ES2647285T3 - Electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones - Google Patents

Electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones Download PDF

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Abstract

Electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones, del tipo de los utilizados industrialmente para la soldadura automatizada de planchas o elementos metálicos, caracterizado porque integra en el interior del cuerpo del electromandrino un sensor de fuerza, relacionado con la herramienta mediante un eje interno desplazable axialmente, y que, mediante un actuador electromecánico, permite regular en tiempo real y de manera local la altura de la herramienta sobre el material a trabajar, consiguiendo mantener una fuerza axial constante y una posición controlada durante el procesos de soldadura y/o mecanizado. La invención que se presenta aporta la principal ventaja de conseguir una corrección de la altura en función de la fuerza, de manera automática en el propio electromandrino, con mucha mayor precisión y rapidez, consiguiendo unos resultados de soldadura más uniforme y sin irregularidades.

Description

ELECTROMANDRINO CON CONTROL DE FUERZA AXIAL PARA SOLDADURA POR FRICCIÓN Y OTRAS APLICACIONES
Descripción
La presente memoria descriptiva se refiere, como su título indica, a un electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones, del tipo de los utilizados industrialmente para la soldadura automatizada de planchas metálicas y para el mecanizado por arranque de viruta, caracterizado porque integra en el interior del cuerpo del electromandrino un sensor de fuerza, relacionado con la herramienta mediante un eje interno desplazable axialmente, y que, mediante un actuador electromecánico, permite regular en tiempo real y de manera local la altura de la herramienta sobre el material a soldar, consiguiendo mantener una fuerza constante y controlada durante el proceso. Campo de la invención La soldadura por fricción o por batido, conocida por sus siglas en inglés (FSW – Friction Stir Welding) es un proceso de unión de dos piezas que se realiza en estado sólido y en el que una herramienta cilíndrica, con un pin en su extremo, se introduce en la junta entre las dos piezas que se van a soldar. Una vez que la herramienta con la fuerza necesaria sobre el producto a soldar, ha adquirido la velocidad apropiada y ha calentado el material debido a la fricción, el material empezará a ablandarse, adquiriendo un estado plástico, dicha herramienta penetrará en la junta. En ese momento la herramienta empezará a moverse a lo largo de la junta desplazando el material que se encontraba en la cara anterior del pin a la cara posterior a través del movimiento de rotación de dicha herramienta, cuando el material se enfríe, pasará de nuevo a un estado sólido produciéndose la unión de ambas partes por soldadura. Estado del Arte La utilización de la tecnología de soldadura por fricción encierra indudables ventajas sobre los procesos habituales de soldadura, como podemos comprobar a continuación. No se produce emisión de gases ni de humos. Los procesos habituales TIG y MIG utilizados emiten una serie de humos tóxicos, que en el mejor de los casos se emiten a la atmósfera y en el peor son inhalados por los operarios. Mejora del balance energético. El balance energético de este proceso comparado con los procesos al arco (TIG y MIG) es del orden de un 500% inferior.
Incremento de la productividad del orden del 500% respecto a los procesos tradicionales de soldadura. Las aplicaciones de FSW disponibles actualmente son para soldadura a tope o de solape sin necesidad de mecanizar el perfil de la junta. Las soldaduras tipo FSW se pueden hacer en una pasada simple en máquinas industriales, eliminando la necesidad de realizar soldaduras multi-pasada en soldaduras por arco, con todo el ahorro que supone de inspección y rectificación entre pasadas.
