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CN1500587A - 利用摩擦搅动焊接修补部件中的裂缝的方法 - Google Patents

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CN1500587A CNA200310102452A CN200310102452A CN1500587A CN 1500587 A CN1500587 A CN 1500587A CN A200310102452 A CNA200310102452 A CN A200310102452A CN 200310102452 A CN200310102452 A CN 200310102452A CN 1500587 A CN1500587 A CN 1500587A
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Abstract

本发明公开了一种修补部件(12)中的裂缝(14)的方法，该方法包括清理用于修补的裂缝(14)的周围表面(22)；以及将裂缝(14)第一侧(26)上的部件(12)的第一部分(24)摩擦搅动焊接到在裂缝(14)第二侧(30)上的部件(12)的第二部分(28)上，由此形成熔接裂缝区域(50)。该方法也可以包括将一补丁(78)施加到熔接裂缝区域(50)上，以用于提供附加的强度。

Description

利用摩擦搅动焊接修补部件中的裂缝的方法
技术领域
本发明总地涉及航空交通工具系统，并尤其涉及修补飞机部件中的裂缝的方法。
背景技术
目前，飞机的寿命比前些年要长，并且可以预见和期待在将来寿命得到持续增长。很多飞机的寿命变长，并因此，在飞机工作过程中，飞机部件使用比它最初预期并设计的时间要长得多。
由于飞机部件较长的使用寿命，与部件的疲劳寿命相关的问题已经变得明显，尤其是，裂缝的产生、裂缝生长以及相关壳体已受到关注。增长的寿命已经导致裂缝数量增多，从而使飞机部件中现存的裂缝扩展并且生长量增大。裂缝的产生和生长也由于潜在地会使飞机不能工作、修补裂缝所包含的时间和成本、以及在修补后裂缝生长的再度发生而至关重要。在军用和商用飞机中裂缝的修补成本较高，并且通常情况下，裂缝修补仅仅为暂时的解决方案。
典型的是，利用以下方法之一阻止或修补裂缝生长。阻止裂缝生长是通过在裂缝的每个端部钻一个孔来进行的，这通常称为阻塞钻孔(stopdrilling)。阻塞钻孔仅为暂时修理，一般在一段时间后裂缝又生长，这是由于裂缝周围的区域疲劳，并且附加的孔进一步使部件弱化。
修补裂缝的一种方法包括利用合成补丁(composite patch)，该补丁通过使用结构粘接剂(structural adhesive)直接施加到裂缝上，并粘结到所关注的部件上，与该部件形成接合。合成补丁将裂缝附近部件各部分上承受的载荷传导到围绕裂缝的区域上。粘接剂一般是环氧树脂，但是也可以是胶水、浆糊、或粘接剂带的形式。在需要较高强度以用于特定的结构区域时，合成补丁是优选的。
另一种修补裂缝的方法包括将金属补丁施加到裂缝上。金属补丁经由多个紧固件，如铆钉或螺钉紧固到所关注的部件上，与部件也形成接合，这使用大量劳动力。当所关注的部件应用于存在较大的温度变化的用途中，金属材料是优选的。在温度变化大的用途中，同样优选的是，补丁与部件的材料类似或相同，以便部件与补丁具有相似的膨胀和收缩特性。在补丁和部件为类似材料时，补丁和部件之间的接合可以较好地承受温度变化。
尽管修补方法比较耐久，并且比阻塞钻孔方法保持更长的时间段，但是它们也仅仅是暂时的。从而，上述方法中没有一个可以完全修补或消除裂缝，并最终消除裂缝再次生长。
