ES2233683T3 - Procedimiento y dispositivo de soldadura por friccion-agitacion con refrigeracion simultanea. - Google Patents
Procedimiento y dispositivo de soldadura por friccion-agitacion con refrigeracion simultanea.Info
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Abstract
Procedimiento de soldadura por fricción-agitación que usa una refrigeración combinada de gas y agua, caracterizado porque el líquido refrigerante se rocía de forma localizada sobre la zona posterior y las zonas laterales del punto de soldadura contiguas a la herramienta del pin (1) por parte de un anillo de refrigeración (2) en línea con la herramienta del pin (1) y porque, además, una tobera de gas (3) en línea con la herramienta del pin (1) sopla gas refrigerante desde delante, sobre la herramienta del pin (1) y sobre el líquido refrigerante que sale del anillo de refrigeración (2).
Description
Procedimiento y dispositivo de soldadura por
fricción-agitación con refrigeración simultánea.
La invención se refiere a un procedimiento de
soldadura por fricción-agitación según el preámbulo
de la reivindicación 1 y a un dispositivo según el preámbulo de la
reivindicación 6 (véase, por ejemplo, el documento
EP-A-0810056).
La refrigeración de los materiales que se unen en
el proceso de soldadura por fricción-agitación
(proceso FSW) se obtiene, de la manera conocida, gracias a que el
proceso de soldadura se ejecuta íntegramente bajo el agua. Este
procedimiento conlleva, en particular, la desventaja de que las
aleaciones Al/Mg no pueden soldarse con una buena calidad debido a
la gran afinidad con el oxígeno y al oxígeno contenido en el agua de
refrigeración. Además, en esta técnica de refrigeración, el agua de
refrigeración evacúa demasiado calor del proceso, de modo que no se
garantiza una plastificación suficiente de los materiales que se han
de fundir. Pueden, por tanto, debido a un transporte insuficiente de
material, producirse fallos en la soldadura, como, por ejemplo,
poros, que impiden la realización de una soldadura técnicamente
perfecta.
No obstante, la posibilidad de una soldadura por
fricción-agitación refrigerada de aleaciones Al/Mg
tendría, especialmente con vistas a la fundición de chapas de una
gran superficie, como es el caso de la construcción de aeronaves,
una gran importancia económica.
Otra desventaja del procedimiento conocido
consiste en que en un proceso no refrigerado se produce una
deformación pronunciada, que puede conllevar un tratamiento
posterior del objeto soldado.
Por la patente
EP-A-0810056 se conoce un
procedimiento de soldadura por fricción-agitación
con refrigeración simultánea, en el que mediante una tobera se rocía
un medio refrigerante, por ejemplo, en estado líquido o gaseoso, en
dirección a la herramienta de soldadura por
fricción-agitación, así como al elemento que se ha
de soldar.
La invención se plantea el objetivo de lograr un
procedimiento de soldadura por fricción-agitación
con el que sea posible la soldadura de aleaciones con una alta
afinidad con el oxígeno y/o la generación de una alta energía de
plastificación, y en el que la evacuación de calor del punto de
soldadura sea fácil de controlar.
Este objetivo se consigue conforme a la invención
gracias a las características de la reivindicación 1. En las
reivindicaciones subordinadas se especifican variantes de la
invención. En la reivindicación 6 se especifica un dispositivo para
la realización del procedimiento.
La solución conforme a la invención emplea
ventajosamente una refrigeración combinada de gas y agua, en la que
el suministro de agua a la herramienta del pin está localizado sobre
la zona trasera y las zonas laterales de la herramienta del pin, y
en la que el flujo de aire que incide desde delante impide la
eventual formación de una película de agua en la cara delantera de
la herramienta del pin, en la que se encuentra el punto de soldadura
abierto.
Así, la solución conforme a la invención no se
limita a una posición determinada de la soldadura y puede emplearse
también para realizar soldaduras horizontales.
La refrigeración combinada de gas y agua permite
además, mediante una sintonización entre sí de los flujos de gas y
de agua, un gran control sobre la evacuación de calor del punto de
soldadura, y se posibilita con ello un ajuste preciso de la solidez
en la soldadura y una disminución del habitual residuo sólido
(escoria) que se crea en la zona afectada por el calor (ZAC), al
permitir el calor allí donde éste es necesario para el proceso, y
extraerlo allí donde es perjudicial para el proceso.
Otra ventaja de la refrigeración conforme a la
invención consiste en que la soldadura por
fricción-agitación puede combinarse con un
calentamiento previo por láser, por arco o por llama, lo que no es
posible en una refrigeración con baño de agua.
