阅读说明：本技术 在摩擦焊接期间减少应力和变形的系统和方法 (System and method for reducing stress and distortion during friction welding ) 是由 布莱恩·克里斯托弗·加里尔斯 狄恩·弗雷德里克·格雷伯 威廉·维克托·奥兹尼 于 2020-03-25 设计创作，主要内容包括：一种在摩擦焊接处理期间减少部件中的应力和变形的方法,包括将部件的第一工件和第二工件固定在惯性焊接机器内,使得第一工件和第二工件彼此相对地固定。该方法还包括至少部分地围绕第一工件和/或第二工件将至少一个环形支撑构件固定在相比于第一工件和/或第二工件的剩余部分具有减少的横截面的位置。此外,该方法包括将第一工件旋转到预定的旋转速度。此外,该方法包括将第二工件与旋转的第一工件接合以在第一工件和第二工件之间产生摩擦热,从而将第一工件和第二工件焊接在一起。因此,环形支撑构件在焊接期间支撑具有减少的横截面的位置。(A method of reducing stress and distortion in a component during a friction welding process includes securing a first workpiece and a second workpiece of the component within an inertia welding machine such that the first workpiece and the second workpiece are secured relative to one another. The method further includes securing at least one annular support member at a location having a reduced cross-section compared to a remainder of the first and/or second workpiece at least partially around the first and/or second workpiece. Further, the method includes rotating the first workpiece to a predetermined rotational speed. Further, the method includes engaging a second workpiece with the rotating first workpiece to generate frictional heat between the first and second workpieces to weld the first and second workpieces together. Thus, the annular support member supports the location having the reduced cross-section during welding.)

在摩擦焊接期间减少应力和变形的系统和方法

技术领域

本公开大体上涉及摩擦焊接，特别地，本公开涉及在摩擦焊接期间使用一个或多个桥接环减少应力和变形的系统和方法。

背景技术

在惯性焊接中，第一工件被旋转到特定速度，然后第二工件被强制与第一工件摩擦接合，产生摩擦热将两个部件焊接在一起，而不会在接触区域熔化。惯性焊接是一种对特定材料要求较高锻造温度的锻造工艺。上锻造温度通常是材料的熔化温度。下锻造温度是完成惯性焊接的最低温度。

典型的惯性焊接机器包括相对的第一机器头部(machine head)和第二机器头部，第一工件和第二工件可以彼此相对地固定在该机器头部上。第一机器头部是可旋转的并且通过合适的马达驱动，用于将头部和第一工件旋转到精确的旋转速度。第二机器头部是不可旋转的并且仅支撑第二工件。第一机器头部包括一个或多个飞轮，以提供用于影响两个工件的焊接的转动惯量。第二机器头部可以通过动力活塞轴向平移，该动力活塞在相当大的压缩焊接载荷下将第一工件和第二工件接合在一起。因此，第二工件摩擦地接合和对旋转的第一工件进行制动，在第一工件和第二工件之间的接触区域产生摩擦热，该摩擦热提高其温度以在不熔化的情况下进行惯性焊接点。

大型发动机部件通常具有变化尺寸的横截面，因此整个部件的应力也是变化的。例如，对于某些大型发动机部件(例如转子)，制造该零部件通常需要多个惯性焊接点。然而，惯性焊接通常在现有焊接位置处(即从一个焊接点到下一个焊接点)的工件中具有高应力，该应力可以使其形状永久变形或破坏其形状。例如，在现有焊接位置处的工件的几何形状通常具有减少的横截面面积。因此，在焊接期间的载荷可以在先前的焊接位置处产生弯矩。

因此，本领域中解决上述问题的经由惯性焊接制造部件的改进的系统和方法是受欢迎的。因此，本公开旨在改进惯性焊接处理，该处理在焊接期间利用环形支撑构件，其暂时改变工件的几何形状，以平衡零部件的载荷分布，从而减少焊接期间的应力和变形。

发明内容

本发明的方面和优点将在下面的描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来了解。

在一个方面，本公开涉及一种在摩擦焊接处理期间减少部件中的应力和变形的方法。该方法包括将部件的第一工件和第二工件固定在惯性焊接机器内，使得第一工件和第二工件彼此相对地固定。该方法还包括至少部分地围绕第一工件和/或第二工件将至少一个环形支撑构件固定在相比于第一工件和/或第二工件的剩余部分具有减少的横截面的位置处。此外，该方法包括将第一工件旋转到预定的旋转速度。此外，该方法包括将第二工件与旋转的第一工件接合以在第一工件和第二工件之间产生摩擦热，从而将第一工件和第二工件焊接在一起。因此，环形支撑构件在焊接期间支撑具有减少的横截面的位置。

