Сварные швы с полимерным уплотнителем

Изобретение может быть использовано при изготовлении с помощью сварки трением с перемешиванием, например, компонентов самолета, с образованием нахлесточного соединения между элементом жесткости и внутренней поверхностью обшивки. Слой уплотнителя размещают между прилегающими поверхностями алюминия или алюминиевого сплава на участке проведения сварки и соединяют, по крайней мере, части поверхностей посредством сварки трением с перемешиванием через уплотнитель. Уплотнитель выбирают из условия его затвердевания без повреждений под действием температур, достигаемых при сварке. В качестве уплотнителя может быть использован мономер, в частности фторэластомер, с его полимеризацией при сварке. Для отверждения может применяться дополнительное тепло от лазера или индуктора. Способ обеспечивает защиту от коррозии на швах между прилегающими поверхностями. 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к сварным швам и, в частности, к полимерным уплотнителям для совмещаемых поверхностей, предназначенным для применяемых в самолетостроении швов, выполняемых способом механофрикционной сварки (МФС, или FSV).

Уровень техники

Сварные швы типа нахлесточных соединений используют для соединения металлических деталей. Нахлесточные соединения применяют для соединения перекрывающих одна другую поверхностей с использованием одного или более швов в перекрытой области материалов. Поверхности каждой из частей сваренного металла, прилегающие к скрепляющим материалам или сварным швам, которые объединены с помощью нахлесточных соединений, называемые "совмещаемыми" поверхностями, часто оказываются не полностью связанными сваркой или другими скрепляющими материалами и часто защищаются от коррозии традиционными уплотнителями для совмещаемых поверхностей типа полисульфидов или простых полиэфиров, наносимыми на совмещаемые поверхности перед их соединением. Такие уплотнители совмещаемых поверхностей могут быть также использованы для облегчения механических и усталостных проблем, возникающих в результате трения между совмещаемыми поверхностями, вибрации и т.п.

Уплотнители для совмещаемых поверхностей используют при сварке с целью предотвращения или уменьшения коррозии главным образом путем уменьшения влаги, которая может оказаться захваченной между совмещаемыми поверхностями и/или попадающими туда в результате капиллярного эффекта. Традиционные уплотнители для совмещаемых поверхностей могут ухудшать качество сварки и часто разрушаются теплом или механическими воздействиями, имеющими место при сварке или обработке материалов, а также из-за вибрации в процессе эксплуатации. Коррозия совмещаемых поверхностей внутри швов часто трудно распознаваема при осмотре.

В способах сварки для соединения металлов или металлических сплавов обычно применяются повышенные температуры. Механофрикционная сварка (МФС) представляет собой способ сварки, в котором для нагрева и размягчения соединяемых материалов используется трение, создаваемое кромкой вращающегося инструмента.

Инструмент имеет вращающийся штифт, который проникает в шов и притирает материалы один с другим. Благодаря этому застывшие швы выполняются без добавления наполнителей и применения защитных газов. Механофрикционная сварка с успехом применяется в самолетостроении, например при приваривании стрингера или какой-либо другой опорной детали к поверхности обшивки самолета. В традиционных способах сварки типа МФС применяется зона коррозионно-стойкого материала для закрытия сварного шва во время или после сварки в качестве уплотнителя для совмещаемых поверхностей. Пример такого способа раскрыт в патенте США 6045028, Martin et al. Коррозия совмещаемых поверхностей в сварном шве, выполненном способом МФС, является очень опасным состоянием из-за снижения прочности конструкции самолета и к тому же трудно распознаваема при осмотре.

Таким образом, для изготовления сварных деталей с улучшенными антикоррозионными свойствами, предназначенными для применения, например, в производстве самолетов и деталей для самолетов, необходим новый способ уплотнения совмещаемых поверхностей.

Раскрытие изобретения

В своем первом аспекте способ сварки включает нанесение уплотнителя между свариваемыми одна с другой поверхностями и сваривание, по крайней мере, частей поверхностей с целью отверждения уплотнителя между поверхностями.

Согласно другому аспекту сварная конструкция включает первый элемент, второй элемент, приваренный к первому элементу, и затвердевший при сварке уплотнитель совмещаемых поверхностей между первым и вторым элементами.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет поперечное сечение части самолета или аналогичной конструкции, включающее нахлесточное соединение между металлическими поверхностями, и демонстрирует типичные положения линий сварных швов, получаемых способом МФС, с применением уплотнителя совмещаемых поверхностей для улучшения коррозионной стойкости.

Фиг.2 представляет поперечное сечение конструкции из фиг.1 и демонстрирует дополнительный элемент жесткости, приваренный к поверхности и защищенный полимерным уплотнителем совмещаемых поверхностей.

Фиг.3 представляет поперечное сечение крыла самолета и образца элемента жесткости с полимерным уплотнителем совмещаемых поверхностей.

Фиг.4 представляет поперечное сечение обобщенной структуры самолета и образца элемента жесткости с полимерным уплотнителем совмещаемых поверхностей.

