[发明专利]具有多个偏心轮的线性摩擦焊接系统

说明书

技术领域

本发明涉及线性摩擦焊接。

背景技术

摩擦焊接（FW）是连结可以由相同或不同材料制成的两个部件的一种工艺。FW工艺典型地涉及用大量值的力将这两个部件中的一个按压在另一个部件上并且使这两个部件中的一个相对另一个部件快速地运动以在这两个部件的界面处产生摩擦。这种压力和运动产生足够的热量以引起这些部件开始塑化。一旦这两个部件在接触界面处被塑化，则终止这两个部件的相对运动并且施加一个增大的力。随着这些部件在这种静止状态下冷却，在该接触界面处形成一种焊接。

使用FW所获得的焊接是一种固态结合，这种固态结合是高度可重复的并且可易于验证的。例如，每个部件对于形成这种焊接而贡献的材料（被称为“缩锻（upset）”）的量是容易限定的。因此，通过小心地控制以摩擦和锻压压力的形式输入该FW系统中的能量，一个焊接的组件的所测量出的缩锻提供了关于所获得的焊接的性质的验证。

如以上论述的，这两个部件的相对运动是FW的一个关键方面。已经开发出不同的途径来提供所希望的相对运动。一个广泛使用的途径是转动摩擦焊接（RFW）。RFW涉及一个部件围绕一条焊接轴线的转动。RFW提供许多益处并且因此在包括航空航天工业和能源工业的各种工业中是一种有利的焊接途径。

然而，RFW具有一些限制。例如，在形成一个焊接时，这两个部件之间的界面必须被均匀地加热，以便在这些部件中的每一个之内、遍及该焊接界面产生一致的塑性。如果一个区域变得比另一个区域热，则那个较热区域中的材料将会较软，从而在所形成的焊接中导致不一致性。为了提供遍及该部件界面一致的热量产生，被转动的部件有必要成形为围绕转动轴线是一致的，即成圆形的。此外，因为所产生的热量是这两个材料之间的相对速度的一个函数，所以朝向该被转动的部件的周边将会产生更多热量，因为在该周边处的相对速度比在转动轴线处的相对速度高。

针对RFW的这些限制，开发出了线性摩擦焊接（LFW）。在LFW中，这种相对运动由一种旋转运动被修改成沿焊接轴线的一种振动运动。通过控制这种线性移动的幅度和频率，可以控制在部件界面处产生的热量。

LFW因此允许对表现出大致一致的宽度的一个部件进行焊接。与RFW一样，LFW有多种不同限制。一个这样的限制在于：由于被振动部件的线性移动，LFW表现出沿该焊接轴线的不一致加热。例如，当沿该焊接轴线焊接具有同一长度的两个部件时，这两个部件是在所希望的焊态位置上对齐的。由于先前LFW系统的性质，这个位置与被移动的这个部件的最后方的位置相对应。被振动部件的前缘然后被移动到超过了静止部件的对应的边缘一个距离，该距离等于振动的幅度。此外，在该被振动部件的前缘移动超过该静止部件的对应的边缘时，该被振动部件的后缘使该静止部件的一部分暴露。因此，振动部件的移动超过了该静止部件的对应边缘的这个部分以及该静止部件的暴露部分将不会以与部件界面处的其余表面相同的速率加热。因此，制造过程必须顾及这些焊接的不一致性，如通过在所形成的焊接的前缘和后缘处机械加工除去这些焊接的部件的一部分。

此外，为了达到要实现焊接所必要的频率和幅度，LFW装置必须提供从一个完全停止开始的快速加速。于是该移动部件必须被完全停止并且在一个相反方向上被再次加速。随着被振动的部件的大小的增加，必须进行控制的动量是成问题的。因此，传统LFW装置并入了非常昂贵的多个大规模部件。

LFW工艺的一个相关限制在于：这两个部件之间的相对运动必须被终止以便恰当地形成这种焊接。仅仅去除动力不会去除该被振动部件的动量。另外，该运动部件在其被止动时的任何“回弹”或阻尼振动都会削弱最终的焊接，因为振动运动一被减小，塑化的金属就开始冷却。

解决使该运动部件快速止动的这种需要的一种途径是堵塞该运动引发系统，如通过将一个装置强制地插入到该运动引发系统之中。以这种方式冻结该系统可以提供所希望的停止时间。然而，这种途径导致显著的力被传输通过该系统，从而必须有多个特大尺寸的部件才能够经受住冲击。此外，该被振动部件相对于该静止部件的确切位置是未知的。因此，制造工艺必须考虑到可能等于振动幅度的一个可能的位置误差。

因此，提供一致焊接的LFW系统和方法是有益的。允许系统内的多个较小部件的一种LFW系统和方法将会是有益的。减少与该LFW工艺相关联的这些误差的一种LFW系统和方法更是有益的。

发明内容