IT202100020342A1 - Macchina e procedimento per la saldatura ad attrito - Google Patents

Description

MACCHINA E PROCEDIMENTO PER LA SALDATURA AD ATTRITO

La presente invenzione riguarda una macchina per la saldatura ad attrito e rimescolamento, ed un relativo procedimento per la saldatura ad attrito e rimescolamento.

Pi? nel dettaglio, l?invenzione concerne una macchina e un procedimento per effettuare collegamenti saldati di sezioni di tubi metallici o di elementi di collegamento, ad esempio flange.

La saldatura ad attrito e rimescolamento ? un metodo di saldatura che consente di ottenere l?unione tra due metalli, anche diversi tra loro, sfruttando il calore generato dall?attrito di un utensile rotante posto a contatto con i metalli stessi.

Il calore generato dall?utensile ? sufficiente a plasticizzare la quantit? dei due materiali situata nelle immediate vicinanze della loro interfaccia.

Questa tipologia di saldatura ? particolarmente indicata per quei materiali che soffrono gli elevati shock termici derivanti dalle tradizionali tecniche di saldatura per fusione, come ad esempio le leghe di alluminio, rame, magnesio e anche materiali polimerici.

Attualmente, le macchine per saldatura ad attrito note comprendono una testa di saldatura, su cui ? montato un utensile rotante dotato di una punta conica e di una e di una spalla.

L?utensile viene posizionato all?interfaccia tra i due materiali da saldare in modo che la punta penetri nello spazio che li separa, mentre la spalla si posiziona a contatto con le superfici dei due materiali adiacenti all?interfaccia stessa.

L?utensile rotante si muove lungo l?interfaccia miscelando meccanicamente i due materiali mentre sono allo stato plastico, e in aggiunta imprime una forma al cordone di saldatura mediante l?applicazione di una pressione durante il movimento.

Prima di cominciare il suo movimento, l?utensile viene mantenuto per un certo tempo a contatto con l?interfaccia nella posizione iniziale, in modo da trasferire il calore sufficiente ad intenerire la regione di materiale adiacente, per poi muoversi ad una velocit? costante e ben definita, a seconda della natura e delle dimensioni del materiale da saldare.

La saldatura di tubi metallici, e pi? in generale di profili dotati di una simmetria radiale o assiale, presenta delle problematiche intrinseche dovute alla geometria dei pezzi e ai movimenti che la testa di saldatura deve effettuare per ottenere un risultato adeguato.

Solitamente, le macchine per saldatura ad attrito di tubi prevedono che il tubo stesso e il pezzo da collegare vengano fissati ad un mandrino rotante, ad esempio mediante flange bullonate, ganasce o altri sistemi noti.

Il mandrino mette in rotazione il tubo e l?elemento a cui va collegato intorno all?asse centrale del tubo stesso, in modo che una testa di saldatura, accoppiata ad un telaio fisso, si muova relativamente ai due pezzi da saldare lungo l?interfaccia tra i due materiali.

Per ragioni economiche e di tempistiche, molte macchine incorporano solitamente due teste, e altrettanti mandrini, una per ogni estremit? del tubo da saldare.

Tra gli inconvenienti riscontrabili nell?utilizzo di tali macchine si possono elencare:

- l?impossibilit? di eseguire saldature su cordoni a velocit? diverse, essendo i mandrini ed il tubo collegati rigidamente e in maniera solidale tra loro; la velocit? di rotazione dei due deve essere necessariamente identica per non danneggiare il tubo e/o i mandrini stessi;

- l?impossibilit? di eseguire cordoni di saldatura non continui o a partire da posizioni differenti sulle interfacce tra i materiali delle due estremit?; ci? a causa del tempo minimo di contatto degli utensili con i metalli da saldare prima che essi si comincino a muovere. Non ? possibile iniziare la saldatura in un primo momento sulla prima estremit? tramite la prima testa di saldatura, per poi avvicinare e mantenere in contatto l?altra testa in un secondo momento all?interfaccia sulla seconda estremit?, in quanto il tubo continua a muoversi per terminare la lavorazione sulla prima. In altre parole, le saldature delle due estremit? devono necessariamente essere simultanee, iniziando e terminando rispettivamente nello stesso istante;

- ulteriormente, per lo stesso motivo, non ? possibile che le saldature sulle estremit? del tubo procedano a velocit? diverse tra loro, essendo vincolate alla velocit? di rotazione del tubo trascinato dai mandrini;

- inevitabilmente, ? anche impossibile saldare tubi con interfacce alle due estremit? aventi diametro differente, perch? la testa che opera sul diametro maggiore procederebbe ad una velocit? tangenziale maggiore rispetto alla testa che opera sul diametro minore.

