SE522075C2 - Förfarande för friktionsomröringssvetsning - Google Patents

Description

20 25 30 522 075 2 n n | . | ca I Fig. 1A och F ig. 1B visas en friktionsomrörningssvetsprob enligt teknikens ståndpunkt. Två delar 10A' och 1GB' visas, vilka är så aiiordriade aitkanterna som skall sammansvetsas hålls i direkt kontakt med varandra. En friktionsomrörnings- svetsprob enligt teknikens ståndpunkt uppvisande en ringformig ansats 14' vid sin distala ände och en icke-konsumerbar svetsprob 16' sträcker sig nedåt från den ringforiniga ansatsens mitt. Då det roterande verktyget W” bringas i kontakt med gränssnittet mellan plattorna 10A' och 10B' tvingas den roterande proben 16' i kontakt med båda plattornas material som visas av figuren.

Proben är framställ av ett material som år hårdare än materialet i arbetsstyckena och tvingas in i fogområdet mellan de motsatta delarna av arbetsstyckena på respektive sida av fogområdet samtidigt som den orsakar en relativt cyklisk rörelse, t.ex. en roterande eller en reciprok rörelse mellan proben och arbetsstyckena varigenom friktionsvärme genereras, vilken orsakar att de motsatta delarna av arbetstyckena plasticeras. Proben förflyttas vid skapandet av en svetsfog i fogområdets riktning.

Varefter proben förflyttas, kommer den plasticerade metallen/ legeringen att konsolidera och således sammanfoga arbetsstyckena.

Ytterligare exempel på friktionsomröringssvetsning beskrivs i EP-B-06l5480 och WO 95/26254. Ytterligare exempel på verktyg beskriv t.ex i GB-A-2306366, WO 99/52669 och WO99/58288.

Vidare har problemet med uppkommande värme beskrivits i EP-A2-O,8l0,056 (se ovan), i samband med svetsning av aluminium där det problem som uppstod var att svetsen behövde maskinbearbetning på grund av att den blev ojämn. Det beskrevs att kylning av verktyget, vid svetsning i svårsvetsade material, såsom aluminiumlege-ringar (väsentligen icke-extruderbara) under svetsprocessen, reducerade tendensen hos det sinälta materialet at fäst på den roterande proben och verktygets ringformade ansats och därigenom bidra till en jämnare yta. Det visade verktyget uppvisar inre utrymmen eller ett yttre fodral, genom vilket kylmedel kan . . ø ~ no c n » I o u 10 15 20 25 30 522 075 3 pumpas för att avlägsna värme och kyla verktyget under svetsförfarandet.

Ytterligare en beskriven utiöringsform innefattar en anordning för att spruta ett kylmedel på yttre ytor hos den distala änden av svetsverktyget för att därigenom avlägsna värme från verktyget och de omgivande arbetsstycket under svetsningen.

Verktyg som används vid friktionsomröringssvetsning omfattar generellt en cylindrisk eller avsmalnande prob som sticker ut från en flat eller välvd ringforrnad ansats med större diameter än proben. Höj d- till bredd-förhållandet mellan prob längden i förhållande till dess normala diameter äri storleksordningen 1:1 och förhållandet skulderdiameter till problängd i storleksordningen 3:1 eller 4:1, som först beskrivits i EP-B-061548O för svetsning av 3 mm och 6 mm tjocka plåtar av en aluminiumlegering.

För svetsning av tjockare plattor, 15 mm till 25mm i en enda passage, kunde prober av typen med 1:1 längd/diameter användas. Dessa prober har dock en tendens att förflytta allt för stora mängder material. Vart efter plattorna blir tjockare kommer uppskalade prober av känd typ att förflytta ökande materialmängder och försök har visat att detta inte är ett rekommenderbart sätt att lösa problemet. Emellertid nödvändiggör svetsning av tjockare material att ett högre tryck anbringas på proben, vilket indikerar att det kan bli ett problem att förlänga proben utan att göra den tjockare.

