专利名称：焊接设备和方法
技术领域：
本发明涉及焊接。更具体而言，本发明涉及在隐蔽离散接触位置处将第一物件射束焊接到第二物件上。
背景技术：
难于进行隐蔽焊接(blind welding)已成为铣槽型(milledchannel)热交换器领域的困扰。铣槽型热交换器的一个实例是如Damgaard等在“RL60引擎的激光焊接夹层喷嘴延伸部(Laser weldedSandwich Nozzle Extension for the RL60 Engine)”(AIAA-2003-4478)，AIAA，Reston，VA，2003中所示出的火箭喷嘴的壁部，其披露内容如同进行详细阐述一样在此作为参考而被加入。在典型铣槽型热交换器中，在基底材料中铣出槽道阵列，保留槽道之间的肋部。盖板或面板被安放在肋部的顶上且被焊接到其上(例如通过来自朝向远离基层的板的侧面的激光或电子束)。使焊接射束与肋部相对齐已证明是困难的。已提出使用X射线设备。然而，X射线设备可能较昂贵且难于使用。
发明内容
本发明的一个方面包括一种用于将第一板焊接到第二板上的设备，所述第一板具有部分地接触所述第二板的内侧和相对的外侧。所述设备具有用于产生焊接射束的装置。所述设备具有用于相对于沿所述外侧的相邻压力减小沿所述板所述内侧的压力，以便使所述第一板沿不接触所述第二板的所述第一板的第一部分相对于第二部分产生向内偏斜的装置。所述设备具有用于基于所述偏斜对所述第一部分或所述第二部分中至少一个进行定位的装置。
在一些实施方式中，所述设备可具有用于响应于所述定位状况将所述焊接射束引导至所述第二部分的装置。所述设备可具有定位装置，所述定位装置包括激光全息设备。所述定位装置可包括激光全息设备；和显示来自所述激光全息设备的全息干涉图样的视频显示器。所述用于产生所述焊接射束的装置可包括激光发生器和电子枪中的至少一个。所述用于减小压力的装置可包括焊接到所述第一和第二元件上的压力通风(plenum)元件。
本发明的另一个方面包括一种用于将第一板焊接到第二板上的设备，所述第一板具有部分地接触所述第二板的内侧和相对的外侧。所述设备具有固定装置，所述固定装置被制成一定尺寸以与所述第一板和第二板的组件接合并保持所述组件。所述设备具有被设置以将焊接射束引导至所述组件的焊接射束发生器。所述设备具有泵，所述泵被联接到所述固定装置上以便相对于沿所述外侧的相邻压力减小沿所述第一板所述内侧的压力，以便使所述第一板沿不接触所述第二板的所述第一板的第一部分相对于第二部分产生向内偏斜。所述设备具有被放置以将第一激光束引导至所述第一板的所述外侧的第一激光发生器。所述设备具有被放置以检测所述第一激光束的偏斜量的检测器。
在一些实施方式中，所述设备可具有控制器，所述控制器被联接到所述检测器和所述焊接射束发生器上且被构造以响应于所述反射的检测将所述焊接射束引导至所述第二部分。所述焊接射束发生器可包括第二激光发生器。所述焊接射束发生器可包括电子束发生器。所述焊接射束发生器可包括用于使所述焊接射束横移穿过所述第一板的致动器。所述设备可与所述第一板和第二板相结合。所述第一板可以是大体上平的板且所述第二板可具有大体上平的第一侧面和具有多个平行肋部的第二侧面。所述第一板可大体上是截锥形的且所述第二板可具有大体上平滑的截锥形第一侧面和具有多个肋部的第二侧面。
本发明的另一个方面包括一种用于将第一板焊接到第二板上的方法，所述第一板具有部分地接触所述第二板的内侧和相对的外侧。相对于沿所述外侧的相邻压力减小沿所述第一板的所述内侧的压力，以便使所述第一板沿不接触所述第二板的所述第一板的第一部分相对于第二部分产生向内偏斜。基于所述偏斜，对所述第一部分和所述第二部分中至少一个进行定位。响应于所述定位状况，焊接射束被引导至所述第二部分。
在一些实施方式中，所述定位可包括激光全息术。所述引导可导致所述焊接射束沿所述第二板的多个平行肋部将所述第一板焊接到所述第二板上。至少一个牺牲密封元件可被焊接到所述第一和第二板上。所述密封元件可以是环形压力通风元件。所述第一和第二板可大体上形成围绕纵向轴线旋转的本体。所述第一和第二板可大体上围绕所述纵向轴线逐渐增加地旋转以允许对形成所述第一部分的备个部位进行连续焊接。所述各个部位可与所述第二板的纵向肋部相关联，且所述焊接包括使所述第一和第二板相对于所述焊接射束大体上进行纵向平移。所述焊接可进一步包括通过使所述第一和第二板大体上围绕所述纵向轴线转动而对肋部对齐的误差进行动态修正。可在所述第二板中铣出多个槽道以留下肋部。
结合附图并通过下面的描述对本发明的一个或多个实施例的细节进行阐述。通过所述描述和附图且通过技术方案将易于理解本发明的其它特征、目的和优点，其中图1是用于形成热交换器的铣槽夹层前驱件的焊接前剖视图；图2是槽道中的压力减小后的图1所示前驱件的剖视图；图3是用于对图1所示的前驱件进行焊接的系统的局部示意图；图4是图1所示的前驱件的局部纵向剖视图，所述前驱件被组装到端部元件上用以密封槽道且使它们受到减小的压力；图5是图3所示系统中的焊接和光学检查部件的局部示意图；和图6是示出了由图5所示的光学检查部件产生的干涉图样的显示器的视图。
在各个图中使用相似的附图标记和标号表示相似的元件。
具体实施例方式
