ES2331357T3 - Metodo y dispositivo para unir componentes metalicos, en particular componentes metalicos ligeros. - Google Patents
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Abstract
Método para unir componentes de metales y aleaciones, en particular componentes de metales ligeros, incluyendo aleaciones de metales ligeros y posiblemente híbridos/compuestos que comprenden metales ligeros, caracterizado porque se retira el óxido de las superficies de ranura inmediatamente antes de la unión y porque a continuación se rellena la ranura mediante extrusión con un material de relleno metálico mientras se restringe simultáneamente el suministro de oxígeno a la ranura en la medida en que se requiera.
Description
Método y dispositivo para unir componentes
metálicos, en particular componentes metálicos ligeros.
La presente invención se refiere a un método y a
un dispositivo para unir componentes metálicos y aleaciones, en
particular componentes metálicos ligeros, incluyendo aleaciones de
metales ligeros y posiblemente híbridos/compuestos que contienen
metales ligeros.
Normalmente las técnicas para unir componentes
metálicos han surgido como resultado de adaptar técnicas
desarrolladas inicialmente para unir materiales de hierro.
desarrolladas inicialmente para unir materiales de hierro.
La unión de metales se ha relacionado en gran
parte con la soldadura por fusión, en la que se funden tanto el
metal de base como cualquier material de relleno mediante un arco
eléctrico, haz de electrones o haz láser, permitiendo alcanzar una
ligadura intermetálica en la parte de salida del depósito de
soldadura durante la cristalización. En la soldadura por fusión
sólo una fracción de la energía suministrada contribuye a la fusión
y por tanto a la ligadura. La mayor parte de la energía
suministrada lleva a un calentamiento local del metal de base y a
la formación de una denominada zona termoafectada (denominada en la
bibliografía comúnmente como HAZ, heat-affected
zone) alrededor de la junta de soldadura. Esta zona representa
un problema porque los cambios microestructurales resultantes llevan
a una degradación mecánica permanente del material principal. Las
propiedades de la zona de soldadura se convertirán por tanto en el
factor limitativo en la ingeniería de diseño y, en la práctica,
determinarán la capacidad portante del componente. Además, la
energía excesiva (es decir, el calor) suministrada lleva a
tensiones residuales altas en la región de soldadura así como a
deformaciones y distorsiones globales. Estos problemas son mayores
en la soldadura de aluminio que en la soldadura de acero, puesto
que las posibilidades de tomar las acciones preventivas necesarias,
por ejemplo, modificando la microestructura de la HAZ mediante el
ajuste de la composición química del material de base, es más
difícil en el primero de los casos.
En general, el uso de procesos de soldadura más
eficaces tales como la soldadura por láser y soldadura por haz de
electrones proporcionan una HAZ mucho más estrecha, que a este
respecto representa una mejora significativa. Estas técnicas, sin
embargo, introducen otros problemas relacionados con la resistencia
a las grietas térmicas y la formación de poros en la zona de
fusión. Además, presentan la desventaja de un equipo más costoso y
menos versátil. Adicionalmente, los requisitos de tolerancia son
mucho más estrictos debido al hecho de que habitualmente no se
añade un material de relleno.
En el pasado se han realizado varios intentos
para desarrollar técnicas alternativas para unir metales ligeros,
de las que la soldadura por fricción o una variante conocida como
soldadura por fricción-agitación (FSW, friction
stir welding) probablemente sea la más prometedora. En la FSW
las dos placas que van a unirse entre sí se presionan firmemente
una contra otra mientras se mueve una herramienta rotatoria a lo
largo de la superficie de contacto (borde) entre las mismas,
retirando la capa de óxido que, al menos para el aluminio, siempre
estará presente en la superficie. Aunque se produce un
calentamiento por fricción considerable en la superficie de
contacto entre la herramienta rotatoria y las placas de aluminio
principales, la energía suministrada, y por tanto el calor
generado, es menor que en la soldadura por fusión, de modo que el
material de base cerca de la junta no se fundirá y no alcanzará un
estado líquido. Por tanto, la soldadura por
fricción-agitación es un ejemplo de una técnica de
unión en estado sólido que representa una mejora significativa en
comparación con la soldadura por fusión, puesto que de este modo se
reducen varios de los problemas comunes, concretamente el
desarrollo de tensiones residuales altas y grietas térmicas, la
formación de poros y una baja resistencia a la corrosión. Por otro
lado, está técnica novedosa está cargada de varias desventajas,
siendo una de ellas el requisito de que las superficies que van a
unirse necesitan coincidir exactamente entre sí, puesto que no hay
posibilidad de usar un material de relleno. Otra desventaja es que
los componentes que van a unirse deben presionarse uno contra otro
con una fuerza considerable, lo que significa que el método
requiere un equipo pesado y rígido. Finalmente, incluso este tipo
de soldadura por fricción da lugar a la formación de una HAZ
amplia, en la que los cambios microestructurales resultantes llevan
a un ablandamiento permanente del material reforzado de
precipitación. Entre otros métodos de unión, debe mencionarse la
soldadura fuerte, el remachado y la ligadura adhesiva. Uno o más de
estos métodos pueden ser convenientes para algunas áreas de
aplicación, pero, en general, proporcionan una seguridad baja
frente a fallos y por tanto no son alternativas realistas a la
soldadura en construcciones que soporten peso o carga.
Es un objetivo de la presente invención
proporcionar un método para unir metales ligeros y en particular
aluminio, que elimine en gran parte las desventajas de los métodos
de la técnica anterior.
