NO315791B1 - Fremgangsmåte og anordning for sammenföyning av bearbeidede metaller og legeringer - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og en anordning for å sammenføye bearbeidede metaller og legeringer, spesielt lettmetaller, inkludert legeringer av lettmetaller og evt. hybrider/ kompositter inneholdende lettmetaller.

Bakgrunn

Tradisjonelt er teknikker for sammenføyning av lettmetaller blitt til gjennom tilpasning av teknikker utviklet for sammenføyning av jern og stål.

Sammenføyning av metaller har i stor grad vært forbundet med smeltes veis ing, hvor både grunnmaterialet og eventuelt tilsettmateriale smeltes ved elektrisk lysbue, elektronstråle eller laserstråle, slik at metallisk binding oppstår i bakkant av smeltebadet under selve krystallisasjonen. Ved elektrisk buesveising er det kun en liten del av den tilførte energi som medgår til smelting, og dermed til å oppnå binding. Mesteparten av energien som tilføres bidrar til lokal oppvarming av grunnmaterialet og dannelse av en såkalt varmepåvirket sone (i teknisk litteratur ofte benevnt HAZ) rundt sveisen. Denne sonen representerer et problem, i og med at de mikrostrukturene endringer som skjer, fører til varig mekanisk svekkelse av materialet. Sveisesonens egenskaper blir dermed bestemmende ved dimensjonering. I tillegg bidrar den tilførte overskuddsenergien til høye restspenninger i sveisesonen og til globale deformasjoner. Disse problemer er større ved sveising av aluminium og legeringer av aluminium enn ved sveising av stål, fordi muligheter for effektive mottiltak gjennom justering av grunnmaterialets sammensetning og mikrostruktur er mindre i førstnevnte tilfelle.

Bruk av mer effektive sveiseprosesser som lasersveising og elektronstrålesveising som gir langt smalere HAZ representerer i så måte en forbedring, men disse introduserer igjen andre problemer, så som varmsprekker og poredannelse i smeltesonen, samtidig som utstyret i seg selv er dyrt og mindre fleksibelt. I tillegg er toleransekravene adskillig strengere enn for buesveising som følge av at tilsettmateriale vanligvis ikke benyttes.

Det er også forsøkt med andre teknikker for sammenføyning av lettmetaller, av hvilke friksjonssveising, eller en spesiell variant av denne betegnet som "friction stir welding" (FSW), kanskje er den mest vellykkede. FSW-teknikken består i at to flater som skal sammenføyes, presses hardt mot hverandre, mens et roterende verktøy beveges langs grenseflaten mellom dem og fjerner oksidsjiktet som - i det minste for aluminium - alltid vil være til stede på overflaten. Selv om det skjer en oppvarming av materialflatene også ved friksjonssveising, er energitilførselen betydelig mindre konsentrert enn ved smeltesveising, slik at materialet i eller nær sveisen ikke smelter og går over i flytende tilstand. Friksjonssveising er altså et eksempel på sveising i fast fase, hvilket er en betydelig fordel sammenlignet med smeltesveising, for derved unngås flere av de kjente ulemper, nemlig utvikling av høye restspenninger, varmsprekker, poredannelse og overdreven tilbøyelighet til korrosjon. På den annen side er teknikken beheftet med flere ulemper, blant annet krever den at flatene som skal sammenføyes er nøyaktig tilpasset hverandre siden den ikke gir anledning til å benytte tilsettmateriale. En annen ulempe er at materialdelene som skal sammenføyes, må presses mot hverandre med en betydelig kraft, hvilket gjør at metoden krever tungt, omfangsrikt utstyr. Endelig gir selv denne formen for friksjonssveising opphav til dannelse av en bred HAZ, hvor mikrostrukturene endringer fører til varig svekkelse av materialet.

Av andre metoder for sammenføyning kan nevnes lodding, nagling og liming. En eller flere av disse metoder kan være egnet for enkelte bruksområder, men de gir generelt for lav grad av sikkerhet mot brudd til å være generelt anvendbare alternativer til sveising i lastbærende konstruksjoner.

Fra US patent nr. 4.397.413 er det kjent en metode for fremstilling av en støtabsorberende komponent i stål/ lettmetall ved bruk av såkalt slagekstrudering. Metoden går ut på at stål og lettmetall uavhengig av hverandre føres inn i et lukket kammer under høyt trykk hvor lettmetallet så sammenføyes med stålet. Deretter presses den ferdige komponent ut gjennom dyseåpningen. Metoden baserer seg på helt konvensjonelle ektruderingsprinsipper hvor både sammenføyning og komponenttilvirkning foregår innenfor et lukket system som en integrert del av selve ekstruderingsprosessen. Komponentens endelige geometri er således bestemt av utformingen på ekstruderingsverktøyet.