Ulteriori problemi si riscontrano nel fissaggio dei tubi ai mandrini rotanti, in quanto l?uso di flange o altri sistemi di fissaggio noti risulta poco immediato, visti i lunghi tempi per il montaggio e lo smontaggio delle flange e delle rispettive controflange e dei loro bulloni.

Inoltre, ? possibile che, a causa degli sforzi a cui il tubo ? sottoposto durante il processo di saldatura, questo rimanga bloccato per interferenza sui supporti, causando ulteriori ritardi dovuti ad interventi da parte del personale tecnico per rimuovere il tubo dalla propria sede.

Obiettivo della presente invenzione ? quello di fornire una macchina e un procedimento di saldatura ad attrito e rimescolamento che risolva gli inconvenienti menzionati.

In particolare, ? obiettivo dell?invenzione quello di fornire una macchina e un procedimento per saldatura ad attrito e rimescolamento che premettano di regolare in maniera indipendente i parametri di avanzamento della saldatura su ciascun cordone situato sulle estremit? di un pezzo da saldare.

Inoltre, ? scopo della presente invenzione quello di fornire una macchina per saldatura ad attrito e rimescolamento, ed un relativo procedimento, che siano pi? versatili e flessibili rispetto alla tecnica nota.

Un altro scopo dell?invenzione ? quello di fornire una macchina per la saldatura ad attrito e rimescolamento e un relativo procedimento che consentano di operare saldature sulle estremit? di tubi o elementi affini nello stesso momento e con diametri o con velocit? di avanzamento differenti.

Questi e altri scopi sono raggiunti da una macchina per saldatura ad attrito e rimescolamento e da un relativo procedimento secondo le rivendicazioni indipendenti 1 e 8 allegate.

Ulteriori caratteristiche tecniche di dettaglio sono riportate nelle rivendicazioni dipendenti allegate.

La presente invenzione verr? ora descritta, a titolo esemplificativo ma non limitativo, secondo alcune sue forme di realizzazione preferite, e con l?ausilio delle figure allegate, in cui:

la figura 1 ? una rappresentazione schematica della macchina secondo l?invenzione in una prima posizione di riposo prima di eseguire la saldatura;

le figure 2-5 sono delle rappresentazioni della macchina di figura 1 in differenti posizioni successive durante e dopo l?esecuzione del procedimento;

le figure 6A e 6B sono delle viste prospettiche di un mandrino per il fissaggio di tubi o altri elementi con simmetria radiale o assiale alla macchina;

le figure 7A, 8A e 9 sono rispettivamente delle viste anteriori, laterali e posteriori del mandrino delle figure 6A e 6B;

la figura 7B ? una vista frontale in sezione del mandrino lungo la linea A-A di figura 8A;

la figura 8B ? una vista laterale in sezione del mandrino lungo la linea B-B di figura 7A;

la figura 10 ? una vista prospettica in esploso del mandrino delle figure 6-9;

la figura 11 ? una vista frontale di un componente della macchina secondo l?invenzione.

In riferimento alla figura 1, ? rappresentata una forma di realizzazione preferita della macchina per saldatura ad attrito e rimescolamento secondo l?invenzione.

La macchina ? progettata per eseguire un cordone di saldatura sulla superficie di un tubo, o di un altro pezzo con simmetria sostanzialmente assiale o radiale, che possa essere fissato a dei supporti opportunamente sagomati e posti lateralmente ad esso, in corrispondenza delle sue due estremit?.

La macchina comprende una pluralit? di stazioni 1 di saldatura, preferibilmente una stazione per ciascuna delle due estremit? da saldare.

Ciascuna stazione 1, contrariamente alla tecnica nota, pu? lavorare in maniera indipendente rispetto all?altra stazione, come apparir? pi? chiaro nel seguito.

Ogni stazione 1 comprende un mandrino 2 (non visibile nelle figure 1-5 perch? inserito all?interno della cavit? del pezzo da saldare) fissato ad un supporto 3.