因此，需要提供一种更可靠的裂缝修补技术，该技术对裂缝的产生和生长提供更永久的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种修补飞机部件中的裂缝的方法。该方法包括准备用于清理(prepare)的裂缝的周围表面，并将裂缝第一侧上的部件的第一部分焊接到裂缝第二侧上的部件的第二部分上，以形成熔合的裂缝区域。该方法还包括将补丁施加到融合的裂缝区域上，以用于提供附加的强度。
本发明具有若干优于现存裂缝修补技术优点，本发明的一个优点为它提供了一种不熔化部件的材料的修补裂缝的焊接方法，由此产生最小的扭曲、最小残余应力以及对部件化学和物理性质的最小改变。
本发明的另一优点为它提供了一种熔接裂缝周围的材料的方法，而传统上该材料被认为是不可焊接的。
此外，本发明提供了一种比传统修补技术更耐用且更持久的修补裂缝方法。
结合附图，参照下面的详细描述，本发明本身与它的其他目的和随之而来的优点将得以更清楚地理解。
附图说明
图1是根据本发明实施例的具有带裂缝部件的飞机的透视图；
图2是根据本发明实施例的部件的局部放大透视图；
图3是说明根据本发明实施例的修补裂缝的方法的逻辑流程图；
图4是根据本发明的塞焊(plug welding)技术中所使用的示例塞子的透视图；
图5是根据本发明实施例的来自摩擦搅动焊接的局部排出孔的俯视局部放大透视图；
图6是部件的局部放大透视图，说明了根据本发明实施例的超出排放通孔之外的摩擦搅动焊接；
图7是部件的局部放大透视图，说明了根据本发明实施例的在裂缝端部钻出的完结孔(finished hole)；
图8是部件的局部放大透视图，说明了根据本发明实施例的紧固件使用方式；
图9是部件的局部放大透视图，说明了根据本发明实施例的在摩擦搅动焊接到部件的边缘上时接头材料的使用方式；以及
图10是说明根据本发明实施例的多裂缝修补技术的曲线。
具体实施方式
虽然本发明相对于修补飞机部件的裂缝的方法加以描述，但是本发明适用于各种用途中，包括：航空交通工具、路基交通工具、海上交通工具或其它现有技术中公知的需要修补裂缝的用途中。
在下面的描述中，各种操作参数和部件是为了一项构筑的实施例而描述的，这些特定的参数和部件是作为示例包括在内的，而不意味着作为限制。
同样，在下面的描述中，术语“部件”指任何交通工具的部件，包括嵌板、加强件(stiffner)、桁梁、肋、或其它现有技术中已知的交通工具部件。该部件可以由铝、镁、钢、铜、钛或诸如因科镍合金的镍基合金。铝可以是现有技术中公知的各系列类型，如2000、5000、6000、7000和8000系列铝。该部件也可以由现有技术中已知的其他一些材料形成。
另外，飞机工业利用各种部件形式的特殊的通常不可焊接的材料，这是由它们的物理特性的固有优点所致。固有优点比通常不可焊接材料超出成本低的可焊接材料的增大的成本更重要。例如，很多飞机的嵌板由2000和7000系列的铝形成，而不是5000和6000系列的铝，这是由其中包含的重量轻和耐久的特性所致。由于2000和7000系列的铝已经公知为不可焊接，具有尺寸大到需要修补的裂缝的这种材料形成的部件或是废弃，或是尝试前面描述的暂时修补方法中的一种来延长该部件的寿命。废弃的飞机部件的更换成本很高，并因此不是理想的。从而，本发明提供了一种修补由上述先前不可焊接材料所形成的部件中的裂缝的方法。
参照图1和2，示出了根据本发明一个实施例的具有带裂缝14的部件12的飞机10的透视图和部件12的局部放大透视图。裂缝14位于上嵌板15之内，该上嵌板15具有顶侧17和背侧19。裂缝14自部件12内的通孔16开始延伸，并具有第一端部18和第二端部20。裂缝14具有相关的周围表面22。部件12具有在裂缝14第一侧26上的第一部分24以及在裂缝14的第二侧30上的第二部分28。如上所述，部件12可以是如图所示的嵌板，或可以是现有技术中已知的其他部件。
如图所示的裂缝14仅仅为举例目的，裂缝14可以起始和终止在部件12的各个位置处。裂缝14可以不从孔开始延伸，并可以延伸到部件的边缘，如边缘32。裂缝14也可以具有多个分支，并可以是各种尺寸和形状。
现在同时参照图3，图3示出了用于说明根据本发明实施例的修补裂缝14的方法的逻辑流程图。
