ES2951469T3 - Estructura y procedimiento para su fabricación que implica soldar materiales no soldables de otra manera - Google Patents
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Abstract
Una estructura (10,210) y un método para crear la estructura (110,310) en el que se sueldan entre sí piezas relativamente delgadas de aleación de aluminio no soldable (14,18, 214, 218) u otro material no soldable. Las primeras capas (22, 222) de un material soldable, tal como una aleación de aluminio soldable u otro material soldable, que tiene un espesor total de entre 0,0254 y 0,762 cm [entre 0,01 y 0,30 pulgadas], se construyen sobre una superficie (28,228) de la primera pieza (12,212) usando una técnica de unión ultrasónica u otra técnica de unión de estado sólido, y se construyen segundas capas (30,230) del material soldable que tiene un espesor total similar sobre una superficie de la segunda pieza (16,216) usando la misma técnica. Luego, la primera pieza (12, 212) se suelda a la segunda pieza (16,216) en la primera (22, 222) y segunda (30,230) capas de material soldable usando una técnica de soldadura por fusión. La estructura resultante (10,210) puede ser parte de un tipo de vehículo de aeronave, vehículo terrestre, embarcación o nave espacial o puede usarse en otras aplicaciones de alto rendimiento. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Estructura y procedimiento para su fabricación que implica soldar materiales no soldables de otra manera
Campo
La presente invención se refiere a procedimientos para crear estructuras en las que unas piezas de materiales no soldables de otra manera se sueldan entre sí y, más particularmente, las formas de realización se refieren a un procedimiento para crear la estructura en la que unas capas de un material soldable se acumulan sobre las superficies de piezas relativamente delgadas de material no soldable utilizando una técnica de unión de estado sólido, y a continuación las piezas se sueldan entre sí en las capas de material soldable utilizando una técnica de soldadura por fusión.
Antecedentes
En la fabricación de fuselajes de aeronaves es frecuentemente deseable unir entre sí componentes relativamente delgados de materiales no soldables, tal como unir larguerillos metálicos no soldables a un revestimiento no soldable. Se utilizan aleaciones de aluminio 2XXX en la industria aeronáutica por su alta tolerancia a los daños, y se utilizan aleaciones 7XXX y/o de aluminio-titanio por su alta resistencia. Actualmente, la unión de aleaciones 2XXX a 2XXX, 2XXX a 7XXX, o 7XXX a 7XXX requiere remacharlas conjuntamente, lo que lleva tiempo, añade peso, puede provocar deformidades de superficie y otros defectos, y reduce el rendimiento en compresión.
Hay un número limitado de técnicas para unir aleaciones de aluminio no soldables, pero la mayoría de tales técnicas producen un material con diversas propiedades. La unión ultrasónica puede producir un efecto metalúrgico cercano a cero y puede unir continuamente, pero es solo adecuada para unir chapas delgadas (<0,1016 cm) [<0.04 pulgadas]. Además, la unión ultrasónica produce una superficie torcida que puede llevar a concentradores de esfuerzos. La unión por fricción lineal y la unión por fricción y agitación pueden producir un efecto metalúrgico reducido o incluso cercano a cero, pero están limitadas a procesos de tipo por lotes y materiales relativamente rígidos. La unión por pulso magnético puede producir un efecto metalúrgico cercano a cero, pero está limitada también a procesos de tipo por lotes y no está tan preparada para la tecnología como la unión ultrasónica. La unión explosiva puede producir demasiado calor para utilizar con piezas relativamente delgadas utilizadas en muchas aplicaciones (por ejemplo, componentes de fuselajes de aeronaves). Todas estas se consideran técnicas de soldadura de estado sólido.
Hay más técnicas disponibles para soldar aleaciones de aluminio soldables. La soldadura por arco, plasma, MIG y TIG son técnicas convencionales para unir aleaciones de aluminio soldables. La soldadura por rayo láser es una tecnología relativamente antigua con nuevas posibilidades económicas debido a reducciones en los costes del láser y a mejoras en la automatización. Todas estas se consideran técnicas de soldadura basadas en la fusión.
Esta exposición de los antecedentes está destinada a proporcionar información relacionada con la presente invención que no es necesariamente técnica anterior.