US patent nr. 5.273.204 beskriver en metode for termisk sprøyting av flytende metall ned i en V-fuge mellom to metalliske komponenter (fortrinnsvis Ni-baserte superlegeringer). For å oppnå den tilsiktede kvalitet må hele sammenføyningsprosessen foregå i kontrollert atmosfære under lavt trykk, det vil si i et lukket kammer/ rom. Fugeflatene blir på forhånd rengjort med en lysbue som fjerner oksid. Deretter forvarmes hele komponenten til en høy temperatur inne i kammeret før flytende metall så sprøytes ned i fugen. Etter sammenføyning må hele komponenten gjennomgå varmisostatisk pressing for å eliminere porer i det størknede metall.

Formål

Det er et formål ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for sammenføyning av lettmetaller, og spesielt aluminium, som i stor grad eliminerer de kjente ulemper.

Det er således et formål ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for sammenføyning av lettmetaller som i utgangspunktet er tilpasset lettmetallenes egenskaper, og ikke er avledet fra metoder beregnet for jern eller stål.

Det er således et formål å tilveiebringe en fremgangsmåte for sammenføyning av lettmetaller hvor overdreven oppvarming unngås, slik at det ikke oppstår høye restspenninger, deformasjoner, varmsprekker eller ekstraordinære problemer med korrosjon.

Det er videre et formål å tilveiebringe en fremgangsmåte for sammenføyning av lettmetaller hvor overdreven oppvarming unngås, slik at det ikke oppstår brede varmepåvirkede soner hvor materialegenskapene er varig svekket.

Det er enn videre et formål å komme frem til en fremgangsmåte ved sammenføyning av lettmetaller hvor det er mulig å benytte et tilsettmateriale som har samme kjemiske egenskaper som grunnmaterialet.

Endelig er det et formål å komme til en fremgangsmåte ved sammenføyning av lettmetaller som kan gjennomføres uten bruk av mye energi, store krefter eller snevre toleransegrenser, og slik at dette kan skje ved bruk av enkelt, kompakt og om ønskelig mobilt utstyr, samt med mulighet for automatisering/ robotisering.

Oppfinnelsen

Oppfinnelsen omhandler en fremgangsmåte kjennetegnet ved de trekk som fremgår av patentkrav 1. Foretrukne utføreIsesformer av fremgangsmåten fremgår av de uselvstendige kravene 2-9.

Oppfinnelsen omhandler videre en anordning til utførelse av fremgangsmåten som angitt i patentkrav 10. Foretrukne utførelsesformer av anordningen fremgår av kravene 11-17.

Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen oppnås en ny og sterkt forbedret teknikk for sammenføyning av lettmetaller.

Den nødvendige bindingstemperatur oppnås ved å utnytte varmen som utvikles som følge av deformasjon og friksjon, eventuelt i kombinasjon med ekstern Joulsk oppvarming, eksempelvis induksjonsoppvarming, elektrisk motstandsoppvarming eller oppvarming ved bruk av laser.

Til forskjell fra "friction stir welding"(FSW) er det imidlertid ikke bare mulig, men et obligatorisk trekk ved oppfinnelsen at nytt materiale tilføres i fugen, slik at sammenføyningsflatene ikke på forhånd trenger å være nøyaktig tilpasset hverandre. Det er heller ikke nødvendig å anvende stor kraft på materialstykkene for å presse disse sammen, slik at utstyret kan lages lite og enkelt, og om ønskelig tilpasses mobilt bruk.

Tilsetning av nytt materiale kan minne noe om smeltesveising, men prosessene er vesentlig forskjellige, og man unngår den grad av oppvarming som fører til betydelig mekanisk svekkelse, restspenninger og deformasjoner i materialet. Det er heller ikke noen forutsetning at materialet som tilsettes er i flytende form. Materialet kan være flytende, delvis flytende eller plastisk, ikke-flytende når det tilsettes sammenføyningsfugen. Selv i flytende form vil det ikke gi samme grad av oppvarming som ved smeltesveising siden energien kun tilføres lokalt i fugen, slik at negative virkninger på materialet som resultat av denne oppvarmingen dermed blir små.

