用于沿长度形成焊接部的系统和方法与流程

用于沿长度形成焊接部的系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术涉及并要求于2019年6月24日提交的申请号为62/865,371、名称为“用于沿长度完成焊接的系统和方法”的美国临时专利申请，以及于2020年1月3日提交的申请号为62/956,684、名称为“用于沿长度形成焊接部的系统和方法”的美国临时专利申请的权益，这些专利申请的全部内容通过引用并入本公开。
技术领域
3.本公开总体涉及拼焊金属坯件，具体地说，涉及一种用于在拼焊金属坯件的生产过程中沿着长度完成焊接的技术。


背景技术：

4.金属坯件，特别是金属片坯件，可以为特定的应用而制造。例如，拼焊金属坯件通常为了用于汽车工业中的各种应用而制造。这种拼焊金属坯件可以通过经由焊接工艺或其它接合工艺使两个或更多个金属坯件接合在一起来产生。通常，用于连接两个或更多个金属坯件的焊接工艺产生在接头的端部之前终止的焊接部。这种没有完全结合到接头端部的焊接部会导致焊接接头的完整性和强度的问题。


技术实现要素：

5.在此提供本公开的发明内容以帮助对随后的更详细的实施方式和附图中的示例性、非限制性实施例的各方面的普遍理解。然而，本部分内容不旨在作为广泛或详尽的概述。相反，本部分内容的唯一目的是以简化的形式呈现与一些示例性、非限制性实施例相关的一些概念，作为以下各实施例的更详细描述的序言。
6.在各种非限制性实施方案中，提供了一种用于形成一段接头的焊接部的技术。该技术包括使第一构件的第一边缘定位成靠近第二构件的第二边缘以形成接头，其中，沿着从接头的第一位置到接头的第二位置的长度焊接接头。再填充点焊设备的夹紧环放置成包围该长度的未焊接部分。夹紧环接触第一构件的上表面和第二构件的上表面。使用再填充点焊设备执行第一再填充点焊过程，以在接头上的第一点焊接部使第一部件和第二部件接合。
7.在另一个实施例中，用于形成焊接部的方法包括：使第一构件的第一边缘定位成靠近第二构件的第二边缘以形成接头，其中沿着从接头的第一位置到接头的第二位置的长度焊接接头。执行焊接过程以沿着该长度的一部分在接头上形成焊接部，其中该焊接部包括缩回孔。在缩回孔的顶部放置附加材料。再填充点焊设备的夹紧环放置成围绕附加材料和缩回孔。使用再填充点焊设备执行再填充点焊过程，以使用来自附加材料的材料填充缩回孔。
8.在另一个实施例中，一种用于形成一段接头的焊接部的方法包括：使第一构件的第一边缘定位成靠近第二构件的第二边缘以形成接头。再填充点焊设备的至少一个夹紧环
放置成包围该长度的未焊接部分，其中该夹紧环接触该第一构件的上表面和该第二构件的上表面。使用再填充点焊设备执行至少一个再填充点焊过程，以在接头上的一个或多个点焊接部使该第一构件和该第二构件接合。
9.当根据附图、实施方式和所附权利要求书来看时，本公开的这些和其它特征将是显而易见的。
附图说明
10.本公开在某些部件和部件的布置中可以采用物理形式，本公开的优选实施例将在说明书中详细描述并且在构成其一部分的附图中示出，并且其中：
11.图1是定位在再填充点焊设备中的一对构件的立体图；
12.图2是沿着一段长度焊接接头的未完成的焊接部的俯视图；
13.图3是沿着一段长度焊接接头的未完成的焊接部的仰视图；
14.图4是示例性再填充点焊设备的剖视图；
15.图5示出了用于完成两个构件之间的一段长度的接头的焊接部的示例性、非限制性实施例的流程图；
16.图6是再填充点焊设备压紧环锁定在该对构件之间的焊接接头的未焊接部分的立体图；
17.图7是在该对构件之间的焊接接头上执行的再填充点焊过程的立体图；
18.图8是在缩回压紧环之前再填充点焊工具的立体图；
19.图9是在再填充点焊过程之后完成的焊接部的立体图；
20.图10是具有缩回孔的焊接部的俯视图；
21.图11是具有缩回孔的焊接部的仰视图；
22.图12示出了用于填充焊接部中缩回孔的示例性、非限制性实施例的流程图；以及
23.图13是具有填充的缩回孔的焊接接头的俯视图；
