NO317577B1

NO317577B1 - Sveiseanordning for friksjonsomroringssveising

Info

Publication number: NO317577B1
Application number: NO19995509A
Authority: NO
Inventors: Rolf Larsson
Original assignee: Esab Ab
Priority date: 1997-05-16
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2004-11-15
Also published as: CA2290395C; AU731300B2; NO995509D0; DK1021270T3; US6264088B1; JP2001525730A; EP1021270A1; ES2177010T3; NO995509L; AU7463398A; JP4406092B2; CA2290395A1; DE69805089D1; EP1021270B1; WO1998051441A1; DE69805089T2

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en sveiseanordning for sammenføyning av arbeidsstykker langs en fuge mellom arbeidsstykkene ved hjelp av friksjonsomrørings-sveising, hvor sveiseanordningen omfatter en sveisesonde som er innrettet til å føres fremover langs fugen under sveiseoperasjonen og omfatter et legeme og en tapp, hvor legemet er innrettet til å trykkes an mot de øvre flater på arbeidsstykkene under sveiseoperasjonen mens tappen er innrettet til å beveges langs fugen under sveisingen mens den roteres og trykkes an mot arbeidsstykkene.

Definisjonen friksjonsomrøringssveising henviser til en sveisemetode hvor arbeidsstykkene som skal sammenføyes gjøres myke langs deres sammenføyningslinje ved tilførsel av friksjonsvarme fra en roterende sveisesonde, som beveges langs fugen mellom arbeidsstykkene, mens den samtidig trykkes an mot arbeidsstykkene..Som beskrevet i WO93/10935 og W095/26254 bør sveisesonden fremstilles av et materiale som er hardere enn materialet i arbeidsstykkene, og under sveiseoperasjonen bør arbeidsstykkene være fast festet til hverandre og til arbeidsbordet. I så henseende skiller denne teknikk seg fra konvensjonell friksjonssveising hvor friksjonsvarmen utvikles av arbeidsstykkenes relative bevegelse når de trykkes sammen, dvs. at friksjonsvarmen frembringes bare av de to komponenter som skal sammenføyes. Denne friksjonsomrøringssveiseteknikk ifølge de ovennevnte publikasjoner kan benyttes til sveising av forskjellige materialer, såsom plast, metaller etc, -på forskjellige an-vendelsesområder, f.eks. for å sammenføye arbeidsstykker, for å reparere sprekker i et arbeidsstykke, osv. Ut-formingen av sveisesonden bestemmes f.eks. av materialet som skal sveises og av den bestemte anvendelse.

Ett av problemene man støter på ved utøvelsen av sveisemetoden som er beskrevet i de ovennevnte patentpublikasjoner for sammenføyning av f.eks. aluminiumprofilseksjoner er at vertikalt må sveisesonden i prinsippet rage gjennom hele fugen mellom arbeidsstykkene som skal sveises sammen for å sikre at den resulterende sveis vil rage hele veien fra arbeidsstykkenes øvre flater til de nedre flater, dvs. at det frembringes en fullstendig penetrering. Sveisesonden som er beskrevet i de ovennevnte patentpublikasjoner er i form av et roterbart, stort sett sylindrisk legeme

hvis øvre parti er forbundet med en drivenhet og hvis nedre parti er utstyrt med en ko-roterende tapp. Hovedforskjellen mellom sonden ifølge WO93/10935 og sonden ifølge W095/26254 er at ifølge den førstnevnte er sondens legeme og tapp utformet i ett stykke mens ifølge sistnevnte er de to sepa-rate stykker. Ifølge sistnevnte patentpublikasjon er imidlertid legemet og tappen sikkert forbundet med hverandre under sveiseoperasjonen. Følgelig må hele sveisesonden eller i det minste tappen i denne skiftes ut ifølge sistnevnte patentpublikasjon for at arbeidsstykker av forskjellige tykkelser skal kunne sveises sammen.

Et ytterligere problem er at tykkelsen til arbeidsstykkene som sammenføyes'kan variere langs fugen, og følge-lig vil sluttproduktet ikke være utformet med en sveis som rager helt gjennom fugen, dvs. at sammenføyningsoperasjonen

■•ikke vil resultere i en akseptabel sveis.

Et annet problem som påtreffes hos kjente sveisesonder er dannelse av en utgangsåpning i punktet hvor sonden løftes av den fremstilte sveis etter fullføring av sveiseoperasjonen.