图1示出了包括基层22和覆盖层24的夹层结构(sandwich)20的剖视图。这些层可由钢、钛合金、镍基或钴基超合金或其它可焊接材料形成。已经铣出经过基层的第一表面28的一系列槽道26，留下一系列肋部30和基本上完好的第二表面32。在进行铣削后，覆盖层24被组装到基层上，使得覆盖层的表面34或底面沿肋部30与表面28接触。相对于夹层的分层而言，由此表面34和28是内侧表面且表面32和另一覆盖层表面36是外侧表面。所述层可以是平的或者要不然具有一定形状。例如，所述层和夹层结构可以是截锥形的，且槽道如在火箭喷嘴前驱件中一样纵向延伸(随后形成钟形)。
根据本教导，槽道26内的压力可相对于表面36外部的压力减小以使盖板24至少暂时变形，留下区域40，在所述区域中表面36相对于沿肋部或基层的其它完好部分的区域42而被压下/凹进。表面36的变形有利于用于引导焊接射束以在肋部处对所述层进行局部焊接的光学技术。
典型的实施方式包括成形作为截锥形火箭喷嘴前驱件(图3)的夹层结构20。该前驱件从第一纵向端50延伸至第二纵向端52。纵向轴线500被示出偏离局部水平线502角度θ。在该典型实施方式中，θ还是半锥角，以使得前驱件的外表面(例如表面36)的最上部分也是水平的。因此，在典型实施例中，表面36形成了前驱件的外表面且表面32形成了前驱件的内表面。固定装置60可保持前驱件且可包括用于使前驱件围绕轴线500转动的致动器(例如马达62)和用于使前驱件平移(例如沿处于与轴线500共同的垂直面内的水平方向504)的致动器(例如机动台64)。焊接系统68被示意性地示出且在下面进行进一步讨论。设置真空泵70用以减小槽道26中的压力。存在用于减小压力的许多方法。这些方法可包括多种用于密封槽道的技术。图4是第一和第二端50和52之间的喷嘴前驱件夹层结构的纵向割视图。在典型实施例中，压力通风装置80被紧固在第一端50处且密封/阻塞元件82被紧固在第二端52处。典型元件82为通过焊点84、85紧固到层22和24上的环形板。典型的压力通风装置80由通过焊点87和88焊接到层22和24上的管道86形成。在典型实施例中，压力通风装置80由初始平直的管道料材形成，所述管道料材被弯曲成环，且其端部被焊接在一起。狭槽90被机加工贯穿所述管道，所述管道被设置以使得当其被安装并焊接到第一端上时与槽道26连通。可机加工出一个或多个孔并安装配件92用以连接到真空泵70上。由于焊接的原因(为了便于进行说明，图中示出焊接材料不与所述层和密封元件的初始结构相互混合)，前驱件可设有接近每个端部的过剩长度，所述过剩长度允许歧管80和元件82在沿肋部进行最终焊接后被切去。
图5进一步示出了焊接设备68的细节。设备68的典型光学检测系统使用激光全息术。设置全息激光发生器100以将输出射束102引导至分束器104，所述分束器将射束分成第一和第二部分106和108。部分108用作基准射束，所述基准射束沿其路径通过透镜110至检测器114的入射表面112。射束部分106通过透镜116且从表面36被反射至表面112。检测器114可被连接到控制系统120上，所述控制系统还可被连接到激光发生器100、显示器122和用户输入装置124(例如键盘和点击设备)上。控制系统120还可被连接到焊接射束发生器130(例如激光发生器或电子束(e-beam)发生器)上。发生器130将焊接射束132引导至表面36。
图6示出了显示器122的输出，所述输出具有包含表示肋部存在的部分142的干涉图样140。显示器可进一步呈现出瞄准标记(例如十字叉丝144)，所述瞄准标记表示射束132的瞄准点。自动地，或在用户引导下，控制系统可保持射束与所述肋部中的一个选定肋部相对齐，同时使射束沿肋部横移以在肋部处焊接两个层。例如，控制系统120可被联接到马达62和台64上以控制前驱件夹层结构相对于大体上静止的激光射束的转动和位置。另一种可选方式是，基底可以是静止的且激光射束通过相关联的致动器是可移动的(例如，例如通过转动反射镜仅使射束132移动，或通过单独移动焊接射束发生器或使其与全息射束102、其发生器和/或其检测器结合移动)。在混合情况下，二者都是可以移动的。混合情况的一个实例是前驱件夹层结构仅围绕轴线500进行旋转，同时系统68的光学部件可沿方向504横移的情况。所述系统可适应不规则性(例如如果标称纵向槽道和肋部略微偏离纵向)。此外，所述系统可适应更复杂的肋部和槽道几何形状。
上面已经对本发明的一个或多个实施例进行了描述。然而，应该理解，可在不偏离本发明的精神和范围的情况下进行多种变型。例如要进行焊接的具体部件的细部可影响任何具体实施方式
的细节。可使用多种现有或仍在发展的系统或子系统。对元件例如80和82的另一种可选方式是，可使用非牺牲性密封系统。因此，其它实施例在下列技术方案的范围内。
权利要求
1.一种用于将第一板焊接到第二板上的设备，所述第一板具有部分地接触所述第二板的内侧和相对的外侧，所述设备包括用于产生焊接射束的装置；用于相对于沿所述外侧的相邻压力减小沿所述板所述内侧的压力，以便使所述第一板沿不接触所述第二板的所述第一板的第一部分相对于第二部分产生向内偏斜的装置；和用于基于所述偏斜量对所述第一部分或所述第二部分中至少一个进行定位的装置。