24.图14是用于形成接头的构件的俯视图；
25.图15是形成在接头上的第一点焊接部的俯视图；
26.图16是沿接头形成的第一组点焊接部的俯视图；
27.图17是沿接头形成的第一组点焊接部和第二点焊接部的俯视图；
28.图18是沿着接头的整个长度形成的第一组点焊接部和第二组点焊接部的俯视图；
29.图19是形成在接头上的第一端部点焊接部和第二端部点焊接部的俯视图；
30.图20示出了用于沿着接头的长度形成焊接部的示例性、非限制性实施例的流程图。
具体实施方式
31.由多个片材形成的拼焊坯件(例如金属坯件)具有许多应用，特别是在汽车工业中以及通常在各种制造工业中。然而，用于接合多个片材的某些技术可能在焊接接头的边缘处留下未焊接的部分。应当理解，当通过某些工艺接合时，系统和方法可能留下一部分未充分接合的材料。例如，与使用插入回缩式焊接的接缝的其余部分相比，焊接区域是不同的。根据本文所述的各种技术，端部焊接技术和系统用于完成一段接头的焊接。在某些其它实
施例中，可在沿着接头长度的多个位置处应用再填充点焊过程，以使片材组合在一起。
32.本文提供的技术的这些和其它优点对于本领域普通技术人员将是显而易见的。
33.参考附图，在所有的几个视图中，相同的附图标记表示相同或相应的部件。在不同视图中包含相同的元件并不意味着给定的实施例必须包括这些元件或者本公开的所有实施例都包括这些元件。实施例和附图仅是说明性的，并不意味着限制本公开，本公开由权利要求的范围和精神来衡量。此外，应当理解，附图可能不按比例描绘特征。附图可以放大或扩大某些特征以便于查看。
34.图1描绘了通过焊接部104在接合处接合在一起的第一构件100和第二构件102。第一构件100和第二构件102中的每一个可由金属制成，金属包括但不限于铝、钢、不锈钢、镍、铜、钛、铸铁、金属合金或不同金属的组合。第一构件100和第二构件102中的每一个可以包括相应的形状、尺寸、长度、厚度、高度、宽度、表面光洁度等。第一构件100和第二构件102可以由相同的材料制成，或者它们可以由不同的材料制成。在某些实施例中，第一构件100和第二构件102可一起形成拼焊坯件。例如，所述拼焊坯件可以由两个或更多个构件形成，其中这些构件通过焊接操作接合。应当理解，该拼焊坯件可以包括形状，并且形成该拼焊坯件的每个构件可以包括相应的性质(例如，形状、尺寸、长度、宽度、高度、重量、厚度、成分、表面光洁度、表面图案等)。本文描述的系统和方法便于制造具有一个或多个焊接部的拼焊坯件，同时减轻不连续性、瑕疵和其它焊接问题。
35.焊接系统(下面更详细地讨论)可以用于在第一构件100和第二构件102之间执行焊接以产生拼焊坯件的一部分。特别地，第一构件100可以被定位成使得第一构件100的第一边缘靠近和/或对准第二构件102的第二边缘，以形成与待产生的拼焊坯件的该部分相一致的接头106。如图1-图3所示，第一构件100和第二构件102可以非重叠布置定位。应当理解，在某些实施例中，第一构件100和第二构件102可定位成重叠的。还应当理解，可以执行一个或多个焊接以产生拼焊坯件和/或可以存在两个或更多个构件以进行附接。接头106可以沿着长度108从接头106上的第一位置焊接到接头106上的第二位置。长度108可包括以下至少一者：从接头106的第一端110到接头106的第二端112的接头106的整个长度、从第一端110到接头106上第一端110与第二端112之间的位置的长度、从接头106上第一端110与第二端112之间的位置到第二端112的长度或从第一位置到第二位置的长度(其中第一位置到第二位置都是沿着接头106在第一端110与第二端112之间的位置)。焊接工艺可以通过焊接系统执行，以沿着长度108的一部分在接头106上形成焊接部104，使得长度108包括焊接部分114和未焊接部分116。焊接工艺可以是但不限于通过搅拌摩擦焊接、激光焊接或其它接合工艺形成。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用合理的工程判断来选择焊接工艺。图2示出了具有代表性焊接部104的拼焊坯件的俯视图，图3示出了具有代表性焊接部104的拼焊坯件的仰视图。