I supporti 3 delle stazioni 1 sono a loro volta accoppiati ad un telaio 4 fisso della macchina, e presentano una sede 31, nella quale ? alloggiato il mandrino 2 e che ? configurata per accogliere un elemento, ad esempio una flangia 6, da saldare ad un?estremit? aperta di un tubo 5.

Considerata la simmetria dei pezzi su cui la macchina ? predisposta per operare, i supporti 3, quindi anche i mandrini 2, sono prospicienti e rivolti uno verso l?altro.

Inoltre, i mandrini 2 sono allineati lungo un asse X insieme ai supporti 3, o sono comunque disposti in modo da mantenere in asse il tubo 5 con ciascuna flangia 6 tra i due supporti 3.

Per il fissaggio ai supporti 3, le flange 6 sono inserite all?interno delle sedi 31 e assicurate tramite delle controflange 32, ciascuna imbullonata alla parete di fondo del supporto 31.

I mandrini 2 preferibilmente sono aggettanti rispetto ai supporti 3 sui quali sono fissate le flange 6 da saldare alle estremit? aperte del tubo 5.

In tal modo, i mandrini 2 possono aderire alla parete interna del tubo 5, fissandolo in posizione e garantendo il massimo allineamento tra i profili da saldare.

Associata a ciascuna stazione 1 di saldatura vi ? una testa di saldatura 7 mobile, comprendente un utensile saldante 71, comprendente una spalla e una punta, messa in rotazione da un motore 710.

In particolare, la testa 7 ? configurata per spostarsi lungo una direzione angolare, descrivendo una traiettoria circolare intorno all?asse X del tubo 5, e lungo una direzione radiale, lungo una retta intersecante l?asse X e perpendicolare ad esso.

In altre parole, nella forma di realizzazione preferita qui descritta, la testa di saldatura 7 si pu? muovere all?interno di un piano perpendicolare in un dato istante all?asse X del tubo 5, o del pezzo da lavorare, secondo un sistema di coordinate polari in cui il polo coincide con il punto d?intersezione tra l?asse X ed il piano in cui giace la punta dell?utensile 71 della testa 7.

Il movimento angolare ? realizzato mediante un anello 8 rotante intorno all?asse X e movimentato da un motore.

In particolare, il movimento viene ottenuto tramite un meccanismo comprendente ruote dentate (non mostrate) rispettivamente collegate all?anello 8 e al telaio della macchina.

Per ridurre la coppia applicata dal motore e per contribuire al bilanciamento, all?anello 8 sono opzionalmente fissati dei contrappesi 82 in posizione opposta rispetto alla testa 7.

La testa 7 ? movimentata nella direzione radiale mediante lo scorrimento di un carrello 72, solidale alla testa 71 stessa, su uno o pi? binari 83, solidali all?anello 8.

Come detto, inizialmente vengono fissati ai supporti 3 i componenti da saldare al tubo 5, ad esempio delle flange 6.

Successivamente, il tubo 5 viene fissato e centrato tramite dei mandrini 2 ad espansione, visibili nelle figure 6A-10.

Ciascun mandrino 2 presenta una prima superficie 20 anteriore e una seconda superficie 21 posteriore.

Sulla superficie posteriore 21 sono presenti dei perni 210 aggettanti, che vengono inseriti in apposite sedi (non visibili) del supporto 3 per accoppiare i due elementi.

Il mandrino 2 comprende una pluralit? di segmenti 22 espandibili e disposti lungo la sua periferia, in maniera convenzionale per la tecnica del settore.

Tali segmenti 22 sono mobili in direzione radiale, e sono configurati per espandersi e andare a contatto con la parete interna del tubo 5 in modo da bloccarlo e centrarlo rispetto ai supporti 3 della macchina per saldatura.

Il movimento dei segmenti 22 ? ottenuto tramite degli organi di movimentazione alloggiati all?interno del mandrino 2, nello spazio individuato tra le facce anteriore e posteriore (fig. 7B, 8B, 10).

Ciascun segmento 22 ? accoppiato ad un corsoio 23, scorrevole radialmente rispetto al mandrino 2 e collegato ad una prima estremit? di un?asta 24 tramite una prima cerniera 25.