En kritisk punkt av förfarandet att förena arbetstycken medelst friktionsomröringssvetsning är, när det gäller arbetstycken av större dimensioner, neddoppningssekvensen, dvs. vid påbörj andet av svetsförfarandet när proben sänks ned i foglinjen. Problemet synes vara att under den s.k. neddoppningssekvensen, i.e. början av svetsförfarandet genereras så leds större delen av den värme som genreras snabbt genom massan av det svetsade materialet, t.ex. koppar, och verktyget kan fastna och brytas av. n ø I . nu ~ lO 15 20 25 30 522 075 4 u n Q n - oo Som beskrivits ovan i den gemensamt ingivna, samtidiga ansökningen SE0101663- 3, inlämnad den ll-OSQOOI, i vilken ett förbättrat ett förbättrat friktionsomrörningssvets-verktyg beskrivs, antyds att den värme som genereras vid ett friktionsomröringssvets-förfaranden, speciellt när tjockare metall- eller metallegeringsdelar skall sammanfogas kan kommat att utgöra ett problem även när förbättringar har gjorts i sj älva probdesignen.

Det har vanligtvis antagits, att då man svetsar tunnare arbetsstycken, variationen i verktygets hastighet, eller olika rotationshastighet hos ansatsen och proben är goda metoder för att kontrollera värmetillíörseln till svetsområdet. Emellertid har det indikerats att det även skulle kunna vara nödvändigt att reglera materialets/probens temperatur för att åstadkomma en god funktion vid svetsningen, speciellt då dimensioner ökar hos proben och de arbetsstycken som skall förenas.

Vårt arbeta har indikerat att en sänkning av rotationshastigheten under 400 rpm ökar det vridmoment, som verkar på proben. Det innebär att ju större vridmoment desto större måste probens dimensioner vara för att undvika brott på proben.

Emellertid innebär en ökning av rotationshastigheten över 400 rpm att temperaturen ökar på arbetsstyckenas övre yta, därvid åstadkommande att den blir extremt mjuk innan den underliggande kopparen blir tillräckligt mjuk för att svetsning skall ske.

Denna situation kan åstadkomma att verktygsansatsen penetrerar eller sjunker ned i den uppmjukade övre ytan över en längre sträcka.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att hålla verktygsprobens temperaturen, när stabila svetsningsförhållanden har uppnåtts, inom ett givet område för att möjliggöra konsistent svetskvalitet genom att inte överhetta och inte heller överkyla svetszonen. ø - Q a - n 10 15 20 25 30 522 0755 n e u ; u ro Det är också ett ändamål med föreliggande uppfinning att undvika överhettning av verktyget oclt/eller vannskärning av detsamma.

Det är också ett ändamål med föreliggande uppfinning att minska slitaget på verktygsproben genom att uppnå en arbetstemperatur där slitaget är vid ett minimum samtidigt som man uppnår en konsistent svetskvalitet.

Det är också ett ändamål att tillhandahålla ett förbättrat verktygskombination för friktionsomröringssvetsning som möjliggör en temperaturstyming av proben och därigenom även av materialet som svetsas och därigenom ger optimal förhållande under svetsprocessen och även en förbättring av svetsfogen i sig.

Enligt uppfinningen uppnås detta genom ett styrt kylsystem i kombination med friktionsomröringssvetsverktyget och genom ett förfarande för att uppnå och upprätthålla temperaturförhållanden i svetsen vilka ger en konsistent svetskvalitet utan att felaktigheter uppstår antingen på grund av överhettning eller för stor kylning av svetszonen.

KORT BESKRIVNING Av TILLHÖRANDE RITNINGAR.

Dessa och ytterligare ändamål, fördelar och kännetecken hos föreliggande uppfinning kommer att lättare förstås genom nedanstående detaljerade beskrivning av en föredragen utföringsform av densamma i samband med ritningarna och där: F ig. 1A visar en schematisk ritning av ett friktionsomröringssvetsverktyg enligt teknikens ståndpunkt.

Fig. 1B visar en schematisk ändvy som visar friktionsomröringssvetsverktyget enligt teknikens ståndpunkt Linder användning av detsamma.

Fig. 2 visar en probkombination för friktionsomröringssvetsning enligt föreliggande uppfinning innefattande ett temperaturstyrningsarrangemang. c o n o eo u o | s c u : av 10 15 20 25 522 0756 nnunnøpniov oc. un: n ø I Q av F ig. 3 visar en schematisk bild av ett styrsystem i ett friktionsomröringssvetsning -verktyg enligt uppfinningen.

Fig. 4 visar ett idealiserat svetsdiagram för att tydligt kunna demonstrera de mätta och/eller styrda parametrarna under framställning av en friktionsomröringssvetsfog.

