用于激光焊接的边缘加工的制作方法

本文所描述的主题总体涉及制品的形成，并且更具体地，涉及用于通过激光焊接形成模块化的基于构件的铺层心轴的方法。

背景技术：

在飞行器构造中，飞行器的机身、机翼和其他构件可由成形的层压复合材料部件形成。成形的层压复合材料部件可在称为铺层心轴(LM)的工具上逐层铺设。所述铺层心轴具有工具表面，该工具表面基本上匹配用来在层片被铺设并且在心轴上压紧时使层片成形的部分。

在用于形成心轴的常规构造技术中，整个心轴作为一体件来制造和运输。在心轴用于铺设复合材料飞行器机翼的情况下，此心轴可具有超过一百英尺的长度和超过三十英尺的宽度。处理此类大型构件的制造工具非常专业，并且运输此类大型心轴是耗时且劳动密集型的过程。此外，具有复杂轮廓和对变形的敏感性的铺层心轴难以制造。

因此，克服常规方法挑战的制造铺层心轴的方法可以是对本领域的一个受欢迎的补充。

技术实现要素：

在示例中，存在激光焊接制造方法，其包括：提供通过间隙彼此分离的第一构件和第二构件，所述间隙包括深度和宽度，并且第一构件和第二构件中的至少一个包括牺牲边缘突出部；将牺牲边缘突出部暴露于激光能量，所述激光能量足以熔化牺牲边缘突出部的至少一部分；在第一构件和第二构件之间的间隙中形成熔池，所述熔池包括来自牺牲边缘突出部的熔化部分的材料；以及将所述熔池固化以形成将第一构件和第二构件接合在一起的焊缝。在示例中，存在根据该方法形成的模块化的基于构件的铺层心轴。

在另一示例中，存在激光焊接制造方法，其包括：提供包括第一牺牲边缘突出部的第一构件和包括第二牺牲边缘突出部的第二构件，所述第一构件和第二构件通过间隙彼此分离；将第一牺牲边缘突出部和第二牺牲边缘突出部暴露于激光能量，所述激光能量足以熔化第一牺牲边缘突出部的至少一部分和第二牺牲边缘突出部的至少一部分；使用来自通过激光能量熔化的第一牺牲边缘突出部的第一体积的材料和来自通过激光能量熔化的第二牺牲边缘突出部的第二体积的材料填充间隙的至少一些；以及在间隙中将第一体积的材料和第二体积的材料固化，以形成将第一构件和第二构件接合在一起的焊缝。示例的优点部分将在以下描述中阐述，并且部分将从描述中得到理解，或者可通过示例的实践而获悉。通过在所附权利要求中特别指出的元素和组合，将认识到并且获得本发明的优点。

应该理解，上述的一般描述和以下的详细描述两者均是仅为示例性和解释性的，而并非限制所要求保护的示例。

附图说明

并入本说明并且组成本说明书一部分的附图示出本教导的示例，并且与描述一起用于解释本公开的原则。

图1A是根据示例的飞行器生产和维修方法的流程图。

图1B是根据示例的飞行器的方框图。

图2是根据示例的飞行器的示意图。

图3A是可根据示例激光焊接在一起以形成铺层心轴的多个模块化构件的透视图。

图3B是用于根据示例制造铺层心轴的第一构件和第二构件的透视图，连同示出包括牺牲边缘突出部的第一构件和第二构件的放大插图。

图3C是根据如通过机器人激光焊接系统实行的示例方法被激光焊接在一起以形成模块化的基于构件的铺层心轴的图3B的第一构件和第二构件的透视图。

图3D是图3A的第一构件和第二构件的透视图，连同示出在图3C中形成的激光焊接部的所得焊缝细节。

图4A至图4E示出根据示例的制造方法的操作。

图5是描述用于根据示例制造制品的方法的流程图。

图6示出带有通过根据示例的激光焊接方法接合在一起的轮廓表面的第一构件和第二构件。

具体实施方式

现将详细参考在附图中示出的示例。在可能的情况下，贯穿附图，将使用相同的附图标号表示相同或相似的部分。

虽然阐述示例的宽泛范围的数值范围和参数是近似值，但在具体示例中阐述的数值是尽可能精确地报告的。然而任何数值均固有地包含其相应测试测量中存在的标准差所必然导致的某些误差。此外，本文所公开的所有范围均应被理解为包含归入其中的任何和全部子范围。例如，“小于10”的范围可包括在最小值0和最大值10之间(并且包括0和10)的任何和所有子范围，即，任何和所有子范围均具有等于或大于零的最小值和等于或小于10的最大值，例如，1至5。在某些情况下，如所规定的用于参数的数值可采用负值。在这种情况下，规定为“小于10”的示例值范围可采取负值，例如，-1、-2、-3、-10、-20、-30等。