Por tanto es un objetivo de la presente
invención proporcionar un método para unir componentes metálicos
ligeros que se desarrolle básicamente en metales ligeros, y que no
se derive de métodos previstos para materiales ferrosos.
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Por tanto, es un objetivo proporcionar un método
para unir componentes metálicos ligeros en el que se evite un
calentamiento excesivo, de modo que no serán una preocupación
importante las tensiones residuales altas, deformaciones, grietas
térmicas o problemas extraordinarios de corrosión.
Además es un objetivo proporcionar un método
para unir componentes metálicos ligeros en el que se evite el
calentamiento excesivo, de modo que se evita la formación de una
zona amplia afectada por valor, en la que se deterioran de manera
permanente las propiedades del material.
Es aún otro objetivo proporcionar un método para
unir componentes metálicos ligeros mediante el que sea posible
usar un material de relleno con propiedades correspondientes a las
propiedades del material de base. Finalmente, es un objetivo
proporcionar un método para unir metales ligeros que no contribuya
a un gran excedente de energía, altos niveles de fuerzas o requiera
límites de tolerancia estrechos. Un objetivo es también permitir el
uso de un equipo sencillo, compacto y posiblemente portátil que
pueda aplicarse para la automatización/robotización.
La invención se refiere a un método
caracterizado por las características expuestas en la
reivindicación 1. Realizaciones preferentes de la invención se dan
a conocer mediante las reivindicaciones dependientes
2-9.
Según otro aspecto la invención se refiere a un
dispositivo para llevar a cabo dicho método, como se expone en la
reivindicación 10. Realizaciones preferentes del dispositivo se dan
a conocer mediante las reivindicaciones dependientes
11-17.
El método según la invención proporciona una
técnica novedosa y muy mejorada para unir componentes metálicos
ligeros.
La temperatura de ligadura requerida se consigue
utilizando el calor que se forma por la deformación y fricción,
opcionalmente en combinación con un calentamiento de Joule externo,
por ejemplo en forma de calentamiento por inducción, calentamiento
por resistencia eléctrica o calentamiento con un haz láser.
Una diferencia con el proceso de soldadura por
fricción-agitación (FSW) es que no sólo es posible
sino una característica obligatoria de la invención que se añade
un material de relleno a la junta (ranura), permitiendo la unión a
lo largo de superficies que no están conformadas de manera precisa
para corresponderse entre sí. Tampoco se requiere aplicar una gran
fuerza a los componentes, ni comprimirlos con fuerza entre sí, lo
que permite realizar el dispositivo de manera compacta y sencilla
y, en caso necesario, adecuada para su uso portátil.
La adición de un material de relleno puede
parecer similar a la soldadura por fusión, aunque los procesos son
sustancialmente diferentes puesto que el método novedoso evita el
calentamiento excesivo que lleva a una degradación mecánica
significativa, tensiones residuales y deformaciones en el material.
Tampoco es una condición que el material de relleno añadido esté
en un estado líquido. Puede estar en un estado líquido, semilíquido
o parcialmente plástico (sólido) cuando entra en la ranura de
junta. Incluso en un estado líquido no dará lugar al mismo grado de
calentamiento del material de base que tiene lugar durante la
soldadura por fusión, puesto que la energía sólo se suministra
localmente en la ranura. Esto significa que los efectos negativos
resultantes del calentamiento del material de base se vuelven
correspondientemente pequeños.
Además el material añadido puede ser exactamente
el mismo que el propio material de base. Por tanto, no se añade un
material con propiedades diferentes o inferiores, lo que puede dar
lugar a corrosión debido a efectos galvánicos o similares, o dar
como resultado propiedades de resistencia o de dilatación (térmica)
diferentes en comparación con el material de base. En total el
método inventivo representa un gran paso adelante en la tecnología
de unión para componentes metálicos ligeros.
La figura 1 muestra un montaje de una
realización preferente de un dispositivo completo según la
invención,
la figura 2 muestra de manera simplificada el
dispositivo y los componentes de material en la figura 1 desde
arriba,
la figura 3 muestra dos tipos diferentes de
ranuras de junta,
la figura 4 muestra una sección a lo largo de la
línea IV-IV en la figura 1,
la figura 5 muestra una parte seleccionada de
otra realización de la invención aparte de la mostrada en la
figura
la figura 6 muestra una sección de una tercera
realización del dispositivo según la invención,
la figura 7 muestra de manera simplificada cómo
puede usarse el método para unir componentes que están dispuestos
en un ángulo recto uno respecto a otro, y
la figura 8 muestra de manera simplificada cómo
puede usarse el método para soldadura por puntos de láminas que se
solapan.
La figura 1 muestra de manera esquemática y
simplificada una realización preferente de un dispositivo (1) según
la presente invención, que comprende una rueda (2) extrusora, una
parte (3) complementaria a la rueda extrusora, un hilo (4) de
material de relleno que se añade al dispositivo (1) en un punto
(12) en la rueda (2) extrusora, una herramienta (5) que retira el
óxido y un soporte (6). Los componentes (A y B) de material que
van a unirse están dispuestos en la figura 1 uno detrás de otro en
un plano común, siendo la zona a la izquierda del dispositivo (1)
una zona en la que todavía hay una ranura abierta entre los
componentes, mientras que la zona a la derecha del dispositivo (2)
es la zona en la que se acaba de llevar a cabo la unión. El sentido
del movimiento del dispositivo se muestra mediante la flecha (C).