在另一方面，本公开涉及一种在摩擦焊接处理期间减少部件中的应力和变形的方法。该方法包括在第一焊接点处经由摩擦焊接将部件的第一工件和第二工件接合在一起。该方法还包括至少部分地围绕第一焊接点固定第一环形支撑构件以暂时增加第一焊接点的横截面尺寸和/或面积。此外，该方法包括在第二焊接点处经由摩擦焊接将第三工件接合到部件的接合的第一工件和第二工件。因此，第一环形支撑构件在第三工件的焊接期间支撑第一焊接点。

在又一方面，本公开涉及一种在摩擦焊接处理期间减少部件中的应力和变形的环形支撑构件组件。环形支撑构件组件包括至少一个环形支撑构件，该环形支撑构件的尺寸定成围绕第一工件和/或第二工件在具有减小的横截面的位置处固定。环形支撑构件具有环状主体部分和在主体部分的外表面上周向地布置的多个突起。因此，突起被构造成在焊接工艺期间支撑具有减少的横截面的位置。

参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。包含在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

附图说明

本说明书参照附图，对本领域普通技术人员公开了本发明的全部和使能的内容，包括本发明的最佳模式。

图1示出了根据本公开的惯性焊接机器的一个实施例的立体图；

图2示出了根据本公开的经由惯性焊接机器形成的转子的一个实施例的立体图；

图3示出了根据本公开的经由惯性焊接机器形成的转子的一个实施例的横截面视图，特别是示出了围绕转子布置的多个支撑构件，用于在随后的焊接处理期间支撑现有焊接点；

图4示出了根据本公开的用于在惯性焊接处理期间支撑现有焊接点的环形支撑构件的一个实施例的立体图；

图5示出了根据本公开的用于在惯性焊接处理期间支撑现有焊接点的环形支撑构件的另一实施例的立体图；

图6示出了根据本公开的用于在摩擦焊接处理期间减少部件中的应力和变形的方法的一个实施例的流程图；以及

图7示出了根据本公开的用于在摩擦焊接处理期间减少部件中的应力和变形的方法的另一实施例的流程图。

在本说明书和附图中参考字符的重复使用是为了表示本发明的相同或类似的特征或元件。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的现有实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细说明使用数字和字母名称来指代附图中的特征。附图和说明书中的类似或相似名称被用来指代本发明中的类似或相似部分。如本文所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换地用于区分一个部件和另一个部件，并且不意在表示各个部件的位置或重要性。此外，如本文所使用的，近似的术语，例如“近似”、“基本上”或“大约”指代误差在百分之十的范围内。

现在参考附图，图1示出了惯性焊接机器10，用于惯性焊接具有任何合适的配置的多个工件或零部件15、12。在示出的实施例中，工件15、12是惯性焊接在一起的环形构件，用作飞行器燃气涡轮发动机中的燃烧室、涡轮或压缩机结构外壳或压力容器。因此，如图所示，工件15、12彼此同轴对齐，并且具有相对的焊接工件形状(预备部)或在其上施加惯性焊接的接触区域16。焊接预备部16具有平均直径D和焊接预备部厚度T。

此外，如图所示，机器10包括适当地固定到第一工件15的第一机器头部18和适当地固定第二工件12的第二机器头部20。此外，如图所示，第一机器头部18可以可操作地接合到合适的马达22(例如液压马达)，用于在操作期间以合适的旋转速度(以每分钟转数(RPM)表示)旋转。适当地附接到第一机器头部18的是一个或多个环形飞轮24，其选择性地用于控制第一机器头部18的旋转质量惯性矩以影响惯性焊接能量。

因此，马达22和第一机器头部18的一端可以适当地附接到支撑框架26，在支撑框架26的一端，而第二机器头部20可以通过合适卡架(truck)或托架28承载在框架26的另一端。因此，第二机器头部20在卡架28上不旋转，并且卡架28可操作地接合到液压活塞30，该液压活塞30被构造成在框架26上水平移动卡架28以在特定焊接载荷或力F(例如用磅力表示)下使第一工件15和第二工件12在焊接预备部16处接合。

