Подготовка кромок для лазерной сварки
Изобретение относится к способу изготовления лазерной сваркой модульной оправки для укладки слоев (варианты) и модульной оправке. Первый компонент и второй компонент отделяют друг от друга промежутком, имеющим глубину и ширину. По меньшей мере один компонент из первого компонента и второго компонента содержит расходный краевой выступ. Воздействуют на расходный краевой выступ энергией лазерного излучения, достаточной для плавления по меньшей мере его части, с образованием сварочной ванны, размещенной в промежутке между первым компонентом и вторым компонентом и содержащей материал из расплавленного участка расходного краевого выступа. Ширина промежутка составляет между 0,5 мм и 0,762 мм, а размер пятна энергии лазерного излучения больше ширины указанного промежутка. Изобретение облегчает подготовку соединения с заданными допусками, приводит к уменьшению работ после сварки и позволяет осуществлять лазерную сварку сложных профилей, в том числе, крупных сложных профилей оправок для укладки слоев с получением деталей, например крыла. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[001] Настоящее изобретение в целом относится к выполнению изделий, в частности, способу выполнения лазерной сваркой модульных оправок, имеющих компонентную структуру и используемых для укладки слоев.
УРОВЕНЬТЕХНИКИ
[002] При конструировании воздушного летательного аппарата его фюзеляж, крылья и другие компоненты могут быть выполнены из профилированных слоистых композитных деталей. Профилированные слоистые композитные детали могут быть получены послойной укладкой на приспособление, называемое оправкой для укладки слоев. Оправка для укладки слоев имеет рабочую поверхность, по существу соответствующую части, предназначенной для придания формы слоям по мере их укладки и уплотнения на оправке.
[003] При обычном конструировании для образования оправок всю оправку изготовляют и транспортируют в виде одной детали. В случае использования оправки для получения укладкой композитного крыла воздушного летательного аппарата, такая оправка может иметь длину более ста футов (30 м) и ширину более 30 футов (9 м). Приспособления для изготовления таких крупных компонентов и их обработки очень специализированы, а транспортировка таких крупных оправок отнимает много времени и сил. Кроме того, оправки, служащие для укладки слоев, имеющие сложные и восприимчивые к деформации контуры, трудно изготавливать.
[004] Соответственно, в данной области техники было бы полезным иметь способ изготовления оправки для укладки слоев, которым устраняются недостатки известных способов.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[005] В одном примере представлен способ изготовления лазерной сваркой модульной оправки для укладки слоев, включающий: обеспечение первого компонента и второго компонента, отделенных друг от друга
промежутком, имеющим глубину и ширину, при этом по меньшей мере один компонент
из первого компонента и второго компонента содержит расходный краевой выступ;
воздействие на расходный краевой выступ энергией лазерного излучения, достаточной
для плавления по меньшей 5 мере его части; образование сварочной ванны, размещенной в промежутке между первым компонентом и вторым компонентом и содержащей материал из расплавленного участка расходного краевого выступа; и отверждение сварочной ванны с образованием сварного шва, соединяющего первый компонент и второй компонент друг с другом, причем ширина промежутка составляет между 0,5 мм и 0,762 мм, а размер пятна энергии лазерного излучения больше ширины указанного промежутка.
В одном примере представлена модульная оправка для укладки слоев, имеющая компонентную структуру, выполненную согласно настоящему способу.
[006] В другом примере представлен способ изготовления лазерной сваркой модульной оправки для укладки слоев, включающий: обеспечение первого компонента, содержащего первый расходный краевой выступ и второго компонента, содержащего второй расходный краевой выступ, при этом первый компонент и второй компонент отделены друг от друга промежутком; воздействие на первый расходный краевой выступ и второй расходный краевой выступ энергией лазерного излучения, достаточной для плавления по меньшей мере части первого расходного краевого выступа и по меньшей мере части второго расходного краевого выступа; заполнение по меньшей мере части указанного промежутка первым объемом материала первого расходного краевого выступа, расплавленного энергией лазерного излучения, и вторым объемом материала второго расходного краевого выступа, расплавленного энергией лазерного излучения; и отверждение первого объема материала и второго объема материала в указанном промежутке для соединения первого компонента и второго компонента, причем ширина промежутка составляет между 0,5 мм и 0,762 мм, а размер пятна энергии лазерного излучения больше ширины указанного промежутка. Преимущества указанных примеров отчасти будут представлены в описании, которое следует ниже, и отчасти будут понятны из этого описания или могут быть изучены посредством применения раскрытых примеров на практике. Данные преимущества будут реализованы и получены с помощью элементов и комбинаций, конкретно указанных в прилагаемой формуле изобретения
[007] Следует отметить, что и изложенное ниже общее описание, и следующее за ним подробное описание приведены в качестве примера и пояснения и не являются ограничивающими примерами, как заявлено в настоящем документе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[008] Сопровождающие фигуры чертежей, включенные в качестве составляющей части в настоящее описание, иллюстрируют примеры осуществления настоящих идей и вместе с описанием служат для объяснения принципов настоящего изобретения.