El documento DE 102010051 534 A1 divulga un procedimiento para formar un adaptador para conectar un álabe a un cuerpo de base de rotor de una turbomáquina, estando hecho el álabe de un primer material y estando hecho el cuerpo de base de rotor de un segundo material. El procedimiento descrito comprende aplicar por lo menos una capa de material que actúa como una barrera de difusión sobre una superficie de conexión del álabe para formar una primera parte de adaptador, y aplicar el segundo material sobre la primera parte de adaptador para formar una segunda parte de adaptador.
El documento de Paul Kah et al.: "Process Possibility of Welding Thin Aluminium Alloys", International Journal of Mechanical and Materials Engineering (IJMME), vol. 7 (2012), n.° 3, 1 de febrero de 2012, páginas 232-242, XP055492082, se refiere a la soldadura de aleaciones de aluminio de chapa delgada, es decir, láminas con un espesor de 4 mm o menos y una densidad de menos de 5 g/cm3, siendo el objetivo principal exponer la posibilidad relativa de soldar estas aleaciones.
El documento de Jürgen Eritt: "LaserstrahlschweilJen hochfester Aluminiumlegierungen im Flugzeugbau", VDI Z, SPRINGER VDI VERLAG, DE, vol. 137, n.° 6, 1 de junio de 1995, páginas 34-38, XP000508365, ISSN: 0042-1766, (que forma la base para el preámbulo de la reivindicación independiente 1) se refiere en general a la fabricación de grandes elementos de estructura de aluminio en la construcción de revestimiento-larguerillo por medio de una técnica de soldadura por rayo láser.
El documento 8.413.878 B2 divulga un sistema y un procedimiento para fabricar estructuras soldadas que comprende unos componentes que deben soldarse, un material aditivo de soldadura que, antes de la soldadura, presenta un perfil conformado y el perfil conformado está dispuesto entre los componentes que deben soldarse y se conforma con por lo menos uno de los componentes que deben soldarse. Se utiliza por lo menos una fuente de calor en el procedimiento para soldar los componentes, produciendo una costura soldada sobre por lo menos un lado de uno de los componentes.
Sumario
Las formas de realización de la presente invención resuelven los problemas y limitaciones anteriormente descritos y otros proporcionando una estructura y un procedimiento de crear la estructura en la que unas capas de un material soldable se acumulan sobre las superficies de piezas de material no soldable relativamente delgado utilizando una técnica de unión de estado sólido, y seguidamente las piezas se sueldan conjuntamente en las capas de material soldable utilizando una técnica de soldadura por fusión.
En una primera forma de realización de la presente invención, puede proporcionarse un procedimiento para unir una primera pieza de un primer material no soldable a una segunda pieza de un segundo material no soldable, tal como se define en la reivindicación 1.
Diversas implementaciones de la primera forma de realización pueden comprender además una cualquiera o más de las siguientes características. El primer material no soldable puede ser una primera aleación de aluminio no soldable, el segundo material no soldable puede ser la misma o una segunda aleación de aluminio no soldable diferente. El primer material soldable puede ser el mismo tipo de material soldable que el segundo material soldable. La técnica de unión de estado sólido puede ser una técnica de unión ultrasónica, una técnica de unión por pulso magnético o una técnica de unión por fricción y agitación. La primera y segunda capas del material soldable pueden tener cada una un espesor total comprendido entre 0,0254 y 0,762 cm [entre 0.01 y 0.30 pulgadas], o entre 0,1524 y 0,635 cm [entre 0.06 y 0.25 pulgadas]. La primera y segunda piezas pueden ser componentes de un vehículo, tal como una aeronave, un vehículo de carretera, una embarcación o un vehículo espacial, y la primera pieza puede ser un revestimiento del vehículo.
Este sumario no está destinado a identificar características esenciales de la presente invención y no está destinado a utilizarse para limitar el alcance de las reivindicaciones. Estos y otros aspectos de la presente invención se describen a continuación con mayor detalle.
Dibujos
A continuación, se describen en detalle formas de realización de la presente invención haciendo referencia a las figuras del dibujo adjuntas, en las que:
la figura 1 es una vista en alzado en sección transversal explosionada fragmentada de una estructura;
la figura 2 es un diagrama de flujo de etapas en un procedimiento para construir la estructura de la figura 1 de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
la figura 3 es una vista en alzado en sección transversal fragmentada de una estructura de vehículo que es una versión a modo de ejemplo de la estructura de la figura 1;
la figura 4 es un diagrama de flujo de etapas en un procedimiento para construir la estructura de vehículo de la figura 3, siendo el procedimiento una versión a modo de ejemplo del procedimiento de la figura 2; y
la figura 5 es una estructura de aeronave a modo de ejemplo que incluye un revestimiento y un larguerillo soldados conjuntamente utilizando el procedimiento de la figura 2 o la figura 4.
