專利名稱：罐器和制造方法
技術領域：
本發明涉及罐器的焊接。它特別涉及利用摩擦振動焊接(FSW)技術來組裝鋁合金充壓罐器。
焊接技術是眾所熟知的。例如，諸如彌散焊接的各種固態焊接工藝已經用作某些獨特的冶金應用場合中的專門工藝。摩擦焊接是一種固態接合工藝，可以依靠以機械方式導致的摩擦運動所生成在兩個表面之間的熱量而產生融合。摩擦焊接具有某些主要的局限性，其中包括各工件的制備和對中，這對于形成均勻的摩擦和發熱可能是至關重要的，特別是具有大直徑的工件。因而，盡管過去和現在采用了許多不同類型的焊接技術工藝，但與接合高強度鋁合金有關的各種技術問題被公認為，對于在汽車結構中更為廣泛地施用鋁材和對于在鋁質宇航結構中進一步降低成本和重量都是主要的約制。
一種稱作摩擦振動焊接的新工藝提供了一種用于接合鋁合金的獨特和革新的方法，特別是為低成本高性能鋁質結構的焊接提供了一種新型設計。基本上，摩擦振動焊接是通過在接合線附近使材料塑性化隨后再予以固化而把鋁合金(以及銅合金)接合起來的。這種作業是依靠把一只非損耗性的銷柱插入接合的起始處而實現的。這種用諸如鋼材之類硬度大于工件材料的某種非損耗性材料所制成的銷柱可依靠摩擦發熱而使鋁材軟化和塑性化。銷柱隨后旋轉并在焊接方向上移動。當銷柱旋轉時，摩擦會加熱圍繞銷柱的鋁合金環形區域。隨著銷柱在焊接方向上移動，銷柱的導端面迫使灼熱的已塑性化的材料趨向銷柱的背后，填充由運動著的銷柱所留下的空間。不出現熔化現象，而留下的焊縫處在一種細粒、熱作狀況之中，沒有任何裹帶的氧氣或者氣隙。
摩擦振動焊接技術在美國專利5460317中有所說明，該專利在本文中引作參考。
摩擦振動焊接，由于其許多優點，被認為是用于組裝鋁制罐器，特別是對諸如那些用于空間發射系統之中的低溫氧氣儲存的大型鋁合金充壓罐器來說很有吸引力的工藝。由于摩擦振動焊接中包含有巨大壓緊力，在這種罐器結構的最終焊接中存在著如何在罐器內側適當地形成背面支承的問題，特別是當進入罐器內部受到限制的時候。
本發明的一項目的是，在一特別是鋁制的圓筒形罐體內側提供一種支承構件，用于支承罐體的各壁板。
本發明的又一項目的是，提供一種作為焊接接縫的剛性背面支承的支撐件。
本發明的再一項目的是，支承構件還用作已制成的罐器承載壓力容器的一個組成部分，以致支承結構不必從已完成的罐器上拆下拿開。
本發明的還一項目的是，支承構件可阻止罐器在罐內充壓氣體氣動力作用下的向外膨脹。
本發明的另一項目的是，提供一種經優化設計后的支承結構，使最終罐器重量減輕，成本降低。
本發明對于鋁制罐器各接縫在最終摩擦振動焊接期間的背面支承問題提供了一種通用解決辦法。本發明采用一種內部支承結構，它不僅在摩擦振動焊接過程期間提供用于背面支承的工具，而且在最終產品中用作罐器壓力容器的一個組成部分，以致避免從已完成的罐器上拆下支承結構并將其拿開。在其最佳實施例中，一種“車輪”式結構，被用作此內部組成工具和罐器支承。這種車輪件最好是用與罐殼一樣的鋁合金制成的。因而，為了最終沿周向把一個半球形穹頂式罐器端頭組裝到一圓筒形罐體上去，車輪件的邊緣最好是疊合并支承罐器穹頂與罐器圓筒之間的對接接縫。車輪可以在配裝到已部分組裝的罐器里面以前通過低溫冷卻車輪的方式作冷縮配合而被強制形成緊密配合。然后依靠摩擦振動焊接制成接縫，以致三個構件，即穹頂、圓筒形罐體、車輪件，同時焊接成為一三件接合體。在摩擦振動焊接過程期間，車輪件用作穹頂與圓筒形罐體周向對接的剛性背面支承。在制成的罐器中，車輪通過三件式焊接來阻止罐器在罐中充壓氣體氣動力的作用下向外膨脹，而用作為承載壓力容器的一個組成部分。
