包括可動反支承件的用于摩擦攪拌焊接的改進系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種用于兩個部件（22，24）的摩擦攪拌焊接的系統（46）以及利用所述系統進行摩擦攪拌焊接的方法，該系統（46）包括：焊接單元（48），焊接單元（48）包括安裝有旋轉銷（66a，66b）的至少一個焊頭（54a，54b）；和反支承單元（50），反支承單元（50）具有支承表面（80）以克服由焊頭施加的壓力支承部件（22，24），并且其中，每個焊頭（54a，54b）能夠相對于支承表面（80）、沿著平行于旋轉銷（66a，66b）的旋轉軸線（68a，68b）的第一方向（57）和沿著正交于旋轉軸線（68a，68b）的第二方向（56）移動，并且其中支承表面（80）能夠沿著第二方向（56）移動并且由設置成彼此分開的兩個同軸夾緊輥子（62）形成。
【專利說明】包括可動反支承件的用于摩擦攪拌焊接的改進系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于通過摩擦攪拌焊接的技術(FSW)裝配兩個部件的系統和方法。
[0002]本發明特別地在加強件在飛行器面板一特別是飛機面板一上的固定方面獲
得應用。
[0003]根據本發明關注的面板可以是機身面板、翼面面板或者尾翼面板、或者形成儲存箱或者起落架艙部分的面板、或者任何其他類型的面板。
[0004]固定至這些面板的加強件可以具體是機身周向框架、機身縱向桁架或者加強件、機翼或者尾翼加強桿或者肋狀物、地板橫向構件或地板梁等。
【背景技術】
[0005]通常，稱為摩擦攪拌焊接(FSW)的技術已知用于以至少等同于使用常規鉚釘接合達到的效率來制成允許壓力通過所裝配的部件之間的快速持久的機械接合。
[0006]在圖1中示意性示出的該技術使用包括至少一個焊頭10的焊接裝置，該至少一個焊頭10包括旋轉銷12、肩部14，該肩部14延伸至旋轉銷12的基部并且具有通常等于該旋轉銷12的平均直徑的2至2.5倍之間的直徑。
[0007]兩個部件16a、16b的摩擦攪拌焊接包含在兩個部件16a、16b之間的接合面18處將旋轉銷12引入至兩個部件中，直到肩部14與部件16a、16b中的每個的表面進行接觸為止。旋轉銷12至構成部件16a、16b的材料中的引入通過該材料的由于旋轉銷12針對兩個部件16a和16b的摩擦產生的熱量而產生的局部軟化而成為可能。在旋轉銷12的周圍的部件16a、16b的材料的面團樣狀態允許該旋轉銷沿著接合面18移動。旋轉銷12的轉動以及在適當的情況下肩部14的轉動引起處于在面團樣狀態的材料的混合。
[0008]通過旋轉銷12引起的擠壓和通過肩部產生的鍛造效果因此逐漸地導致焊縫的形成。該焊縫表現為兩種材料所共有的由于恢復再結晶而形成的新金相結構的形式，其中，該金相結構因此保證在冷卻后兩個部件16a、16b的良好結合。
[0009]如在圖2中示意性地示出的，通過使用反模板20，反壓力施加在部件16a、16b中的每個的與焊頭10相反的面上，以抵消通過旋轉銷12施加的壓力。這種反模板有時結合了允許通過摩擦產生的熱的一部分被移除的冷卻裝置。這通常提高部件在焊接后的機械特性。這種冷卻裝置表現為例如下述通道21的形式:該通道21結合在反模板20中并且傳熱流體在通道21中流動。
[0010]該摩擦攪拌焊接技術允許實現所謂的“對接焊接”，如在圖1和圖2中示出的，在該對接焊接中，旋轉銷12的軸線局部地平行于要被裝配的部件之間的接合面。
[0011]該技術還允許實現所謂的“透明焊接”，在該透明焊接中，旋轉銷12的軸線局部地平行于待裝配的部件之間的接合面。在該情況下，待裝配的部件中的一個被置于焊頭與待裝配的另一個部件之間。
[0012]摩擦攪拌焊接技術特別具有在待裝配的部件的組成材料的熔點之下實現的優點，這特別地避免了與重新固化相關的問題并且經常與其他焊接技術同時出現。
[0013]該技術另外提供不需要任何填充物材料和不引起任何污染煙霧散發的優點。
[0014]此外，焊接裝置沿著待裝配的部件的接合面移動時的速度可以達到每分鐘2米，使得該焊接技術允許使部件快速地并且以降低的成本裝配。
[0015]該焊接技術另外提供高度自動化水平的可能性。
[0016]雖然如此，已知的摩擦攪拌焊接方法確實存在缺點。
[0017]在對接焊接的情況下或者在透明焊接的情況下針對待裝配的一個部件，使用的反模板必須按照嚴格的尺寸公差制造以便盡可能接近地適合待裝配的表面。
[0018]如果不是這種情況則必須例如通過機械加工事先調整待裝配部件的尺寸，使得裝配部件的尺寸盡可能接近地匹配反模板的幾何體。
[0019]此外，通過焊接頭施加的力的級別可能達到若干噸，使得特別當待裝配的部件具有彎曲形狀時，例如在圖3的縱向截面圖中示出的在周向框架22裝配至飛行器機身面板24上的情況中，反模板通常必須具有大質量。這種周向框架22包括應用至機身面板24上的、形狀基本是圓筒形的凸緣26、和基本上正交于基板26延伸的腹板30。
[0020]此外，如果反模板包括必須能夠提取大量熱的冷卻裝置，則反模板的質量將更大并且加工起來更復雜。
【發明內容】
[0021]本發明的一個目的特別是提供一種針對這些問題的簡單、經濟并且有效解決方法，該解決方案允許避免以上所述的缺點中的至少一些。
[0022]為此目的，本發明提出一種用于焊接待裝配的至少兩個部件的摩擦攪拌焊接系統，該摩擦攪拌焊接系統包括:
[0023]一焊接單元，該焊接單元包括焊接裝置，該焊接裝置包括設置有旋轉銷的至少一個焊頭；
