ES2380245T3 - Método de fricción y agitación y par de piezas de trabajo unidas mediante dicho método - Google Patents
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Abstract
Un método de fricción-agitación que incluye provocar la entrada de una sonda (1) giratoria de una herramienta de fricción-agitación en una pieza de trabajo o en una región (7) de unión entre una pareja de piezas (8, 9) de trabajo, donde la pieza o cada pieza de trabajo es un metal o una aleación metálica de baja conductividad y elevado punto de fusión, es decir un metal o una aleación metálica con una temperatura de fusión por encima de la del aluminio y conductividad térmica menor que la del aluminio, caracterizado porque la herramienta de fricción agitación tiene un único resalte (4) de sujeción desde el que se extiende la sonda, donde el resalte de sujeción está en contacto con la pieza o las piezas de trabajo, y porque la sonda gira de manera relativa al resalte (4) de sujeción, y porque el resalte (4) de sujeción no gira de manera relativa a la pieza o las piezas (8, 9) de trabajo.
Description
Metodo de fricci6n agitaci6n y par de piezas de trabajo unidas mediante dicho metodo
La invenci6n se refiere a metodos de fricci6n-agitaci6n para unir o procesar metales y aleaciones metalicas de baja conductividad y de alta temperatura de acuerdo con el preambulo de la reivindicaci6n 1. El documento US 2003/0201307 dio a conocer tales metodos.
En este contexto, definimos "metales y aleaciones metalicas de alta temperatura" como aquellos que tienen temperaturas de fusi6n por encima de la del aluminio, es decir, por encima de 700°C. Definimos "metales y aleaciones metalicas de baja conductividad" como aquellas que tienen una conductividad termica menor que la del aluminio, tfpicamente por debajo de 250 W/m K, preferiblemente por debajo del 150 W/m K, y mas preferiblemente por debajo de 100 W/m K. Los metales y las aleaciones metalicas de alta temperatura y baja conductividad tienen puntos de fusi6n elevados y resistencias elevadas e incluyen comunmente aleaciones ferrosas, y materiales que contienen cantidades de nfquel, cobalto, cromo, molibdeno, tungsteno, aluminio, titanio, niobio, tantalo, renio y zirconio. Algunos de estos tipos de material pueden ser denominados super-aleaciones. Tambien incluyen aleaciones de titanio, que tienen un uso amplio en aplicaciones aeroespaciales de altas prestaciones y otras aplicaciones.
Los metales y las aleaciones metalicas de baja conductividad y alta temperatura han sido unidos convencionalmente mediante metodos de fusi6n pero se ha reconocido que serfa ventajoso unirlos utilizando soldadura por fricci6nagitaci6n (FSW, Friction Stir We/ding).
La soldadura por fricci6n-agitaci6n es un metodo por el que una sonda de material mas duro que el material de la pieza de trabajo es forzada a entrar en la regi6n de uni6n en partes opuestas de las piezas de trabajo en cualquiera de los dos lados de la regi6n de uni6n mientras se provoca un movimiento cfclico relativo (por ejemplo rotacional, orbital o recfproco) entre la sonda y las piezas de trabajo, por lo cual se genera calor por fricci6n que causa que las partes opuestas entren en una condici6n de plasticidad; se provoca entonces de manera opcional un movimiento relativo entre las piezas de trabajo y la sonda en la direcci6n de la regi6n de uni6n; se retira la sonda; y se permite que las partes que alcanzaron la plasticidad se consoliden y unan las piezas de trabajo entre sf. En los documentos EP-A-0615480 y WO 95/26254 se describen ejemplos de soldadura por fricci6n-agitaci6n.
Los beneficios de la soldadura por fricci6n-agitaci6n han sido dados a conocer ampliamente en la tecnica anterior, especialmente en comparaci6n con tecnicas convencionales de fusi6n por soldadura. Estos beneficios incluyen la eliminaci6n de la necesidad de fungibles o materiales de relleno, una baja distorsi6n en soldaduras largas, la suficiencia de una preparaci6n ligera de los materiales, una fase s6lida (sin humos, porosidades o salpicaduras, menor entrada de calor, y evitaci6n de la solidificaci6n de un bano de fusi6n de soldadura), y excelentes propiedades mecanicas y caracterfsticas de formaci6n en las uniones.