圖1是按照本發明建造的一罐器的分解透視圖。
圖2是對罐器做部分切除后的透視組裝圖。
圖3是通過周向焊縫和背面板件的軸向剖面圖。
圖4是通過焊縫18所取的切向剖面圖。
本發明提供一種焊成的罐器，大體上具有圓筒形狀，并能夠避免在其中的充壓氣體的氣動力作用下罐器的向外膨脹。此罐器的設計、結構和特點，以及其制作方法，參照描繪本發明某些示范實施例的附圖將會得到更為完整的了解。
現在參看附圖的圖1和2，其中表明本發明的一優選罐器2。一罐器穹頂4可以由周向焊縫16與罐體6適當地接合，它需要可拆除的背撐工具，或是與罐體成一體的背撐板件。在其他一些實施例中，罐體6可以做成為一單一的結構而以罐器穹頂4作為其一個組成部分，特別是在罐器較小的時候。此外，罐器穹頂蓋4也可以作為罐器組裝中的最后工序被接合于罐體6。
在其他各優選做法是，用一個將三部分聯接起來的周向焊縫18將罐體端部8及其背板支撐件10和穹頂蓋12聯接成一體。作為范例，對于用以把一半球形穹頂罐器12接合于罐體6的圓筒形端部8的此最終周向焊縫18來說，板件10可以為一車輪形態，用作內側整體化工具或罐器支承。車輪件10最好是用與罐器6同樣的鋁合金制成的。鋁制車輪10的邊緣最好疊合并支承罐器穹頂12與罐器圓筒形端部8之間的對接焊縫。車輪件10可以在配裝到已部分組裝的罐器里面以前以低溫冷卻方式作冷縮配合而強制形成緊密配合。然后依靠摩擦振動焊接制成焊縫18，以便三個構件，即穹頂、圓筒主體端部8和背撐板件或車輪件10，利用一摩擦振動焊接工具20同時焊接成為三部分接合體。由于在摩擦振動焊接過程期間所施加的壓力，車輪件10用作穹頂與圓筒周向對接的剛性背向支承。在制成的罐器中，車輪件作為承載壓力容器的一個組成部分。依靠通過三件式焊接來阻止罐器在罐器中充壓氣體的氣動力作用下的向外膨脹。這樣設計的車輪件使最終罐器的重量減輕，成本下降。
參照附圖的圖3和4，其中各同樣的編號指的是各同樣的零部件，圖中一旋轉工具心軸22的端部是一摩擦銷柱24，方向26表示心軸和銷柱的轉動方向。方向28表示焊接前行方向。如圖3和4所示，依靠圖示摩擦振動焊接工具20的動作完成一個連接三部分的周向焊縫18。
可以理解，支承構件10的主要功能是要在摩擦振動作業期間用作一背撐板件或工具。對于某些應用場合，其隨之而來的功能是，作為壓力容器結構的一個整體組成部分，免除了從已組裝的罐器中拆除笨重工具的必要。在充壓罐器用于在重量限制很大的空間發射系統之中儲存低溫氧氣時，這一點可能具有特殊的重要性，尤其是當進入罐器內部的通路又受到限制的時候。一但罐器組裝完畢，根據具體用途，諸如用于空間發射系統之中，就可以通過各孔口(未畫出)向罐器內部加氧氣，隨后將各孔口密封。
