ES2346681T3 - Procedimiento y dispositivo para realizar union soldadura entre superficies de dos piezas trabajo planas con recorrido completo de zona de contacto de pieza trabajo friccion y remocion giratoria en superficie de la segunda pieza de trabajo alejada de la primera pieza de trabajo. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para realizar una unión de soldadura lineal entre una primera pieza de trabajo (10) y una segunda pieza de trabajo (11), que comprende los pasos siguientes: habilitación de una primera pieza de trabajo (10) y una segunda pieza de trabajo (11), disposición de la segunda pieza de trabajo (11) sobre una superficie de la primera pieza de trabajo (10) y asentamiento de una herramienta de fricción (1) con su superficie de fricción (4) sobre la superficie de la segunda pieza de trabajo (11) que queda alejada de la primera pieza de trabajo (10), rotación de la herramienta de fricción (1) de modo que se forme una unión de soldadura entre la primera pieza de trabajo (10) y la segunda pieza de trabajo (11), frotando la superficie de fricción (4) contra la superficie de la segunda pieza de trabajo (11) que queda alejada de la primera pieza de trabajo (10), moviéndose la herramienta de fricción (1) durante su rotación a lo largo de la superficie de la segunda pieza de trabajo (11) que queda alejada de la primera pieza de trabajo (10) y girando la herramienta de fricción (1) alrededor de un eje (3) perpendicular a la superficie de la segunda pieza de trabajo (11) que queda alejada de la primera pieza de trabajo (10), caracterizado porque la zona de contacto entre la superficie de fricción (4) y la segunda pieza de trabajo (11) discurre completamente en la superficie de la segunda pieza de trabajo (11) que queda alejada de la primera pieza de trabajo (10), y porque la rotación de la herramienta de fricción (1) por la acción de medios dispuestos en la superficie de fricción (4) produce un transporte de material desde el borde de la herramienta de fricción (1) hacia el eje de rotación (3).

Description

Procedimiento y dispositivo para realizar una unión de soldadura entre las superficies de dos piezas de trabajo planas con recorrido completo de la zona de contacto de la pieza de trabajo de fricción y remoción giratoria en la superficie de la segunda pieza de trabajo alejada de la primera pieza de trabajo.

La presente invención concierne a un procedimiento para realizar una unión de soldadura lineal entre una primera pieza de trabajo y una segunda pieza de trabajo según el preámbulo de la reivindicación 1 (véase, por ejemplo, el documento WO 2004/110692).

La soldadura de piezas de trabajo planas que se aplican una a otra con sus superficies de modo que se forme un llamado empalme paralelo entre las piezas de trabajo que se deben soldar, es decir que estas piezas de trabajo se solapen al menos parcialmente, se ha manifestado frecuentemente como problemática. Debido a la aportación de energía relativamente alta que se presenta en procedimientos de soldadura convencionales, se pueden producir variaciones de la estructura de las piezas planas, especialmente en la zona de la costura de soldadura, influyendo negativamente estas variaciones de la estructura en las propiedades del material. Además, existe el riesgo de que se produzca una dilatación irregular de las piezas de trabajo, condicionada por el calor, de modo que éstas ya no se apliquen de plano una a otra en las zonas situadas por fuera de la costura de soldadura. Estos dos problemas son de importancia especialmente cuando dos piezas de trabajo planas no solo deben unirse una con otra en tramos individuales, sino que son necesarias también costuras de soldadura lineales que se extiendan a lo largo de las superficies aplicadas una a otra.

Para evitar el problema de las altas aportaciones puntiformes de energía a las piezas de trabajo planas se ha desarrollado la llamada soldadura por difusión. En el proceso de la soldadura por difusión se unen una con otra dos piezas de trabajo calentando estas piezas de trabajo al menos en la zona en que se deberá formar una unión y ejerciendo al mismo tiempo una presión sobre las piezas de trabajo en dirección perpendicular a la superficie de unión. Como consecuencia de la presión y de la temperatura elevada se inician procesos de difusión, a consecuencia de los cuales las piezas de trabajo aplicadas una a otra establecen una sólida unión.

Se conocen ya por el documento WO 99/12694 un procedimiento y un dispositivo de soldadura por difusión, en los que las piezas de trabajo a soldar se presionan una contra otra y se calienta la zona de la costura de soldadura por vía inductiva o por medio de otra fuente de calor para inducir la difusión entre las piezas de trabajo. Mientras se presionan las piezas de trabajo una contra otra, éstas pueden ser movidas también una con relación a otra a lo largo del plano de unión, con lo que se presenta rozamiento entre las piezas de trabajo. Se retiran así por efecto del rozamiento los óxidos que se hayan formados en las superficies de unión. No se efectúa una aportación apreciable de energía calorífica por efecto del movimiento relativo.

Sin embargo, en la soldadura por difusión es desventajoso el hecho de que aquí es necesario también calentar las piezas de trabajo a soldar, aun cuando sea en menor medida, lo que, en el caso de aleaciones con bajas de temperatura de transformación, puede seguir conduciendo a que se produzcan variaciones de la estructura en las piezas de trabajo completas y, ligado a esto, una variación de las propiedades del material.

A diferencia de la soldadura por fusión, la soldadura por fricción y remoción ha demostrado ser un procedimiento en el que la energía calorífica aportada en todo el volumen de las piezas de trabajo es relativamente pequeña. Así, se conoce, por el ejemplo por el documento WO 93/10935, el recurso de unir dos piezas de trabajo a lo largo de un empalme a tope moviendo una clavija rotativa a lo largo de la superficie de unión entre las piezas de trabajo, con lo que se produce una plastificación del material de las piezas de trabajo en la zona próxima a la superficie de unión. Después de la solidificación subsiguiente de la zona plastificada se ha formado una unión mediada por material.

