NO20111769A1 - Innretning for fastfase sammenfoyning av lettmetaller - Google Patents

Abstract

Innretning for fast fase sammenføyning av lettmetaller som aluminium er beskrevet. Innretningen benytter prinsippet av kontinuerlig ekstrusjon for å tilsette en streng av et fyllmetall inn i en fure som skiller komponentene som skal sammenføyes og skjærdeformasjon for å fjerne overflateoksid i furen. Innretningen omfatter en roterende drivspindel (13) terminert i et drivspindelhode (14). Et spor med form av en sirkelbue som utgjør et ekstrusjonskammer (16) er maskineri inn i ytre flate (15) av drivspindelhodet (14), idet ekstrusjonskammeret (16) er begrenset radielt utover av en stasjonær, ringformet metallsko (17) so omgir drivspindelhodet (14) samt at ekstrusjonskammeret (16) er terminert av et integrert (fast) eller utskiftbart stoppeorgan (18) for å avlede aluminium fra dets sirkulære bevegelse i ekstrusjonskammeret (16) gjennom endyseåpning (19).

Description

Innretning for fastfase sammenføyning av lettmetaller

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for sammenføyning av lettmetallkomponenter og legeringer, spesielt aluminiumkomponenter, inkludert legeringer av aluminium og hybrider/ kompositter inneholdende lettmetaller og spesielt aluminium. Innretningen benytter prinsippet av kontinuerlig ekstrusjon for å tilsette en streng at fyllmetall inn i en fure som skiller komponentene som skal sammenføyes, og skjærdeformasjon av overflateoksid i furen.

Bakgrunn

Tradisjonelle teknikker for å sammenføye metallkomponenter har kommet som et resultat av å tilpasse teknikker initielt utviklet for å sammenføye jernholdige metaller.

Sammenføying av metaller har i stor grad vært forbundet med smeltesveising hvor begge basismetaller og eventuelt fyllmetall blir smeltet i en elektrisk lysbue, elektronstråle eller laserstråle, som lar metallet danne metallbinding i bakkant av smeltebadet under krystallisasjon. Ved smeltesveising bidrar bare en fraksjon av energien som tilføres til å smelte og derved binde. Det meste av energien som tilføres, fører til lokal oppvarming av basismetallet og dannelse av såkalt varmepåvirket sone (i litteraturen ofte omtalt som HAZ) rundt sveiseskjøten. Denne sonen representerer et problem siden de resulterende mikrostrukturene endringer leder til permanent mekanisk skade på opphavsmaterialet. Egenskapene av smeltesonen vil således bli en begrensende faktor ved ingeniørmessig design og i praksis bestemme den lastbærende kapasitet for komponenten. I tillegg vil overskuddsenergien (det vil si varme) tilført føre til høy restspenning i smeltesonen så vel som globale deformasjoner og forstyrrelser. Disse problemer er større ved aluminiumsveising enn ved stålsveising siden mulighetene til å treffe nødvendige foranstaltninger, for eksempel modifisere HAZ mikrostrukturen gjennom regulering av basismetallets kjemiske sammensetning, er vanskeligere enn ved førstnevnte tilfelle.

Generelt gir bruk av mer effektive smelteprosesser som lasersveising og elektronstrålesveising langt smalere HAZ, noe som representerer en betydelig forbedring. Disse teknikker innfører imidlertid andre problemer relatert til varmsprekkingsmotstand og poredannelse i sveisesonen. I tillegg lider de av ulempen av mer kostbart og mindre fleksibelt utstyr. Videre ertoleransekrav langt strengere som følge av at fyllmetall vanligvis ikke blir tilsatt.

Tidligere er flere forsøk blitt gjort med å utvikle alternative teknikker for sammenføyning av lettmetaller, blant hvilke friksjonssveising eller en variant kjent som «friction stir welding» (FSW) trolig er mest kjent. Ved FSW blir to plater so skal sammenføyes, presset godt inntil hverandre mens et roterende verktøy beveges langs grenseflaten (kanten) mellom dem og fjerner oksidsjiktet som - i det minste for aluminium - alltid vil være tilstede på overflaten. Skjønt betydelig friksjonsvarme oppstår ved grenseflaten mellom det roterende verktøy og de aktuelle aluminiumsplatene, er energien som tilføres og derved varmen som genereres, mindre enn ved smeltesveising, slik at basismaterialet nær skjøten ikke vil smelte og nå en flytende tilstand. FSW er således et eksempel på en fast fase sammenføyningsteknikk som representerer en forbedring sammenlignet med smeltesveising, idet flere av de vanlige problemene derved er redusert, nemlig utvikling av høye restspenninger og varmsprekker, poredannelse og lav korrosjonsmotstand. På den annen side er denne nye teknikk beheftet med et antall ulemper, hvorav ett er at det kreves at overflatene som skal sammenføyes må tilpasses hverandre nøyaktig slik at det ikke er behov for bruk av noe fyllmetall. En annen ulempe er at komponentene som skal sammenføyes må preses mot hverandre med en betydelig kraft, hvilket innebærer at metoden krever tungt og rigid utstyr. Til sist skal nevnes at denne type friksjonssveising gir opphav til dannelse av en bred HAZ hvor de mikrostrukturene endringer leder til permanent mykning av det presipiteringsforsterkede materiale.