在步骤100，清理周围表面22，以用于修补。在清理过程中，利用现有技术中已知的方法，使周围表面不存在可能与裂缝14的焊接相干涉的颗粒，如灰尘、泥土、油或其它颗粒。
在步骤102，当大致在裂缝的端部存在一个孔时，如存在于第一端部18附近的孔16，暂时的塞子40插入到孔16内。因为裂缝趋于生长并通常从部件中现存的孔开始延伸，这是由于部件的结构通常在孔边缘附近较弱，所以示出了图3的示例。当然，裂缝可以不从孔起始。暂时的塞子40在图4中清除示出。暂时的塞子40用于防止部件的材料进入孔16中并从孔16突出或者防止该材料穿过孔16。暂时的塞子40可以由与部件的材料类似的材料形成，并可以是各种尺寸和形状。在本发明优选实施例中，塞子40是具有较高熔点的材料，以便在部件12的摩擦搅拌焊接过程中塞子40不会熔接到部件上。同样，在本发明优选实施例中，塞子40是类似于孔16的形状并稍大于孔，以便紧密配合在孔16中。例如，孔16是直径为D1的圆形形状，并且塞子40是直径为D2的圆柱形，D2大于D1。作为步骤102的另一种选择，可以执行步骤104～106。
在步骤104中，现有的孔16可以摩擦搅拌塞焊。
在步骤106中，在完成摩擦搅拌塞焊孔16时，塞子的外表面和周围表面利用现有技术中已知的方法机加工成平整的，就像孔16所在之处附近的光滑表面22一样。
在步骤108中，利用摩擦搅动焊接工具(未示出)将第一部分24摩擦搅动焊接到第二部分28上，以形成熔接的裂缝区域50。熔接的裂缝区域50具有一个焊核，其大致位于与裂缝14相同的位置处，如图5中清楚示出的。在随后的图6、7和8中，为了简单而将焊核52表示为曲线。在部件12的摩擦搅动焊接过程中，焊接工具沿着裂缝14移动，以便将第一部分24接合到第二部分28上，同时以高速旋转，这是看裂缝14是否从孔开始的而执行。摩擦搅动焊接工具与部件12的材料之间的作用产生摩擦热，该摩擦热软化材料但并不熔化材料。被加热的材料或被塑化的材料然后被固结，而形成一件，最初他们是两件的，如现有技术中已知的。在摩擦搅动焊接裂缝14完成时，如步骤124中所述，取决于摩擦搅动焊接工具是否连续焊接到部件12的边缘，在部件12内可以存在一个排出孔56。
与传统修补技术相比，摩擦搅动焊接裂缝14具有若干优点。在摩擦搅动焊接中，不存在材料熔化，因此扭曲、残余应力、以及部件12机械特性的变化最小。熔接的裂缝区域50具有与裂缝14出现之前初始部件12近似的机械特性。与需要多个过程的传统焊接技术相比，摩擦搅动焊接仅仅需要越过裂缝14的单独一个焊接过程，由此使得修补裂缝所包含的时间和成本最小。与摩擦搅动焊接相关还有多个其它优点，包括不需要填充材料、焊接部件的重量减轻、增大可重复性、以及在现有技术中已知的各种其他优点。
在摩擦搅动焊接中，在焊接过程中施加锻造载荷，该载荷由支撑杆(backup bar)(未示出)抵抗。在不能使用支撑杆或者由于制造成本而使得使用支撑杆不可行的情况下，摩擦搅动焊接可以通过使用双肩工具(doubleshoulder tool)或线轴工具(bobbin tool)来实现。线轴工具的使用消除了对支撑杆的需求。在部件12被拆下并在飞机10外部修补时，可以使用支撑杆。为了是部件12可以现场修补，可以使用线轴工具(也没有示出)。线轴工具具有双肩台，一个用于在顶侧17上施加载荷，而另一个用于在部件12的背侧19上施加载荷。相等并相对的载荷由沿向下方向压的顶侧肩台并由沿向上方向拉动的背侧肩台施加，如现有技术中公知的。
在完成步骤108时，孔16不再存在，而存在一个凹陷或局部排出孔56，后者可以与最初存在的孔16具有类似的尺寸，或尺寸不同。排出孔56也可以具有锯齿状边缘54，这具有相对大的应力集中。排出孔56和锯齿状边缘54在图5中清楚地示出。应力集中越大，越易于出现裂缝产生或生长。
为了熔接和防止在结束裂缝14的摩擦搅拌焊接时出现排出孔56，可以使用一种可缩进摩擦搅拌焊接工具。可缩进摩擦搅拌焊接工具可以视裂缝14是否从孔起始而使用。摩擦搅拌焊接在端部18或20处开始，并且焊接延伸到焊接未曾从该处开始的端部18或20之外。可缩进摩擦搅拌工具也可以在现存的孔，如孔16中开始，或者可以在端部，如不存在孔的端部20处开始焊接。