Videre kan materialet som tilsettes være av nøyaktig samme type som materialstykkene selv. Det tilføres altså ikke noe materiale med andre og uønskede egenskaper, som kan gi opphav til korrosjon gjennom virkning som offeranode e.l., eller som har andre styrke- eller utvidelsesegenskaper enn lettmetallet som skal sammenføyes. I sum innebærer fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen et kvantesprang når det gjelder sammenføyning av lettmetaller.

Figurer

Figur 1 viser en sammenstilling av en foretrukket utførelsesform av en fullstendig apparatur ifølge oppfinnelsen,

figur 2 viser forenklet utstyret og materialstykkene fra figur 1 sett ovenfra,

figur 3a-b viser to ulike typer fuger,

figur 4 viser et snitt langs linjen IV-IV på figur 1,

figur 5 viser et utsnitt av en annen utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen i forhold til den vist på figur 1,

figur 6 viser et utsnitt av en tredje utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen,

figur 7 viser forenklet hvordan metoden kan anvendes for å sammenføye materialstykker som står vinkelrett på hverandre, og

figur 8 viser forenklet hvordan metoden kan benyttes for "punktsveising" av overlappende plater.

Figur 1 viser svært skjematisk og forenklet en foretrukket utførelsesform av en anordning 1 ifølge oppfinnelsen, omfattende et ekstruderhjul 2, et motstykke 3 til ekstruderhjulet, tråd 4 av tilsettmateriale som mates til anordningen 1 ved et punkt 12 på ekstruderhjulet 2, et oksidfjernende verktøy 5 og et bakstykke 6. Materialstykkene A og B som sammenføyes, ligger på figur 1 bak hverandre i samme plan, idet området til venstre for anordningen l er der hvor det fortsatt er åpen fuge, mens området til høyre for anordningen 1 er der hvor sammenføyning nettopp har funnet sted. Bevegelsesretning for anordningen er vist med pilen C. Motstykket 3 går over i en fot 7 og en stopper 8, som samvirkende avgrenser en dyseåpning 9 fra ekstruderhjulet 2 ned i fugen 10. Bakstykket 6 begrenser fugen 10 i nedkant i de tilfeller der det er snakk om en åpen fuge, slik at tilsettmaterialet kan presses med et visst trykk ned i fugen uten å forsvinne ut gjennom denne.

I stedet for å benytte et bakstykke 6, kan eventuelt den nedre del av en åpen fuge 10 lukkes ved at materialstykkene som skal sammenføyes, forsynes med et hensiktsmessig baklegg i fugens lengderetning. Et slikt baklegg kan for eksempel være en plate av keramikk eller stål, som det plastiske eller delvis smeltede tilsettmateriale ikke vil hefte til med særlig styrke.

Det er åpenbart at det trengs noe utstyr av konvensjonell art utover det som er beskrevet her, for eksempel en kraftkilde for å trekke ekstruderhjulet rundt, eventuelt midler for å kunne holde og bevege anordningen med en gitt, tilnærmet konstant fart langs en fugelinje, etc. I tillegg vil det ofte, slik det er nærmere beskrevet nedenfor, være hensiktsmessig å inkludere sensorer for registrering av temperatur og/ eller trykk ett eller flere steder, for bedre å kunne styre prosessen.

Figur 2 viser i en annen målestokk hvordan materialstykkene A og B samt anordningen 1 omfattende hjulet 2, skjematisk ser ut ovenfra. Fugen 10 er åpen til venstre for anordningen 1 i den retning C anordningen beveger seg, mens fugen er lukket bak anordningen.

Fugen 10 kan ha gjennomgående åpen form som vist på figur 3a eller for eksempel en V-form, lukket nede, vist som 10' på figur 3b. Formen på det oksidfjernende verktøy 5 vil kunne variere alt etter hvilken type fuge det dreier seg om. Likeledes vil nødvendigheten av - og muligheten for

- bruk av bakstykket 6 avhenge av om det er åpen eller lukket fuge.

Det oksidfjernende verktøy 5 kan ha forskjellige former, og i sin enkleste form består det av en skrapeinnretning med to skjær, ett for hver av fugeflatene som skal rengjøres på henholdsvis materialstykke A og materialstykke B. Verktøyet trenger imidlertid ikke utelukkende å være basert på mekanisk fjerning, det kan også eventuelt kombineres med bruk av løsemidler av forskjellige slag. Verktøyet kan videre være av annen type skjærende verktøy, som for eksempel en fres.

