ES2345890T3 - Procedimiento y disposicion para soldadura por friccion. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la soldadura por fricción, en el que una de las piezas a unir es puesta en oscilación con ayuda de un oscilador electromagnético (4, 5, 6) y de forma controlada por un sensor de desplazamiento (11) se produce un inicio de oscilación mediante la magnetización alterna de dos electroimanes (2, 3) que actúan en oposición, caracterizado porque tras un inicio de oscilación regulado y un tiempo de oscilación prefijable el oscilador (4, 5, 6) es frenado eléctricamente, porque en función de la respectiva dirección de oscilación del oscilador (4, 5, 6) al producirse el inicio de oscilación un electroimán (2, 3) que apoya el movimiento es alimentado eléctricamente y al producirse el frenado un electroimán (2, 3) que ralentiza el movimiento respectivo es alimentado eléctricamente, y porque durante el frenado es desconectada la corriente al alcanzarse una amplitud de oscilación prefijada.
Description
Procedimiento y disposición para soldadura por
fricción.
La invención se refiere a un procedimiento y a
una disposición para la soldadura por fricción, en los cuales una de
las piezas a unir es puesta en oscilación con ayuda de un oscilador
electromagnético y de forma controlada por un sensor de
desplazamiento se produce un inicio de oscilación mediante la
magnetización alterna de dos electroimanes que actúan en
oposición.
Un procedimiento de este tipo y una disposición
así son conocidos a partir del documento US 2002/0 017 883.
Al unir piezas mediante soldadura por fricción
se genera calor mediante el recurso de que las piezas a unir son
sometidas a fricción mutua al mismo tiempo que son apretadas una
contra otra. Esto tiene la ventaja de que el calor se produce
inmediatamente en las superficies a unir entre sí y no tiene que ser
transportado primeramente a través de las piezas hasta la zona de
soldadura. Para generar el calor de fricción sirve un oscilador
electromagnético, que está unido a un componente receptor para la
pieza a unir, mientas que la otra pieza es aproximada y apretada por
una plataforma elevadora.
Para el accionamiento del oscilador se genera
por parte de un generador una corriente alterna, cuya frecuencia
corresponde a la mitad de la frecuencia de resonancia del oscilador.
Como esta frecuencia también depende del componente receptor de
herramienta en el oscilador, en dispositivos conocidos es necesario
un ajuste de la frecuencia tras un cambio del componente receptor de
herramienta. Para ello, en un dispositivo conocido a partir del
documento EP 0 481 825 A2 está previsto que la frecuencia de
operación del generador sea modificada por un microprocesador hasta
que la intensidad de corriente para una amplitud de oscilación
prefijada sea mínima. Aquí sin embargo se pierde tiempo, en el que
el dispositivo no trabaja de forma óptima. Para mejorar esto, en el
dispositivo conocido está previsto además que se determine la curva
de intensidad de corriente dependiente de la frecuencia para una
determinada herramienta y se almacene como referencia. Con ello aún
no se consigue sin embargo en conjunto un tiempo de oscilación lo
más pequeño posible.
Mediante el documento WO 02/076737 A1 se ha
hecho conocida una disposición para soldadura por fricción, en la
cual está previsto un oscilador con el que una de las piezas a unir
es puesta en oscilación y que es accionado por electroimanes que
actúan en oposición, en que una salida de un sensor de
desplazamiento que detecta la posición respectiva del oscilador está
unida a una entrada de un regulador, que está conectado por el lado
de salida a entradas de una etapa final analógica de potencia para
los electroimanes. Para ello, se aplica tensión eléctrica a los
electroimanes para respectivamente una semionda de la oscilación. En
este caso debe conseguirse una posición de fase de la magnetización
apropiada para la excitación de la oscilación mediante un
desplazamiento de fase condicionado por la inductancia de los
electroimanes. Esto lleva a una comportamiento de regulación
ineficiente de la disposición.