Las figuras no están destinadas a limitar la presente invención a las formas de realización específicas que representan. Los dibujos no son necesariamente a escala.
Descripción detallada
La siguiente descripción detallada de formas de realización de la invención hace referencia a las figuras que se acompañan. Las formas de realización están destinadas a describir aspectos de la invención con suficiente detalle para permitir que aquellos con conocimientos ordinarios en la materia pongan en práctica la invención. Pueden utilizarse otras formas de realización y pueden hacerse cambios sin apartarse del alcance de las reivindicaciones. Por tanto, la siguiente descripción no es limitativa. El alcance de la presente invención se define solo por las reivindicaciones adjuntas, junto con todo el alcance de equivalentes a los que hacen referencia dichas reivindicaciones.
En esta descripción, las referencias a “una forma de realización” o “formas de realización” significan que la característica o características mencionadas están incluidas en por lo menos una forma de realización de la invención. Las referencias separadas a “una forma de realización” o “formas de realización” en esta descripción no se refieren necesariamente a la misma forma de realización y no son exclusivas entre sí a menos que así se establezca. Específicamente, una característica, estructura, acción, etc., descritas en una forma de realización pueden incluirse también en otras formas de realización, pero no están necesariamente incluidas. Por tanto, unas
implementaciones particulares de la presente invención pueden incluir una variedad de combinaciones y/o integraciones de las formas de realización descritas en la presente memoria.
Las formas de realización ampliamente caracterizadas de la presente invención proporcionan un procedimiento para crear la estructura en la que unas capas de un material soldable se acumulan sobre las superficies de piezas relativamente delgadas de material no soldable utilizando una técnica de unión de estado sólido que tiene un efecto metalúrgico limitado, y seguidamente las piezas se sueldan conjuntamente en las capas de material soldable utilizando una técnica de soldadura por fusión. Las técnicas de unión de estado sólido adecuadas no implican la fusión de los materiales que deben unirse y pueden incluir técnicas de unión ultrasónica, por pulso magnético y por fricción y agitación. Estas formas de realización proporcionan una solución técnica del mundo real a los problemas en la técnica de fabricación de vehículos y otras estructuras que presentan características que no son posibles de lograr con procedimientos de la técnica anterior. En particular, se apreciará que las formas de realización proporcionan ventajas significativas con respecto al remachado, incluyendo más rapidez y más disposición a la automatización y a la minimización de defectos (lo cual es particularmente deseable y ventajoso en la fabricación de, por ejemplo, fuselajes de aeronaves).
En una aplicación a modo de ejemplo, las formas de realización de la presente invención pueden utilizar un procedimiento aditivo para acumular capas de aluminio soldable de la serie 6XXX sobre el revestimiento y los larguerillos de un cuerpo de vehículo o fuselaje. Una vez que las capas de aluminio soldable se han acumulado sobre el revestimiento y los larguerillos, los larguerillos pueden posicionarse y soldarse al revestimiento utilizando un procedimiento de soldadura por fusión. Esto da como resultado una estructura optimizada sin dañar las aleaciones de aluminio de alto rendimiento del revestimiento y los larguerillos. Aunque se describe en la presente memoria en el contexto a modo de ejemplo de la fabricación de fuselajes de aeronaves, pueden utilizarse las formas de realización de la presente invención en otros contextos a modo de ejemplo, tales como la fabricación de estructuras de vehículo para uso en tipos de vehículos de aeronaves, vehículos de carretera, embarcaciones o vehículos espaciales, y/o para uso en sustancialmente cualquier otra aplicación que implique la unión de materiales no soldables de alto rendimiento.