36.图4示出了代表性的再填充摩擦搅拌点焊设备118(下文中称为再填充点焊设备)的截面图。应当理解，再填充点焊设备的技术可以用各种工具或装置来执行，并且在不脱离本主题公开的范围的情况下，可以用合理的工程判断来选择这样的工具和装置。在至少第一构件100和第二构件102之间执行焊接的焊接系统可进一步利用再填充点焊设备118。再填充点焊设备118可以用于通过执行覆盖未焊接部分116的点焊来完成具有期望长度108的接头106的焊接部104。再填充点焊设备118包括夹紧环120(也称为非旋转套环)、旋转肩部
122和探针124。再填充点焊设备118可以安装在控制台上，与机器人臂、工作台、固定装置(夹具)等联接，并且还可以通过控制器操作、手动操作或其组合进行操作。特别地，具有圆柱形形状的点焊装置118可以被构造为具有与未焊接部分116的长度相对应的直径。在另一个实施例中，为了覆盖未焊接部分的长度，再填充点焊工艺可以是一个或多个焊台或位置。换句话说，该系统和方法可以包括多个再填充点焊台(例如，从一边到另一边、彼此邻近等)，以用于覆盖和修复未焊接部分的长度。应当理解，点焊装置118的形状可以被选择或制造成任何合适的形状，以使夹紧环120对未焊接的长度116进行覆盖、包围或包封中的任一种操作。夹紧环120可接触第一构件100和第二构件102两者的上表面，并在支撑台或其它固定装置(夹具)上向第一构件100和第二构件102提供向下的力，以限制第一构件100和第二构件102的移动。一旦被夹紧，旋转肩部122和探针124就可以在未焊接部分116上执行点焊(如以下更详细描述的)。应当理解，夹紧环120可以基于合理的工程判断来选择，并且可以包括各种尺寸(例如，高度、长度、宽度、厚度、大小、形状等)。例如，基于焊接系统的工艺或材料，夹紧环120可以是非环形形状。
37.现在转到图5，图5示出了描绘用于完成接头106的长度108的焊接部104的技术的方法500的流程图。在附图标记502处，第一构件100的第一边缘定位成靠近第二构件102的第二边缘以形成接头106。第一构件100的第一边缘和第二构件102的第二边缘可以定位成不重叠。例如，第一边缘和第二边缘可以彼此对齐，以在第一构件100和第二构件102之间产生对接接头。接头106可以沿着长度108从接头106上的第一位置焊接到接头106上的第二位置。如前所述，第一位置和第二位置可以基于合理的工程判断来选择，并且可以位于接头106上的任何位置，包括接头106的第一端110、接头106的第二端112或其间的任何点。例如，第一位置或第二位置可以取决于第一构件和第二构件将要形成的拼焊坯件的形状。
38.在附图标记504处，沿着长度108的一部分执行焊接过程以在接头106上形成焊接部104，使得长度108包括焊接部分110和未焊接部分112。例如，焊接过程可以是但不限于摩擦搅拌焊接、激光焊接、例如铜焊或锡焊等其它焊接技术或其它接合工艺。
39.在附图标记506处，再填充点焊设备118的夹紧环120被放置成围绕长度108的未焊接部分112的位置。一旦放置，夹紧环120用于接触第一构件100和第二构件102两者的表面并施加压力以使第一构件100和第二构件102夹紧在适当位置。夹紧环120还用于在整个再填充点焊过程中使材料流收纳在夹紧环120内。在某些实施例中，第一构件100和第二构件102可放置在砧座126或其它支撑构件上，以向第一构件100和第二构件102提供支撑，并防止在再填充点焊过程期间材料变形。在一个实施例中，砧座126可基于所使用的焊接方案或坯件定制为具有特定形状。在某些实施例中，再填充点焊设备118的夹紧环120放置成仅围绕长度108的未焊接部分112的一部分。