[009] На ФИГ. 1А представлена схема последовательности операций способа изготовления и обслуживания воздушного летательного аппарата согласно примеру.
[0010] На ФИГ. 1В представлена блок- схема воздушного летательного аппарата согласно примеру.
[0010] На ФИГ. 2 представлено схематическое изображение воздушного летательного аппарата согласно примеру.
[0011] На ФИГ. 3А представлен перспективный вид множества модульных компонентов, приваренных лазером друг к другу с образованием оправки для укладки слоев согласно примеру.
[0012] На ФИГ. 3В представлен перспективный вид первого и второго компонентов, используемых для изготовления оправки для укладки слоев согласно примеру, вместе с увеличенной вставкой, показывающей характерные элементы первого и второго компонентов, содержащие расходные краевые выступы.
[0013] На ФИГ. 3С представлен перспективный вид первого и второго компонентов по ФИГ. 3В, приваренных лазером друг к другу, согласно приведенному в качестве примера способу, выполняемому с применением роботизированной системы лазерной сварки для образования модульной оправки, имеющей компонентную структуру и используемой для укладки слоев.
[0014] На ФИГ. 3D представлен перспективный вид первого и второго компонентов по ФИГ. 3А вместе с увеличенной вставкой, показывающей полученные в результате лазерной сварки характерные элементы по ФИГ. 3С.
[0015] На ФИГ. 4А-4Е проиллюстрированы операции способа изготовления согласно примеру.
[0016] На ФИГ. 5 представлена технологическая схема, описывающая способ изготовления изделия согласно примеру.
[0017] На ФИГ. 6 показаны первый и второй компоненты с фасонными поверхностями, соединенные друг с другом способом лазерной сварки согласно примеру.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Теперь будут сделаны подробные ссылки на примеры, проиллюстрированные на сопроводительных фигурах чертежей. Там, где это возможно, одинаковые ссылочные номера будут использоваться в отношении одних и тех же или подобных элементов на всех фигурах чертежей.
[0019] Вне зависимости от показанного в настоящем документе, численные диапазоны и параметры, включенные в объем примеров, являются приближенными, числовые значения, изложенные в конкретных примерах, приведены настолько точно, насколько это возможно. Любое численное значение, однако, по существу содержит определенные ошибки, неизбежно вытекающие из стандартного отклонения, имеющегося в соответствующих тестовых измерениях. Более того, все диапазоны, описанные в данном документе, следует понимать как охватывающие любые и все поддиапазоны, входящие в него. Например, диапазон "меньше чем 10" может включать в себя любые и все поддиапазоны между (и включая) минимальным значением, равным нулю, и максимальным значением 10, иными словами, любые и все поддиапазоны, имеющие минимальное значение равное или больше нуля, и максимальное значение, равное или меньше 10, например, от 1 до 5. В некоторых случаях численные значения, указанные для параметра, могут принимать отрицательные значения. В этом случае пример значения диапазона, указанный как "менее 10", может принимать отрицательные значения, например -1, -2, -3, -10, -20, -30 и т.д.
[0020] Последующие примеры описаны только в целях иллюстрации со ссылкой на фигуры чертежей. Специалисту в данной области техники будет понятно, что последующее описание носит иллюстративный характер, и различные модификации параметров, представленных в настоящем документе, могут быть выполнены без отхода от сущности и объема настоящих примеров. Предполагается, что описание и примеры должны рассматриваться только в качестве примеров. Различные примеры не обязательно являются взаимоисключающими, поскольку некоторые из них могут быть объединены с одним или большим количеством других примеров, чтобы получить новые примеры. Следует понимать, что конструкции, изображенные на фигурах чертежей, могут включать дополнительные признаки, не показанные здесь в целях упрощения, а изображенные конструкции могут быть пропущены или модифицированы.
[0021] Компонент, выполненный с возможностью лазерной сварки, может включать в себя краевой участок и расходный краевой выступ, проходящий от краевого участка. Расходный краевой выступ может быть израсходован во время сварки лазером для соединения компонента, выполненного с возможностью лазерной сварки еще с одним компонентом. Расходные краевые выступы могут содержать материал, который плавится под воздействием энергии лазерного излучения. Расплавленный материал краевого выступа может образовывать сварочную ванну в области промежутка, в котором эти компоненты соединяют друг с другом. Сварочная ванна после этого отверждается с образованием сварного шва, соединяющего эти компоненты. Такой способ облегчает подготовку соединения с заданными допусками, приводит к уменьшению работ после сварки и позволяет осуществлять лазерную сварку сложных профилей, в том числе, крупных сложных профилей оправок для укладки слоев с получением деталей крыла. Например, оправки для укладки слоев, обычно обрабатываемые и транспортируемые в виде крупной цельной части, могут быть вместо этого изготовлены посредством лазерной сварки модульных компонентов друг с другом, при этом модульные компоненты снабжены расходными краевыми выступами, которые расплавляют посредством лазера с образованием участков сварного шва.