La parte (3) complementaria está conectada permanentemente con un
pie (7) y un tope (8) que en conjunto forma una matriz (9) desde la
rueda (2) extrusora hasta el interior de la ranura (10). El
soporte (6) limita la ranura en un sentido descendente en casos en
los que hay una ranura abierta, permitiendo así forzar el material
de relleno con una cierta presión hasta el interior de la ranura
sin presionarse a través de la misma.
En una variante de la realización preferente
(mostrada en la figura 1) la parte inferior de la rueda (2)
extrusora está dispuesta a nivel con la superficie de los dos
componentes (A y B) de material que van a unirse, posiblemente algo
descendida al interior de la ranura. En estos casos la parte (3)
complementaria y el tope (8) también forman una especie de matriz,
puesto que éstos pueden extenderse completa o parcialmente al
interior de la ranura (10). En caso deseado, las partes de la rueda
(2) extrusora que durante la rotación está en contacto con la
superficie de los dos componentes (A y B) de material que van a
unirse (posiblemente las superficies en la ranura (10)), puede
tener una forma que permita que funcionen como herramienta de corte
o fresado.
El sentido de movimiento del dispositivo (1)
puede ser tal como se muestra mediante la flecha (C) en la figura
(1) u opuesto al mismo. Otra posibilidad es que todo el dispositivo
(1) esté dispuesto en un ángulo recto (90 grados) respecto a la
ranura o de manera oblicua - no paralelo tal como se muestra en la
figura 1 - con la ranura (10) (es decir, la rueda extrusora puede
estar dispuesta a un ángulo espacial arbitrario con respecto al eje
longitudinal de la ranura). El sentido de movimiento del
dispositivo (1) seguirá siendo paralelo al eje de la ranura.
Como alternativa al soporte (6) la parte
inferior de una ranura abierta puede cerrarse mediante la
provisión de un soporte adecuado situado por debajo de la ranura en
su sentido longitudinal. Tal soporte puede ser una lámina o tira de
un material cerámico o acero, a la que no se adhiere el material de
relleno sólido (plástico) o parcialmente fundido con ninguna fuerza
significativa.
Evidentemente existe la necesidad de algún
equipo convencional además del equipo descrito anteriormente, por
ejemplo una fuente de alimentación para hacer girar la rueda
extrusora, medios para sostener y mover el dispositivo a una
velocidad determinada, aproximadamente constante a lo largo de la
ranura, etc. Además, como se describe a continuación, a menudo será
conveniente incluir sensores para registrar la temperatura y/o la
presión en una o más ubicaciones para controlar mejor el
proceso.
La figura 2 muestra esquemáticamente y a una
escala diferente los componentes (A y B) de material y el
dispositivo (1) que comprende la rueda (2) en una vista desde
arriba. La ranura (10) está abierta a la izquierda del dispositivo
(1) en el sentido de movimiento del dispositivo, mientras que la
ranura se ha cerrado a la derecha del dispositivo.
La ranura (10) puede tener una forma abierta
como se muestra en la figura 3a o forma de "V", cerrada en la
parte inferior, como se muestra en la figura 3b. La forma de la
herramienta (5) que retira el óxido variará según la forma de la
ranura. Correspondientemente la necesidad, y la forma, del soporte
(6) dependerá de si la ranura tiene una forma abierta o
cerrada.
La herramienta (5) que retira el óxido puede
tener diferentes formas, y en su forma más simple puede consistir
en un raspador con dos hojas, una para cada una de las superficies
de ranura que va a limpiarse en el componente (A) y el componente
(B) respectivamente. La herramienta no necesita basarse sólo en una
retirada mecánica, también puede incluir el uso de ciertos
disolventes. Además la herramienta puede presentar otras soluciones
mecánicas aparte de hojas de raspador, por ejemplo una fresa.
No es necesario que las superficies de ranura
sean planas, también pueden tener una forma curva. Por ejemplo,
las superficies de ranura que forman una ranura cerrada cuando los
componentes de material están dispuestos adyacentes entre sí,
pueden tener una forma de "U" en lugar de una forma de
"V". Otra opción es que la parte superior de cada superficie
de ranura sea plana mientras que la parte inferior es curva. La
herramienta que retira el óxido debe, en la medida en que se
requiera, estar adaptada a la configuración de ranura real, de modo
que se consiga una retirada de óxido suficiente.
La figura 4 muestra una sección a lo largo de la
línea IV-IV en la figura 1, a través de la rueda
(2) extrusora y la parte (3) complementaria. La rueda (2)
extrusora tiene una muesca a lo largo de toda la circunferencia de
la rueda, mediante la que se tira del hilo (4) desde su punto (12)
de contacto con la rueda (2) hasta la matriz (9). La reducción en
la sección transversal del hilo de relleno desde el punto (12) de
contacto hasta la matriz (9) puede ser normalmente menor que un
factor (2), que representa una reducción de sección transversal muy
pequeña durante la extrusión. El grado de reducción del hilo (4) de
relleno no es decisivo para conseguir el objetivo de la invención,
aunque es importante que la deformación entre el punto (12) de
contacto y la matriz (9) sea suficiente para dispersar de manera
uniforme el óxido de superficie en el material de relleno que
abandona la matriz (9).
El dispositivo según la presente invención
mostrado en la figura 1 puede modificarse aplicando un material (4)
de relleno en forma de un polvo en lugar de un hilo. En este caso,
el polvo se alimenta al punto (12) mediante un alimentador de polvo
apropiado (no mostrado). Los principios generales del dispositivo
son tal como se describió anteriormente.
