NO323177B1 - Fremgangsmate og apparat for friksjonsomroringssveising - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for friksjonsomrøringssveising, hvor arbeidsstykker som skal sveises anbringes på et arbeidsbord i et apparat for friksjonsomrøringssveising, og ved hjelp av en klemanordning klemmes til hverandre og/eller til arbeidsbordet og hvor en sveisesonde med roterende spindel er innrettet til å beveges langs en fuge mellom arbeidsstykkene mens den trykkes an mot arbeidsstykkene under sveisingen.

Oppfinnelsen vedrører også et apparat for friksjonsom-røringssveising, omfattende et arbeidsbord som understøtter arbeidsstykkene som skal sveises, minst én klemanordning for klemming av arbeidsstykkene mot hverandre og/eller mot arbeidsbordet, samt en sveisesonde med roterbar spindel som er innrettet til å bli ført langs en fuge mellom arbeidsstykkene mens den trykkes an mot arbeidsstykkene under sveising.

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 den relative bevegelse til arbeidsstykkene når disse trykkes sammen, dvs. at friksjonsvarmen frembringes bare av de to komponenter som skal sammenføyes. Denne friksjonssveiseteknikk ifølge de ovennevnte publikasjoner benyttes til sveising av forskjellige materialer, så som plast, metaller etc. på forskjellige anvendelsesområder, f.eks. for å sammenføye arbeidsstykker, for å reparere sprekker i et arbeidsstykke, osv. Utformingen av sveisesonden bestemmes f.eks. av materialet som skal sveises og av den bestemte anvendelse.

Det skal også vises til hva som er kjent fra US-patent nr. 5.319.179.

I gass-metall-buesveising og særlig i neddykket buesveising anvendes det når de smeltede dammer generelt har betydelige dimensjoner ofte en understøttelsesanordning, dvs. en understøttelsesstang som trykkes an mot baksiden av fugen for å understøtte fugens kanter og for å hindre den smeltede dam fra å unnslippe når det fullstendige sveise-penetreringstrinn er nådd. Ved konstruksjon av understøt-telsesanordningen er termiske betraktninger i høy grad avgjørende ved valget av materiale for understøttelses-anordningen, særlig ved sveising av aluminium. Understøt-telsesanordningens kjølevirkning på fugen må ikke være for sterk.

Tilsvarende anvendes det likeledes understøttelses-anordning i fullstendig penetrerende sveising i forbindelse med friksjonsomrøringssveising. I dette tilfelle fungerer understøttelsesanordningen som en mekanisk understøttelse og danner den nedre flate i fugen. Også i dette tilfelle kan understøttelsesanordningen være utstyrt med en termisk barriere mot en underliggende understøttelsesstang for bedre å dra fordel av friksjonsvarmen som dannes under sveiseprosessen.

Et av problemene som man støter på i friksjonsomrør-ingssveising av materialer som er harde å sveise, så som aluminium legert med magnesium, med litium eller med kobber, er at kreftene som utvikles under sveiseoperasjonen er av en slik størrelse at de bevirker at sveisesonden brekker etter et forholdsvis kort sveisetidsrom, som et resultat av tretthet. Dette gjelder særlig med arbeidsstykker som har en tykkelse på over 5 mm.

Et annet problem er dannelse av korte, men dype sprekker i understøttelsesanordningens overflate, særlig i sistnevntes tverretning, på grunn av termisk tretthet. På grunn av at fugen, som følge av mykgjøringen av denne under sveiseoperasjonen, vil anta utseendet til understøttelses-anordningens overflate vil disse sprekker vise seg som opp-høyninger på fugens nedre flate, og som resultat vil fugen være uakseptabel.

Et ytterligere problem er at friksjonsvarmen som dannes i materialer som er harde å sveise vil være util-strekkelig og at fullstendig sveispenetrering følgelig ikke oppnås, eller at det vil opptre manglende smelting.

Et formål ved den foreliggende oppfinnelse er derfor å frembringe en fremgangsmåte og et apparat for friksjonsom-røringssveising, hvormed det blir mulig å forlenge sveisesondens levetid betydelig. Det er likeledes ønskelig å samtidig øke den dannede fuges kvalitet, primært ved å sikre en sikker sveisepenetrering og fullstendig smelting vis a vis grunnmaterialet og i tillegg dertil øke produktivi-teten.

Dette formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved hjelp av en fremgangsmåte for friksjonsomrøringssveising av den art som er definert i innledningen, hvor fremgangsmåten kjenne-tegnes ved at et varmeelement i tilknytning til apparatet for friksjonsomrøringssveisingen aktiveres før og/eller under sveiseoperasjonen, for å tilføre varme til fugen utover den varme som tilføres til fugen fra sveisesonden.