Haciendo referencia a las figuras 1 y 2, se muestra una forma de realización de una estructura 10 y una forma de realización de un procedimiento 110 para crear la estructura 10 en la que una primera pieza 12 de un primer material no soldable 14 se suelda a una segunda pieza 16 de un segundo material no soldable 18. Según la invención, una o ambas de las primera y segunda piezas 12, 16 pueden ser “relativamente delgadas”, es decir, tener un espesor comprendido aproximadamente entre 0,0254 y 0,635 cm [entre 0.01 y 0.25 pulgadas], a lo largo de su o sus dimensiones más pequeñas relevantes para la soldadura. El primer material no soldable 14 y el segundo material no soldable 18 pueden ser los mismos materiales no soldables o materiales no soldables diferentes. Por ejemplo, el primer material no soldable 14 puede ser una primera aleación de aluminio no soldable y el segundo material no soldable 18 puede ser el mismo de una aleación de aluminio no soldable diferente. El procedimiento 110 puede emplearse en la construcción de tipos de vehículos de aeronaves, vehículos de carretera, embarcaciones o vehículos espaciales que incorporan la estructura 10 que comprende la primera y segunda piezas 12, 16.
Por lo menos una primera capa 22 de un material soldable 24 puede añadirse a una primera superficie 28 de la primera pieza 12 utilizando una técnica de unión de estado sólido, como se muestra en 112. Dicha por lo menos una primera capa 22 del material soldable 24 puede presentar un espesor total de aproximadamente entre 0,0254 y 0,762 cm [entre 0.01 y 0.30 pulgadas], o aproximadamente entre 0,1524 y 0,635 cm [entre 0.06 y 0.25 pulgadas]. Por lo menos una segunda capa 30 del mismo o de un material soldable diferente 24 puede añadirse a continuación a una segunda superficie 32 de la segunda pieza 16 utilizando la técnica de unión de estado sólido, como se muestra en 114. La por lo menos una segunda capa 30 del material soldable 24 puede presentar un espesor total de aproximadamente entre 0,0254 y 0,762 cm [entre 0.01 y 0.30 pulgadas] o aproximadamente entre 0,1524 y 0,635 cm [entre 0.06 y 0.25 pulgadas].
En diversas implementaciones, las capas 22, 30 de material soldable 24 pueden estar conformadas o diseñadas de otra forma para proporcionar una característica deseada para un trabajo posterior. Por ejemplo, a cada una de las capas, o por lo menos a la capa final, se le puede dar una forma y/o unas propiedades que faciliten la soldadura por fusión posterior y/o den como resultado una soldadura más fuerte. Por tanto, las capas pueden presentar formas y/o propiedades convexas, cóncavas, anguladas, consistentes o no consistentes, y/o simétricas o no simétricas en sección transversal, según se necesite o se desee. El material soldable 24 puede ser una aleación de aluminio soldable. La técnica de unión de estado sólido puede ser una técnica de unión ultrasónica, por pulso magnético o por fricción y agitación.
La primera pieza 12 puede soldarse a continuación a la segunda pieza 16 en la primera y segunda capas 22, 30 del material soldable 24 utilizando una técnica de soldadura por fusión, como se muestra en 116. Si la unión ultrasónica produce una superficie torcida, la soldadura por fusión posterior puede fundir y, por tanto, alisar la superficie.
Haciendo referencia a las figuras 3 y 4, se muestra un ejemplo de estructura de vehículo 210 y un ejemplo de procedimiento 310 para crear la estructura de vehículo 210 de acuerdo con las formas de realización de la presente
invención en las que un primer componente 212 de un primer material no soldable 214 se suelda a un segundo componente 216 de un segundo material no soldable 218. En diversas aplicaciones potenciales, la estructura de vehículo 210 puede incorporarse en un tipo de vehículo de aeronaves, vehículos de carretera, embarcaciones o vehículos espaciales. Por ejemplo, haciendo referencia también a la figura 5, la estructura de vehículo 310 puede ser un ala o fuselaje de una aeronave, cuyo primer componente 312 puede ser un revestimiento de la aeronave, y el segundo componente 316 puede ser un larguerillo que soporta el revestimiento.