Además el dispositivo puede modificarse
sustituyendo la rueda (2) extrusora y la parte (3) complementaria
por dos ruedas (12_{1} y 12_{2}) extrusoras opuestamente
rotativas, tal como se muestra en la figura 5. De la misma manera
que para la rueda (2) extrusora las dos ruedas (12_{1} y
12_{2}) extrusoras están dotadas de muescas que se extienden
alrededor de toda la circunferencia, que rodean el material (4) de
relleno en forma de hilo. De la misma manera que para el
dispositivo mostrado en la figura 1, el material de relleno puede
sustituirse por un material de relleno de tipo polvo que se
alimenta a la abertura de entrada entre las ruedas (12_{1} y
12_{2}) extrusoras mediante un alimentador conveniente.
La realización mostrada en la figura 5 implica
una técnica para alimentar un material de relleno de tipo hilo o
de tipo polvo a la ranura, que puede considerarse como extrusión.
En este documento, por extrusión se entiende cualquier tipo de
tratamiento de un material de relleno metálico, en el que mediante
un proceso que implica un calentamiento directo y/o indirecto y
una posterior deformación plástica/aplicación de presión, se
introduce el material a través de una matriz o similar y se añade a
la ranura en un estado sólido (plástico), parcialmente líquido o
completamente líquido, mientras que se ha retirado o dispersado
cualquier capa de óxido inicialmente presente en el material de
relleno.
El dispositivo según la invención también puede
modificarse usando una extrusora de husillos (no mostrada) de un
tipo conocido per se en lugar de una o dos ruedas extrusoras
del tipo ilustrado. En tal caso debe precalentarse el material de
relleno hasta que pueda alimentarse a través de una extrusora de
husillos. Los medios que van a usarse en contacto con los
componentes de materiales de base, es decir la matriz, la
herramienta que retira el óxido y posiblemente el soporte, serán
principalmente los mismos que en la figura 1.
Las realizaciones de la invención descritas
anteriormente tienen la característica común de que el material de
relleno se añade a la ranura mediante un proceso basado en
extrusión continua. Sin embargo, la presente invención también
puede llevarse a cabo mediante un proceso basado en la extrusión
convencional (discontinua).
La figura 6 muestra un dispositivo (21) para la
extrusión directa mediante un cilindro (22), un pistón (23) y una
matriz (9) al final del pistón. El dispositivo (21) tiene en
principio el mismo tipo de equipo que se muestra en la figura 1 en
contacto con los materiales de componente de base que van a unirse,
es decir, una herramienta (5) que retira el óxido y un posible
soporte (6). La adición discontinua de material de relleno a un
pistón de extrusión puede parecer inconveniente, pero en
combinación con un sistema de manejo completamente automatizado
(robotizado), por ejemplo empleando paquetes sellados
herméticamente de los tipos pertinentes de material de relleno que
se sitúan en el cilindro (22) en caso necesario, esto puede
representar una manera muy interesante de llevar a cabo la
invención para ciertas aplicaciones.
También pueden usarse otras técnicas, como la
extrusión indirecta y la extrusión basada en fricción, como
alternativa al método/aparato ilustrado en la figura 6.
La figura 7 muestra de una manera muy
simplificada cómo puede llevarse a cabo el método según la
invención para unir dos láminas en un ángulo una respecto a la
otra, formando por ejemplo un perfil en "T". Los componentes
de material de base se preparan mediante fresado o similar, de modo
que cada uno de ellos presenta un borde "de inclinación" de
ángulo idéntico o diferente. Cuando los componentes de material se
sitúan adyacentes entre sí, dichos bordes de inclinación
constituirán las superficies de ranura, y la ranura (10') puede
considerarse como una variante de la ranura cerrada mostrada en la
figura 3b. El dispositivo que va a usarse para la operación de
unión implica una herramienta que retira el óxido adaptada al
ángulo entre las superficies de ranura, con una forma compatible
con el perfil.
La figura 8 ilustra cómo puede realizarse la
soldadura por puntos de dos láminas que se solapan parcialmente
según la invención. Una herramienta (31) con la forma de un núcleo
de extrusión hueco o similar se empuja al interior de un orificio
(32) previamente mecanizado penetrando totalmente en la primera
lámina (A'') y penetrando parcialmente en la segunda lámina (B'').
A medida que se retira la herramienta (31), el orificio (32) se
rellena inmediatamente con un material de relleno plástico o
parcialmente líquido a través de la abertura (9') en la
herramienta. En este caso la abertura (9') funciona como una
matriz, y esta matriz (9') y la herramienta que retira el óxido son
partes de una unidad integrada. Otro ejemplo de soldadura por
puntos se consigue mediante una realización en la que la rueda (2)
extrusora está dispuesta a nivel con la superficie superior de la
lámina (A''). En esta realización la parte (3) complementaria y el
tope (8) en conjunto definen una especie de matriz que permite la
extrusión de un material de relleno directamente a través de la
lámina (A'') y hacia la lámina (B'') por debajo. En una realización
de este tipo el dispositivo no incluye evidentemente un soporte
(6). Si se desea, el material en exceso que se comprime hacia el
exterior de la lámina (A'') puede retirarse de manera continua
dejando que la rueda extrusora funcione también como una
herramienta de corte (por ejemplo una fresa). Puede usarse un
calentamiento externo (de Joule) de partes externas del equipo para
obtener la temperatura deseada para la extrusión y la unión.
A continuación se describe el proceso con más
detalle haciendo referencia a la realización mostrada en la figura
1.