Et annet problem er at kjente sveisesonder utelukker enhver tilførsel av ytterligere materiale under sveiseoperasjonen på skikkelig måte, en tilførsel som er ønskelig når man ønsker at legemet trykkes an mot de øvre flater av arbeidsstykkene uten at det nedre parti av legemet, dvs. dets såkalte skulder, kommer inn i arbeidsstykkene.

Et formål med den foreliggende oppfinnelse er således å frembringe en sveiseanordning for anvendelse i friksjons-omrøringssveiseoperasjoner som på en hensiktsmessig og hurtig måte kan tilpasses til forskjellige tykkelser i arbeidsstykkene som skal sammenføyes eller som kan justere seg selv til tykkelsesvariasjoner i arbeidsstykkene.

Et annet formål med oppfinnelsen er å frembringe en sveiseanordning av den omtalte type, som muliggjør til-førsel av ytterligere materiale under sveiseoperasjonen.

Disse formål oppnås ifølge oppfinnelsen med en sveiseanordning for anvendelse i friksjonsomrøringssveising av den innledningsvis angitte art, hvor sonden er kjennetegnet ved at tappen og legemet er anordnet slik i forhold til hverandre at de er innbyrdes bevegelige, noe som gjør det mulig for tappen og legemet å utføre forskjellige beveg-elsesmønstre i forhold til hverandre.

Som en følge av at sveiseanordningens sonde er konstruert i form av en tapp og et legeme som er slik anordnet i forhold til hverandre at de er innbyrdes bevegelige, hvorved det blir mulig for dem å utføre innbyrdes forskjellige bevegelsesmønstre, vil ethvert materiale som myknes under sveiseoperasjonen bli sikkert holdt tilbake under det nedre parti av legemet, og følgelig kan posi-sjonen til tappen i forhold til fugen justeres på en måte som sikrer at det vil bli dannet en sveis med fullstendig penetrering i fugens fulle utstrekning.

Fordelaktige modifiserte utførelsesformer av denne sveiseanordning er angitt i de uselvstendige krav.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet mer detaljert i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et sideriss av et apparat utformet for friksjonsomrøringssveising og omfattende en sveiseanordning ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser et tverrsnitt i større skala av en første utførelsesform av en sveisesonde som er anbrakt i sveiseanordningen. Fig. 3 viser et tverrsnitt i større skala ved andre utførelsesformer av sveisesonden. Fig. 4 viser et snitt etter linjen IV-IV gjennom sveisesonden som er vist i fig. 3.

Apparatet som er vist i fig. 1 er beregnet for sammen-føyning av to arbeidsstykker 1, 2 i form av f.eks. to ekstruderte aluminiumprofilseksjoner ved friksjonsom-røringssveising. Apparatet omfatter et arbeidsbord som har en understøttelsesstang i form av en I-bjelke, et hori-sontalt maskinbord 5 samt en stasjonær, stiv ramme 6. Apparatet omfatter også et antall klemanordninger 7 og 8 som er innrettet til å klemme arbeidsstykkene 1 og 2 sikkert til hverandre og til arbeidsbordet 3 under sveiseoperasjonen. Hver klemanordning 7 og 8 vil kunne være et trykkelement som er forbundet med en trykksylinder. Apparatet omfatter likeledes en sveiseanordning som er utformet med en sveisesonde 9 og en ikke vist drivenhet for å føre sveisesonden fremover langs en eksisterende fuge mellom arbeidsstykkene.

Slik det fremgår klarest av fig. 2 er sveisesonden 9 utformet som et stort sett konisk rotasjonssymmetrisk legeme 10 som har et innvendig hulrom 11 og en ende-til-ende boring 12 anordnet i sentrum av legemets nedre koniske ende 10a. På grunn av dens utseende vil denne ende 10a i det etterfølgende bli benevnt skulder. Den utvendige del av skulderen er utformet med en konkav bunnflate 13 som boringen 12 munner ut i midten av. I den øvre, større ende av legemet 10 forbinder et lag av 15 legemet rotasjons-messig med et stasjonært mellomliggende organ 14. Dette mellomliggende organ 14 er i dets øvre ende utstyrt med to dreietapper 16 som hver er montert i en gaffelformet bærer 17 som er utformet for å senke og løfte det mellomliggende organ og følgelig legemet 10 vertikalt. Det mellomliggende organ 14 er også utformet med et hulrom 18 som munner ut i legemets 10 hulrom 11.

