使用串联的工具和砧座的搅拌摩擦焊接装置及方法技术领域
本发明主题的领域是搅拌摩擦焊接。
背景技术
背景技术的描述包括可在理解本发明主题中有用的信息。其并非承认在此提供的任何信息是现有技术或与当前要求保护的发明主题相关、或者任何明确或隐含参考的公开文献是现有技术。
搅拌摩擦焊接（“FSW”）是固态焊接工艺，其中旋转工具（下文称作“FSW工具”）加热和混杂接缝处的两个工件。更具体地，旋转工具具有针和肩部，当工具旋转时，针和肩部被压进接缝中，从而在工具和工件之间产生摩擦热。生成了足够的热，使得工件区域塑化和混合。FSW工具的肩部有助于引起塑化区域混杂，从而在接缝处将这些工件接合（即搅拌摩擦焊接）。旋转FSW工具沿着接缝长度行进，以在两个工件之间形成焊接接合线。可在由R.S.Mishra等人所著的FrictionStirWeldingandProcessing（MaterialsScienceandEngineeringR50(2005)1-78）（搅拌摩擦焊接及工艺（材料科学与工程R50（2005）1-78））中看到FSW工艺的详细阐述。
FSW提供很多优于其它焊接工艺的优点，部分地是由于FSW在更低的温度下发生且无需填充材料的事实。FSW优点中的一些包括：在焊接处更好的机械性能；更小的孔隙率、收缩量以及扭曲；很少或无毒烟排放；无可消耗的填充材料；以及易于自动化。然而，仍存在与FSW相关的多种问题，包括出口孔、以及与砧（anvil）座或夹持工具关联的重量和成本，通常需要其抵消来自FSW工具头的力。
在专利文献中描述了用于搅拌摩擦焊接的很多种方法和装置。例如，给予Kay的美国专利申请公开第2005/0139640号描述了使用FSW工具的多焊道的搅拌摩擦焊接方法。作为另一示例，授予Packer等人的美国专利第8,056,797号描述了能够使多个搅拌摩擦焊接工具头在管外表面上同时执行焊接的能够膨胀的心轴。
在此引用的所有材料和参考文献以相同程度通过引用并入，正如每个单独参考文献均特别地和单独地被指出通过引用并入。在并入的参考文献中的术语的定义或使用与本文提供的术语的定义不一致或矛盾时，适用本文提供的术语的定义，而不适用该参考文献中的术语的定义。
在本申请中特别感兴趣的是弧形接合处（arcuatejoint）两侧的同时焊接，例如由两个管部段形成的接合处。授予Larsson的美国专利第6,419,142号描述了具有两个相对的FSW工具的FSW装置（参见Larsson的图5和6以及第5栏，第35-62行）。然而，如由本申请人最佳理解的，似乎是Larsson仅构想到同时从接合处一侧焊接（附加焊接头在置于关于第一焊接的接合线的相对处时仅用作支持单元；参见Larsson的第6栏，第25-27行）。Larsson也未能提供用于在沿着接合处的不同位置处同时焊接接合处两侧的搅拌摩擦焊接装置和方法。
因此，仍存在对改进的搅拌摩擦焊接装置和方法的需要。
发明内容
本发明主题提供在其中对弧形接合处的两侧同时搅拌摩擦焊接的设备、系统和方法。该FSW工艺包括在接合处外表面上操作第一FSW工具和第一砧座的步骤。该工艺还包括当第一FSW工具和第二砧座仍在操作时，同时地在接合处的内表面上操作第二FSW工具和第二砧座的步骤。第一砧座和第二砧座分别定位以对第二FSW工具和第一FSW工具提供并置力。第一FSW工具、第二FSW工具、第一砧座以及第二砧座的各个同时沿着接合处串联地移动，以在接合处内产生焊接区域。
该FSW工艺可任选地包括如下步骤，即利用多种传感器和工艺规则和/或目标来电子地监视和控制FSW工艺。
在一些实施方式的其它方面，该FSW工艺可包括如下步骤，即一旦已焊接了第一弧形接合处，使第二FSW工具和第二砧座沿着轨道行进至第二弧形接合处。
在一些实施方式的另外的其它方面，该FSW工艺可包括如下步骤，即沿着接合处的内表面操作修整工具（例如切割工具、研磨工具、打磨机）、或者加热/冷却元件，并尾随第二FSW工具。
本发明主题也提供FSW装置，其用于焊接弧形接合处的内表面，以及用于提供并置操作在接合处外表面上的外部FSW工具的支承力。
