ES2435734B1 - Electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones - Google Patents

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Abstract

Electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones, del tipo de los utilizados industrialmente para la soldadura automatizada de planchas o elementos metálicos, caracterizado porque integra en el interior del cuerpo del electromandrino un sensor de fuerza, relacionado con la herramienta mediante un eje interno desplazable axialmente, y que, mediante un actuador electromecánico, permite regular en tiempo real y de manera local la altura de la herramienta sobre el material a trabajar, consiguiendo mantener una fuerza axial constante y una posición controlada durante el procesos de soldadura y/o mecanizado.#La invención que se presenta aporta la principal ventaja de conseguir una corrección de la altura en función de la fuerza, de manera automática en el propio electromandrino, con mucha mayor precisión y rapidez, consiguiendo unos resultados de soldadura más uniforme y sin irregularidades.

Description

Electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones
La presente memoria descriptiva se refiere, como su título indica, a un electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones, del tipo de los utilizados industrialmente para la soldadura automatizada de planchas metálicas y para el mecanizado por arranque de viruta, caracterizado porque integra en el cuerpo del eleclromandrino un sensor de fuerza, relacionado con la herramienta mediante un eje interno desplazable axialmente, y que, mediante un actuador electromecánico, permite regular en tiempo real y de manera lacal la altura de la herramienta sobre el material a soldar, consiguiendo mantener una fuerza constante y controlada durante el proceso.
Campo de la invención
La soldadura por fricción o por batido, conocida por sus siglas en ingés (FSW -Friction Stir Welding) es un proceso de unión de dos piezas, que se realiza en estado sólido y en el que una herramienta cilíndrica, con un pin en su extremo, se introduce en la junta entre las dos piezas que se van a soldar. Una vez que la herramienta con la fuerza necesaria sobre el producto a soldar, ha adquirido la velocidad apropiada y ha calentado el material debido a la fricción, el material empezará a ablandarse, adquiriendo un estado plástico, dicha herramienta penetrará en la unión. En ese momento la herramienta empezará a moverse a lo largo de la unión desplazando el material que se encontraba en la cara anteriOf del pin a la cara posterior a través del movimiento de rotación de dicha herramienta, cuando el material se enfríe, pasará de nuevo a un estado sólido produciéndose la unión de ambas partes por soldadura
Estado del Arte
La utilización de la tecnología de soldadura por fricción encierra indudables ventajas sobre los procesos habituales de soldadura, como podemos comprobar a continuación
Emisión nula de gases y humos. Los procesos habituales TIG, MIG utilizados emiten una serie de humos tóxicos, que en el mejor de los casos se emiten a la naturaleza y en el peor son inhalados pOf los operarios
Mejora del balance energético. El balance energético, de este proceso comparado con los procesos al arco (TIG y MIG) es del orden de un 500% inferior
Incremento de la productividad del orden del 500% respecto a los procesos tradicionales de soldado.
Las aplicaciones de FSW disponibles actualmente se hacen a tope o solape sin necesidad de mecanizar el pertil de la junta
Las soldaduras tipo FSW se pueden hacer en una pasada simple en máquinas industriales, eliminando la necesidad de realizar soldaduras multi-pasada en soldaduras por arco, con todo el ahorro que supone de inspección y rectificación entre pasadas
La soldadura FSW no requiere gas de protección alguno, con el consiguiente ahorro de adquisición y almacenamiento de gases y todo lo que esto supone de seguridad ambiental
Como corresponde a un proceso en estado sólido, las soldaduras por FSW no tienen los problemas de porosidad y agrietamiento asociados a las técnicas de soldadura por fusión, y tampoco afectan tanto las variaciones entre coladas en el material de suministro
Como resultado de ser una soldadura en estado sólido, el FSW es más limpio en cuanto a humos y proyecciones comunes a las uniones soldadas por fusión. Además las uniones tipo FSrN también exhiben menores distorsiones después de la fabricación
En los procesos industriales de soldadura no existe una precisión dimensional en las piezas a soldar Se ha comprobado el excesivo cambio que existe entre la cota teórica de la pieza de soldadura y la cota real. Pequeñas desviaciones dimensionales provocan grandes cambios de fuerza y por lo tanto en cambios de temperatura en el proceso, con lo que la soldadura no es controlada correctamente. Las dilataciones, apoyos y deformaciones también provocan esos cambios de altura durante el proceso de soldadura.