Las herramientas de fricci6n-agitaci6n pueden utilizarse tambien para procesar una unica pieza de trabajo. En el Procesamiento por Fricci6n-Agitaci6n (FSP, Friction Stir Processing), una herramienta utilizada tfpicamente para FSW es forzada a moverse a traves del material de una unica pieza de trabajo para inducir un cambio en las propiedades de ese material en lugar de ser forzada a moverse a lo largo de la lfnea de uni6n para crear una soldadura. La acci6n de reprocesado termomecanico de la herramienta puede conducir a la aparici6n de cambios locales especfficos en la microestructura, las propiedades ffsicas (comportamiento plastico, resistencia, etc.) y las propiedades qufmicas (resistencia a la corrosi6n, etc.). La tecnica del FSP tambien ha sido utilizada para consolidar y reparar fundiciones y otras estructuras, ayudando a eliminar la porosidad y a mejorar las propiedades alrededor de los canales/orificios en, por ejemplo, culatas de fundici6n. Pueden encontrarse ejemplos de la tecnica del FSP en los documentos US 67129168, EP-A-1160029, JP 2005-324240A, US 2006-0032891A y US 69949168.
Las herramientas de fricci6n-agitaci6n estan constituidas tfpicamente por una sonda o "perno" simplemente cilfndrica
o ligeramente c6nica que sobresale de un resalte de sujeci6n plano, con forma de domo o c6nico de un diametro mayor. En el documento G8-A-2306366 se describen ejemplos tfpicos de este tipo de herramienta. En la tecnica anterior se conocen muchas modificaciones de la herramienta simple de perno. Otro tipo comun de utillaje descrito de la tecnica anterior es conocido como la "herramienta de carrete", tal como se describe en el documento EP-A0615480. Este tipo de utillaje evita la necesidad de una pieza de soporte, requerida habitualmente para reaccionar ante la fuerza generada por la acci6n de la herramienta en la pieza de trabajo o las piezas de trabajo.
Se conocen otros ejemplos de herramientas, incluyendo aquellas que tienen superficies dotadas de textura, pernos roscados y estriados, aquellas que estan constituidas por pernos y resaltes de sujeci6n intercambiables, y de combinaciones de materiales diferentes que dependen de la aplicaci6n. Pueden encontrarse ejemplos de estas herramientas en los documentos WO 95/26254, WO 02/092273, US 627743081, WO 99/52669, EP-A-1361014, US 667600481, y muchos otros.
Los materiales de las piezas de trabajo tfpicas comunmente unidas utilizando soldadura por fricci6n-agitaci6n poseen una temperatura de fusi6n baja y en este contexto se denominan generalmente materiales o metales de baja temperatura. Los mas comunmente soldables mediante fricci6n-agitaci6n de entre estos materiales son los metales
basados en aluminio, magnesio, cobre, plomo y otros materiales similares.
Se ha desarrollado mucho trabajo para unir materiales de alta temperatura mediante soldadura por fricci6n-agitaci6n, con exito diverso. Uno de los principales problemas cuando se realiza soldadura por fricci6n-agitaci6n con materiales de alta temperatura radica en la selecci6n del material correcto para la herramienta, que de manera convencional se ha centrado en metales refractarios o materiales ceramicos.
El documento WO 99/52669 considera la utilizaci6n de tungsteno puro, una aleaci6n de tungsteno y renio, y carburo de tungsteno para materiales ferrosos; y materiales de cobalto, materiales ceramicos o cerametalicos para otras aplicaciones de alta temperatura.
El documento WO 01/85385 se refiere a la soldadura por fricci6n-agitaci6n de MMCs, aleaciones ferrosas, aleaciones no ferrosas, y super-aleaciones utilizando una herramienta en la que el perno y el resalte de sujeci6n incluyen al menos un revestimiento constituido por un material super-abrasivo. Este material es tfpicamente nitruro de boro cubico policristalino (PC8N, Po/ycrysta//ine Cubic Boron Nitride).
El documento G8 2402905 describe una herramienta fabricada a partir de un material refractario basado en tungsteno, que resulta util para soldar materiales de alta resistencia tales como aleaciones de nfquel y titanio.
Se ha alcanzado una calidad de soldado razonable al unir ciertos materiales de titanio utilizando herramientas de wolframio - renio de geometrfa estandar, aunque se ha informado de que con este tipo de utillaje se producen desequilibrios de calor entre la parte superior y la parte inferior de la soldadura, defectos vermiculares y problemas de chispas, debido a las altas velocidades de los resaltes de sujeci6n, y distorsi6n (ver "Una visi6n general de la soldadura por fricci6n-agitaci6n 8eta 21S Titanio", Loftus y otros, 5° Simposio FSW, Metz 2004). En este trabajo tambien se proponfan metodos para superar estos problemas, que inclufan la utilizaci6n de herramientas de carrete para equilibrar la entrada de calor.