Fig. 5 visar ett svetsdiagram enligt uppfinningen vilket visa verktygsprobens kärntemperatur och det kylda kylmedlets temperatur i förhållande till andra parametrar.

F ig. 6 visar ett flödesschema vilket illustrerar förfarandet för svetsning i enlighet med föreliggande uppfinning.

DETALJERAD BESKRIVNING Av FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER ENLIGT UPPFINNINGEN.

I enlighet med uppfinningen avlägsnas överskottsvärme från ett stir welding tool för att uppnå en förbättrad svetsfogsstruktur genom hela svetsfogen. En utföringsform av ett temperaturstyrarrangemang i enlighet med uppfinningen avsett för ett friktionsomröringssvetsverktyg och ett förfarande kommer att beskrivas. På ritningen visad i Fig. 2, visas en friktionsomröringssvetsprobe 201 och dess ringformiga ansats 202, monterad på en verktygskropp 210.

På denna ritning visas även att friktionsomröringssvetsverktyget har en icke-roterande del 206, 210 och en roterande del 205,202 och 201.

Ett temperaturstymingsarrangemang visas, Inom verktygskroppen 210 och i kontakt med verktygsansatsen visas en kanalkrets 223 för temperaturstyrning av verktyget.

Kanalen passerar genom både de roterande och de icke-roterande delarna av friktionsomröringssvetsverktyget. För att åstadkomma detta är roterande förseglingar anordnade vid gränssnittet mellan de två delarna. v o u ~ o nu l0 15 20 25 522 075, En kylenhet 220 är anordnad i kanalen 223 för kylning av kylmedlet i kanalen 223 innan det passerar proben 201. Kylrnedlet kan vara antingen en vätska eller en gas. På ritningen visas endast en kanal, einellertid kan, som fackmannen inser, antalet kanaler vara flera och fortfarande tjäna samma ändamål. I kanalen 223 är en flödesmätare 211, en tryckmätare 212 och en flödesstymingsanordning 213 indikerade. En temperaturrnätningsanordning 214 för mätning av temperaturen på returvattnet är anordnad i kanalen 223.

Ett instrumenteringsblock 203 visas, vilket innehåller en datalogganordning i vilken verktygsprobens temperatur spelas in. Blocket kan t. ex innehålla en förstärkare för ett terrnoelement e.m.f., varvid terrnoelementet används för mätning av verktygets temperatur. Emf-värdet kan hämtas från den roterande axeln med medelst en släpring och visas i realtid.

Den ovan beskrivna instrumentering är inte av speciell betydelse för uppfinningen.

I Fig. 3 visas ett styrsystem enligt uppfinningen för att styra friktionsomröringssvets- parametrama under svetsning, speciellt probens temperatur. En styrenhet 330 i vilken ett styrprogram för friktionsomröringssvetsning kan köras för att styra svetssekvensen. Styrenheten 330 erhåller variabler från instrumenteringsblocket 303, FSW-probens temperatur, temperaturen på returkylmedlet från returkylmedelstemperaturanordningen 314, flödesinätningar från flödesmätaren 311, tryckmätningar från tryckmätaren 312 och temperaturen på kylmedlet då det utträder ur kylenheten och kommer in i temperaturstymingskretsen (inte visat). De uppmätta och mottagna variablema används för att styra flödet i temperaturstymingskretsen genom att justera flödet i kretsen med hjälp av pumpen 313, styrning av temperaturen på kylmedlet då det utträder ut kylenheten 320, justering av probens 350 förflyttningshastighet 340 med avseende på de arbetsstycken som svetsas. Även om det tidigare har nämnts att en rotationshastighet har hittats som fungera bra i samband med svetsning av tjockare kopparstycken och att minskning eller ökning av o o e | nu 10 15 20 25 522 075, rotationshastigheten inte är första valet kan det under andra förhållanden då andra material svetsas vara en möjlighet att styra probens 350 rotationshastighet.

F ig. 4 illustrerar olika variabler under en typisk svetsningssekvens i enlighet med uppfinningen. Här visas att friktionsomröringssvetsverktygets rotationshastighet hålls väsentligen konstant, i detta exempel visat med kurva (F). Kylmedlet temperatur hålls väsentligen mellan 10 - 40°C kurva (I). Denna temperatur refereras i kraven till som en första förutbestämd temperatur.