La soldadura FSW no requiere gas de protección alguno, con el consiguiente ahorro de adquisición y almacenamiento de gases y todo lo que esto supone de seguridad ambiental. Como corresponde a un proceso en estado sólido, las soldaduras por FSW no tienen los problemas de porosidad y agrietamiento asociados a las técnicas de soldadura por fusión y tampoco afectan tanto las variaciones entre coladas del material de suministro. Como resultado de ser una soldadura en estado sólido, la FSW es más limpia en cuanto a humos y proyecciones, comunes en las uniones soldadas por fusión. Además las uniones tipo FSW también presentan menores distorsiones después de la fabricación. En los procesos industriales de soldadura no existe una precisión dimensional en las piezas a soldar. Se ha comprobado el excesivo cambio que existe entre la cota teórica de la pieza de soldadura y la cota real. Pequeñas desviaciones dimensionales provocan grandes cambios de fuerza y por lo tanto cambios de temperatura en el proceso, con lo que la soldadura no es controlada correctamente. Las dilataciones, apoyos y deformaciones también provocan esos cambios de altura durante el proceso de soldadura. Para corregir las irregularidades de la superficie que causan este problema, en los procesos actuales o no se tiene en cuenta y se realizan soldaduras de baja calidad, o se desarrollan sistemas externos de medición de fuerza con los que la maquina corrige la posición. Esto implica el desplazamiento de toda la máquina para conseguir la corrección y por lo tanto una velocidad de corrección reducida. Para conseguir una precisión correcta, se han diseñado y fabricado distintos sistemas hidráulicos para el control de posición. Se ha podido comprobar la falta de sensibilidad y control de estos sistemas debido a las juntas de obturación necesarias que provocan excesiva fricción en el proceso de control. El problema viene de la necesidad actual de aumentar la velocidad de soldadura para competir con soldaduras convencionales en velocidad y mejorar la sensibilidad de los sistemas hidráulicos. Esto implica una gran velocidad de corrección de la fuerza que es imposible de conseguir con un movimiento de máquina, debido a las grandes masas a mover y las frecuencias que es necesario alcanzar. La dinámica depende directamente de la
rigidez y de la masa, por lo que los sistemas actuales resultan muy pesados (maquinas CNC) o muy débiles (robots articulados). Antecedentes de la invención En los procesos industriales de soldadura no existe una precisión dimensional en las piezas a soldar. Se ha comprobado el excesivo cambio que existe entre la cota teórica de la pieza de soldadura y la cota real. Pequeñas desviaciones dimensionales provocan grandes cambios de fuerza entre la herramienta y el material a soldar y por lo tanto generan grandes cambios de temperatura durante el proceso, lo cual hace que la soldadura obtenida no sea correcta. Las dilataciones, apoyos y deformaciones también provocan esos cambios de altura durante el proceso de soldadura.
Para corregir las irregularidades de la superficie que causan este problema, en los procesos actuales o no se tiene en cuenta y se realizan soldaduras de baja calidad, o se desarrollan sistemas externos de medición de fuerza con los que la maquina corrige la posición, actuando en su totalidad con las consiguientes limitaciones causadas al acelerar toda su masa, resultando en velocidades de trabajo muy bajas.
Para conseguir la precisión correcta, se ha experimentado con distintos sistemas hidráulicos para el control de posición pero se ha podido comprobar la falta de sensibilidad de estos sistemas debido a las juntas de obturación necesarias, que provocan excesiva fricción en el proceso de control.
Con este sistema se pretende aumentar la velocidad de trabajo con la calidad necesaria para poder competir con soldaduras convencionales. Esto implica grandes velocidades de corrección de fuerza que son imposibles de conseguir con el movimiento de toda la máquina, debido a las enormes masas a mover o acelerar y las frecuencias que se generan para este fin. La dinámica depende directamente de la rigidez y de la masa, por lo que los sistemas actuales resultan muy pesados (maquinas CNC) o muy débiles (robots articulados).
Uno de los puntos débiles de las máquinas de soldadura por fricción actuales es su falta de sensibilidad a los cambios de altura en la trayectoria de la soldadura debido a tolerancias dimensionales de la pieza, deformaciones por temperatura, apoyos incorrectos o deformaciones por esfuerzos propios de la soldadura que cambian la trayectoria teórica.
Algunos dispositivos simplemente no tienen en cuenta esta problemática, como por ejemplo los descritos en la Patente WO2012019210 "Dispositivo para soldadura por fricción" o en la Patente US8141764 "Aparato, sistema y método de soldadura por fricción".
Se han realizado diversos esfuerzos a nivel teórico y práctico, aplicados a máquinas herramientas y robots articulados, para intentar compensar las desviaciones que se producen. Todas estas compensaciones se basan en cambios en el posicionamiento de la máquina de soldadura o robot. En este campo existen diversos sistemas de control y compensación que implican el movimiento de toda la máquina o parte de ella a posiciones correctas y, por lo tanto, fuerza. Un ejemplo de esta técnica lo encontramos descrito en la Patente US20110079339 "Técnicas de control, sistemas y métodos de control de la fuerza en un electromandrino para soldadura por fricción".
Se han intentado otras técnicas, como la descrita en la Patente US8164021 "Soldadura por fricción eléctricamente asistida" que realiza una medida mediante un circuito resistivo creado entre el electromandrino y el material a soldar, o la Patente CN101929892 "Sistema de test online para soldadura por fricción" que mide la fuerza mediante la medida de la temperatura y detección de vibraciones. La patente US2002/0027153A1 presenta un electromandrino según el preámbulo de la reivindicación 1. Asimismo ha habido algún intento de intercalar un sensor de fuerza entre el electromandrino y la herramienta de soldadura, por su parte inferior, pero ello obliga a un eje de giro más largo, lo cual implica menor rigidez durante la soldadura, que origina una importante pérdida de precisión, no siendo de aplicación práctica.
