专利名称：修补金属工件内孔眼的方法
技术领域：
本发明涉及修补工艺方法，尤其涉及用焊接修补金属工件内的孔眼。
背景技术：
在制造或使用期间，金属零件内可能会生成不希望有的孔眼。这种不希望有的孔眼在较薄的板金属材料内最为常见。例如在制造期间可不经意地在板结构件内冲击孔眼或由连接过程产生孔眼。在使用期间可由环境原因造成孔眼，如由岩石等的燃烧或冲击。孔眼还可由敌对方发出的侵入物如弹丸或其他抛射物造成。现有的孔眼也可由于磨损、腐蚀、或其他使用条件而变大或损坏。
在许多场合，由于该孔眼而造成的损坏程度并不太大，可以修补该孔眼。一种常用的方法是将该孔眼打补丁，一块板材料叠置在该孔眼上，然后用焊接连接。这块补丁会增加板厚、改变其空气动力性能，还会降低该孔眼附近的强度，留下能增加过早故障倾向的应力集中隐患。
另一种方法是将该孔眼关闭焊接，例如在铝合金内用气体钨极电弧焊封闭该孔眼。这种焊补能导致零件，特别是薄板零件的形状和尺寸发生严重的扭曲。虽然能用各种型式的支承夹具和激冷块来减少扭曲，但这种工具装备会显著增加修补费用。另外，薄壁工件内焊件的质量是值得怀疑的，因此焊接结构的强度要打折扣。再者，大多数材料在冷凝时会收缩，从而在焊件内留下孔隙。焊件内的气泡也会产生孔隙。该孔隙会降低焊件以及焊接结构的机械性能。另一个重大的缺点是，传统焊件的质量高度依赖焊工的技能或自动焊接机的设定，因此各焊接点之间可能会有不一致。
因此对金属零件特别是薄板零件内孔眼的修补，需要有一种改进的方法。本发明可满足这种需要，并且还可提供相关的好处。
发明概述本发明所提供的修补工件内孔眼的方法不仅可实现使用工具板的效益，而且能改进焊接的质量，办法是给增添的填充金属和最终焊件以外的多余体积提供一个存储处以便接纳和积聚孔隙。在焊件凝固后，该多余体积即被除去。
修补工件结构的方法包括首先准备一个堆积件，该堆积件依次具有第一界限层和第一供体层，其中第一供体层的熔点小于第一界限层的熔点，和一个其内有一孔的工件结构。该工件结构可以是平面的或非平面的，该孔可以是通孔或非通孔如盲孔或一坑。该工件结构的熔点小于第一界限层的熔点，而该孔被第一界限层和第一供体层叠置。该堆积件的孔内还包括一个由插塞材料制成的插塞，其中该插塞材料的熔点小于第一限制板的熔点。使用一个电流源在孔眼处将该堆积件局部加热到一个足够高的温度以便局部熔化第一供体层和插塞材料，最好还有孔眼附近的工件结构，但是不要熔化第一界限层。该电流源最好为抵压在堆积件两侧的一对电极，通常在每一个相关的电极和界限层之间设有一块垫板。此后，冷却该堆积件使所有熔化的材料凝固而形成一个焊接件。该焊接件上多余的材料通常即被除去。
任何一种可操作材料都可被使用。最好第一供体层、插塞和工件结构都是金属的并由同一金属或同一合金制成。在一值得注意的例子中，第一供体层、插塞、和工件结构均由铝基合金，而且最好是同一铝基合金制成。
该堆积件还可在工件结构的另一侧对称地设置供体层和界限层，使最终的焊接件在相对于工件结构而贯穿厚度的方向上对称。在这情况下，该堆积件依次包括第一界限层、第一供体层，其中第一供体层的熔点比第一界限层低；内有孔眼的工件结构，其中工件结构的熔点比界限层低；插在孔眼内的由插塞材料制成的插塞、第二供体层，其中第二供体层的熔点比第一界限层低；和第二界限层，其中第二界限层的熔点比第一供体层高；工件结构、以及第二供体层。该第一界限层、第一供体层、第二供体层、和第二界限层都叠置在该孔眼上。在局部加热的步骤中，该堆积件在孔眼处被局部加热到一个足够高的温度，以便熔化第一供体层、插塞、和第二供体层，但不熔化第一界限层和第二界限层。