In posizione centrale nello spazio interno del mandrino 2 ? posizionata una ruota 26, mobile intorno all?asse centrale di simmetria del mandrino 2, e che presenta una sede 260 dentata, accessibile dalla faccia posteriore 21.

La seconda estremit? di ciascuna asta 24 ? collegata alla ruota 26 tramite una seconda cerniera 27.

La ruota 26 ? configurata per ruotare intorno all?asse centrale del mandrino 2, in modo da sospingere verso l?esterno i corsoi 23 tramite l?azione delle aste 24.

Le aste 24, infatti, sono disallineate rispetto alla direzione radiale, e ci? causa l?espansione dei segmenti 22 verso l?esterno, che bloccano in posizione il tubo 5.

Vantaggiosamente, l?azione sulla ruota 26 pu? avvenire tramite mezzi automatici (attuatori meccanici o pneumatici integrati alla macchina stessa) oppure manuali (ad esempio chiavi), nel caso in cui il mandrino resti bloccato per interferenza alla superficie interna del tubo 5.

Un mandrino del tipo descritto consente di ottenere numerosi vantaggi, come ad esempio:

una maggiore velocit? nel fissaggio e sostituzione alla macchina, grazie all?aggancio tramite i perni 210;

maggiore versatilit? e facilit? di utilizzo grazie alla possibilit? di bloccaggio o sbloccaggio manuale; migliore manovrabilit?, grazie al design compatto e al peso minore, a parit? di vantaggi conseguiti, rispetto alla tecnica nota.

Operativamente, dopo aver fissato ai supporti gli elementi da saldare alle estremit? del tubo 5, ad esempio delle flange 6, le estremit? stesse vengono avvicinate alle flange 6 fino a che non sono contigue ed affiancate alle flange 6 stesse in corrispondenza di un?interfaccia 9, come mostrato in figura 1.

I mandrini 2, gi? inseriti all?interno della cavit? del tubo 5, vengono azionati e i componenti da saldare vengono in tal modo reciprocamente bloccati e centrati.

La testa 7 viene avvicinata, mediante lo scorrimento del carrello 72 sui binari 83 dell?anello 8, alla linea di interfaccia 9 affinch? la punta dell?utensile 71 penetri e si posizioni all?interfaccia dei due pezzi da saldare in una posizione iniziale (fig.

2).

Tale interfaccia deve essere di larghezza minore possibile, dell?ordine del decimo di millimetro.

Per ridurre l?interfaccia l?invenzione utilizza un sistema di molle posizionate all?interno delle sedi 31, permettendo un?oscillazione angolare del pezzo da saldare rispetto all?asse X di circa 0,3?.

Nella figura 11 ? mostrata una vista frontale di una sede 31 destinata ad alloggiare il pezzo da saldare all?estremit? di un tubo.

Nella sede 31 sono ricavati dei fori 310 ciechi, nei quali vengono posizionati dei mezzi elastici (non mostrati), ad esempio delle molle.

Le molle vanno a contatto con il pezzo da saldare quando la controflangia 32 viene accoppiata per mantenere il pezzo stesso in posizione.

In tal modo, ? possibile favorire l?allineamento e ridurre al minimo le possibilit? di disassamento tra ciascun pezzo e la rispettiva estremit? del tubo da saldare.

Tramite il motore 710 (comandato da un PLC), la punta dell?utensile 71 viene messa in rotazione e mantenuta nella sua posizione iniziale, ad una certa profondit? nel materiale, per un tempo predeterminato e variabile a seconda del tipo di materiale da saldare e/o del suo spessore, in modo da portare a temperatura la regione circostante l?interfaccia.

A questo punto, l?anello 8 comincia a ruotare intorno all?asse X, tramite l?azione del motore, trascinando la testa 7 e portando la punta dell?utensile 71 a descrivere una traiettoria circolare lungo l?interfaccia 9 (fig. 3).

Una volta che l?interfaccia 9 ? completamente saldata (fig. 4), dapprima viene rimossa la punta dell?utensile 71 dall?interfaccia, poi il movimento del carrello 72 termina, e successivamente termina la rotazione dell?anello 8.

La testa 7 viene riportata nella sua posizione iniziale, e il tubo 5 pu? essere rimosso dal supporto dei mandrini 2.