Fugeflatene trenger ikke være plane, men kan også være krumme. For eksempel kan fugeflater som danner en lukket fuge når materialstykkene er plassert inntil hverandre, ha form av en U i stedet for en V. Eventuelt kan øvre det av fugeflatene være plane, mens nedre del er krumme. Det oksidfjernende verktøy må i nødvendig grad tilpasses den aktuelle fugekonfigurasjon, slik at fjerningen av oksid skjer i tilstrekkelig utstrekning.

Figur 4 viser et snitt langs linjen IV-IV på figur 1, gjennom ekstruderhjulet 2 og motstykket 3. I ekstruderhjulet 2 er det et spor 11 langs hele hjulets omkrets, i hvilket tråden 4 trekkes med fra sitt innmatingspunkt 12 ned til dysen 9. Reduksjonen i trådtverrsnitt fra innmatingspunktet 12 til dyseåpningen 9 kan ofte være mindre enn en faktor 2, hvilket er en svært liten tverrsnittsreduksjon ved ekstrudering. Graden av tverrsnittsreduksjon er ikke avgjørende for formålet av oppfinnelsen, men det er viktig at overflaten av tråden 4 mellom innmatingspunktet 12 og dysen 9 blir bearbeidet på en slik måte at det oksidsjikt som er til stede på overflaten av tråden som mates inn, dispergeres forholdsvis jevnt i tilsettmaterialet som forlater dysen 9.

Anordningen ifølge oppfinnelsen illustrert på figur 1 kan modifiseres ved at det benyttes et tilsettmateriale 4 i form av et pulver i stedet for en tråd. Pulveret mates da til punktet 12 ved hjelp av en særskilt mateanordning (ikke vist) beregnet for pulver. Prinsippet for øvrig er det samme som beskrevet ovenfor.

Videre kan anordningen modifiseres ved at det i stedet for ekstruderhjul 2 og motstykke 3 benyttes to motsatt roterende ekstruderhjul 12, og 122som vist på figur 5. På samme måte som for ekstruderhjul 2 vil ekstruderhjulene 12, og 122ha spor som strekker seg langs hele sin omkrets, og som innelukker det trådformede tilsettmaerialet 4. På samme måte som ved anordningen vist på figur 1, er det også mulig å erstatte trådmaterialet med et pulverbasert tilsettmateriale som mates til åpningen mellom ekstruderhjulene 12, og 122ved bruk av en dertil egnet innretning.

Utførelsesformen vist på figur 5 innebærer en teknikk for mating av trådbasert eller pulverbasert tilsettmateriale til fugen som ligger i grenseland av hva som normalt betegnes som ekstrudering. Med ekstrudering i foreliggende dokument menes imidlertid enhver type behandling av metallisk tilsettmateriale hvor dette gjennom en prosess som omfatter indirekte eller/ og direkte oppvarming og trykk og etterfølgende pressing gjennom en dyse eller lignende, blir tilført den aktuelle fugen i plastisk, delvis flytende eller helt flytende form, idet eventuelt oksidsjikt som måtte ha vært til stede initielt er blitt fjernet eller dispergert i materialet.

Anordningen ifølge oppfinnelsen kan også modifiseres ved å benytte en skrueekstruder (ikke vist) av i og for seg kjent type i stedet for et eller flere ekstruderhjul av vist type. I så fall må tilsettmaterialet forvarmes i en slik grad at det lar seg mate gjennom en skrueekstruder. Utstyret i tilknytning til selve materialstykkene, det vil si dyse, oksidfjernende verktøy og eventuelt bakstykke vil også i dette tilfellet være prinsipielt det samme som vist på figur 1.

De hittil beskrevne varianter av anordningen ifølge oppfinnelsen har det til felles at de er basert på tilførsel av tilsettmateriale til fugen gjennom kontinuerlig ekstrudering. Foreliggende oppfinnelse kan imidlertid også realiseres ved hjelp av midler for satsvis ekstrudering.

Figur 6 viser en anordning 21 for direkte ekstrudering ved hjelp av en sylinder 22, et stempel 23 og en dyse 9 i en ende av stempelet. Anordningen 21 vil ha prinsipielt det samme utstyr som vist på figur 1 i tilknytning til materialstykkene som skal sammenføyes, det vil si oksidfjernende verktøy 5 og eventuelt bakstykke 6. Satsvis lading av tilsettmateriale til et ekstruderingsstempel kan fortone seg som tungvint, men i forbindelse med for eksempel robotisert håndtering av prosessen, eventuelt i kombinasjon med bruk av hermetisk forseglede pakker av relevante typer av tilsettmateriale, som automatisk hentes til sylinderen 22 etter behov, kan dette være en svært interessant måte å gjennomføre oppfinnelsen på for enkelte formål.

