NO316697B1 - Anlegg for friksjonsomroringssveising - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et anlegg for friksjonsomrøringssveising, omfattende et sveiseverktøy, en drivenhet for fremdrift av sveiseverktøyet, et arbeidsbord for understøttelse av arbeidsstykket eller arbeidsstykkene som skal sveises, og minst en oppspenningsanordning for fastspenning av arbeidsstykkene mot hverandre og/eller mot arbeidsbordet eller arbeidsstykkene mot arbeidsbordet under sveiseoperasjonen.

Betegnelsen friksjonsomrøringssveising betegner en sveisemetode ifølge hvilken arbeidsstykkene som skal forbindes, blir plastisert langs deres forbindelseslinje ved tilførsel av friksjonsvarme fra et roterende sveiseverktøy som bringes til å bevege seg langs forbindelsen mellom arbeidsstykkene mens det samtidig presses mot arbeidsstykkene. Som beskrevet i WO93/10935 og W095/26254 bør sveiseverktøyet fremstilles av et materiale som er hardere enn arbeidsstykkene, og under sveise-operasjonene bør arbeidsstykkene være sikkert fastspent i forhold til hverandre og til arbeidsbordet. I denne sammenheng er denne teknikken forskjellig fra den med konvensjonell frisksjonssveising ifølge hvilken friksjons varmen blir generert ved den relative bevegelse av arbeidsstykkene mens de presses mot hverandre, dvs at friksjons-varmen blir generert bare av de to komponentene som skal sammenføyes. Denne sveiseteknikken, ifølge de ovennevnte publikasjoner, blir brukt for sveising av forskjellige materialer, så som plast, metaller osv. på forskjellige bruksområder, f.eks. til å sammenføye arbeidsstykker, til å reparere sprekker i et arbeidsstykke osv. Utformingen av sveiseverktøyet avhenger f.eks. av det materiale som skal sveises og av den tiltenkte anvendelse.

Ved fremstilling av skip, jernbanevogner, broer, oljeplattformer osv. er ekstruderte profiler av aluminium eller aluminiumlegeringer av interesse som byggekomponenter, på grunn av deres korrosjonsfasthet, lave vekt osv. På grunn av at dimensjonene av de profilseksjoner som produseres i dag ved ekstruderingsteknikk er forholdsvis små og fordi sveisemetodene som brukes for tiden for å sammenføye aluminiumprofilseksjoner ikke kan frembringe et helt tilfredsstillende resultat når det gjelder styrke, overflate og deformasjon, har ikke aluminium fått økt, men begrenset bruk, til tross for de ovennevnte fordeler dette materialet besitter.

Ved isteden å bruke friksjonsomrøringssveiseteknikken frembringes en sveiseskjøt hvis underside har en fin og glatt finish, med resulterende få punkter med belastningskonsentrasjon. I tillegg er styrken av en skjøt produsert med denne sammen-føyningsmetoden nesten lik styrken av grunnmaterialet. Et problem som man møter når man benytter sveisemetoder ifølge de ovenstående patentpublikasjoner for å sammenføye aluminiumprofilseksjoner, er at denne sveiseteknikken bare kan brukes til å sammenføye arbeidsstykker som er atskilt med en meget liten spalte. Skulle spalten overstige denne kritiske verdi, hvilket blant annet avhenger av tykkelsen av platemetallet fra hvilken profilseksjonen er laget, vil det bli produsert en sveisesøm med indre hulrom og redusert styrke. Som en følge av dette, vil ekstruderte aluminiumprofilseksjoner som ikke kan blir produsert i eksakte dimensjoner ved eksisterende fremstillingsmetoder, kreve forbehandling for å unngå for store spalter mellom profilseksjonene. Dette er spesielt viktig i tilfelle med sammensveising av langstrakte profilseksjoner, i hvilke til og med små deformasjoner kan forårsake uakseptable avvik. For å produsere aluminiumsplater for skrog, blir aluminiumprofilseksjoner med for eksempel en bredde på 300 mm og en lengde på 12 m brukt.