在步骤110中，在使用暂时的塞子40时，摩擦搅拌焊接工具在排出孔56的中心60内脱开。
在步骤112中，在现存的孔16直径大于摩擦搅拌工具销钉的直径时，从部件12中除去暂时的塞子40。塞子40是通过从部件12中钻出塞子40而去除。
如在摩擦搅动焊接中已知的，在摩擦搅动焊接工具从部件12中拔出的地方，留下排出孔56。排出孔56可以与现存的孔16在相同位置处。摩擦搅动焊接工具可以从现存的孔16中拔出，或者在最初不存在孔时，换句话说，当裂缝14不是从孔起始时，从其他地方拔出。取决于用途，留下的排出孔56可以引起关注，或不必关注。本发明提供的通用性在于可以在部件12中留下排出孔56、可以熔接而封闭排出孔56、可以将排出孔56钻大，或者可以不形成排出孔56，如下面进一步描述的。
在步骤114中，排出孔56可以通过在现存的孔16上钻过部件12而扩大，并延伸过部件12，从而产生一个完结的孔58。完结的孔58可以在图6中清楚地看到，具有光滑的圆形边缘59，而与锯齿形边缘54不同，由此减小现存的孔56的应力集中。
在步骤116中，当摩擦搅动焊接销钉的直径大于现存的孔16的直径时，摩擦搅动焊接可以持续通过现存的孔16并超过现存的孔16而到达一个局部排出孔56′，由于在摩擦搅动焊接之后现存的孔16不再存在，因此在图7中它由虚线圆16′表示。
在步骤118中，在完成步骤108、112、114或116时，现存的孔16和排出孔56及56′可以钻得更大，以便与步骤114类似减小应力集中。在完成步骤118时，可以执行步骤120或步骤124。
在步骤120中，取代允许完结孔58保留下来，将一个具有垫片74的紧固件72穿过完结孔58，并紧固到部件12上，如图8中清楚地示出的。紧固件72和垫片74的结合减小了完结孔58边缘59上的应力，并利于防止初始的裂缝14再次生长以及另外的裂缝从完结孔58处开始生长的发生。当然，紧固件可以为各种类型以及现有技术中已知的类型。
在步骤122中，随着可缩进摩擦搅动焊接工具焊接到端部18或20之外，它缓慢地从部件12上移除，由于在部件12上留有压力，因此排出孔56被熔接而封闭。对于可缩进摩擦搅拌焊接工具的进一步解释，请参见美国专利第5697544号。
在步骤124中，在沿着朝向部件边缘的方向焊接裂缝时，例如，摩擦搅动焊接工具可以持续焊接第一部分24到第二部分28，直到通过边缘32，以防止在摩擦搅动焊接工具与部件12脱开之处存在孔。与部件12类似材料形成的接头80上靠在边缘32上，并且摩擦搅动焊接延伸到街头内，以便局部排出孔形成在接头80内，而不是在部件12中，如图9中清楚示出的。然后利用现有技术中已知的方法将接头从部件12上去除。接头可以使各种尺寸、形状，并且可以由现有技术中已知的各种材料形成。
尽管熔接裂缝区域50的机械特性近似于不带有裂缝14的原始部件12，但是可以执行步骤126来增加熔接裂缝区域50的强度。
在步骤126中，为了进一步加强熔接裂缝区域50，补丁78施加到大致包含裂缝14所在之处的熔接裂缝区域50上，补丁78可以是合成材料、金属材料或其它现有技术中公知的材料。当使用合成材料时，补丁78可以利用现有技术中已知的结构上接合材料粘接到部件12上。当使用金属材料时，补丁78可以利用现有技术中已知的其他一些紧固或接合技术铆接、焊接或耦接到部件12上。当针对给定结构区域需要较高强度时，可以使用合成材料。当所关注的部件用于呈现出较大温度变化的用途中时，金属材料是优选的。
上述步骤意图为说明性示例，各步骤可以依次执行、同时执行或根据用途而按不同顺序执行。
现在参照图10，图10示出了用于说明根据本发明多个实施例的多条裂缝修补技术的曲线。该曲线是针对多个试样或金属测试带的裂缝长度相对于所施加的载荷循环曲线，该试样没有示出，每个试样具有类似的裂缝并且利用本发明的方法修补。