这样，在一优选的途径中，修补工件结构的方法包括首先准备一个堆积件，该堆积件依次包括第一界限层、第一供体层、内有孔眼的工件结构、插在孔眼内由插塞材料制成的插塞、第二供体层、和第二界限层。第一界限层、第一供体层、第二供体层、和第二界限层都叠置在该孔眼上。该第一界限层和第二界限层的熔化温度都比第一供体层、插塞、和第二供体层高。然后使用一个电流源在孔眼处将该堆积件加热到一个足够高的温度，以便局部熔化第一供体层、插塞、第二供体层、和孔眼附近的工件结构(但不普遍熔化)。随后将该堆积件冷却，使所有熔化材料凝固，从而形成一个焊接件。本文所述其他可兼容的特点可在本实施例中使用。
本方法为工件结构内孔眼的修补提供一种方便而能很好控制的技术。该界限层能在焊接过程中或之后将工件结构保持平直或其他预定的形状，这样可以防止工件结构的扭曲。该界限层还具有电阻，能够以其对电流的阻力增加可用来焊接的热。因此与传统的技术如气体钨极电弧焊相比，能在工件结构上完成数量较多的焊接修补。填充金属由供体层提供。该供体层的几何形状可确保该焊接件在开始时尺寸就略为偏大，以致有多余的焊接件材料可被除去。尺寸偏大的焊接件还能确保在多余的焊接件材料被除去后，所需的显微结构能普遍延伸到整个焊接件，这样与工件结构的基体金属相比，能够增加焊接件的相对强度。本方法可不依靠焊工的技能，结果可高度一致。
本发明的其他一些特点和优点在阅该下面结构附图对优选实施例所作较详细的说明后当可明白。但本发明的范围并不限于这个优选实施例。这些附图以例子阐明了本发明的原理。
附图简要说明
图1为实施本发明实例的优选方法的方块图；图2为在加热前用来填充孔眼的单侧堆积件的概略的正视图；图3为在加热和冷却并拆卸堆积件后而在多余焊接材料去除之前，图2中工件结构部分的概略的正视图；图4为在多余焊接材料去除后，图3中工件结构部分的概略的正视图；图5为在加热前用来填充孔眼的双侧堆积件的概略的正视图；图6为在加热和冷却并拆卸堆积件后，而在多余焊接材料去除之前，图5中双侧堆积件的概略的正视图；及图7为在多余焊接材料去除后，图6中双侧堆积件的概略的正视图。
本发明的详细说明图1画出一种焊接工件结构40的方法。图2-4和5-7示出与该方法两个实施例有关的结构。参阅图1和2，该方法包括首先在步骤20准备一个堆积件42，该堆积件顺次包括第一界限层44、第一供体层46、和内有一个孔眼52的工件结构52。第一供体层46位在第一界限层44和工件结构40之间。第一界限层44和第一供体层46位在工件结构40的同一侧。另外还有第二界限层47位在工件结构40离开第一界限层44的另一侧，这样工件结构40就位在第二界限层47和第一供体层46之间。这是一个单侧设计，其中只有一个供体层即第一供体层46。
在图2-4和5-7的实施例中，工件结构40为一单一的工件片50，有一孔眼52贯穿其中，孔眼周边为54。有一插塞66在初始时填入孔眼52内成为堆积件42的一部分。
图5-7的实施例是双侧设计，其中除了元件40、44、46和47外，还有一个第二供体层64位在工件结构40和第二界限层47之间。下面将论述使用单侧设计和双侧设计所得到的不同结果。
在这两种设计中，界限层44和47及供体层46和64(如果有的话)都叠置在孔眼52上，即，界限层44和47及供体层46和64(如果有的话)都对准孔眼52并向侧边延伸若干距离到孔周54之外。
工件结构40可由任何一种可操作材料制出。工件结构的典型材料为铝合金如合金6061。供体层46和64、及插塞66可用任何一种可操作材料，但通常选用与工件结构40相同的材料。界限层44和47用熔点比供体层46和64(如果有的话)、插塞66和工件结构40都高的材料制成。在以后的熔化过程中，该界限层44和47能阻止材料从供体层46和47、插塞66、和工件结构40向外流失。