[0024]一反支承單元，反支承單元提供支承表面，該支承表面設計成克服由每個所述焊頭施加的壓力來支承待裝配的部件；
[0025]并且其中，每個所述焊頭能夠相對于所述反支承單元的所述支承表面、沿著平行于每個所述焊頭的所述旋轉銷的旋轉軸線的第一方向移動；并且每個所述焊頭能夠沿著正交于所述焊頭的旋轉銷的旋轉軸線的第二方向移動。
[0026]此外，該反支承單元包括用于沿著所述第二方向移動所述支承表面的裝置。
[0027]這種移動裝置允許支承表面在焊頭沿著所述第二方向的位移期間保持基本上與焊頭相對。
[0028]該第二方向在實際上可以是在使用本系統施行焊接工序期間與由所述焊頭所遵循的總體軌跡相切的方向。為此，在下面所述第二方向將稱為“焊接方向”。
[0029]當最初位于待裝配的部件外側的所述焊頭沿著所述第一方向朝向待裝配的部件移動時，該焊頭的旋轉銷能夠穿入形成所述部件的材料中，這將在下面變得更清楚。因為此原因，在本描述的其余部分中所述第一方向有時將被稱為“穿透方向”。
[0030]通過提出使用能夠沿著焊接方向移動的支承表面，本發明避免依賴于經常使用的、特別有利于焊接彎曲部的類型的大塊反模板。[0031]此外，支承表面和焊頭沿著所述第一方向的相對運動的可能性允許實現克服通過焊頭施加的壓力的最佳反壓力，同時仍然允許用于支承表面的尺寸精度的需要的降低以及用于待裝配的部件的預先調整的需要的降低。[0032]應注意的是，根據本發明的焊接系統可以通常用于實現對接焊接和透明焊接。
[0033]反支承單元優選地設計成能夠允許所述支承表面在待裝配的部件中的一者上滾動。這種滾動可以在實際上表現為支承表面沿著焊接方向的整個位移。
[0034]根據本發明，該反支承單元包括彼此分開設置并且具有公共回轉軸線的兩個夾緊輥子，所述公共回轉軸線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，所述夾緊輥子的每個均具有形成所述支承表面的至少一部分的主周向軌道。
[0035]該構型在下述情況中是特別有利的:當待裝配的部件中的一個是具有凸緣和腹板的加強件時以及當該焊接系統用于實現加強件的凸緣透明焊接至另一個部件上時，其中，在第二種情況中該構型例如表現為面板的形式。
[0036]在實際上，該夾緊輥子執行抵著通過所述焊頭施加的壓力的支承板的作用，同時允許這種加強件的腹板穿過該夾緊輥子之間。
[0037]該構型因此當所涉及的加強件的腹板相對于加強件的凸緣是基本上在中心時是特別有利的。
[0038]總的來說，該夾緊輥子特別地具有能夠結合具有簡單設計的低成本熱交換裝置以允許在焊接期間對部件進行有效冷卻的優點。
[0039]可替代的，這種冷卻可以例如通過設置用于噴射的附加自動機械通過將冷卻劑噴灑至焊接區域上來實現，或者通過將整個焊接裝置浸沒在填充有熱交換流體的池中來實現，其中，所有這些都不離開本發明的范圍。
[0040]應注意的是，所述支承表面優選地完全由所述夾緊輥子的相應主周向軌道形成。
[0041]此外，該夾緊輥子能夠有利地圍繞其公共旋轉軸線旋轉。
[0042]該夾緊輥子因此能夠在待裝配的部件中的一個上滾動，以允許所述支承表面整體上沿著所述焊接方向移位。
[0043]在該情況下，該夾緊輥子的回轉軸線形成用于夾緊輥子的旋轉軸線。
[0044]在本發明的優選實施方式中，反支承單元包括使一個夾緊輥子朝向另一個移動的
>J-U ρ?α裝直。
[0045]該構型因此特別允許夾緊輥子將加強件的腹板夾在之間，同時其相應主周向軌道壓靠該加強件的一個凸緣。
[0046]這特別有助于在該加強件焊接至另一個部件時對該加強件定中心。
[0047]使得一個夾緊輥子沿著另一個夾緊輥子的方向移動的所述裝置包括例如分別地承載所述夾緊輥子的兩個支承臂。
[0048]在該情況下，為了允許夾緊輥子朝向彼此進行移動，該反支承單元優選地包括用于使所述支承臂中的一個沿著另一個的方向移動的裝置。
[0049]用于移動支承臂的這些裝置可以例如結合到機械臂中。
[0050]此外，每個夾緊輥子有利地安裝成使得其在相應的支承臂上旋轉。
[0051 ] 在本發明的優選實施方式中，夾緊輥子中的每個具有徑向地向外突出的周向肩部，該周向肩部限定所述夾緊輥子的所述主周向軌道的在面對另一個所述夾緊輥子那一側上的橫向端部。
[0052]在待裝配的兩個部件透明焊接過程的情況中，這種周向肩部能夠有助于限制和形成構成所述部件中的第一部件的材料，由該夾緊輥子的相應主周向軌道接合地形成的支承表面壓靠該第一部件。
[0053]實際上使得每個夾緊輥子沿著另一個夾緊輥子的方向移動允許該夾緊輥子的肩部壓靠所述第一部件的邊緣。
[0054]在本發明的優選實施方式中，所述夾緊輥子中的每個均具有通過夾緊輥子的所述周向肩部連接至所述夾緊輥子的所述主周向軌道的副周向軌道。
[0055]在待裝配的兩個部件的透明焊接過程的情況中，每個夾緊輥子的副周向軌道能夠有利地按壓至所述部件中的對應于形成在焊接單元的焊接裝置上的部件的第二部件上。
[0056]該構型加強由每個夾緊裝置提供的材料的限制效應，這將在下面變得更清楚。
[0057]通常，根據本發明的焊接系統還優選地包括通過焊接單元承載的非破壞性檢驗裝置和/或通過反支承裝置承載的非破壞性檢驗裝置。
[0058]這種非破壞性檢驗裝置快速地和自動地在線控制焊縫的質量。
[0059]在該情況下，焊接系統優選地另外包括通過焊接單元承載的修理裝置。
[0060]考慮到焊接的方向，該非破壞性檢驗裝置則布置在前述焊接裝置與修理裝置之間。
[0061]這種修理裝置包括設計成當通過非破壞性檢驗裝置檢測到預先形成的焊縫中的缺陷時實現待裝配部件的焊接的局部返工。