Et annet problem som man møter i friksjonsomrøringssveising er at deformasjoner av profilseksjonene kan oppstå også under selve sveisingen, da seksjonene blir utsatt for påvirkning av varme. Denne deformasjonen er imidlertid av mindre størrelse enn tilfellet med MIG og TIG sveising, da temperaturen aldri når smeltepunktet. Resultatet kan imidlertid være at dimensjonene av endeproduktet ikke vil ligge innenfor det akseptable toleranseområde, til tross for forbehandling av profilseksjonen. Dette problem blir møtt også i anvendelser hvor toleranseområdet for endeproduktet er mindre enn for de deltakende arbeidsstykker.

Et mål for den foreliggende oppfinnelse er således å frembringe et anlegg for friksjonsomrøringssveising, som muliggjør at to arbeidsstykker blir sveist sammen på en slik måte at det resulterende endeprodukt gitt stor styrke og faller innenfor et spesifisert toleranseområde uten at profilseksjonene må utsettes for en forbehandling i en spesiell enhet før de blir presentert for sveiseanlegget eller mellom de enkelte sveiseoperasjoner. På denne måte blir produksjonstiden så vel som produksjonskostnadene redusert.

Et annet mål for den foreliggende oppfinnelse er å frembringe et anlegg for friksjonsomrøringssveising, hvor det er mulig å produsere et endeprodukt som har et mindre toleranseområde enn de deltakende komponenter.

Disse mål oppnås med anlegget ifølge foreliggende oppfinnelse, slik det er definert med de i kravene anførte trekk.

På grunn av inkluderingen av et freseverktøy i anlegget, blir det mulig å oppnå en freseoperasjon før og/eller etter hver sveiseoperasjon, hvilket sikrer et akseptabelt toleranseområde i de enkelte aluminiumprofilseksjoner, så vel som det utformede aluminiumspanel uten at seksjoner eller paneler må føres gjennom en ekstern for- eller etterbehandlingsenhet. En ytterligere fordel er at aluminiumprofilseksjonene vil bli gitt en slik grad av retthet i freseoperasjonen at luftspaltene mellom arbeidsstykkene ikke overskrider den verdien ved hvilket en dårlig sveisefuge blir produsert.

Sveiseverktøyet kan være utskiftbart for det ovennevnte freseverktøy, og fortrinnsvis er det sistnevnte verktøy drevet av en drivenhet som betjener sveiseverktøyet. Alternativt, kan sveiseverktøyet og freseverktøyet drives av separate drivenheter. I sistnevnte tilfelle, kan freseverktøyet være plassert nær sveiseverktøyet eller i avstand fra dette.

Anlegget kunne også utformes med en utsparing i arbeidsbordet foran freseverktøyet for å gjøre det mulig å utføre freseoperasjonen gjennom hele tykkelsen av arbeidsstykket. I dette tilfelle må den operative posisjon for freseverktøyet være atskilt fra den operative posisjon av sveiseverktøyet, siden under sveising, direkte mothold av spalten fra arbeidsbordet er vesentlig for å oppnå en glatt underside av sveisefugen. Oppspenningsanordningen kunne plasseres i samme eller forskjellige posisjoner under sveising og fresing, mens arbeidsstykket må innta forskjellige posisjoner lateralt under sveising og freseoperasjoner. Som en følge av dette, blir hhv deaktivering og aktivering av oppspenningsanordningen oppnådd for å utløse arbeidsstykket og spenne det fast igjen.