40.在附图标记508处，使用再填充点焊设备118执行再填充点焊过程。具体地，再填充点焊过程可以包括如下步骤。该过程可包括启动旋转肩部122和探针以通过摩擦产生热量，直到构件材料达到塑性状态。应当理解，点焊过程的变量(例如，旋转速度、探针的移动速率、施加旋转的时间等)可以基于第一构件100或第二构件102中的至少一个的参数来选择。在构件材料达到塑性状态之后，该方法包括缩回探针124，同时旋转肩部122插入第一构件100和第二构件102的表面中。接下来，该方法包括反转旋转肩部122和探针124的方向，以使旋转肩部122和探针124返回到它们的起始位置。在某些实施例中，旋转肩部122和探针124
的运动互换，使得旋转肩部122初始缩回，并且探针124插入第一构件100和第二构件102的表面中。在肩部122和探针已返回到起始位置之后，该方法包括从第一构件100和第二构件102释放夹紧环120以及从第一构件100和第二构件102移除再填充点焊设备118。
41.图6-图9示出了执行图5所示的部分的方法的再填充点焊系统。应当理解，图6-图9中所示的系统仅是可用于执行该方法的系统的一个示例，并且可结合合理的工程判断来装配。如图6所示，旋转肩部122和探针124接触第一构件100和第二构件102以围绕长度108的未焊接部分112。在一个实施例中，例如，如果探针124不围绕长度108的整个未焊接部分112，则再填充点焊系统可以在多个位置执行该技术。旋转肩部122和探针124通过摩擦产生热，直到构件材料达到塑性状态。如图7所示，然后探针124缩回，同时旋转肩部122插入第一构件100和第二构件102的表面中。探针124的缩回产生了由于插入旋转肩部122而使材料位移的空间128。然后，旋转肩部122和探针124反向旋转以返回到起始位置。在该阶段期间，探针124迫使材料回到在旋转肩部122缩回时由旋转肩部122在第一构件100和第二构件102的表面中形成的腔中。旋转肩部122和探针124最终返回到如图8所示的起始位置。
42.现在转到图9，夹紧环120从第一构件100和第二构件102释放，移除再填充点焊设备118。该长度的未焊接部分116已经由再填充点焊设备118焊接，以通过形成点焊接部130沿着长度108完成焊接部104。在再填充点焊工艺之后，完成的焊接部104包括原始焊接部分114和点焊接部130。在图9所示的实施例中，点焊接部130完成了延伸到接头106的第二端112的长度108的焊接部104。然而，应当理解，期望的长度108可以在接头106的第二端112之前的接头106上的第二位置处终止。
43.现在转到图10和图11，在某些实施例中，当第一构件1000和第二构件1002在接头1006处通过搅拌摩擦焊接工艺接合在一起时，所产生的焊接部1004可以包括缩回孔1007。图10是拼焊坯件的一部分的俯视图，图11是拼焊坯件的该部分的仰视图。缩回孔1007是因为材料没有流入摩擦搅拌焊接工具从焊接部1004的端部缩回而留下的空间中。在这些实施方式中，在再填充点焊过程之前，附加材料1009可以添加到缩回孔1007中。在实施例中，附加材料1009可以是嵌块。附加材料1009可以由设计成填充缩回孔1007的包括金属(例如铝、钢、不锈钢、铸铁、合金或这些材料的组合)在内的任何材料制成。在某些实施例中，附加材料1009选择成匹配对应的第一部件1000和/或第二部件1002的材料。在其它实施例中，附加材料1009选择成与第一部件1000和/或第二部件1002的材料不同。考虑到缩回孔的尺寸和再填充摩擦点焊设备118的夹紧环120的直径，可以利用合理的工程判断来选择附加材料1009的尺寸和形状。在一个实施例中，附加材料1009选择为具有足够大的形状和尺寸，以在焊接后填充缩回孔，但同时足够小，以被再填充摩擦点焊设备118的夹紧环120包围。
44.现在转到图12，图12描绘了示出用于完成具有缩回孔1006的焊接部1004的技术的方法1200的流程图。在附图标记1202处，第一构件1000的第一边缘定位成靠近第二构件1002的第二边缘以形成接头1006。例如，第一边缘和第二边缘可彼此对齐，以在第一构件1000和第二构件1002之间形成对接接头。接头1006沿着长度1008从接头106上的第一位置焊接到接头106上的第二位置。如前所述，第一位置和第二位置可以基于合理的工程判断来选择，并且可以位于接头1006上的任何位置，包括接头1006的第一端1010、接头1006的第二端1012或其间的任何点。