[0062]該修理裝置避免了焊接裝置在檢測到缺陷時必須反向行進，如將更清楚地在下面示出。
[0063]另外，焊接系統有利地包括通過焊接單元承載的防腐蝕處理裝置和/或通過反支承單元承載的防腐蝕處理裝置。
[0064]這種防腐蝕處理裝置用于在需要的情況下在檢驗焊縫后并且在焊縫的任何修理后對焊縫應用防腐蝕處理。
[0065]本發明還涉及一種用于通過使用以上描述的類型的焊接系統的透明焊接來線性焊接兩個部件的摩擦攪拌焊接(FSW)方法，其中:
[0066]一所述部件被疊置；
[0067]一反支承單元包括兩個夾緊輥子，這兩個夾緊輥子彼此分開設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”)的共有回轉軸線，其中，所述夾緊輥子中的每個均具有形成所述支承表面的至少一部分的主周向軌道；
[0068]一由于形成所述部件的材料因由所述旋轉銷的摩擦引起的熱而局部地軟化，所述焊接裝置的每個焊頭的旋轉銷通過完全地穿過第二部分而被至少部分地插入所述部件中的第一部件，然后所述旋轉銷沿著所述部件之間的接觸分界面在所述第二方向上移動，使得形成焊縫；
[0069]一所述反支承單元的支承表面壓靠所述第一部件并且沿著所述接觸分界面在所述第一部件上移動使得能夠抵消由所述焊接裝置的每個焊頭的旋轉銷在旋轉銷沿著所述第二方向運動期間施加的壓力。
[0070]該方法自然地展示了以上描述的系統在前述支承表面的移動性方面和在對支承表面的尺寸精度并且對待裝配的部件的事先調整方面的降低的需要方面的優點。
[0071]每個焊頭的旋轉銷具有局部地正交于待裝配部件之間的接觸分界面的旋轉軸線。
[0072]前述的第一部件是例如加強件的凸緣，而前述的第二部件是例如面板特別是飛行器的面板比如機身面板。
[0073]如以上所解釋的，所述支承表面優選地完全由夾緊輥子的相應主周向軌道形成。
[0074]此外，所述支承表面的所述移動優選地借助于通過在所述第一部件上實施所述主周向軌道的滾動以引起所述夾緊輥子的每個夾緊輥子圍繞所述回轉軸線的轉動而獲得的所述夾緊輥子沿著所述接觸分界面的移動來實現。
[0075]優選地，所述夾緊輥子朝向彼此移動使得所述夾緊輥子的兩個相應側壁將所述第一部件的一部分中間夾在中間。
[0076]在將凸緣焊接至面板的期間，該夾緊輥子能夠因此特別地通過使用其相應的兩側壁將加強件的腹板夾在中間同時通過其相應主周向軌道在加強件的凸緣上施加支承力。
[0077]優選地，該夾緊輥子各自具有壓靠所述第一部件的邊緣的周向肩部。
[0078]這允許形成所述第一部件的軟化材料受到限制，因此阻止該部件在由每個焊頭和所述支承表面施加的壓力下變形。
[0079]在本發明的優選實施方式中，每個所述夾緊輥子具有通過該夾緊輥子的所述周向肩部連接至該夾緊輥子的所述主周向軌道的副周向軌道。
[0080]每個夾緊輥子的副周向軌道壓靠所述第二部件并且在該夾緊輥子沿著所述接觸分界面移動時在所述第二部件上滾動。
[0081]這使通過每個夾緊輥子的肩部實現的材料的限制的完整性最佳化。
[0082]在本發明的優選實施方式中，所述焊接系統包括通過所述焊接單元承載的非破壞性檢驗裝置和/或通過所述反支承單元承載的非破壞性檢驗裝置；并且每個非破壞性檢驗裝置以與所述焊接裝置的每個焊頭同步以及相對于所述焊接裝置的每個焊頭延后的方式移動，以使實現所述焊縫的非破壞性檢驗。
[0083]焊縫的質量檢驗可以因此結合至焊接過程本身中，并且可以因此自動地并且快速地實現。
[0084]非破壞性檢驗裝置優選地布置在由焊接單元承載的所述所謂的“主”焊接裝置與第二所謂的“修理”焊接裝置之間。
[0085]在該情況下，只要所述非破壞性檢驗裝置沒有顯示在焊縫中有任何缺陷，所述第二焊接裝置就保持不工作；當所述非破壞性檢驗裝置檢測到焊縫中的缺陷時所述第二焊接裝置啟動，以對所述部件的焊接執行局部返工。
[0086]該第二焊接裝置因此允許焊縫的缺陷區域的修理在不需要使制造焊縫的主焊接裝置沿反向返回的情況下進行。
[0087]所述焊接系統有利地包括通過焊接單元承載的防腐蝕處理裝置和/或通過反支承單元承載的防腐蝕處理裝置。
[0088]在該情況下，每個防腐蝕處理裝置優選地以與所述焊接單元的每個所述焊接裝置同步以及相對于所述焊接單元的每個所述焊接裝置延后的方式移動，并且在適當的情況下，相對于形成或者焊接單元或者反支承單元的相同構件的部分的非破壞性檢驗裝置延后，以便將防腐蝕處理應用至焊縫。[0089]在適當的情況下，該防腐蝕處理因此在檢驗和任何修理后應用至焊縫。
[0090]總的來說，應注意的是根據本發明的方法能夠同步地實現對接焊接和透明焊接。換句話說，該方法能夠對接焊接兩個相鄰部件同時將第三部件焊接至兩個相鄰部件的相應相鄰端部。
[0091 ] 在根據本發明的方法的一個特別有利應用中，所述第一部件是用于飛行器的加強件并且所述第二部件是用于飛行器的面板，或者是兩個相鄰面板的組件，其中，所述加強件被透明焊接至第二部件上。
[0092]該面板可以是機身面板并且所述加強件可以是周向框架或者這種周向框架的角部。
[0093]在該情況下所述支承表面的移動總體上沿著彎曲軌跡實現。
[0094]這種周向框架的凸緣呈現例如圓筒形回轉形式，或者回轉圓柱的一部分。
[0095]在該情況下，所述支承表面的移動總體上沿著定中心在由所述機身面板限定的機身軸線上的、圓形的、或者圓的弧形的軌跡實現。