Hay que hacer notar, además, que los electromandrinos utilizados actualmente para soldadura por fricción disponen de herramienta únicamente para ese uso, no siendo posible otra aplicación. Descripción de la invención Para solventar la problemática existente en la actualidad acerca de la regulación de la altura para compensar las irregularidades de las superficies se ha ideado el electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones objeto de la presente invención, el cual integra en el cuerpo del electromandrino un sensor de fuerza, relacionado con la herramienta mediante un eje interno desplazable axialmente, y que, mediante un actuador electromecánico, permite regular en tiempo real y de manera local la altura de la herramienta sobre el material a soldar, consiguiendo mantener una fuerza constante que origina una soldadura sin imperfecciones.
Este eje interno desplazable axialmente se encuentra ubicado de forma coaxial en el interior del eje de giro conectado al rotor del motor del electromandrino.
El sensor de fuerza se encuentra ubicado en la parte del electromandrino opuesta a la herramienta, no obligando a alargar su eje de giro y eliminando los problemas de falta de rigidez.
Además el electromandrino dispone de un amarrador de herramientas que permite el cambio automático de las mismas posibilitando su utilización y compatibilidad para otras funciones como la de mecanizado además de la soldadura por fricción, por ejemplo fresado. Ventajas de la invención Este electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones que se presenta aporta múltiples ventajas sobre los sistemas disponibles en la actualidad, siendo la más importante la que permite conseguir una corrección de la altura en función de la fuerza, de manera automática en el propio electromandrino, con mucha mayor precisión y rapidez, consiguiendo una soldadura más uniforme y sin irregularidades.
Otra importante ventaja es la integración del sistema de control en el electromandrino haciendo así independiente el control de altura de la máquina de soldadura por fricción. Con este control de altura y una sensorización interna se consigue un control dinámico de la fuerza aplicada durante el proceso de soldadura.
Es importante destacar la mejora en el control de la corrección de la posición de la punta de la herramienta que se obtiene al ser un control local y unidireccional exactamente en la dirección de la herramienta.
También es importante citar la mejora de la velocidad de corrección de la posición de la herramienta, ya que al ser únicamente movido el eje del electromandrino puede reducirse la masa móvil y por lo tanto conseguir una dinámica mucho mayor.
Hay que destacar también que al introducir un sensor dentro del propio electromandrino se consigue poder controlar la fuerza exactamente en la zona de aplicación de la misma.
Otra importante ventaja consiste en conseguir combinar el sistema de control de altura con un sistema de cambio rápido de herramienta para mantener el concepto industrial del sistema.
Destacar asimismo la mejora en la compensación de fuerza que se consigue y por lo tanto en el proceso, dado que la incorporación de un sensor de fuerza integrado en el electromandrino propicia un aumento de velocidad de trabajo y de control del proceso, con la consecuente mejora en la rentabilidad económica de su aplicación industrial. Descripción de las figuras Para comprender mejor el objeto de la presente invención, en el plano anexo se ha representado una realización práctica preferencial de un electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones. En dicho plano, la figura -1-muestra una vista esquemática simplificada de los elementos del electromandrino, con el portaherramientas montado. La figura -2-muestra una vista esquemática simplificada de los elementos del electromandrino, con el portaherramientas desmontado. La figura -3-muestra una vista lateral de un ejemplo de actuador electromecánico (9) formado por un motor y tres husillos conectados mediante correas. La figura -4-muestra una vista superior de un ejemplo de actuador electromecánico (9) formado por un motor y tres husillos conectados mediante correas.
Realización preferente de la invención
El electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones objeto de la presente invención, comprende básicamente, como puede apreciarse en el plano anexo, en el cuerpo (1) del electromandrino, un eje de giro (3) conectado al rotor (11) que junto con el estator (12), conforman el motor de giro del electromandrino, disponiendo este eje de giro (3) de un portaherramientas (2), intercambiable mediante un amarrador (10) automático, y estando asimismo dotado el eje (3) de un desplazamiento axial respecto al rotor
(11) que lo relaciona con un sensor de fuerza (7) ubicado en la parte opuesta al portaherramientas (2) y sujeto a un sistema electromecánico axial (9).
Asimismo comprende un circuito de control (8) asociado al sensor de fuerza (7) que a su vez regula en tiempo real, mediante un sistema electromecánico axial (9), el eje (3) sobre el material a soldar.
