ES2314565T3 - Procedimiento de taponamiento, por soldadura por friccion, de un agujero en una pieza metalica utilizando una pieza abrazadera. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de taponamiento, por soldadura por fricción, de un agujero (2) de una pieza (1), abierto a través de una superficie del derecho (1'') y una superficie del revés (1'') de la pieza (1), en el cual una barra metálica (3) se hace girar y se introduce en el agujero (2), por su lado del derecho, para allí soldarse por fricción, caracterizado porque una pieza abrazadera (5) que comprende una cavidad (6) se coloca en el lado del revés de la pieza (1) durante la operación de soldadura por fricción, estando la pieza abrazadera (5) en contacto con la superficie del revés (1'') de la pieza (1), la cavidad (6) colocada justo debajo del agujero (2), siendo cilíndrica y comprendiendo un diámetro (d) como mínimo igual a 1,3 veces el diámetro del agujero (2) y una profundidad comprendida entre un 60% y un 110% del espesor del agujero (2), y una pieza de contención (8) se coloca en el lado del derecho de la pieza (1) durante la operación de soldadura por fricción.

Description

Procedimiento de taponamiento, por soldadura por fricción, de un agujero en una pieza metálica utilizando una pieza abrazadera.

La invención se refiere a un procedimiento de taponamiento, por soldadura por fricción, de un agujero de una pieza mecánica conforme al preámbulo de la reivindicación 1.

El procedimiento de taponamiento de agujeros por soldadura por fricción, más conocido por el término inglés "friction plug welding", se utiliza para taponar agujeros en una pieza metálica, en general agujeros circulares abiertos en cada lado de la pieza, de forma troncocónica o cilíndrica. Este procedimiento se utiliza cuando se desea limitar la pérdida de características mecánicas, en comparación a las características mecánicas de la pieza original, al nivel de la zona de taponamiento del agujero.

Una barra metálica, generalmente de la misma naturaleza que el material de la pieza, se hace girar y se introduce, bajo la acción de una fuerza controlada, en el agujero a taponar, manteniéndose fija la pieza que contiene este último.

Las fricciones entre la barra y la pared del agujero de la pieza provocan el calentamiento de los dos materiales, su plastificación y después su soldadura en fase sólida. Se forman burletes a cada lado de la pieza. Es suficiente entonces mecanizar la barra y los burletes de cada lado de la pieza para volver a tener la pieza en su forma original, con su agujero taponado.

Con los materiales de reblandecimiento rápido y punto de fusión bajo, tales como las aleaciones de aluminio, principalmente para espesores inferiores a 12 mm, en las primeras fases de la fricción entre la barra y la pieza, el calentamiento brutal de la materia provoca su reblandecimiento muy rápidamente. Este reblandecimiento conduce localmente a una pérdida total de la rigidez de la pieza alrededor del agujero. La fuerza aplicada sobre la barra en dirección de la pieza no puede reducirse de forma suficientemente rápida en el momento de pérdida de rigidez de la pieza: la barra va entonces a tener tendencia a atravesar la pieza.

La soldadura puede, de todas formas, realizarse, pero con una penetración excesiva de la barra. Siguen después entallas, fisuras, porosidades o sopladuras en la zona de soldadura, una deformación de la pieza y por lo tanto una pérdida de características mecánicas de la pieza en la zona de soldadura. Por esta razón el procedimiento de taponamiento de agujeros por soldadura por fricción en general no es utilizado para las aleaciones de aluminio, principalmente para espesores inferiores a12 mm.

El documento GB 2,233,923 publica un procedimiento conforme al preámbulo de la reivindicación 1.

La presente invención apunta a mitigar estos inconvenientes.

A tal efecto la invención se refiere a un procedimiento de taponamiento por soldadura por fricción de un agujero de una pieza metálica según la reivindicación 1.

Ventajosamente se coloca una pieza de contención en la cara del derecho de la pieza.

