ES2237383T3 - Soldadura por friccion. - Google Patents
Soldadura por friccion.Info
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Abstract
Procedimiento para unir elementos (3, 4) entre sí por medio de soldadura por fricción, que comprende las siguientes etapas: - fijar los elementos (3, 4) a una base (1) de una máquina herramienta por medio de mordazas de sujeción (5, 6) y barras de anclaje (7) de tal manera que las piezas de los mismos que están una frente a otra y que se van a unir están inmovilizadas unas respecto a otras, - poner un mandril (9, 10) en contacto con dichas piezas en la zona de la unión que se va a producir, - movimiento cíclico del mandril (9, 10) en relación con los elementos (3, 4) de tal manera que se genere calor por fricción y las piezas se lleven al estado plástico, - influir en la distribución del calor por fricción en al menos uno de dichos elementos (3, 4) por medio de barras de anclaje (7) de tal manera que el calor por fricción se concentre fundamentalmente en las piezas de dicho al menos un elemento (3, 4) que se ha llevado al estado plástico, y - permitir que las piezas llevadas al estado plástico se enfríen para formar la unión, y caracterizado porque los elementos se fijan a una base (1) de una máquina herramienta por medio de mordazas de sujeción (5, 6) y barras de anclaje (7) y la distribución del calor por fricción, de dicha etapa de influencia, está influida por medio de barras de anclaje (7).
Description
Soldadura por fricción.
La invención se refiere al campo de la soldadura
por fricción (FSW). Con esta técnica se unen elementos entre sí por
medio de un mandril que es rotativo o se puede mover hacia atrás y
hacia delante y que se mueve por la superficie límite de los
elementos. Como consecuencia de la interacción entre el mandril de
movimiento cíclico y dichos elementos se genera calor por fricción.
Dicho calor por fricción depende, entre otros aspectos, de la
fuerza de contacto y de la velocidad de seguimiento del
mandril.
La característica distintiva de la soldadura por
fricción es que para unir los elementos no hay que fundirlos. Se
forma una zona de soldadura plástica y blanda que se forja bajo la
influencia de los movimientos cíclicos del mandril.
Esta técnica de unión tiene la ventaja de que la
unión tiene una gran resistencia, que es considerablemente superior
a la resistencia obtenida con la soldadura por fusión, tal como
soldadura TIG (en atmósfera de gas inerte y electrodo de tungsteno)
y soldadura MIG (soldadura de metales en atmósfera de gas
inerte).
Una ventaja adicional es que es posible unir
aleaciones y combinaciones de materiales para los que las técnicas
convencionales de soldadura no son apropiadas. Las aleaciones de la
serie 2000 (AlCuMg), de la serie 6000 (AlMgSi) y de la serie 7000
(AlZnMgCu) usadas en la industria del transporte aéreo y en la
industria aerospacial se pueden mencionar como un ejemplo.
Para materiales de este tipo se debe hacer uso de
otras técnicas de unión, tales como remachado o encolado. No
obstante, cada una de estas técnicas tiene inconvenientes, tales
como problemas por fatiga y costes de producción relativamente
altos.
El documento EP-B0615480 describe
un procedimiento para unir elementos por medio de soldadura por
fricción. Los elementos se llevan al estado plástico por medio del
mandril móvil, tras lo cual comienza el endurecimiento y se produce
la unión.
Con la soldadura por fricción, se debe poder
controlar el equilibrio térmico de un modo deseado con el fin de
obtener el estado plástico de los elementos y mantener dicho estado
durante un período específico, período que es necesario para
obtener la mezcla de los componentes plásticos.
En este sentido, la invención proporciona un
procedimiento mejorado según la reivindicación 1.
Especialmente en el caso de elementos metálicos,
que tienen buena conductividad en relación con el calor y, por
consiguiente, pierden rápidamente el calor, es importante
concentrar el calor todo lo que sea posible en la ubicación de la
unión. Por este medio, se puede conseguir el estado plástico más
rápidamente. Además, el movimiento cíclico del mandril puede ser
menos intensivo, mientras que, sin embargo, sigue siendo posible
una velocidad de seguimiento considerable.
