ES2216319T3 - Procedimiento para unir partes de aluminio o de aleaciones de aluminio. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para unir partes que constan de aluminio, o de aleaciones de aluminio, que comprende el calentamiento de las partes que están sujetas en una posición para la unión, caracterizado porque el calentamiento de los materiales se realiza hasta alcanzar una temperatura Tr por debajo del punto de fusión del material de base, y en la cual el material de base está en un estado de pastosidad, manteniendo la temperatura a un nivel constante y, a continuación, disminuyendo un poco el nivel de la temperatura, tras lo cual al menos una de las partes, a una temperatura Tu que es inferior a la primera temperatura conseguida Tr y no inferior a aproximadamente 40ºC por debajo del límite inferior del intervalo de fusión, se somete a vibraciones mecánicas por aplicación de sonido ul- trasónico de un tipo y duración tales, que las capas de óxido sobre el material de base se agrietan y se obtiene una unión metálica.

Description

Procedimiento para unir partes de aluminio o de aleaciones de aluminio.

La presente invención se refiere a un procedimiento para unir partes de aluminio o de aleaciones de aluminio sin el uso de fundentes.

Ya se conoce la unión de metales por adhesión (soldadura sin fusión o soldadura fuerte), es decir, usando materiales adicionales para la unión. La unión de metales por cohesión (es decir, soldadura por metal fundido o soldadura por presión), es decir, cuando los materiales aplicados para unir están formando un estado uniforme de condición de material entre sí, también se conoce. En el caso de cohesión es posible calentar las superficies de las partes para unirlas en un estado no líquido y realizar la unión mediante presión.

Cuando se unen partes de aluminio, el procedimiento de unión ha resultado ser difícil de controlar, parcialmente en función de los estrechos intervalos de fusión del aluminio y de sus aleaciones, y parcialmente debido al hecho que la capa de óxido -AL2O3- es una cerámica que, calentada hasta la temperatura real (aproximadamente 600ºC), tiene una resistencia y una tenacidad que hacen que sea de difícil penetración. Esto contribuye a formar una barrera eficaz para impedir una reacción, por ejemplo, con un material de soldadura sin fusión. En este contexto se debe señalar que la temperatura de fusión para AL2O3 está por encima de 2.000ºC.

Un producto comercialmente importante destinado a ser fabricado en aluminio, son intercambiadores de calor, siempre que estén dotados de una técnica de unión fiable para estas partes. Se ponen grandes exigencias en una técnica comercial de unión, especialmente cuando se usa amonio como un medio refrigerante en un intercambiador. La presión de trabajo puede llegar a ser de 40 bar.

Los documentos WO 91/04825 y US-A-4 754 913 describen una técnica de unión para realizar las partes en aluminio allí donde una parte tubular se ha de unir con una brida. Al menos una de las partes está chapada antes de unirse y un mandril vibrante se empuja al interior de la parte tubular, sobre la cual se introduce una vibración. A continuación, se superpone una "vibración forzada" en una de las partes y el efecto activo es un movimiento relativo entre las dos partes, el cual contribuye al pegado.

La técnica descrita en el documento US-A-4 754 913 también está limitada al uso de chapados de cinc para la soldadura sin fusión. El procedimiento puede ser brevemente descrito como una soldadura por vibración que presume de que las partes de unión, allí donde se superpone una unión metálica, están en contacto metálico entre sí, y exactamente en este punto de contacto se están moviendo una respecto de otra.

El sumario japonés 63-317 249 describe una técnica de laminación para aluminio o para aleaciones de aluminio que usan materiales de revestimiento, los cuales ante la influencia de vibraciones por ultrasonidos se hace que formen rápidamente una unión. El procedimiento presume una presión alta con un grado de deformación plástica del 20-50%,el correcto nivel de temperatura y una concentración simultánea de ultrasonidos para la unión. El procedimiento tiene un uso limitado para uniones planas, con partes de unión de hojas de revestimiento, allí donde el ultrasonido tiene únicamente la función de aumentar la velocidad de soldadura.