在一些实施方式的一个方面，FSW装置包括由臂部和/或框架连接的砧座和FSW工具。FSW工具和砧座能从弧形接合处的内表面操作，并构造为经由驱动砧座的马达同时地沿着接合线行进。FSW装置也可包括第二行进机构，其构造为将FSW装置从第一接合处移离并移至第二接合处。在一些实施方式中，这种行进机构包括腿部和轮子，其接合设置在工件的内表面上的轨道（例如在管的内腔内）。
本发明主题的多种目的、特征、方面以及优点将从优选实施方式的以下详述连同附图变得更清楚，在附图中，相似标号标示相似部件。
附图说明
图1是同时搅拌摩擦焊接接合处的相对侧的方法。
图2是使用三个FSW工具同时搅拌摩擦焊接接合处的相对侧的方法。
图3是用于控制具有两个FSW工具和两个砧座的FSW系统的控制系统的示意图。
图4a和4b示出在两个管部段的端部之间形成的接合处。
图4c是根据图1的方法正被搅拌摩擦焊接的图4a和4b的接合处的截面视图。
图5是根据图1的方法正被搅拌摩擦焊接的图4a和4b的接合处的另一示例的截面视图。
图6是根据图2的方法正被搅拌摩擦焊接的图4a和4b的接合处的截面视图。
图7是用于焊接管的内表面和用于支承外部FSW装置的FSW装置的侧视图。
图8是用于焊接管的内表面和用于支承外部FSW装置的另一FSW装置的侧视图。
图9是刺入接合处的FSW工具的近视图。
图10a是FSW装置和行进机构的侧视图。
图10b是图10a的FSW装置和行进机构的前视图。
具体实施方式
以下讨论提供本发明主题的多种示例性实施方式。虽然各实施方式代表发明元件的单种组合，但本发明主题被考虑为包括所公开元件的所有可能组合。因此，如果一个实施方式包括元件A、B和C，而第二实施方式包括元件B和D，那么即使未明确公开，本发明主题也被考虑为包括A、B、C或D的其它剩余组合。
应该意识到，所公开的技术提供多种有利技术效果，包括用于同时焊接弧形接合处的相对的两侧的改进的FSW装置。
图1示出用于搅拌摩擦焊接弧形接合处的方法100，例如通过接合两个管部段的端部而形成的接合处。在步骤110中，在接合处的外表面上操作第一FSW工具（例如具有针和肩部的工具），而在该接合处的内表面上同时操作第二FSW工具。该FSW工具通过旋转该工具，用该工具刺入接合处使得接合处被加热并且来自两个工件（例如两个管部段）的材料被混杂，以及使该工具沿着接合处行进，从而形成沿着接合处长度的焊接区域来操作。FSW工具沿着接合处在不同位置处同时操作，分隔开角距离。
在步骤120中，将第一砧座设置在接合处内表面上并与第一FSW工具相对（即，与第一FSW工具位于接合处上的相同位置，但位于接合处的相对侧上），且当第一FSW工具操作以产生焊接区域时，与第一FSW工具串联地行进以对接合处提供支承（例如力）。相似地，在步骤130中，将第二砧座设置在接合处外表面上并与第二FSW工具相对，且当第二FSW工具操作以产生焊接区域时，与第二FSW工具串联地行进以对接合处提供支承（例如力）。
在操作期间，第一FSW工具以第一刺入深度刺入接合处的外表面，而第二FSW工具以第二刺入深度刺入接合处的内表面。第一和第二刺入深度可彼此相等或彼此不同。刺入深度可贯穿焊接工艺基本上固定，或者可取决于其它工艺参数而改变。在方法100的一些实施方式中，第一和第二刺入深度两者均是接合处的厚度的至少50%、60%、或甚至80%。以此方式，方法100确保了焊接区域将贯穿接合处的整个厚度而产生，且减少或消除与未焊透（LOP）相关的缺陷。
图2示出用于搅拌摩擦焊接弧形接合处的方法200。方法200与方法100相似，然而，方法200的步骤210包括通过旋转第三FSW工具和使第三FSW工具以第三刺入深度沿着接合处的外表面行进来在接合处的外内表面上操作第三FSW工具的步骤。方法200也包括步骤240，步骤240需要使第三砧座在接合处的内表面上以与第三FSW工具相对的方式行进，以在操作期间提供支承第三FSW工具的第三并置力。那些本领域技术人员将意识到，在上述方法中可包括附加的FSW工具而不脱离本发明构思。此外，那些本领域技术人员将意识到，在上述方法中，可在弧形接合处上与FSW工具同时地使用非FSW工具的工具，例如刀具、缓冲器、研磨工具、打磨机、以及加热元件。