En rotasjonsspindel 19 i hvis nedre ende det er montert en konisk, gjenget tapp 20, er anordnet i hul-rommene 18 og 11 på slik måte at tappen 20 rager frem fra boringen 12 i skulderen 10a. Et periferilager 21 forbinder spindelen 19 og det mellomliggende organ 14, og overfor det utvidete parti 10b av legemet 10 bærer spindelen 10 en ut-vendig tannring 22. Det utvidete parti 10b bærer likeledes en innvendig tannring 23 på det øvre parti av dets innvendige flate, hvor tannringen 23 er i kontakt med den utvendige tannring 22 ved hjelp av et antall frittløpende tannhjul 24, f.eks. seks slike hjul. Som følge av dette arrangement er spindelen 19 i stand til å rotere tappen 20 og skulderen 10b, om enn med forskjellige rotasjonshastig-heter, avhengig av antallet tenner på tannringene 22 og 23, og i motsatte retninger.

Som det likeledes fremgår av tegnings.figuren er det anordnet en tilførselsanordning 25 i form av et langstrakt rør som rager gjennom det mellomliggende organ 14 og hulrommet 11 i legemet 10 slik at det munner ut nøyaktig over boringen 12. I dets nedre ende er røret bøyet i vinkel for at det skal kunne opptas mellom det innvendige, øvre parti av skulderen og spindelens nedre, koniske ende.

Av fig. 1 fremgår det likeledes at legemets skulder 10a blir tvunget an mot de øvre flater på arbeidsstykkene 1 og 2 under sveiseoperasjonen, mens tappen 20 mens den roterer blir ført fremover i fugen mens den trykkes an mot arbeidsstykkene.

Sveisesonden 9 ifølge utførelsesformen i fig. 3 og 4 består slik som den i fig. 2 av en rotasjonsspindel 30 på

hvis nedre parti det er anordnet en roterbar, gjenget tapp 31. Men legemet 32 er asymmetrisk og er ikke innrettet til å rotere, men å oscillere i forhold til tappen 31. Slik det også fremgår av fig. 4 er legemet i form av en konus fra hvis nedre parti en del er blitt fjernet for å danne en nedre, skulderliknende ende 32b. Legemet er også utformet med et innvendig hulrom 33 og en øvre, utvidet ende 32. I sin nedre ende er skulderen utformet slik at den omfatter

en konkav bunn '34 i hvis sentrum det munner ut en boring 35. Som i den tidligere utførelsesform rager tappen 31 fra denne boring.

I dets øvre, utvidete ende 32b er legemet roterbart forbundet med et stasjonært, mellomliggende organ 40 ved hjelp av et lager 36.

Som det likeledes fremgår av fig. 1 er det anordnet en tilførselsanordning 37 i form av et langstrakt rør som rager gjennom det mellomliggende organ 4 0 og hulrommet 33 i legemet 32 slik at det munner ut nøyaktig over boringen 35. Rørets nedre ende er bøyd i en vinkel for at det skal kunne opptas mellom det innvendige, øvre parti av skulderen og spindelens nedre, koniske ende.

Som det særlig fremgår av fig. 4 er legemets 32 øvre, høyre parti utstyrt med et bindeledd 38 hvis motstående ende er forbundet med en roterbar ekssenteraksel 39. Som følge av dette arrangement kan legemet 32 bibringes en oscillerende bevegelse i horisontalplanet i forhold til de øvre flater av arbeidsstykkene 1 og 2 istedenfor en roterende bevegelse slik tilfellet er i den første utførelses-form. Imidlertid vil begge bevegelser forårsake at det dannes friksjonsvarme mellom skulderen og arbeidsstykkenes øvre flater. Også i dette tilfelle er det mulig å anbringe et skjærende verktøy på den oscillerende skulder med det formål å etterbehandle den sveisete flate.

Når arbeidsstykkene 1 og 2 skal sammenføyes ved hjelp av friksjonsomrøringssveising festes arbeidsstykkene 1 og 2

i begynnelsen ved hjelp av klemanordningene 7 og 8, hvorved det passes på at fugen, dvs. luftspalten, mellom arbeidsstykkenes endekanter som vender mot hverandre ikke over-skrider dimensjoner som kan forårsake at det dannes en mangelfull sveis. En ikke vist drivmotor bevirker deretter at spindelen 19 eller 30 roterer mens samtidig hele sveisesonden 9 bringes til å bevege seg med en forutbestemt hastighet langs fugen, drevet av den ovennevnte drivenhet. Også legemet 10 vil bli brakt til å rotere i motsatt rota-sjonsretning av tappen 20, men med en annen hastighet. Som nevnt ovenfor vil legemet 32 istedenfor utføre en oscil-

lerende bevegelse. Derved blir tappen og legemet ifølge begge utførelsesformer innrettet på slik måte i forhold til hverandre at de beveger seg med forskjellige bevegelses-mønstre under sveiseoperasjonen. Friksjonsvarme som dannes ved bevegelsene av legemet og skulderen vil som beskrevet innledningsvis forårsake at arbeidsstykkenes endekanter mykner mens de samtidig er festet ved hjelp av klemanordningene 7 og 8.