图1的第一工件15和第二工件12示出为简单的圆柱形工件。然而，在现实中，第一工件15和第二工件12不必是厚的圆柱形零部件。相反，如图2所示，该部件由具有不同横截面的多个工件15、12、13、14构成。更具体地，图2示出了使用惯性焊接制成的部件的一部分的一个实施例的简化立体图，因此示出了本公开。在一个实施例中，该部件可以由高强度、耐热超合金材料构成，以在飞行器燃气涡轮发动机的各种热区段部件中使用。例如，如图2所示，该部件可以对应于燃气轮机发动机的转子34。典型的涡轮超合金可以是镍基的，并且可以具有低于其熔化温度的约200°F的锻造温度。例如，工件15、12的超合金材料可以是镍基的，并且包括这些商用的商标镍基合金(Inconel)、耐高热镍基合金(Waspaloy)、耐盐酸镍基合金(Hastelloy)和雷内合金(Rene)，其具有各种合金名称，例如Inconel 718、Rene95和Rene 88，所有这些都具有通常已知的相应的AMS规范。燃气涡轮发动机的其他部件(例如定子)也可以根据本文描述的方法制造。在另一实施例中，本文描述的制造方法也可应用于燃气涡轮发动机之外的部件。

如图2所示，转子34可以具有四个转子级或盘38、40、42、43。应该了解的是，转子级的数量可以因燃气涡轮发动机的类型而有所不同。因此，各种转子级使用本文描述的惯性焊接技术焊接在一起。因此，如图3所示，示出了根据本公开的惯性焊接机器10的一个实施例的横截面视图。更具体地，如图所示，转子34可以由使用惯性焊接机器10焊接在一起的多个工件15、13、12、14构成。此外，如图所示，环状或环形支撑构件组件100围绕工件15、13、12、14中的一个或多个设置，用于在摩擦焊接处理期间减少转子34中的应力和变形。例如，如图所示，环形支撑构件组件100包括至少一个环形支撑构件102，用于围绕各种工件15、13、12、14固定，例如，相比于第一工件和/或第二工件15、13、12、14的剩余部分，在具有减少的横截面的位置处固定。更具体地，如图所示，减少横截面的位置可以对应于包含焊接点104的区域。惯性焊接通常在先前的焊接位置处的工件中具有高应力，这可以使其形状永久变形或破坏。因此，本文描述的环形支撑构件102可以放置在焊接位置处，以在进一步的焊接处理期间提供支撑。

应该理解的是，本文描述的环形支撑构件102可以部分地围绕工件15、13、12、14和/或完全地围绕工件15、13、12、14延伸。此外，在焊接处理期间可以利用任何合适数量的环形支撑构件102。举例来说，图3的环形支撑构件组件100包括两个环形支撑构件102，使得转子34的每个现有焊接点104(或需要附加支撑的任何区域)在随后工件的焊接期间被完全地支撑。因此，在附加实施例中，可以在焊接处理期间使用多于两个或少于两个环形支撑构件102。

现在参考图4和图5，示出了根据本公开的环形支撑构件102的不同实施例的立体图。因此，应该理解的是，基于环形支撑构件102意图安装在工件上的位置，本文描述的环形支撑构件102可以具有相同的形状或不同的形状。一般而言，本公开的每个环形支撑构件102可以包括环状主体部分106和从主体部分106延伸的多个突起108。在这样的实施例中，突起108被构造成，即，通过在包含焊接点104的转子34(图3)的凹槽110内至少部分地延伸来支撑焊接点104的位置。此外，如图所示，环形支撑构件102的每个突起108可以围绕主体部分106周向地布置，并经由间隙112与相邻突起隔开。在进一步的实施例中，突起108可以与主体部分106集成，或者可以分离地附接到主体部分106。

此外，如图所示，本文所述描述的环形支撑构件102可以经由一个或多个铰链114围绕工件15、13、12、14固定。更具体地，环形支撑构件102可以在一个或多个位置处拆分，使得铰链114的打开打开环形支撑构件102，使得其可以围绕一个工件滑动。环形支撑构件102还可以包括一个或多个顶升特征116，其可以在环形支撑构件102卡住时使用。在这种情况下，顶升特征116被构造成迫使突起108脱离转子34的凹槽。在更进一步的实施例中，环形支撑构件102可以基于其期望位置具有相同的特征或不同的特征。例如，如图4所示，示出的环形支撑构件102包括多个切口118，用于向支撑构件102提供增加的灵活性。例如，在某些实施例中，切口118在夹紧转子34期间允许环形支撑构件102减小其直径。