El documento US-A-2003/0201307 describe un ejemplo adicional mas de una herramienta de soldadura por fricci6nagitaci6n en la que una sonda se extiende entre los resaltes de sujeci6n, uno de los cuales gira con la sonda mientras que el otro gira de manera independiente a la sonda. Esto permite que los resaltes de sujeci6n puedan aplicar velocidades de calentamiento de superficie diferentes, lo cual es beneficioso cuando se sueldan materiales de propiedades distintas que requieren parametros de soldadura distintos.
El documento US-A-5697544 describe una herramienta de soldadura por fricci6n-agitaci6n en la que el perno es retractil. La herramienta incluye una pareja de resaltes de sujeci6n separados en sentido radial que pueden girar a velocidades diferentes.
El documento US-A-2006/0289604 describe otro proceso de soldadura por fricci6n-agitaci6n, de manera particular para aluminio y aleaciones de aluminio.
Cuando se lleva a cabo soldadura por fricci6n-agitaci6n y procesamiento de materiales de alta temperatura utilizando las herramientas descritas en la tecnica anterior aparecen varios problemas, y no s6lo la degradaci6n de los materiales de la herramienta, atribuida generalmente al elevado calor y a los esfuerzos generados durante la soldadura por fricci6n-agitaci6n y el procesado de estos materiales de alta temperatura. Tambien aparecen problemas cuando se controla la entrada de calor en materiales de alta temperatura, no s6lo debido al sobrecalentamiento de la herramienta, sino tambien al sobrecalentamiento de la pieza de trabajo y a los desequilibrios termicos a traves del perfil de soldadura, tal como se indica en el trabajo de Loftus y otros, lo que puede conducir a unas propiedades de uni6n pobres. En ciertos materiales de alta temperatura, este efecto es debido comunmente a la elevada entrada de calor proporcionado por la superficie de fricci6n relativamente grande del resalte de sujeci6n de la herramienta mientras se transmite una velocidad suficiente al perno para provocar la mezcla del material. Aunque algunos esfuerzos para enfriar la herramienta han tenido exito para prolongar la vida de la misma, s6lo han tenido un efecto limitado en las propiedades de la uni6n. La reducci6n del diametro de la parte del resalte de sujeci6n de la herramienta puede reducir la entrada de calor, pero conduce tambien a una consolidaci6n inadecuada del material y a la generaci6n de grandes cantidades de chispas.
De acuerdo con la presente invenci6n, un metodo de fricci6n-agitaci6n incluye provocar la entrada de una sonda giratoria de una herramienta de fricci6n-agitaci6n en una pieza de trabajo o en una regi6n de uni6n entre una pareja de piezas de trabajo, donde la pieza de trabajo o cada pieza de trabajo son un metal o una aleaci6n metalica de baja conductividad y elevado punto de fusi6n, es decir un metal o una aleaci6n metalica con una temperatura de fusi6n por encima de la del aluminio y una conductividad termica menor que la del aluminio, caracterizado porque la herramienta de fricci6n-agitaci6n tiene un unico resalte de sujeci6n desde el cual se extiende la sonda, donde el resalte de sujeci6n esta en contacto con la pieza de trabajo o las piezas de trabajo y porque la sonda gira de manera relativa al resalte de sujeci6n, y porque el resalte de sujeci6n no gira de manera relativa a la pieza de trabajo o a las piezas de trabajo.
Hemos llevado a cabo un estudio detallado de la tecnica de FSW con materiales de alta temperatura, particularmente metales, y hemos apreciado que el problema mas serio es la generaci6n de un calor excesivo en
estos materiales de alta temperatura y baja conductividad. El calor generado por la herramienta de FSW tiende a permanecer localizado alrededor del area de soldadura, lo que puede conducir a un sobrecalentamiento del material de la pieza de trabajo.
Incluso una reducci6n del diametro del resalte de sujeci6n (para reducir la entrada de calor de superficie) no supera los problemas del sobrecalentamiento de superficie. Sin embargo, con la invenci6n, es posible controlar la entrada de calor manteniendo una mezcla adecuada y una acci6n de consolidaci6n.