Se conoce adicionalmente por el documento WO 01/36144 el recurso de que, para unir dos piezas de trabajo planas que se aplican una a otra a lo largo de sus superficies, se haga que descienda una espiga rotativa primero hasta la primera pieza de trabajo y seguidamente hasta la segunda pieza de trabajo subyacente, siendo recogido el material entonces plastificado e introducido más tarde a presión en el agujero que queda después de la extracción de la espiga. De esta manera, se puede establecer también por medio de la soldadura de fricción y remoción una unión de empalme paralelo entre dos piezas de trabajo planas. Sin embargo, en este procedimiento es desventajoso el hecho de que solo pueden establecerse uniones puntiformes y, además, es necesario que la espiga penetre en ambas piezas de trabajo, con lo que se produce en la zona de unión un entremezclado de los materiales de las piezas de trabajo. Esto es poco deseable especialmente cuando se deben unir una con otra piezas de trabajo de material diferente, debiendo conservarse sustancialmente la separación de los materiales.

El documento US 3 831 262 A revela el recurso de establecer uniones lineales exentas de costura de soldadura por medio de una herramienta de fricción cuyo eje de rotación discurre paralelamente al plano de unión. Dos piezas metálicas a unir una con otra se mantienen aquí en contacto entre ellas a una presión suficientemente alta en la zona en la que deben ser unidas. La unión de las piezas metálicas se produce por medio de un tratamiento de fricción que comprende un movimiento relativo entre una herramienta de fricción y la superficie de una pieza que se debe unir. La herramienta de fricción es aquí un disco rápidamente rotativo que gira alrededor de un eje que discurre paralelamente al plano de la superficie límite entre las piezas metálicas.

En el documento DE 197 31 638 A1 se describe un procedimiento de soldadura por fricción y remoción para realizar uniones puntiformes. En este caso, el perno penetra en el material superior de un compañero de fricción, una segunda pieza de trabajo, de modo que la zona de contacto entre la superficie de fricción y la segunda pieza de trabajo discurra en el interior de la segunda pieza de trabajo.

El documento WO 98/45080 A concierne a un procedimiento y a un dispositivo para soldadura por fricción y remoción, en donde se emplea una espiga rotativa para ensamblar dos piezas de trabajo yuxtapuestas.

En el documento JP 2003 326371 A se revela un procedimiento de soldadura por fricción y remoción en el que una espiga penetra en la zona de ensamble de dos piezas de trabajo yuxtapuestas.

El documento DE 197 46 812 A1 revela un procedimiento para establecer una unión de soldadura lineal en el que un cuerpo de fricción es conducido a lo largo de las capas de dos o más piezas de trabajo superpuestas de modo que dicho cuerpo atraviese las capas. Se produce así, al igual que ocurre también en los documentos WO 98/45080 A y JP 2003 326371 A, un entremezclado de los materiales de las piezas de trabajo.

El documento JP 10 225781 A revela un procedimiento de soldadura por fricción y remoción en el que se introduce una espiga en una costura de ensamble. También aquí se produce un entremezclado de los materiales de las piezas de trabajo.

El problema de una aportación de calor lo más baja posible, ligada a una separación lo más limpia posible de materiales diferentes, se presenta especialmente en la fabricación de los llamados elementos combustibles nucleares en emparedado de Al-U/Mo-Al. Estos elementos combustibles de reactor previstos para su empleo en reactores nucleares comprenden dos chapas de cubierta de aluminio entre las cuales se encuentra una chapa de uranio-molibdeno.

Para garantizar, por un lado, que el material de uranio fisible esté confinado con seguridad y, por otro lado, no se encuentren en el elemento combustible oclusiones de gas que puedan dilatarse al calentarse, es necesario unir las chapas individuales una con otra. Para eliminar con seguridad el problema de las oclusiones de gas es especialmente necesario prever no solo uniones puntiformes, sino uniones que discurran linealmente en forma de meandros por toda la superficie de los elementos combustibles. Para que, además, quede unívocamente fijada la distribución de energía de los neutrones que salen del elemento combustible no se deberá producir un entremezclado del Al de las chapas de cubierta con el U-Mo.

Respecto del U-Mo, se ha comprobado que en este material se presentan ya a bajas temperaturas variaciones de la estructura que conducen a que el material sea inadecuado para una utilización adicional como elemento combustible de reactor. Esto conduce a que la energía introducida en las piezas de trabajo tenga que mantenerse lo más pequeña posible cuando se realice la unión.

Por tanto, la presente invención se basa en el problema de proporcionar un procedimiento para realizar una unión de soldadura lineal entre dos piezas de trabajo a lo largo de un empalme paralelo, en el que se mantenga pequeña la aportación de energía calorífica a las piezas de trabajo y se evite un entremezclado de los materiales de las piezas de trabajo.

Este problema se resuelve por medio de un procedimiento según la reivindicación 1.

Según la invención, la zona de contacto entre la superficie de fricción y la segunda pieza de trabajo discurre completamente en la superficie de la segunda pieza de trabajo que queda alejada de la primera pieza de trabajo. Un contacto de fricción entre la segunda pieza de trabajo, por un lado, y la herramienta de fricción, por otro, se produce así solamente en la superficie de la segunda pieza de trabajo que queda alejada de la primera pieza de trabajo. Por tanto, no tiene lugar una penetración de la herramienta de fricción en el volumen de la segunda pieza de trabajo, de modo que se evitan especialmente variaciones estructurales de la segunda pieza de trabajo y también de la primera pieza de trabajo. Puede ocurrir únicamente que la segunda pieza de trabajo se comprima a consecuencia de la presión que se ejerce por la herramienta de fricción.

La aportación de calor a las piezas de trabajo se efectúa solamente a través de la superficie de la segunda pieza de trabajo que queda alejada de la primera pieza de trabajo, plastificándose el material de la segunda pieza de trabajo por debajo de la herramienta de fricción. La velocidad de rotación de la pieza de trabajo se ha elegido aquí de tal manera que la aportación de energía a la segunda pieza de trabajo sea suficiente para formar una unión de soldadura entre la primera pieza de trabajo inferior y la segunda pieza de trabajo superior.