Anlegget omfatter en avstandsdel som plasseres mellom arbeidsstykket og arbeidsbordet når freseverktøyet er i dets aktive posisjon. På grunn av denne anordning, kan oppspenningsanordningen og arbeidsstykket innta den samme posisjon lateralt under sveising og fresing, slik at man unngår behovet for å gjøre oppspenningsanordningen lateralt forskyvbar. Fra et maskinkonstruksjons synspunkt, er dette en betydelig fordel.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives i mer detalj under henvisning til tegningene, som illustrerer forskjellige utførelser av anlegget ifølge oppfinnelsen, og hvor figur 1 viser et lateralt riss av en første utførelse av et anlegg for friksjonsomrøirngssveising ifølge oppfinnelsen, hvor anlegget er sett i sin sveiseposisjon, figur 2a er et forstørret riss av en del av anlegget på figur 1, figur 2b illustrerer den samme del som figur 2a, men anlegget er vist i sin freseposisjon, figur 3a er et tverrsnittsriss gjennom en annen utførelse, hvor anlegget er vist i freseposisjon, figur 3b illustrerer en tredje utførelse av anlegget i dets freseposisjon, figur 4 er et tverrsnittsriss av en fjerde utførelse av anlegget, vist i dets kombinerte sveise- og freseposisjon.

Anlegget 1 som illustrert på figur 1 er tilpasset til å brukes til å sveise sammen ekstruderte aluminiumprofilseksjoner 2 for å danne et aluminiumspanel 3. Uttrykket aluminium er brukt her for å betegne enten rent aluminium eller en legering av aluminium og et annet metall, så som magnesium. Antallet av aluminiumproiflseksjoner som skal sveises sammen bestemmes ved bredden av vedkommende profilseksjon, hvilket for eksempel kunne ha en bredde på 300 mm og en lengde på 12 mm, og ved den ønskede bredde av det ferdige panel. Fremstillingen er utført ved sveising av en frisk aluminiumprofilseksjon på den høyre kant av den umiddelbart foregående profilseksjon, som illustrert på figur 1, hvor denne umiddelbart foregående profilseksjon i sin tur har tidligere vært sveist til den høyre kant av den foregående profilseksjon. Med andre ord, bredden av aluminiumproiflseksjonen som blir fremstilt øker med bredden av en profilseksjon for hver separat sveiseoperasjon.

I samsvar med eksempelet på figur 1, er panelet 3 som blir fremstilt, øket med en aluminiumprofilseksjon 2, bestående, ved en ende av den pågående sveiseoperasjon, av fem aluminiumprofilseksjoner. Etter sveising, blir panelet forskjøvet til venstre som vist på figur 1 ved en periodisk virkende kjede transportør, over en avstand som tilsvarer bredden av vedkommende profilseksjon. Samtidig blir en frisk aluminiumprofilseksjon entret ved hjelp av en innmatingsanordning 40 som er anordnet for forskyvning langs bjelkene 41. Sistnevnte er fast forbundet med maskinrammen 50 på anlegget.

Under sveiseoperasjonen blir aluminiumprofilseksjonen 2 og det halvferdige aluminiumspanel 3 holdt sammen og festet til arbeidsbordet 7 ved oppspenningsanordningene 5 og 6. Oppspenningsanordningene 5 og 6 består hhv av en trekantet trykkdel som via armene 8 og 9 blir holdt på plass i kontakt med de respektive arbeidsstykker 2 og 3 under sveiseoperasjonen ved hjelp av trykksylinderenhetene 10 og 11. Trykksylindrene 10 og 11 er forbundet med arbeidsbordet 7 og maskinrammen 50. Oppspenningsanordningene er anordnet i par som vender mot hverandre langs kantene av sveisefugen mellom arbeidsstykkene. Avstanden mellom senterlinjene på to nærliggende par er omkring 500 mm i det angjeldende eksempel. På grunn av det reduserte rom som er tilgjengelig, blir hver trykkdel 5 drevet av en separat trykksylinder 10, mens to nærliggende trykkdeler 6 blir drevet av en felles trykksylinder 11 via armen 9. For dette formål, har armen en U-formet konfigurasjon, hvor trykkdelen er festet på benene av den U-formede arm, og trykksylinderen til banen av denne. I dette tilfelle består arbeidsbordet av et stasjonært, horisontalt maskinbord 7a på hvilket en motholdsskinne 7b er fast montert.