La presente invención se aplica concretamente a un procedimiento de taponamiento por soldadura por fricción de un agujero de una brida, de aleación de aluminio, de un turborreactor, pero se sobreentiende que la solicitud no pretende limitar el ámbito de sus derechos a esta sola aplicación.

La invención se comprenderá mejor gracias a la siguiente descripción del modo de realización preferido del procedimiento de la invención, en referencia a la Figura única, que representa una vista esquemática en sección de los elementos principales que aparecen en el procedimiento de la invención.

El procedimiento de la invención se aplica a una pieza metálica, aquí una brida 1 de turborreactor de aleación de aluminio, en la que se quiere taponar un agujero 2. En concreto se quiere taponar un agujero de brida que se ha ovalado, conservando las propiedades mecánicas próximas a las del material de base, al objeto de poder volverlo a taladrar, una vez taponado, según una forma correcta. Con este objeto se utiliza un procedimiento de taponamiento de agujero por soldadura por fricción.

De una forma general, el agujero deteriorado, en este caso ovalado, es previamente mecanizado, al objeto de darle una forma cilíndrica o troncocónica. Este nuevo agujero, en este caso el agujero 2 que va a taponarse, se extiende generalmente siguiendo un eje perpendicular al eje de la pieza, preferentemente siguiendo el mismo eje siguiente al cual se extiende el agujero original. Así se elimina toda la superficie deteriorada del agujero, al objeto de dejarlo cilíndrico o troncocónico, al tiempo que se minimiza el volumen de material suprimido.

El agujero 2 queda así de forma troncocónica. Su zona de diámetro máximo se sitúa sobre una cara que se considerará como la cara del derecho 1' de la brida 1.

En el procedimiento de taponamiento de un agujero por soldadura por fricción, una barra metálica 3, en este caso igualmente de aleación de aluminio, extendiéndose siguiendo un eje 4, se hace girar alrededor de su eje 4 y, bajo la acción de una fuerza controlada, se suelda por fricción, en fase sólida, a la brida1. La barra metálica 3 incluye una zona de extremidad de forma troncocónica cuya conicidad corresponde a la del agujero 2. Este procedimiento puede realizarse siguiendo diversos modos de operar, principalmente según un modo llamado "de fricción controlada" o según un modo llamado "de fricción inercial".

En los dos modelos una primera etapa consiste, bajo una presión previamente definida, en poner en contacto la barra 3 y la pared del agujero 2 al objeto de determinar la posición exacta del contacto entre las dos, quedando la brida 1 fija durante el procedimiento. A tal objeto la barra 3 se desplaza, a lo largo de su eje 4, perpendicularmente a la superficie de la brida 1 en la zona del agujero 2 por el lado de la cara del derecho 1' de la brida 1. Así la zona de menor diámetro de la barra 3 se introduce por la zona de mayor diámetro del agujero 2, a continuación la barra 3 se desplaza hasta que contacten las superficies troncocónicas de la barra 3 y del agujero 2. Una vez se ha determinado la posición de contacto la barra 3 se lleva a su posición de origen, es decir, a algunos milímetros más atrás que la pared del agujero 2 de la brida 1.

En el caso del modelo de "fricción controlada", la barra 3, haciéndola girar sobre su eje 4, y la pared del agujero 2 se ponen en contacto y se calientan mutuamente por fricción, igualmente bajo la acción de una fuerza aplicada a la barra 3, según su eje 4, en dirección a la brida 1. Después de un cierto tiempo de calentamiento, determinado por el experto en la materia, se aplica una fuerza axial suplementaria mientras que se frena la rotación. La deceleración de la rotación de la barra 3 hasta su parada se hace, habitualmente, en un tiempo de 0,2 a 0,8 segundos y depende de la capacidad de deceleración de la máquina de arrastre de la barra 3. Entonces se produce la soldadura por fricción, manteniéndose la fuerza axial aplicada después del paro de la rotación de la barra 3, al objeto de asegurar una buena calidad de soldadura.