El procedimiento conforme a la invención hace
posible un tiempo de proceso de soldadura corto mediante el recurso
de que tras un inicio de oscilación regulado y un tiempo de
oscilación prefijable el oscilador es frenado eléctricamente, de que
en función de la respectiva dirección de oscilación del oscilador al
producirse el inicio de oscilación un electroimán que apoya el
movimiento es alimentado eléctricamente y al producirse el frenado
un electroimán que ralentiza el movimiento respectivo es alimentado
eléctricamente, y de que durante el frenado es desconectada la
corriente al alcanzarse una amplitud de oscilación prefijada.
El procedimiento conforme a la invención tiene
como base la observación de que la vibración es terminada lo más
inmediatamente posible tras el proceso de ligadura, para que se
eviten perjuicios a la unión ya producida. Además, mediante el
inicio de oscilación regulado se garantiza que la frecuencia de
resonancia se establezca inmediatamente de modo totalmente
automático.
La desconexión de la corriente al alcanzarse una
amplitud de oscilación prefijada impide un nuevo inicio de
oscilación con posición de fase opuesta. Aquí, la amplitud de
oscilación prefijada se escoge de tal modo que durante la
finalización de oscilación determinada ahora simplemente por la
amortiguación mecánica la zona de ligadura no es sobrecargada.
Según sean las premisas en detalle, el estado de
oscilación activa puede mantenerse por un tiempo respectivamente a
determinar. Se han mostrado resultados particularmente buenos con el
procedimiento conforme a la invención cuando el inicio de oscilación
y el frenado tienen una duración respectivamente menor de 80 ms.
En una disposición conforme a la invención para
la soldadura por fricción está previsto que el regulador esté
conformado de modo que controle la etapa final de potencia de tal
manera que en función de la respectiva dirección de movimiento del
oscilador un electroimán que apoya el movimiento sea alimentado
eléctricamente, que para el frenado un electroimán que ralentiza el
respectivo movimiento sea alimentado eléctricamente y que durante el
frenado sea desconectada la corriente al alcanzarse una amplitud de
oscilación prefijada.
Esta disposición hace posible de modo
particularmente sencillo un inicio de oscilación regulado, sin que
exista un generador que primero inicia la oscilación con una
frecuencia eventualmente falsa y tras ello debe ser
sincronizado.
En la disposición conforme a la invención, la
transición desde el inicio de oscilación o respectivamente desde un
estado de oscilación activa al frenado se produce de modo sencillo
mediante conmutación de la etapa final de potencia.
Una estructuración ventajosa de la disposición
conforme a la invención consiste en que la etapa final de potencia
está formada por una primera rama de puente compuesta por dos
conmutadores de semiconductor conectados en serie con diodos de
rueda libre conectados en paralelo y por otras dos ramas de puente
compuestas por respectivamente una conexión en serie de un
conmutador de semiconductor y un diodo, en que las bobinas de los
electroimanes están conectadas entre el punto de unión de los
conmutadores de semiconductor de la primera rama de puente por un
lado y respectivamente un punto de unión de las otras ramas de
puente por otro lado, en que los conmutadores de semiconductor de la
primera rama de puente son controlados con la frecuencia de
oscilación y los conmutadores de semiconductor de las otras ramas de
puente son controlados con una frecuencia mayor que la frecuencia de
oscilación por modulación de anchura de impulsos o por regulación en
banda de tolerancia, en que según el estado de regulación pueden
resultar frecuencias mayores que la frecuencia de oscilación.
Debido a pérdidas en circuitos de semiconductor
que se producen en cada proceso de conmutación y para evitar
perturbaciones electromagnéticas se busca escoger las frecuencias de
conmutación lo más pequeñas que sea posible. Esto es posible de modo
ventajoso con esta estructuración. Algunos conmutadores de
semiconductor son conectados con la frecuencia de oscilación, por
ejemplo 270 Hz, otros conmutadores de semiconductor son conectados
varias veces por oscilación, en que su frecuencia de conmutación se
mantiene en el entorno de pocos kHz. Como frecuencia de exploración
para la detección de los valores reales de corriente y posición es
necesaria otra frecuencia de como máximo 15 kHz.