El dispositivo (1) con la herramienta (5) que
retira el óxido se coloca en posición en la ranura. Si es una
ranura abierta, se usa un soporte (6) acoplado a la herramienta
(5), la parte (3) complementaria y la matriz (9) mediante una pieza
de puente. Dependiendo del grosor del material, el ancho de la
ranura etc. se ajusta el dispositivo para corregir las dimensiones.
Con o sin precalentamiento se alimenta el hilo (4) a la rueda (2)
extrusora en el punto (12), y se tira del mismo con la rueda cuando
ésta empieza a rotar. Puesto que el hilo está en contacto con la
rueda extrusora en tres lados y en contacto con la parte
complementaria sólo en un lado, el hilo seguirá la rueda en todo
momento. Debido a las fuerzas de fricción, el hilo se calienta
gradualmente en su trayecto desde el punto (12) de contacto hasta
la matriz (9). Este calentamiento puede combinarse posiblemente, y
en particular durante el arranque, con otros medios de
calentamiento, en particular técnicas de calentamiento de Joule. A
medida que el hilo se calienta gradualmente también se vuelve cada
vez más plástico, y si se calienta lo suficiente se vuelve
parcialmente líquido. El hilo puede contener posiblemente partes de
fases (compuestos químicos) de pequeño volumen con puntos de fusión
más bajos que a una cierta temperatura forman una capa de
lubricación en la superficie del hilo, que sirve para reducir la
fricción en cierta medida durante la extrusión. Cuando el hilo
alcanza la matriz (9), el tope (8) que se extiende al interior de
la muesca (11) en este punto se opone a su movimiento continuado
tangencialmente a lo largo de la rueda (2) extrusora. El único
camino abierto para el hilo/material de relleno es a través de la
matriz (9) y al interior de la ranura (10). Cuando esto tiene
lugar, normalmente todo el dispositivo (1) estará moviéndose en el
sentido longitudinal de la ranura. En casos particulares el
dispositivo puede estar en reposo.
Alternativamente el tope (8) puede estar
conformado de modo que sólo se fuercen partes del material de
relleno en la muesca (11) a través de la matriz (9) mientras que el
resto se retira como virutas metálicas a través de un orificio
separado realizado para este fin en el tope por detrás de la matriz
(9). Entonces la rueda (2) extrusora puede rotar a una mayor
velocidad sin producir un bloqueo de la matriz (9), permitiendo así
que se desarrolle más calor por fricción mientras simultáneamente
se mejoran las posibilidades de controlar la temperatura y la tasa
de deposición del material de relleno en el interior de la ranura
(10).
Cuando se aleja de la rueda (2) a través de la
matriz (9) y hasta el interior de la ranura (10), el material de
relleno se enfría gradualmente a menos que se tomen precauciones
particulares para evitarlo, tales como calentamiento por
resistencia eléctrica de la matriz. En cada caso particular se
decide si es o no conveniente o necesario un calentamiento especial
de este tipo. Para muchas aplicaciones la longitud de la matriz (9)
puede estar limitada a algunos milímetros, reduciendo así la
necesidad de un calentamiento especial. Para garantizar unas
condiciones óptimas cuando el material de relleno abandona la
matriz y entra en la ranura, es conveniente tener un control
continuo de la temperatura en esta fase del proceso. Se prefiere
usar un control automático de la temperatura con un sensor de
temperatura dispuesto en o cerca de la matriz. Además es una opción
usar un calentamiento local de partes separadas del
dispositivo/proceso, tales como la herramienta (5), el soporte (6),
la matriz (9), las superficies de ranura y/o el material de
relleno. Cuando la herramienta (5) que retira el óxido es un
raspador, que representa una realización preferente, es conveniente
calentar las hojas del mismo para reducir la fuerza requerida para
retirar la capa de óxido.
Además se prefiere que la presión en la abertura
de la matriz durante la extrusión pueda controlarse y mantenerse a
un nivel constante, independiente de la elección de las condiciones
del proceso, para obtener una buena ligadura metálica y la
microestructura deseada en el material de relleno tras la ligadura
tal como se ha depositado. La razón de esto es permitir la
optimización de propiedades como límite elástico y resistencia a la
tracción, dureza, ductilidad, resistencia a la fatiga y resistencia
a la corrosión. Los medios adecuados para este fin son un sistema
para medir y ajustar el par motor o fuerza que actúa sobre la
rueda extrusora, el pistón de extrusión o tornillo extrusor,
dependiendo del equipo usado. Una condición previa para mantener
una presión fija tal en la abertura de la matriz es que el material
de relleno se mantenga en un sistema cerrado siempre que esté
plástico o parcialmente líquido. Si la ranura está abierta como se
muestra en la figura 3a, se requiere el uso de un soporte (6) para
mantener una presión tal. Además requiere que el pie (7) y el tope
(8) que en conjunto forman la abertura (9) de la matriz, tengan un
tamaño y una forma tal que en conjunto constituyan el sellado
requerido por la ranura (10, 10') de otro modo abierta.
Normalmente los componentes de material que van
a unirse serán del mismo tipo, aunque también pueden ser de otros
tipos siempre que sus propiedades sean compatibles. Los componentes
pueden estar fabricados, por ejemplo, de aleaciones de aluminio que
contienen diferentes elementos de aleación. En tal caso el
material de relleno puede ser idéntico a una de las aleaciones o
puede tener una composición entre las dos aleaciones, que desde el
punto de vista químico actúe como un "puente" entre las dos.