仅出于说明的目来参考附图描述以下示例。本领域的技术人员将理解，以下描述在本质上是示例性的，并且在未脱离本示例范围的情况下，可对本文阐述的参数进行各种修改。说明书和示例旨在仅被看做是示例性的。各种示例不一定相互排斥，因为一些示例可与一个或多个其他示例结合以形成新的示例。应当理解，附图中描绘的结构可包括为简明起见而未加以描绘的附加特征，同时可移除或修改所描绘的结构。

可激光焊接的构件可包括边缘部分和从所述边缘部分延伸的牺牲边缘突出部。在用于将可激光焊接构件接合到另一构件的激光焊接方法期间可消耗牺牲边缘突出部。所述牺牲边缘突出部可包括一暴露到激光能量就熔化的材料。熔化的牺牲边缘突出部材料能够在接合在一起的构件之间的间隙区域中形成熔池。熔池随后固化以形成接合构件的焊缝。此方法减弱了接合部加工公差，减少了焊后工作并且实现了复杂外形(包括机翼部件铺层心轴的大型的复杂外形)的激光焊接。例如，作为大型的整体部件进行传统机加工和运输的铺层心轴可通过将模块化构件激光焊接在一起来代替制造，其中所述模块化构件具有通过激光熔化的牺牲边缘突出部以形成焊接部分。

出于本公开的目的，术语“牺牲”指的是在制造操作期间可被部分或全部消耗的材料。例如，如本文所使用，术语“牺牲边缘突出部”可以指的是从包括可用于形成焊缝的一定体积的材料的至少一个构件延伸的突起。“牺牲边缘突出部”可通过例如暴露于足够的激光能量下进行熔化，以至少部分填充两个或更多个构件之间的间隙，并且可再固化以形成用于接合两个或更多个构件的焊缝。

更具体地参考附图，可在如图1A所示的飞行器制造和维修方法100和如图1B所示的飞行器102的背景下描述本公开的示例。在预生产期间，示例性方法100可包括飞行器102的规范和设计104以及材料采购106。在生产期间，进行飞行器102的构件和子组件制造108以及系统整合110。此后，飞行器102可经受认证和交付112，以便投入使用114。当由客户使用时，可以安排飞行器102进行日常维护和维修116(其也可包括改进、重构、翻新等)。

可通过系统集成商、第三方和/或操作者(例如，客户)执行或进行方法100的过程中的每个。出于本说明书的目的，系统集成商可包括但不限于任何数量的飞行器制造商和主要系统分包商；第三方可包括但不限于任何数量的销售商、分包商和供应商；以及操作者可以是航空公司、租赁公司、军方机构、服务组织等。

如图1B所示，通过示例性方法100生产的飞行器102可包括带有多个系统120的机架118和内部122。系统120中的高水平系统的示例包括推进系统124、电气系统126、液压系统128和环境系统130中的一个或多个。可包括任何数量的其他系统。尽管示出航空航天示例，但本发明的原理可被应用到其他行业，诸如汽车行业或海洋行业。

图2是具有在诸如下面描述的激光焊接的心轴上制造的一个或多个复合材料部件的飞行器200的侧视图。本领域普通技术人员将理解，此类激光焊接的心轴可用于制造各种不同的复合材料部件，所述复合材料部件可被结合在各种位置处，包括飞行器200的机身、机翼、尾翼、主体、壁。在另选示例中，可在形成用于其他类型的结构、交通工具和平台诸如机动交通工具、飞行器、航海船只或航天器，或者其他合适应用的复合材料部件的方法中使用激光焊接的心轴。

