ES2303916T3 - Dispositivo de soldadura con polvo de plasma y su metodo de soldadura. - Google Patents
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Abstract
Un método de soldadura que comprende las etapas de. generar un plasma entre el soplete de soldadura (3) que comprende un electrodo (12) y boquillas de polvo (8) y una pieza de trabajo (6) de un material predeterminado que tiene un componente principal; concentrar un polvo que tiene la misma clase de componente principal que la de la pieza de trabajo (6) para transferir el polvo del soplete de soldadura (3) a la pieza de trabajo (6), caracterizado porque el polvo contiene en porcentaje una mayor cantidad de dichos componentes que se oxidan y/o consumen durante el proceso de soldadura que en el material predeterminado de la pieza de trabajo (6) y porque en la etapa de concentración del polvo una distancia (d) desde el soplete de soldadura (3) al punto focal donde se cruza el eje de las boquillas de polvo (8) y el eje del electrodo (12) está en el intervalo de 5 a 14 mm y se ajusta más largo que la altura (h) que está en un intervalo de 5 a 10 mm.
Description
Dispositivo de soldadura con polvo de plasma y
su método de soldadura.
Esta invención se refiere a un método de
soldadura usando un polvo como material de relleno (denominado en
lo sucesivo en este documento método de soldadura con polvo de
plasma).
Un método de soldadura con plasma, debido a su
alta densidad energética obtiene una mayor eficacia de soldadura
que la que puede obtenerse con un método de soldadura TIG, y la
calidad de soldadura no es menor que la de la soldadura TIG. Un
método de soldadura con polvo de plasma, uno de los métodos de
soldadura con plasma excepto porque se usa un polvo como material
de relleno, se ha usado ampliamente como un método de soldadura de
cordón, un método para mejorar la calidad superficial de una pieza
de trabajo.
En un método convencional, el polvo usado para
la soldadura con polvo de plasma incluye un componente que es
diferente de un componente de una pieza de trabajo para asegurar
una alta resistencia a desgaste, por ejemplo. (Se hace referencia
como ejemplo a la Publicación Examinada de Patente Japonesa N°
H11-277246, páginas 2 a 4 y Figura 1). Se ajusta un
soplete a gran distancia, y la longitud focal del chorro de polvo
se ajusta más corta que la altura del soplete. (Se hace referencia
a la Publicación Examinada de Patente Japonesa N°
H8-300157 (páginas 2 a 3, Figuras 1 y 2) como
ejemplo. Otro cabezal de soldadura para soldadura con polvo de
plasma se conoce del documento WO 01/72462.
La Figura 4 ilustra una relación entre una parte
de punta de un chip de un soplete de soldadura y una pieza de
trabajo, en el método de soldadura con polvo de plasma
convencional. El dispositivo de soldadura con polvo de plasma
incluye el chip 101, la boquilla de plasma 102, la boquilla de polvo
103, el electrodo 104 y la pieza de trabajo 105. En la Figura 4, se
ilustra también una altura del soplete "h", un diámetro de un
círculo imaginario "P" configurado mediante las aberturas de
las boquillas de polvo, un ángulo "\alpha" formado por
intersección de los ejes de las boquillas de polvo y la longitud
focal "d" de la intersección desde la punta del chip 101.
A continuación se explicará un mecanismo de
trabajo del método de soldadura con polvo de plasma constituido de
esta manera. Se traza un arco de plasma entre el electrodo 104 y la
pieza de trabajo 105 que va a través de la boquilla de plasma 102.
Mientras, se eyecta un polvo con un gas portador a través de una
parte de abertura de la boquilla de polvo 103. El polvo eyectado se
calienta mediante el arco de plasma y se transfiere a una superficie
de la pieza de trabajo 105. La altura del soplete "h" se
ajusta a la larga en un intervalo de 10 mm a 20 mm para evitar la
sobrefusión de la pieza de trabajo y la longitud focal "d",
que se determina mediante una combinación del diámetro de un
círculo imaginario "W" y el ángulo de intersección
"\alpha", se ajusta en el intervalo del 50 al 60% de la
altura del soplete "h". De esta manera, el polvo eyectado se
expone en primer lugar al arco de plasma y después se disuelve
mediante el calor para depositarlo sobre la pieza de trabajo 105.