Andre teknikker, som indirekte ekstrudering og friksjonsbasert ekstrudering kan også benyttes som et alternativ til metoden/ apparatet anskueliggjort på figur 6. Figur 7 illustrerer svært forenklet hvordan fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan benyttes når det skal sammenføyes to plater e.l. som står i vinkel i forhold til hverandre, som for eksempel en T-profil. De aktuelle materialstykkene bearbeides for eksempel med fres eller lignende, slik at de oppviser hver sin "skråkant" med lik eller innbyrdes forskjellig vinkel. Når materialstykkene bringes inntil hverandre, vil de nevnte skråkanter danne hver sin fugeflate, og fugen 10' vil være en variant av den lukkede fugen vist på figur 3b. Anordningen som anvendes ved sammenføyning benytter et oksidfjernende verktøy som er tilpasset vinkelen mellom fugeflatene og har en form som er tilpasset profilen. Figur 8 illustrerer hvordan "punktsveising" av to delvis overlappende plater kan gjøres i henhold til oppfinnelsen. Et verktøy 31 i form av en hul dor eller lignende presses inn i et på forhånd maskineri hull 32 som går tvers gjennom den ene platen A" og et stykke inn i den andre platen B", Når verktøyet trekkes tilbake, fylles hullet 32 umiddelbart med plastisk eller delvis flytende tilsettmateriale gjennom verktøyets hulrom 9'. I dette tilfellet har hulrommet 9' funksjon av dyse, og denne dysen 9' og det oksidfjernende verktøy 31 fremstår som en integrert enhet. Ekstern (Joulsk) oppvarming av deler av utstyret benyttes til å oppnå riktig temperatur ved ekstrudering og sammenføyning. 1 det følgende skal prosessen ifølge oppfinnelsen beskrives mer i detalj med utgangspunkt i den anordning som er vist på figur I.

Anordningen 1 bringes med det oksidfjernende verktøy 5 på plass i fugen. Hvis det er en åpen fuge, benyttes et bakstykke 6 som ved hjelp av et ikke vist mellomstykke holdes fast i forhold til verktøyet S, motstykket 3 og dysen 9. I avhengighet av materialtykkelse, fugebredde etc. justeres eventuelt anordningen slik at dimensjonene blir riktige. Med eller uten bruk av forvarming på tråden 4 blir denne matet inn til ekstruderhjulet 2 ved 12, og trukket rundt med hjulet når dette settes i rotasjon. Siden tråden har kontakt med hjulet på tre sider og med motstykket bare på en side, vil tråden uvilkårlig følge med hjulet. På grunn av friksjonskreftene vil det skje en gradvis oppvarming av tråden fra innmatingspunktet 12 til dysen 9. Denne oppvarmingen kan eventuelt, og spesielt ved oppstart, kombineres med andre former for oppvarming, spesielt teknikker for Joulsk oppvarming. Etter hvert som tråden blir varmere, blir den også mer plastisk av natur, og eventuelt etter hvert delvis flytende. Tråden kan eventuelt inneholde små volumandeler av faser (kjemiske forbindelser) med lavere smeltepunkt, som ved en gitt temperatur danner en smørende hinne på utsiden av tråden og derved reduserer friksjonen under ekstrudering noe. Når tråden kommer frem til dysen 9, blir fortsatt bevegelse tangentieit langs ekstruderhjulet 2 hindret ved at stopperen 8 rager inn i sporet 11 på dette punkt. Eneste mulighet for tråden/ tilsettmaterialet er å bevege seg ut gjennom dysen og derved ned i fugen 10. Når dette skjer vil hele anordningen 1 normalt være i langsom bevegelse i fugens lengderetning. Unntaksvis kan anordningen være i ro.

I dysen 9 vil tråden ha nådd en plastisk eller delvis flytende form, slik at den ikke lenger har noe oksidsjikt på de sider som vender ut mot dyseveggen. Eventuelt oksid er dispergert i materialet, slik at overflaten vil være jomfruelig og dermed egnet til å binde seg metallisk til annet materiale av lignende art, gitt at temperatur og trykk er hensiktsmessig regulert. Temperaturen vil være tilpasset det aktuelle metall i materialstykkene A og B som skal sammenføyes.