2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括用于响应于所述定位状况将所述焊接射束引导至所述第二部分的装置。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述定位装置包括激光全息设备。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述定位装置包括激光全息设备；和显示来自所述激光全息设备的全息干涉图样的视频显示器。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述用于产生所述焊接射束的装置包括激光发生器和电子枪中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述用于减小压力的装置包括焊接到所述第一和第二元件上的压力通风元件。
7.一种用于将第一板焊接到第二板上的设备，所述第一板具有部分地接触所述第二板的内侧和相对的外侧，所述设备包括固定装置，所述固定装置被制成一定尺寸以与所述第一板和第二板的组件接合并保持所述组件；被设置以将焊接射束引导至所述组件的焊接射束发生器；泵，所述泵被联接到所述固定装置上以便相对于沿所述外侧的相邻压力减小沿所述第一板所述内侧的压力，从而使所述第一板沿不接触所述第二板的所述第一板的第一部分相对于第二部分产生向内偏斜；被设置以将第一激光束引导至所述第一板的所述外侧的第一激光发生器；和被设置以检测所述第一激光束的偏斜量的检测器。
8.根据权利要求7所述的设备，进一步包括控制器，所述控制器被联接到所述检测器和所述焊接射束发生器上且被构造以响应于所述偏斜量的检测将所述焊接射束引导至所述第二部分。
9.根据权利要求7所述的设备，其中所述焊接射束发生器包括第二激光发生器。
10.根据权利要求7所述的设备，其中所述焊接射束发生器包括电子束发生器。
11.根据权利要求7所述的设备，其中所述焊接射束发生器包括用于使所述焊接射束横移穿过所述第一板的致动器。
12.根据权利要求7所述的设备与所述第一板和第二板相结合，且其中所述第一板是大体上平的板；且所述第二板具有大体上平的第一侧面和具有多个平行肋部的第二侧面。
13.一种用于将第一板焊接到第二板上的方法，所述第一板具有部分地接触所述第二板的内侧和相对的外侧，所述方法包括相对于沿所述外侧的相邻压力减小沿所述第一板的所述内侧的压力，以便使所述第一板沿不接触所述第二板的所述第一板的第一部分相对于第二部分产生向内偏斜；基于所述偏斜量对所述第一部分和所述第二部分中至少一个进行定位；以及响应于所述定位状况，将焊接射束引导至所述第二部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述定位包括激光全息术。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述引导导致所述焊接射束沿所述第二板的多个平行肋部将所述第一板焊接到所述第二板上。
16.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将至少一个牺牲密封元件焊接到所述第一和第二板上。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述密封元件是环形压力通风元件。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一和第二板大体上形成围绕纵向轴线旋转的本体；且所述第一和第二板大体上围绕所述纵向轴线逐渐增加地旋转以允许对形成所述第一部分的各个部位进行连续焊接。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述各个部位与所述第二板的纵向肋部相关联，且所述焊接包括使所述第一和第二板相对于所述焊接射束大体上进行纵向平移。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述焊接进一步包括通过使所述第一和第二板大体上围绕所述纵向轴线转动而对肋部对齐的误差进行动态修正。
21.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在所述第二板中铣出多个槽道以留下肋部。
全文摘要
一种用于将第一板焊接到第二板上的设备和方法，所述第一板具有部分地接触所述第二板的内侧和相对的外侧。所述设备具有用于产生焊接射束的装置。所述设备具有用于相对于沿所述外侧的相邻压力减小沿所述板所述内侧的压力的装置，以便使所述第一板沿不接触所述第二板的所述第一板的第一部分相对于第二部分产生向内偏斜。所述设备具有用于基于所述偏斜量对所述第一部分或所述第二部分中至少一个进行定位的装置。
文档编号B23K15/00GK1769001SQ20051011880
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4日
发明者W·B·沃特金斯, J·C·巴罗内 申请人:联合工艺公司