Con esta disposición, el polvo se disuelve selectivamente y se
controla la sobrefusión de la pieza de trabajo, evitándose de esta
manera que un componente del polvo se diluya con un componente de
la pieza de trabajo cuando se deposita sobre la superficie de la
pieza de trabajo.
Como se ha descrito anteriormente, el método de
soldadura con polvo de plasma convencional pretende depositar el
polvo que tiene un componente diferente del de la pieza de trabajo
en la superficie de la pieza de trabajo, para mejorar la calidad de
la superficie. Para ello, la fusión de la pieza de trabajo se
controla a un mínimo de manera que el polvo no pueda diluirse con el
componente de la pieza de trabajo para perder su característica
original o combinarse con el componente de la pieza de trabajo para
producir una sustancia perjudicial. Como consecuencia, queda una
tarea por resolver con el método de soldadura convencional que es
que el método no es apropiado para ensamblar las piezas de trabajo
que requiere una fusión suficiente de las piezas.
Este objeto se consigue con el método de acuerdo
con la reivindicación 1.
Se proporciona un dispositivo de soldadura que
incluye un polvo que tiene una clase idéntica de componente
principal que la de una pieza de trabajo, un tubo de suministro que
suministra el polvo a la pieza de trabajo, un soplete de soldadura
que genera un plasma entre el mismo y la pieza de trabajo,
concentrando el polvo suministrado por el tubo de suministro sobre
la pieza de trabajo y transfiriendo el polvo a la pieza de trabajo,
una fuente de energía que suministra energía eléctrica al soplete
de soldadura, en el que una distancia de focal desde el soplete de
soldadura a un punto focal del polvo se ajusta igual a o mayor que
la altura del soplete, que es una distancia desde la pieza de
trabajo al soplete de soldadura.
La Figura 1 es un dibujo que ilustra una
relación posicional entre una vista de sección transversal de una
parte de punta de un chip y una pieza de trabajo, de acuerdo con
una realización preferida de esta invención.
La Figura 2 es un diagrama de bloques de un
dispositivo de acuerdo con la realización preferida de esta
invención.
La Figura 3 es una vista en sección transversal
de un chip de acuerdo con la realización preferida de esta
invención.
La Figura 4 es un dibujo que ilustra una
relación posicional entre una sección transversal de un chip
convencional y una pieza de trabajo.
La Figura 2 muestra un dispositivo de soldadura
con polvo de plasma que incluye un soplete de soldadura 3, una
fuente de energía 1 que suministra energía eléctrica al soplete de
soldadura 3, un tubo de suministro 2 que suministra un polvo al
soplete de soldadura 3, un tubo de suministro de gas 4 que
suministra gas al tubo de suministro 2 y al soplete de soldadura 3,
un controlador 5 que produce una señal predeterminada a la fuente
de energía y al tubo de suministro 2 y una pieza de trabajo 6. A
continuación se explica un principio de trabajo del dispositivo de
soldadura constituido de esta manera. El controlador 5 produce
valores ajustados de las condiciones en las que se realiza la
soldadura, es decir, una cantidad de corriente de plasma y una
cantidad de polvo a suministrar y una señal de inicio de soldadura,
a la fuente de energía 1 y al tubo de suministro 2. El tubo de
suministro 2, basándose en el valor ajustado para la cantidad de
polvo desde el controlador 5, determina un nivel de cantidad de
suministro del polvo. La fuente de energía 1, basándose en el valor
ajustado en la entrada al controlador 5, determina un nivel de
salida de la energía eléctrica al soplete de soldadura 3. La fuente
de energía 1, tras recibir la señal de inicio de soldadura desde el
controlador 5, suministra la cantidad prescrita de energía
eléctrica al soplete de soldadura 3, y produce señales de conexión
al tubo de suministro de gas 4, y al tubo de suministro 2. El tubo
de suministro de gas 4, tras recibir la señal de conexión,
suministra un plasma gaseoso al soplete de soldadura 3, y un gas
portador al tubo de suministro 2 para suministrar el polvo a
soplete de soldadura 3. El tubo de suministro 2, tras recibir la
señal de conexión, suministra una cantidad prescrita del polvo al
soplete de soldadura 3. El soplete de soldadura 3 genera un arco de
plasma entre sí mismo y la pieza de trabajo 6, se mantiene trazando
el arco y lanza el polvo contra la pieza de trabajo.