El sistema electromecánico axial (9) está formado, de manera preferente, por al menos un motor (13) que mediante una correa primaria (14) y una correa secundaria (15) transmite el giro a varias poleas (16) que a su
vez, mediante unos husillos (17) desplazan axialmente el eje (3) del electromandrino. El número de husillos (17) será preferentemente de tres para facilitar un suave y preciso desplazamiento axial del electromandrino.
Está previsto que, de forma alternativa, el sistema electromecánico (9) pueda estar formado por al menos un 5 motor y uno o varios husillos, o bien realizado mediante un actuador electromecánico (9) de tipo piezoeléctrico.
El movimiento axial del eje de giro (3) respecto del rotor giratorio (11) se consigue mediante una jaula de elementos rodantes o bien mediante casquillos de ajuste interpuestos entre ambos.
10 Este electromandrino para soldadura por fricción comporta un procedimiento de soldadura por fricción formado por una primera fase de colocación de la herramienta, seguido de una segunda fase de introducción de la herramienta en material, seguida de una tercera fase de control automático de la fuerza.
La primera fase de colocación consiste en el enganche automático en el amarrador (10) de un portaherramientas15 (2) dotado de una herramienta cilíndrica (5) con un pin (6).
La segunda fase de introducción consiste en el giro conjunto a altas revoluciones del rotor (11), el eje (3), el eje
(4) y, a través del amarrador (8) , de la herramienta cilíndrica (5) con pin (6), apoyando el pin (6) sobre la unión
de los materiales a soldar hasta que se produzca la fusión del material, quedando el pin (6) girando enterrado en 20 el material.
La tercera fase de soldadura consiste en el avance longitudinal del electromandrino a lo largo de la línea de unión de los materiales, sin cesar las revoluciones, propiciado por la máquina asociada al electromandrino, con una regulación automática de la fuerza en el electromandrino realizada mediante el sistema electromecánico
25 axial (9) en función de las señales provenientes del circuito de control (8) que mide de manera continua la fuerza aplicada sobre la herramienta (5) mediante el desplazamiento axial del eje (3) en función de las irregularidades de la superficie a soldar y su medida mediante el sensor de fuerza (7).

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Electromandrino con control de fuerza axial para soldadura por fricción y otras aplicaciones, caracterizado por comprender en el cuerpo (1) del electromandrino, un eje de giro (3) conectado en rotación con el rotor (11) que, 5 junto con el estator (12), conforman el motor de giro del electromandrino, disponiendo este eje de giro (3) de un portaherramientas (2), intercambiable mediante un amarrador (10) automático, y estando asimismo dotado el eje de giro (3) de un desplazamiento axial respecto al rotor (11) que lo relaciona con un sensor de fuerza (7), estando dicho sensor de fuerza conectado a un sistema electromecánico axial (9) que controla la posición del eje de giro (3) axialmente mediante el sensor de fuerza (7) conectado al eje (3) así como a la herramienta (2), para
    10 corregir la posición y la fuerza axial en el proceso de trabajo, caracterizado porque el sistema electromecánico axial (9) comprende al menos un motor y uno o varios husillos, o al menos un motor lineal, o al menos un motor y una o varias cremalleras.
  2. 2. Electromandrino según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un circuito de control (8) asociado
    15 al sensor de fuerza (7) que a su vez regula en tiempo real, mediante un sistema electromecánico (9), la altura del eje (3) con el correspondiente portaherramientas sobre el material a soldar.
  3. 3. Electromandrino según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema electromecánico axial (9)
    comprende al menos un motor (13) que mediante una correa primaria (14) y una correa secundaria (15) 20 transmite el giro a varias poleas (16) que a su vez, mediante unos husillos (17) desplazan axialmente el cuerpo
    (1) del electromandrino.
  4. 4. Electromandrino según la reivindicación 1, caracterizado porque el sensor de fuerza axial (7) conectado al eje
    (3) es un dispositivo piezoeléctrico.
  5. 5. Electromandrino según la reivindicación 1, caracterizado porque el sensor de fuerza axial (7) conectado al eje
    (3) es un dispositivo con células de carga.
  6. 6. Electromandrino según la reivindicación 1, en el que el movimiento axial del eje de giro (3) en relación con el 30 rotor giratorio (11) se consigue a través de elementos rodantes.
  7. 7. Electromandrino según la reivindicación 1, en el que el movimiento axial del eje de giro (3) en relación con el rotor giratorio (11) se consigue a través de casquillos de ajuste.
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