26的部段而安装从而在软化材料的限制和构造方面起作用。夹紧辊子62中的每个的周向肩部82特别用于保持所述凸缘26的每一侧上的材料。
[0177]与夹紧辊子62的移动相结合，导引辊子64分别在周向框架22的腹板30的两面之上滚动并且因此有助于使周向框架22相对于机身面板24定中心。
[0178]在焊接方法的结尾，在冷却后，以前搅拌过的材料恢复其刚性并且形成在周向框架22的凸缘26与机身面板24之间提供完全结合的焊缝90 (图8)。该焊缝90对应以前搅拌过的材料的区域并且因此覆盖周向框架22的凸缘26的整个宽度。
[0179]以上描述的方法对应于装置40中的焊接系统46中的一个焊接系统的工作。自然地，其他的焊接系统能够并行地实现相同的过程。
[0180]应注意的是以上描述的方法也能够应用于将周向框架同时地焊接至两个相邻的机身面板上。在该情况下，该方法共同地实现对接焊接两个相邻面板并且和将周向框架透明焊接至所述面板的相邻端。
[0181]图9示出根据本发明的另一个实施方式的焊接系统46，其中，焊接单元48另外包括通过机械臂52承载并且可以各自是常规类型的非破坏性检验装置92和防腐蚀处理装置94。非破坏性检验装置92是例如超声波检验装置。
[0182]在焊接方法的施行期间，考虑到焊接方向56，焊接单元定位成使得非破坏性检验装置92设置成存在延后——即是说，其相对于焊接装置54在后面，并且焊接单元以下述方式定位:以此方式使得防腐蚀处理装置94布置成使得存在延后——即是说，其相对于非破坏性检验装直92在后面。
[0183]以此方式非破坏性检验装置92用于自动地并且在焊缝90形成之后立即检验焊缝90的质量。
[0184]在检测到缺陷的结果下，焊接方法则包括焊接装置54的反向运动，然后从焊缝90的缺陷区域开始焊接的返工。
[0185]此外，防腐蚀处理装置94能够用于紧接着在通过非破坏性检验装置的质量检查当检验显示无缺陷之后，将防腐蚀处理应用至机身面板24的外表面上的焊缝90处。
[0186]可替代的或者以补充方式，非破坏性检验装置和/或防腐蚀装置可配装至反支承单元50的机械臂58以便在周向框架22的凸缘26上作用。
[0187]另外，图9的示例中示出夹紧辊子和导引辊子的另一个构型。
[0188]实际上，考虑到焊接方向56，在图9中的反支承单元50不仅包括以上描述的两个夹紧辊子62还包括布置至夹紧辊子62的后方的并且相似于夹紧辊子62的两个附加的夹紧辊子96。这些附加的夹紧辊子92也压靠周向框架22的凸缘26的内表面。
[0189]反支承单元50包括两个导引辊子64’，该两个导引辊子64’的旋转轴线86’平行于夹紧辊子62和夹紧辊子92的相应旋转轴线76和旋转轴线76’。这些导引辊子64’压靠在周向框架22的滑道98的内表面上。应注意的是滑道98在图6和图8中能够更清楚地看见。
[0190]此外，在图10示出的本发明的另一个实施方式中，焊接单元48另外包括修理装置，该修理装置由第二焊接装置100形成，该第二焊接装置100优选地类似于以上描述的焊接装置54但是布置在非破坏性检验装置92与防腐蚀处理装置94之间。
[0191]只要非破坏性检验装置92没有到检测任何缺陷，则该第二焊接装置100就一直保持非工作状态，并且随着任何缺陷被检测到后而启动。在该情况下，该方法然后包括通过第二焊接装置100在焊缝90的缺陷区域中的焊接的返工。在缺陷区域的返工结束时，该方法通常地继续使用焊接装置54。
[0192]第二焊接装置100因而避免了在发生通过非破坏性检验装置92在焊缝90中检测到缺陷的情况时焊接装置54的任何反向运动。这使得焊接过程更快速。[0193]在前面的描述中，关于将周向框架焊接至飞行器机身面板上，已经描述了根据本发明的焊接方法的示例和允许该方法施行的装置的示例。
[0194]应注意的是本发明能够应用于其他部件的焊接，特别是纵向加强件、加强杆或者横向构件的焊接。
【权利要求】
1.一种用于焊接待装配的至少两个部件(22，24)的摩擦搅拌焊接系统(46)，所述摩擦搅拌焊接系统(46)包括: -焊接单元(48 )，所述焊接单元(48 )包括焊接装置(54 )，所述焊接装置(54 )包括设置有旋转销(66a，66b)的至少一个焊头(54a，54b)； -反支承单元(50),所述反支承单元(50)提供支承表面(80),所述支承表面(80)设计成克服由每个所述焊头(54a，54b)施加的压力支承待装配的所述部件(22，24)； 并且其中: -所述焊头(54a, 54b)能够相对于所述反支承单元(50)的所述支承表面(80)、沿着平行于每个所述焊头的所述旋转销(66a, 66b)的旋转轴线(68a, 68b)的第一方向(57)移动； -每个所述焊头(54a，54b)能够沿着正交于所述焊头的所述旋转销(66a，66b)的所述旋转轴线(68a，68b)的第二方向(56)移动； -所述反支承单元(50 )包括用于沿着所述第二方向(56 )移动所述支承表面(80 )的装置； 其中，所述装置的特征在于，所述反支承单元(50)包括设置成彼此分开并且具有共同的回转轴线(76)的两个夹紧辊子(62)，所述共同的回转轴线(76)基本上正交于所述第一方向(57 )并且正交于所述第二方向(56 )，其中，所述夹紧辊子(62 )中的每个夹紧辊子均具有形成所述支承表面的至少一部分的主周向轨道(80)。