Aparte de la propiedad de que la herramienta de fricción no penetra en el material de las piezas de trabajo que se deben unir, resulta, además, que también la aportación de energía calorífica se mantiene limitada localmente a la zona situada en las proximidades de la herramienta de fricción. No se efectúa un calentamiento de gran superficie de las piezas de trabajo. Por último, no se efectúa tampoco un entremezclado de los materiales de las dos piezas de trabajo que se deben unir, sino que las superficies límite se mantienen sustancialmente sin ser influenciadas.

Se consigue así con el procedimiento según la invención que, al formar la unión de soldadura, no se produzca, especialmente en la primera pieza de trabajo inferior, ninguna variación de la estructura del material o solo se produzcan variaciones muy insignificantes de esta estructura, estando limitadas entonces las insignificantes variaciones a la zona de la costura de soldadura.

Además, con el procedimiento según la invención es posible dotar a piezas de trabajo con un revestimiento, por ejemplo para aumentar la dureza superficial o para proporcionar protección contra la corrosión. A este fin, el material del revestimiento se aplica sobre la primera pieza de trabajo a revestir en forma de una delgada película actuante como segunda pieza en el sentido del procedimiento. A continuación, se pueden unir una con otra la película y la pieza de trabajo por medio del procedimiento según la inven-
ción.

Para poder influenciar sobre las dimensiones de la segunda pieza de trabajo que se plastifica durante la rotación de la herramienta de fricción, es preferible que, al girar la herramienta de fricción, se ejerza una presión predeterminada sobre la superficie de la segunda pieza de trabajo.

Para realizar una unión de soldadura lineal entre las piezas de trabajo se mueve la herramienta de fricción durante su rotación a lo largo de la superficie de la segunda pieza de trabajo. Para evitar aquí que la herramienta de fricción penetre en la superficie de la segunda pieza de trabajo, se prefiere que la segunda pieza de trabajo sea presionada delante de la herramienta de fricción, considerado en la dirección de movimiento, sobre la primera de trabajo. Esto impide un abombamiento de la segunda pieza de trabajo, lo que puede presentarse especialmente debido a la variación de temperatura local a consecuencia del calentamiento local.

En otra forma de realización preferida del procedimiento según la invención se calienta adicionalmente la primera pieza de trabajo alejada de la herramienta de fricción, con lo que se reduce la energía que tiene que introducirse en la segunda pieza de trabajo por efecto del rozamiento para generar una unión de soldadura. La primera pieza de trabajo puede calentarse aquí por medio de un elemento de calentamiento sobre el cual descansa esta pieza. En otra forma de realización preferida la energía calorífica puede ser introducida también por vía inductiva en la primera pieza de trabajo. Asimismo, se prefiere que la energía calorífica se introduzca en una zona por debajo de la herramienta de fricción, de modo que la fuente para la energía calorífica y el lugar de aportación de energía por rozamiento estén enfrentados entre ellos. En este caso, la zona de las piezas de trabajo que es influenciada por el establecimiento de la unión queda limitada a la zona de unión.

Sin embargo, la magnitud de la aportación de energía a las piezas de trabajo a consecuencia del calentamiento está bastante por debajo del umbral a partir del cual se presentan variaciones de la estructura en las piezas de trabajo.

En otra forma de realización preferida del procedimiento según la invención se proporciona una tercera pieza de trabajo plana y se disponen encima de ella la primera y la segunda piezas de trabajo. A continuación, se efectúa el asentamiento y rotación de la herramienta de fricción sobre la superficie de la segunda pieza de trabajo que queda alejada de la primera pieza de trabajo. De esta manera, se puede establecer una unión de soldadura entre las distintas partes de un elemento de construcción en emparedado, especialmente un elemento combustible de reactor, con las ventajas ya mencionadas.

Además, se prefiere que las piezas de trabajo sean retenidas a lo largo de sus cantos exteriores y que se ejerza sobre las piezas de trabajo una primera tensión de tracción que discurra paralelamente al plano de la superficie de la segunda pieza de trabajo aplicada a la herramienta de fricción. Además, en otra forma de realización preferida se ejerce sobre las piezas de trabajo una segunda tensión de tracción que discurre también paralelamente al plano de la superficie aplicada a la herramienta de fricción y que presenta al menos una componente que discurre perpendicularmente a la primera tensión de tracción. De esta manera, se pretensan las piezas de trabajo y, al formarse la unión, no se producen abombamientos en las piezas de trabajo.

La herramienta de fricción es hecha girar alrededor de un eje que discurre perpendicularmente a la superficie de la segunda pieza de trabajo que queda alejada de la primera pieza de trabajo, lo que hace posible una zona de contacto relativamente grande. En una superficie de fricción de forma circular están previstos aquí unos medios que proporcionan un transporte de material desde el borde exterior de la superficie de fricción hacia el eje de rotación. Se impide así que se evacue de la zona de contacto material plastificado por el contacto de fricción.

Por otro lado, es posible también que la herramienta de fricción sea hecha girar alrededor de un eje que discurra inclinado con respecto a la vertical de la superficie de la segunda pieza de trabajo. En particular, el eje de rotación puede discurrir entonces paralelamente a la superficie de la segunda pieza de trabajo, minimizándose en este caso a una línea la extensión de la zona de contacto.

Asimismo, se prefiere que, antes de disponer de la segunda pieza de trabajo sobre la primera pieza de trabajo, se irradie al menos parcialmente la superficie de la primera pieza de trabajo que mira hacia la segunda pieza de trabajo. Entra aquí en consideración una irradiación con láser o una irradiación con electrones. Ambas llevan ligadas la ventaja de que se retiran óxidos que se hayan formado sobre la superficie de la primera pieza de trabajo, de modo que las piezas de trabajo pueden establecer más fácilmente una unión en esta zona. En efecto, las capas de óxido pueden actuar como barreras antidifusión y, por tanto, pueden dificultar la formación de una unión mediada por material. Además, especialmente la irradiación con electrones sirve para generar microtaladros en la superficie de ensamble de la primera pieza de trabajo, lo que conduce a un "engrane" mecánico de las piezas de trabajo y, por tanto, a una unión más estable.

Además, se prefiere que la zona entre las superficies de trabajo sea puesta bajo vacío, por ejemplo por medio de una bomba de vacío, de modo que las piezas de trabajo se apliquen estrechamente una a otra y no se puedan producir oclusiones de gas entre las piezas de trabajo.