El documento DE-A-963 914 se refiere a cabezas eléctricas de soldador sin fusión de aluminio. La cabeza de soldador sin fusión está dispuesta, por lo tanto, de forma que pueda moverse y se aplica en, o contigua a, la fusión de soldadura sin fusión, y está diseñada para llevar una vibración hasta una pieza de trabajo a una frecuencia de aproximadamente 100 Hz. La cabeza de soldadura sin fusión funciona como un perforador de vibraciones, el cual penetra la capa de óxido.

El documento DE-A-73- 5 86 1, que es un añadido al documento DE-A-720 629, se refiere a una técnica, que generalmente propugna la aplicación de vibraciones de una cierta frecuencia en conexión con la unión de partes de aluminio.

El documento US-A-3 680 200 se refiere a una técnica para soldar sin fusión tubos con la ayuda de ultrasonidos. El procedimiento presume la aplicación de una unión de tubo a fin de que aparezca un espacio controlado alrededor de todas las periferias de macho y hembra. El ultrasonido se aplica en la dirección lateral sobre el macho o la hembra, de tal forma que las partes de unión en la unión se mueven una contra otra, por lo que mediante la fricción y la influencia mecánica la capa de óxido se agrieta al ser calentada. Las tolerancias se establecen a fin de que el límite mínimo (0,05 mm) sea la distancia mínima necesaria para que los ultrasonidos ocasionen rozamiento mediante la influencia mecánica. El límite máximo se establece para impedir que la soldadura sin fusión fluya a través de la unión y desaparezca del punto de unión. El procedimiento de la patente de los Estados Unidos puede estar caracterizada, de acuerdo con lo que se afirma en el documento WO 91/04825, o en el documento US-A-4 754 913, como una soldadura por vibración, con los requisitos y condiciones válidos para la misma. En la práctica, estaría cercano a lo imposible aplicar una unión tubular con las tolerancias dimensionales mencionadas en lo que antecede en una producción continua. Además, se puede mencionar que la soldadura sin fusión ya fluye a través de la unión cuando las separaciones llegan a ser tan pequeñas como de 0,1 mm.

El objetivo de la presente invención es conseguir una técnica de unión que permita que partes de aluminio y/o de aleaciones de aluminio sean unidas con seguridad entre sí en uniones metálicas sin el uso de fundente, y considerando las propiedades de los materiales tanto de las partes que son susceptibles de unirse entre sí, como incluso del material de soldadura fuerte/soldadura sin fusión. La invención es tanto para un procedimiento como para un dispositivo para unir aluminio y/o aleaciones de aluminio.

Esto se consigue porque el procedimiento tiene las características que se han mencionado en las reivindicaciones de la patente.

La técnica mencionada de acuerdo con esta invención no depende en modo alguno de la presión o del rozamiento entre las partes de unión del punto de unión, allí donde la unión metálica tiene lugar entre las partes, posiblemente por influencia de un material de soldadura sin fusión. La demanda de tolerancias sobre las partes de unión es, de hecho, de menor importancia, ya que se anticipa que la soldadura sin fusión se ha fundido en una condición líquida, ha llenado el espacio de unión antes de que tenga lugar una unión metálica. Una parte de unión consta más bien de un aluminio puro de baja aleación con un estrecho intervalo de punto de fusión, tiene una zona comparativamente ancha de temperatura, donde el material básico tiene la suavidad apropiada para permitir que las vibraciones impuestas (ultrasonidos) agrieten la capa de óxido. El límite inferior es de aproximadamente 40ºC por debajo del límite inferior del intervalo de fusión-sólido. El límite superior está directamente por encima del sólido donde el metal es tan blando que las vibraciones hacen que la unión se colapse. Una parte de unión que consta de una gran aleación aluminio con un ancho intervalo de fusión, tiene otra zona de temperatura, y también más ancha, donde las vibraciones impuestas funcionan de acuerdo con la invención. El límite inferior sigue siendo de 40ºC en sólido, pero el límite superior puede, debido al intervalo de fusión más ancho, estar considerablemente por encima del sólido. La composición de un material de soldadura sin fusión/soldadura fuerte está adaptada de tal forma que su intervalo de fusión se ajusta a los intervalos de fusión de las actuales partes de unión. Esto se debe a que debe ser posible un intercambio de cristales de metal tras el agrietamiento de la capa de óxido a la temperatura real. Este intercambio de cristales metálicos crea una nueva aleación de metal en el punto de unión, cuya temperatura de fusión está por debajo de la de las partes de unión que están pegadas entre sí. También es teóricamente posible usar esta técnica de acuerdo con la invención para unir partes sin usar un material de soldadura sin fusión/soldadura fuerte, siempre que metales de alta aleación o de diferentes aleaciones se usen en las partes, que se han de unir.