La Figura 1 muestra detalles de una parte de
punta de un soplete de soldadura 3, una relación entre la pieza de
trabajo y un cordón de soldadura. Como se muestra en la Figura 1,
el dispositivo de soldadura con polvo de plasma incluye un chip 14,
una boquilla de plasma 7 que comparte un eje central común con el
electrodo 12 y una pluralidad de boquillas de polvo 8, estando cada
eje inclinado desde el eje de la boquilla de plasma 7 y situados en
una circunferencia imaginaria del círculo concéntrico. El chip 14 se
atornilla al cuerpo del soplete 9 para fijarlo. El conducto de
polvo 11 conecta el tubo de suministro 2 y el cuerpo del soplete 9.
La argamasa de polvo 10 es una muesca en forma de anillo, conectada
a una salida del conducto de polvo y que se abre en la parte de
punta del cuerpo del soplete. La trayectoria del plasma gaseoso 13
se sitúa entre el electrodo 12 y el cuerpo del soplete 9 y se
conduce a una boquilla de plasma 7. El baño de soldadura 15 se
calienta y se funde mediante el arco de plasma 16. Una anchura del
baño de soldadura se indica por "W", una altura del soplete,
es decir, una distancia desde la pieza de trabajo 6 a la punta del
chip 14 se indica mediante "h" y una distancia focal desde la
punta del chip 14 a un punto focal donde se cruzan los ejes de las
boquillas de polvo 9 y los ejes del electrodo 12 se indica mediante
"d".
A continuación se explica un mecanismo de
trabajo de esta constitución. Cuando se suministra energía
eléctrica mediante la fuente de energía 1, el arco de plasma 16 se
traza entre el electrodo 12 y la pieza de trabajo 16. Alrededor del
arco de plasma 16, se proporciona un plasma gaseoso mediante un
suministrador de gas 4 a través de una trayectoria del plasma
gaseoso 13 y la boquilla de plasma 7. En este caso se usa un gas
argón puro, aunque puede usarse argón mezclado con hidrógeno o
argón mezclado con helio o un gas no óxido tal como helio puro. El
arco de plasma 16 se concentra sobre una pared de la boquilla de
plasma 7, fundiendo de esta manera el plasma gaseoso la pieza de
trabajo 6 dentro de una zona de la anchura del baño de soldadura
"W".
Por otro lado, el polvo se suministra a la
argamasa de polvo 10 del cuerpo de soplete 9 desde el tubo de
suministro 2 a través de un conducto de polvo 11 mediante el gas
portador.
El efecto de la argamasa de polvo 10 se
explicará a continuación. Como el chip 14 se atornilla en el cuerpo
del soplete 9, la relación posicional entre la boquilla de polvo 8
y el cuerpo de soplete 9 se hace inestable. Un propósito de la
argamasa de polvo es ofrecer una contramedida a este problema
potencial. Si la argamasa de polvo 10 no se conforma en la muesca
con forma de anillo si no que es una línea de orificios cilíndricos
situados en una periferia imaginaria del círculo concéntrico como
es el caso de las boquillas de polvo 8, la boquilla de polvo 8 no
puede situarse correctamente en la argamasa de polvo 10 dependiendo
de cuánto esté atornillado el chip al cuerpo del soplete, dando
como resultado presumiblemente que el polvo no se introduzca a la
boquilla de polvo 8 sino que permanezca en la argamasa de polvo 10.
La argamasa de polvo 10 se forma en la muesca en forma de anillo
para evitar que el polvo quede en la argamasa como resultado de la
discrepancia posicional.