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Para corregir las irregularidades de la superficie, que causan este problema, en los procesos actuales o no se tiene en cuenta y se realizan soldaduras de baja calidad, o se desarrollan sistemas externos de medición de fuerza con los que la maquina corrige la posición. Esto implica el desplazamiento de toda la máquina para conseguir la corrección y por lo tanto una velocidad de corrección reducida.
S Para conseguir una precisión correcta, se han diseñado y fabricado distintos sistemas hidráulicos para el control de posición. Se ha podido comprobar la falta de sensibilidad y control de estos sistemas debido a las juntas de obluraciórJ necesarias que provocan excesiva fricción en el proceso de control.
El problema viene de la necesidad actual de aumentar la velocidad de soldadura para competir con soldaduras convencionales en velocidad y mejorando la sensibilidad de los sistemas hidráulicos. Esto implica gran velocidad de corrección de fuerza que son imposibles de conseguir con un movimiento de máquina, debido a las grandes masas a mover y las frecuencias necesarias de alcanzar. La dinámica depende directamente de la rigidez y de la masa, por lo que los sistemas actuales resultan muy pesados (maquinas CNC) o muy débiles (robots articulados)
Antecedentes de la invención
En los procesos industriales de soldadura no existe una precisión dimensional en las piezas a soldar. Se ha comprobado el excesivo cambio que existe entre la cota teórica de la pieza de soldadura y la cota real. Pequeñas desviaciones dimensionales provocan grandes cambios de fuerza entre la herramienta y el material a soldar y por lo tanto generan grandes cambios de temperatura en el proceso, lo cual hace que la soldadura obtenida no sea correcta. Las dilataciones, apoyos y deformaciones también provocan esos cambios de altura durante el proceso de soldadura
25 Para compensar las irregularidades de la superficie que causan este problema, en los procesos actuales o no se tiene en cuenta y se realizan soldaduras de baja calidad, o se desarrollan sistemas extemos de medición de fuerza con los que la máquina corrige la posición actuando toda ella con la consiguiente limitación que supone el acelerar toda su masa dando como resultado velocidades de trabajo muy reducidas
Para conseguir la precisión correcta, se ha experimentado con distintos sistemas hidráu licos para el control de posición pero se ha podido comprobar la falta de sensibilidad de estos sistemas debido a las juntas de obturación necesarias que provocan excesiva fricción en el proceso de control
35 Con este sistema se pretende aumentar la velocidad de trabajo con la calidad necesaria para poder competir con soldaduras convencionales. Esto implica grandes velocidades de corrección de fuerza que son imposibles de conseguir con el movimiento de toda la máquina, debido a las enormes masas a mover o acelerar y las frecuencias que se generan para este fin. La dinámica depende directamente de la rigidez y agilidad de respuesta, por lo que los sistemas actuales resultan muy pesados (maquinas CNC) o muy débiles (robots articu lados).
Uno de los puntos débiles de las máquinas de soldadura por fricción actuales es su falta de sensibilidad a los cambios de altura en la trayectoria de la soldadura. Debido a tolerancias dimensionales de la pieza, deformaciones por temperatura, apoyos incorrectos o deformaciones por esfuerzos propios de la soldadura que
45 cambian la trayectoria teórica
Algunos dispositivos simplemente no tienen en cuenta esta problemática, como por ejemplo los descritos en la Patente W02012019210 ~Dispositivo para soldadura por fricción" o en la Patente US8141764 ~Aparato, sistema y método de soldadura por fricción"
Se han realizado diversos esfuerzos a nivel teórico y práctico, aplicado a máquinas herramientas y robots articulados, para intentar compensar las desviaciones que se producen. Todas estas compensaciones se basan en cambios en el posicionamiento de la máquina de soldadura o robot. En este campo existen diversos sistemas de control y compensación que implican el movimiento de toda o parte de la máquina para corrección de la
55 posición y con ello la fuerza. Un ejemplo de esta técnica lo encontramos descrito en la Patente US20110D79339 ~Técnicas de control, sistemas y métodos de control de la fuerza en un electromandrino para soldadura por fricción"
Se han intentado otras técnicas, como la descrita en la Patente US8164021 ~Soldadura por fricción eléctricamente asistida" que rea liza una medida mediante un circuito resistivo creado entre el electromandrino y el material a soldar, o la Patente CN101929892 "Sistema de test online para soldadura por fricción" que mide la fuerza mediante medida de temperatura y detección de vibraciones
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Asimismo ha habido algún intenlo de intercalar un sensor de fuerza entre el electromandrino y la herramienta de soldadura, por su parte inferior, pero ello obliga a un eje de giro más largo, lo cual implica menor rigidez durante la soldadura que origina una importante pérdida de precisión, no siendo de aplicación práctica
Hay que hacer notar, además, que los eleclromandrinos utilizados actualmente para soldadura por fricción disponen de herramienta únicamente para ese uso, no siendo posible otra aplicación
Descripción de la invención
Para solventar la problemática existente en la actualidad acerca de la regulación de la altura para compensar las irregularidades de las superficies se ha ideado el electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones objeto de la presente invención, el cual integra en el cuerpo del electromandrino un sensor de fuerza, relacionado con la herramienta mediante un eje interno desplazable axialmente, y que, mediante un actuador electromecánico, permite regular en tiempo real y de manera local la altura de la herramienta sobre el material a soldar, consiguiendo mantener una fuerza constante que origina una soldadura sin imperfecciones
Este eje interno desplazable axialmente se encuentra ubicado de forma coaxial en el interior del eje de giro solidario con el rotor del motor del electromandrino.