Spalten mellom profilseksjonen 2 og panelet 3 er plassert rett overfor motholdsskinnens senterlinje. Årsaken til at arbeidsstykkene ikke er plassert direkte på maskinbordet, men på den mellomliggende motholdsskinne er en ren sikker-hetsforanstaltning, idet det er meget mer beleilig å skifte ut en forholdsvis mindre motholdsskinne enn hele maskinbordet, om toppoverflaten av dette skulle bli utsatt for skade under fremstillingen av panelet. Aluminium er et meget mykt metall, og plastifiseringen under sveiseoperasjonen vil forårsake at det inntar en identisk konfigurasjon med den på toppoverflaten av motholdsskinnen, og følgelig vil eventuelle fordypninger i denne toppoverflaten bli reprodusert i form av fremspringende formasjoner på bunnoverflaten av panelet. Det ferdige aluminiumspanel ville således ikke møte de fastsatte kvalitetsstandarder.

Sveisingen blir utført ved hjelp av et sveiseverktøy 12, utformet, se figur 2a, som et sylindrisk legeme 12a og en pinne 12b som er festet til det, hvor den øvre del av legemet er forbundet med en roterende spindel 13 drevet av en drivenhet, ikke vist, så som en drivmotor, og understøttet av en løper 14. Løperen beveger seg langs arbeidsstykkene 2 og 3 ved hjelp av en drivenhet, ikke vist. Legemet og pinnen på sveiseverktøyet kunne utformes på den måte som viser seg fra hvilken som helst av de utførelser som er beskrevet i WO 93/10935 eller WO 95/26254.

For å sikre at sveiseverktøyet er på plass i samme stilling i forhold til arbeidsstykkets fugekanter langs hele fugen, er løperen 14 forbundet med arbeidsbordet 7 via to føringssko 15a og 16a, som hver beveger seg langs hver sin på arbeidsbordet monterte føringsskinne 15b og 16b. Herved oppnås en rettlinjet bevegelse i forhold til arbeidsbordet.

Figur 1 viser også et avstandselement 17 som er fast montert på holdere 18. En trykksylinderenhet 19 forskyver hver holder fra en hvilestilling (vist i heltrukne linjer), i hvilken posisjon avstandselementet er atskilt fra motholdsskinnen, til en kontaktposisjon (vist stiplet) i hvilken avstandselementet er plassert på toppen av motholdsskinnen. I denne posisjon strekker avstandselementet seg langs hele motholdsskinnen, og følgelig vil antallet holdere blir bestemt ved lengden av motholdsskinnen, som i dette tilfelle er omkring 16 m, og i det viste eksempel er det brukt seks holdere.

På figur 2b er sveiseverktøyet 12 erstattet med et konvensjonelt freseverktøy 20 som likeledes er forbundet med spindelen 13, og således blir drevet av spindelens drivenhet. Ifølge denne utførelse, er freseposisjonen sammenfallende med sveiseposisjonen. Holderen 18 inntar sin kontaktposisjon og følgelig blir avstandselementet 17 plassert på toppen av motholdsskinnen 7b. Det halvferdige aluminiumspanelet 3 er således atskilt fra toppoverflaten av motholdsskinnen. Som et resultat, kan den høyre kant av arbeidsstykket 3 blir utsatt for freseoperasjoner også ved den nedre kant uten noen risiko for samtidig fresing av toppoverflaten av motholdsskinnen. Uønsket arbeid av motholdsskinnen er således unngått. Panelet 3 er fastspent til motholdsskinnen 7b også under freseoperasjonen, ved hjelp av oppspenningsanordningen 6, hvor sistnevnte inntar den samme posisjon i forhold til motholdsskinnens senterlinje c som under sveisingen som vist på figur 2a.