Debido a que el calentamiento se extiende hasta una condición de suavidad (antes de sólido) en el material básico se consigue la aplicación de vibración mecánica, con el objetivo de romper la capa de óxido (Al2O3), crea una posibilidad para iniciar un intercambio de cristales de metal en la zona límite entre el material fundido y sin fundir. Este intercambio forma el deseado adhesivo metálico en el punto de unión.

El procedimiento de acuerdo con la invención, significa una combinación de calentamiento y aplicación de vibraciones, allí donde el calentamiento se realiza primero para conseguir la suavidad del material de base en las partes de unión reales. La frecuencia, efecto, amplitud y duración de las ondas vibrantes se pueden variar. La supervisión de la distribución real de calor y la subida de la temperatura alcanzada, así como el control tanto de la duración como de la intensidad del efecto suministrados respecto de la vibración y del calentamiento, para permitir que uno consiga la separación de temperatura correcta haciendo referencia a la temperatura de límite inferior o superior de acuerdo con el sólido de tal forma que el intercambio de cristales de metal pueda tener lugar, es una condición esencial para un proceso de producción repetitiva. La técnica necesaria para esta monitorización y control del procedimiento de acuerdo con la invención puede ser conseguida por los hombres expertos en la técnica, es decir, un ingeniero experto en automatización junto con un metalúrgico, por lo cual únicamente los principios para esto serán descritos en lo que sigue. Esto también es válido para la aplicación de las vibraciones, cuyo punto puede ser escogido considerando los factores tecnológicos prácticos y de producción.

La unión que se ha de formar entre las partes de unión debe estar diseñada con una parte de la dirección lateral de la unión respecto del punto de adhesión, con un buen ajuste entre las partes. Esto es debido a que como se debe mantener en su sitio la soldadura sin fusión fundida y no debe fluir lejos, se debe facilitar una distribución de calor uniforme y eficaz entre las partes de unión así como un eficaz esparcido de vibración desde una parte de unión hasta la otra. Las vibraciones en el metal son dependientes, por consiguiente, de la frecuencia aplicada, del efecto y de la amplitud que aquellas vibraciones alcanzan con más o menos profundidad en las capas superficiales de las partes de unión. Un metal más duro requiere un mayor efecto de vibración. Las vibraciones también se cambian en un principio suavizando el metal. Incluso la superficie de aplicación, es decir, el tamaño de la superficie para distribuir las vibraciones hasta las partes de metal, tiene importancia para el resultado.

Un suministro de calor mediante inducción tiene trascendencia para el nivel y duración eficaz de las vibraciones, es decir, una disminución del calentamiento en relación con la aplicación de vibraciones se traduce en márgenes aumentados hasta el colapso del material. Una gran amplitud en las vibraciones normalmente se traduce en una mejor capacidad para romper la tenaz capa Al2O3.

También es posible eliminar principalmente la capa Al2O3 mediante el decapado, allí donde la superficie puede estar protegida por una delgada capa de cinc (por ejemplo, 0,5 micrones). Naturalmente, esto proporciona condiciones bastante diferentes para la aplicación tanto de vibraciones como del calentamiento, así como la elección de material de soldadura fuerte/soldadura sin fusión y de su composición.

Para dar una visión más clara de la influencia e interdependencia de los factores mencionados en lo que antecede, aquí, en lo que sigue, hay una descripción de una realización específica de unión, donde dos tubos abocardados se han de conectar con una curva de tubo. Ambas uniones se suministran con anillos de material de soldadura sin fusión. Lo que se dice en lo que sigue es generalmente aplicable a todos los tipos de uniones en aluminio y para aleaciones para todas las soldaduras sin fusión/soldadura fuerte, pero la aplicación de la unión seleccionada es una de las más difíciles de realizar. Esto depende mucho de las condiciones asimétricas que prevalecen respecto de la distribución de calor, y el intercambio de calor con los entornos. La pérdida de calor desde las partes de tubo recto es considerablemente mayor que la de la curva de tubo, donde, en cambio, tendrá lugar una acumulación de calor.