For å oppnå dette formål er det ifølge oppfinnelsen frembrakt et apparat av den innledningsvis angitte art for friksjonsomrøringssveising, hvor apparatet er kjennetegnet ved at det omfatter et varmeelement for tilførsel av ytterligere varme til fugen før og/eller under sveiseoperasjonen, utover den varme som tilføres fugen fra sveisesonden.

Som følge av tilførselen av ytterligere varme til fugen mellom arbeidsstykkene utover friksjonsvarmen som dannes under rotasjonen av sveiseanordningen, og enhver annen varme som kan.tilføres til fugen ved hjelp av sveiseanordningen på vilkårlig annen måte forlenges sveisesondens levetid betydelig. I tilfeller hvor fugen bakkes opp ved hjelp av en underliggende understøttelsesanordning hindres også sprekkdannelser i sistnevnte dersom varmen tilføres til fugen ved hjelp av understøttelsesanordningen. For-skjellen er uttalt og er en forutsetning for sveising av f.eks. atskillige aluminiumlegeringer med akseptabel øko-nomi .

I tillegg oppnås det høyere sveisekvalitet på grunn av forbedret penetrering og sikrere binding mot grunnmaterialet, og det blir også mulig å øke sveisehastigheten med derav følgende høyere produktivitet.

Fordelaktige, modifiserte utførelsesformer av fremgangsmåten og apparatet fremgår av de uselvstendige krav 2-7 (fremgangsmåten) henholdsvis 9-12 (apparatet).

Oppfinnelsen skal i det etterfølgende beskrives mer detaljert under henvisning til den medfølgende tegning som viser en utførelsesform av apparatet ifølge oppfinnelsen.

Apparatet 1 som er vist på tegningen er beregnet for sammensveising av to arbeidsstykker 2, 3 som for eksempel er ekstruderte aluminiumprofilseksjoner.

Under sveiseoperasjonen er arbeidsstykkene 2,3 festet til et arbeidsbord 7 ved hjelp av en klemanordning 5 res-pektivt 6. Klemanordningene 5 og 6 kan bestå av en kompre-sjonssylinder. Arbeidsbordet er et horisontalt maskinbord 7a hvortil en understøttelsesanordning 7b er festet stasjo-nært ved hjelp av en understøttelsesstang 7d i form av en I-bjelke og som bæres av en stasjonær, stiv ramme 7c. Understøttelsesanordningen 7b er utformet med et spor 60 som rager i støttens lengderetning, idet det i sporet er opptatt en varmespole i form av en varmekabel 70. Fugen mellom arbeidsstykkene 2, 3 anbringes i flukt med under-støttelsesanordningens senterlinje. Understøttelsesanord-ningen bakker også opp fugens kanter og hindrer det myk-gjorte materiale i å flyte bort ved oppnåelse av fullstendig sveisepenetrering.

Sveising utføres ved hjelp av en sveiseanordning i form av en sveisesonde 12 og en roterende spindel 13. Sveisesonden består av et sylindrisk legeme 12a hvortil det er festet en sylindrisk tapp 12b hvis omkrets er mindre enn sondelegemets omkrets.

På grunn av dette arrangementet vil det sylindriske legemets nedre parti rage forbi tappens øvre parti. I det etterfølgende vil legemets nedre parti bli benevnt skulder på legemet, og som det fremgår av tegningen danner skuld-eren anlegg mot de øvre flater på arbeidsstykkene 2, 3 i sveisesondens normale posisjon. Sveisesondelegemet og tappen kan være utformet f.eks. i overensstemmelse med en vilkårlig av utførelsesformene som er vist i de internasjo-nale patentsøknadene WO93/10935 eller W095/26254. Sondelegemets 12a øvre parti er forbundet med den roterende spindel 13, som blir drevet ved hjelp av en ikke vist drivenhet, så som en drivmotor.