Ved bevegelse ut fra hjulet 2 gjennom dysen 9 og ned i fugen 10, vil tilsettmaterialet gradvis avkjøles med mindre det settes inn spesielle tiltak for å motvirke dette, så som for eksempel elektrisk motstandsoppvarming på eller nær dysen. Hvorvidt en slik særskilt oppvarming er hensiktsmessig eller nødvendig må avklares i det enkelte tilfelle. For mange applikasjoner vil lengden på dysen 9 kunne begrenses til noen få millimeter, slik at behovet for særskilt oppvarming derved vil være mindre. For å sikre optimale forhold idet tilsettmaterialet kommer ut av dyseåpningen og trenger ned i fugen, er det hensiktsmessig å ha en kontinuerlig temperaturkontroll på dette punkt i prosessen. Mer foretrukket er det å ha en automatisk temperaturregulering knyttet til en temperatursensor anordnet på eller nær dysen. Det er for øvrig mulig å benytte lokal oppvarming av ulike deler av apparaturen/ prosessen, så som verktøyet S, bakstykket 6, dysen 9, fugeflatene og/ eller tilsettmaterialet. Når det oksidfjernende verktøy 5 er en skrapeinnretning, hvilket er en foretrukket utførelsesform, er det hensiktsmessig at skjærene på denne varmes, da kraften som kreves for å fjerne oksidsjiktet derved reduseres.

Det er videre foretrukket at trykket i dysens utløp ved ekstrudering kan reguleres og holdes på et konstant nivå, uavhengig av valg av operasjonsbetingelser, for å oppnå god metallisk binding og den ønskede mikrostruktur i fugemetallet etter sammenføyning. Bakgrunnen for dette er å kunne optimalisere egenskaper som fasthet, seighet, duktilitet, utmattingsstyrke og korrosjonsmotstand. Dette kan skje ved bruk av et dertil egnet system for måling og regulering av moment eller kraft på ekstruderhjul, ekstruderstempel eller ekstruderskrue, alt etter hvilken type apparatur som benyttes. Opprettholdelse av et slikt bestemt trykk ved dyseutløpet forutsetter at tilsettmaterialet befinner seg i et tilnærmet lukket system så lenge det er plastisk eller delvis smeltet. Ved en åpen fuge som vist på figur 3a forutsetter dette bruk av et bakstykke 6. Videre forutsetter det at foten 7 og stopperen 8, som samvirkende avgrenser området rundt dyseåpningen 9, har en slik størrelse og form at det innelukker den ellers åpne del av fugen 10, 10' i fugens overkant.

Selv om det normale vil være at materialstykkene som skal sammenføyes er av samme type, er det også mulig at de kan være forskjellige, bare de har egenskaper som er forenlige. De kan for eksempel bestå av aluminiumlegeringer som inneholder ulike legeringselementer. I et slikt tilfelle kan tilsettmaterialet være identisk med en av legeringene eller det kan ha en sammensetning som ligger mellom de aktuelle legeringene, og som kjemisk sett blir en "brobygger" mellom disse. Aluminiumlegeringer innen de ulike serier 1XXX, 2XXX, 3XXX, 5XXX, 6XXX hhv. 7XXX kan sammenføyes med hverandre ved hjelp av fremgangsmåten og anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse, og med hensiktsmessig valg av tilsettmateriale for den enkelte legerings-kombinasjon.

Når det gjelder tilsettmaterialet, kan dette varieres på mange måter og for ulike formål. Det er nevnt at det kan inneholde små volumfraksjoner av en fase (kjemisk forbindelse) som smelter ved forholdsvis lav temperatur, for å oppnå en smøreeffekt ved ekstrudering. Det er også mulig å inkorporere ulike elementer i tilsettmaterialet som regulerer den ohmske motstanden i materialet i ønsket retning. Det er for eksempel ønskelig ved bruk av motstandsoppvarming av selve tråden, at den ohmske motstanden ikke blir for lav, da dette vil innebære at store strømstyrker blir påkrevet for å oppnå den tilsiktede virkning. Bruk av store strømstyrker er uønsket fordi det krever store dimensjoner på kabler og tilhørende elektrisk utstyr.

Generelt sett skal tilsettmaterialet som benyttes være kompatibel med grunnmaterialet, og kan justeres i henhold til dette for å optimalisere egenskaper som ekstruderbarhet, fasthet, seighet, duktilitet, utmattingsstyrke og korrosjonsmotstand etter sammenføyning. Tilsettmaterialet kan således på forhånd inneholde ulike typer elementer eller faser som fra ekstrudering og industriell varmebehandling er kjent for eksempelvis å hindre rekrystallisasjon samt å fremme presipitering og dermed gjenvinning av styrke ved naturlig eller kunstig elding. Bortsett fra slike mindre avvik bør den kjemiske sammensetning til tilsettmaterialet være mest mulig lik den man har i grunnmaterialet for å oppnå de tilsiktede korrosjons-egenskaper etter sammenføyning.