Componentes de aleaciones de aluminio dentro de las series 1XXX,
2XXX, 3XXX, 5XXX, 6XXX y 7XXX respectivamente pueden unirse entre
sí mediante el método y el dispositivo según la
presente invención, con una elección conveniente de material de relleno para la combinación de aleaciones en cuestión.
presente invención, con una elección conveniente de material de relleno para la combinación de aleaciones en cuestión.
Con respecto al material de relleno, éste puede
variarse de muchas maneras y para diferentes fines. Se ha
mencionado que puede comprender fracciones de pequeño volumen de
una fase (compuesto químico) que se funde a una temperatura
relativamente baja con el fin de obtener un efecto de lubricación
durante la extrusión.
El material de relleno puede comprender también
opcionalmente diferentes elementos que alteran la resistencia
eléctrica (óhmica) del material en un sentido deseado. Si el
calentamiento por resistencia va a aplicarse directamente al hilo,
la resistencia eléctrica no debería ser demasiado baja puesto que
entonces serían necesarias intensidades elevadas para conseguir el
calentamiento deseado. No se desea una intensidad elevada puesto
que ésta requiere grandes dimensiones de cables y equipos
eléctricos afines.
En general el material de relleno que va a
usarse debe ser compatible con el material de base y puede
ajustarse según esto para optimizar propiedades tales como
capacidad de extrusión, límite de elasticidad y resistencia a la
tracción, dureza, ductilidad, resistencia a la fatiga y resistencia
a la corrosión durante o después de la operación de unión. Por
tanto, el material de relleno puede contener inicialmente
diferentes elementos o fases que se conozcan de la práctica de la
extrusión y el tratamiento térmico industrial para, por ejemplo,
suprimir la recristalización y mejorar la precipitación,
recuperando así la resistencia adicional que sigue a un
envejecimiento natural o artificial. A excepción de desviaciones
menores de este tipo la composición química debería ser lo más
parecida posible a la del material de base para obtener las
propiedades de corrosión deseadas.
Como se ha mencionado es importante que las
superficies que van a unirse estén "impolutas", es decir
limpias y libres de óxido. Esto se consigue retirando el óxido de
las superficies inmediatamente antes de la deposición del material
de relleno en la ranura y limitando el acceso de oxígeno a esta zona
en la medida en que se requiera dentro del corto periodo de tiempo
que transcurre hasta que el material de relleno rellena la ranura.
Puede suministrarse un gas inerte u otro tipo de gas protector a la
zona entre la herramienta que retira el óxido y la matriz para
reducir el suministro de oxígeno a la misma zona de la ranura. El
dispositivo según la invención también permite que el
"espacio" por detrás de la herramienta que retira el óxido
forme un recinto que en todo momento se rellena con el material de
relleno. En ese caso la adición del gas inerte/gas protector puede
ser superflua.
Mediante el método y el dispositivo según la
invención se obtienen las ventajas previstas analizadas
anteriormente, es decir, el material de base no se somete a un
calentamiento innecesario o indeseado que lleva a un ablandamiento
y degradación del material. Al mismo tiempo pueden compensarse
imperfecciones menores en las superficies que van a unirse y
variaciones en el ancho de la ranura entre los componentes de
material mediante adiciones de material de relleno.
Los ejemplos siguientes se llevaron a cabo
solamente para poner a prueba la invención a un nivel básico, lejos
de su rango óptimo. Por tanto, no se usó ningún tipo de
precalentamiento ni se realizó ningún tipo de retirada de óxido en
conexión con estas pruebas.
\vskip1.000000\baselineskip
Se usó una rueda extrusora de 40 mm de diámetro,
dispuesta a nivel con la superficie de los dos componentes de
lámina que iban a unirse. El ancho de la muesca en la rueda fue de
1,5 mm y la profundidad de 2,4 mm, adecuados para alimentar un hilo
de 1,6 mm. Se usó una ranura abierta en forma de "I"
(separación de bordes de 1 mm), mecanizada previamente en el
sentido longitudinal de la lámina, actuando una placa de acero
gruesa como respaldo (soporte) y estando dispuesta la ) rueda
extrusora con su muesca paralela al sentido longitudinal de la
ranura. No se aplicó calor externo ni al hilo, ni a la extrusora,
ni a las herramientas durante la operación de unión. Tampoco se
llevó a cabo una retirada de óxido mecánica ni una limpieza de las
superficies.
La unión se llevó a cabo en una longitud de 20
mm forzando la rueda extrusora rotatoria contra los componentes de
lámina. Los componentes se movieron horizontalmente con respecto a
la extrusora con una velocidad constante sobre una mesa de
alimentación. La inspección visual posterior de los dos componentes
reveló que el material de relleno se había introducido en la
ranura con una fuerza considerable y se había deformado en frío de
manera importante. Se obtuvo ligadura en la superficie en la que la
deformación plástica había sido más importante.
\vskip1.000000\baselineskip
Se dispuso una rueda extrusora de 40 mm de
diámetro a nivel con las superficies de los dos componentes que
iban a unirse. El ancho de la muesca en la rueda fue de 1,5 mm y la
profundidad de 2,4 mm, adecuados para alimentar un hilo de 1,6 mm.
Se usó una ranura en forma de "I" de 3 mm de profundidad
(separación de bordes de 1,5 mm), mecanizada previamente en el
sentido longitudinal de los componentes de lámina, estando dispuesta
la muesca en ) la rueda extrusora a un ángulo de 90 grados con
respecto a la línea de la ranura. No se aplicó calor externo ni al
hilo, ni a la extrusora, ni a las herramientas durante la operación
de unión. Tampoco se llevó a cabo una retirada de óxido mecánica ni
una limpieza de las superficies.