Arbeidsstykkene 2, 3 festes først i apparatet 1 ved hjelp av klemanordningene 5, 6, hvorved det sørges for at luftspalten, dvs. fugen, mellom de mot hverandre vendende kanter av profilseksjonene ikke overskrider de dimensjoner som er tilbøyelig til å bevirke at det dannes en mangelfull sveis. Som det fremgår av tegningen anbringes spalten i flukt med understøttelsesanordningens 7b senterlinje c. Understøttelsesanordningen forvarmes ved hjelp av den inne-bygde varmekabel 70 inntil understøttelsesanordningens temperatur er i området 150-250°C. Dette temperaturområde påvises på tradisjonell måte, f.eks. ved hjelp av en ikke vist temperaturføler. Etter forvarmingen av understøttel-sesanordningen, og derved av fugen, startes sveiseoperasjonen ved at sveisesonden bringes til å rotere med en viss hastighet mens den samtidig føres fremover langs spalten med en forutbestemt hastighet. Som beskrevet innledningsvis blir profilseksjonenes endekanter mykgjort av friksjonsvarmen som dannes under denne prosessen.

Den resulterende fuge danner en homogen, sterk fuge når den er størknet.

Det skal forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til de ovenfor beskrevne utførelsesformer, men vil kunne modi-fiseres på flere forskjellige måter innenfor rammen av de etterfølgende krav. For eksempel vil understøttelsesanord-ningen 7b kunne oppvarmes ved hjelp av et varmefluid som tilføres til sporet 60 eller ved indirekte tilførsel av elektrisitet istedenfor ved hjelp av en varmekabel 70 som er bygget inn i sporet. Istedenfor oppvarming av fugen via understøttelsesanordningen vil fugen kunne oppvarmes ved hjelp av et varmeelement, så som en gassbrenner som er anbrakt under fugen eller i kontakt med sidene i fugen. Induksjonsvarming er en annen mulig metode for tilførsel av ytterligere varme. Apparatet vil selvfølgelig kunne anvendes for sammensveising av arbeidsstykker av andre metaller eller metallegeringer enn aluminium, så som f.eks. titan eller stål. Når apparatet anvendes for sammensveising av arbeidsstykker av titan eller stål bør understøttelses-anordningen oppvarmes til temperaturer i området 500-1000°C.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for friksjonsomrøringssveising, hvor arbeidsstykker (2,3) som skal sveises anbringes på et arbeidsbord (7) i et apparat for friksjonsomrøringssveis-ing, og ved hjelp av en klemanordning (5,6) klemmes til hverandre og/eller til arbeidsbordet og hvor en sveisesonde (12) med roterende spindel (13) er innrettet til å beveges langs en fuge mellom arbeidsstykkene mens den trykkes an mot arbeidsstykkene under sveisingen, karakterisert ved at et varmeelement (70) i tilknytning til apparatet for friksjonsomrøringssveisingen aktiveres før og/eller under sveiseoperasjonen, for å tilføre varme til fugen utover den varme som tilføres til fugen fra sveisesonden (12) .

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved forvarming av fugen til høyst 250°C under smeltetemperaturen til materialet i fugen.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at fugen oppvarmes ved hjelp av et varmeelement som er anbrakt under fugen.

4. Fremgangsmåte i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at fugen understøttes av en underliggende understøttelsesanordning (7b) som forvarmes til en temperatur på over 100°C.

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 4, karakterisert ved at understøttelsesanordningen oppvarmes til en temperatur i området 150-250°C.

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 4, karakterisert ved at understøttelsesanordningen oppvarmes til en temperatur i området 500-1000°C.

7. Fremgangsmåte i samsvar med krav 4, 5 eller 6, karakterisert ved at understøttelses-anordningen (7b) oppvarmes ved hjelp av en varmespole (70) som er bygget inn i understøttelsesanordningen.

8. Apparat for friksjonsomrøringssveising, omfattende et arbeidsbord som understøtter arbeidsstykkene (2,3) som skal sveises, minst én klemanordning (5,6) for klemming av arbeidsstykkene mot hverandre og/eller mot arbeidsbordet, samt en sveisesonde (12) med roterbar spindel (13) som er innrettet til å bli ført langs en fuge mellom arbeidsstykkene mens den trykkes an mot arbeidsstykkene under sveising, karakterisert ved at apparatet omfatter et varmeelement (70) for tilførsel av ytterligere varme til fugen før og/eller under sveiseoperasjonen, utover den varme som tilføres fugen fra sveisesonden (12)..

9. Apparat i samsvar med krav 8, karakterisert ved at det omfatter et varmeelement som er anbrakt under fugen.

10. Apparat i samsvar med krav 8 eller 9, karakterisert ved en understøttelsesanordning (7b) som er anbrakt under fugen.

11. Apparat i samsvar med krav 10, karakterisert ved at understøttelsesanordningen (7b) er innrettet til å varmes opp ved hjelp av varmeelementet (70) .

12. Apparat i samsvar med krav 11, karakterisert ved at varmeelementet er en varmespole (70) som er bygget inn i understøttelsesanordningen (7b).