Para materiales poco deformables, también es
posible aplicar un proceso combinado de soldadura compuesto por el
proceso de soldadura por fricción-agitación
refrigerado por agua conforme a la invención y un proceso previo de
soldadura por láser.
A continuación se explica en mayor detalle, con
ayuda del dibujo, un ejemplo de realización de la invención.
Fig. 1 muestra un procedimiento de soldadura por
fricción-agitación conforme a la invención,
Fig. 2 un anillo de refrigeración para la
refrigeración por agua en una vista desde abajo y
Fig. 3 muestra esquemáticamente las diferentes
zonas de material en la soldadura por
fricción-agitación.
En el procedimiento de
fricción-agitación mostrado en la figura 1, una
herramienta del pin 1 se refrigera con agua por parte de un anillo
de refrigeración 2 que lo acompaña en la dirección de avance, y con
aire por parte de una tobera de gas 3 que lo acompaña en la
dirección de avance.
La herramienta del pin 1 con su pin 4, sometido a
rotación en torno a su eje longitudinal 5, tal como indica la flecha
de rotación 6, y a presión, se introduce mediante fricción en la
superficie del elemento 7 que se ha de soldar, y, manteniendo la
rotación, se desplaza en el sentido de la flecha de dirección 11 a
lo largo de la junta soldada a tope. El eje longitudinal 5 de la
herramienta del pin 1 está ligeramente inclinado hacia atrás sobre
la perpendicular, en el sentido opuesto a la dirección de
avance.
Los movimientos anteriormente descritos de la
herramienta del pin 1 y la inclinación del eje longitudinal 5 son
características conocidas en el proceso de soldadura por
fricción-agitación.
El anillo de refrigeración 2 y la tobera de gas 3
están unidos de forma rígida mediante soportes ajustables al carro
de avance de la herramienta del pin 1. En la figura 1 no se
representan el carro de avance ni los soportes por motivos de
simplificación gráfica.
En la zona trasera y en las zonas laterales
contiguas a la herramienta del pin 1 sale agua de refrigeración del
anillo de refrigeración 2 en línea tal como indican las flechas de
dirección 8 mostradas. La tobera de gas 3 en línea con la
herramienta del pin 1 sopla aire refrigerante, tal como indica la
flecha de dirección 9 mostrada, desde delante sobre la herramienta
del pin 1 y sobre el agua refrigerante que sale del anillo de
refrigeración 2.
El soplado con el aire refrigerante tiene, además
del efecto refrigerante generado, la función de impedir que el agua
refrigerante pueda introducirse en la ranura cuneiforme 10 existente
entre la herramienta del pin 1 y el elemento 7 debido a efectos
capilares, y contribuye así a la intención planteada por la solución
conforme a la invención de mantener libre de agua el material
friccionado y calentado del punto de soldadura. Con ello se puede
evitar la corrosión del material de soldadura friccionado propiciada
por el oxígeno del agua.
La figura 2 muestra el anillo de refrigeración 2
en una vista desde abajo, es decir, de la superficie del anillo
dispuesta sobre el elemento 7, en la que están dispuestas toberas 12
individuales para la salida del agua refrigerante. El agua
refrigerante se suministra al anillo de refrigeración 2 a través de
un manguito 13.
En el ejemplo de realización, el anillo de
refrigeración 2 está configurado, por ejemplo, no como anillo
cerrado que rodea la herramienta del pin 1, sino que el anillo de
refrigeración se abre con forma de U a la tobera de gas 3, lo que
permite que el aire refrigerante proyectado desde delante pueda
fluir libre de obstáculos del anillo de refrigeración 2 a la
herramienta del pin 1.
La disposición de las toberas de agua 12 está
limitada a la zona posterior del anillo de refrigeración, de modo
que sólo se humedecen con agua refrigerante la zona trasera y las
zonas laterales adyacentes a la herramienta del pin.
Las zonas de materiales en la soldadura por
fricción-agitación mostradas esquemáticamente en la
figura 3 son la zona deformada termomecánicamente (TMZ) 14, la zona
afectada por el calor (ZAC) 15 y el material base 16. Tras el
enfriamiento de la soldadura, permanece normalmente el indeseado
residuo sólido en la zona afectada por el calor a ambos lados de la
soldadura.
Al emplearse la solución conforme a la invención
sobre chapas de aleaciones AA60413-T4 y
AA6013-T6 se pudo reducir notablemente este residuo
sólido. El espesor de la chapa fue de aproximadamente 4 mm y la
relación entre revoluciones y velocidad de avance en la herramienta
del pin 1 fue de 3,5 rpm, aunque, según la necesidad, ésta puede
variarse dentro de unos límites de aproximadamente 1 rpm y
aproximadamente 10 rpm.