在一些实施方式中，FSW工具和砧座由控制系统控制。图3示出用于控制方法100的工艺参数的控制系统300的示意图。工艺参数的示例可包括FSW工具的旋转速度、行进速度、刺入深度、刺入力、以及攻角。其它工艺参数可包括砧座的行进速度和支承力。另外的其它工艺参数可包括置于接合处或接合处附近的加热/冷却元件的行进速度和温度。上述工艺参数仅提供为用于例示性目的，而不意在限制本发明主题的范围。
控制系统300包括控制模块310。控制模块310是构造为执行多种功能的一组电子能执行的指令。该指令可作为指令数据对象存储在数据库340（例如非暂时性电子存储介质）上。计算处理器（未示出）可用于存取该指令数据对象，并电子地执行该指令。控制系统300也包括传感器接口320，传感器接口320构造为从FSW工具350、FSW工具352、FSW砧座360、以及FSW砧座362接收传感器信号。传感器接口320传输这些信号以控制模块310，模块310构造为存储作为数据库340上的传感器数据对象的传感器信号。控制模块310也可从其它装置接收传感器信号，例如加热/冷却元件或刀具、缓冲器、以及其它修整工具。
控制模块310构造为将传感器信号与预定规则比较，以确定用于改变工艺参数的建议。预定规则作为规则对象存储在数据库340上。预定规则的示例可包括用于已焊接接合处的期望加热/冷却轮廓（例如特定温度下的时间长度、温度变化率）、用于FSW工具的期望刺入深度、期望刺入力、或甚至能够期望的控制参数的优先表，各参数均具有加权值。
该建议可经由用户接口（例如打印输出、声频信号、或视频显示（未示出））呈现给用户（诸如焊接技术人员）。用户随后可选择执行该建议，在这种情况下，控制模块310经由致动器接口330将控制信号发送到FSW工具350、FSW工具352、FSW砧座360、以及FSW砧座362中的至少一个。控制模块310也可构造为无需用户交互就自动地发送控制信号。当通过装置之一接收到控制信号时，经由致动器（例如马达、液压系统、加热/冷却元件等）改变工艺控制。应该意识到，FSW工具350、FSW工具352、FSW砧座360、以及FSW砧座362可在广义上指的是具有与FSW工艺相关的很多部件的子系统，例如传感器、致动器、FSW工具以及砧座。FSW工具350、FSW工具352、FSW砧座360、以及FSW砧座362中的各个均可包括具有局部控制系统的单独子系统。
用于FSW装置的控制系统也描述于2012年11月15日提交的共同拥有的美国专利申请序列号第13/677586号（'586申请）中，其通过引用并入本文。那些本领域技术人员将意识到在'586申请中描述的很多发明构思可在控制系统300中实施。
图4a示出第一管部段401和第二管部段402。管部段401具有中空内部403（例如，内腔）、由内径和外径限定的壁厚404、外表面405、内表面406、以及长度407。管部段402也具有中空内部、壁厚、外表面和内表面、以及长度，尽管不一定与管部段401尺寸相同。管部段401和402的精确尺寸、大小、组成以及一般构造可取决于特定应用而改变。任何适于搅拌摩擦焊接的构造均被预期。
当接合管部段401和402的端部时，如图4b所示，它们形成连续中空内部和弧形接合处410。当焊接接合处410时，管部段401和402可与其它部件组合使用以输送气体、水、污水或任何流体。管部段401和402也可用于存储或包含物质。
在一些实施方式中，管部段401的平均厚度基本上等于第二管部段402的平均厚度。对于具有大外径（例如4英尺、6英尺、或甚至大于10英尺）的管部段而言，制造工艺常导致具有厚度上基本变化的管部段。在一些实施方式中，本文描述的FSW方法和系统提供显著大于管部段壁厚上的变化的FSW工具刺入深度。例如，第一和第二管部段可具有壁厚上的变化，该壁厚变化小于第一刺入深度（即第一FSW工具的刺入深度）和第二刺入深度（即第二FSW工具的刺入深度）中的较小者的20%、10%、或甚至5%。