[0022] В целях настоящего раскрытия термин "расходный" относится к материалу, который может быть израсходован, частично или целиком, во время операции изготовления. Например, при использовании в настоящем документе, термин "расходный краевой выступ" может относиться к выступу, проходящему по меньшей мере от одного компонента, имеющему объем, который может быть использован при образовании сварного шва. "Расходный краевой выступ" может быть расплавлен посредством, например, воздействия на него достаточной энергией лазерного излучения, чтобы по меньшей мере частично заполнить промежуток между двумя или более компонентами, и может быть снова отвержден с образованием сварного шва для соединения этих двух или более компонентов.
[0023] Со ссылкой, в частности, на чертежи, примеры настоящего раскрытия могут быть описаны в контексте способа 100 изготовления и обслуживания воздушного летательного аппарата, как показано на ФИГ. 1А, и воздушного летательного аппарата 102, как показано на ФИГ. 1В. Во время подготовки к производству показанный в качестве примера способ 100 может включать в себя разработку спецификации и проектирование 104 воздушного летательного аппарата 102 и материальное снабжение 106. Во время производства имеет место изготовление 108 компонентов и сборочных узлов и интеграция 110 систем воздушного летательного аппарата 102. После этого воздушный летательный аппарат 102 может проходить этапы сертификации и доставки 112 для ввода в эксплуатацию 114. В процессе эксплуатации заказчиком воздушный летательный аппарат 102 подпадает под регламентное техобслуживание и текущий ремонт 116 (которые также могут включать в себя модернизацию, перенастройку, переоборудование и так далее).
[0024] Каждый из процессов способа 100 может быть выполнен или осуществлен системным интегратором, третьей стороной и/или оператором (например, заказчиком). В целях настоящего описания системный интегратор может включать в себя, без ограничения, любое количество производителей воздушных летательных аппаратов и субподрядчиков по основным системам; третья сторона может включать в себя, помимо прочего, любое количество продавцов, субподрядчиков и поставщиков; а оператор может представлять собой авиакомпанию, лизинговую компанию, военную организацию, обслуживающую организацию и т.д.
[0025] Как показано на ФИГ. 1В, воздушный летательный аппарат 102, изготовленный согласно приведенному в качестве примера способу 100, может включать корпус 118 с множеством систем 120 и внутреннюю часть 122. Примеры высокоуровневых систем 120 включают в себя одну или более систем из движительной системы 124, системы 126 электроснабжения, гидравлической системы 128 и системы 130 управления окружающей средой. Может быть включено любое количество других систем. Хотя показан пример, относящийся к аэрокосмической отрасли, принципы изобретения могут быть применены к другим отраслям, таким как автомобильная или морская промышленности.
[0026] На ФИГ. 2 показан вид сбоку воздушного летательного аппарата 200, имеющего одну или более композитных деталей, изготовленных на полученной лазерной сваркой оправке, так, как это описано ниже. Специалисту в данной области техники будет понятно, что такие полученные лазерной сваркой оправки могут быть использованы в производстве широкого спектра композитных деталей, которые могут находиться в различных местах, включая фюзеляж, крылья, хвостовое оперение, корпус и стенки воздушного летательного аппарата 200. В альтернативных примерах полученные лазерной сваркой оправки могут быть использованы в способах выполнения композитных деталей для других конструкций, транспортных средств и платформ, например автотранспортных средств, воздушных летательных аппаратов, морских судов или космических летательных аппаратов, или для решения других подходящих задач.
[0027] В этом примере воздушный летательный аппарат 200 включает в себя фюзеляж 202, включающий в себя узлы 204 крыльев, хвостовой узел 206 и узел 208 шасси. Воздушный летательный аппарат 200 дополнительно включает в себя одну или более двигательных установок 210, систему 212 управления (не видна), а также множество других систем и подсистем, которые обеспечивают надлежащее функционирование воздушного летательного аппарата 200. Композитное изделие, изготовленное на полученной лазерной сваркой оправке для укладки слоев, выполненной в соответствии с приведенным в качестве примера способом согласно настоящему изобретению, может быть использовано при изготовлении любой подходящей части воздушного летательного аппарата 200, например в узлах 204 крыльев, хвостовом узле 206 и в любых других подходящих местах воздушного летательного аппарата 200. В общем случае, указанные компоненты и подсистемы воздушного летательного аппарата 200 могут представлять собой известные конструкции и для краткости не будут описаны подробно в настоящем документе.