Ur diagrammet ser man att probens temperatur, kurva (E), stiger relativt långsamt i början, når ett maximum då probens förflyttningshastighet ökar, kurva (C), appoximativt 2 till 8 minuter från införandet av proben i svetsningsorrirådet.

Avståndet som proben förflyttat sig över visas som kurva (A). Temperaturkurvan för probens kärna, kurvan (E) visas uppnå approximativt den önskade förutbestämda temperaturen mellan 780 till 900° C.

Enligt uppfinningen refereras verktygsprobens temperaturen eller temperaturornråde till i kraven som den andra förbestämda temperaturen.

Ernellertid, enligt en annan utföringsform enligt uppfinningen kan temperaturen hos returkylinedlet användas som ett mått på probens temperatur och att denna temperatur eller detta temperaturområde i kraven refereras till som den förbestämda temperaturen.

Den förbestämda temperaturen kan styras enligt uppfinningen genom att antingen kyla proben indirekt och/eller genom attjustera förflyttningshastigheten, d.v.s. den relativa rörelsen mellan proben och arbetsstyckena.

Vidare visar diagrammet vridmomentet, kurva (C) då den stiger samtidigt som den förbestämda temperaturen uppnås, kurva (E). Även kurvan över förflyttningen (B) 10 15 20 25 522 0759 föler samma mönster. F örfl nin en är ett mått å summan av robens förfl nin en P g bakåt och framåt relativt de arbetsstycken som sanniiaiifogas, vilket ger upphov till en temperaturstegring liksom probens roterande rörelse.

Svetsförfarandet börjar med att införa den roterande verktygsproben i gränssnittet mellan de arbetstycken som skall förenas medelst friktionsomröringssvetsning, en skuldrekontakt etableras och en relativ rörelse mellan verktygsproben and arbetsstyckena i svetsfogens rikting påbörjas. F örflyttningshastigheten ökas som ses i kurvan.

Således styrs i enlighet med uppfinningen svetsningsförhållendena så att verktygsprobens temperatur förblir relativt konstant. Detta uppnås enligt uppfinningen med användningen av kylningssystemet och genom att göra mindre förändringar av förflyttningshastigheten hos proben i förhållande till de arbetsstycken som skall svetsas. Fackmannen förstår att en roterande stationär probe och arbetsstycken som förflyttas är ekvivalenta med stationära arbetsstycken och en roterande probe som förflyttas. Detta förfarande för styrning har visat sig ge stora fördelar vid svetsningen eftersom den övre och nedre gränsen för proben temperartur kan användas för att styra förflyttningshastigheten för det material som sammanfogas medelst svetsningen via en feedbackstyrslinga.

I F ig. 5 visas ett vid en svetsning upptaget diagram. Kurvoma betecknas med motsvarande bokstäver som i Fig. 4, men med gemena typer i motsats till F ig. 4 där versaler använts.

I Fig. 6 visas ett flödesdiagram vilket beskriver svetsningsförfarandet i sig. Initialt roterar proben och den första förflyttningen, initialförflyttningen, är snabbt framåt. friktionsomröringssvetsverktygets förflyttningen saktas ned 10-30 mm från i svetsgränssnittet. Därefter penetrerar verktygsproben svetsfogs gränssnittet tills verktygsansatsen nuddar ytan på de arbetsstycken som skall svetsas. Här inträder en | | - . .n 10 ' 522 0750 I O 0 - I I I 9 I uppehållsperiod (uppvännningsperiod) och i slutet av denna påbörjas förflyttningen av arbetsstyekena vid en låg rörflyfttningshastighet under en första förbestämd period första stegringen. F örflyttningshastigheten hos arbetstyckena ökas därefter (eller stegras) till Optimum uppnås. Verktygsprobens temperatur (förutbestämt område) används för att styra arbetstyckets förflyttning medelst en sluten slinga feedbackstyrsystem. Svetsningen fullföljs och friktionsomröringssvetsverktyget dras tillbaka ur svetsgränssnittet och rörelsen hos arbetstyckena stoppas. Även om endast två utföringsforrner enligt uppfinningen has diskuterats ovan kommer fackmannen att lätt förstå att många modifikationer är inöjliga utan att avvika från uppfinningens omfattning. » ; - . ao : Q | o .e

Claims (16)

10 15 20 25 30 522 075 ll Patentkrav

1. F örrarande för friktionsomröringssvetsning i vilket används ett roterande friktionsomröringssvetsverktyg försett med en prob, varvid förfarandet innefattar: (a) temperaturstyrning av verktyget under svetsning att ett arbetstycke av svårsvetsat material genom att låta ett temperaturstyrande kylmedel passera genom en eller flera kanaler för att styra probens temperatur, därigenom avlägsnande överskottsvärme från verktyget och fogområdet på arbetsstycket, (b) varvid kylmedlet uppvisar en fösta förbestämd temperatur vid inflödet i verktyget, (e) matning av en andra förutbestämd temperatur indikerande verktygsprobens temperatur. (d) styming av svetsförfarandet så att verktygsproben hålls väsentligen vid en forbestämd verktygsprobstemperartur.