El sensor de fuerza se encuentra ubicado en la parte del electromandrino opuesta a la herramienta, no obligando a alargar su eje de giro y eliminando los problemas de falta de rigidez.
Además el electromandrino dispone de un amarrador de herramientas que permite el cambio automático de las mismas posibilitando su utilización y compatibilidad para otras funciones como la de mecanizado además de la soldadura por fricción, por ejemplo fresado.
Ventajas de la invención
Este electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones que se presenta aporta múltiples ventajas sobre los sistemas disponibles en la actualidad, siendo la más importante la que permite conseguir una corrección de la altura en función de la fuerza, de manera automática en el propio electromandrino, con mucha mayor precisión y rapidez, consiguiendo una soldadura más uniforme y sin irregularidades.
otra importante ventaja es la integración del sistema de control en el electromandrino haciendo asi independiente el control de altura de la máquina de soldadura por fricción. Con este control de altura y una sensorización interna se consigue hacer una regulación dinámica de la fuerza aplicada durante el proceso de soldadura
Es importante destacar la mejora en el control de la corrección de posición de la punta de la herramienta que se obtiene al ser un control local y unidireccional exactamente en la dirección de la herramienta.
También es importante citar la mejora de la velocidad de corrección de la posición de la herramienta, ya que al ser únicamente movido el eje del electromandrino, puede reducirse la masa móvil y por lo tanto conseguir una dinámica mucho mayor.
Hay que destacar también que al introducir un sensor dentro del propio electromandrino se consigue poder controlar la fuerza exactamente en la zona de aplicación de la misma
otra importante ventaja consiste en conseguir combinar el sistema de control de altura con un sistema de cambio rápido de herramienta para mantener el concepto industrial del sistema
Destacar asimismo la mejora en la compensación de fuerza que se consigue y por lo tanto en el proceso, por lo que la incorporación de un sensor de fuerza integrado en el electromandrino propicia un aumento de velocidad de trabajo y de control del proceso, con la consecuente mejora en la rentabilidad económica de su aplicación industrial
Descripción de las figuras
Para comprender mejor el objeto de la presente invención, en el plano anexo se ha representado una realización práctica preferencial de un electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras
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aplicaciones En dicho plano la figura -1-muestra una vista esquemática simplificada de los elementos del eleclromandrino, con el portaherramientas montado
5
La figura -2muestra una vista portaherramientas desmontado esquemática simplificada de los elementos del eleclromandrino, con el
La figura -3-muestra una vista lateral de un ejemplo de actuador electromecánico (9) formado por un motor y tres husillos conectados mediante correas. La figura -4-muestra un detalle de una vista superior de un ejemplo de actuador electromecánico (9) formado por un motor y tres husillos conectados mediante correas
Realización preferente de la invención
15
El electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones objeto de la presente invención, comprende básicamente, como puede apreciarse en el plano anexo, en el cuerpo (1) del electromandrino, un eje (3) de giro solidario con el rotor (11 ) que junto con el estator (12), conforman el motor de giro del electromandrino, disponiendo este eje (3) de giro de un portaherramientas (2), intercambiable mediante un amarrador (10) automático, y estando asimismo dotado el eje (3) de un desplazamiento axial respecto al rotor (11) que lo relaciona con un sensor de fuerza (7) ubicado en la parte opuesta al portaherramientas (2) y sujeto a un sistema electromecánico axial (9)
25
Asimismo comprende un circuito de control (8) asociado al sensor de fuerza (7) que a su vez regu la en t iempo real, mediante un sistema electromecánico axial (9), el eje (3) sobre el material a soldar El sistema electromecánico axial (9) está formado, de manera preferente, por al menos un motor (13) que mediante una correa principal (14) y una correa secundaria (15) transmite el giro a varias poleas (16) que a su vez, mediante unos husillos (17) desplazan axial mente el eje (3) del elect romandrino. El número de husillos (17) será preferentemente de tres, para facilitar un suave y preciso desplazamiento axial del electromandrino
Está previsto que, de forma altemativa. el sistema electromecánico (9) pueda estar formado por al menos un motor y uno o varios husillos, o bien rea lizado mediante un actuador electromecánico (9) de tipo piezoeléctrico
3S
El movimiento axial del eje (3) giratorio respecto del rotor (11 ) giratorio se consigue mediante una jaula de elementos rodantes o bien mediante casquillos de ajuste interpuestos entre ambos.