Para la puesta en práctica del procedimiento según la invención puede proporcionarse un dispositivo con una herramienta de fricción accionable a rotación alrededor de un eje de rotación y dotada de una superficie de fricción, y con un mecanismo de retención para sujetar al menos dos piezas de trabajo que descansan al menos parcialmente una sobre otra en un plano de piezas de trabajo, en donde, en el estado sujeto, la superficie de una de las piezas de trabajo está vuelta hacia la herramienta de fricción, en donde la superficie de fricción se puede asentar sobre la superficie de una de las piezas de trabajo que queda vuelta hacia la herramienta de fricción y en donde la superficie de fricción está configurada de tal manera que, al girar la superficie de fricción sobre la superficie de una de las piezas de trabajo que queda vuelta hacia la herramienta de fricción, la zona de contacto entre la superficie de fricción y la pieza de trabajo discurra completamente en la superficie vuelta hacia la herramienta de fricción.

La superficie de fricción está configurada de tal manera que la zona de contacto entre la superficie de fricción y la segunda pieza de trabajo discurra completamente en la superficie de la segunda pieza de trabajo que queda alejada de la primera pieza de trabajo, con lo que la superficie de fricción puede estar configurada, por ejemplo, en forma plana. Un contacto de fricción entre la segunda de trabajo, por un lado, y la herramienta de fricción, por otro, se produce así solamente en la superficie de la segunda pieza de trabajo que queda alejada de la primera pieza de trabajo, y no tiene lugar una penetración de la herramienta de fricción en el volumen de la segunda pieza de trabajo, de modo que se evitan especialmente variaciones estructurales de la segunda pieza de trabajo y también de la primera pieza de trabajo.

Con respecto a las ventajas ligadas a un dispositivo de esta clase, cabe remitirse a las explicaciones del procedimiento según la invención. En particular, mediante el dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento según la invención se reduce la aportación de energía calorífica a las piezas de trabajo y no se produce un entremezclado de los materiales de las distintas piezas de trabajo.

Para impedir efectivamente una erosión de material plastificado en el plano de una superficie de fricción circular formada en una herramienta de fricción cilíndrica y cuyo eje de rotación discurra perpendicularmente a la superficie de apoyo, la superficie de fricción, en una forma de realización preferida del dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento según la invención, está provista de ranuras que parten de la zona de borde exterior de la superficie de fricción y discurren inclinadas hacia el centro con respecto a la tangente del perímetro de la superficie de fricción. Más preferiblemente, las ranuras están curvadas hacia el centro de la superficie de fricción. Las ranuras funcionan aquí como canales en los que se transporta material plastificado hacia el centro de la superficie de fricción.

En una forma de realización alternativa del dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento según la invención la superficie de fricción presenta una forma esférica, de modo que la herramienta de fricción se puede asentar también sobre superficies de pieza de trabajo curvadas. Esto es ventajoso especialmente cuando el dispositivo deba utilizarse para revestir piezas de trabajo, aplicándose el revestimiento primeramente en forma de una delgada película. Es imaginable aquí especialmente una utilización en cazoletas de articulaciones.

En otra forma de realización alternativa la herramienta de fricción está configurada como un cilindro, formando la superficie periférica del cilindro la superficie de fricción. En este caso, la zona de contacto entre la superficie de fricción y la superficie de la pieza de trabajo está limitada a una línea de contacto, de modo que la aportación de energía a la segunda pieza de trabajo por rozamiento se efectúa en una zona lo más pequeña posible.

Para garantizar también en este caso que no se retire material de la zona de contacto, la superficie periférica está provista más preferiblemente de una primera y una segunda ranuras periféricas de forma de espiral, discurriendo la primera ranura periférica desde el primer extremo del cilindro hacia el centro y discurriendo la segunda ranura periférica desde el segundo extremo hacia el centro, y convergiendo las ranuras periféricas con pendientes mutuamente opuestas hacia el centro del cilindro.

Asimismo, se prefiere que el dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento según la invención presente un elemento de calentamiento por resistencia eléctrica para introducir energía calorífica en la primera pieza de trabajo, cuyo elemento se pueda regular de una manera sencilla. Como alternativa al elemento de calentamiento por resistencia, puede estar prevista también una bobina de inducción por medio de la cual se puedan calentar sin contactos piezas de trabajo metálicas.

En una primera alternativa se ha previsto por debajo del dispositivo de retención una superficie de apoyo, y la superficie de apoyo completa está provista de elementos de calentamiento, de modo que se caliente la totalidad de la primera pieza de trabajo y no se produzcan tensiones dentro de la primera pieza de trabajo a consecuencia de diferencias de temperatura. En una segunda alternativa el elemento de calentamiento está dispuesto en forma móvil con relación a la superficie de apoyo, de modo que el elemento de calentamiento pueda ser movido paralelamente a la herramienta de fricción para minimizar la zona de las piezas de trabajo que se calienta.

En lo que sigue se explica la presente invención ayudándose de un dibujo que muestra únicamente ejemplos de realización preferidos. En el dibujo muestran:

La figura 1, un ejemplo de realización de un dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento según la invención, en sección longitudinal,

La figura 2, el dispositivo de la figura 1 en alzado lateral,

La figura 3, el dispositivo de la figura 1 en vista en planta,

La figura 4, la herramienta de fricción del dispositivo de la figura 1 asentada sobre la superficie de una pila de piezas de trabajo,

La figura 5, un primer ejemplo de realización de una herramienta de fricción en representación en perspectiva (a) y en vista en planta (b),

La figura 6, un segundo ejemplo de realización de una herramienta de fricción en vista en planta,

La figura 7, un tercer ejemplo de una herramienta de fricción en alzado lateral,

La figura 8, un cuarto ejemplo de una herramienta de fricción en representación en perspectiva,

La figura 9, un pisón para un dispositivo según la figura 1 en vista desde atrás, en vista lateral y en vista desde arriba,

La figura 10, una primera representación esquemática de un primer ejemplo de realización del procedimiento según la invención y

La figura 11, una representación esquemática de un ejemplo de representación del procedimiento que no está dentro del objeto de la invención.