Por consiguiente, en la invenci6n, la sonda gira de manera separada con respecto a cualquier resalte de sujeci6n. La raz6n es que para unir materiales de alta temperatura y baja conductividad es muy favorable que no exista ninguna interdependencia directa entre una fuente de calentamiento de superficie y una fuente de calentamiento interno, tal como la existente cuando se utilizan herramientas de soldadura por fricci6n-agitaci6n con cualquier sistema de sonda/resalte de sujeci6n fijo. El desacoplamiento giratorio completo del resalte de sujeci6n (o los resaltes de sujeci6n) y la sonda permite un suministro independiente de entrada de calor hacfa y a traves de un material. En particular, el perno transmite una velocidad suficiente para mezclar material mientras el resalte de sujeci6n o los resaltes de sujeci6n proporcionan una consolidaci6n suficiente a la superficie del material sin provocar un sobrecalentamiento de superficie grueso.
El resalte de sujeci6n separado, que es estacionario con respecto a la pieza de trabajo, anade muy poco calor (si es que anade alguno) a la superficie de soldadura y por consiguiente evita los problemas de sobrecalentamiento de superficie que aparece en la tecnica de FSW convencional con materiales de alta temperatura y baja conductividad. Cuando se proporciona un unico resalte de sujeci6n y cuando el resalte de sujeci6n esta en posici6n, apoyado contra la superficie superior de una pieza de trabajo, la herramienta de FSW giratoria consiste generalmente en un componente de sonda solamente, aunque es posible utilizar una configuraci6n de sondas escalonadas. Esta sonda giratoria genera el calor que se necesita para el proceso de FSW, y pueden producirse soldaduras de buena calidad en materiales de alta temperatura y baja conductividad.
Es sabido que puede proporcionarse una herramienta de soldadura por fricci6n-agitaci6n que posee una sonda y un resalte de sujeci6n separados pero nunca se ha reconocido que una herramienta tal sea particularmente ventajosa para su utilizaci6n cuando se sueldan materiales de alta temperatura.
Por ejemplo, el documento JP 2004-358513A describe una herramienta de soldadura por fricci6n-agitaci6n para unir materiales que tienen una resistencia a la compresi6n baja (extrusiones) y caracterfsticas finas. Esta utiliza una herramienta calentada y un resalte de sujeci6n independiente para reducir la dependencia geometrica del perno/resalte de sujeci6n y reducir por consiguiente el tamano del perno y la fuerza necesaria cuando se unen piezas con geometrfa diffcil. En ningun momento tiene como objetivo ocuparse de los problemas de la soldadura de materiales de alta temperatura mediante soldadura por fricci6n-agitaci6n.
El documento US 6.811.6328 describe un metodo y un aparato para unir materiales termoplasticos utilizando la tecnica de FSW. El aspecto inventivo implica la utilizaci6n de una herramienta que esta constituida por un perno y una superficie de contenci6n estacionaria separados. La invenci6n tiene como objetivo ocuparse de la cuesti6n de la expulsi6n material de material termoplastico que ocurrirfa de otro modo debido a la acci6n de un resalte de sujeci6n giratorio. Esta invenci6n esta destinada especfficamente a la uni6n de materiales termoplasticos y en ningun momento sugiere que pudiesen unirse metales utilizando un aparato con caracterfsticas similares. Esta patente sugiere que los metodos de soldadura por fricci6n-agitaci6n que funcionan para metales no funcionan para plasticos y viceversa. Se aducen muchas razones para esto basandose en las propiedades radicalmente diferentes de plasticos y metales. Estas incluyen el hecho de que los plasticos se derriten durante el proceso mientras que los metales no lo hacen, que los metales necesitan que se transmita una cierta cantidad de fuerza para ayudar en la consolidaci6n y en el flujo perpendicular de material mientras que los plasticos no lo necesitan. Tambien se senala vivamente que la introducci6n de calor a traves de la superficie estacionaria es crftica para el exito del proceso en el caso de los plasticos. Esta patente apunta meramente a la uni6n de plasticos sin hacer ninguna menci6n a la uni6n de metales utilizando esta tecnica. Se menciona especfficamente que se necesita contenci6n pero no presi6n por parte de una pieza de contenci6n. Una presi6n en la direcci6n vertical influye en el material de manera diferente y provoca problemas en el caso de los plasticos. Debido a que las propiedades inherentes de los materiales de alta temperatura son inexistentes mas todavfa en los plasticos que en los metales, podrfa esperarse que se adoptara una estrategia opuesta.