在该示例中，飞行器200包括机身202，机身202包括机翼组件204，尾部组件206和着陆组件208。飞行器200进一步包括一个或多个推进单元210、控制系统212(不可见)，以及启用飞行器200的正确操作的其他系统和子系统的主机。在根据本公开的示例性方法制造的激光焊接铺层心轴上制造的复合材料制品可用于制造飞行器200的任何合适的部分，诸如机翼组件204，尾部组件206，以及飞行器200的任何其他合适的区域。通常，飞行器200的各种构件和子系统可以是已知的构造，并且为了简明起见将不在本文详细描述。

尽管图2所示的飞行器200通常表示商用客机，包括例如可从伊利诺伊州的芝加哥波音公司(The Boeing Company ofChicago，Ill.)商购获得的737、747、757、767、777和787型号商用客机，但本发明的激光焊接制品和本文公开的激光焊接方法实际上也可用于任何其他类型的飞行器的装配。更具体地，本公开的教导可应用于其他客机、战斗机、运输机、旋翼机、航天器，以及任何其他类型的有人驾驶或无人驾驶的飞行器的制造和装配。

如图3A所示，制品300′可根据本公开的方法形成。制品300′可包括模块化构件的装配体，包括第一构件301和第二构件303。制品300′可通过将模块化构件制品例如第一构件301和第二构件303激光焊接在一起而形成，并且可包括复合材料飞行器结构可装配在其上的铺层心轴。因此，第一构件301和第二构件303中的至少一个可包括可接合在一起的接合部302。

为了在将此类构件接合在一起时避免它们扭曲，激光焊接提供了聚焦的激光能量束，与其他焊接技术相比，聚焦的激光能量束不加热大表面区域。然而，由于通过激光源提供的激光能量具有小的激光光斑尺寸，因而构件的接合部通常具有非常紧密的公差，这增加了制造时间和成本。此外，在正被激光焊接的构件之间的间隙通常具有高深宽比(即，深度与宽度比很大)，高深宽比使加热最小化。换言之，常规的激光焊接方法通常不能用于在构件之间存在较大间隙的情况。然而，如图3B至图3D所示，提供了用于接合此类模块化构件的方法-即使在构件之间存在大间隙的情况下。例如，在该方法中，通过间隙307分离的第一构件301和第二构件303可接合在一起以形成制品300。如图3B所示，第一构件301和第二构件303中的至少一个可包括牺牲边缘突出部305，牺牲边缘突出部305在暴露于足够的激光能量下时至少部分地熔化，从而形成熔池，该熔池随后固化以形成焊缝309。

如图3C所示，可利用具有包括激光器321的机器人臂323的龙门架系统320将第一构件301和第二构件303焊接在一起。龙门架系统320可经配置以将机器人臂323和激光器321移动到预定的焊接位置330。如图3D所示，当激光器在焊接位置330处的第一构件301和第二构件303上方激活时，激光器321熔化牺牲间隙边缘突出部305的至少一部分以形成熔池，熔池在固化时形成将第一构件301和第二构件303接合在一起的焊缝309。尽管不限于任何具体示例，但提供如本文描述的带有牺牲边缘突出部的构件减少或消除了底切。

所述激光器可以是可用于在太空、空中、陆地或海洋交通工具中使用的激光焊接金属部件的任何合适的激光器。在示例中，激光器321可以是15kW的掺钕钇铝石榴石(Nd：Y₃Al₅O₁₂)(Nd：YAG)光纤激光器，但所述激光器不限于此，并且可以是另外类型的激光器，诸如YAG晶体或CO₂激光器，并可具有不同的额定功率。在示例中，可控制激光能量的输送。例如，可通过激光源控制激光能量频率、光斑尺寸、方向性、功率。方向性可包括预定的模式，诸如使包括激光能量并且具有光斑尺寸的激光束振荡，振荡包括在第一构件和第二构件之间来回引导激光束。激光源可包括从计算机接收指令的控制器。尽管示出图3C的激光器321附接到机器人臂323，但示例不限于此。实际上，激光器可以是手持激光器，并且可通过人操作者控制以提供激光能量从而将构件激光焊接在一起。