Осуществление изобретения

Изображенное на фиг.1 поперечное сечение части самолета или аналогичной конструкции включает нахлесточное соединение 10 между поверхностью 12 из алюминия, стали, титана или сплава, такой как крыло или обшивка корпуса самолета, со стрингером типа L-образного опорного элемента 14 из алюминия, стали, титана или сплава. Нахлесточное соединение образуется путем применения МФС или других известных способов сварки на одном или более участках сварки, обозначенных в целом как линии полученных способом МФС сварных швов 16, 18 или 20. Эти линии швов перпендикулярны плоскости чертежа и образованы инструментом для МФС 22, вращающимся относительно опорного элемента 14 и/или поверхности 12. Вращение инструмента 22 создает трение для нагрева и плавления соединяемых материалов и механического смешения пластифицированных материалов для образования шва. Возникающие в этом процессе повышенные температуры могут привести к полимеризации уплотнителя и/или адгезивного слоя мономера, который при затвердевании образует антикоррозионный слой - слой уплотнителя совмещаемых поверхностей 24.

Предпочтительно, чтобы слой мономера обладал характеристиками, подходящими для процесса МФС-сварки, а также подходящими для предполагаемого применения сварной конструкции. Например, мономерный слой должен легко наноситься на критическую область и затвердевать, но не разрушаться в значительной степени под действием возникающих при сварке повышенных температур. При затвердевании слой уплотнителя 24 должен обеспечить антикоррозийную защиту совмещаемых поверхностей соединения путем, например, предотвращения проникания влаги за счет капиллярного эффекта. Особенно полезный материал уплотнителя совмещаемых поверхностей для слоя уплотнителя 24 образуется при нанесении слоя, который образует при затвердевании фторэластомерный полимер, создающий антикоррозийный щит между прилегающими поверхностями 26 и 28 опорного элемента 14 и поверхности 12 соответственно. Во многих случаях применения может оказаться желательным расширить охват слоя уплотнителя 24 за пределы совмещаемых поверхностей 26 и 28.

Нахлесточное соединение 10 образуется следующим путем. Поверхности 12 и 14 готовят обычным образом для МФС-сварки, после чего приготовляют слой 24 для нанесения на свариваемые поверхности. Особенно эффективный полимерный уплотнитель совмещаемых поверхностей может быть образован при использовании фторэластомерного клея PLV 2100, поставляемого фирмой Pelseal Technologies, LLC of Newtown, PA. PLV 2100 представляет собой двухкомпонентный клей, который смешивается в отношении 25-27 вес. частей материала основы PLV 2100 с одной вес. частью добавляемого к основному материалу ускорителя Accelerator #4, после чего производится перемешивание в течение примерно 5 мин. В случае нанесения распылением покрытие после перемешивания может быть разбавлено добавлением метилизобутилкетона (MiBK) или метилэтилкетона (МЕК) в весовом отношении 1:1. Желательно избегать попадания в смесь значительных количеств воздуха, в связи с чем перед нанесением смеси полезно проводить ее дегазацию в течение 10 мин. Установлено, что другими пригодными материалами являются, в частности, Pelseal PLV 6032 и Thermodyne THP-2000.

В способе настоящего изобретения может быть также применена дополнительная обработка поверхности. Если компонентами устройства является алюминий или алюминиевый сплав и требуется повышенная коррозионная стойкость шва, перед нанесением уплотнителя поверхности на, по крайней мере, часть свариваемых поверхностей может быть нанесено традиционное химически конвертируемое покрытие.

Смесь можно наносить на поверхность 26 элемента жесткости 14 и/или поверхность 28 обшивки 12, используя в качестве устройства 29 для нанесения смеси (аппликатора) твердый резиновый валик, щетку или предпочтительно распылитель HPLV. Подходящая толщина для клеевой влажной пленки имеет порядок приблизительно от 0,0005 до 0,0100 дюйма, предпочтительно от 0,001 до 0,005 дюйма, что предотвращает такого рода проблемы, как погружение инструмента для МФС 22 в процессе сварки, в результате чего сварка может оказаться неудовлетворительной. После нанесения смеси поверхность 26 опорного элемента 14 может быть прижата предпочтительно через примерно 20 мин к поверхности 28 поверхности обшивки 12. Если прижатие не было произведено в пределах 20 мин, желательно повторно увлажнить поверхность распылением тонкого тумана MiBK или МЕК в течение времени после нанесения покрытия до 1 часа. Таким образом, если прижатие произведено не было, целесообразно повторное нанесение покрытия.