El ejemplo de realización -representado en las figuras 1 a 4- de un dispositivo según la invención para efectuar una unión de soldadura entre piezas de trabajo planas presenta una herramienta de fricción 1 que está unida con un accionamiento 2. El accionamiento 2 hace que la herramienta de fricción 1 gire alrededor de un eje de rotación 3, presentando la herramienta de fricción 1 de configuración cilíndrica en su tramo inferior una superficie de fricción circular 4 dispuesta perpendicularmente al eje de rotación 3 (véase también la figura 4). La herramienta de fricción 1 está montada, juntamente con el accionamiento 2, en un alojamiento 5.

Por debajo del alojamiento 5 con la herramienta de fricción 1 está previsto un mecanismo de retención 6 que presenta unos primeros elementos de apriete 7, 7' que a su vez están provistos de unas primeras mordazas de apriete 8, 8'. En las primeras mordazas de apriete 8, 8' puede sujetarse una pila 9 de piezas de trabajo, comprendiendo la pila 9 de piezas de trabajo una primera pieza de trabajo central 10, una segunda pieza de trabajo 11 dispuesta encima de ella y una tercera pieza de trabajo 12 dispuesta por debajo de la primera pieza de trabajo 10. Las piezas de trabajo 10, 11 y 12 están configuradas aquí en forma de superficies, es decir que sus dimensiones en longitud y anchura son bastantes superiores al espesor de las piezas de trabajo 10, 11 y 12. En particular, la primera pieza de trabajo 10 puede tener un grosor comprendido entre 2 mm y 5 mm, mientras que la segunda pieza de trabajo 11 ("chapa de cubierta") puede tener un espesor comprendido entre 0,2 mm y 0,5 mm.

La pila 9 de piezas de trabajo está situada en el plano de piezas de trabajo que se fija por medio del mecanismo de retención 6. Por debajo de la pila 9 de piezas de trabajo está prevista una superficie de apoyo 13 sobre la cual descansa la pila 9 de piezas de trabajo.

Como puede deducirse especialmente de la figura 3, el mecanismo de retención 6 presenta unos segundos elementos de apriete 14, 14' que están provistos de unas segundas mordazas de apriete 15, 15' para sujetar la pila 9 de piezas de trabajo. Los primeros elementos de apriete 7, 7' con las mordazas de apriete 8, 8' están enfrentados entre ellos y lo mismo ocurre también entre los segundos elementos de apriete 14, 14' con las segundas mordazas de apriete 15, 15'. Las mordazas de apriete 8, 8' están dispuestas aquí perpendicularmente a las mordazas de apriete 15, 15' y el conjunto de las mordazas de apriete 8, 8', 15, 15' abraza completamente a la pila 9 de piezas de trabajo. El espacio intermedio entre las piezas de trabajo 10, 11 y 12 de la pila 9 de piezas de trabajo queda así completamente cerrado y puede ponerse bajo vacío a través de una acometida de vacío 16 (véanse las figuras 2 y 3), estando prevista una junta de vacío 16' para fines de sellado.

Además, el dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento según la invención presenta medios para mover el alojamiento 5 con la herramienta de fricción 1 en dirección paralela al plano de las piezas de trabajo de la pila 9 de piezas de trabajo, tal como se ha insinuado en la figura 3 con las flechas P. Por otra parte, el alojamiento 5 está provisto de un cilindro hidráulico 17 para ejercer una presión predeterminada sobre las piezas de trabajo 10, 11 y 12, perpendicularmente a la superficie de apoyo 13, a través de la herramienta de fricción 1.

Además, los elementos de apriete 7, 7' y 14, 14' están provistos de medios para agrandar su respectiva distancia, con lo que la pila 9 de piezas de trabajo puede ser pretensada en dos direcciones que discurren en el plano de las piezas de trabajo y perpendicularmente una a otra.

Por encima del plano de las piezas de trabajo y, por tanto, por encima de la pila 9 de piezas de trabajo está previsto un cañón de electrones 18 que se puede trasladar también paralelamente al plano de las piezas de trabajo y que está orientado hacia la pila 9 de piezas de trabajo. La superficie de las piezas de trabajo 10, 11 y 12 puede ser liberada así eventualmente de una capa de óxido por medio de una acción de irradiación.

Por debajo de la superficie de apoyo 13 está dispuesto un elemento 19 de calentamiento por inducción que se puede trasladar en el plano de la superficie de apoyo y con el cual se pueden realizar una introducción localmente limitada de energía calorífica en la pila 9 de piezas de trabajo. Como alternativa, en lugar del elemento 19 de calentamiento por inducción puede estar previsto también un elemento de calentamiento por resistencia. Asimismo, es imaginable también que se caliente toda la superficie de apoyo 13 de modo que en toda la zona de la pila 9 de piezas de trabajo se introduzca energía calorífica en las piezas de trabajo 10, 12 distanciadas de la herramienta de fricción 1.

La superficie de fricción 4 de la herramienta de fricción 1 está configurada de tal manera que la zona de contacto entre la superficie de fricción 4 y la segunda pieza de trabajo 11 discurra completamente en la superficie de la segunda pieza de trabajo 11 cuando la herramienta de fricción 1 descanse sobre la segunda pieza de trabajo y sea hecha girar alrededor del eje de rotación 3. De este modo, solamente en la superficie de la segunda pieza de trabajo 11 que está alejada de la primera pieza de trabajo 10 se produce un contacto de fricción entre, por un lado, la segunda pieza de trabajo 11 y, por otro, la herramienta de fricción 1.

Como puede apreciarse especialmente en la figura 4, la superficie de fricción 4 no presenta salientes de ninguna clase que pudieran penetrar en la pila 9 de piezas de trabajo al producirse una rotación de la herramienta de fricción 1. Por el contrario, la superficie de fricción 4 es de configuración casi plana, de modo que la herramienta de fricción 1 frota exclusivamente contra la superficie de la pieza de trabajo y no penetra eventualmente en las piezas de trabajo 10, 11 y 12 cuando éstas se plastifiquen a consecuencia del calor de rozamiento. La superficie de fricción 4 está provista únicamente de un perfilado rotacionalmente simétrico para impedir una erosión del material de la zona de contacto, presentando el perfilado una cavidad periférica 4'.