在图1在步骤22中，将孔眼52处的堆积件42局部加热到足够高的焊接温度以便局部熔化第一供体层46和第二供体层64(如果有的话)及插塞66。该焊接温度最好足够高到能将贴近孔周54的部分工件结构熔化。但该焊接温度须不高到能够熔化第一界限层44和第二界限层47。这两个界限层44和47用来限制供体层46和64、插塞66、及工件结构40在熔化时产生的熔化材料。
加热步骤22被这样控制使供体层46和64、插塞66、及工件结构40只是局部而不是普遍熔化。即，其被熔化掉的距离最好不超过该工件结构40从孔周54向侧边向外边的厚度的一半光景，虽然取决于真实的情况，这个熔化距离可以小一些或大一些。
该加热步骤22可用任何可操作的局部加热技术完成。最好用电阻电极68和70来供应热能。将任选的两块垫板72和74成一行地放置在堆积件42上使与各该界限层44和47的外表面接触而使电极68和70分别与垫板72和74接触。电阻电极68和70例如可以是优选的固定电极或者如果孔眼是垂直于图2-4和5-7的平面而延伸，可用滚动电极。
在加热步骤22中，熔化的部分熔融在一起并且互相混合。在图2-4和5-7的孔眼修补中，插塞66熔化并与供体层46和64(如果有的话)的熔化材料及工件结构40的邻近部分混合。
随后在步骤24中，该堆积件42被冷却使所有熔化材料凝固而形成一个结实地焊接件84，以前的孔眼52全被填没。该焊接件84延伸通过工件结构40，还从工件结构40的表面向外延伸。该焊接件84可在工件结构40的一侧延伸，如在图3的实施例中，该例只有一个供体层46；或在工件结构40的两侧延伸，如在图6的实施例中，该例有两个供体层46和64。如果需要，冷却可用控制焊接件凝固的方式完成，但通常熔化体积的冷却和凝固极快，只有大约一秒钟或更少。在步骤22结束时可用水或其他冷却剂冲洗堆积件42来加快冷却。
在冷却后，堆积件42被拆开，非焊接部分被拿掉。即，垫板72和74、界限层44和47、及供体层46和64的未熔部分都被分离。结果成为如图3和6所示的结构。
然后在步骤26中，从工件结构40向侧边向外延伸出的焊接件84的多余部分86和88(如果有的话)最好被除去。以便生产出图4和7所示的光洁的焊接结构。去除步骤可用任一种可操作的方法如磨削或机加工来完成。
虽然采用去除步骤26的加工会增加焊接结构的成本，但与不用供体层46和64相比，在最终焊接结构中的焊接部84可更为坚实而能被控制。在步骤22中，从供体层46和64来的熔化材料会流入到孔52内或其旁从而可确保空档的充填。如果没有供体层46和64，焊接部84内可能会有小孔、表面会不规则，这些都会降低其强度。而本方法生产出尺寸偏大的焊接件然后将多余材料除去可大大缩减焊接件84的小孔和不规则表面，还可允许孔隙迁移到多余部分86和88内以便随后除去。
在一个优选实施例中，工件结构40、供体层46和64、和插塞66，如果有的话，都用一种铝基合金如合金6061制成(但其他铝合金和非铝合金也可使用)。界限层44和47由不锈钢或高温合金如镍基合金制成。垫板72和74由低碳钢或工具钢制成。在一示范的例子中，工件结构40从约0.04英寸到约0.50英寸厚，供体层46和64各约0.010英寸到约0.125英寸厚，界限层44和47最大各约0.5英寸厚，垫板72和74最大各约0.5英寸厚。
虽然为了阐明的目的，本发明已就具体实施例详细说明，但仍可作出各种修改和补充而不离开本发明的精神范围。因此本发明除了该所附权利要求书外不受其它限制。
权利要求