En el caso del modelo de "fricción inercial", la barra 3 se coloca igualmente en posición de inicio y haciéndola girar. Cuando se ha llevado a la posición de contacto el motor que la hace girar se desembraga, si bien la energía almacenada en el sistema giratorio, a través de la velocidad de giro y el volante de inercia del motor, que ha sido previamente definido y dimensionado, se disipa en la soldadura de la misma manera que en el caso del modelo de "fricción controlada".

Los modos operatorios descritos más arriba son bien conocidos por el experto en la materia y no se describirán de una forma más detallada. Solo se han mencionado como ilustración para ayudar a la comprensión de la invención, pero no son limitativos en cuanto al modo operatorio escogido para el taponamiento del agujero por soldadura por fricción de la invención. Existen otros modos operatorios que podrían utilizarse.

Sea cual sea el modo operativo escogido el procedimiento de la invención se distingue de los procedimientos del estado de la técnica anterior por la utilización de una pieza abrazadera 5 que se pone en contacto con la superficie del revés 1'' de la brida 1 antes de la operación de soldadura y se mantiene durante toda la duración de esta operación. Esta pieza abrazadera 5 se presenta bajo la forma de un soporte cuya forma está adaptada a la pieza en la cual se quiere taponar un agujero, es decir, en este caso a la brida 1. Puede llevarse contra la brida 1 por un mecanismo de soporte y contacto, o servir de soporte a la brida 1, como es en este caso. Esta pieza abrazadera 5 es rígida y su temperatura de fusión es superior a la de los materiales que comprenden la barra 3 y/o la brida 1; en este caso es de acero y se presenta bajo la forma de un a placa 5.

Se sobreentiende que la pieza abrazadera 5 podría colocarse del lado del revés de la brida 1, justo en el inicio de la operación o durante esta última en un momento adecuado. Conforme a la invención la pieza abrazadera 5 se pone en contacto con la superficie del revés de la brida 1 antes del inicio de la operación de soldadura y se mantiene a lo largo de toda esta operación.

La pieza abrazadera 5 comprende una cavidad cilíndrica 6, que se sitúa exactamente debajo del agujero 2 de la brida 1. La superficie de fondo 6' de esta cavidad sirve de tope axial para la barra 3. Así, cuando la barra 3 se lleva contra la brida1 el calentamiento debido a la fricción implica una plastificación de los materiales y, del hecho de la fuerza axial aplicada, un avance de la barra 3 en el agujero 2; este avance está limitado por el tope de la barra 3 sobre el fondo 6' de la cavidad 6. Por otra parte el espacio definido por la cavidad 6 permite contener la mezcla de soldadura, es decir, la mezcla de materiales calentados de la barra 3 y de la brida 1, que así no escapa. El burlete 7, formado por la operación de soldadura, queda pues contenido en la cavidad 6 y enfriado en esta última.

La rotación de la barra 3 en el agujero 2, asociado a la maleabilidad de los materiales de soldadura y a la función de sujeción que cumple la pieza abrazadera 5 en el lado del revés de la brida 1, tanto a nivel del agujero 2 en la cavidad 6 como sobre la zona de superficie de la brida 1 que rodea al agujero 2 y está en contacto con la pieza abrazadera 5, puede implicar un efecto tornillo provocando la subida de los materiales de soldadura maleables a lo largo de la barra 3, en lado del derecho de la brida 1. Al objeto de impedir un fenómeno tal y conforme a la invención se coloca una pieza de contención 8 sobre la superficie del derecho de la brida 1. Esta pieza de contención 8 se presenta bajo la forma de una placa 8 con un hueco 9 perforado en su centro que permite el paso de la barra 3. Las dimensiones precisas de este hueco 9 se escogen por el experto en la materia en función de sus parámetros operatorios y de las dimensiones que desea para los burletes 10 formados en el lado del derecho de la brida 1. La placa 8 es, en este caso, de acero.