Aunque en esta estructuración ventajosa no todas
las ramas de puente tienen que estar conformadas completamente con
conmutadores de semiconductor, debido a los módulos existentes a
disposición en el mercado de forma favorable puede ser ventajoso que
los diodos estén formados por conmutadores de semiconductor con
diodos de rueda libre conectados en paralelo.
Debido a la conexión más frecuente, los
conmutadores de semiconductor en las otras ramas de puente son
cargados más fuertemente que los de la primera rama de puente. Para
reducir esta carga puede estar previsto que de ciclo de operación a
ciclo de operación la corriente a través de los electroimanes sea
permutada a través de las otras ramas de puente.
Otra estructuración ventajosa de la disposición
conforme a la invención consiste en que unos medios para la
generación de una señal de disparo para conectar la corriente a
través del respectivo electroimán están conformados de tal modo que
la señal de disparo se produce una fracción predeterminable,
preferentemente un cuarto, de un periodo de oscilación después de un
paso por cero de la oscilación.
En el sentido de un inicio de oscilación lo más
rápido posible, la disposición conforme a la invención puede estar
conformada de tal modo que el regulador tenga una parte integral que
esté preasignada inicialmente con un valor considerable.
Otra estructuración de la disposición conforme a
la invención consiste en que el oscilador, incluyendo su soporte
elástico y el componente receptor de herramienta, el sensor de
desplazamiento, el regulador, la etapa final de potencia y los
electroimanes forman un circuito de oscilación, cuya frecuencia de
resonancia es determinada esencialmente por la frecuencia propia del
oscilador, incluyendo su soporte elástico y el componente receptor
de herramienta. Esto contribuye igualmente a un inicio de oscilación
rápido.
Ejemplos de realización de la invención están
representados en el dibujo con ayuda de varias figuras y son
descritos más detalladamente en la siguiente descripción.
Muestran:
la figura 1 una representación esquemática de un
ejemplo de realización,
la figura 2 una etapa final de potencia
aplicable de modo particularmente ventajoso en la disposición
conforme a la invención,
la figura 3 diagramas temporales para la
explicación del proceso de oscilación y
la figura 4 una representación de las fases
conductoras de los conmutadores de semiconductor de la etapa final
de potencia.
La figura 1 muestra las piezas, necesarias para
la explicación de la invención, de un dispositivo de soldadura por
fricción. Sobre un puente de cabeza 1 están dispuestos dos
electroimanes 2, 3, que tiran de un cuadro de oscilación 4
correspondientemente a la alimentación de corriente respectivamente
en su dirección - en el caso del electroimán 2 en la dirección de la
flecha s. El cuadro de oscilación 4 está apoyado de forma capaz de
oscilar con ayuda de un resorte 5 en el puente de cabeza 1. El
cuadro de oscilación tiene un componente receptor de herramienta 6,
que está realizado en función de la pieza a unir y puede ser
correspondientemente sustituido. El cuadro de oscilación 4, el
resorte 5 y el componente receptor de herramienta 6 se denominan en
lo que sigue también más brevemente oscilador.
Con ayuda de ángulos 7, 8, la cabeza de puente
está montada sobre soportes 9, 10, que forman parte de una máquina,
que entre otras cosas lleva de modo no representado un componente
receptor para la otra pieza a unir, el cual es apretado para el
proceso de soldadura contra el componente receptor de herramienta 6.
Un detector de desplazamiento 11 mide la respectiva posición del
cuadro de oscilación y la transmite a un regulador 12 como señal
eléctrica correspondiente. Señales de salida del regulador 12 son
conducidas a una etapa final de potencia 13, que está conectada de
forma trifásica en 14 a la red eléctrica.
Un ejemplo para la etapa final de potencia 13
está representado más detalladamente en la figura 2. La tensión de
red suministrada en 14 es rectificada por un rectificador trifásico
15. Un condensador 16 sirve para el suavizado de la tensión de
corriente continua así como para amortiguar la carga pulsante. La
disposición representada en la figura 2 se fabrica en gran número de
unidades como convertidor trifásico. Un procesador contenido ahí, no
mostrado en la figura 2, sólo necesita ser programado de modo
adecuado para la realización de la invención.