La unión se llevó a cabo forzando la rueda
extrusora rotatoria contra los componentes de lámina que estaban en
reposo. La inspección visual posterior de las dos partes mostró que
el material de relleno se había introducido en la ranura con una
fuerza considerable y que las superficies de ranura, y
particularmente la ubicada adyacente al tope, se habían sometido a
una deformación plástica importante. Se obtuvo ligadura en la
superficie de ranura en la que la deformación había sido más
importante. Las mediciones de dureza realizadas en una sección
transversal de la junta mostraron que el material de relleno tal
como se depositó era significativamente más duro que el material
de base. Al mismo tiempo se observaron líneas de flujo
características en un microscopio óptico, tanto en el material de
base (a lo largo de las superficies de ranura deformadas) como en
el material de relleno tal como se depositó.
\vskip1.000000\baselineskip
Se dispuso una rueda extrusora de 40 mm de
diámetro a nivel con la superficie de los dos componentes de lámina
que iban a unirse. El ancho de la muesca en la rueda fue de 1,5 mm
y la profundidad de 2,4 mm, adecuados para alimentar un hilo de 1,6
mm. Se usó una ranura (cerrada) en forma de "V" con una
profundidad de 4 mm y se había mecanizado previamente una
profundidad máxima de 4 mm en el sentido longitudinal de los
componentes de lámina, estando dispuesta la muesca en la rueda
extrusora paralela con la línea de la ranura. No se aplicó calor
externo ni al hilo, ni a la extrusora, ni a las herramientas
durante la operación de unión. Tampoco se llevó a cabo una
retirada de óxido mecánica ni una limpieza de las superficies.
La unión se llevó a cabo en una longitud de
aproximadamente 60 mm forzando la rueda extrusora rotatoria contra
los componentes de lámina. Los componentes de lámina se movieron
horizontalmente con una velocidad constante con respecto a la
extrusora sobre una mesa de alimentación. La inspección visual
posterior mostró que el material de relleno se había introducido en
la ranura con una fuerza considerable y que se había deformado en
frío de manera importante. Ambas superficies de ranura mostraron
signos de deformación plástica local. Se obtuvo ligadura en una
longitud de aproximadamente 5 mm a lo largo de una de las
superficies de ranura.
Los ejemplos analizados anteriormente muestran
que el método según la invención funciona según lo previsto,
puesto que el material de relleno puede introducirse en la ranura y
rellenarla incluso sin emplear ningún tipo de precalentamiento de
la herramienta, el material de base o el material de relleno. Para
obtener una junta de calidad aceptable, sin embargo, debería
retirarse la capa de óxido en la ranura. Puede llevarse a cabo un
calentamiento local de la ranura, la herramienta o el material de
relleno.
\vskip1.000000\baselineskip
Las siguientes propiedades y ventajas se
consideran típicas para el proceso/dispositivo según la
invención:
- -
- el suministro de calor total es similar al de la soldadura por haz láser y la soldadura por haz de electrones.
- -
- El ancho de la zona termoafectada HAZ es muy reducido, y en la práctica más pequeño que o igual al grosor del material de base.
- -
- Las tensiones locales residuales, distorsiones y deformaciones globales posteriores a la unión están a un nivel correspondiente a la soldadura por haz láser y la soldadura por haz de electrones y significativamente menores que para la soldadura por arco (llama).
- -
- Los requisitos de tolerancia son similares a los de los procesos de soldadura por arco convencionales.
- -
- No hay problemas relacionados con las grietas térmicas o formación de poros en el material de relleno tal como se ha depositado, incluso cuando éste tiene las mismas propiedades químicas que el material de base.
- -
- Las propiedades de corrosión son comparables a o mejores que para soldaduras por fricción de las mismas aleaciones, y de nuevo significativamente mejores para las soldaduras por fusión.
- -
- La resistencia a la fatiga es comparable con la de las soldaduras por fricción o soldaduras por fusión convencionales posteriores a la retirada o pulido del refuerzo mediante mecanizado.
- -
- El método y el dispositivo según la invención es fácil de automatizar/robotizar de la misma manera que los procesos de soldadura convencionales.
El método según la invención es principalmente
adecuado para unir todos los tipos de lámina, tubos y perfiles que
pueden unirse mediante procesos y métodos de soldadura
convencionales y en todas las posiciones. Otro aspecto es que el
método puede realizarse con un equipo compacto, ligero y
económico.
El método es adecuado para unir todo tipo de
metales y aleaciones que pueden conformarse de manera plástica o
trabajarse en estado sólido o parcialmente líquido. El método es
particularmente adecuado para unir componentes de material con una
buena capacidad de extrusión, como aleaciones de metal ligero en
general y aleaciones de aluminio en particular. En vista de las
características y la excelencia del método, es razonable afirmar
que representa un salto cuantioso en la tecnología de fabricación
con respecto a la unión de aluminio. Por tanto, el método es una
alternativa realista tanto para los métodos de soldadura por fusión
convencionales como para la soldadura por fricción (incluida la
FSW) dentro de una serie de áreas de producto y sectores del
mercado, entre éstos el transporte (coches, barcos, aviones,
aeronáutico), la industria marina, terrestre y para edificios en
los que los requisitos respecto a las propiedades mecánicas son
particularmente estrictos.