Como el eje de la boquilla de polvo 8 se sitúa
inclinado respecto al eje de la boquilla de plasma 7, el polvo
bombardeado a través de la boquilla de polvo 8 se concentra a la
distancia focal "d".
A continuación se explica una relación entre la
distancia focal "d" y la altura del soplete "h" de esta
invención. Un asunto esencial de esta invención es cómo la energía
eficaz del arco de plasma 16 se aplica a la pieza de trabajo 6 para
soldar una pluralidad de piezas de trabajo. Para resolver este
asunto, una energía de fusión de arco de plasma 16 que funde la
pieza de trabajo 16 se utiliza para fundir y depositar el
polvo.
Si la distancia focal "d" es más corta que
la altura del soplete "h", la energía del arco de plasma 16 se
consume para fundir el polvo suministrado al plasma en una gran
cantidad y la energía de fusión para la pieza de trabajo 6 se
reduce correspondientemente. Esto puede provocar una fusión
insuficiente de las piezas de trabajo 6 y, de esta manera, las
piezas no se sueldan. Debido a ello, es importante mantener la
distancia focal "d" más larga que la altura del soplete
"h" de manera que el arco de plasma 16 pueda suministrar una
cantidad suficiente de energía a la pieza de tra-
bajo 6.
bajo 6.
Cuando la pluralidad de piezas de trabajo se
suelda, tienen que emplearse al menos dos piezas de trabajo en
diferentes materiales componentes y las piezas se soldarán con un
hueco hecho entre los materiales componentes respectivos.
El polvo se introduce mientras en el baño de
soldadura 15 que el arco de plasma 16 produce fundiendo la pieza de
trabajo 6 depositada en el baño de trabajo 15 y forma el cordón de
soldadura. Para que el polvo se deposite eficazmente, la distancia
focal "d" debe ajustarse para que el polvo pueda lanzarse
dentro de una zona "W", la anchura del baño de soldadura. La
anchura del baño de soldadura "W" varía de acuerdo con las
condiciones de soldadura, de manera que la cantidad de corriente de
plasma, la altura del soplete "h" y la velocidad de soldadura,
de esta manera un límite superior de la distancia focal "d"
varía de acuerdo con las condiciones. Cuando la anchura del baño de
soldadura "W" es grande, la eficacia del depósito del polvo no
se reduce incluso aunque la distancia focal "d" sea mayor que
la altura del soplete "h". Sin embargo, cuando la soldadura se
hace con una pequeña corriente y la anchura del baño "W" es
estrecha, la distancia focal "d" debe ajustarse próxima a la
altura del soplete "h" para mantener la eficacia de depósito
del polvo. Hay dos métodos para cambiar la distancia focal
"d"; uno es sustituir el cuerpo del soplete 9 y otro es
sustituir el chip 14, aunque sustituir el chip 14 es ventajoso en
términos de coste y capacidad de
sustitución.
sustitución.
La Figura 3 muestra parámetros en formas de chip
14 en esta realización que diferencian la distancia focal "d".
En la Figura 3 se muestran los parámetros de espesor de un chip
"t", un diámetro imaginario "r" de un círculo configurado
por boquillas de polvo 8 sobre una circunferencia imaginaria del
círculo concéntrico, y un ángulo de inclinación "\beta" de la
boquilla de polvo 8. Para alterar la distancia focal "d", se
cambian los parámetros de espesor del chip "t", el diámetro
del círculo imaginario "r" y el ángulo inclinado
"\beta".
\vskip1.000000\baselineskip
La Tabla 1 muestra una relación ejemplar de
estos parámetros, entre la forma del chip y las distancias focales
obtenidas. Los chips con una distancia focal de 5, 7 y 10 mm son
para un soplete con una altura de 5 mm. Los chips con una distancia
focal de 10 y 14 mm son para un soplete con una altura de 10 mm.
Cada chip en estos ejemplos tiene ocho piezas de boquillas de polvo
8 situadas en la circunferencia imaginaria del círculo con un
espacio de 45°. Si se considera la no uniformidad del polvo
bombardeado, es más ventajoso un mayor número de boquillas. Si la
soldadura se realiza en una dirección lineal, puede aplicarse una
boquilla.