[0096]用于飛行器的機身面板具有:外表面，該外表面限定為被設計成位于飛行器的外側上的表面并且在飛行中通過沿著機身流動的相對空氣流沖洗；和內表面，該內表面位于相反側。前述的周向框架自然地焊接至機身面板的內表面上。
[0097]在涉及將這種周向框架焊接至兩個相鄰機身面板上的過程的情況中，在該方法的結尾產生的接合是被廣泛稱為“軌道接合”的類型。
[0098]可替代地，所述加強件可以是縱向加強件，也被稱為是桁梁。
[0099]在該情況下，特別當機身面板是要用于機身部段的位于飛行器的鼻錐體和尾錐體之間的長度，所述支承表面的移動可以沿著基本為直線的軌跡實現。
[0100]在另一可替代的實施方式中，面板可以是飛行器的機翼表面元件-比如飛行
器機翼或者尾翼組件一的航空動力學面板。
[0101]在該情況下，所涉及的加強件可以是飛行器的這種元件的加強桿或者肋部。
[0102]在又一個可替代實施方式中，面板可以是形成飛行器的地板的一部分的面板，在該情況下，加強件可以是支承該地板或者用于導向座椅配裝至該地板上的扶手的橫向構件。
[0103]在又一個可替代實施方式中，該面板可以形成飛行器起落架外殼的一部分或者形成飛行中的存儲箱的基部。
[0104]在所有這些涉及用于飛行器的加強件和面板的應用中，其可以特別有利于所述焊縫在橫截面方面從所述加強件凸緣的第一側邊緣延伸至第二相反側邊緣。
[0105]這能夠使焊接過程防止在面板與加強件的凸緣之間形成微空腔，因此減小了這些部件的腐蝕風險同時保證了在方法結束時得到的組件的最佳結合。
[0106]在該情況下，該焊接方法優選地包括使用包括多個焊頭的焊接系統，這些焊頭中的每個包括旋轉銷和延伸至旋轉銷的基部的肩部。
[0107]優選地，通過所述焊頭的所有相應旋轉銷形成的足印在橫截面方面從加強件的凸緣的第一側邊緣基本延伸至第二側邊緣。
[0108]術語“基本上”要理解為意味足印從加強件凸緣的每個側邊緣延伸小于0.2mm的距離。[0109]術語“足印”要理解為意味將通過將旋轉銷插入材料中而在該材料中產生的而與由所述銷的旋轉造成的任何攪拌現象無關的痕跡。
[0110]優選地，旋轉銷的每個從位于遠離焊頭那一側的凸緣的表面穿入加強件的凸緣至0.2至0.5mm的深度。
[0111]這減小了使旋轉銷與反支承單元的所述支承表面接觸的風險。
[0112]所述多個焊頭有利地包括布置為三角形構型的三個焊頭。
[0113]焊頭的這種構型特別有利地適合覆蓋飛行器加強件凸緣的整個寬度的焊縫的形成。
[0114]在該情況下，所述多個焊頭優選地包括相對于正交于所述第二方向或者焊接方向的給定平面定中心的兩個側部焊頭，和相對于所述側部焊頭的每一個沿著所述焊接方向偏移的中心焊頭。
[0115]優選地，中心焊頭的旋轉銷的沿著焊接方向的投影與側部焊頭的相應旋轉銷相交。
[0116]該特性保證在一方面的中心焊頭的旋轉銷的足印與另一方面側部焊頭的相應旋轉銷的相應足印之間一定程度的重疊。這特別優化焊縫的同質性。
[0117]優選地，所述焊頭中的第一焊頭定位成面向加強件的腹板，而另外兩個焊頭相對于所述加強件腹板偏移，并且所述第一焊頭的旋轉銷并不如其他兩個焊頭的相應旋轉銷那樣深入地穿入至所述加強件凸緣中。
[0118]該構型減小對加強件的位于接近加強件的腹板的關鍵結構部件的損壞的風險。
[0119]特別地，所述第一焊頭可以是所述中心焊頭。
[0120]該構型當加強件包括相對于該加強件的凸緣基本在中心的腹板時是特別適合的。
[0121]此外，所述焊頭有利地沿著下述方向移動:以此方向移動使得所述中心焊頭布置在所述側部焊頭的后方。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0122]通過閱讀下面的僅作為非限制性示例給出的描述同時參照附圖，將更容易地明白本發明并且本發明的細節、優點和特征的其他方面將變得明顯。其中:
[0123]-已經描述過的圖1是通過摩擦攪拌焊接技術而被對接焊接的兩個部件的局部立體示意圖；
[0124]-已經描述過的圖2是通過摩擦攪拌焊接技術而被對接焊接的兩個部件的立體示意圖，也示出了用于支承兩個部件的反模板；
[0125]-已經描述過的圖3是通過使用已知類型的摩擦攪拌焊接技術固定至飛行器機身面板上的周向框架的縱向截面示意圖；
[0126]-圖4是示出了包括根據本發明的優選實施方式的用于飛行器周向框架和機身面板的組件的若干焊接系統的焊接裝置的示意性側視圖；
[0127]-圖5是圖4的焊接裝置的沿圖4的平面V-V截取的橫截面示意圖，其中，示出了屬于該焊接裝置的焊接系統；
[0128]-圖6是圖5中的焊接系統的、放大比例的并且沿圖5的平面V1-VI截取的縱向截面中的局部示意圖；[0129]-圖7是圖5的沿圖5的平面VI1-VII截取的部分的放大比例的示意圖圖；
[0130]-圖8是飛行器機身面板和固定至飛行器機身面板的兩個周向框架的局部立體示意圖，其中，示出了焊頭的在該面板上的通道；
[0131]-圖9是包括根據本發明的另一個實施方式的焊接系統的焊接裝置的局部示意性側視圖；
[0132]-圖10是包括根據本發明的又一個實施方式的焊接系統的焊接裝置的局部示意側視圖。
[0133]在所有這些附圖中，相同的附圖標記能夠標示相同的或者類似的元件。
【具體實施方式】
[0134]圖4示出根據本發明的優選實施方式的設計成實施用于將周向框架裝配至飛行器機身面板上的“透明”型的摩擦攪拌焊接方法的摩擦攪拌焊接裝置40的總圖。
[0135]圖4特別地示出五個周向框架22，該五個周向框架22中的每一個例如通過分別地穿過周向框架22中的兩個中心孔的兩個中心銷44均固定至支承件42，其中，周向框架22可以例如通過與中心銷44聯動的銷而被保持。