Blant andre metoder for sammenføyning bør lodding, nagling og klebende binding nevnes. En eller flere av disse metoder kan være egnede for enkelte anvendelsesområder, men generelt gir de lav sikkerhet mot svikt og er derfor ikke realistiske alternativer til sveising i last- eller vektbærende konstruksjoner.

I WO 03/043 775 er det beskrevet en spesiell metode for sammenføyning av komponenter av lettmetaller så som aluminium. Denne metode er basert på prinsippet av kontinuerlig ekstrusjon og sikter mot å redusere ulempene ved overdreven oppvarming forbundet med FSW metoden og andre tidligere kjente metoder. I WO 03/043 775 er en adekvat innretning også prinsipielt beskrevet. Skjønt metoden synes lovende, var innretningen ikke utviklet til et nivå som tillater industriell anvendelse av metoden.

Det er derfor fortsatt et behov for en innretning som er anvendelig for industriell skal sammenføyning av aluminiumkomponenter og andre lettmetallkomponenter basert på ekstrusjon.

Formål

Det er et formål ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en anordning for industriell skala sammenføyning av lettmetallkomponenter basert på prinsippet av ekstrusjon og således eliminere ulempen med overdreven oppvarming slik at restspenninger, deformasjoner, varmsprekker eller ekstraordinære problemer med korrosjon ikke vil være et stort problem.

Endelig er det et formål å tilveiebringe en anordning for industriell skala sammenføyning av lettetallkomponenter som er enkel, billig, pålitelig og robust, (som enkelt kan skaleres opp eller ned) og som kan bli robotisert.

Foreliggende oppfinnelse

Oppfinnelsen angår en innretning som er kjennetegnet ved trekkene angitt i patentkrav 1. Foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige patentkrav.

Anordningen omfatter et spesielt utformet ekstruderhode som utgjør kjernen av foreliggende oppfinnelse. I tillegg omfatter anordningen en motor og et drev for spindelen og den omfatter også holder- og matemekanisme for strengen som skal ekstruderes. Disse komponenter kan ha enhver form kjent innen faget og er derfor ikke beskrevet nærmere i dette dokument.

Betegnelsen «lettmetall» slik det benyttes her. Skal forstås å omfatte legeringer av slike metaller og spesielt aluminium og legeringer av aluminium.

Den nødvendige bindingstemperatur oppnås ved å benytte varme som utvikles fra deformasjon og friksjon, eventuelt kombinert med lokal oppvarming, for eksempel i form av elektrisk motstandsoppvarming, induksjonsoppvarming (eller oppvarming med laserlys).

Ved bruk av anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse blir en streng av fyllmetall tilsatt skjøten (furen) mellom komponentene som skal sammenføyes. Det er ikke påkrevd å tilføre høy kraft til komponentene, noe som tillater anordningen å bli laget kompakt og enkel og, om nødvendig, egnet for portabelt eller robotisert bruk.

Strengen av fyllmetall (for eksempel aluminium) blir plastifisert ved ekstrusjonsprosessen og kan lett passere gjennom dysen og fylle furen som den styres inn i. Siden fyllmetall med dimensjon bestemt av dyseåpningen kommer ned i en noe trangere fure, vil skjærdeformasjon forekomme og fjerne oksidsjiktet på komponentene som skal sammenføyes, noe som gir intim kontakt og metalliske binding mellom atomene av komponentene som skal sammenføyes og strengen av fyllmetall. Derved kan en sveiselignende binding bli dannet uten overdreven oppvarming av komponenten og de ulemper som følger av dette. Selv om lokal oppvarming av fyllmetallet benyttes til fyllmetallet som forlater dyseåpningen, vil oppvarmingen av komponentene som sammenføyes være moderat.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet i form av et ikke begrensende utførelseseksempel under henvising til de vedlagte figurer, hvor: Figur 1 viser et sidesnitt av en utførelsesform av et ekstruderhode ifølge foreliggende oppfinnelse. Figur 2a og 2b er skjematiske illustrasjoner av tverrsnittet av ekstrusjonskammeret og strengen av fyllmetall før henholdsvis under ekstrusjon.