La elección de frecuencia de inducción controla la profundidad de penetración del calentamiento inductivo. La frecuencia mayor genera una menor profundidad de penetración, aunque la profundidad de penetración aumenta con el calentamiento del metal. La otra transmisión de calor en la unión tiene lugar a través de la conducción térmica y/o la convección térmica.

Cuanto mejor sea el ajuste entre las partes de unión, mayor transmisión de calor tiene lugar como conducción térmica. En caso de mal ajuste la conducción se impide debido a la resistencia térmica, por lo cual se aumenta la cuota por convección. La cuota por convección es la más difícil de estimar y controlar.

La parte de tubo que toma primero el calor también toma primero la expansión térmica. Cuando la parte de tubo abocardada se calienta primero, el ajuste en la unión se puede perder y, por lo tanto, generar una resistencia térmica. El caso opuesto es válido cuando la curva de tubo se calienta primero pero, por otro lado, la curva de tubo puede ser fundida antes de que la parte tubo abocardada haya alcanzado el nivel de temperatura para finalizar la adhesión satisfactoriamente.

Se pueden calentar tanto las partes de curva de tubo como de tubo abocardado al mismo tiempo utilizando una bobina de inducción con arrollamientos dobles y conseguir, de este modo, una distribución de temperatura más uniforme dentro del intervalo de temperatura necesario y a lo largo de toda la parte de unión que se ha de adherir, lo que permite que tenga lugar la soldadura fuerte. Con longitudes de unión más largas, se puede transmitir más calor por conducción térmica (función lineal), pero, por otro lado, esto aumentará la asimetría térmica al calentar con el calentamiento inductivo.

Cuando se aplican vibraciones mecánicas a la unión después de la fusión del material soldado sin fusión/de soldadura fuerte, se introduce en el procedimiento una fase dinámica. Una nueva aleación se crea de forma continua en la zona límite entre las superficies parcialmente fundidas en la unión entre las partes, a medida que pasa el tiempo. Por ello, en un análisis en un diagrama de fase, las curvas de transformación de fase para el material de soldadura sin fusión o base (de fase sólida a fundida) en el punto de unión cambia su apariencia. En esta fase dinámica con vibraciones aplicadas, tiene lugar un intercambio continuo de cristales de metal entre los metales de las partes de unión y el material de soldadura sin fusión fundido, por lo cual la nueva aleación creada en la zona límite consigue, sucesivamente, un contenido aumentado de las partes del material de soldadura sin fusión.

Mediante la aplicación de las vibraciones el intervalo de temperatura, dentro del cual uno puede aumentar los márgenes de operación de la temperatura, se ensancha.

La función principal del material de soldadura sin fusión/soldadura fuerte es ocasionar efectos metalúrgicos relacionados con vibraciones para salvaguardar los procedimientos eficaces de soldadura fuerte/soldadura sin fusión.

La soldadura con ultrasonidos se conoce como un concepto, y se menciona en manuales como una combinación de soldadura de fricción y presión. Común para las aplicaciones descritas es la necesidad de equipamiento y herramientas exhaustivos. También se menciona la necesidad de altas presiones y de que la aplicación de vibraciones debe ser directa sobre el punto de unión para a adherirse. Esto hace que estos procedimientos sean difíciles de aplicar, entre otras cosas, debido al elevado coste, falta de espacio para dispositivos voluminosos, incertidumbre respecto a la penetración de la capa de óxido, etc.

La técnica de acuerdo con esta invención significa callar otro punto de ataque a través de su enfoque para considerar el rumbo actual de sucesos en el punto de unión al calentar y aplicar vibraciones, por lo cual se pueden realizar dispositivos menos voluminosos y aplicaciones más difíciles (soldadura/ soldadura fuerte/soldadura sin fusión de curvas de tubo, etc.). De acuerdo con la invención es posible trabajar con frecuencias considerablemente por debajo de los ultrasonidos y con amplitudes extremadamente altas. Esto simplifica la distribución de vibraciones en el metal hasta la unión. Desventajas evidentes son, sin embargo, un alto nivel de ruidos, solicitudes en abrazaderas elásticas y sin amortiguamiento de las partes de unión y altas solicitudes en el control de temperatura. De hecho, las frecuencias por debajo de 1.500 Hz son inadecuadas debido al ruido.