在一些应用中，第一和第二刺入深度是至少?英寸，在一些情况下为1?英寸。另外，第一和第二刺入深度可在?英寸处开始，并渐增到1英寸或更多。
在一些实施方式的其它方面，第一管部段和第二管部段各自均具有至少3英寸的壁厚。在这些实施方式中，FSW工具的刺入深度优选地为壁厚的至少50%（例如至少1又?英寸)，且壁厚上的变化小于刺入深度的1%（例如0.015英寸）。然而，提供的这些值主要用于例示性目的，且那些本领域技术人员将意识到本文描述的发明构思可应用于多种壁厚和具有多种程度的厚度变化的弧形接合处。
图4c示出根据方法100正被搅拌摩擦焊接的弧形接合处410的截面视图。FSW工具420在外表面405上操作以在弧形接合处410上产生FSW焊接。如由箭头422所示，FSW工具绕轴线421旋转，并在由箭头423（例如顺时针）所示的方向上沿着接合处410行进。砧座424与FSW工具420同时地行进，并在内表面406上提供并置力。
另外，FSW工具430旋转并在内表面406上在方向433上行进，同时砧座434随着FSW工具430行进并在外表面405上提供并置力。FSW工具420和FSW工具430成角地与彼此分隔角440。图4c示出处于约135度的角440。然而，FSW工具420和FSW工具430可分隔适于特定应用的任何度数。在一些实施方式中，角440仅设定在若干度，而在其它实施方式中，角440设定在180度的最大角距离处，如图5所示。也设想到，角440可贯穿工艺改变（例如FSW工具420和FSW工具430的行进速度可设定以不同恒定速度、或者可设定以不同加速度和/或减速度）。
在图4c中，FSW工具430位于FSW工具420的前面，且为“引领”工具。在其它实施方式中，FSW工具420可设定为引领工具，同时FSW工具430“尾随”在后面。
在其它方面，FSW工具420和FSW工具430可跨越弧形接合处410的整个长度（即完整的360度）或接合处410的仅一部分（例如180度）行进。然而，在方法100的一些实施方式中，FSW工具420的操作时间的至少一部分与FSW工具430的操作时间暂时重叠（例如它们同时操作至少一些时间），以便减少完成焊接所需的总时间。
在一些应用中，FSW工具420和FSW工具430能以基本上非交错的构造操作（例如，角440为0度或仅仅几度），从而消除对砧座424和434的需要。在这种应用中，在焊接工艺期间，FSW工具420和FSW工具430各自为彼此提供并置力。然而，当FSW工具420和FSW工具430直接并置时（例如角440基本上为0度），FSW工具420和FSW工具430的组合的刺入深度将不能超过壁厚404，无需与彼此取得接触。使FSW工具420和FSW工具430交错角距离从而允许较大的组合刺入深度，以确保贯穿壁厚404的完全焊接区域。此外，较大刺入深度允许在具有较大壁厚的弧形接合处上执行FSW工艺。
在需要沿着接合处410的整个长度的高焊接质量的应用中，FSW工具420和FSW工具430可各自在接合处410整个长度上行进，以确保贯穿接合处410的整个壁厚404形成焊接区域。
图6示出方法200的变型。FSW工具620在弧形接合处610的外表面605上操作，并在箭头623的方向上行进。砧座624在内表面606上操作，并同时在箭头623的方向上行进来为FSW工具620提供并置力。另外，FSW工具630以与前文关于图4c所述的（例如FSW工具430和FSW工具434）相似方式和砧座634一起操作。FSW工具630与FSW工具620成角地分隔开角640。
图6所示方法也包括FSW工具650，其在内表面606上操作，并通过砧座654并置。尽管方法200需要在弧形接合处的外表面上操作的第三FSW工具，但由图6所示的方法示出在弧形接合处内表面上操作的第三FSW工具（例如FSW工具650）。那些本领域技术人员将意识到，如由空间、动力和其它约束条件所允许，则附加的FSW工具与其它工具（例如刀具、打磨机、加热/冷却元件）可在弧形接合处的内表面和外表面上同时操作。