Figur 3 er et endesnitt av ekstruderhodet vist i figur 1.

Figur 4 er en perspektivtegning av ekstruderhodet ifølge foreliggende oppfinnelse.

Figur 1 viser ekstruderhodet 12 hvor en roterbar drivspindel 13 er et kjemeelement. Ved den nedre ende er drivspindelen 13 utvidet til å drive spindelhodet 14 som har en glatt ytre overflate 15, idet overflaten typisk har form av en rettavkortet kjegle, men også kan være sylindrisk. Langs omkretsen i drivspindelhode er det maskinert en 360 graders fure som danner del av ekstrusjonskammeret 16 slik det forklares mer detaljert nedenfor. Avhengig av posisjonen til inngangsåpningen 16a for strengen av fyllmetallet, kan det aktuelle ekstrusjonskammer typisk strekke seg 180 grader langs omkretsen av overflaten 15 av drivspindelhodet 14, mer typisk omtrent 270 grader, og starter ved inngangsåpningen 16a og termineres ved dyseåpningen 19. Ekstrusjonskammeret har således den generelle form av en sirkelbue snarere enn en full sirkel som bedre illustrert av figur 3.

Termineringen av ekstrusjonskammeret 16 skjer i praksis ved et separat stoppeorgan 18 som er anordnet i furen inntil dyseåpningen 19 og fortrinnsvis holdt godt fast under drift på en måte som beskrives nedenfor. Funksjonen til stoppeorganet 18 er å avlede den plastifiserte metallstrengen som trekkes gjennom ekstrusjonskammeret fra en sirkulær bevegelse og ut gjennom dyseåpningen 19. Det er uunngåelig at det er en trykkøkning foran stoppeorganet som bidrar til plastifiseringen av metallstrengen og gjør det enklere for den å forlate ekstrusjonshodet gjennom dyseåpningen 19.

Radielt utenfor ekstrusjonskammeret 16 er en stasjonær metallsko 17 anordnet for å begrense ekstrusjonskammeret radielt utover. Overflaten av metallskoen 17 som vender mot flaten 15 av drivspindelhodet 14, heller med en vinkel som svarer til helningen av overflaten 15 i området rundt ekstrusjonskammeret 16 for å danne en hovedsakelig tett pasning. I området ovenfor er det imidlertid foretrukket at metallskoen 17 avviker fra helningen av drivspindelhodet for å unngå en større kontaktflate mellom de to enn nødvendig, hvilket ville føre til uønsket friksjon mellom de to. Det er således foretrukket at den stasjonære metallskoen 17 som omgir drivspindelhodet 14, har en indre overflate slik tilpasset den rettavkortede kjegle-overflate på drivspindelhodet 14 at den tett kontakter overflaten på drivspindelhodet 14 i et begrenset område på begge sider av ekstrusjonskammeret 16.

Metallskoen kan være formet med et stoppeorgan som en integrert del av denne, men slitasjen på stoppeorganet er betydelig og det er derfor mer hensiktsmessig at stoppeorganet 18 er et separat utskiftbart organ. Metallet av den stasjonære metallskoen 17 er fortrinnsvis en herdet stållegering.

Det er sterkt foretrukket, skjønt det er ikke noe krav, at ekstruderhodet er forsynt med midler for lokal oppvarming av dyseåpningen 19 for derved å redusere trykket i systemet og derved slitasjen på komponentene. Slike midler for lokal oppvarming kan ha form av elektrisk motstandsoppvarming, fortrinnsvis anordnet slik at metallet som forlater dyseåpningen er del av en elektrisk krets. Andre midler for lokal oppvarming kan ha form av induksjonsoppvarming (eller til og med form av en lokal laseroppvarming).

De funksjonelle deler av ekstruderhodet har nå blitt beskrevet. For praktiske formål og sikkerhetsformmål er ekstruderhodet beskyttet av et hus som delvis tjener til å holde delene sammen, delvis beskytter de vitale komponenter fra skitt og skade og delvis beskytter personell fra skade. Huset kan omfatte et ringformet spindelhus 21 som omgir den roterbare drivspindel og et ringformet spindelhodehus 22 som omgir drivspindelhodet 14 og metallskoen 17, idet spindelhuset 21 og spindelhodehuset 22 er tett festet med en gjenget mutter 23. Fortrinnsvis er et lager 24, for eksempel et messinglager, tilveiebrakt mellom drivspindel 13 og spindelhus 21 for å sikre lav friksjon og høy stivhet av ekstruderhodet.