En una sencilla aplicación que usa la invención, los procedimientos de calentamiento y vibración están apenas controlados, pero, por otro lado, en una aplicación más compleja con alta solicitud en una junta de seguridad y sin faltas, el procedimiento está controlado, por ejemplo, mediante una medida óptica de la temperatura allí donde el termómetro vía un procesador está conectado al calentamiento inductivo y a los generadores de ultrasonidos, por lo cual el procedimiento de temperatura y de vibración está controlado simultáneamente de acuerdo con las temperaturas medidas. Una posible complicación se debe a las posibles variaciones del espesor de la capa de Al2O3 (de 2 a 10 micrómetros), lo que significa que localmente se producen pinchazos de fusión en forma de pequeños orificios, a través de los cuales el metal puede fluir alejándose. El riesgo es mayor a temperaturas y vibraciones muy [demasiado] altas. Por medio del tratamiento desoxidante de una parte de unión gestionable hasta un espesor uniforme de la capa de óxido, o hasta una retirada completa de la capa, allí donde la superficie está entonces protegida con un revestimiento de cinc (0,5 micrones), esta complicación puede ser gestionada. Las partes de unión no gestionables de este modo pueden ser pulidas hasta una capa de óxido uniforme antes de soldar/soldadura fuerte.

La invención se describirá ahora de acuerdo con la realización mostrada en las figuras adjuntas.

La figura 1 muestra una superficie esquemática de una sección de un punto de unión a estar entre dos partes de acuerdo con la técnica de la invención, por ejemplo, al unir un tubo recto con una curva de tubo, donde un material de soldadura fuerte/soldadura sin fusión está presente en el punto de unión, y el dispositivo para realizar el procedimiento de unión.

La figura 2 muestra una bobina de inductancia para el procedimiento de acuerdo con la invención.

La figura 3 muestra, parcialmente en sección, dos partes de tubo las cuales están unidas a una curva de tubo, y el dispositivo para esto.

La figura 1 muestra, de esté modo, una superficie de una sección de un punto que va a ser de unión, donde un material 2 de soldadura fuerte/soldadura sin fusión está presente en conexión con la unión o el punto 3 de unión, es decir, con forma de un anillo de soldadura sin fusión. Las partes de unión 1a y 1b tienen un buen ajuste en la superficie 4 de contacto. Este buen ajuste contribuye a bloquear la posición de las partes de unión entre sí. El punto 3 de unión se calienta hasta la zona de temperatura querida con una fuente de calor. Esta fuente de calor puede ser una bobina 5 de inductancia, un insuflador 6 de aire caliente, el cual sopla aire caliente en la unión, o una llama abierta procedente de un quemador de gas. La flecha 7 simboliza el suministro de calor a las partes de unión 1a y 1b y a la que será unión. El logro de la temperatura correcta está monitorizado mediante un dispositivo de medida 8 óptico de la temperatura. Se aplica ultrasonido con un transmisor 9 acústico cuando se consigue la temperatura correcta en el punto de unión, o más específico, en la que será la unión. La unión se facilita mediante cualquier forma de control de temperatura para monitorizar los niveles de temperatura y para tener la posibilidad de mantener la temperatura, con la idea de nivelar el nivel de temperatura en la unión.

Un ejemplo, que puede llevarse a la práctica, de un modo mencionado en lo que antecede de realización de la invención se muestra en la figura 2. Las dos partes 1B y 1C de tubo se han de unir entre sí con una curva de tubo 1A. Las partes de tubo están abocardadas en las partes más cercanas a la curva de tubo y el tubo incluye aquí los extremos correspondientes de la curva de tubo y anillos 2A de soldadura sin fusión 2A, 2B que la rodea. Las partes están sujetas en la posición adecuada con una fijación 10, preferiblemente de material cerámico. Para calentar el material hay dos bobinas 5A, 5B de inductancia, por lo cual la bobina inferior de la figura, la que rodea las partes abocardadas de tubo, es de un tamaño algo mayor que la bobina superior. La forma de las bobinas de inductancia aparece más cercana en la figura 3. Las partes superiores de las bobinas de inductancia están conformadas para dar una distribución óptima de calor a los tubos y a la curva de tubo. Por lo tanto, es esencial que la parte superior, la cual es el macho de conexión, es decir, la curva de tubo en la figura 2, se caliente al menos tan rápido como la parte inferior, es decir, la hembra de conexión. En la situación opuesta, el espacio entre las partes puede ser ensanchado demasiado a fin de permitir que el flujo hacia fuera de material de soldadura sin fusión pueda producirse.