La etapa final de potencia está formada por
respectivamente dos transistores de potencia T1, T4, T3, T6; T5, T2
conectados en serie, en paralelo a los cuales está conectado
respectivamente un diodo de rueda libre D1, D4; D3, D6; D5, D2. La
rama central de puente T3, T6 es controlada respectivamente con la
frecuencia de oscilación en función de la dirección de movimiento
del oscilador. Para la regulación de la amplitud de oscilación,
respectivamente uno de los transistores T5 ó T4 es controlado con
una frecuencia más alta por modulación de anchura de impulsos o
conforme a una regulación en banda de tolerancia de la corriente.
Los diodos D3 o respectivamente D6 de la rama central de puente así
como los diodos D2 y D1 sirven aquí como diodos de rueda libre.
Detalles respecto a las fases conductoras de los conmutadores de
semiconductor se explican posteriormente en conexión con la figura
4.
Primeramente se presenta sin embargo el
procedimiento conforme a la invención con ayuda de la figura 3. El
diagrama a muestra la evolución temporal del desplazamiento s del
oscilador, los diagramas d y c la evolución de las corrientes
iL(2) e iL(3) de los dos electroimanes 2, 3 (figura
1). Durante las primeras tres semiondas, los electroimanes son
alimentados eléctricamente de tal modo que la oscilación es apoyada.
Durante la tercera semionda, por ejemplo en el instante t1, se
produce una orden de frenado, tras lo cual se forma una pausa de
espera en la siguiente semionda mediante el recurso de que ninguno
de los electroimanes es alimentado eléctricamente. En las siguientes
semiondas, empezando en el instante t2, es alimentado eléctricamente
entonces de forma respectiva el electroimán que frena la oscilación,
de modo que la amplitud de ésta disminuye. Tan pronto como la
amplitud queda por debajo de un valor 21, 22 prefijado, la corriente
es desconectada, para evitar una nueva excitación en fase
opuesta.
La figura 4 muestra un diagrama temporal de la
corriente i, así como en forma de superficies rayadas las
respectivas fases conductoras de los conmutadores de semiconductor.
Para alimentar eléctricamente el electroimán 2, el conmutador de
semiconductor T6 es en su mayor parte conductor durante la
correspondiente semionda de la fase de movimiento. Durante este
tiempo, el conmutador de semiconductor T5 es temporizado, siendo
regulado el factor de trabajo correspondientemente a la amplitud de
oscilación prefijada. Respectivamente tras la desconexión del
conmutador de semiconductor T5, la corriente fluye mediante la
energía almacenada en el electroimán a modo de rueda libre a través
del diodo D2 y del conmutador de semiconductor T6. Tras la
desconexión de los conmutadores de semiconductor T5 y T6, la
corriente fluye a través de los diodos D2 y D3 de vuelta al
condensador y se atenúa muy rápidamente debido a su tensión.
En la siguiente semionda es alimentado
eléctricamente el electroimán 3. Las fases conductoras de los
conmutadores de semiconductor T3 y T4 así como de los diodos D6 y D1
corresponden a las fases conductoras de los conmutadores de
semiconductor T6 y T5 así como de los diodos D3 y D2 en la semionda
precedente.
Claims (9)
1. Procedimiento para la soldadura por fricción,
en el que una de las piezas a unir es puesta en oscilación con ayuda
de un oscilador electromagnético (4, 5, 6) y de forma controlada por
un sensor de desplazamiento (11) se produce un inicio de oscilación
mediante la magnetización alterna de dos electroimanes (2, 3) que
actúan en oposición, caracterizado porque tras un inicio de
oscilación regulado y un tiempo de oscilación prefijable el
oscilador (4, 5, 6) es frenado eléctricamente, porque en función de
la respectiva dirección de oscilación del oscilador (4, 5, 6) al
producirse el inicio de oscilación un electroimán (2, 3) que apoya
el movimiento es alimentado eléctricamente y al producirse el
frenado un electroimán (2, 3) que ralentiza el movimiento respectivo
es alimentado eléctricamente, y porque durante el frenado es
desconectada la corriente al alcanzarse una amplitud de oscilación
prefijada.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el inicio de oscilación y el frenado
tienen una duración respectivamente menor de 80 ms.