Claims (20)
1. Método para unir componentes de metales y
aleaciones, en particular componentes de metales ligeros,
incluyendo aleaciones de metales ligeros y posiblemente
híbridos/compuestos que comprenden metales ligeros,
caracterizado porque se retira el óxido de las superficies
de ranura inmediatamente antes de la unión y porque a continuación
se rellena la ranura mediante extrusión con un material de relleno
metálico mientras se restringe simultáneamente el suministro de
oxígeno a la ranura en la medida en que se requiera.
2. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque se retira el óxido de las superficies
de ranura mediante raspado mecánico o el uso de otra herramienta
de corte, como una fresa.
3. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque como técnica de extrusión se usa una
técnica de extrusión continua con un material de relleno en forma
de hilo o a base de polvo.
4. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque como técnica de extrusión se usa una
técnica de extrusión discontinua, en particular en combinación con
el uso de elementos de material de relleno previamente empaquetados
de manera hermética.
5. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se unen
componentes de material de composición química homogénea y porque
el material de relleno tiene la misma composición química que dichos
componentes.
6. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se unen
componentes de metales y aleaciones con diferente composición
química y porque se usa un material de relleno compatible con la
composición química de ambos componentes metálicos.
7. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se
precalientan las superficies de ranura y/o el material de relleno
mediante calentamiento por resistencia eléctrica, calentamiento por
inducción, calentamiento por fricción y/u otras formas de
calentamiento de Joule, incluyendo el calentamiento mediante un haz
láser.
8. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se
precalientan partes del equipo usado para llevar a cabo el método
mediante calentamiento por resistencia eléctrica, calentamiento por
inducción u otras formas de calentamiento de Joule.
9. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el método
se controla automáticamente mediante el uso de sensores para
vigilar la temperatura y opcionalmente la presión durante la
extrusión y la unión, y el uso de un equipo de control conveniente
conectado a dichos sensores para controlar parámetros como la
velocidad del avance del componente, el calentamiento externo y la
tasa de deposición del material de
relleno.
relleno.
10. Dispositivo para unir componentes de metales
y aleaciones, en particular componentes de metales ligeros
incluyendo aleaciones de metales ligeros y posiblemente
híbridos/compuestos que comprenden metales ligeros,
caracterizado porque el dispositivo comprende una
herramienta (5, 31) para retirar la capa de óxido de las
superficies metálicas que definen una ranura (10), medios (2, 3 y
22, 23 respectivamente) para extrusión para alimentar metal a la
ranura (10) durante la unión, medios (7, 8) para cerrar la ranura
(10) hacia arriba y opcionalmente medios (6) para cerrar la ranura
(10) hacia abajo, y opcionalmente medios para reducir el acceso de
oxígeno a la zona por detrás de la herramienta (5) en la que se
añade metal.
11. Dispositivo según la reivindicación 10,
caracterizado porque los medios (22-23) para
extrusión se basan en una técnica para extrusión discontinua.
12. Dispositivo según la reivindicación 10,
caracterizado porque los medios (2-3) para
extrusión se basan en una técnica para extrusión continua.
13. Dispositivo según la reivindicación 12,
caracterizado porque los medios (2-3) para
extrusión continua comprenden una rueda extrusora (2) o un tornillo
extrusor (no mostrado).
14. Dispositivo según la reivindicación 13,
caracterizado porque los medios (7-8) para
cerrar la ranura hacia arriba están constituidos por partes
periféricas de la rueda (2) extrusora.
15. Dispositivo según la reivindicación 10 o las
reivindicaciones 12-13, caracterizado porque
los medios para alimentar metal (material de relleno) a la ranura
(10) están constituidos por una rueda extrusora (2) y una parte (3)
complementaria, porque los primeros medios para cerrar la ranura
(10) hacia arriba están constituidos por un pie (7) adaptado para
apoyarse contra los componentes metálicos que van a unirse, porque
los segundos medios para cerrar la ranura (10) hacia arriba están
constituidos por un tope (8) dispuesto en relación con el pie (7)
de modo que entre éstos y la rueda (2) extrusora se define una
matriz (9) para el material de relleno alimentado por extrusión,
mientras que el dispositivo también comprende opcionalmente un
medio en forma de un soporte (6) que preferentemente está acoplado
de manera mecánica al pie (7).
16. Dispositivo según la reivindicación 10, 12,
13 ó 15, caracterizado porque el tope (8) está dotado de un
orificio separado (no mostrado) que permite que parte del metal
alimentado a través de la muesca (11) en la rueda (2) extrusora
pase a través del tope (8) como virutas metálicas, en lugar de
introducirse en la ranura (10).
17. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 10-16, caracterizado porque
la herramienta para retirar la capa de óxido es un raspador (5, 31)
mecánico u otra herramienta de corte, como por ejemplo una
fresa.
18. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 10-17, caracterizado porque
la herramienta (5, 31) para retirar la capa de óxido también
comprende medios (no mostrados) para precalentar las superficies
de ranura y/o el material de relleno.
19. Dispositivo según la reivindicación 18,
caracterizado porque los medios para precalentar la ranura
(10) y/o el material de relleno se basan en calentamiento por
resistencia eléctrica, calentamiento por inducción u otras formas
de calentamiento de Joule, incluyendo el calentamiento mediante un
haz láser.
20. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 10-19, caracterizado porque
el dispositivo (1) comprende medios (no mostrados) para calentar
uno o más de los siguientes elementos: la herramienta (5) que
retira el óxido, la rueda (2) extrusora, la parte (3)
complementaria, el soporte (6) y la matriz (9), basándose dichos
medios de calentamiento en calentamiento por resistencia
eléctrica, calentamiento por inducción u otras formas de
calentamiento de Joule, incluyendo el calentamiento con un haz
láser.
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