El documento EP-A-1021270 se refiere a un aparato para unir piezas de trabajo utilizando la tecnica de FSW. El aspecto inventivo implica la utilizaci6n de un perno y un cuerpo (la parte mas baja de la cual constituye el resalte de sujeci6n, como en una herramienta FSW tfpica) que son desplazables entre sf, permitiendo que el perno y el cuerpo lleven a cabo patrones de movimiento diferentes de manera relativa entre ellos. La patente describe la utilizaci6n de un cuerpo puramente estacionario con la necesidad de suministrar calor adicional a la regi6n de la uni6n debido a la falta de calor por fricci6n producido por la regi6n del resalte de sujeci6n. Esta invenci6n tiene como objetivo ocuparse de las cuestiones de los grosores variables en piezas de trabajo y el suministro de material adicional durante el proceso de uni6n. En ningun momento tiene como objetivo ocuparse de los problemas de soldar materiales de alta temperatura mediante soldadura por fricci6n-agitaci6n y no puede realizarse ninguna conexi6n
obvia entre la utilizaci6n de un resalte de sujeci6n estacionario y la uni6n de materiales de alta temperatura. Debido a las mismas propiedades de los materiales de alta temperatura, una persona experta en la tecnica esperarfa una entrada de calor mayor.
Ademas de ser adecuada para la soldadura por fricci6n-agitaci6n (FSW), la invenci6n es aplicable a otras aplicaciones de fricci6n-agitaci6n, incluyendo el procesamiento por fricci6n-agitaci6n, la soldadura por puntos por fricci6n-agitaci6n, la canalizaci6n por fricci6n-agitaci6n y cualquier otra aplicaci6n que utilice materiales de alta temperatura. Sin embargo, la invenci6n sera descrita principalmente con referencia a la tecnica de FSW aunque se entendera facilmente de las caracterfsticas propias preferidas tambien son aplicables a otras aplicaciones.
Este metodo tambien puede ser utilizado para unir piezas con geometrfa de uni6n no plana, tales como el diametro interno y externo de una tuberfa, una esquina o un chaflan, o incluso componentes escalonados. En estos casos, el resalte de sujeci6n, por ejemplo con forma de deslizador no giratorio, podrfa disenarse para seguir la forma de un componente o la forma de la soldadura que debe formarse. Aun mas, puede utilizarse para unir mas de dos piezas de trabajo.
Para mejorar adicionalmente la calidad de la uni6n, podrfan aplicarse revestimientos de superficie o tratamientos de superficie a los resaltes de sujeci6n y la sonda o a uno de ellos. Estos revestimientos y tratamientos podrfan mostrar propiedades de baja fricci6n, resistencia al desgaste, resistencia a la temperatura, resistencia a la difusi6n, y baja reactividad y lubricaci6n de estado s6lido. Ejemplos de tratamientos incluyen nitrar, carburizar y nitrocarburizar. Ejemplos de revestimientos incluyen ceramicas tales como la alumina, zirconia, nitruro de silicio y sial6n; y metales refractarios tales como el molibdeno, hierro fundido y PC8N.
Puede aplicarse un gas inerte de apantallamiento a traves del resalte de sujeci6n y alrededor del deslizador para evitar la oxidaci6n y para ayudar en la refrigeraci6n. Ejemplos incluyen arg6n y helio. Podrfa aplicarse un precalentamiento para pre-ablandar el material antes de la soldadura.
El resalte de sujeci6n o los resaltes de sujeci6n pueden ser refrigerados (agua, gas, sumidero de calor).
Podrfa aplicarse un post-calentamiento/refrigeraci6n para controlar el ciclo termico experimentado por el material de la pieza de trabajo detras de la herramienta.
Podrfa adoptarse una estrategia de sondas gemelas para reducir las fuerzas laterales generadas y para mejorar la calidad de la soldadura y la vida util de la herramienta. En este caso, podrfan proporcionarse dos sondas giratorias que se extendiesen a traves de aberturas respectivas en un unico resalte de sujeci6n, donde las sondas estarfan bien en lfnea con la direcci6n del movimiento de la sonda o bien ligeramente desplazadas. Las sondas podrfan tener diferentes tamanos (longitud y/o espesor) y podrfan girar en sentidos opuestos.
Podrfan aplicarse multiples sondas para el procesamiento de las diferentes areas del material de la pieza de trabajo.
Durante un proceso de soldadura, el componente de sonda puede ser retrafdo de manera gradual para desaparecer de la soldadura, o puede ser extendido/retrafdo para procesar secciones mas gruesas / mas delgadas del componente, mientras el resalte de sujeci6n o los resaltes de sujeci6n permanecen en contacto con las piezas de trabajo.