Фторэластомерный клей PLV 2100 застывает при температуре 25±5°С в течение приблизительно 24 час. Применение вращающегося инструмента для МФС 22 с образованием линии сварного шва 16, 18 и/или 24 служит для создания повышенных температур, необходимых для ускорения затвердевания полимерного уплотняющего клея. В дополнение к теплу, генерируемому в результате трения вращающегося контакта между инструментом для МФС 22 и линией сварного шва 16, 18 и/или 20, для сокращения времени затвердевания до или в процессе сварки способом МФС может быть добавлено тепло от лазера 30 (такой способ известен как способ МФС с применением лазера в качестве вспомогательного средства, или LAFSW) или от нагревателя типа индукционного нагревателя 32. После проведения сварки способом МФС, в результате чего образуется шов 10 со слоем полимерного уплотнителя совмещаемых поверхностей 24, уплотнитель затвердевает в достаточной степени для того, чтобы через приблизительно 4 часа на прилегающих не подвергнутых сварке поверхностях можно было проводить другие операции, например грунтовку.

Обращаясь теперь к фиг.2, 3 и 4, отметим, что имеется много различных типов требующих сварки элементов жесткости и поверхностей, которые могут быть улучшены путем применения уплотнителя, затвердевающего в процессе сварки. На фиг.1 Z-образный элемент жесткости 15 может быть приварен с помощью МФС или похожих способов, использующих нахлесточное соединение или другие известные приемы сварки, к поверхности 12 по швам 16, 18 или 20 с применением подходящего клея или уплотнителя, способного затвердевать с образованием уплотнительной поверхности 24.

На фиг.3 представлено поперечное сечение сборной конструкции крыла самолета 34, в которой элемент жесткости 36 соединен с соответствующей поверхностью сварочным способом, в котором происходит затвердевание уплотнительного слоя с образованием требуемого полимеризованного уплотнителя для совмещенных поверхностей 24.

На фиг.4 представлено поперечное сечение обобщенной конструкции самолета 38, в которой Z-образный элемент жесткости 37 соединен с соответствующей поверхностью сварочным способом, в котором происходит затвердевание уплотнительного слоя с образованием необходимого полимеризованного уплотнителя для совмещенных поверхностей 24.

Хотя в качестве примера подходящего материала для нанесения с образованием слоя уплотнителя для совмещенных поверхностей 24 был использован фторэластомерный клей PLV 2100, могут быть использованы и другие полимеры, затвердевающие, но не повреждающиеся теплом сварочного процесса, с образованием слоя, обладающего необходимыми антикоррозионными свойствами. Фторэластомеры являются особенно пригодными для этих целей, в частности материалы под маркой Viton фирмы Dupont/Dow.

Хотя способы сварки типа МФС особенно выгодны для получения сварочных швов, которые могут быть защищены уплотнителями для совмещенных поверхностей, могут быть использованы и другие способы сварки. Аналогичным образом наряду с нахлесточными соединениями с помощью затвердевающих в процессе сварки уплотнителей могут быть также защищены угловые сварные швы и любые другие соединения, которые могут образовывать совмещаемые или несвязанные поверхности. Использование уплотнителей для совмещенных поверхностей, по крайней мере, частично затвердевающих в процессе сварки, особенно выгодно в самолетостроении и в производстве агрегатов самолетов. Однако затвердевающие при нагревании уплотнители для совмещенных поверхностей могут быть с выгодой применены и для многих других агрегатов.

1. Способ сварки трением с перемешиванием, включающий размещение уплотнителя между прилегающими поверхностями алюминия или алюминиевого сплава на участке проведения сварки, соединение, по крайней мере, части поверхностей посредством сварки трением с перемешиванием через уплотнитель с обеспечением его затвердевания между прилегающими поверхностями в процессе сварки, при этом уплотнитель выбирают из условия его затвердевания без повреждений под действием температур, достигаемых при сварке, с формированием уплотнительного слоя.

2. Способ по п.1, в котором проводят частичное отверждение уплотнителя перед сваркой поверхностей.

3. Способ по п.2, в котором перед сваркой осуществляют прижатие поверхностей друг к другу, при этом уплотнителем является клей.

4. Способ по п.1, в котором перед сваркой осуществляют прижатие поверхностей друг к другу, при этом уплотнителем является клей.

5. Способ по п.1, в котором в качестве уплотнителя используют мономер, а при сварке осуществляют полимеризацию мономерного уплотнителя.

6. Способ по 2, в котором в качестве уплотнителя используют мономер, а или сварке осуществляют полимеризацию мономерного уплотнителя.

7. Способ по п.5 или 6, в котором в качестве уплотнителя используют фторэластомер.

8. Способ по п.1, в котором для отверждения уплотнителя используют дополнительное тепло.

9. Способ по п.8, в котором для получения дополнительного тепла используют энергию лазера.

10. Способ по п.8, в котором для получения дополнительного тепла используют индукционный нагрев.

11. Способ по п.9 или 10, в котором дополнительное тепло применяют в процессе сварки.

12. Способ по любому из пп.1-6, 8-10, в котором свариваемые поверхности размещают внахлестку, при этом уплотнитель используют для предотвращения между прилегающими поверхностями коррозии.

13. Способ по п.7, в котором свариваемые поверхности размещают внахлестку, при этом уплотнитель используют для предотвращения между прилегающими поверхностями коррозии.

14. Способ по п.11, в котором свариваемые поверхности размещают внахлестку, при этом уплотнитель используют для предотвращения между прилегающими поверхностями коррозии.