Este electromandrino para soldadura por fricción comporta un procedimiento de soldadura por fricción formado por una primera fase de colocación de la herramienta, seguido de una segunda fase de introducción de la herramienta en material , seguida de una tercera fase de soldadura con regulación automática de la fuerza.
La primera fase de colocación consiste en el enganche automático en el amarradof (10) de un portaherramientas (2) dotado de herramienta (5) cilínd rica con pin (6)
45
La segunda fase de introducción consiste en el giro conjunto a altas revoluciones del rotor (11 ), el eje (3), el eje (4), Y a través del amarrador (8), de la herramienta (5) cilindrica con pin (6), apoyando el pin (6) sobre la unión de los materiales a soldar hasta que se produzca la fusión del material, quedando el pin (6) girando enterrado en el material
55
La tercera fase de soldadura consiste, sin cesar las revoluciones, en el avance longitudinal del eleclromandrino a lo largo de la línea de unión de los materiales, propiciado por la máquina asociada al electromandrino, con una regulación automática de la fuerza en el electromandrino realizada mediante el sistema electromecánico axial (9) en función de las señales provenientes del circuito de control (8) que mide de manera continua la fuerza aplicada en la herramienta (5) mediante el desplazamiento axial del eje (3) en función de las irregu laridades de la superficie a soldar y su medida mediante el sensor de fuerza (7)

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1 -Electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones, caracterizado por comprender en el cuerpo (1 ) del electromandrino, un eje (3 ) de giro solidario en rotación con el rolor (1 1) que, junto con el estator (12), conforman el motor de giro del eleclromandrino, disponiendo este eje (3) de giro de un portaherramientas (2), intercambiable mediante un amarrador (10) automático, y estando asimismo dotado el eje
    (3) de giro de un desplazamiento axial respecto al rotor (11) que lo relaciona con un sensor de fuerza (7), siendo dicho sensor de fuerza solidario a un sistema electromecánico axial (9) que controla la posición del eje (3) de giro axialmenle mediante el sensor de fuerza (7) solidario al eje (3) así como a la herramienta (2), para la corrección de la posición y fuerza axial en el proceso de trabajo
    2 -Electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un circuito de control (8) asociado al sensor de fuerza (7) que a su vez regula en tiempo real, mediante un sistema electromecánico (9), la altura del eje (3) con el correspondiente portaherramientas sobre el material a soldar
    3 -Eleclromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones, según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema electromecánico axial (9) comprende al menos un motor (13) que mediante una correa principal (14) y una correa secunda ria (15) transmite el giro a varias poleas (16) que a su vez, mediante unos husillos (17) desplazan axialmente el cuerpo (1) del electromandrino
    4 -Electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones, según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema electromecánico axial (9) comprende al menos un motor y uno
    o varios husillos.
    5 -Electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones, según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema electromecánico axial (9) comprende al menos un motor linea l.
    6 -Electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones, según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema electromecánico axial (9) comprende al menos un motor y una
    o varias cremalleras.
    7 -Eleclromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones, según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema electromecánico axial (9) es de tipo piezoeléctrico.
    8 -Electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones, según la reivindicación 1, caracterizado porque el sensor de fuerza (7) axial solidario al eje (3) es un dispositivo piezoeléctrico.
    9 -Electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones, según la reivindicación 1, caracterizado porque el sensor de fuerza (7) axial solida rio al eje (3) es un dispositivo con células de carga.
    10 -Electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones, según la reivindicación 1, en el que el movimiento axial del eje (3) giratorio respecto del rotor (11) giratorio se consigue a través de elementos rodantes
    11 -Eleclromandrino con control de fuerza axial para soldadura por f ricción y otras aplicaciones, según la reivindicación 1, en el que el movimiento axial del eje (3) giratorio respecto del rotor (11) giratorio se consigue a través de casquillos de ajuste.
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