Det skal bemerkes at betegnelsene «øvre» og «nedre» slik de her er benyttet, kun gjelder i relasjon til figurene siden orienteringen av ekstruderhodet kan variere, skjønt ekstruderhodet vil typisk være anordnet slik for bruk at det er posisjonert hovedsakelig vertikalt, for praktiske formål fordelaktig med noen få grader tiltet vekk fra loddrett posisjon, slik at bare dyseåpningen blir brakt i kontakt med komponentene som skal sammenføyes, som typisk er anordnet i horisontalplanet under ekstruderhodet.

Figur 2a viser et typisk og hovedsakelig kvadratisk tverrsnitt av ekstrusjonskammeret 16 hvor tre vegger utgjøres av drivspindelhodet 14 mens den fjerde veggen utgjøres av metallskoen 17. En streng av fyllmetall 26 har et hovedsakelig sirkulært tverrsnitt med en diameter som er noe større enn den lineære dimensjon av ekstrusjonskammeret. Figur 2a viser tverrsnittene før og etter at strengen har kommet inn i ekstrusjonskammeret.

Når strengen kommer inn i ekstrusjonskammeret, blir den presset av veggene av ekstrusjonskammeret 16 slik at den antar et tverrsnitt som er nær kvadratisk som illustrert av figur 2b. Diameteren av fyllmaterialstrengen er valgt slik at tverrsnittsarealet er litt mindre for metallstrengen 26 enn hele tverrsnittet av ekstrusjonskammeret 16, derfor vil det være små åpne hulrom ved hjørnene av ekstrusjonskammeret 16. Å tilpasse diameteren av fyllmaterialstrengen til dimensjonen av ekstrusjonskammeret er et viktig praktisk element som kan gjøres med prøv og feil. På den ene siden er det viktig at dimensjonen av fyllmaterialstrengen er stor nok til å gi godt trykk, på den annen side må den ikke være så stor at strengen forhindres fra å komme inn i ekstrusjonskammeret. Som en indikasjon på størrelsesorden, hvis diameteren på metallstrengen 26 er 7 % større enn den lineære dimensjon av et kvadratisk ekstrusjonskammer, vil tverrsnittet av sistnevnte være 10 % større enn tverrsnittet på strengen 26.

Når strengen blir holdt og trukket av friksjonskrefter fra veggene av ekstrusjonskammeret 16, er den omgitt av tre vegger som trekker i en retning mens den samtidig blir trykket på av en stasjonær vegg, nemlig metallskoen 17, som gir en friksjonskraft som søker å bremse eller motsette seg bevegelsen. Denne sistnevnte friksjonskraft, som er utilstrekkelig til å stanse bevegelsen av strengen, bidrar til oppvarming og plastifisering av strengen. Det er således en mer eller mindre kontinuerligøkning i plastisitet av metallstrengen fra inngangsåpningen 16a inn til ekstrusjonskammeret og til dyseåpningen 19.

I praksis vil tilpasning av metallskoen 17 mot den ytre, laterale side av drivspindelhodet 14 være slik at en lett lekkasje av plastifisert lettmetall tillates fra ekstrusjonskammeret 16, idet det plastifiserte lettmetall fungerer som en smøring mellom spindelhodet 14 og metallskoen 17. Valget av fyllmetall og legering blir alltid gjort slik at egenskapene svarer til egenskapene hos metallkomponentene som skal sammenføyes. Figur 3 er et endesnitt av ekstruderhodet fra figur 1.1 figur 3 er nedre ende av drivspindelhodet 14 synlig, i likhet med ekstrusjonskammeret 16, metallskoen 17, stoppeorganet 18, dyseåpning 19 og drivspindelhuset 22. Figur 4 er en perspektivskisse av drivspindelhodet, idet de viktigste synlige elementer igjen er drivspindelhodet 14, inngangsåpningen 16a til ekstrusjonskammeret, metallskoen 17, øvre 21 og nedre spindelhus 22, mutteren 23 og en streng av metall 26 som skal plastifiseres og benyttes som fyllmetall for sammenføyningen. Som det fremgår av figur 4, er den stasjonære metallskoen 17 anordnet ved en fri sirkulær og hovedsakelig plan side av drivspindelhodet 14.