[0136]由飛行器機身面板24形成的蒙皮應用于周向框架22中的每個的凸緣26的外表面上。
[0137]另外，四個焊接系統46并排地布置成與保持周向框架22和機身面板24的支承件42相對。出于清楚的目的，四個焊接系統46示出為關于周向框架22縱向地偏移，但是在該焊接裝置40的操作期間，焊接系統46中的每個設置成基本地面向對應的周向框架22。
[0138]圖5示出沿圖4的平面V-V截取的焊接裝置40并且因此示出從這一側觀察的這些焊接系統46中的一個。
[0139]該焊接系統46總體上包括焊接單元48和反支承單元50，該焊接單元48和該反支承單元50彼此相對地設置在承載支承周向框架22和機身面板24的支承件42的兩側。
[0140]焊接單元48表現為自動機械裝置的形式，該自動機械裝置在機械臂52的一端處包括設置有多個焊接頭的焊接裝置54，如在下面將變得更清楚的。
[0141]焊接單元48設計成特別地允許焊接裝置54在圖5的平面中沿著周向框架22、以與機身面板24相切的局部焊接方向56移動。
[0142]焊接單元48另外設計成允許焊接裝置54沿著該焊接裝置的焊頭的各個旋轉銷穿透形成機身面板24和周向框架22的材料的方向移動，如在下面將變得更清楚。該穿透方向由箭頭57表示并且平行于形成了圖5的平面和能夠在圖5中看到的平面V1-VI的交線。通過限定，該穿透方向57垂直于機身面板24的外表面并且因此直交于前述的焊接方向56。
[0143]反支承單元50也表現為配備有機械臂58的自動機械裝置的形式。該機械臂58具有配備有布置在周向框架22的腹板30的兩側的兩個支承臂60的末端，其中，這些支承壁60中的僅一個在圖5中可見。這些支承臂60各自保持夾緊輥子62和導引輥子64，如在下面將變得更清楚的。
[0144]圖6更詳細地示出用于通過使用焊接裝置40來實施摩擦攪拌焊接方法的主要元件。
[0145]如在圖6中示出的，焊接裝置54包括布置為三角形的三個焊頭(圖6)。這些焊頭分布為兩個側部焊頭54a和一個中心焊頭54b，其中中心焊頭54b相對于側部焊頭54a朝向后方(沿著焊接方向56限定為后方)偏移，如在圖7中更清楚地示出。
[0146]三個前述焊頭54a、54b中的每個均包括旋轉銷66a、66b(圖6和圖7)，旋轉銷66a、66b圍繞旋轉軸線68a、68b旋轉，旋轉軸線68a、68b基本正交于焊接方向56并且因此也基本垂直于機身面板24的外表面70和內表面72。三個焊頭54a、54b中的每個均還包括形成在對應的旋轉銷66a、66b的基部處的肩部74a、74b。所述肩部74a、74b能夠以本身已知的方式沿著與對應旋轉銷66a、66b的旋轉方向相同或者相反的方向旋轉、或者甚至靜止。每個
旋轉銷66a、66b具有整體上漸縮的形式,使得每個旋轉銷的橫截面在旋轉銷的自由端-
SP,與對應肩部74a、74b相反那側-的方向上縮小。對每個旋轉銷，最大直徑Dmax (圖
7)限定為旋轉銷的在旋轉銷最寬處的橫截面的直徑，該最大直徑Dmax在旋轉銷的靠近相應的肩部74a、74b的基部處。
[0147]自然地，焊接單元48包括允許旋轉銷66a、66b旋轉、以及在適當的情況下允許肩部74a、74b旋轉的驅動馬達裝置。
[0148]前述焊頭的相應肩部74a、74b在相同平面中延伸。這些肩部74a、74b可以因此同時地按壓至機身面板24的外表面70上，如在圖6和圖7中示出的。
[0149]側部焊頭54a的相應旋轉銷66a具有比機身面板24和機身框架22的凸緣26的累計厚度略小的高度。這些旋轉銷66a的高度與機身面板24和凸緣26的累計厚度之間的差通常達到十分之幾毫米的程度，優選地在0.2_與0.5_之間。術語旋轉銷的“高度”自然地指的是其沿著其旋轉軸線的長度。
[0150]此外，中心焊頭54b的旋轉銷66b具有比側部焊頭54a的相應旋轉銷66a的高度更小、但是比機身面板24的厚度更大的高度。一方面的旋轉銷66b與另一方面的旋轉銷66a在高度上的差通常大約達到十分之幾毫米的程度，優選地在0.2mm與0.5mm之間。
[0151]概括地說，三個旋轉銷66a、66b布置成使得中心焊頭54b的旋轉銷66b的垂直于平面P (圖7)的投影與這些旋轉銷66a相交(圖6)，所述平面P在側部焊頭54a的所述相應旋轉銷66a的相應旋轉軸線68a的方向上穿過側部焊頭54a的所述相應旋轉銷66a的相應旋轉軸線68。另外，由三個旋轉銷66a、66b形成的組件的寬度基本等于周向框架22的凸緣26的寬度。這保證了使用焊接單元得到的焊縫實現覆蓋前述凸緣26的整個寬度，這在下面將變得更清楚。
[0152]圖6另外示出支承臂60中的每個的端部，該端部包括通過支承臂60承載的加緊棍子62和導引棍子64。
[0153]每個加緊輥子62安裝成使得其圍繞旋轉軸線76在對應支承臂60上旋轉，旋轉軸線76還形成用于輥子的幾何回轉的軸線。
[0154]夾緊輥子62具有設計成分別地抵靠著周向框架22的腹板30的兩側施用的相應側壁78。以此方式，如在圖6中示出的，周向框架22的腹板30可以夾在夾緊輥子62的相應側壁78之間。因此，反支承單元50的機械臂58包括用于操作支承臂60的裝置，該裝置能夠引起每個支承臂60朝向另一個支承臂60移動并因此使所述夾緊輥子62朝向彼此移動。
[0155]每個夾緊輥子62另外具有主周向軌道80，該主周向軌道80為圓筒形形式并且圍繞旋轉軸線76轉動，該主周向軌道80從夾緊輥子62的側壁78延伸并且設計成壓靠周向框架22的凸緣26的內表面，如在圖6中示出的。