表明了两个最初的大约裂缝长度，0.5″和0.05″。具有最初0.05″裂缝长度的曲线对应于没有裂缝或裂缝长度到0.05″的试样，这个长度是有可能探测到的最小裂缝长度。分别为具有0.5″最初裂缝长度的试样和具有0.05″最初裂缝长度的试样示出了第一参照基线A和第二参照基线B。当补丁施加到第一试样上时，该试样能够承受的载荷周期量比没有补丁时的大，如从曲线C相对于曲线A而看出的。当摩擦搅动焊接用于第一试样时，0.5″裂缝减小到长度等于或小于0.05″的裂缝，并且该试样能够承受更多的载荷周期，如从曲线D相对于曲线A所看出的。然而，摩擦搅动焊接的零件可以承受的周期量(由曲线D表示)小于第二试样的周期量，第二试样具有最初0.05″的裂缝长度并且没有进行摩擦搅动焊接。另外，当不仅使用摩擦搅动焊接来减小或消除裂缝，而且将补丁施加到试样上时，如第一试样的曲线E所示，试样能够承受优于施加了补丁或者通过摩擦搅动焊接裂缝的增大量的载荷周期。
从而摩擦搅动焊接和施加补丁相结合增大了部件的寿命，甚至超过基础材料的寿命。根据部件以及用途，利用摩擦搅动焊接和施加补丁二者可以使得部件的寿命有可能大于两倍。
因此，本发明提供了一种修补部件的补丁的方法，且该方法是耐久性比先前修补方法的有所增加。在施加补丁之外，本发明摩擦搅动焊接的部件能够承受增长的飞行周期，由此提高了部件的产品寿命。
对于本领域技术人员来说，上述设备和方法能够适用于各种用途，包括：航空用途、路基交通工具用途、或其他需要修补裂缝的现有技术中已知的用途。上述发明也可以在不背离本发明的实质范围的前提下进行变动。

Claims (10)

1.一种修补一部件(12)中的裂缝(14)的方法，包括：
清理用于修补的裂缝(14)的周围表面(22)；以及
将裂缝(14)第一侧(26)上的部件(12)的第一部分(24)摩擦搅动焊接到在裂缝(14)第二侧(30)上的部件(12)的第二部分(28)上，由此形成熔接裂缝区域(50)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
将补丁(78)施加到所述熔接裂缝区域(50)上；以及
将所述补丁(78)耦接到部件(12)上。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括利用附加的接头材料(80)，持续部件(12)的摩擦搅动焊接到部件(12)的边缘(32)处。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将紧固件插入到部件(12)中的至少一个孔内。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括经由可缩进的销钉工具熔接部件(12)内的至少一个孔。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括摩擦搅动塞焊部件(12)内的至少一个孔。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
将一暂时的塞子插入到部件(12)中的现存的孔内；
摩擦搅动焊接所述裂缝(14)；
将摩擦搅动焊接工具在局部排出孔(56)的中心内脱开；以及
从部件(12)中去除所述暂时的塞子。
8.如权利要求1所述的方法，其中，摩擦搅动焊接所述第一部分(24)到所述第二部分(28)上包括：
在裂缝(14)的第一端(18)处开始摩擦搅动焊接；
摩擦搅动焊接到裂缝(14)的第二端(20)；以及
持续摩擦搅动焊接而超过在所述第二端(20)处现存的孔。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在部件内钻出一通孔，以便扩大或延伸至少一个孔。
10.如权利要求1所述的方法，其中，摩擦搅动焊接包括利用双侧工具，以便在部件(12)的两侧上施加相等且相对的载荷。
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