现在参考图6，示出了用于在惯性/摩擦焊接处理期间减少部件中的应力和变形的方法200的一个实施例的流程图。通常，本文将参考图1和图3中的惯性焊接机器10来描述方法200。然而，应该理解的是，所公开的方法200可以利用具有任何其他合适配置的惯性焊接机器来实现。此外，尽管图6为了说明和讨论的目的描绘了以特定顺序执行的步骤，但是本文讨论的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文提供的公开的本领域技术人员将理解的是，在不偏离本公开的范围的情况下，本文公开的方法的各种步骤可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或适用。

如在(202)处所示，方法200包括至少部分地围绕第一工件15和/或第二工件15将至少一个环形支撑构件102固定在相比于第一工件和/或第二工件的剩余部分具有减少的横截面的位置处。如在(204)处所示，方法200包括将转子34的第一工件15和第二工件12固定在惯性焊接机器10内，使得第一工件15和第二工件12彼此相对地固定。如在(206)处所示，方法200进一步包括将第一工件15旋转到预定的旋转速度。如在(208)处所示，方法200包括使第二工件12与旋转的第一工件15接合以在第二工件12与第一工件15之间产生摩擦热，从而将第一工件15和第二工件12焊接在一起。因此，如前所述，环形支撑构件102在焊接期间支撑具有减少的横截面的位置。

更具体地，在某些实施例中，第一机器头部18和附接的第一工件15被加速到预定的旋转速度，然后活塞30被启动以驱动卡架28和附接的第二工件12，在预定的焊接载荷F在焊接预备部16处与第一工件15摩擦接合。施加焊接载荷时，马达22从第一机器头部18断开，其在液压马达的情况下通过简单地中断液压压力来完成，并且飞轮24的惯性在接合的焊接预备部16处赋予能量，焊接预备部16在第二工件12摩擦地制动旋转的第一工件15时进行摩擦加热。在焊接预备部16处产生的摩擦局部地增加两个工件15、12的温度到低于工件的熔化温度的温度，但足够高以进行两者之间的锻造摩擦焊接。此外，环形支撑构件102在惯性焊接处理期间支撑现有焊接位置。

现在参考图7，示出了用于在惯性/摩擦焊接处理期间减少部件中的应力和变形的方法300的一个实施例的流程图。通常，本文将参考图1和图3中的惯性焊接机器10来描述方法300。然而，应该理解的是，所公开的方法300可以利用具有任何其他合适配置的惯性焊接机器来实现。此外，尽管图7为了说明和讨论的目的描绘了以特定顺序执行的步骤，但是本文讨论的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文提供的公开的本领域技术人员将理解的是，在不偏离本公开的范围的情况下，本文公开的方法的各种步骤可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或适用。

如在(302)处所示，方法300包括在第一焊接点处经由摩擦焊接接合部件的第一工件和第二工件。如在(304)处所示，方法300包括至少部分地围绕第一焊接点固定第一环形支撑构件，以暂时增加第一焊接点的横截面尺寸和/或面积。如在(306)处所示，方法300包括在第二焊接点处经由摩擦焊接将第三工件接合到部件的接合的第一工件和第二工件。因此，第一环形支撑构件在第三工件的焊接期间支撑第一焊接点。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域内的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本发明的可专利范围通过权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的文字语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意在权利要求的范围内。

本发明的进一步方面通过以下条项的主题提供：

1.一种在摩擦焊接处理期间减少部件中的应力和变形的方法，所述方法包括：将所述部件的第一工件和第二工件固定在惯性焊接机器内，使得所述第一工件和所述第二工件彼此相对地固定；至少部分地围绕所述第一工件和/或所述第二工件将至少一个环形支撑构件固定在相比于所述第一工件和/或所述第二工件的剩余部分具有减少的横截面的位置处；将所述第一工件旋转到预定的旋转速度；以及使所述第二工件与旋转的所述第一工件接合以在所述第一工件和所述第二工件之间产生摩擦热，从而将所述第一工件和所述第二工件焊接在一起，其中，所述至少一个环形支撑构件在焊接期间支撑具有所述减少的横截面的所述位置。