Por consiguiente, la velocidad de producción
puede ser mayor sin la necesidad de tener que suministrar una
cantidad de energía excesivamente grande.
El procedimiento según la invención puede
comprender la etapa de poner al menos un elemento en contacto con un
aislante que tenga un coeficiente de conductividad térmica inferior
a los elementos. Preferentemente, la mayor parte de la superficie
del elemento se pone en contacto con el aislante.
En combinación con la restricción de la
disipación del calor en ciertas zonas de los elementos, puede ser
conveniente una disipación acelerada del calor en otras zonas. Con
este fin, el procedimiento según la invención puede comprender la
etapa de poner en contacto al menos un elemento con un conductor
térmico que tenga al menos el mismo coeficiente de conductividad
térmica que dicho elemento.
Como consecuencia de estas medidas se puede
obtener una buena unión resultante si se usa un mandril rotativo
que tenga una velocidad circunferencial de, como máximo, 37 m/min y,
de forma preferible, aproximadamente 20-31
m/min.
El mandril se puede mover en relación con las
partes con una velocidad de seguimiento de al menos 400 mm/min.
También se puede usar un mandril que tenga una
superficie externa hecha de material cerámico. El material cerámico
puede influir en el aislamiento térmico y en la generación de calor
por fricción de un modo conveniente.
Un mandril de este tipo se puede haber recubierto
con un óxido de circonio o con un óxido de aluminio.
A continuación se explicará la invención en más
detalle en relación con las disposiciones mostradas en las figuras
para llevar a cabo el procedimiento según la invención.
La Figura 1 muestra una vista en perspectiva de
una disposición.
La Figura 2 muestra una sección transversal de
otra disposición.
La Figura 3 muestra un producto con tiras de
prueba.
La Figura 4 es un diagrama de barras de las
cargas de rotura por tracción en relación con las tiras de prueba de
la Figura 3.
La disposición mostrada en la Figura 1 para
soldar a tope elementos entre sí tiene una base 1 de una máquina
herramienta. Dicha base 1 tiene una bancada 2 hecha de un material
relativamente aislante térmico. Dicha bancada 2 puede, por ejemplo,
estar hecha de acero inoxidable o de titanio.
Las tiras 3, 4 de una aleación de aluminio que se
van a unir una a otra se fijan sobre dicha bancada 2 por medio de
mordazas de sujeción 5, 6 montadas en la base 1 y por medio de
barras de anclaje 7, 8. Dichas barras de anclaje 7, 8 presionan las
tiras 3, 4 fuertemente en contacto con la bancada 2 y también
desempeñan una función en el equilibrio térmico durante la soldadura
por fricción. Pueden, por ejemplo, estar hechas de un material que
sea un conductor térmico relativamente bueno, de tal manera que las
tiras 3, 4 y, en particular, las partes situadas a cierta distancia
de la soldadura, no se calienten demasiado.
Los bordes de las tiras 3, 4 que están uno frente
a otro se llevan al estado plástico por medio de una herramienta
rotativa 9 con el mandril 10 (véase también la Fig. 2) y con el
movimiento rotativo del mandril 10 se mezcla el material de las
tiras. Una vez que el material de las tiras 3, 4, que se ha
mezclado de este modo, se ha enfriado se completa la unión.
La disposición mostrada en la Figura 2 es
apropiada para la producción de una construcción en T por soldadura
por fricción. Con este fin, el pie vertical 3 de la T se aloja en
un entrante 11 entre dos bloques de aluminio de soporte 18, 19 cada
uno de los cuales se fija a la base 1.
El entrante 11 de los bloques de aluminio 18, 19
se cubre con tiras de acero inoxidable 2, que tienen un efecto
aislante. Por consiguiente, el calor producido durante la soldadura
por fricción se puede mantener concentrado en la zona de la
soldadura 12.
El brazo horizontal 4 de la T se presiona
fuertemente sobre el pie vertical 3 por medio de barras de anclaje
7, 8, de modo que usando el mandril se puede obtener una buena
mezcla del material que se ha convertido en plástico.