應當認識到，在本發明所制作的罐器的設計和作業方面可以作出各種不同的變更而不偏離本發明的精神。因而，應當理解，在所附各項權利要求的范圍之內，本發明可以以不同于所圖示和所說明的另外方式予以實施。
權利要求
1.一種具有預定長度的罐器，具有一圓筒形主體和至少一個穹頂式罐端構件，所述罐器能夠避免在其中的充壓氣體的氣力動力作用下向外膨脹，它包括一伸長的圓筒形罐體，其中具有一支承構件，用于支承所述罐體的各壁板；一穹頂式罐端構件，同所述罐器的主體以及支承構件接觸；所述罐器端部與所述圓筒形罐器主體構成一圓筒形對接接縫，支承構件的邊緣疊合和支承罐器穹頂與罐器圓筒主體之間的對接接縫，所有三個構件同時焊在一起成為一個三件式接合件，以使支承構件用作穹頂式圓筒周向對接接縫的一個剛性背面支承，并隨后用作已完成的罐器的承載壓力容器的一個組成部分，從而避免在罐器中充壓氣體動力的作用下向外膨脹。
2.按照權利要求1所述的罐器，其中穹頂、圓筒主體和整體組合支承結構利用一種摩擦振動焊接工藝同時焊接成為一個三件式接合體。
3.按照權利要求1所述的罐器，其中組合焊成的壓力容器支承構件為一車輪形狀，整體地連接于穹頂和圓筒周向對接接縫。
4.按照權利要求3所述的罐器，其中車輪件、罐器主體和罐器穹頂由一種或多種鋁合金制成。
5.按照權利要求4所述的罐器，其中車輪件、罐器主體和罐器穹頂由同一種鋁合金制成。
6.一種用于制作一罐器的方法，此罐器可以防止罐器在其中盛放的充壓氣體的氣動力作用下向外膨脹，此方法包括制備一部分組裝的罐器，同罐體里面一支承構件緊密配合；把一圓筒形穹頂端部對接于所述罐器主體；以及利用摩擦振動焊接組裝罐器，以使圓筒形主體、支承構件和穹頂，在把支承構件利用于摩擦振動焊接過程的同時，三者同時焊接成為一個三件式接合體。
7.按照權利要求6所述的方法，其中支承構件為一車輪形狀。
8.按照權利要求7所述的方法，其中車輪件在配裝到已部分組裝的罐器內部以前以低溫冷卻車輪件的方式作冷縮配合而緊密配合在圓筒形主體之內，然后允許車輪件作熱力膨脹而緊密配合在罐器內部。
9.按照權利要求8所述的方法，其中低溫氣體用于冷卻車輪件，以便使車輪件在罐器圓筒內部形成緊密冷縮配合。
10.按照權利要求8所述的方法，其中車輪件的邊緣疊合支承罐器穹頂與罐器圓筒形主體之間的對接接縫，然后車輪件、罐器穹頂和罐器圓筒形主體利用摩擦振動焊接同時焊接成為一個三件式接合體，這一過程需要一種高強度的、剛性背面支承結構。
11.按照權利要求7所述的方法，在進行摩擦振動焊接之前，罐器、穹頂和車輪件由一種或多種鋁合金制成。
12.按照權利要求11所述的方法，罐器、穹頂和車輪件由同一種鋁合金制成。
全文摘要
在建造具有端部穹頂的圓筒形罐器而穹頂由振動摩擦焊接予以裝接時,將車輪件在罐器圓筒和穹頂的界面處安置在罐器內側,使其為振動摩擦焊接工具所施加的壓力提供了背面支承,并且通過采用振動摩擦焊接工藝將其焊接在罐器里而加強了焊接區域和罐器的強度。
文檔編號B23K37/06GK1184905SQ97119618
公開日1998年6月17日 申請日期1997年9月25日 優先權日1996年9月27日
發明者克利福德·C·班普頓 申請人:波音北美公司