2.根据任何在前条项的方法，其中，具有所述减少的横截面的所述位置包括焊接点。

3.根据任何在前条项的方法，其中，所述至少一个环形支撑构件完全地围绕所述第一工件和/或所述第二工件固定。

4.根据任何在前条项的方法，其中，所述至少一个环形支撑构件包括环状主体部分和从所述主体部分延伸的多个突起，所述多个突起被构造成支撑具有所述减少的横截面的所述位置。

5.根据任何在前条项的方法，其中，所述至少一个环形支撑构件的所述多个突起中的每一个突起经由间隙与相邻突起隔开，所述多个突起围绕所述主体部分周向地布置。

6.根据任何在前条项的方法，其中，至少部分地围绕所述第一工件和/或所述第二工件将所述至少一个环形支撑构件固定进一步包括至少部分地围绕所述第一工件和/或所述第二工件将多个环形支撑构件固定在相比于所述第一工件和/或所述第二工件的剩余部分具有减少的横截面的多个位置处。

7.根据任何在前条项的方法，其中，所述至少一个环形支撑构件进一步包括用于帮助移开所述至少一个环形支撑构件的一个或多个顶升特征。

8.根据任何在前条项的方法，其中，所述至少一个环形支撑构件经由一个或多个铰链至少部分地围绕所述第一工件和/或所述第二工件固定。

9.根据任何在前条项的方法，其中，所述部件包括燃气涡轮机发动机的转子或定子中的至少一个。

10.一种在摩擦焊接处理期间减少部件中的应力和变形的方法，所述方法包括：在第一焊接点处经由摩擦焊接将所述部件的第一工件和第二工件接合在一起；至少部分地围绕所述第一焊接点固定第一环形支撑构件，以暂时增加所述第一焊接点的横截面尺寸和/或面积；以及在第二焊接点处经由摩擦焊接将第三工件接合到所述部件的接合的所述第一工件和所述第二工件，其中，所述第一环形支撑构件在所述第三工件的焊接期间支撑所述第一焊接点。

11.根据任何在前条项的方法，进一步包括：至少部分地围绕一个或多个附加焊接点固定一个或多个附加环形支撑构件，以暂时增加所述一个或多个附加焊接点的横截面尺寸和/或面积；以及在所述一个或多个附加焊接点处经由摩擦焊接将一个或多个附加工件接合到所述部件的接合的所述第一工件、所述第二工件和所述第三工件上，其中，所述第一环形支撑构件和所述一个或多个附加环形支撑构件在所述一个或多个附加工件的焊接期间为所述第一焊接点和所述一个或多个附加焊接点提供支撑。

12.根据任何在前条项的方法，其中，所述第一环形支撑构件包括环状主体部分和从所述主体部分延伸的多个突起，所述多个突起被构造成支撑具有所述第一焊接点的所述位置。

13.根据任何在前条项的方法，其中，所述第一环形支撑构件的所述多个突起中的每一个突起经由间隙与相邻突起隔开，所述多个突起围绕所述主体部分周向地布置。

14.一种在摩擦焊接处理期间减少部件中的应力和变形的环形支撑构件组件，所述环形支撑构件组件包括：至少一个环形支撑构件，所述至少一个环形支撑构件的尺寸定成围绕第一工件和/或第二工件在具有减少的横截面的位置处固定，所述至少一个环形支撑构件包括环状主体部分和在所述主体部分的外表面上周向地布置的多个突起，所述多个突起被构造成在焊接工艺期间支撑具有所述减少的横截面的所述位置。

15.根据任何在前条项的环形支撑构件组件，其中，具有所述减少的横截面的所述位置包括焊接点。

16.根据任何在前条项的环形支撑构件组件，其中，所述至少一个环形支撑构件的所述多个突起中的每一个突起经由间隙与相邻突起隔开。

17.根据任何在前条项的环形支撑构件组件，其中，所述至少一个环形支撑构件进一步包括一个或多个铰链，所述一个或多个铰链用于将所述至少一个环形支撑构件固定到所述第一工件和/或所述第二工件。

18.根据任何在前条项的环形支撑构件组件，进一步包括多个环形支撑构件，所述多个环形支撑构件用于围绕所述第一工件和/或所述第二工件在具有减少的横截面的多个位置处固定。

19.根据任何在前条项的环形支撑构件组件，其中，基于每个环形支撑构件意图安装在所述第一工件和/或所述第二工件上的位置，所述多个环形支撑构件各自具有不同形状。

20.根据任何在前条项的环形支撑构件组件，其中，所述至少一个环形支撑构件进一步包括一个或多个顶升特征。