[0156]每個夾緊輥子62的側壁78通過彎曲周向部81連接至對應主周向軌道80，彎曲周向部81設計成抵靠將周向框架22的腹板30的對應側連接至周向框架22的凸緣26的彎曲表面安裝。
[0157]在屬于本發明的術語中，兩個夾緊輥子62的相應主周向軌道80組合在周向框架22的凸緣26上形成支承表面。
[0158]此外每個夾緊輥子62具有周向肩部82，周向肩部82限定了夾緊輥子的主周向軌道80的在面向夾緊輥子的側壁78那一側上的一端。該周向肩部82連接至夾緊輥子的副周向軌道84，該副周向軌道84延伸至夾緊輥子62的限定在面向夾緊輥子62的側壁78那一側的端面85。如在圖6中示出的，該副周向軌道84意在基本上與機身面板24的內表面72接觸。因此，每個夾緊輥子62的周向肩部82具有基本等于周向框架22的凸緣26的厚度的覽度。
[0159]應注意的是每個夾緊輥子的主周向軌道80和副周向軌道84可以是圓筒形形式或者圓錐形形式。
[0160]夾緊輥子62另外包括冷卻裝置。這些夾緊輥子中的每個因而包括定中心在夾緊輥子76的旋轉軸線76上的基本為環形的通道Cl并且具有連接至進口通道C2的端部和連接至出口通道(在圖中未示出)的相對端部。所述進口通道和所述出口通道通向夾緊輥子的端面85并且分別地連接至供給管道C3和出口管道(在圖中未示出)，供給管道C3和出口管道布置在對應的支承臂60中并且連接至用于冷卻熱交換流體的熱交換器(未示出)。
[0161]此外，每個導引輥子64安裝成使得其能夠圍繞正交于對應夾緊輥子62的旋轉軸線76的相應旋轉軸線86旋轉。
[0162]每個導引輥子64具有周向導引軌道88，周向導引軌道88為圓筒形形式并且圍繞導引輥子64的旋轉軸線86轉動，并且周向導引軌道88設計成壓靠周向框架22的凸緣30的對應表面。
[0163]參照附圖5至8，現將更詳細地對用于通過使用焊接裝置40的焊接系統46中的一個焊接系統將周向框架22焊接至機身面板24的摩擦攪拌焊接方法進行描述。
[0164]首先該方法涉及以下述方式使焊接系統46的焊接單元48和反支承單元50預定位:以此方式使得這些元件面向周向框架22。如果必要，可以通過移動焊接裝置40的焊接系統46和/或通過移動承載周向框架22和機身面板24的支承件42實現該預定位。
[0165]然后該方法涉及三個焊頭54a、54b的相應旋轉銷66a、66b垂直于周向框架22的凸緣26的定位。因為三個旋轉銷66a、66b的布局，通過這些三個旋轉銷形成的組件的沿著穿透方向57的投影基本與所述凸緣26的整個寬度相交。該定位可以通過焊接單元48的機械臂52的操作來實現。
[0166]該方法然后涉及焊接單元48，特別是機械臂52的操作，以使旋轉銷66a、66b的自由端與機身面板24的外表面接觸。
[0167]該方法還包括對反支承單元50的每個夾緊輥子62進行定位使得每個夾緊輥子62的側壁78壓靠周向框架22的腹板30并且使得每個夾緊輥子62的主周向軌道80壓靠周向框架22的凸緣26。特別地，每個夾緊輥子62定位成使得其旋轉軸線76局部地平行于機身面板24并且正交于焊接方向56和穿透方向57。可以通過操作反支承單元50，特別是機械臂58來實現夾緊輥子62的定位。
[0168]在圖6中示出的夾緊輥子62的該定位中，每個夾緊輥子62的旋轉軸線76正交于周向框架22的腹板30，而每個導引輥子64的旋轉軸線86平行于前述的腹板30。此外，每個夾緊輥子62的周向肩部82壓靠周向框架22的凸緣26的橫向邊緣(圖6)并且每個導引輥子64的周向軌道88壓靠周向框架22的腹板30。
[0169]概括地說，夾緊輥子62另外面向焊接裝置54設置。在示出的示例中，夾緊輥子62定位成使得夾緊輥子62中的每個與側部焊頭54a中的每一個的旋轉銷66a的旋轉軸線68a相交(圖6和圖7)。更具體地，每個夾緊輥子62的回轉軸線76相對于對應旋轉銷66a的旋轉軸線68a稍微地向前偏移，使得夾緊輥子62中的每個夾緊輥子的該回轉軸線76的平行于所述夾緊輥子的旋轉軸線68a的投影仍然與所述夾緊棍子相交。
[0170]該方法涉及使旋轉銷66a、66b旋轉，并且在適當的情況下使相關的肩部74a、74b旋轉，然后將旋轉銷插入至形成機身面板24的材料中然后再插入至形成周向框架22的凸緣26的材料中。根據眾所周知的摩擦攪拌焊接原理，由旋轉銷的摩擦引起的材料的局部軟化使得該插入成為可能。
[0171]該方法然后包含操作焊接單元48，特別是機械臂52，使得焊頭54a、54b沿著周向框架22移動，優選地以旋轉銷66a、66b覆蓋周向框架22的整個凸緣26的方式移動。
[0172]在焊頭54a、54b的移動期間，旋轉銷66a、66b的快速旋轉引起圍繞這些旋轉銷中的每個攪拌形成機身面板24和凸緣26的局部軟化材料。因為三個旋轉銷66a、66b的布局，攪拌的材料的區域從所述凸緣26的一個側邊緣32a延伸至另一個側邊緣32b。在示出的示例中，在焊頭54a、54b的移動期間，所有三個旋轉銷68a、68b的足印在橫截面上覆蓋整個前述凸緣26。這意味著足印從凸緣26的一個側邊緣32a延伸至另一個側邊緣32b。術語“足印”要理解為意味通過將旋轉銷66a、66b插入至在所述材料中會產生的痕跡而與通過所述銷的旋轉造成的任何攪拌現象無關。
[0173]另外在焊接頭54a、54b移動的期間，還由于如以上解釋的中心焊頭54b的旋轉銷66b的有限高度，旋轉銷66b并不到達周向框架22的彎曲表面，所述彎曲表面分別與夾緊輥子62的相應彎曲部81接觸并且分別將周向框架22的腹板30的面連接至周向框架22的凸緣26。因此能夠保持周向框架22的這些彎曲表面的完整性。