På figur 3a er avstandselementet erstattet med en forsenkning i form av et spor 21 som strekker seg langs hele motholdsskinnen 7b. I sveiseoperasjonen, vil aluminium innta formen av toppoverflaten på stangen, for hvilken grunn sporet ikke må plasseres i det område av motholdsskinnen som tjener som en form for arbeidsstykkene 2,3. Følgelig må freseposisjonen være separat fra sveiseposisjonen, og avstanden fra motholdsskinnens senterlinje c til den indre kant av sporet 21 må være lik eller større enn avstanden fra senterlinjen til den ytre kant av sveiseverktøyet. Freseposisjonen så vel som panelet 3 blir således forskjøvet til venstre sammenliknet med posisjonen på figur 2b. Også ifølge denne utførelsen, er panelet 3 spent til motholdsskinnen 7b ved oppspenningsanordningen 6, hvor sistnevnte inntar den samme posisjon i forhold til senterlinjen c av motholdsskinnen og under sveise- og freseoperasjonene ifølge figurene 2a og 2b. Oppspenningsanordningen 6 må imidlertid deaktiveres og reaktiveres for å tillate lateral forskyvning av arbeidsstykket i mellomtiden mellom sveiseoperasjonen og freseoperasjonen. Som følge av dette blir freseverktøyet beveget nærmere oppspenningsanordningen enn i tilfellet i den foregående utførelse, hvilket forårsaker problemer når arbeidsstykket som skal skjøtes ved sveising består av tynne metallplater. Jo tynnere arbeidsstykkene, jo nærmere må oppspenningsanordningene plasseres til sveiseverktøyet for å være i stand til å holde arbeidsstykkene på plass til tross for de betydelige krefter som virker på dem under friksjonsomrøringssveiseoperasjonen, og mindre rom er tilgjengelig for freseverktøyet, spesielt når et freseverktøy med ordinær diameter skal brukes. For å unngå dette problem kan oppspenningsanordningen utformes til å tillate at de plasseres i forskjellige posisjoner under sveiseoperasjonen og freseoperasjonen, som vist på figur 3b.

Som illustrert på figur 4, kunne freseverktøyet være en separat enhet 22 drevet av en separat drivenhet 23, og i dette tilfelle er freseverktøyet atskilt fra sveiseverktøyet. En følge av denne anordning er at samtidig som aluminiumprofilseksjonen 2 blir sveist til det halvferdige aluminiumspanel 3 ved den venstre kant, kan dens høyre kant bli utsatt for en utrettende freseoperasjon, som sikrer en akselerert produksjonstakt. Skjønt freseverktøyet 22 blir drevet av en separat drivenhet, er det selvfølgelig mulig å plassere den nær sveiseverktøyet.

Når et forutbestemt antall aluminiumprofilseksjoner skal sveises sammen for å danne et aluminiumspanel av ønsket størrelse, blir to aluminiumprofilseksjoner først fastspent til anlegget 1 ved hjelp av oppspenningsanordningene 5 og 6 mens man sikrer at luftspalten mellom de kanter av profilene som vender mot hverandre, ikke overskrider en størrelse som ville frembringe en uakseptabel dårlig sveis. Som det fremgår fra figur 2a, er spalten plassert i innretning rett overfor motholdsskinnens 7b senterlinje c. Den kritiske spaltebredde varierer i henhold til tykkelsen av metallplaten av profilseksjonene, og i tilfellet med en platetykkelse på omkring 6 mm, er den kritiske spalte på omkring 1 mm. Sveiseoperasjonen blir startet med å forårsake at sveiseverktøyet roterer i en viss hastighet mens den samtidig blir forskjøvet langs spalten med en forutbestemt hastighet. Som beskrevet i innledningen, vil de marginale kantene på profilseksjonene bli plastifisert mens de samtidig blir presset sammen. Etter størkning, er det således utformet en homogen søm som har stor styrke. Når sveiseverktøyet 12 har beveget seg langs hele fugen og den individuelle sveiseoperasjon således er fullført, blir trykksylinderenhetene 10a og 11 aktivert, og deaktiverer således oppspenningsanordningene hhv 5 og 6. Følgelig blir aluminiumspanelet 3 som nettopp er utformet utløst fra arbeidsbordet 7, og blir brakt fremover ved kjedetransportøren 14 til venstre på figur 1 med en avstand som tilsvarer bredden av en aluminiumprofilseksjon, slik at panelet kan sveises på den måten som nettopp er beskrevet til en frisk aluminiumprofilseksjon 2 som blir levert med en innmatingsanordning 40.