图7示出在弧形接合处710的内表面706上操作的FSW装置700。装置700包括臂部705a。在臂部705a的端部处是FSW工具712，其由头部715夹持并能移除地与头部715连接。如由箭头717所示，头部715绕轴线716相对于臂部705a旋转FSW工具712。头部715还可包括多种传感器（例如力传感器、电位计、加速度计等），以测量有关FSW工艺的参数（例如刺入深度、角位置、旋转速度、温度等）。
装置700也包括臂部705b。在臂部705b的端部处是砧座730。砧座730在连接装置735处与臂部705b能旋转地连接，并由马达740驱动。连接装置735可包括轴承接头、或适于允许砧座730相对于臂部705b旋转的其它任何能旋转的连接装置。当由马达740驱动时，砧座730在由箭头742所示方向上旋转，并在方向745上向前行进。
臂部705a和705b经由液压机720连接。液压机720构造为如由箭头721所示地在臂部705a和705b之间膨胀。压机720经由FSW工具712在内表面706上产生第一力，并经由砧座730在内表面706上产生第二力。装置700提供一种同时在一个位置处焊接接合处710的内表面706、而在接合处710上另一位置处为外部FSW工具提供支承力的装置。
图8示出在弧形接合处810的内表面806上操作的装置800。装置800包括经由液压机820与臂部805b间接地连接的臂部805a。在臂部805a端部处是FSW工具812，其由头部815能移除地和能旋转地保持。在装置800的操作期间中，头部815如由箭头817所示地旋转FSW工具812，以在弧形接合处810内部产生FSW焊接区域。
装置800也包括臂部805b。在臂部805b的端部处是砧座830。砧座830在连接装置835处与臂部805b能旋转地连接，并由马达840驱动。连接装置835可包括轴承接头、或适于允许砧座830相对于臂部805b旋转的其它任何能旋转的连接装置。当由马达840驱动时，砧座830在由箭头842所示方向上旋转，并在方向845上向前行进。
液压机820构造为如由箭头821所示地在臂部805a和805b之间膨胀。液压机820经由FSW工具812在内表面806上产生第一力，并经由砧座830在内表面806上产生第二力。
另外，装置800包括经由液压机822与臂部807b间接地连接的臂部807a。臂部807b和压机822在结构上分别与臂部805b和压机820相似，并以相似方式操作。然而，臂部807a与臂部805a不同之处在于，其具有位于其端部处的切割工具811，而非FSW工具。切割工具811在内表面806上操作，以在FSW工具812产生焊接区域之后提供修整切割。
臂部805a和臂部807a经由连接装置860连接，并形成角865。连接装置860可为刚性连接装置，其中在装置800操作时角865保持恒定。连接装置860也可包括能转动的连接装置，从而允许臂部805a相对于臂部807a旋转（例如在装置800操作之前、期间、和/或之后）。在这种实施方式中，在FSW工艺期间，角865可调整并受控。
各对臂部在内表面806上独立地产生两个力。成对的力可由液压机820和822独立地控制。在一些实施方式中，装置800还可包括用于感测有关FSW工艺的多种参数和特性的传感器。此外，装置800的可控参数（例如力、行进速度、旋转速度、刺入深度、部件位置等）可在FSW工艺期间与控制系统连接（例如反馈回路）并调整，以产生具有期望温度加热/冷却轮廓和/或期望刺入深度的焊接。
装置700和800可与在弧形接合处的外表面上操作的其它（外部的）FSW装置同时使用。砧座730、830和/或870的位置可受控并与外部FSW装置同步，以提供并置及支承外部装置的FSW工具（或其它工具）的力。
图9示出以刺入深度915刺入接合处905的FSW工具910的近视图。刺入深度915大于接合处905的壁厚904的50%。在一些实施方式中，上述方法和系统可利用大于待焊接的接合处的厚度的50%、60%或甚至80%的FSW工具刺入深度。同时以深的刺入深度（例如，大于接合处的厚度的50%）从接合处相对的两侧（例如内部和外部）操作两个或更多个FSW工具，可减少（![]()