[0174]此外，如以上解釋的，由于這些旋轉銷65a的有限高度，因此側部焊頭54a的相應旋轉銷66a并不到達夾緊輥子62的相應主周向軌道80。
[0175]同時，反支承單元50被操作使得以與焊接裝置54的運動同步的方式實現夾緊輥子62在周向框架22的凸緣26的內表面之上和在機身面板24的內表面72之上的滾動運動，使得夾緊輥子62連續地施加基本上與通過焊頭54a、54b的相應旋轉銷66a、66b的組件施加的壓力相反的支承力，如在圖7中示出的。
[0176]夾緊輥子62另外通過抵靠周向框架22的凸緣26的部段而安裝從而在軟化材料的限制和構造方面起作用。夾緊輥子62中的每個的周向肩部82特別用于保持所述凸緣26的每一側上的材料。
[0177]與夾緊輥子62的移動相結合，導引輥子64分別在周向框架22的腹板30的兩面之上滾動并且因此有助于使周向框架22相對于機身面板24定中心。
[0178]在焊接方法的結尾，在冷卻后，以前攪拌過的材料恢復其剛性并且形成在周向框架22的凸緣26與機身面板24之間提供完全結合的焊縫90 (圖8)。該焊縫90對應以前攪拌過的材料的區域并且因此覆蓋周向框架22的凸緣26的整個寬度。
[0179]以上描述的方法對應于裝置40中的焊接系統46中的一個焊接系統的工作。自然地，其他的焊接系統能夠并行地實現相同的過程。
[0180]應注意的是以上描述的方法也能夠應用于將周向框架同時地焊接至兩個相鄰的機身面板上。在該情況下，該方法共同地實現對接焊接兩個相鄰面板并且和將周向框架透明焊接至所述面板的相鄰端。
[0181]圖9示出根據本發明的另一個實施方式的焊接系統46，其中，焊接單元48另外包括通過機械臂52承載并且可以各自是常規類型的非破壞性檢驗裝置92和防腐蝕處理裝置94。非破壞性檢驗裝置92是例如超聲波檢驗裝置。
[0182]在焊接方法的施行期間，考慮到焊接方向56，焊接單元定位成使得非破壞性檢驗裝置92設置成存在延后——即是說，其相對于焊接裝置54在后面，并且焊接單元以下述方式定位:以此方式使得防腐蝕處理裝置94布置成使得存在延后——即是說，其相對于非破壞性檢驗裝直92在后面。
[0183]以此方式非破壞性檢驗裝置92用于自動地并且在焊縫90形成之后立即檢驗焊縫90的質量。
[0184]在檢測到缺陷的結果下，焊接方法則包括焊接裝置54的反向運動，然后從焊縫90的缺陷區域開始焊接的返工。
[0185]此外，防腐蝕處理裝置94能夠用于緊接著在通過非破壞性檢驗裝置的質量檢查當檢驗顯示無缺陷之后，將防腐蝕處理應用至機身面板24的外表面上的焊縫90處。
[0186]可替代的或者以補充方式，非破壞性檢驗裝置和/或防腐蝕裝置可配裝至反支承單元50的機械臂58以便在周向框架22的凸緣26上作用。
[0187]另外，圖9的示例中示出夾緊輥子和導引輥子的另一個構型。
[0188]實際上，考慮到焊接方向56，在圖9中的反支承單元50不僅包括以上描述的兩個夾緊輥子62還包括布置至夾緊輥子62的后方的并且相似于夾緊輥子62的兩個附加的夾緊輥子96。這些附加的夾緊輥子92也壓靠周向框架22的凸緣26的內表面。
[0189]反支承單元50包括兩個導引輥子64’，該兩個導引輥子64’的旋轉軸線86’平行于夾緊輥子62和夾緊輥子92的相應旋轉軸線76和旋轉軸線76’。這些導引輥子64’壓靠在周向框架22的滑道98的內表面上。應注意的是滑道98在圖6和圖8中能夠更清楚地看見。
[0190]此外，在圖10示出的本發明的另一個實施方式中，焊接單元48另外包括修理裝置，該修理裝置由第二焊接裝置100形成，該第二焊接裝置100優選地類似于以上描述的焊接裝置54但是布置在非破壞性檢驗裝置92與防腐蝕處理裝置94之間。
[0191]只要非破壞性檢驗裝置92沒有到檢測任何缺陷，則該第二焊接裝置100就一直保持非工作狀態，并且隨著任何缺陷被檢測到后而啟動。在該情況下，該方法然后包括通過第二焊接裝置100在焊縫90的缺陷區域中的焊接的返工。在缺陷區域的返工結束時，該方法通常地繼續使用焊接裝置54。
[0192]第二焊接裝置100因而避免了在發生通過非破壞性檢驗裝置92在焊縫90中檢測到缺陷的情況時焊接裝置54的任何反向運動。這使得焊接過程更快速。[0193]在前面的描述中，關于將周向框架焊接至飛行器機身面板上，已經描述了根據本發明的焊接方法的示例和允許該方法施行的裝置的示例。
[0194]應注意的是本發明能夠應用于其他部件的焊接，特別是縱向加強件、加強桿或者橫向構件的焊接。
【權利要求】
1.一種用于焊接待裝配的至少兩個部件(22，24)的摩擦攪拌焊接系統(46)，所述摩擦攪拌焊接系統(46)包括: -焊接單元(48 )，所述焊接單元(48 )包括焊接裝置(54 )，所述焊接裝置(54 )包括設置有旋轉銷(66a，66b)的至少一個焊頭(54a，54b)； -反支承單元(50),所述反支承單元(50)提供支承表面(80),所述支承表面(80)設計成克服由每個所述焊頭(54a，54b)施加的壓力支承待裝配的所述部件(22，24)； 并且其中: -所述焊頭(54a, 54b)能夠相對于所述反支承單元(50)的所述支承表面(80)、沿著平行于每個所述焊頭的所述旋轉銷(66a, 66b)的旋轉軸線(68a, 68b)的第一方向(57)移動； -每個所述焊頭(54a，54b)能夠沿著正交于所述焊頭的所述旋轉銷(66a，66b)的所述旋轉軸線(68a，68b)的第二方向(56)移動； -所述反支承單元(50 )包括用于沿著所述第二方向(56 )移動所述支承表面(80 )的裝置； 其中，所述裝置的特征在于，所述反支承單元(50)包括設置成彼此分開并且具有共同的回轉軸線(76)的兩個夾緊輥子(62)，所述共同的回轉軸線(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，所述夾緊輥子(62 )中的每個夾緊輥子均具有形成所述支承表面的至少一部分的主周向軌道(80)。