第一构件301、第二构件303和/或牺牲边缘突出部305可包括用做铺层心轴的任何合适的材料。在示例中，第一构件和第二构件的材料可包括但不限于金属合金中的一种或多种，金属合金包括但不限于具有36％镍的钢(也称为“FeNi 36”或商标名“INVAR 36”)、钛、软钢、铝及其合金。激光能量可足以熔化第一构件、第二构件和第一构件和/或第二构件的牺牲边缘突出部的至少一部分。

图4A至图4E示出在用于形成制品诸如铺层心轴的激光焊接制造方法中的操作。如图4A所示，第一构件301和第二构件303中的至少一个被提供并且可包括牺牲边缘突出部305。在示例中，第一构件301和第二构件303两者均具有相应的一个边缘突出部305。第一构件301和第二构件303可通过具有深度和宽度的间隙307彼此分离。间隙的深度可由第一距离限定，第一距离在由第一构件301和第二构件303中的至少一个的厚度限定的方向上延伸。间隙的宽度可由构件301和构件303之间的距离限定。在示例中，所述间隙能够包括在大约0.030"和大约0.005"之间的宽度。如图4B至图4D所示，当激光源沿方向405移动时，牺牲边缘突出部305暴露于激光401。在示例中，通过激光源提供激光能量，所述激光源以例如大约0英寸每分钟至大约250英寸每分钟之间的速度(诸如，大约150英寸每分钟)沿预选方向405移动激光能量。返回图4A，牺牲边缘突出部305可基本上延伸第一构件301和/或第二构件303的整个长度。然而，其他示例不限于此，并且牺牲边缘突出部可仅行进第一构件和/或第二构件的部分长度。此外，牺牲边缘突出部305不限于任何具体形状或截面。例如，牺牲边缘突出部305可具有基本上均匀的截面区域或非均匀的截面区域、基本上对称的截面形状或非对称的截面形状。牺牲边缘突出部305也可具有包括圆形特征、线性特征或两者组合的截面形状。在示例中，牺牲边缘突出部305可具有圆形或半圆形截面。在示例中，牺牲边缘突出部305可具有多边形截面形状。即，牺牲边缘突出部305可具有三角形、正方形、矩形或n边形截面形状。进一步地，牺牲边缘突出部305的表面和第一构件301和/或第二构件305的表面可包括其中间的连续表面，或可通过拐角分离，其中所述拐角由角度限定。在示例中，所述角度可以为大约90°，或可以为不同于90°的角度。

可预选激光能量使得其足以熔化如插图中所示的牺牲边缘突出部305的部分305′。例如，激光器401可照射牺牲边缘突出部305、第一构件301和/或第二构件303。由于输送足够的激光能量以熔化第一构件301、第二构件303和/或牺牲边缘突出部305的一部分，所以激光器401可引起蒸汽毛细管404的形成，所述蒸汽毛细管404可作为例如金属蒸汽在第一构件301、第二构件303和/或牺牲边缘突出部305中以多达大约1/2英寸的穿透深度407进行喷射。当激光能量沿方向405移动，至少牺牲边缘突出部305的熔化部分305′形成焊接熔池403。熔池403在第一构件和第二构件之间的间隙307中积聚，并且随后固化为将第一构件301和第二构件303接合在一起的焊缝309。

在示例中，第一构件301包括第一个牺牲边缘突出部305，第二构件303包括第二个牺牲边缘突出部305，并且激光401包括光斑尺寸406，光斑尺寸406延伸间隙并且在第一牺牲边缘突出部和第二牺牲边缘突出部中的至少一个上延伸。在示例中，间隙307的宽度不足以大于激光能量的光斑尺寸406。否则，如果激光光斑尺寸过小，则其可穿透间隙而不与第一构件或第二构件的表面诸如其牺牲边缘突出部相互作用。例如，通过激光源可提供在从大约.008"至大约.018"范围内的光斑尺寸406。在示例中，激光光斑尺寸不受限制，只要其包括足够的能量以熔化牺牲边缘突出部305的至少一部分。此外，可操纵激光401，以便操纵激光能量的方向。例如，激光能量可以例如往复运动或运动的组合横跨和在第一构件与第二构件之间沿牺牲边缘突出部的长度移动。同时，尽管第一构件和第二构件的尺寸不一定受限，但牺牲边缘突出部305可包括形成至少部分填充第一构件和第二构件之间的间隙的熔池的一定体积的材料以形成焊缝。所述体积可使得当牺牲边缘突出部的材料例如经由其激光焊接被熔化并且在第一构件和第二构件之间形成熔池时，其为足够大的体积以最小化或消除底切，并且其为足够小的体积以最小化或消除对磨削多余焊接材料的需要。