El resalte de sujeci6n sera normalmente un deslizador estacionario.
Construir el resalte de sujeci6n a partir de mas de un tipo de material o mas de una pieza es preferencial, y tambien utilizar una pieza insertada de alta temperatura o con un revestimiento especial para contener el material cerca de la sonda giratoria. Por ejemplo, un resalte de sujeci6n podrfa estar hecho primariamente de una aleaci6n basada en nfquel pero con una pieza insertada definida alrededor de una abertura a traves de la cual se extiende la sonda, donde la pieza insertada esta fabricada de un metal ceramico o refractario tal como los mencionados anteriormente.
La sonda podrfa estar acoplada a traves de un soporte macizo al resalte de sujeci6n o podrfa disponerse un pequeno huelgo entre ellos.
El resalte de sujeci6n estara normalmente sujeto a una carga activa aplicada durante su utilizaci6n, tfpicamente de un valor entre 500 y 5.000 Kg, habitualmente alrededor de 3.000 Kg.
Pueden unirse o procesarse muchos tipos y combinaciones diferentes de material, incluyendo:
Titanio y aleaciones,
Hierro, aceros y otras aleaciones,
Nfquel y aleaciones,
Vanadio y aleaciones,
Cromo y aleaciones,
Manganeso y aleaciones,
Cobalto y aleaciones,
Zirconio y aleaciones,
Paladio y aleaciones,
Hafnio y aleaciones,
Platino y aleaciones.
Pueden unirse combinaciones de materiales diferentes. Debido a la zona de calentamiento y de mezcla muy estrecha proporcionada por la sonda en solitario, la posici6n de la regi6n de uni6n puede ser tal que se mezcle y se caliente preferentemente un material sobre el otro. Esto puede ser especialmente beneficioso cuando las propiedades de uni6n estan comunmente limitadas por la formaci6n de compuestos inter-metalicos. El calentamiento de superficie reducido tiene el potencial para limitar la formaci6n de inter-metales y hace posible la uni6n de muchas combinaciones de materiales distintos que no eran soldables anteriormente. De hecho, muchos materiales distintos diferentes de los metales y las aleaciones metalicas de alta temperatura y baja conductividad pueden unirse utilizando las herramientas de fricci6n-agitaci6n descritas en esta especificaci6n.
Ademas de facilitar la uni6n exitosa de materiales de alta temperatura, el metodo anteriormente citado tambien proporciona ventajas en el equilibrado de la entrada de calor en la regi6n de uni6n cuando se unen materiales. El metodo puede adaptarse para proporcionar propiedades de uni6n y microestructuras especfficas. El acabado superficial de las uniones realizadas utilizando el deslizador tiene generalmente una calidad mucho mejor que el producido mediante la utilizaci6n de otras tecnicas, tanto de fricci6n-agitaci6n como basadas en fusi6n.
Otras ventajas de esta estrategia incluyen:
La habilidad para producir soldaduras de buena calidad en un proceso FSW estable con materiales de alta temperatura y baja conductividad.
Una velocidad de soldadura mejorada con materiales de alta temperatura y baja conductividad comparada con la tecnica FSW convencional (donde el sobrecalentamiento de la soldadura es el factor limitante).
Una calidad de la rafz de soldadura mejorada comparada con la tecnica FSW convencional, y como tambien ocurre con la sonda giratoria en solitario, la entrada de calor a traves de la soldadura esta equilibrada de manera mas uniforme.
Potencial para un desgaste reducido de la herramienta de FSW y vida util de la herramienta mejorada debido a la distribuci6n de calor mas equilibrada en la soldadura.
La utilizaci6n de una sonda giratoria como una parte separada reduce el volumen del material de alta temperatura necesario para la herramienta FSW, lo que permite una calidad avanzada/mayor de los materiales que van a utilizarse en la herramienta, dando como resultado un rendimiento mejorado de la herramienta.
La utilizaci6n de un resalte de sujeci6n deslizador no giratorio y una entrada reducida de calor de superficie reduce la posibilidad de contaminaci6n en la soldadura, especialmente cuando se unen materiales tales como el titanio, ya que el resalte de sujeci6n afsla la uni6n o la regi6n procesada del ambiente externo.