Det er som nevnt viktig at overflatene som skal sammenføyes er jomfruelige, det vil si at de flatene som skal sammenføyes er rene og fri for oksid. Dette oppnås gjennom fjerning av oksid fra overflatene rett før tilsettmaterialet entrer fugen, samt at adkomsten for oksygen til området i nødvendig grad begrenses den korte tiden det tar for tilsettmaterialet å fylle fugen. Det er mulig å tilsette inertgass eller annen form for beskyttelsesgass til området mellom det oksidfjernende verktøy og dysen for å hindre tilførsel av oksygen til dette området av fugen. Ved anordningen ifølge oppfinnelsen er det imidlertid også mulig å oppnå at "rommet" bak det oksidfjernende verktøy blir et lukket kammer som til enhver tid er fylt med tilsettmateriale. På den måten kan tilsetning av inertgass/ beskyttelsesgass gjøres overflødig.

Ved fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen oppnås de tidligere omtalte, tilsiktede fordeler at materialet ikke blir utsatt for unødig eller uønsket oppvarming som fører til materialsvekkelse, samtidig som små uregelmessigheter i flatene som skal sammenføyes og varierende bredde av fugen mellom materialstykkene kompenseres ved bruk av tilsettmateriale.

Følgende egenskaper og fordeler er typiske ved bruk av prosessen/ apparatet ifølge oppfinnelsen:

- Varmetilførselen vil være på samme nivå som ved laser -og elektronstrålesveising.

- Total bredde av varmepåvirket sone HAZ vil være svært liten, og i praksis mindre enn eller lik grunnmaterialets godstykkelse. - Lokale restspenninger og globale deformasjoner vil etter sammenføyning være på samme nivå som ved laser -og elektronstrålesveising, og vesentlig mindre enn ved buesveising.

- Toleransekravene vil være omtrent de samme som ved konvensjonell buesveising.

- Det er ingen problemer knyttet til varmsprekker eller porer i fugemetallet/ tilsettmaterialet, selv om dette har samme kjemi som grunnmaterialet. - Korrosjonsegenskapene vil være på samme nivå eller bedre enn de som oppnås ved friksjonssveising av samme type legering, og igjen vesentlig bedre enn hva tilfellet er ved for eksempel smeltesveising. - Utmattingsfastheten vil være på samme nivå som det oppnås ved friksjonssveising eller vanlig smeltesveising etter maskinering av sveiseskjegg og/eller glatting av sveiseråke. - Fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen lar seg lett automatisere/ robotisere på samme måte som konvensjonelle smeltesveiseprosesser.

Metoden er i prinsippet egnet for sammenføyning av alle typer plater, rør og profiler som i dag lar seg sammenføye ved konvensjonelle sveiseprosesser og metoder, og i alle posisjoner. Den kan i prinsippet benyttes til "punktsveising" av plater (gjerne i kombinasjon med liming) som et alternativ til elektrisk motstandssveising, nagling eller annen form for mekanisk sammenføyning. Et ytterligere aspekt er at metoden lar seg utføre med kompakt, lett og lite kostbart utstyr.

Metoden er i prinsippet egnet for sammenføyning av alle typer metaller og legeringer som lar seg plastisk forme eller bearbeide i fast eller delvis smeltet tilstand. Metoden er dog best egnet for sammenføyning av materialer med god ekstruderbarhet som lettlegeringer i alminnelighet og aluminiumlegeringer i særdeleshet. I lys av metodens fortreffelighet og karakteristika er det grunn til å hevde at denne representerer et kvantesprang når det gjelder sammenføyning av aluminium. Metoden vil således være et realistisk alternativ til både konvensjonelle smeltesveisemetoder og friksjonssveising (inklusive FSW) innenfor en rekke markedssegmenter og produktområder, herunder transport (bil, båt, fly, romfart), offshore, landbasert industri og bygningsindustri der kravene til gode mekaniske egenskaper etter sammenføyning er særlig strenge.

Claims (18)

1. Fremgangsmåte ved sammenføyning av bearbeidede metaller og legeringer, spesielt lettmetaller, inkludert legeringer av lettmetaller og evt. hybrider/ kompositter inneholdende lettmetaller, idet oksid på fugeflatene umiddelbart før sammenføyning i nødvendig grad fjernes mens tilførsel av oksygen til fugen i samme tidsrom begrenses, karakterisert vedat fugen straks deretter ved hjelp av ekstruderingsteknikk fylles med et metallisk tilsettmateriale.

2. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1, karakterisert vedat oksidet på fugeflatene fjernes ved mekanisk skraping eller bruk av annet skjærende verktøy, som for eksempel fres.

3. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1, karakterisert vedat det som ekstruderingsteknikk benyttes en teknikk for kontinuerlig ekstrudering med pulver eller trådformet tilsettmateriale.

4. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1, karakterisert vedat det som ekstruderingsteknikk benyttes en teknikk for satsvis ekstrudering, fortrinnsvis i kombinasjon med bruk av hermetisk prepakkede elementer av tilsettmateriale.

5. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående patentkrav, karakterisert vedat materialstykker med homogen kjemisk sammensetning sammenføyes, og at tilsettmaterialet har en kjemisk sammensetning lik disse.

6. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående patentkrav, karakterisert vedat stykker av bearbeidede metaller og legeringer med forskjellig kjemisk sammensetning sammenføyes, og at det benyttes et tilsettmateriale som er kjemisk forenlig med den kjemiske sammensetning.

7. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående patentkrav, karakterisert vedat fugeflater og/ eller tilsettmateriale forvarmes, ved bruk av elektrisk motstandsoppvarming, induksjonsoppvarming, friksjonsoppvarming og/ eller annen form for Joulsk oppvarming, inkludert oppvarming ved hjelp av laser.

8. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående patentkrav, karakterisert vedat deler av det utstyr som benyttes for å gjennomføre fremgangsmåten, forvarmes ved bruk av elektrisk motstandsoppvarming, induksjonsoppvarming eller annen form forJoulsk oppvarming.

9. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående patentkrav, karakterisert vedat fremgangsmåten styres automatisk gjennom bruk av sensorer for overvåkning av temperatur og eventuelt trykk ved ekstrudering og sammenføyning, samt hensiktsmessig reguleringsteknisk utstyr tilknyttet sensorene, for styring av parametere som fremføringshastighet, ekstern oppvarming og matehastighet av tilsettmateriale.

10. Anordning for sammenføyning av bearbeidede metaller og legeringer, spesielt lettmetaller, inkludert legeringer av lettmetaller og evt. hybrider/ kompositter inneholdende lettmetaller,karakterisert vedat anordningen omfatter et verktøy (S) for fjerning av oksidsjikt fra metailflatene som avgrenser fugen, midler (2-3 resp. 22-23) for tilføring av metall til fugen (10) ved ekstrudering, midler (7, 8) for å avgrense fugen i overkant, samt midler for å begrense adkomst av oksygen til området bak verktøyet (S) hvor metallet tilføres.

11. Anordning som angitt i patentkrav 10, karakterisert vedat den også omfatter midler (6) for å avgrense fugen i nedkant.

12. Anordning som angitt i patentkrav 10 eller 11, karakterisert vedat verktøyet for fjerning av oksidsjikt er en mekanisk skrapeinnretning (5, 31) eller et annet skjærende verktøy, som for eksempel en fres.

13. Anordning som angitt i patentkrav 10-12, karakterisert vedat verktøyet for fjerning av oksidsjikt (S, 31) også omfatter midler for forvarming av fugeflatene og/ eller tilsettmateriale.

14. Anordning som angitt i patentkrav 13, karakterisert vedat midlene for forvarming av fugen og/ eller tilsettmateriale er basert på elektrisk motstandsoppvarming, induksjonsoppvarming eller annen form for Joulsk oppvarming, inklusive oppvarming ved hjelp av laser.

15. Anordning som angitt i patentkrav 10, karakterisert vedat anordningen (1) omfatter midler for oppvarming av ett eller flere elementer valgt blant verktøyet for fjerning av oksidsjikt (5), ekstruderhjulet (2), motstykket (3), bakstykket (6) og dysen (9), hvilke midler for oppvarming er basert på elektrisk motstandsoppvarming, induksjonsoppvarming eller annen form for Joulsk oppvarming, inklusive oppvarming med laser.

16. Anordning som angitt i patentkrav 10, karakterisert vedat midlene (2-3) for ekstrudering er basert på en teknikk for kontinuerlig ekstrudering.

17. Anordning som angitt i patentkrav 10, karakterisert vedat midlene (2-3) for kontinuerlig ekstrudering omfatter et ekstruderhjul (2) eller en ekstruderskrue (ikke vist).

18. Anordning som angitt i patentkrav 10, karakterisert vedat midlene (22-23) for ekstrudering er basert på en teknikk for satsvis ekstrudering.