2. Förfarande enligt krav 1 kännetecknat av att den andra forbestämda temperaturen är probens temperatur. V

3. F örfarande enligt krav 1 kännetecknat av att den andra förbestämda temperaturen är den hos kylmedlet som lämnar verktyget.

4. Förfarande enligt något av kraven l - 3, kännetecknat av att det temperaturstyrande lqflmedlet avkyls efter passage genom verktyget och återcirkuleras genom verktyget.

5. Förfarande enligt något av kraven 1 - 4, kännetecknat av att flödet av det temperarurstyrande kylmedlet styrs i beroende av den andra forbestämda temperaturen.

6. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att svetshastigheten, d.v.s. arbetsstyckets relativa hastigheten då det passerar svetsverktyget styr i beroende av den andra förbestämda temperaturen.

7. F örfarande enligt något av föregående krav kännetecknat av att svetshastigheten, d.v.s. arbetsstyckets relativa hastigheten då det passerar svetsverktyget styr i beroende av variationer i verktygsprobens temperatur. 10 15 20 25 522 075 Û .- n n ø . . - a u . u u nu

8. Förfarande enligt något av föregående krav i vilket kylmedlet är i cirkulation från starten av en svets och vari mätningar av ternperaturen i verktyget och i arbetsstycket används för att bestämma när jämnviktsförhållanden uppnåtts, vid vilken förflyttningshastigheten, temperaturen hos det temperaturstyrande kylmedlet, kraften och probtemperaturen och verktygets rotationshastighet hålls konstant.

9. Ett forfarande enligt något av föregående krav kännetecknat av att verktygets rotationshastighet hålls konstant genom svetsen.

10. Ett forfarande enligt något av föregående krav kännetecknat av att den första förbestämda temperaturen hos det temperaturstyrande kylmedlet tillåts variera tills jämnvikt uppnåtts.

11. 1 1. Kombination för friktionsomröringssvetsning innefattande: (a) ett verktyg för friktionsomröringssvetsning innefattande en prob (201), en ringformad ansats (202), och en verktygskropp (210), varvid proben (201) och den ringformade ansatsen (202) är anordnade att generera friktionsvärme när det roterar i kontakt med de arbetsstycken som skall sammansvetsas, varvid verktyget innefattar kanaler (223) anpassade för kylmedelskontakt med en temperaturstyrande enhet (220). (b) medel för registrering av probens temperatur, och (c) styrmedel (213) för reglering av det temperaturstyrande kylmedelsflödet genom proben i beroende av en första förbestämd temperatur och and andra förbestämd temperatur hos kylmedlet.

12. Kombination för friktionsomröringssvetsning enligt krav ll kännetecknad av att medlet för registrering av probens temperatur innefattar en temperaturmätande anordning anordnad i proben.

13. Kombination för friktionsomröringssvetsning enligt krav ll kännetecknad av att medlet för registrering av probens temperatur innefattar en temperaturmätande anordning (214) anordnad för att mäta returkylmedlets temperatur vid dess utträde ur proben.

14. Kombination för friktionsomröringssvetsning enligt något av kraven ll- 13, kännetecknad av att den innefattar en styrenhet (330). 10 o o . | .n 522 075m . n » | I ø n « a n » n O »I

15. Kombination for friktionsomröringssvetsning enligt något av kraven 11- 14, kännetecknad av att medlet för styrning av friktionsomrörningssvetsprobens rotationshastighet är anordnade att styras av styrenheten (330).

16. Kombination för friktionsomröringssvetsning enligt något av kraven 11- 14, kännetecknad av att medlet för styrning av svetshastigheten, d.v.s den relativa hastigheten hos arbetsstycket relativt svetsverktyget är anordnade att styras av styrenheten (330) i beroende av probens temperaturvariationer.