Se describiran a continuaci6n algunos ejemplos de metodos y aparatos para llevar a cabo metodos de acuerdo con la invenci6n con referencia a los dibujos que acompanan, en los cuales:
Las Figuras 1 y 2 son fotograffas que ilustran la apariencia de uniones entre materiales de alta temperatura utilizando un metodo FSW convencional;
La Figura 3 es un diagrama esquematico de un primer ejemplo de un aparato de FSW para llevar a cabo un metodo de acuerdo con la invenci6n;
La Figura 4 es una secci6n transversal a traves de un segundo ejemplo de aparato para llevar a cabo un metodo de acuerdo con la presente invenci6n;
La Figura 5 es una fotograffa de una junta de presi6n soldada fabricada utilizando un metodo de acuerdo con la invenci6n; y,
La Figura 6 es una secci6n transversal tomada a traves de la soldadura mostrada en la Figura 5.
Las Figuras 1 y 2 ilustran los problemas que aparecen cuando se utilizan metodos FSW convencionales para soldar materiales de alta temperatura, en este caso dos piezas de trabajo de Ti-6Al-4V. Como puede verse en ambas Figuras, se produce un sobrecalentamiento grueso de la superficie de uni6n que conduce a un sobre-ablandamiento del material, un confinamiento inadecuado del material y un pobre acabado de la superficie. En la Figura 1, se utiliz6 un resalte de sujeci6n de 25 mm de diametro con una sonda de 15 mm de diametro, donde la sonda gir6 a 200 rpm y se desplaz6 a 100 mm/min. En la Figura 2 se utiliz6 un resalte de sujeci6n de 15 mm de diametro con una sonda o perno de 6 mm de diametro que gir6 a 250 rpm y se desplaz6 a una velocidad de entre 60 y 90 mm/min.
La Figura 3 ilustra un ejemplo de un aparato simple para llevar a cabo un metodo de acuerdo con la invenci6n. En este caso, una sonda 1 alargada se extiende cuando se aplica carga por un husillo 2 en una regi6n 7 de uni6n entre una pareja de piezas 8, 9 de trabajo de metal de alta temperatura presionadas entre sf. El husillo de la maquina esta montado en una cabeza 3 de soporte de la herramienta principal que a su vez esta sujeta mediante un deslizador 4 no giratorio que define un componente de resalte de sujeci6n situado tambien debajo de la carga. La sonda puede estar hecha de una aleaci6n refractaria tal como tungsteno o molibdeno o de manera alternativa podrfa estar basada en un material ceramico constituido por alumina, zirconia y materiales de ese tipo. El deslizador 4 esta fabricado tfpicamente de una aleaci6n basada en nfquel u otro material de alta temperatura y tiene una pieza insertada, tal como se describi6 anteriormente, situada cerca de la sonda 1.
Durante la utilizaci6n, el husillo 2 de la maquina y por consiguiente la sonda 1 se hacen girar a alta velocidad, por ejemplo entre 10 y 1.000 rpm, tfpicamente a alrededor de 500 rpm, y la sonda se inserta entre las piezas 8, 9 de trabajo. A continuaci6n, la sonda y el deslizador 4, que esta en contacto con las superficies superiores de las piezas 8, 9 de trabajo, son forzados a moverse bajo la carga aplicada en la direcci6n de una flecha 10 con el fin de soldar por fricci6n-agitaci6n las piezas de trabajo una con otra a lo largo de una regi6n 5 de uni6n. La regi6n recorrida por el deslizador 4, que no gira, se ilustra mediante el numero de referencia 6.
El aparato cuyo principio se muestra en la Figura 3 se muestra en una realizaci6n mas practica en la Figura 4. La Figura 4 ilustra la herramienta FSW constituida por una carcasa 20 principal que soporta de manera giratoria un husillo 13 de maquina a traves de husillo 11 de soporte, donde el extremo superior se conectara con un motor de accionamiento para accionar de manera giratoria el husillo de maquina, y donde el extremo inferior esta soportado por una cabeza 14 de soporte de herramienta principal fijada en la carcasa 20.
Una sonda 17 de FSW esta conectada al extremo del husillo 13 principal y sobresale a traves de la abertura 21 existente en una parte 15 mas baja de la carcasa 20.
La parte 15 mas baja de la carcasa 20 soporta un componente 18 deslizador no giratorio equivalente al resaltede sujeci6n de una herramienta FSW convencional, donde el componente deslizador tiene un cartucho 22 central de alta temperatura insertado en la abertura 21 de manera que define una abertura a traves de la cual se extiende la sonda 17.
Puede suministrarse gas inerte de apantallamiento a traves de un orificio 12 de entrada de manera que salga a traves de los orificios 16 de salida.