For å oppnå en sveis med fullstendig penetrering langs hele fugen, uavhengig av varierende tykkelser i arbeidsstykkene som skal sammenføyes, er en ikke vist servo-mekanisme forbundet med sveisesonden på slik måte at det forårsakes at de relative posisjoner mellom tappen og skulderen varierer vertikalt som reaksjon på nevnte tykkelsesvariasjoner, noe som sikrer at tappen i prinsippet rager gjennom hele fugen i sveiseoperasjonens varighet, dvs. at avstanden tappen rager frem under skulderen tilsvarer fugens dybde. De forskjellige bevegelsesmønstre for henholdsvis skulderen og tappen sikrer at ethvert materiale som myknes av friksjonsvarmen holdes på plass sikkert under skulderen og hindres i å trenge inn i boringen 12 eller 35 mellom tappen og skulderen, og som et resultat kan tappens posisjon vertikalt forandres uten problem under hele sveiseoperasj onen.

Den utvendige gjenging av tappene 20 og 31 bevirker at materialet som myknes under sveiseoperasjonen av friksjonsvarmen som dannes under operasjonen flyter i tappens lengderetning, såkalt pumpevirkning. Ifølge den første ut-førelsesform øker denne pumpevirkning som følge av rota-sjonen av legemet og tappen i motsatte retninger. Pumpe-virkningen bedres ytterligere dersom i tillegg boringene 12 og 15 i legemene er gjenget. Denne pumpevirkning i kombina-sjon med den ovenfor beskrevne relative bevegelse av tappen og skulderen gjør det også mulig å tilføre ytterligere materiale som tilføres til boringenes 12 og 15 øvre munner ned gjennom skulderen og inn i fugen for å frembringe mer materiale når materialet i arbeidsstykkene som sådanne er utilstrekkelig, enten for å fylle utløpskrateret som dannes når tappen løftés av den utformede sveis ved slutten av sveiseoperasjonen, eller for å tilføres mellom de øvre flater av arbeidsstykkene og skulderen, eller for å hindre skulderen i å trenge inn i arbeidsstykkenes øvre flater. I sistnevnte tilfelle trykkes legemet, slik som i det ovenfor beskrevne tilfelle, an mot de øvre flater av arbeidsstykkene, men via tilført mellomliggende materiale.

For å hindre at materialet som myknes under sveiseoperasjonen danner en permanent binding mellom legemet og tappen ved avkjøling etter sveiseoperasjonen er legemet og tappen forbundet med hverandre på slik måte at de er koaksialt forskyvbare vertikalt i forhold til hverandre. Enten kan tappen løftes av boringen i skulderen etter hver individuell sveiseoperasjon, eller ellers kan den øvre tappende, som er forbundet med spindelen, være utformet med et halsparti som har en betydelig mindre diameter enn boringen, et arrangement som hindrer sveisemetall fra å binde delene sammen under avkjølingstrinnet.

For å oppnå den ønskede sveisetemperatur hurtigere er det mulig å tilføre ekstra varme før og/eller under sveiseoperasjonen. Det er likeledes mulig å tilføre ekstra varme under og/eller etter sveiseoperasjonen til legemet og/eller tappen for å hindre legemet og tappen i å bli permanent bundet til hverandre med det myknete materiale som dannes under sveiseoperasjonen.

Det er mulig å modifisere sveiseanordningen slik at legemet og tappen kan rotere i samme retning med samme

-•eller forskjellige hastigheter. Alternativt vil legemet og tappen kunne innrettes til å rotere med samme gjennom-snittshastighet, men på en pulserende roterende måte, noe som gjør relative bevegelser mellom legemet og tappen mulig under stort sett hele sveiseoperasjonen. De forskjellige bevegelsesmønstre vil også kunne oppnås ved å gjøre legemet ubevegelig, dvs. stasjonært, under sveiseoperasjonen. I dette tilfelle er det nødvendig å oppvarme legemet elektrisk eller ved hjelp av et varmebærende medium for å kompensere for varmen som går tapt på grunn av at det stasjonære legeme i dette tilfelle ikke frembringer noen

friksjonsvarme. Også når legemet ikke er stasjonært, dvs. oscillerer, kan det være nødvendig å tilføre ytterligere varme på grunn av at den dannede friksjonsvarme kanskje ikke er tilstrekkelig til å mykne arbeidsstykkenes endekanter tilfredsstillende.