La cavidad 6 es, en este caso, cilíndrica, de profundidad h y de diámetro d. Por profundidad se entiende la altura del cilindro del que la cavidad 6 tiene la forma. Las dimensiones de la cavidad 6 se escogen en función del grosor de la brida 1 y de las dimensiones de su agujero 2, en función de la soldadura prevista, y se determinarán experimentalmente por el experto en la materia. A título de ejemplo el solicitante ha comprobado que se obtiene una buena soldadura, para un agujero de 10 mm de diámetro y de 5 mm de espesor, con una cavidad de 14 mm de diámetro y de 4 a 5 mm de profundidad.

Conforme a la invención la cavidad presenta un diámetro, como mínimo, igual a 1,3 veces el diámetro del agujero a taponar y una profundidad comprendida entre el 60% y el 110% del espesor del agujero.

Así, el procedimiento de la invención, con la utilización de piezas abrazadera 5 y de contención 8, permite asegurar una fuerza de reacción contra la fuerza de aplicación de la barra 3 contra la pieza 1 a taponar que podrá pues ser constante, impedir un atravesamiento improcedente de la barra 3 en el agujero 2, contener el derrame de los burletes 7,10 de soldadura, contener la energía de soldadura al nivel de la soldadura y limitar pues las deformaciones de la pieza a taponar y evitar la aparición de porosidad, de entallas, de fisuras y otras sopladuras.

Una vez terminada la operación de soldadura un tratamiento térmica podrá permitir asegurar la conservación de las propiedades mecánicas de la pieza taponada, que se mecanizará de manera tal que vuelva a tener su forma inicial, con su agujero taponado.

El procedimiento de la invención se ha descrito en relación con una pieza a taponar de aleación de aluminio, pero se sobreentiende que es aplicable a todo tipo de aleaciones, principalmente las aleaciones de níquel, de titanio o de hierro. Se ha descrito, por otra parte, en relación con una barra de la misma naturaleza que la pieza a taponar, pero podrá utilizarse una barra de una naturaleza diferente. Para terminar, la pieza abrazadera y la pieza de contención pueden ser de acero o de cualquier otro material inerte frente al material de la pieza a taponar, en las condiciones de realización del procedimiento tal como se define en las reivindicaciones.

Claims (6)

1. Procedimiento de taponamiento, por soldadura por fricción, de un agujero (2) de una pieza (1), abierto a través de una superficie del derecho (1') y una superficie del revés (1'') de la pieza (1), en el cual una barra metálica (3) se hace girar y se introduce en el agujero (2), por su lado del derecho, para allí soldarse por fricción, caracterizado porque una pieza abrazadera (5) que comprende una cavidad (6) se coloca en el lado del revés de la pieza (1) durante la operación de soldadura por fricción, estando la pieza abrazadera (5) en contacto con la superficie del revés (1'') de la pieza (1), la cavidad (6) colocada justo debajo del agujero (2), siendo cilíndrica y comprendiendo un diámetro (d) como mínimo igual a 1,3 veces el diámetro del agujero (2) y una profundidad comprendida entre un 60% y un 110% del espesor del agujero (2), y una pieza de contención (8) se coloca en el lado del derecho de la pieza (1) durante la operación de
soldadura por fricción.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la pieza abrazadera (5) comprende una placa de acero o de cualquier otro material inerte frente al material de la pieza a taponar.

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que la pieza de contención (8) se pone en contacto contra la superficie del derecho (1') de la pieza (1).

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que la pieza de contención (8) comprende un hueco (9) para el paso de la barra
(3).

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que la pieza de contención (8) comprende una placa de acero o de cualquier otro material inerte frente al material de la pieza a taponar.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1- 5, en el que la pieza (1) comprende una aleación de aluminio, de níquel, de titanio o de hierro.