\newpage
La Tabla 2 muestra ejemplos de componentes
constituyentes del polvo usados para soldar la pieza de trabajo
respectiva.
En esta invención, el polvo forma una aleación
con el material de la pieza fundida en el baño de soldadura 15, y
el polvo que contenía un componente idéntico al de la pieza de
trabajo se contiene selectivamente de manera que el componente de
la aleación no puede deteriorar los resultados de la soldadura. El
polvo que contiene el mismo componente que el de la pieza de
trabajo se define como el polvo en el que se emplea la misma clase
de componente que en la pieza de trabajo aunque el componente
aleado no deteriora los resultados de la soldadura.
Considerando que algunos componentes se oxidan
realmente y se consumen durante el proceso de soldadura, una
cantidad de dicho componente como Si y Mn se hace mayor para
soldadura SM490 y Cr para acero inoxidable que lo contenido en el
acero de la pieza de trabajo. En SUS430, se añade 0,81% de Nb para
aumentar la dureza de la parte soldada en el metal. Como muestran
estos casos, en la fabricación de una aleación con la pieza de
trabajo, un componente que no está contenido en la pieza de trabajo
puede añadirse al polvo para mejorar el rendimiento de soldadura
siempre y cuando el componente aleado no se vea afectado
negativamente.
Como se describe, la presente invención
comprende el polvo que tiene la misma clase de componente principal
que la pieza de trabajo, suministrando el tubo de suministro el
polvo a la pieza de trabajo, generando el soplete de soldadura el
plasma entre sí mismo y la pieza de trabajo para concentrar el
suministro de polvo mediante el tubo de suministro sobre la pieza de
trabajo y transferir el polvo a la pieza de trabajo y la fuente de
polvo suministrando energía eléctrica al soplete de soldadura.
Ajustando la distancia desde el soplete de soldadura al punto focal
donde el polvo se concentra a más de la distancia desde el soplete
de soldadura a la pieza de trabajo, el polvo y la pieza de trabajo
se calientan simultáneamente y pueden soldarse una pluralidad de
piezas de trabajo.
Claims (5)
1. Un método de soldadura que comprende las
etapas de:
generar un plasma entre el soplete de soldadura
(3) que comprende un electrodo (12) y boquillas de polvo (8) y una
pieza de trabajo (6) de un material predeterminado que tiene un
componente principal;
concentrar un polvo que tiene la misma clase de
componente principal que la de la pieza de trabajo (6) para
transferir el polvo del soplete de soldadura (3) a la pieza de
trabajo (6),
caracterizado porque
el polvo contiene en porcentaje una mayor
cantidad de dichos componentes que se oxidan y/o consumen durante
el proceso de soldadura que en el material predeterminado de la
pieza de trabajo (6) y porque
en la etapa de concentración del polvo una
distancia (d) desde el soplete de soldadura (3) al punto focal
donde se cruza el eje de las boquillas de polvo (8) y el eje del
electrodo (12) está en el intervalo de 5 a 14 mm y se ajusta más
largo que la altura (h) que está en un intervalo de 5 a 10 mm.
2. El método de soldadura de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que en la etapa de generación del plasma,
una distancia desde el soplete de soldadura (3) a un punto focal
donde se concentra un plasma se ajusta casi igual a la altura del
soplete.
3. El método de soldadura de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que en la etapa de concentrar del polvo
sobre la pieza de trabajo (6) para transferir el polvo a la pieza
de trabajo, se emplean al menos dos materiales componentes
diferentes para las piezas de trabajo (6) y las piezas se sueldan
con un hueco hecho entre los materiales componentes
respectivos.
4. El método de soldadura de acuerdo con la
reivindicación 2, en el que en la etapa de concentración del polvo
de la pieza de trabajo (6) para transferir el polvo a la pieza de
trabajo (6), se emplean al menos dos materiales componentes
diferentes para las piezas de trabajo (6) y las piezas se sueldan
con un hueco hecho entre los materiales componentes respectivos.
5. El método de soldadura de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que un chip se sustituye como un método
para alterar la distancia desde el soplete al punto focal en el que
se concentra el polvo.
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