1.一种修补工件结构(40)的方法，包括下列步骤准备一个堆积件(42)，该堆积件依次包括-第一界限层(44)，-第一供体层(46)，其中该第一供体层(46)的熔点比第一界限层(44)低，-内中有一孔(52)的工件结构(40)，其中该工件结构(40)的熔点比第一界限层(44)低，并且其中该孔(52)被第一界限层(44)和第一供体层(46)覆盖，在该孔(52)内的由插塞材料制成的插塞(66)，其中该插塞材料的熔点比第一界限层(44)低，此后利用一个电流源在该孔眼(52)处将堆积件(42)局部加热到足够高的温度，以便局部熔化第一供体层(46)和插塞材料，而不熔化第一界限层(44)；及此后冷却该堆积件(42)使所有熔化材料凝固而形成一个焊接件(84)。
2.权利要求1的方法，其特征在于制备堆积件(42)的步骤包含提供一个平面的工件结构(40)的步骤。
3.权利要求1的方法，其特征在于该准备步骤包含提供作为一些铝合金的第一供体层(46)、插塞(66)和工件结构(40)的步骤。
4.权利要求1的方法，其特征在于该准备步骤包含提供作为同一铝合金的第一供体层(46)、插塞(66)和工件结构(40)的步骤。
5.权利要求1的方法，其特征在于该准备步骤包含提供作为同一铝合金的第一供体层(46)、插塞(66)和工件结构(40)的步骤。
6.权利要求1的方法，其特征在于该准备步骤包含提供厚度从约0.04英寸到约0.50英寸的工件结构(40)的步骤。
7.权利要求1的方法，其特征在于该局部加热的步骤包含在孔眼(52)处将堆积件(42)局部加热到足够高的温度以便局部熔化该工件结构(40)而不熔化第一界限层(44)的步骤。
8.权利要求1的方法，其特征在于该局部加热的步骤包含将电极(68.70)安置在堆积件(42)的两侧，使该孔眼(52)位在该两电极(68.70)之间的步骤。
9.权利要求1的方法，其特征在于包含一个在该冷却步骤之后从该焊接件(84)上去除多余材料(86，88)的附加步骤。
10.权利要求1的方法，其特征在于该准备步骤包含准备堆积件(42)的步骤，该堆积件(42)依次包括第一界限层(44)，第一供体层(46)，其中第一供体层(46)的熔点比第一界限层(44)低，该内中有孔眼(52)的工件结构(40)，其中工件结构(40)的熔点比该界限层低，该在孔眼(52)内由插塞材料制成的插塞(66)，-第二供体层(64)，其中该第二供体层(64)熔点比第一界限层(44)低，及-第二界限层(47)，其中该第二界限层(47)的熔点比第一供体层(46)、工件结构(40)和第二供体层(64)都高，其中该第一界限层(44)、第一供体层(46)、第二供体层(64)和第二界限层(47)都覆盖在孔眼(52)上，并且其中该局部加热的步骤包含在孔眼(52)处将堆积件(42)局部加热到足够高的温度以便熔化第一供体层(46)、插塞(66)和第二供体层(64)而不熔化第一界限层(44)和第二界限层(47)的步骤。
全文摘要
准备一个堆积件(42)来修补一个内有孔眼(52)的工件结构(40)。该堆积件(42)具有一个第一界限层(44)、一个第一供体层(46)、一个内有孔眼(52)的工件结构(40)一个在孔眼(52)内由插塞材料制成的插塞(66)、还可任选一个第二供体层(64)和一个第二界限层(47)。第一界限层(44)、第一供体层(46)、第二供体层(64)和第二界限层(47)都覆盖在孔眼(52)上。第一界限层(44)和第二界限层(47)各有比第一供体层(46)、插塞(66)、和第二供体层(64)高的熔化温度。使用一个电流源将堆积件(42)局部加热到足够高的温度使第一供体层(46)、插塞(66)、第二供体层(64)和工件结构(40)局部熔化。然后将该堆积件(42)冷却而使所有熔化材料凝固，便可完成一个焊接件(84)。
文档编号B23K11/36GK1768995SQ20051011880
公开日2006年5月10日 申请日期2005年11月4日 优先权日2004年11月5日
发明者G·E·特雷维勒, J·M·穆尔多恩 申请人:通用电气公司