La Figura 5 es una fotograffa de una junta de presi6n soldada en Ti-6Al-4V fabricada mediante la utilizaci6n del aparato mostrado en la Figura 4. En este caso, la sonda tenfa un diametro de 8 mm, giraba a 300 rpm y se desplazaba a 80 mm/min. Deberfa apreciarse que no ha tenido lugar ningun acabado post-soldadura pero puede verse que se ha obtenido una uni6n muy mejorada. En la Figura 6 se muestra la misma junta en secci6n transversal.
Claims (14)
- REIVINDICACIONES1.-Un metodo de fricci6n-agitaci6n que incluye provocar la entrada de una sonda (1) giratoria de una herramienta de fricci6n-agitaci6n en una pieza de trabajo o en una regi6n (7) de uni6n entre una pareja de piezas (8, 9) de trabajo, donde la pieza o cada pieza de trabajo es un metal o una aleaci6n metalica de baja conductividad y elevado punto de fusi6n, es decir un metal o una aleaci6n metalica con una temperatura de fusi6n por encima de la del aluminio y conductividad termica menor que la del aluminio, caracterizado porque la herramienta de fricci6nagitaci6n tiene un unico resalte (4) de sujeci6n desde el que se extiende la sonda, donde el resalte de sujeci6n esta en contacto con la pieza o las piezas de trabajo, y porque la sonda gira de manera relativa al resalte (4) de sujeci6n, y porque el resalte (4) de sujeci6n no gira de manera relativa a la pieza o las piezas (8, 9) de trabajo.
- 2.-Un metodo de acuerdo con la reivindicaci6n 1, para unir una pareja de piezas de trabajo, que incluye adicionalmente el movimiento de la herramienta a lo largo de la lfnea (7) de uni6n entre las piezas (8, 9) de trabajo.
- 3.-Un metodo de acuerdo con la reivindicaci6n 1, para procesar una pieza de trabajo, que comprende adicionalmente el movimiento de la herramienta a lo largo de una lfnea (7) que se extiende a lo largo de la pieza de trabajo.
- 4.-Un metodo de acuerdo con la reivindicaci6n 2 6 la reivindicaci6n 3, en el que el resalte (4) de sujeci6n define una pieza deslizadora.
- 5.-Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el resalte (4) de sujeci6n tiene una forma adecuada para ajustarse a la forma de la superficie o las superficies de la pieza o las piezas (8, 9) de trabajo contra las cuales se apoya.
- 6.-Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que tanto la sonda (1) como el resalte (4) de sujeci6n o uno solo de ellos se proporciona con un revestimiento de superficie o un tratamiento de superficie que muestra una propiedad o mas de entre las siguientes: baja fricci6n, resistencia al desgaste, resistencia a la temperatura, resistencia a la difusi6n, baja reactividad y lubricaci6n de estado s6lido.
- 7.-Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende adicionalmente suministrar un gas de apantallamiento a la regi6n existente entre el resalte (4) de sujeci6n y la pieza o las piezas (8, 9) de trabajo.
- 8.-Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende adicionalmente suministrar refrigerante y/o lubricante a la regi6n existente entre el resalte (4) de sujeci6n y la pieza o las piezas (8, 9) de trabajo.
- 9.-Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el resalte (4) de sujeci6n esta formado por mas de una pieza, donde la pieza mas cercana a la sonda tiene un punto de fusi6n elevado.
- 10.-Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la pieza o cada una de las piezas (8, 9) de trabajo se selecciona de entre un grupo que comprendeTitanio y aleaciones,Hierro, aceros y otras aleaciones,Nfquel y aleaciones,Vanadio y aleaciones,Cromo y aleaciones,Manganeso y aleaciones,Cobalto y aleaciones,Zirconio y aleaciones,Paladio y aleaciones,Hafnio y aleaciones,Platino y aleaciones.
- 11.-Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes para unir una pareja de piezas (8, 9) de trabajo, en el que las piezas de trabajo estan constituidas por materiales diferentes.
- 12.-Un metodo de acuerdo con al menos la reivindicaci6n 2 6 la reivindicaci6n 3, en el que la sonda (1) se retrae, mientras gira, cuando la herramienta se acerca al final de la lfnea (7), mientras que el resalte de sujeci6n permanece en contacto con la pieza o las piezas de trabajo.
- 13.-Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el punto de fusi6n del metal o de la aleaci6n metalica es mayor de 700°C.
- 14.-Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la conductividad termica del metal o de la aleaci6n metalica es menor de 250 W/m K.
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