2.根据权利要求1所述的焊接系统，其中，所述反支承单元(50)包括用于使所述夹紧辊子(62 )朝向彼此移动的装置(58，60 )。
3.根据权利要求2所述的焊接系统，其中，所述夹紧辊子(62)中的每个夹紧辊子均具有周向肩部(82)，所述周向肩部(82)朝向外部径向地突出，所述周向肩部(82)限定所述夹紧辊子的所述主周向轨道(80)的在与另一个夹紧辊子相反的那一侧上的侧部末端。
4.根据权利要求3所述的焊接系统，其中，所述夹紧辊子(62)中的每个夹紧辊子均具有副周向轨道(84)，所述副周向轨道(84)通过所述夹紧辊子的所述周向肩部(82)连接至所述夹紧辊子的所述主周向轨道(80 )。
5.用于通过使用了根据前述权利要求中任一项所述的焊接系统(46)的透明焊接来线性焊接两个部件(22，24)的摩擦搅拌焊接(FSW)方法，其中: -所述部件(22，26，24)被叠置； -由于通过所述旋转销的摩擦产生的热造成的形成所述部件的材料局部软化，所述焊接装置(54)的每个所述焊头(54a，54b)的所述旋转销(66a，66b)在完全穿过第二部件(24)的同时被至少部分地插入至所述部件中的第一部件(22，26 )中，然后所述旋转销在所述第二方向(56 )上沿着所述部件之间的接触分界面(18 )移动，因此形成焊缝(90 ); -所述反支承单元(50 )的所述支承表面(80 )压靠所述第一部件(22，26 )并且在所述第一部件(22，26 )上沿着所述接触分界面(18 )移动，使得抵消通过所述焊接装置(54 )中的每个所述焊头(54a, 54b)的所述旋转销(66a, 66b)在所述旋转销沿着所述第二方向(56)的移动期间施加的压力。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述支承表面的所述移动借助于通过在所述第一部件(22，26 )上实施所述主周向轨道(80 )的滚动以引起所述夹紧辊子(62 )中的每个夹紧辊子围绕所述回转轴线(76)转动而获得的所述夹紧辊子(62)沿着所述接触分界面(18)的移动来实现。
7.根据权利要求6所述的方法，其中: -所述夹紧辊子(62)各自均具有压在所述第一部件(22，26)的边缘上的周向肩部(82)； -所述夹紧辊子(62)各自均具有副周向轨道(84)，所述副周向轨道(84)通过所述夹紧辊子的所述周向肩部(82)连接至所述夹紧辊子(62)的所述主周向轨道(80)； -每个夹紧辊子(62 )的所述副周向轨道(84 )压靠所述第二部件(24 )并且随着所述夹紧辊子(62 )沿着所述接触分界面(18 )移动而在所述第二部件(24 )上滚动。
8.根据权利要求5至7中的任一项所述的方法，其中，所述夹紧辊子(62)朝向彼此移动使得所述夹紧辊子(62)的两个相应侧壁(78)将所述第一部件(22)的部分(30)夹在中间。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其中， -所述焊接系统(46)包括通过所述焊接单元(48)承载的非破坏性检验装置(92)和/或通过所述反支承单元(50)承载的非破坏性检验装置； -每个非破坏性检验装置(92)以下述方式移动:使得每个非破坏性检验装置(92)与所述焊接装置(54)的每个所述焊头(54a，54b)同步、以及相对于所述焊接装置(54)中的每个所述焊头(54a，54b)延后，从而能够实现所述焊缝(90)的非破坏性检验。
10.根据权利要求9所述的方法，其中: -所述非破坏性检验装置(92 )设置在由所述焊接单元(48 )承载的所述焊接装置(54 )与所述第二焊接装置(100)之间； -只要所述非破坏性检验装置(92 )显示所述焊缝(90 )中无缺陷，则所述第二焊接装置(100)保持为非工作； -当所述非破坏性检验装置(92)检测到所述焊缝(90)的缺陷时，所述第二焊接装置(100)被启动，使得能够局部地对所述部件(22，24)的焊接进行返工。
11.根据权利要求5至10中任一项所述的方法，其中: -所述焊接系统(46)包括通过所述焊接单元(48)承载的防腐蚀处理装置(94)和/或通过所述反支承单元(50)承载的防腐蚀处理装置； -每个防腐蚀处理装置(94 )以下述方式移动:每个防腐蚀处理装置(94 )与所述焊接单元(48)的每个所述焊接装置(54，100)同步以及相对于所述焊接单元(48)的每个所述焊接装置(54，100)延后，以及在适当的情况下，相对于形成相同部件一无论焊接单元(48)或者反支承单元(50)—的一部分的非破坏性检验装置(92)延后，从而能够将防腐蚀处理应用至所述焊缝(90)。
12.根据权利要求5至11中任一项所述的方法，其中，所述第一部件是用于飞行器的加强件(22)并且所述第二部件是用于飞行器的面板(24)。
【文档编号】B23K20/12GK103658968SQ201310407580
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2012年9月7日
【发明者】克里斯托夫·米亚勒, 帕特里克·利芬, 罗曼·德拉艾 申请人:空中客车营运有限公司