Successivamente i mezzi di bloccaggio delle flange 6 (in questo caso bloccano anche delle controflange 32) vengono smontati dai supporti 3, permettendo di rimuovere le flange 6 stesse dalle sedi 31, insieme al tubo 5.

Pi? precisamente, viene sbloccata la flangia rispetto alla sede della controflangia che non viene rimossa.

La macchina comprende, inoltre, un?unit? logica di controllo, collegata a tutti i componenti mobili della macchina stessa e configurata per controllarne i movimenti.

L?invenzione cos? concepita e qui illustrata ? suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell?ambito del concetto inventivo.

Inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

Infine, i componenti impiegati, purch? compatibili con l?uso specifico, nonch? le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.

Ove le caratteristiche e le tecniche menzionate in qualsiasi rivendicazione siano seguite da segni di riferimento, tali segni di riferimento sono stati acclusi al solo scopo di aumentare l?intelligibilit? delle rivendicazioni e, di conseguenza, tali segni di riferimento non hanno alcun effetto limitante sull?interpretazione di ciascun elemento identificato a titolo di esempio da tali segni di riferimento.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI

1. Macchina per saldatura ad attrito e rimescolamento di tubi o di elementi aventi simmetria assiale o radiale, comprendente una o pi? stazioni di saldatura (1) ciascuna dotata di

un supporto (3) a sua volta comprendente

un mandrino (2) per il fissaggio e il centraggio di un tubo (5) relativamente ad un suo asse (X) centrale di simmetria, una sede (31), contigua al mandrino (2), per il fissaggio e il centraggio di un elemento o pezzo (6) da saldare al tubo (5), in modo che un?estremit? del tubo (5) e il pezzo (6) siano contigui e affiancati tra loro in corrispondenza di una interfaccia (9) da saldare,

in cui ciascuna stazione comprende

una testa di saldatura (7) dotata di un utensile saldante (71) rotante configurato per posizionarsi a contatto con l?interfaccia (9),

caratterizzata dal fatto che la testa (71) ? mobile lungo una prima direzione angolare intorno all?asse (X) e lungo una seconda direzione radiale perpendicolarmente rispetto all?asse (X), in modo che l?utensile (71) saldi per attrito il tubo (5) e il pezzo (6) lungo l?interfaccia (9).

2. Macchina per saldatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere un anello (8) rotante intorno all?asse (X) del tubo (5) e dotato di binari (83) orientati perpendicolarmente rispetto all?asse (X), in cui la testa (7) ? accoppiata ad un carrello (72) scorrevole rispetto ai binari (83).

3. Macchina per saldatura secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che l?anello (8) comprende contrappesi (82).

4. Macchina per saldatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3, caratterizzata dal fatto che il mandrino (2) e del tipo ad espansione e comprende una pluralit? di segmenti (22) sulla sua periferia, configurati per andare a contatto con la superficie interna del tubo (5).

5. Macchina per saldatura secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che il mandrino (2) comprende una ruota (26), collegata a ciascun segmento (22) mediante un?asta (24), e azionabile da un utilizzatore per allontanare ed espandere ciascun segmento (22).

6. Macchina per saldatura secondo la rivendicazione 4 o 5, caratterizzata dal fatto che il mandrino (2) comprende dei perni (210) per il fissaggio al supporto (3) della macchina.

7. Macchina per saldatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-6, caratterizzata dal fatto di comprendere una unit? logica di controllo o PLC per il movimento della testa (7) di saldatura.

8. Macchina per saldatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7, caratterizzata dal fatto che detta sede (31) presenta dei fori (310) ciechi, nei quali vengono posizionati dei mezzi elastici per favorire l?allineamento del pezzo (6) da saldare con l?estremit? del tubo (5).

9. Procedimento per la saldatura ad attrito e rimescolamento mediante una macchina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-8, comprendente i seguenti passaggi successivi:

- fissaggio e centraggio di un tubo (5) e di un pezzo (6) da saldare in modo che un?estremit? del tubo (5) e il pezzo (6) siano contigui e affiancati in corrispondenza di un?interfaccia (9) da saldare;

- posizionamento di un utensile saldante (71) rotante a contatto con il tubo (5) e il pezzo (6) in corrispondenza dell?interfaccia (9);

- spostamento dell?utensile (71) lungo l?interfaccia in modo da saldare tra loro il tubo (5) e il pezzo (6).