概括地说，熔池可包括来自牺牲边缘突出部305的熔化部分305′的材料。当熔池403冷却时，其固化以形成将第一构件310和第二构件303接合在一起的焊缝309。任选地，如图4E所示，可将牺牲边缘突出部305的剩余部分(包括其可以不形成焊缝的熔化部分305′)从第一构件301和第二构件303的表面移除，从而留下激光焊接制品400，其可以是激光焊接的铺层心轴。

参考图5的流程图，另外参考如以上所描述的图3B至图3D的铺层心轴、构件和方法以及图4A至图4E所示的操作，方法500可用于形成制品300，诸如包括激光焊接在一起的第一构件和第二构件的结构化构件。通常，在操作510，第一构件301和第二构件303中的一个或多个可靠近彼此定位并且通过间隙307分离。第一构件和第二构件中的至少一个可包括牺牲边缘突出部305。在第一构件和第二构件之间的间隙307的优点在于，在其中形成的焊缝相对于其他焊接方法展示出减少的孔隙率，例如，不需要间隙而是依赖具有紧密公差的构件面和面之间的接合部配合的焊接方法。因此，焊缝的密度可不同于第一构件、第二构件或第一构件和第二构件两者的密度。

在操作520处，第一构件301和第二构件303分别置于激光系统附近，使得牺牲边缘突出部暴露于激光能量。通过示例的方式，在一些示例中，激光系统可呈现为如以上关于图3C所描述的龙门架系统320，该龙门架系统320包括控制激光器321的机器人臂323，龙门架系统足够大以接受结构化构件的装配。激光系统经配置输送激光能量以熔化牺牲边缘突出部的至少一部分，但也可熔化第一构件和第二构件的其他部分。

在操作530处，在第一构件301和第二构件303之间的间隙307中形成熔池403。如以上所描述，形成熔池403的材料能够包括牺牲边缘突出部的熔化部分305′的至少一些。在操作540处，在激光焊接系统中，通过使熔池固化以形成将第一构件和第二构件接合在一起的焊缝309而将第一构件301和第二构件303激光焊接在一起。

在一个示例中，本文描述的方法的实践能够包括制品600的轮廓表面的激光焊接。例如，如图6所示，制品600的第一构件301和第二构件303中的至少一个可包括轮廓表面601。因此，牺牲边缘突出部可至少部分地延伸穿过轮廓表面。因此，如图6所示，能够提供如在其他示例中描述的激光能量以形成至少部分延伸穿过轮廓表面601的牺牲边缘突出部的熔化部分305′。如其他示例中所描述，牺牲边缘突出部材料的熔化部分305′中的一些在第一构件301和第二构件303之间的间隙中形成熔池，并且可随后固化以在第一构件和第二构件之间形成焊缝309。

尽管已经关于一种或多种实施示出了示例，但在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可对所示出的示例进行替换和/或修改。此外，尽管已经关于若干实施中的仅一个实施公开了示例的具体特征，但如可期望的和对于任何给定功能或具体功能有利的那样，此特征可与其他实施的一个或多个其他特征组合。