45.在附图标记1204处，执行焊接工艺以沿着长度1008的一部分在接头1006上形成焊
接部1004。在某些实施例中，焊接工艺实质上是产生具有长度1008的焊接部1004，焊接部1004包括具有缩回孔1007的焊接部分1014。在一个实施例中，焊接工艺是摩擦搅拌焊接工艺。
46.在附图标记1206处，附加材料1009布置在缩回孔1007的顶部。在附图标记1208处，再填充点焊设备的夹紧环120放置为围绕附加材料1009和缩回孔1007。在附图标记1210处，利用再填充点焊设备120执行再填充点焊过程。再填充点焊过程涉及旋转肩部122插入附加材料1009中，并且在某些实施例中，插入第一构件1000和第二构件1002的一部分中，这使得来自附加材料1009的材料填充缩回孔1007的体积。图13示出了具有使来自附加材料1009的材料并入到缩回孔1007中的再填充点焊接部1030的焊接部1004的两个示例。
47.如图14-图18所示，多个再填充点焊接部可以用于产生沿着焊接接头的长度产生焊接。现在转到图14，第一构件1402和第二构件1404邻接以形成接头1406。第一构件1402和第二构件1404可定位成不重叠。应当理解，在某些实施例中，第一构件1402和第二构件1404可定位成重叠。第一构件1402和第二构件1404可具有相同的厚度或不同的厚度。如图15所示，第一点焊接部1408可以在沿着接头1406的位置处形成。在一个实施例中，第一点焊接部1408形成在接头1406的边缘处。
48.在一个实施例中，一段长度的接头可以通过在不同步骤中产生的点焊接部来实现焊接。例如，如图16所示，第一组点焊接部1410可以沿着接头1406的长度形成。第一组点焊接部1410包括多个单独交错的点焊接部(例如，第一点焊接部1408)，以沿着接头1406在连续的单独点焊接部之间产生间隙1412。应当理解，第一组点焊接部1410能够跨越接头1406的整个长度，或者能够跨越接头1406的整个长度的一部分。在某些实施例中，第一组点焊接部1410中的单独点焊接部可通过诸如再填充点焊设备118的单心轴焊机形成。在这些实施例中，单个心轴(每个心轴可包括夹紧环120、旋转肩部122和探针124)能够执行第一点焊接部1408，然后在沿接头1406期望的焊接部的后续位置重新定位。在另一个实施例中，第一构件1402和第二构件1404能够相对于心轴重新定位，使得单个心轴可执行沿着接头1406期望的焊接部的后续定位。
49.在其它实施例中，第一组点焊接部1410的多个单独点焊接部可通过具有多个心轴的再填充点焊设备同时产生。在这些实施例中，多个心轴的位置可以是固定的，以便产生固定间隙1412，或者多个心轴的位置可以是可调节的，以允许用户选择第一组点焊接部1410的后续点焊接部之间的间隙1412的尺寸。在一个实施例中，可单独地调整再填充点焊设备上的每个心轴的位置，以改变焊接部之间的间隙1412的尺寸。在另一实施例中，调节每个心轴的位置以在焊接部之间产生均匀的间隙1412的尺寸。上述心轴也可以替换成具有不同尺寸的心轴。例如，可以改良再填充点焊设备以包括具有不同尺寸的多个心轴和/或变化尺寸的间隙1412。在一个实施例中，具有多个心轴的再填充点焊设备能够在一个焊接操作中同时形成整个第一组焊接部1410。在另一个实施例中，具有多个心轴的再填充点焊设备可同时形成第一组焊接部1410的一部分，然后沿接头1406重新定位以形成第一组焊接部1410的后续部分。在某些实施例中，可以改良再填充点焊设备以增加或移除心轴。在这些实施例中，用户可以添加或移除心轴以选择和定制每组焊接部的点焊接部的数量。应当理解，上面关于第一组焊接部1410的形成所描述的实施例也可以应用于后续的焊接部(例如第二组焊接部1414)的步骤。