Las barras de anclaje 7, 8, preferentemente,
están hechas de cobre y aseguran la eliminación del calor. El efecto
combinado de los aislantes de acero inoxidable 2 y de los
conductores de cobre 7, 8 proporciona el equilibrio térmico deseado
en la zona de la soldadura 12.
Los resultados relativos a una serie de piezas de
prueba que se han unido entre sí por medio del procedimiento de
soldadura por fricción descrito anteriormente se muestran en el
diagrama de la Fig. 4. Tal como se muestra en la Figura 3, en total
se tomaron cuatro tiras de prueba 14 a 17 de una muestra. Dicha
muestra comprende dos chapas 3, 4 acopladas una a otra por medio de
la soldadura por fricción 13, que posteriormente se cortaron en
piezas de prueba.
La Fig. 4 muestra los resultados relativos a un
total de 32 piezas de prueba, es decir, cuatro tiras de prueba con
ocho muestras de cada una. Se determinó una carga de rotura por
tracción de, aproximadamente, 450 MPa para prácticamente todas las
piezas de prueba.
Claims (12)
1. Procedimiento para unir elementos (3, 4) entre
sí por medio de soldadura por fricción, que comprende las siguientes
etapas:
- fijar los elementos (3, 4) a una base (1) de
una máquina herramienta por medio de mordazas de sujeción (5, 6) y
barras de anclaje (7) de tal manera que las piezas de los mismos
que están una frente a otra y que se van a unir están inmovilizadas
unas respecto a otras,
- poner un mandril (9, 10) en contacto con dichas
piezas en la zona de la unión que se va a producir,
- movimiento cíclico del mandril (9, 10) en
relación con los elementos (3, 4) de tal manera que se genere calor
por fricción y las piezas se lleven al estado plástico,
- influir en la distribución del calor por
fricción en al menos uno de dichos elementos (3, 4) por medio de
barras de anclaje (7) de tal manera que el calor por fricción se
concentre fundamentalmente en las piezas de dicho al menos un
elemento (3, 4) que se ha llevado al estado plástico, y
- permitir que las piezas llevadas al estado
plástico se enfríen para formar la unión,
y caracterizado porque los
elementos se fijan a una base (1) de una máquina herramienta por
medio de mordazas de sujeción (5, 6) y barras de anclaje (7) y la
distribución del calor por fricción, de dicha etapa de influencia,
está influida por medio de barras de anclaje
(7).
2. Procedimiento según la reivindicación 1, que
comprende la etapa de poner en contacto, al menos un elemento, (3,
4) con un aislante (2) que tiene un coeficiente de conductividad
térmica inferior a ese elemento (3, 4).
3. Procedimiento según la reivindicación 2, que
comprende la etapa de poner en contacto la mayor parte de la
superficie de al menos un elemento (3, 4) con el aislante (2).
4. Procedimiento según las reivindicaciones 1, 2
ó 3, que comprende la etapa de poner en contacto, al menos un
elemento, (3, 4) con un conductor térmico (7, 8) que tiene al menos
el mismo coeficiente de conductividad térmica que dicho
elemento.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, que comprende el uso de un mandril
rotativo (9, 10), cuya velocidad de rotación es, como máximo, 600
revoluciones por minuto.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, que
comprende el uso de un mandril rotativo (9, 10), cuya velocidad de
rotación está en el intervalo de 400 a 500 revoluciones por
minuto.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, que comprende el uso de un mandril
rotativo (9, 10) cuya velocidad circunferencial es, como máximo, 37
m/min.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, que comprende el uso de un mandril
rotativo (9, 10) cuya velocidad circunferencial está en el intervalo
de 20 a 31 m/min.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, que comprende un movimiento del
mandril (9, 10) en relación con las piezas a una velocidad de
seguimiento de al menos 400 mm/min.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, que comprende el uso de un mandril (9,
10) que tiene una superficie externa hecha de un material
cerámico.
11. Procedimiento según la reivindicación 10, que
comprende el uso de un mandril (9, 10) que tiene una superficie
externa hecha de óxido de circonio.
12. Procedimiento según la reivindicación 10, que
comprende el uso de un mandril (9, 10) que tiene una superficie
externa hecha de óxido de aluminio.
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