[0028] Хотя воздушный летательный аппарат 200, показанный на ФИГ. 2, представляет собой в целом пример гражданского пассажирского самолета, включая, например, модели Boeing 737, 747, 757, 767, 777, и 787, коммерчески доступные от компании Boeing, Чикаго, штат Иллинойс, полученное лазерной сваркой изделие и способы лазерной сварки, раскрытые в настоящем документе и предлагаемые изобретением, также могут быть использованы при сборке воздушных летательных аппаратов практически любых других типов. В частности, идеи настоящего изобретения могут быть использованы при изготовлении и сборке других пассажирских воздушных летательных аппаратов, истребителей, грузовых воздушных летательных аппаратов, роторных воздушных летательных аппаратов, космических летательных аппаратов и любого другого типа пилотируемых или беспилотных воздушных транспортных средств.
[0029] Как показано на ФИГ. 3А, изделие 300' может быть получено в соответствии со способом согласно настоящему раскрытию. Изделие 300' может включать в себя сборку модульных компонентов, включающих первый компонент 301 и второй компонент 303. Изделие 300' 'может быть получено лазерной сваркой модульных компонентов, например первого компонента 301 и второго компонента 303, друг с другом и может содержать оправку для укладки слоев, на которой могут быть собраны композитные конструкции воздушного летательного аппарата. Соответственно, по меньшей мере один компонент из первого компонента 301 и второго компонента 303 может включать в себя соединения 302, которые могут быть соединены друг с другом.
[0030] Чтобы избежать коробления таких компонентов во время их соединения друг с другом, лазерная сварка обеспечивает фокусирование лучей лазерной энергии, которые не нагревают крупные участки поверхности по сравнению с другими методами сварки. Однако поскольку энергия лазерного излучения, выдаваемая такими лазерными источниками, имеет небольшие размеры пятна, соединения компонентов обычно имеют очень жесткие допуски, что увеличивает время изготовления и стоимость. Соответственно, промежутки между компонентами, подвергаемыми лазерной сварке, обычно имеют большое соотношение сторон (т.е. отношение глубины к ширине очень велико), которое сводит нагрев к минимуму. Иными словами, известные способы лазерной сварки обычно невозможно использовать там, где существует большой промежуток между компонентами. Однако, как показано на ФИГ. 3B-3D, предложен способ соединения таких модульных компонентов, даже в случае наличия большого промежутка между компонентами. Например, согласно способу, первый компонент 301 и второй компонент 303, разделенные промежутком 307, могут быть соединены друг с другом с образованием изделия 300. Как показано на ФИГ. 3В, по меньшей мере один компонент из первого компонента 301 и второго компонента 303 может содержать расходный краевой выступ 305, который под воздействием достаточной энергии лазерного излучения по меньшей мере частично оплавляется с образованием сварочной ванны , которая затем отверждается и образует сварной шов 309.
[0031] Как показано на ФИГ. 3С, портальная система 320 с роботизированной рукой 323, которая включает в себя лазер 321, может быть использована для сварки первого компонента 301 и второго компонента 303 друг с другом. Портальная система 320 может быть выполнена с возможностью перемещения роботизированной руки 323 и лазера 321 в заданное положение 330 сварки. Как показано на ФИГ. 3D, при работе лазера поверх первого компонента 301 и второго компонента 303 в положении 330 сварного шва, лазер 321 оплавляет по меньшей мере часть расходного краевого выступа 305 с образованием сварочной ванны, которая после отверждения образует сварной шов 309, соединяющий первый компонент 301 и второй компонент 303 друг с другом. Без ограничения каким-либо конкретным примером, представленные компоненты с расходными краевыми выступами, как описано в настоящем документе, уменьшают или исключают поднутрение.
[0032] Указанным лазером может быть любой подходящий лазер, пригодный для лазерной сварки металлических деталей, используемых в космических, воздушных, наземных или морских транспортных средствах. В одном примере лазером 321 может быть волоконный Nd:YAG-лазер (Nd:Y3Al5O12) мощностью 15 кВт, хотя лазер этим не ограничен и может быть лазером другого типа, например лазером на иттрий-алюминиевом гранате или на диоксиде углерода, а также может иметь различную номинальную мощность. В одном примере подача энергии лазерного излучения может быть управляемой. Например, частота энергии лазерного излучения, размер пятна, направленность, мощность могут управляться лазерным источником. Направленность может включать в себя заданную конфигурацию, например, колебание лазерного луча, имеющего энергию лазерного излучения и характеризующегося размером пятна, при этом колебание включает направление лазерного луча туда и сюда между первым компонентом и вторым компонентом. Лазерный источник может включать в себя контроллер, который принимает команды от компьютера. Хотя лазер 321 на ФИГ. 3С показан прикрепленным к роботизированной руке 323, примеры этим не ограничены. Также, лазер может быть выполнен с возможностью удержания руками и может управляться человеком-оператором для подачи энергии лазерного излучения к компонентам, привариваемым друг к другу лазерной сваркой.
[0033] Первый компонент 301, второй компонент 303 и/или расходные краевые выступы 305 могут содержать любой материал, подходящий для использования в качестве оправки для укладки слоев. В одном примере материал первого и второго компонентов может включать в себя, но без ограничения, один или более металлических сплавов, в том числе, но без ограничения, сталь с содержанием никеля 36% (также упоминаемой как "FeNi 36" или под товарным знаком "INVAR 36"), титан, низкоуглеродистую сталь, алюминий и их сплавы. Энергия лазерного излучения может быть достаточной для плавления по меньшей мере части первого компонента, второго компонента и расходного краевого выступа первого и/или второго компонента.