50.在某些实施例中，可施加额外的点焊步骤以形成连续焊接部。现在转到图17和图18，可以沿着接头1406的长度形成第二组点焊接部1414。第二组点焊接部1414包括用于填充第一组点焊接部1410的连续焊接部之间的间隙(例如，间隙1412)的第二单独点焊接部。例如，第二点焊接部1416能够施加在邻近第一点焊接部1408，或者其可与第一点焊接部1408重叠施加以至少部分地包围间隙1412。第二组点焊接部1414包括用于填充第一组点焊接部1410连续的焊接部之间的剩余间隙的多个附加的点焊接部，这完成了沿着接头1406的连续焊接部1418。因此，连续焊接部1418(例如完全接合的焊接部)可以从边缘到边缘地跨越接头1406的整个长度，或者能够跨越接头1406的一部分。应当理解，如上面关于第一组点焊接部1410所讨论的，第二组点焊接部1414的多个单独点焊接部可以由诸如再填充点焊设备118的单心轴焊机形成，或者由具有多个心轴的再填充点焊设备同时形成。
51.还可以以这样的方式施加第二组点焊接部1414，即，单独的焊接部仅部分地填充第一组点焊接部1410的连续焊接部之间的间隙1412。在这些实施例中，可以执行焊接部额外的步骤以便沿着接头完成连续焊接部1418。第一组点焊接部1410的连续焊接部之间的间隙1412越大，则完全填充间隙1412所需的步骤数量就越多。
52.应当理解，连续焊接部1418也可在单个步骤中形成。在这样的实施例中，第一组点焊接部1410的每个连续点焊接部都施加在前一点焊接部的边缘处，或者与前一点焊接部重叠。换句话说，第一组点焊接部1410可以包括单独的连续点焊接部，在连续点焊接部之间没有间隙1412。
53.现在转到图19，可以使用施加到接头1406的第一端点焊接部1902和施加到接头1406的相对端的第二端点焊接部1904来焊接接头1406。在该实施例中，第一端点焊接部1902和第二端点焊接部1904之间的接头1406的长度是未焊接的。
54.现在转到图20，图20描绘了用于沿着接头1406的长度形成焊接部的方法2000。在附图标记2002处，第一构件1402和第二构件1404定位成形成接头1406，以便沿着从接头上的第一位置到接头上的第二位置的长度进行焊接。第一构件1402和第二构件1404能够以不重叠的方式定位。在附图标记2004处，使用再填充点焊设备执行第一再填充点焊过程，以沿着长度产生第一组点焊接部1410。第一组点焊接部1410包括多个第一单独点焊接部。在第一再填充点焊过程期间，未焊接材料的多个间隙1412可以留在连续的第一单独点焊接部之间。在附图标记2006处，使用再填充点焊设备执行第二再填充点焊过程，以沿着长度产生第二组点焊接部1414。第二组点焊接部1414包括能够定位成至少部分地包围多个间隙1412的多个第二单独点焊接部。
55.应当理解，本文所述的实施例的各种特征或方面可以与任何其它实施例任意组合地使用。
56.如在本文中所使用的，术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另外指定，或者从上下文中清楚地得出，短语“x采用a或b”旨在表示任何自然的包含性排列。也就是说，短语“x采用a或b”满足于以下任何情况：x采用a；x采用b；此外，本技术和所附权利要求书中使用的冠词“一”和“一个”一般应当被解释为表示“一个或多个”，除非另有指定或从上下文清楚地得出是指单数形式。此外，如本文所使用的，术语“示例性”旨在表示“用作某物的图示或示例”。
57.上文已经描述了说明性的实施例。对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不
脱离所要求保护的主题的一般范围的情况下，上述装置和方法可以结合变化和修改。其旨在包括在所要求保护的主题的范围内的所有这样的修改和变更。此外，就在实施方式或权利要求书中使用术语“包括”而言，这一术语是包含性的，类似于术语“包含”，与包含用作权利要求书中的过渡词时的解释相似。