Como muestra el ejemplo de realización de una herramienta de fricción 1 representado en la figura 5, esta herramienta está provista de un tramo de conexión 20 y un tramo delantero cilíndrico 21 que presenta la superficie de fricción 4 que discurre perpendicularmente al mismo y que, a diferencia del ejemplo de realización explicado con relación a la figura 4, no está perfilada, sino que es plana. La superficie de fricción 4 está provista de medios para el transporte del material en el plano de la superficie de fricción 4. Estos medios presentan ranuras 22 que parten de la zona de borde exterior de la superficie de fricción 4 y que, además, discurren hacia el centro Z en dirección inclinada con respecto a la tangente del perímetro de la superficie de fricción 4. Las ranuras 22 están aquí, además, curvadas hacia el centro. Cuando gira la herramienta de fricción 1 de conformidad con la flecha en la figura 5 b), el material que ha sido plastificado por el calor de rozamiento se mueve en las ranuras 22 hacia el centro desde la zona de borde de la superficie de fricción 4, con lo que estas ranuras funcionan como canales.

El segundo ejemplo de realización de una herramienta de fricción 1' representado en la figura 6 se diferencia del representado en la figura 5, por un lado, en que, en lugar de solamente tres ranuras 22, esta herramienta presenta cinco ranuras 22', si bien éstas son de configuración semejante a la de las ranuras 22 del primer ejemplo de realización. Por otro lado, la superficie de fricción 4 está provista de un perfilado como el que ya se ha explicado en relación con la
figura 4.

El ejemplo alternativo de una herramienta de fricción 1'' representado en la figura 7 está previsto para el caso de que el eje de rotación 3' de la herramienta de fricción 1'' discurra paralelamente a la superficie de la segunda pieza de trabajo 11 y, por tanto, al plano de las piezas de trabajo, y de que la superficie de fricción 4 esté formada entonces por la superficie periférica del tramo cilíndrico 23 de la herramienta de fricción 1''. Para conseguir durante el rozamiento en la superficie de la segunda pieza de trabajo 11 un transporte del material hacia el centro de la superficie de fricción 4, ésta está provista de una primera ranura periférica 24 en forma de espiral que discurre desde el primer extremo del tramo cilíndrico 23 hacia su centro. Además, la herramienta de fricción 1'' está provista de una segunda ranura periférica 25 que discurre en forma de espiral y que se extiende desde el segundo extremo hacia el centro. Las ranuras periféricas 24, 25 convergen aquí, con pendientes mutuamente opuestas, en el centro del tramo cilín-
drico 23.

En la figura 8 se representa un cuarto ejemplo de una herramienta de fricción 1''' para la puesta en práctica del procedimiento según la invención. En este caso, la herramienta de fricción 1''' presenta, además del tramo de conexión 20, una superficie de fricción esférica 4, lo que va ligado a la ventaja de que se pueden mecanizar también con la herramienta de fricción 1''' piezas de trabajo 10 dotadas de superficies curvadas, tal como se insinúa en la figura 8. Esta configuración de la superficie de fricción 4 es ventajosa cuando el dispositivo deba ser utilizado para revestir piezas de trabajo 10, aplicándose el revestimiento primeramente en forma de una delgada película. A continuación, se establece por medio del procedimiento según la invención una unión entre la pieza de trabajo 10 y la película. En este caso, es imaginable especialmente una utilización en cazoletas de articulaciones.

Para impedir que se abombe especialmente la segunda pieza de trabajo más superior 11 de la pila 9 de piezas de trabajo durante la rotación de la herramienta de fricción 1 sobre la superficie de la misma puede estar previsto en el dispositivo representado en las figuras 1 a 4 un pisón 26 reproducido en la figura 9. El pisón 26 comprende una chapa de asiento 27 que está realizada en dos piezas y presenta una hendidura 28 en la que está alojado en forma desplazable un bloque de latón 29. Además, el pisón 26 presenta un muelle laminar 30 que está unido mediante un primer extremo en forma basculable con el mecanismo de retención por medio de un perno 31. El segundo extremo del muelle laminar 30 está provisto de un agujero alargado 32 y ejerce presión sobre el bloque de latón 29. En el agujero alargado 32 está dispuesto también un perno 33 que se puede mover en el agujero alargado y está unido con el bloque de latón 29.

Junto al bloque de latón 29 se posiciona en la hendidura 28 la herramienta de fricción 1 y ésta se mueve en la hendidura 28, empujando delante de ella al bloque de latón 29. Debido a la acción del muelle laminar 30, el bloque de latón 29 presiona las piezas de trabajo 10, 11 y 12 en dirección a la superficie de apoyo 13 e impide así un abombamiento de las piezas de trabajo 10, 11 y 12.

En lo que sigue se explica con referencia a la figura 10 el procedimiento según la invención para realizar una unión de soldadura lineal entre una primera pieza de trabajo 10 y al menos una segunda pieza de trabajo 11, disponiéndose la primera y la segunda piezas de trabajo 10, 11 en esta forma de realización preferida del procedimiento sobre una tercera pieza de trabajo 12. La representación de la figura 10 reproduce aquí la situación que se presenta en un elemento combustible nuclear de Al-U/Mo-Al. En este caso, la segunda pieza de trabajo 11 y la tercera pieza de trabajo 12 consisten ambas en chapas de aluminio que rodean a una chapa de U/Mo dispuesta en el interior como primera pieza de trabajo 10. Además, la primera pieza de trabajo 10 está rodeada aquí todavía por un elemento de anillo 34 hecho de aluminio.