[0034] На ФИГ. 4А-4Е показаны операции способа изготовления лазерной сварки оправки для укладки слоев. Как показано на ФИГ. 4А, используют по меньшей мере один компонент из первого компонента 301 и второго компонента 303, который может содержать расходный краевой выступ 305. В одном примере первый компонент 301 и второй компонент 303 имеют соответствующий краевой выступ 305. Первый компонент 301 и второй компонент 303 могут быть отделены друг от друга промежутком 307, имеющим глубину и ширину. Глубина промежутка может быть задана первым расстоянием, проходящим в направлении, заданным толщиной по меньшей мере одного компонента из первого компонента 301 и второго компонента 303. Ширина промежутка может быть задана расстоянием между компонентами 301 и 303. В одном примере промежуток может иметь ширину между приблизительно 0,030 дюйма (0,762 мм) и приблизительно 0,005 дюйма (0,127 мм).
[0035] Как показано на ФИГ. 4B-4D, расходный краевой выступ 305 подвергают воздействию лазера 401 по мере перемещения лазерного источника вдоль направления 405. В одном примере энергию лазерного излучения обеспечивают лазерным источником, который перемещает энергию лазерного излучения вдоль предварительно выбранного направления 405, например, со скоростью от приблизительно 0 до приблизительно 250 дюймов в минуту (0,1058 м/с), например приблизительно 150 дюймов в минуту (0,0635 м/с). Как показано на ФИГ. 4А, расходный краевой выступ 305 может проходить по существу по всей длине первого компонента 301 и/или второго компонента 303. При этом другие примеры не ограничены указанным, и расходный краевой выступ может проходить только вдоль части длины первого компонента и/или второго компонента. Кроме того, расходный краевой выступ 305 не ограничен какой-либо конкретной формой или поперечным сечением. Например, расходный краевой выступ 305 может иметь по существу постоянную площадь поперечного сечения или непостоянную площадь поперечного сечения, по существу симметричную форму поперечного сечения или несимметричную форму поперечного сечения. Расходный краевой выступ 305 может также иметь форму поперечного сечения, которая включает скругленные элементы, линейные элементы или сочетание того и другого. В одном примере расходный краевой выступ 305 может иметь круглое или полукруглое поперечное сечение. В одном примере расходный краевой выступ 305 может иметь многоугольную форму поперечного сечения. Иными словами, расходный краевой выступ 305 может иметь треугольную, квадратную, прямоугольную или N-стороннюю форму поперечного сечения. Кроме того, поверхность расходного краевого выступа 305 и поверхность первого компонента 301 и/или второго компонента 305 могут иметь выполненную между ними непрерывную поверхность или могут быть разделены уголком, характеризующимся величиной угла. В одном примере величина угла может составлять приблизительно 90° или может отличаться от 90°.
[0036] Энергия лазерного излучения может быть предварительно выбрана таким образом, что она является достаточной для плавления участка 305' расходного краевого выступа 305, как показано на вставке. Например, лазер 401 может облучать расходный краевой выступ 305, первый компонент 301 и/или второй компонент 303. В результате подачи энергии лазерного излучения в достаточном количестве для плавления участков первого компонента 301, второго компонента 303 и/или расходного краевого выступа 305, лазер 401 может вызвать образование пара в капилляре 404, который может быть выброшен в виде, например, металлического пара с глубиной 407 проникновения до приблизительно полдюйма (1,27 см) в первом компоненте 301, втором компоненте 303 и/или расходном краевом выступе 305. По мере перемещения энергии лазерного излучения вдоль направления 405 расплавленный участок 305' по меньшей мере расходного краевого выступа 305 образует сварочную ванну 403 сварного шва. Сварочная ванна 403 скапливается в промежутке 307 между первым компонентом и вторым компонентом и после этого отверждается в виде сварного шва 309, соединяющего первый компонент 301 и второй компонент 303 друг с другом.