Las figuras también muestran que los extremos de los tubos abocardados, así como los extremos de la curva de tubo, tienen forma cónica. El ajuste entre las partes de tubo y un posible anillo de soldadura sin fusión es muy esencial para lograr la distribución correcta de temperatura y, preferiblemente, los extremos de las partes de tubo están conformadas en forma cónica con un ángulo de aproximadamente 1:15. Un mal ajuste ocasiona una transmisión reducida de calor y una transmisión reducida de vibración entre las partes de unión, lo que ralentiza, por lo tanto, todo el procedimiento y aumenta el riesgo de uniones con fugas.

Todo el ciclo temporal para unir las partes de tubo según el ejemplo mencionado en lo que antecede depende de parámetros adicionales. Primero, el material debe ser calentado a una temperatura justo por debajo del sólido, la cual, por ejemplo, para una aleación de aluminio con la etiqueta AA3103 es de 640ºC, significa que el calentamiento se realiza a 620-630ºC, preferiblemente a 625ºC. El tiempo para el calentamiento depende del efecto suministrado y, como ejemplo, se puede mencionar que cuando se suministra el efecto de 5 kW el tiempo es de 18 segundos, a 10 kW alrededor de 6 segundos. Tras el calentamiento sigue un período de mantenimiento constante de la temperatura en el nivel de temperatura conseguido, donde una vez que el nivel de temperatura se reduzca algo, se aplican vibraciones por ultrasonidos. El tiempo de mantenimiento de la temperatura debe ser algo aumentado con el efecto usado para el calentamiento y varía usualmente dentro del intervalo de 15-25 segundos, pero con muy pocas partes ajustadas en forma, el tiempo de mantenimiento puede ser reducido adicionalmente.

Las vibraciones ultrasónicas se aplican durante un breve período de tiempo, 1-5 segundos, preferiblemente 1-2 segundos. La frecuencia de vibración puede variar dentro de un amplio intervalo desde unos 360 Hz hasta 60.000 Hz, e incluso más altas. Por razones prácticas, se escoge un equipo disponible, entorno de trabajo, etc. como éste, que trabaje preferiblemente a una frecuencia por encima de la región audible en el intervalo de 23.000-43.000 Hz, preferiblemente 30.000-35.000 Hz.

La invención no se limita a las realizaciones esquemáticas mencionadas en lo que antecede, sino que se pueden hacer modificaciones en el marco de las reivindicaciones de patente de lo que sigue.

Claims (4)

1. Procedimiento para unir partes que constan de aluminio, o de aleaciones de aluminio, que comprende el calentamiento de las partes que están sujetas en una posición para la unión, caracterizado porque el calentamiento de los materiales se realiza hasta alcanzar una temperatura Tr por debajo del punto de fusión del material de base, y en la cual el material de base está en un estado de pastosidad, manteniendo la temperatura a un nivel constante y, a continuación, disminuyendo un poco el nivel de la temperatura, tras lo cual al menos una de las partes, a una temperatura Tu que es inferior a la primera temperatura conseguida Tr y no inferior a aproximadamente 40ºC por debajo del límite inferior del intervalo de fusión, se somete a vibraciones mecánicas por aplicación de sonido ultrasónico de un tipo y duración tales, que las capas de óxido sobre el material de base se agrietan y se obtiene una unión metálica.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la diferencia entre las temperaturas Tr-Tu es 1 a 25ºC.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el calentamiento se lleva con aire caliente y/o un calentamiento inductivo hasta una temperatura de Tr dentro del intervalo de temperaturas de 500 a 650ºC.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque las vibraciones están dentro del intervalo de 360 a 60.000 Hz, por lo cual las vibraciones cesan o están considerablemente reducidas transcurridos 2-30 segundos.