En este caso de utilización lo que importa es que la primera pieza de trabajo 10 se aplique a la segunda pieza de trabajo 11 y a la tercera pieza de trabajo 12 y no se encuentren oclusiones de gas entre las piezas de trabajo 10, 11 y 12. Esto hace necesaria una soldadura de las piezas de trabajo 10 y 11 a lo largo de una línea en forma de meandros que se extiende por toda la superficie del elemento combustible en emparedado. En el otro lado tienen lugar ya en la chapa de U/Mo, a temperaturas relativamente bajas, unas transformaciones de fase que hacen que el material resulte inservible para su utilización como elemento combustible. Por tanto, se tiene que evitar durante la soldadura que la primera pieza de trabajo 10 esté expuesta a altas temperaturas. En el procedimiento según la invención se disponen la tercera pieza de trabajo 12, la primera pieza de trabajo 10 y la segunda pieza de trabajo 11 una encima de otra sobre la superficie de apoyo 13.

Antes de disponer la segunda pieza de trabajo 11 sobre la primera pieza de trabajo 10 se puede irradiar por medio del cañón de electrones 18 (figura 1) la superficie de la primera pieza de trabajo 10 que mira hacia la segunda pieza de trabajo 11, en la zona en la que se deberá formar más tarde la costura de soldadura, a fin de retirar óxidos que pudieran dificultar la formación de la costura de soldadura. En efecto, una capa de óxido puede actuar como barrera antidifusión y puede dificultar así la formación de una unión mediada por material entre las piezas de trabajo 10, 11. Además, la irradiación con electrones sirve para generar microtaladros en la superficie de la primera pieza de trabajo 10 que queda vuelta hacia la segunda pieza de trabajo 11, lo que conduce a un "engrane" mecánico de las piezas de trabajo 10, 11 y, por tanto, a una unión más estable.

A continuación, se asienta la herramienta de fricción 1 en la dirección de la flecha 35 sobre la superficie de la segunda pieza de trabajo 11 que queda alejada de la primera pieza de trabajo 10 y se pone la herramienta de fricción 1 en rotación por medio del accionamiento 2 (figura 1), tal como se insinúa con la flecha 36. La superficie de fricción 4 frota entonces la superficie de la segunda pieza de trabajo 11 que queda alejada de la primera pieza de trabajo 10, discurriendo la zona de contacto entre la superficie de fricción 4 y la segunda pieza de trabajo 11 completamente en la superficie de la segunda pieza de trabajo 11 que queda alejada de la primera pieza de trabajo 10. La velocidad de rotación alrededor del eje de rotación 3 de la herramienta de fricción 1 se ha elegido aquí de modo que se plastifique una zona suficientemente grande de la segunda pieza de trabajo 11 por debajo de la herramienta de fricción 1 y se forme por debajo de la herramienta de fricción 1 una unión de soldadura entre, por un lado, la primera pieza de trabajo 10 y, por otro, la segunda pieza de trabajo 11. Además, se ejerce por la herramienta de fricción 1 una presión predeterminada en la dirección de la flecha 35 sobre la superficie de la superficie pieza de trabajo 11, lo que fomenta la formación de la unión de soldadura.

Para conseguir una costura de soldadura lineal entre las piezas de trabajo 10, 11 se sigue moviendo la herramienta de fricción en la dirección de la flecha 37 con rotación continuada y con presión constante sobre la pila 9 de piezas de trabajo.

Para fomentar aún más la formación de la unión de soldadura entre las piezas de trabajo 10, 11 se introduce calor especialmente en la tercera pieza de trabajo 12 y la primera pieza de trabajo 10 a través del elemento 19 de calentamiento por inducción durante la rotación de la herramienta de fricción 1. El elemento 19 de calentamiento por inducción se mueve entonces juntamente con la herramienta de fricción 1 en dirección paralela al movimiento de ésta. De esta manera, se calienta por el elemento 19 de calentamiento por inducción solamente una zona limitada de las piezas de trabajo 10, 11 y 12 (véase a este respecto la figura 1). Sin embargo, la aportación de energía a las piezas de trabajo 10, 11 y 12 a consecuencia del calentamiento se efectúa en cualquier caso bastante por debajo del umbral a partir del cual se presentan en las piezas de trabajo 10, 11 y 12 variaciones relativamente grandes de la estructura que aparecen especialmente también en la zona situada por fuera de las costuras de soldadura.

Para evitar que las piezas de trabajo 10, 11 y 12 se abomben una contra otra durante la soldadura se ejerce por los primeros elementos de apriete 7, 7' una primera tensión de tracción sobre las piezas de trabajo 10, 11 y 12, discurriendo esta primera tensión de tracción en dirección paralela al plano de la superficie de la segunda pieza de trabajo 11 que se aplica a la herramienta de fricción 1. En paralelo con esto, se ejerce por los segundos elementos de apriete 14, 14' una segunda tensión de tracción sobre las piezas de trabajo 10, 11 y 12, discurriendo también esta segunda tensión de tracción en dirección paralela al plano de la superficie de la segunda pieza de trabajo 11 que se aplica a la herramienta de fricción 1 y siendo entonces esta segunda tensión perpendicular a la primera tensión de tracción. La pila 9 de piezas de trabajo es mantenida así bajo tensión en el plano de su extensión, con lo que no se pueden producir abombamientos.

Para impedir que especialmente la segunda pieza de trabajo 11 se levante separándose de las otras piezas de trabajo 10, 12, la segunda pieza de trabajo 11, visto en la dirección de movimiento 36 de la herramienta de fricción 1, puede ser presionada por delante de ésta en dirección a la primera pieza de trabajo 10, empleándose el pisón 26 descrito con referencia a la figura 9.

Como ya se ha explicado con referencia a las figuras 5, 6 y 7, la superficie de fricción 4 presenta unas ranuras 22 a lo largo de los cuales se puede efectuar durante la rotación de la herramienta de fricción 1 un transporte de material plastificado desde el borde de la herramienta de fricción 1 hacia el eje de rotación 3. Esto impide que, durante el movimiento de la herramienta de fricción 1 en la dirección de la flecha 36, se retire -a consecuencia de la rotación- material de la zona en la que se genera la costura de soldadura.