）完成焊接的时间以及减少（![]()
）未焊透（LOP）缺陷的可能性两者。另外，本文所述的FSW方法和系统允许具有较大厚度的弧形接合处的焊接。
图10a示出适配有用于顺着形成接合处710的管部段的长度行进的行进机构的FSW装置700的侧视图。该行进机构包括四个腿部，从图10中的侧视立体视图中可观察到其中的仅两个腿部（例如腿部1001和1002）。各腿部具有配合进轨道1005和1006内的轮子（例如轮子1003和1004）。轨道1005和1006能移除地置于内腔内，并沿着形成接合处710的管部段的长度。
当装置700沿着接合处710处的管部段长度适当地定位时，行进机构的腿部经由液压机720缩回，从而允许装置720在管部段内部环形地旋转。当接合处710的焊接完成时，装置700然后可通过延伸行进机构的腿部和轮子以接合轨道1005和1006，且然后使装置700沿着轨道1005和1006行进（参见图10中的箭头1010），来进一步顺着管部段长度转移到新接合处。可通过使用与行进机构的轮子连接的马达或者使用适用于移动装置700重量的其它任何机构来手动地推动或拉动装置700。
图10b示出适配有行进机构的装置700的前视图。该透视图示出了行进机构的腿部如何向外成角度，使得腿部之间（以及位于FSW工具712和砧座730的旋转路径内）的轨道部段可移除来允许装置700在焊接工艺期间旋转。
图10b的前视图也示出砧座730与接合处710的内表面706取得旋转的接触的表面。砧座730的该表面可包括牺牲材料731，如于2012年11月21日提交的共同拥有的美国专利申请序列号第13/683126号中描述的，其内容通过引用并入本文。
如本文所用的，且除非上下文另外指示，术语“连接到”意在包括直接连接（其中彼此连接的两个元件彼此接触）和间接连接（其中至少一个附加元件位于两个元件之间）两者。因此，术语“连接到”和“与……连接”是同义使用。
尽管上述示例主要聚焦于焊接弧形接合处，但那些本领域技术人员将意识到，本文所述的很多发明构思可相似地应用于平坦接合处、不规则弯曲接合处、以及其它接合处构造。
如本文说明书中以及贯穿随后的权利要求书中所用的，“一”、“一个”以及“该”的含义包括复数参考物，除非上下文另外清晰指示。同样，如本文说明书中所用的，“内”的含义包括“内部”和“上”，除非上下文另外清晰指示。
本文的值范围的列举，仅意在用作单独地指示落入该范围内的各单独值的简略表达方法。除非本文另外指示，各单独值并入该说明书中，正如其在本文单独列举一样。本文所述的所有方法能以任何合适顺序执行，除非本文另外指示或通过上下文另外清晰地示出矛盾。关于本文的特定实施方式提供的任何和所有示例、或者示例性语言（例如“例如”）的使用，仅意在用于更好地例示本发明主题，而无意对另外要求保护的本发明主题的造成范围上的限制。在本说明书中，无语言应该理解为指示对实践本发明主题重要的任何非要求保护的元件。
本文公开的本发明主题的替代性元件或实施方式的分组不应理解为限制。各组构件可被单独地、或与该组其它构件的任何组合或本文发现的其它元件指出和要求保护。为了便利和/或专利性原因，组的一个或多个构件可包括于组中、或组中移除。当出现任何此类包括或删除时，本说明书在此视为包括修改后的组，从而完成所附权利要求书中所用的所有马库什组（Markushgroup）的书面描述。
那些本领域技术人员应该清楚，除了已经描述的那些外，还有很多修改是可能的，而不脱离本文的发明构思。因此，除去在所附权利要求书的范围内之外，本发明主题不受限制。此外，在解释说明书和所附权利要求书两者时，所有术语应该以与上下文一致的最广义的可能方式解释。特别地，术语“包括”和“包含”应该解释为以非排他方式提及元件、部件或步骤，从而指示所参考的元件、部件或步骤可与未明确参考的其它元件、部件或步骤一起被呈现、利用或组合。在说明书和权利要求书涉及到选自由A、B、C……以及N所组成的组中的某物中的至少一个时，该文本应该解释为需要来自该组中的仅一个元件，而非A加N、或B加N等。