Una primera pluralidad de capas 222 de un material soldable 224 que presenta un espesor total comprendido aproximadamente entre 0,0254 y 0,762 cm [entre 0.01 y 0.30 pulgadas], o aproximadamente entre 0,1524 y 0,635 cm [entre 0.06 y 0.25 pulgadas] puede añadirse a una primera superficie 228 del primer componente 212 utilizando una técnica de unión ultrasónica, como se muestra en 312. Una segunda pluralidad de capas 230 del mismo o de un material soldable diferente 224 que presenta un espesor total de aproximadamente entre 0,0254 y 0,762 cm [entre 0.01 y 0.30 pulgadas], o aproximadamente entre 0,1524 y 0,635 cm [entre 0.06 y 0.25 pulgadas] puede añadirse entonces a una segunda superficie 232 del segundo componente 216 utilizando la técnica de unión ultrasónica, como se muestra en 314. En este ejemplo, el material no soldable 214, 218 puede ser una aleación de aluminio no soldable y el material soldable puede ser una aleación de aluminio soldable. El primer componente 212 puede soldarse entonces al segundo componente 216 en la primera y segunda pluralidades de capas 222, 230 del material soldable 224 utilizando una técnica de soldadura por fusión, como se muestra en 316.
Aunque la invención se ha descrito con referencia a una o varias formas de realización ilustradas en las figuras, se entiende que pueden emplearse equivalentes y realizarse sustituciones en ellas sin apartarse del alcance de la invención como se recoge en las reivindicaciones.
Claims (7)
1. Procedimiento (110) para unir una primera pieza (12) de un primer material no soldable (14) a una segunda pieza (16) de un segundo material no soldable (18), en el que por lo menos una de entre las primera y segunda piezas (12, 16) presenta un espesor comprendido entre 0,0254 y 0,635 cm, estando el procedimiento caracterizado por
añadir (112) por lo menos una primera capa (22) de un primer material soldable (24) a una primera superficie (28) de la primera pieza (12) utilizando una técnica de unión de estado sólido;
añadir (114) por lo menos una segunda capa (30) de un segundo material soldable a una segunda superficie (32) de la segunda pieza (16) utilizando la técnica de unión de estado sólido; y
soldar (116) la primera pieza (12) a la segunda pieza (16) en la primera y segunda capas (22, 30) del primer y segundo materiales soldables (24) utilizando una técnica de soldadura por fusión.
2. Procedimiento (110) según la reivindicación 1, en el que el primer material no soldable (24) es una primera aleación de aluminio no soldable y el segundo material no soldable es una segunda aleación diferente de aluminio no soldable y, opcionalmente, en el que el primer material soldable (24) es el mismo tipo de material soldable que el segundo material soldable.
3. Procedimiento (110) según la reivindicación 1, en el que la técnica de unión de estado sólido se selecciona de entre el grupo que consiste en: técnicas de unión ultrasónica, técnicas de unión por pulso magnético y técnicas de unión por fricción y agitación.
4. Procedimiento (110) según la reivindicación 1, en el que dichas por lo menos una primera y segunda capas (22, 30) del material soldable (24) presentan cada una un espesor total comprendido entre 0,0254 y 0,762 cm, o en el que dichas por lo menos una primera y segunda capas (22, 30) del material soldable (24) presentan cada una un espesor total comprendido entre 0,1524 y 0,635 cm.
5. Procedimiento (110) según la reivindicación 1, en el que la primera y segunda piezas (12, 16) son componentes de un vehículo seleccionado de entre el grupo que consiste en: aeronaves, vehículos de carretera, embarcaciones y vehículos espaciales, y en el que la primera pieza es un revestimiento del vehículo.
6. Procedimiento (310) según la reivindicación 1, en el que la primera pieza (212) es de una aleación de aluminio no soldable y la segunda pieza (216) es de la aleación de aluminio no soldable, comprendiendo el procedimiento:
añadir (312) una primera pluralidad de capas (222) de un material soldable (224) que presenta un espesor total comprendido entre 0,0254 y 0,762 cm a una superficie (228) de la primera pieza (212) utilizando una técnica de unión ultrasónica;
añadir (314) una segunda pluralidad de capas (230) del material soldable (224) que presenta un espesor total comprendido entre 0,0254 y 0,762 cm a una superficie (232) de la segunda pieza (216) utilizando la técnica de unión ultrasónica; y
soldar (316) la primera pieza (212) a la segunda pieza (216) en la primera y segunda pluralidades de capas (222, 230) del material soldable (224) utilizando una técnica de soldadura por fusión.
7. Procedimiento (310) según la reivindicación 6, en el que la primera y segunda pluralidades de capas (222, 230) del material soldable (224) presentan cada una un espesor total comprendido entre 0,1524 y 0,635 cm.
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