Con una combinación de la soldadura por
fricción-agitación y un calentamiento previo por
láser, que no sería factible en una refrigeración convencional con
baño de agua, el calor generado por la fricción en la soldadura de
fricción-agitación se intensifica de manera precisa
mediante el calentamiento previo por láser, y el calentamiento del
punto de soldadura puede así ajustarse para conseguir una soldadura
óptima. Para ello, la fuente emisora del láser está dispuesta, en la
dirección de avance, delante de la herramienta del pin a una
distancia determinada, por ejemplo, de aproximadamente 2 a 3 cm, y
unida de forma rígida a la herramienta del pin.
La misma disposición que se ha descrito
anteriormente para el caso del calentamiento por láser tiene lugar
en una combinación de la soldadura por
fricción-agitación conforme a la invención con un
proceso de soldadura por láser, en el que, en vez de una fuente de
láser para calentar, es una fuente de láser para soldar la que está
unida a la herramienta del pin de manera rígida. En este caso, se
realiza una primera soldadura mediante el proceso previo de
soldadura por láser, sobre la que se realiza una segunda soldadura
por parte del proceso subsiguiente de soldadura por
fricción-agitación.
De manera alternativa al empleo de agua
refrigerante y de aire refrigerante descrito anteriormente, también
puede emplearse otro medio refrigerante acuoso y otro gas para la
refrigeración conforme a la invención con el anillo de refrigeración
2 y la tobera de gas 3 según la invención. Para ello son aplicables
todos los líquidos refrigerantes y gases protectores conocidos en la
tecnología de soldadura.
Claims (7)
1. Procedimiento de soldadura por
fricción-agitación que usa una refrigeración
combinada de gas y agua, caracterizado porque el líquido
refrigerante se rocía de forma localizada sobre la zona posterior y
las zonas laterales del punto de soldadura contiguas a la
herramienta del pin (1) por parte de un anillo de refrigeración (2)
en línea con la herramienta del pin (1) y porque, además, una tobera
de gas (3) en línea con la herramienta del pin (1) sopla gas
refrigerante desde delante, sobre la herramienta del pin (1) y sobre
el líquido refrigerante que sale del anillo de refrigeración
(2).
2. Procedimiento de soldadura por
fricción-agitación según la reivindicación 1,
caracterizado porque se emplea agua como líquido
refrigerante, y aire como gas refrigerante.
3. Procedimiento de soldadura por
fricción-agitación según una de las reivindicaciones
1 ó 2, caracterizado porque, para la soldadura de chapas de
Al/Mg, el valor de la relación entre las revoluciones y la velocidad
de avance de la herramienta del pin (1) se encuentra en el ámbito de
aproximadamente 1 rpm a aproximadamente 10 rpm.
4. Procedimiento de soldadura por
fricción-agitación según una de las reivindicaciones
1 a 3, caracterizado porque la soldadura por
fricción-agitación con una herramienta del pin (1)
está combinada con un calentamiento previo por láser.
5. Procedimiento de soldadura por
fricción-agitación según una de las reivindicaciones
1 a 3, caracterizado porque la soldadura por
fricción-agitación con una herramienta del pin (1)
está combinada con una proceso previo de soldadura por láser.
6. Dispositivo para la realización de un
procedimiento de soldadura por fricción-agitación
según la reivindicación 1 con refrigeración combinada de gas y agua,
que comprende una herramienta del pin (1) y un dispositivo de
refrigeración, en el que la herramienta del pin (1) presenta dos
zonas laterales, una zona trasera y una zona delantera,
caracterizado porque el dispositivo de refrigeración
comprende un anillo de refrigeración (2), que rodea al menos
parcialmente a la herramienta del pin (1) y que está configurado en
línea con la herramienta del pin (1), y presenta múltiples toberas
(12), que están dispuestas de tal manera que el líquido que sale de
las toberas (12) está localizado sobre la zona trasera y las zonas
laterales de la herramienta del pin (1) y porque el dispositivo de
refrigeración, además, presenta una tobera de gas (3) en línea con
la herramienta del pin (1) y dispuesta en la zona delantera de la
herramienta del pin (1), para soplar gas refrigerante sobre la
herramienta del pin (1) y sobre el líquido refrigerante que sale de
las toberas (12).
7. Dispositivo según la reivindicación 6,
caracterizado porque el anillo de refrigeración (2) está
abierto hacia delante, para soplar desde delante gas refrigerante a
través de la tobera de gas (3) sobre la herramienta del pin (1) sin
obstáculos.
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