Når for eksempel fire aluminiumproiflseksjoner 2 er sveist sammen blir den høyre marginale kant av panelet således utformet undersøkt i forhold til retthet, og skulle dette avvike fra forutbestemte toleranseverdier blir en freseoperasjon utført ved hjelp av freseverktøyet 20 før sveising, i tilfeller når sveisingen blir utført i henhold til utførelsene på figur 2b, 3a og 3b, men samtidig med sveisingen i tilfelle freseoperasjonen blir utført ved hjelp av en separat freseenhet 22 som illustrert på figur 4. Utførelsen ifølge figur 2b krever at avstandselementet 17 blir plassert under panelet 3 ved holderne 18 før fastspenning ved hjelp av oppspenningsanordningen 6. Når utførelsen på figur 3a er brukt, må på den annen side spindelen 13 så vel som panelet 3 bli forskjøvet til venstre som sett på denne figuren, før fresing. Ifølge utførelsen på figur 3 må også oppspenningsanordningen 6 forskyves til venstre som vist på den figuren, før fresing. Ifølge disse tre utførelsene blir fresing utført før en frisk aluminiumprofilseksjon blir spent på plass ved hjelp av oppspenningsanordningen 5, og den sistnevnte vil således ikke forstyrre freseoperasj onen.

Etter fresing blir freseverktøyet 20 utskiftet med sveiseverktøyet 12 og den ovenstående sveisesyklus blir gjentatt til en ny korrigerende freseoperasjon må utføres. Frekvensen for freseoperasjoner avhenger åpenbart av fremstillingsnøyaktigheten for profilseksjonene og av den ønskede kvalitet av ferdige det aluminiumspanel.

Oppfinnelsen skal ikke anses som begrenset til de ovennevnte utførelser, men kunne modifiseres på mange måter innenfor omfanget av kravene. For eksempel, sveiseverktøyet kunne være automatisk utskiftbar for freseverktøyet istedenfor manuelt, ved hjelp av en verktøyskiftemekanisme (ikke vist). Anlegget kunne brukes til å sveise sammen arbeidsstykker laget av andre metaller eller metallegeringer enn aluminium, så som for eksempel titan eller stål. Som regel blir anlegget brukt til å sveise to arbeidsstykker til hverandre, så som et halvferdig aluminiumspanel og en ny aluminiumprofilseksjon, men det kunne like godt brukes til å reparere sprekker utformet i et arbeidsstykke, så som et ferdig aluminiumspanel.

Claims (6)

1. Anlegg (1) for friksjonsomrøirngssveising, omfattende et sveiseverktøy (12), en drivenhet (13) for fremdrift av sveiseverktøyet, et arbeidsbord (7) for understøttelse av arbeidsstykket eller arbeidsstykkene (2, 3) som skal sveises, og minst en oppspenningsanordning (5, 6) for fastspenning av arbeidsstykkene mot hverandre og/eller mot arbeidsbordet eller arbeidsstykkene mot arbeidsbordet under sveiseoperasjonen, karakterisert ved at det også omfatter et freseverktøy (20, 22) og at det også omfatter et avstandselement (17) som er plassert mellom arbeidsstykket (3) og arbeidsbordet (7) når freseverktøyet er tilkoplet hvorved fresestillingen i det vesentlige stemmer overens med sveisestillingen.

2. Anlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at sveiseverktøyet (12) kan erstattes av freseverktøyet (20) og at freseverktøyet drives av sveiseverktøyets drivenhet (13).

3. Anlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at sveiseverktøyet (12) og freseverktøyet (22) blir drevet med separate drivenheter (13, 23).

4. Anlegg ifølge krav 3, karakterisert ved at freseverktøyet (22) er anordnet i tilslutning til sveiseverktøyet (12).

5. Anlegg ifølge foregående krav, karakterisert ved at oppspenningsanordningen (6) er innrettet i samme posisjon under sveiseoperasjonen og freseoperasjonen.

6. Anlegg ifølge krav 1-4, karakterisert ved at oppspenningsanordningen (6) er innrettet i forskjellige posisjoner under sveiseoperasjonen og freseoperasjonen.