Claims

1. Sveiseanordning for sammenføyning av arbeidsstykker (1, 2) langs en fuge mellom arbeidsstykkene ved hjelp av friksjonsomrøringssveising, hvor sveiseanordningen omfatter en sveisesonde (9) som er innrettet til å føres fremover langs fugen under sveiseoperasjonen og omfatter et legeme (10; 32) og en tapp (20; 31), hvor legemet er innrettet til å trykkes an mot de øvre flater på arbeidsstykkene under sveiseoperasjonen mens tappen er innrettet til å beveges i fugen under sveisingen mens den roteres og trykkes an mot arbeidsstykkene, karakterisert ved at tappen (20; 31) og legemet (10; 32) er anordnet slik i forhold til hverandre at de er innbyrdes bevegelige, noe som gjør det mulig for tappen og legemet å utføre forskjellige bevegelsesmønstre i forhold til hverandre.

2. Sveiseanordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at tappen (20; 31) er innrettet til å rotere i en ende-til-endeboring (12; 35) i legemet (10; 32) på slik måte at avstanden tappen tillates å rage under legemet tilsvarer fugens dybde i hvert punkt langs fugen under hele sveiseoperasjonen.

3. Sveiseanordning i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at tappen (20; 31) har utvendige gjenger for å muliggjøre en strømning rettet i tappens lengderetning, såkalt pumpevirkning, av materialet som myknes under sveiseoperasjonen ved friksjonsvarmen som dannes under operasjonen, og/eller av ytterligere materiale som innrettes til å tilføres til fugen.

4. Sveiseanordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at også legemet (10; 32) er roterbart under sveiseoperasjonen.

5. Sveiseanordning i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at legemet (10; 32) og tappen (20; 31) er innrettet til å rotere i motsatte retninger og/eller ved forskjellige hastigheter i forhold til hverandre.

6. Sveiseanordning i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at legemet (10; 32) og tappen (20; 31) er innrettet til å rotere med samme gjen-nomsnittlige rotasjonshastighet, men på en pulserende, roterende måte, hvorved en relativ bevegelse mellom legemet og tappen kan oppnås under stort sett hele sveiseoperasjonen .

7. Sveiseanordning i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at legemet (10; 32) er innrettet til å oscillere under sveiseoperasjonen.

8. Sveiseanordning i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at legemet (10; 32) er stasjonært under sveiseoperasjonen.

9. Sveiseanordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at legemet (10;

32) er innrettet til å oppvarmes ved tilførsel av ekstern ■energi for å frembringe varme som er nødvendig for sveiseoperasjonen i tillegg til friksjonsvarme som dannes av tappen (20; 31) under sveiseoperasjonen.

10. Sveiseanordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at legemet (10;

32) og tappen (20; 31) er forbundet med hverandre på slik måte at de er koaksialt forskyvbare i forhold til hverandre for å muliggjøre bevegelse av tappen og legemet i forhold til hverandre etter sveiseoperasjonen på slik måte at ethvert myknet materiale som dannes under sveiseoperasjonen hindres i å danne en permanent binding mellom legemet og tappen under avkjøling etter sveiseoperasjonen.

11. Sveiseanordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at ytterligere varme blir tilført til legemet (10; 32) og/éller tappen (20; 31) før og/eller under sveiseoperasjonen for å oppnå den ønskede sveisetemperatur hurtigere.

12. Sveiseanordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at ytterligere varme blir tilført til legemet (10; 32) og/eller tappen (20; 31) under og/eller etter sveiseoperasjonen for å hindre myknet materiale som dannes under sveiseoperasjonen i å danne en permanent binding mellom legemet og tappen.

13. Sveiseanordning i samsvar med et av kravene 2-12, karakterisert ved at ytterligere materiale er innrettet til å bli tilført til fugen og/eller til de øvre flater på arbeidsstykkene (1, 2) ved hjelp av en tilførselsanordning som munner ut ved boringen {12; 35) som er utformet i legemet.

14. Sveiseanordning i samsvar med krav 7, karakterisert ved at et verktøy som er utformet for arbeid på den fremstilte sveisefugeflate er festet til legemets (10; 32) bakre parti.