3. Disposición para la soldadura por fricción,
en la que está previsto un oscilador (4, 5, 6), con el que una de
las piezas a unir es puesta en oscilación y que es accionado por
electroimanes (2, 3) que actúan en oposición, en que una salida de
un sensor de desplazamiento (11) que detecta la posición respectiva
del oscilador (4, 5, 6) está unida a una entrada de un regulador
(12), que está conectado por el lado de salida a entradas de una
etapa final de potencia (13) para los electroimanes (2, 3),
caracterizada porque el regulador (12) está conformado de
modo que controla la etapa final de potencia (13) de tal manera que
en función de la respectiva dirección de movimiento del oscilador
(4, 5, 6) un electroimán (2, 3) que apoya el movimiento es
alimentado eléctricamente, porque para el frenado un electroimán (2,
3) que ralentiza el respectivo movimiento es alimentado
eléctricamente y porque durante el frenado es desconectada la
corriente al alcanzarse una amplitud de oscilación prefijada.
4. Disposición según la reivindicación 3,
caracterizada porque la etapa final de potencia (13) está
formada por una primera rama de puente compuesta por dos
conmutadores de semiconductor (T3, T6) conectados en serie con
diodos de rueda libre (D3, D6) conectados en paralelo y por otras
dos ramas de puente compuestas por respectivamente una conexión en
serie de un conmutador de semiconductor (T1, T2) y un diodo (D4,
D5), en que las bobinas de los electroimanes (2, 3) están conectadas
entre el punto de unión de los conmutadores de semiconductor (T3,
T6) de la primera rama de puente por un lado y respectivamente un
punto de unión de las otras ramas de puente por otro lado, porque
los conmutadores de semiconductor (T3, T6) de la primera rama de
puente son controlados con la frecuencia de oscilación y los
conmutadores de semiconductor (T1, T2) de las otras ramas de puente
son controlados por modulación de anchura de impulsos o por
regulación en banda de tolerancia, en que según el estado de
regulación pueden resultar frecuencias mayores que la frecuencia de
oscilación.
5. Disposición según la reivindicación 4,
caracterizada porque los diodos (D4, D5) están formados por
conmutadores de semiconductor (T4, T5) con diodos de rueda libre
(D4, D5) conectados en paralelo.
6. Disposición según la reivindicación 5,
caracterizada porque de ciclo de operación a ciclo de
operación la corriente a través de los electroimanes (2, 3) es
permutada a través de las otras ramas de puente.
7. Disposición según una de las reivindicaciones
3 hasta 6, caracterizada porque unos medios para la
generación de una señal de disparo para conectar la corriente a
través del respectivo electroimán (2, 3) están conformados de tal
modo que la señal de disparo se produce una fracción
predeterminable, preferentemente un cuarto, de un periodo de
oscilación después de un paso por cero de la oscilación.
8. Disposición según una de las reivindicaciones
3 hasta 7, caracterizada porque el regulador (12) tiene una
parte integral que esté preasignada inicialmente con un valor
considerable.
9. Disposición según una de las reivindicaciones
3 hasta 8, caracterizada porque el oscilador (4, 5, 6),
incluyendo su soporte elástico (5) y el componente receptor de
herramienta (6), el sensor de desplazamiento (11), el regulador
(12), la etapa final de potencia (13) y los electroimanes (2, 3)
forman un circuito de oscilación, cuya frecuencia de resonancia es
determinada esencialmente por la frecuencia propia del oscilador (4,
5, 6), incluyendo su soporte elástico (5) y el componente receptor
de herramienta (6).
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