[0037] В одном примере первый компонент 301 содержит первый расходный краевой выступ 305, второй компонент 303 содержит второй расходный краевой выступ 305, а лазер 401 имеет размер пятна 406, которой пересекает промежуток и проходит поверх по меньшей мере одного выступа из первого расходного краевого выступа и второго расходного краевого выступа. В одном примере ширина промежутка 307 незначительно превышает размер пятна 406 энергии лазерного излучения. В ином случае, если размер пятна лазера слишком мал, он может проникать через промежуток без взаимодействия с поверхностью первого или второго компонента, например с их расходными краевыми выступами. Например, размер пятна 406 может быть обеспечен лазерным источником в диапазоне от приблизительно 0,008 дюйма (0,2032 мм) до приблизительно 0,018 дюйма (0,4572 мм). В одном примере размер пятна лазера не ограничен при условии, что он имеет достаточно энергии для плавления по меньшей мере части расходного краевого выступа 305. Кроме того, лазером 401 можно манипулировать таким образом, чтобы манипулировать направлением энергии лазерного излучения. Например, энергию лазерного излучения можно перемещать вдоль расходного краевого выступа, поперек и между первым и вторым компонентом, например, с совершением возвратно-поступательного движения или совершать комбинацию указанных движений. В то же время, хотя размер первого компонента и второго компонента не обязательно ограничен, расходный краевой выступ 305 может содержать объем материала, который образует сварочную ванну, по меньшей мере частично заполняющую промежуток между первым и вторым компонентом с образованием сварного шва. Объем может быть таким, что когда материал расходного краевого выступа расплавлен и образует сварочную ванну между первым и вторым компонентом, например в результате их лазерной сварки, он является достаточно большим, чтобы минимизировать или исключить поднутрение, и достаточно малым, чтобы минимизировать или исключить необходимость сошлифовывания излишков сварочного материала.
[0038] Таким образом, сварочная ванна может содержать материал из расплавленного участка 305' расходного краевого выступа 305. По мере охлаждения сварочной ванны 403 происходит ее отверждение с образованием сварного шва 309, соединяющего первый компонент 310 и второй компонент 303 друг с другом. При необходимости, как показано на ФИГ. 4Е, оставшиеся участки расходного краевого выступа 305, включая его расплавленные участки 305', которые могут не участвовать в образовании сварного шва, могут быть удалены с поверхности первого компонента 301 и второго компонента 303, при этом останется полученное лазерной сваркой изделие 400, которое может представлять собой полученную лазерной сваркой оправку для укладки слоев.
[0039] Со ссылкой на технологическую схему по ФИГ. 5, с дополнительной ссылкой на оправку для укладки слоев, компоненты и способы по ФИГ. 3B-3D и операции, показанные на ФИГ. 4А-4Е, как описано выше, способ 500 может быть использован для выполнения изделия 300, такого как структурный компонент, который включает в себя первый компонент и второй компонент, приваренные лазером друг к другу. В целом, во время операции 510 один или более из первого компонента 301 и второго компонента 303 могут быть размещены друг возле друга и разделены промежутком 307. По меньшей мере один компонент из первого компонента и второго компонента может содержать расходный краевой выступ 305. Преимущество, обеспечиваемое промежутком 307 между первым компонентом и вторым компонентом, заключается в том, что образованные в нем сварные швы имеют меньшую пористость по сравнению с другими способами сварки, например теми, которые не требуют промежутков, и для которых, вместо этого, требуются поверхности компонентов, выполненные с жесткими допусками, и согласование соединенных поверхностей. Соответственно, плотность сварного шва может отличаться от плотности первого компонента, второго компонента или обоих первого и второй компонентов.
[0040] Во время операции 520 первый и второй компоненты 301 и 303, соответственно, размещают вблизи системы лазерной обработки таким образом, что на расходный краевой выступ воздействует энергия лазерного излучения. В качестве примера, в некоторых примерах система лазерной обработки, которая может быть реализована в виде портальной системы 320, содержащей роботизированную руку 323, которая управляет лазером 321, как описано выше для ФИГ. 3С, и которая является достаточно большой, чтобы осуществить сборку структурных компонентов. Система лазерной обработки выполнена с возможностью подачи энергии лазерного излучения для плавления по меньшей мере части расходного краевого выступа, но может также плавить другие участки первого компонента и второго компонента.
[0041] Во время операции 530 в промежутке 307 между первым компонентом 301 и вторым компонентом 303 образуют сварочную ванну 403. Как описано выше, материал формирующий сварочную ванну 403 может включать в себя по меньшей мере часть расплавленного участка 305' расходного краевого выступа.
Во время операции 540 первый компонент 301 и второй компонент 303 приваривают лазером друг к другу в системе лазерной сварки путем отверждения плавильного болота с образованием сварного шва 309, соединяющего первый компонент и второй компонент друг с другом.
[0042] В одном примере применение на практике способов, описанных в настоящем документе, может включать в себя лазерную сварку фасонных поверхностей изделия 600. Например, как показано на ФИГ. 6, по меньшей мере один компонент из первого компонента 301 и второго компонента 303 изделия 600 может иметь фасонную поверхность 601. Расходный краевой выступ может, следовательно, проходить по меньшей мере частично через фасонную поверхность. Таким образом, как показано на ФИГ. 6, может быть обеспечена энергия лазерного излучения, как описано в других примерах, для образования расплавленного участка 305' расходного краевого выступа, который проходит по меньшей мере частично через фасонную поверхность 601. Часть материала расплавленного участка 305' расходного краевого выступа образует сварочную ванну в промежутке между первым компонентом 301 и вторым компонентом 303, как описано в других примерах, и может после этого отверждаться с образованием сварного шва 309 между первым компонентом и вторым компонентом.