条款1.一种激光焊接制造方法，其包括：

提供通过间隙彼此分离的第一构件和第二构件，所述间隙具有深度和宽度，其中所述第一构件和所述第二构件中的至少一个包括牺牲边缘突出部；

将所述牺牲边缘突出部暴露于激光能量，所述激光能量足以熔化所述牺牲边缘突出部的至少一部分；

在所述第一构件和所述第二构件之间的所述间隙中形成熔池，所述熔池包括来自所述牺牲边缘突出部的所述熔化部分的材料；以及

使所述熔池固化以形成将所述第一构件和所述第二构件接合在一起的焊缝。

条款2.根据条款1所述的方法，其中所述激光能量的光斑尺寸大于所述宽度。

条款3.根据条款2所述的方法，其中所述激光能量的所述光斑尺寸在从大约.008"至大约.018"的范围内。

条款4.根据条款2所述的方法，其中所述宽度在大约.030"和大约.005″之间。

条款5.根据条款1所述的方法，其中所述牺牲边缘突出部基本上延伸所述第一构件或所述第二构件的整个长度。

条款6.根据条款1所述的方法，其中所述第一构件包括第一牺牲边缘突出部，所述第二构件包括第二牺牲边缘突出部，并且所述激光能量包括大于所述间隙的所述宽度、所述第一牺牲边缘突出部和所述第二牺牲边缘突出部中的至少一个的宽度，或两者的光斑尺寸。

条款7.根据条款1所述的方法，其中所述第一构件和所述第二构件中的至少一个包括轮廓表面，并且所述牺牲边缘突出部至少部分地延伸穿过所述轮廓表面。

条款8.根据条款7所述的方法，其中所述激光能量照射所述牺牲边缘突出部的至少部分地延伸穿过所述轮廓表面的一部分。

条款9.根据条款1所述的方法，其中激光源以高达250英寸每分钟的速度在所述第一构件、所述第二构件、所述牺牲边缘突出部或其组合的表面上方引导所述激光能量。

条款10.根据条款1所述的方法，其中所述焊缝的密度不同于所述第一构件、所述第二构件或所述第一构件和所述第二构件两者的密度。

条款11.根据条款1所述的方法，其中所述第一构件、所述第二构件，或所述第一构件和所述第二构件两者包括FeNi 36。

条款12.根据条款1所述的方法，其进一步包括控制所述激光能量的方向，以沿所述牺牲边缘突出部的长度提供所述激光能量。

条款13.根据条款1所述的方法，其进一步包括控制所述激光能量的方向，以在所述第一构件和所述第二构件之间往复地提供所述激光能量。

条款14.根据条款1所述的方法，其中所述牺牲边缘突出部包括小于所述间隙体积的一定体积的材料。

条款15.根据条款1所述的方法，其中所述牺牲边缘突出部包括大于所述间隙体积的一定体积的材料。

条款16.根据条款1所述的方法，其进一步包括移除在暴露于所述激光能量时未熔化的牺牲边缘突出部的剩余体积。

条款17.根据条款16所述的方法，其中所述移除包括磨削牺牲边缘突出部材料的所述剩余体积。

条款18.一种根据条款1所述的方法形成的模块化的基于构件的铺层心轴。

条款19.一种激光焊接制造方法，其包括：

提供包括第一牺牲边缘突出部的第一构件和包括第二牺牲边缘突出部的第二构件，所述第一构件和所述第二构件通过间隙彼此分离；

将所述第一牺牲边缘突出部和所述第二牺牲边缘突出部暴露于激光能量，所述激光能量足以熔化所述第一牺牲边缘突出部的至少一部分和所述第二牺牲边缘突出部的至少一部分；

使用来自通过所述激光能量熔化的所述第一牺牲边缘突出部的第一体积的材料和来自通过所述激光能量熔化的所述第二牺牲边缘突出部的第二体积的材料填充所述间隙的至少一些；以及

在所述间隙中将所述第一体积的材料和所述第二体积的材料固化，以形成将所述第一构件和所述第二构件接合在一起的焊缝。

条款20.根据条款19所述的方法，其中所述间隙包括在大约0.030"和大约0.005"之间的宽度。

此外，就在具体实施方式或权利要求中使用的术语“包括”、“包括有”、“含有”、“具有”、“带有”或其变型而言，此类术语旨在以与术语“包括了”相似的方式为包含性的。如本文所使用，短语例如A、B和C中的“一个或多个”意为以下各项中的任一个：只有A、B或C；或两者诸如A和B、B和C以及A和C的组合；或三个A、B和C的组合。

考虑在本文公开的说明书和实践，其他示例对本领域技术人员而言将是显而易见的。说明书和示例旨在仅被认为是示例性的，示例的真实范围和精神由随附权利要求指示。