2.根據權利要求1所述的焊接系統，其中，所述反支承單元(50)包括用于使所述夾緊輥子(62 )朝向彼此移動的裝置(58，60 )。
3.根據權利要求2所述的焊接系統，其中，所述夾緊輥子(62)中的每個夾緊輥子均具有周向肩部(82)，所述周向肩部(82)朝向外部徑向地突出，所述周向肩部(82)限定所述夾緊輥子的所述主周向軌道(80)的在與另一個夾緊輥子相反的那一側上的側部末端。
4.根據權利要求3所述的焊接系統，其中，所述夾緊輥子(62)中的每個夾緊輥子均具有副周向軌道(84)，所述副周向軌道(84)通過所述夾緊輥子的所述周向肩部(82)連接至所述夾緊輥子的所述主周向軌道(80 )。
5.用于通過使用了根據前述權利要求中任一項所述的焊接系統(46)的透明焊接來線性焊接兩個部件(22，24)的摩擦攪拌焊接(FSW)方法，其中: -所述部件(22，26，24)被疊置； -由于通過所述旋轉銷的摩擦產生的熱造成的形成所述部件的材料局部軟化，所述焊接裝置(54)的每個所述焊頭(54a，54b)的所述旋轉銷(66a，66b)在完全穿過第二部件(24)的同時被至少部分地插入至所述部件中的第一部件(22，26 )中，然后所述旋轉銷在所述第二方向(56 )上沿著所述部件之間的接觸分界面(18 )移動，因此形成焊縫(90 ); -所述反支承單元(50 )的所述支承表面(80 )壓靠所述第一部件(22，26 )并且在所述第一部件(22，26 )上沿著所述接觸分界面(18 )移動，使得抵消通過所述焊接裝置(54 )中的每個所述焊頭(54a, 54b)的所述旋轉銷(66a, 66b)在所述旋轉銷沿著所述第二方向(56)的移動期間施加的壓力。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述支承表面的所述移動借助于通過在所述第一部件(22，26 )上實施所述主周向軌道(80 )的滾動以引起所述夾緊輥子(62 )中的每個夾緊輥子圍繞所述回轉軸線(76)轉動而獲得的所述夾緊輥子(62)沿著所述接觸分界面(18)的移動來實現。
7.根據權利要求6所述的方法，其中: -所述夾緊輥子(62)各自均具有壓在所述第一部件(22，26)的邊緣上的周向肩部(82)； -所述夾緊輥子(62)各自均具有副周向軌道(84)，所述副周向軌道(84)通過所述夾緊輥子的所述周向肩部(82)連接至所述夾緊輥子(62)的所述主周向軌道(80)； -每個夾緊輥子(62 )的所述副周向軌道(84 )壓靠所述第二部件(24 )并且隨著所述夾緊輥子(62 )沿著所述接觸分界面(18 )移動而在所述第二部件(24 )上滾動。
8.根據權利要求5至7中的任一項所述的方法，其中，所述夾緊輥子(62)朝向彼此移動使得所述夾緊輥子(62)的兩個相應側壁(78)將所述第一部件(22)的部分(30)夾在中間。
9.根據權利要求5至8中任一項所述的方法，其中， -所述焊接系統(46)包括通過所述焊接單元(48)承載的非破壞性檢驗裝置(92)和/或通過所述反支承單元(50)承載的非破壞性檢驗裝置； -每個非破壞性檢驗裝置(92)以下述方式移動:使得每個非破壞性檢驗裝置(92)與所述焊接裝置(54)的每個所述焊頭(54a，54b)同步、以及相對于所述焊接裝置(54)中的每個所述焊頭(54a，54b)延后，從而能夠實現所述焊縫(90)的非破壞性檢驗。
10.根據權利要求9所述的方法，其中: -所述非破壞性檢驗裝置(92 )設置在由所述焊接單元(48 )承載的所述焊接裝置(54 )與所述第二焊接裝置(100)之間； -只要所述非破壞性檢驗裝置(92 )顯示所述焊縫(90 )中無缺陷，則所述第二焊接裝置(100)保持為非工作； -當所述非破壞性檢驗裝置(92)檢測到所述焊縫(90)的缺陷時，所述第二焊接裝置(100)被啟動，使得能夠局部地對所述部件(22，24)的焊接進行返工。
11.根據權利要求5至10中任一項所述的方法，其中: -所述焊接系統(46)包括通過所述焊接單元(48)承載的防腐蝕處理裝置(94)和/或通過所述反支承單元(50)承載的防腐蝕處理裝置； -每個防腐蝕處理裝置(94 )以下述方式移動:每個防腐蝕處理裝置(94 )與所述焊接單元(48)的每個所述焊接裝置(54，100)同步以及相對于所述焊接單元(48)的每個所述焊接裝置(54，100)延后，以及在適當的情況下，相對于形成相同部件一無論焊接單元(48)或者反支承單元(50)—的一部分的非破壞性檢驗裝置(92)延后，從而能夠將防腐蝕處理應用至所述焊縫(90)。
12.根據權利要求5至11中任一項所述的方法，其中，所述第一部件是用于飛行器的加強件(22)并且所述第二部件是用于飛行器的面板(24)。
【文檔編號】B23K20/12GK103658968SQ201310407580
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月9日 優先權日:2012年9月7日
【發明者】克里斯托夫·米亞勒, 帕特里克·利芬, 羅曼·德拉艾 申請人:空中客車營運有限公司