[0043] Хотя указанные примеры были проиллюстрированы в отношении одного или более вариантов осуществления, изменения и/или модификации показанных примеров могут быть выполнены без отступления от сущности и объема прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, хотя конкретные признаки примеров, возможно, были описаны в отношении только одного из нескольких вариантов осуществления, такие признаки могут быть скомбинированы с одним или более других признаков других вариантов осуществления, если это может быть необходимо и предпочтительно для любой данной или конкретной функции.
Пункт 1. Способ изготовления с помощью лазерной сварки, включающий:
- обеспечение первого компонента и второго компонента, отделенных друг от друга промежутком, имеющим глубину и ширину, при этом по меньшей мере один компонент из первого компонента и второго компонента содержит расходный краевой выступ;
- воздействие на расходный краевой выступ энергией лазерного излучения, достаточной для плавления по меньшей мере его части;
- образование сварочной ванны, размещенной в промежутке между первым компонентом и вторым компонентом и содержащей материал из расплавленного участка расходного краевого выступа и
- отверждение сварочной ванны с образованием сварного шва, соединяющего первый компонент и второй компонент друг с другом.
Пункт 2. Способ по пункту 1, согласно которому размер пятна энергии лазерного излучения больше указанной ширины.
Пункт 3. Способ по пункту 2, согласно которому размер пятна энергии лазерного излучения находится в диапазоне от приблизительно 0,008 дюйма (0,2032 мм) до приблизительно 0,018 дюйма (0,4572 мм).
Пункт 4. Способ по пункту 2, согласно которому ширина имеет значение между приблизительно 0,030 дюйма (0,762 мм) и приблизительно 0,005 дюйма (0,127 мм).
Пункт 5. Способ по пункту 1, согласно которому расходный краевой выступ проходит по существу по всей длине первого компонента или второго компонента.
Пункт 6. Способ по пункту 1, согласно которому первый компонент содержит первый расходный краевой выступ, второй компонент содержит второй расходный краевой выступ, а энергия лазерного излучения имеет размер пятна, который больше ширины указанного промежутка, ширины по меньшей мере одного выступа из первого расходного краевого выступа и второго расходного краевого выступа или обоих выступов.
Пункт 7. Способ по пункту 1, согласно которому по меньшей мере один компонент из первого компонента и второго компонента имеет фасонную поверхность, и расходный краевой выступ проходит по меньшей мере частично через фасонную поверхность.
Пункт 8. Способ по пункту 7, согласно которому энергией лазерного излучения облучают участок расходного краевого выступа, который проходит по меньшей мере частично через фасонную поверхность.
Пункт 9. Способ по пункту 1, согласно которому лазерным источником направляют энергию лазерного излучения по поверхности первого компонента, второго компонента, расходного краевого выступа или их комбинации со скоростью до 250 дюймов в минуту (0,1058 м/с).
Пункт 10. Способ по пункту 1, согласно которому плотность сварного шва отличается от плотности первого компонента, второго компонента или обоих первого и второй компонентов.
Пункт 11. Способ по пункту 1, согласно которому первый компонент, второй компонент или оба первый и второй компоненты содержат FeNi 36.
Пункт 12. Способ по пункту 1, также включающий управление направлением энергии лазерного излучения для подачи энергии лазерного излучения вдоль длины расходного краевого выступа.
Пункт 13. Способ по пункту 1, также включающий управление направлением энергии лазерного излучения для подачи энергии лазерного излучения туда и сюда между первым компонентом и вторым компонентом.
Пункт 14. Способ по пункту 1, согласно которому расходный краевой выступ содержит объем материала, который меньше, чем объем указанного промежутка.
Пункт 15. Способ по пункту 1, согласно которому расходный краевой выступ содержит объем материала, который больше, чем объем указанного промежутка.
Пункт 16. Способ по пункту 1, также включающий удаление оставшегося объема материала расходного краевого выступа, не расплавленного при воздействии энергией лазерного излучения.
Пункт 17. Способ по пункту 16, согласно которому удаление включает сошлифовывание оставшегося объема материала расходного краевого выступа.
Пункт 18. Модульная оправка для укладки слоев, имеющая компонентную структуру и выполненная согласно способу по п. 1.
Пункт 19. Способ изготовления с помощью лазерной сварки, включающий:
обеспечение первого компонента, имеющего первый расходный краевой выступ, и второго компонента, имеющего второй расходный краевой выступ, при этом первый компонент и второй компонент отделены друг от друга промежутком;
воздействие на первый расходный краевой выступ и второй расходный краевой выступ энергией лазерного излучения, достаточной для плавления по меньшей мере части первого расходного краевого выступа и по меньшей мере части второго расходного краевого выступа;
заполнение по меньшей мере части указанного промежутка первым объемом материала первого расходного краевого выступа, расплавленного энергией лазерного излучения, и вторым объемом материала второго расходного краевого выступа, расплавленного энергией лазерного излучения; и
отверждение первого объема материала и второго объема материала в указанном промежутке с образованием сварного шва, соединяющего первый компонент и второй компонент друг с другом.