Fyllmetaller kan eventuelt også omfatte forskjellige metaller og elementer for å forbedre de mekaniske eller elektriske egenskaper. Generelt må fyllmetallet som benyttes være kompatibelt med basismetallet og kan bli tilpasset til dette for å optimere egenskaper som ekstruderbarhet, flyt og strekkfasthet, hardhet, duktilitet, utmattingsstyrke og korrosjonsbestandighet under eller etter den følgende sammenføyningsoperasjon. Fyllmetallet kan således initielt inneholde forskjellige elementer eller faser som fra ekstrusjonspraksis og industrielle varmebehandlinger er kjent for eksempel å undertrykke rekrystallisasjon og for bedre avsetning, og derved gjenvinne ytterligere styrke som følge av naturlig eller kunstig aldring. Med unntak av slike mindre avvik bør de kjemiske egenskaper være så nær som mulig til de hos basismetaller for å oppnåønskede korrosjonsegenskaper.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er prinsipielt egnet for sammenføyning av alle typer av plater, rør og profiler som kan bli sammenføyd med konvensjonelle sveiseprosesser og metoder, og ved alle posisjoner. Den kan i prinsipp bli benyttet for punktsveising av plater (også i kombinasjon med klebende binding) som et alternativ til elektrisk motstandssveising, nagling eller andre metoder for mekanisk sammenføyning. Et ytterligere aspekt er at metoden kan utføres med kompakt, lettvekts og lite kostbart utstyr.

Claims (13)

1. Innretning for fastfase sammenføyning av lettmetaller som aluminium ved benyttelse av prinsippet for kontinuerlig ekstrusjon for å tilføre en streng av et fyllmetall inn i et spor som skiller lettmetallkomponentene som skal sammenføyes, idet innretningen omfatter en roterende drivspindel (13) terminert i et drivspindelhode (14),karakterisert vedat et spor med form av en sirkelbue som utgjør et ekstrusjonskammer (16), er maskinert i den ytre flate (15) av drivspindelhodet (14), idet ekstrusjonskammeret (16) er begrenset radielt utad av en stasjonær metallsko (17) som omgir drivspindelhodet (14) mens ekstrusjonskammeret (16) er terminert av et integrert eller utskiftbart stoppeorgan (18) for å avlede strengen av fyllmetall (26) fra dens sirkulære bevegelse i ekstrusjonskammeret ut gjennom en dyseåpning (19).

2. Innretning i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat dyseåpningen (19) I den stasjonære metallsko (17) er anordnet ved en fri, sirkulær og hovedsakelig plan side av drivspindelhodet (14).

3. Innretning i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat drivspindelhodet (14) har form av en rettavkortet kjegle eller en sylindrisk form.

4. Innretning i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat den stasjonære metallsko (17) som omgir drivspindelhodet (14) har en indre flate som er slik tilpasset drivspindelhodet (14) med form av en rettavkortet kjegle eller form av en sylinder at den ligger i tett kontakt med overflaten på drivspindelhodet (14) i et begrenset område på begge sider av ekstrusjonskammeret (16).

5. Innretning i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat innretningen er forsynt med midler (20) for lokal oppvarming av det strengformede fyllmetall (26) som forlater dyseåpningen (19) og komponentene som skal sammenføyes.

6. Innretning i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat midlene (20) for lokal oppvarming omfatter midler for elektrisk motstandsoppvarming, induksjonsoppvarming eller annen form for Joulsk oppvarming, slik innrettet at komponentene som skal sammenføyes og strengen av fyllmetall (26) som forlater dyseåpningen (19) kan bli varmet til en gitt temperatur.

7. Innretning i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat drivspindelen (13) er beskyttet av et ringformet spindelhus (21) anordnet til å bli festet til én ende av metallskoen (17).

8. Innretning i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedå omfatte et lager (24) mellom drivspindel (13) og det ringformede spindelhus (21).

9. Innretning i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat bredden av sporet som utgjør ekstrusjonskammeret (16) er nøye tilpasset til diameteren av strengen av fyllmetall (26) som skal bli ekstrudert.

10. Innretning i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat bredden og dybden av sporet som utgjør ekstrusjonskammer (16) er mindre enn diameteren av strengen av fyllmetallet (26) mens tverrsnittsarealet av sporet er litt større enn tverrsnittsarealet av strengen av fyllmetallet.

11. Innretning i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat metallet i den stasjonære metallsko (17) er en herdet stållegering.

12. Innretning i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat stoppeorganet (18) blir holdt i en spalte av metallskoen (17) som tillater en fri ende av stoppeorganet å være lett tilgjengelig for frigjøring og utskiftning.

13. Innretning i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat stoppeorganet (18) er en integrert del av metallskoen (17).