Durante el movimiento de la herramienta de fricción en la dirección de la flecha 37 se pone bajo vacío el espacio intermedio comprendido entre las piezas de trabajo 10, 11 y 12 a través de la acometida de vacío 16 (véase la figura 3), con lo que no se pueden producir oclusiones de gas entre las piezas de trabajo 10, 11 y 12.

En la figura 11 se representa una forma de realización alternativa de un procedimiento en el que el eje de rotación 3' de la herramienta de fricción 1'' discurre paralelamente a la superficie de la segunda pieza de trabajo 11 (forma de realización no perteneciente al objeto de la invención). Por lo demás, el procedimiento se realiza de la misma manera que ya se ha explicado en relación con la figura 10. La superficie periférica del tramo cilíndrico 23 de la herramienta de fricción 1'' presenta aquí unas ranuras periféricas 24, 25 en forma de espiral que ya se han explicado en relación con la figura 7. Éstas producen un transporte del material desde los extremos del tramo cilíndrico 23 hacia el centro de éste. Se evita así que, al moverse la herramienta de fricción 1 paralelamente a la superficie de la segunda pieza de trabajo 11, se expulse material de la zona de la costura de soldadura.

Por medio del dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento de la invención según la figura 10 y por medio del procedimiento según la invención es posible soldar una con otra piezas de trabajo planas 10, 11 y 12 a lo largo de sus superficies, es decir, en un empalme paralelo, sin que, por un lado, se presente un calentamiento demasiado grande de las piezas de trabajo 10, 11 y 12 ni que se produzcan variaciones de la estructura en las piezas de trabajo 10, 11 y 12, y sin que, por otro lado, se produzca un entremezclado de los materiales de las piezas de trabajo 10, 11 y 12. Por tanto, el procedimiento es especialmente adecuado para unir chapas delgadas, tal como es necesario para la fabricación de elementos combustibles en emparedado. Además, se pueden aplicar revestimientos sobre piezas de trabajo para fines de protección contra la corrosión o de mejora de la dureza superficial, permaneciendo una superficie límite definida entre la pieza de trabajo y el revestimiento y no produciéndose un entremezclado de los materiales.

Claims (14)

1. Procedimiento para realizar una unión de soldadura lineal entre una primera pieza de trabajo (10) y una segunda pieza de trabajo (11), que comprende los pasos siguientes:

habilitación de una primera pieza de trabajo (10) y una segunda pieza de trabajo (11),

disposición de la segunda pieza de trabajo (11) sobre una superficie de la primera pieza de trabajo (10) y

asentamiento de una herramienta de fricción (1) con su superficie de fricción (4) sobre la superficie de la segunda pieza de trabajo (11) que queda alejada de la primera pieza de trabajo (10),

rotación de la herramienta de fricción (1) de modo que se forme una unión de soldadura entre la primera pieza de trabajo (10) y la segunda pieza de trabajo (11), frotando la superficie de fricción (4) contra la superficie de la segunda pieza de trabajo (11) que queda alejada de la primera pieza de trabajo (10), moviéndose la herramienta de fricción (1) durante su rotación a lo largo de la superficie de la segunda pieza de trabajo (11) que queda alejada de la primera pieza de trabajo (10) y girando la herramienta de fricción (1) alrededor de un eje (3) perpendicular a la superficie de la segunda pieza de trabajo (11) que queda alejada de la primera pieza de trabajo (10), caracterizado porque la zona de contacto entre la superficie de fricción (4) y la segunda pieza de trabajo (11) discurre completamente en la superficie de la segunda pieza de trabajo (11) que queda alejada de la primera pieza de trabajo (10), y porque la rotación de la herramienta de fricción (1) por la acción de medios dispuestos en la superficie de fricción (4) produce un transporte de material desde el borde de la herramienta de fricción (1) hacia el eje de rotación (3).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que, al girar la herramienta de fricción (1), esta herramienta de fricción (1) es presionada con una presión predeterminada contra la superficie de la segunda pieza de trabajo (11).

3. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la segunda pieza de trabajo (11), visto en la dirección de movimiento de la herramienta de fricción (1), es presionada por delante de ésta en dirección a la segunda pieza de trabajo (10).

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que se calienta la primera pieza de trabajo (10).

5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que la primera pieza de trabajo (10) se aplica a un elemento de calentamiento con una superficie que está alejada de la segunda pieza de trabajo (11).

6. Procedimiento según la reivindicación 4 ó 5, en el que se calienta la primera pieza de trabajo (10) por vía inductiva.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en el que el calentamiento de la primera pieza de trabajo (10) se limita a la zona de la primera pieza de trabajo (10) que queda enfrente de la herramienta de fricción (1).

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que se habilita una tercera pieza de trabajo (12), en el que la primera pieza de trabajo (10) se dispone sobre la tercera pieza de trabajo (12) y en el que la segunda pieza de trabajo (11) se dispone sobre la primera pieza de trabajo.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que se ejerce una primera tensión de tracción sobre las piezas de trabajo (10, 11, 12) y en el que la primera tensión de tracción discurre paralelamente al plano de la superficie de la segunda pieza de trabajo (11) que se aplica a la herramienta de fricción (1).

10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que se ejerce una segunda tensión de tracción sobre las piezas de trabajo (10, 11, 12), en el que la segunda tensión de tracción discurre paralelamente al plano de la superficie de la segunda pieza de trabajo (11) que se aplica a la herramienta de fricción (1), y en el que al menos una componente de la segunda tensión de tracción discurre perpendicularmente a la primera tensión de tracción.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que, antes de disponer la segunda pieza de trabajo (11) sobre la primera pieza de trabajo (10), se irradia al menos parcialmente la superficie de la primera pieza de trabajo (10) que mira hacia la segunda pieza de trabajo (11).

12. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que se irradia con un láser la superficie de la primera pieza de trabajo (10) que mira hacia la segunda pieza de trabajo (11).

13. Procedimiento según la reivindicación 11 ó 12, en el que se irradia con un haz de electrones la superficie de la primera pieza de trabajo (10) que mira hacia la segunda pieza de trabajo (11).

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que se pone bajo vacío la zona comprendida entre las piezas de trabajo
(10, 11, 12).