Пункт 20. Способ по пункту 19, согласно которому указанный промежуток имеет ширину между приблизительно 0,030 дюйма (0,762 мм) и приблизительно 0,005 дюйма (0,127 мм).
Кроме того, термины "включающий", "включает в себя", "имеющий", "имеет", "с", или их варианты, использованные в разделе «Осуществление изобретения» и формуле изобретения, предназначены для толкования аналогично термину "содержащий." При использовании в настоящем документе выражение "один или более из", например А, В и С, имеет любое значение из следующих: А, В или С по отдельности; комбинация из двух элементов, например А и В, В и С и А и С или комбинация из трех элементов А, В и С. Для специалистов в данной области техники из рассмотрения описания, изложенного в настоящем документе и применения его на практике будут очевидны другие примеры его реализации. Предполагается, что описание и примеры должны рассматриваться только в качестве иллюстраций, а истинный объем и сущность показанных примеров определяются следующей формулой настоящего изобретения.
1. Способ изготовления лазерной сваркой модульной оправки для укладки слоев, включающий:
- обеспечение первого компонента и второго компонента, отделенных друг от друга промежутком, имеющим глубину и ширину, при этом по меньшей мере один компонент из первого компонента и второго компонента содержит расходный краевой выступ;
- воздействие на расходный краевой выступ энергией лазерного излучения, достаточной для плавления по меньшей мере его части;
- образование сварочной ванны, размещенной в промежутке между первым компонентом и вторым компонентом и содержащей материал из расплавленного участка расходного краевого выступа; и
- отверждение сварочной ванны с образованием сварного шва, соединяющего первый компонент и второй компонент друг с другом,
причем ширина промежутка составляет между 0,5 мм и 0,762 мм, а размер пятна энергии лазерного излучения больше ширины указанного промежутка.
2. Способ по п. 1, согласно которому расходный краевой выступ проходит по существу по всей длине первого компонента или второго компонента.
3. Способ по п. 1, согласно которому первый компонент содержит первый расходный краевой выступ, второй компонент содержит второй расходный краевой выступ, а размер пятна энергии лазерного излучения больше ширины по меньшей мере одного из первого и второго расходных краевых выступов или обоих выступов.
4. Способ по п. 1, согласно которому по меньшей мере один из первого и второго компонентов имеет фасонную поверхность, и расходный краевой выступ проходит по меньшей мере частично через фасонную поверхность, при этом энергией лазерного излучения облучают участок расходного краевого выступа, который проходит по меньшей мере частично через фасонную поверхность.
5. Способ по п. 1, согласно которому лазерным источником направляют энергию лазерного излучения по поверхности первого компонента, второго компонента, расходного краевого выступа или их комбинации со скоростью до 0,1058 м/с (до 250 дюймов в минуту).
6. Способ по п. 1, согласно которому плотность сварного шва отличается от плотности первого компонента, второго компонента или обоих первого и второго компонентов.
7. Способ по п. 1, согласно которому первый компонент, второй компонент или оба первый и второй компоненты содержат FeNi 36.
8. Способ по п. 1, в котором осуществляют управление направлением энергии лазерного излучения для подачи энергии лазерного излучения:
(a) вдоль длины расходного краевого выступа и/или
(b) туда и сюда между первым компонентом и вторым компонентом.
9. Способ по п. 1, в котором расходный краевой выступ содержит объем материала, который
(a) меньше, чем объем указанного промежутка, и/или
(b) больше, чем объем указанного промежутка.
10. Способ по п. 1, в котором осуществляют удаление оставшегося объема материала расходного краевого выступа, не расплавленного при воздействии энергией лазерного излучения.
11. Модульная оправка для укладки слоев, имеющая компонентную структуру и выполненная способом по п. 1.
12. Способ изготовления лазерной сваркой модульной оправки для укладки слоев, включающий:
обеспечение первого компонента, содержащего первый расходный краевой выступ, и второго компонента, содержащего второй расходный краевой выступ, при этом первый компонент и второй компонент отделены друг от друга промежутком;
воздействие на первый расходный краевой выступ и второй расходный краевой выступ энергией лазерного излучения, достаточной для плавления по меньшей мере части первого расходного краевого выступа и по меньшей мере части второго расходного краевого выступа;
заполнение по меньшей мере части указанного промежутка первым объемом материала первого расходного краевого выступа, расплавленного энергией лазерного излучения, и вторым объемом материала второго расходного краевого выступа, расплавленного энергией лазерного излучения; и
отверждение первого объема материала и второго объема материала в указанном промежутке с образованием сварного шва, соединяющего первый компонент и второй компонент друг с другом,
причем ширина промежутка составляет между 0,5 мм и 0,762 мм, а размер пятна энергии лазерного излучения больше ширины указанного промежутка.
