ES2967945T3

ES2967945T3 - Soldadura por conducción

Info

Publication number: ES2967945T3
Application number: ES18768890T
Authority: ES
Inventors: Ingen Jaap Willem Van; Marco Doldersum; John Teunissen; Arnt Offringa
Original assignee: Fokker Aerostructures BV
Current assignee: GKN Fokker Aerospace BV
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2024-05-06
Anticipated expiration: 2038-09-12
Also published as: EP3681703A1; US20200276769A1; CN111433006A; JP2020533203A; US11845231B2; BR112020005023A2; GB201714799D0; CN111433006B; WO2019053086A1; EP3681703B1; JP7287737B2; CA3075697A1; GB2566476B; BR112020005023B1; GB2566476A

Abstract

La invención se refiere a un aparato de soldadura para un material a base de resina reforzada con fibra, comprendiendo el aparato de soldadura una tira conductora de calor flexible alargada y un disipador de calor alargado que se extiende alrededor de al menos una parte del perímetro de la tira conductora. El disipador de calor alargado está dividido en una pluralidad de segmentos en los que los segmentos adyacentes pueden moverse entre sí. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Soldadura por conducción

Antecedentes

La presente invención está relacionada con un aparato y método de soldadura mejorados para conectar, y específicamente soldar, laminados compuestos entre sí.

El documento DE 1479840A1 se refiere a un aparato y método para cortar y sellar películas termoplásticas.

El documento DE 102012215105A1 se refiere a un dispositivo para la soldadura por impulso térmico de dos componentes plásticos.

Actualmente los laminados compuestos se utilizan ampliamente en las industrias automotriz y aeroespacial para proporcionar estructuras resistentes con un peso mínimo. Las estructuras compuestas, tales como paneles y nervaduras de refuerzo (o similares) pueden acoplarse entre sí de muchas maneras diferentes, incluyendo acoplamientos convencionales tales como remaches o tuercas y pernos.

Se han desarrollado métodos alternativos que prescinden ventajosamente de la necesidad de estos tipos de acoplamientos e implican la soldadura de los componentes compuestos directamente entre sí. Estas técnicas de soldadura implican calentar porciones del material laminado a una temperatura a la que la resina dentro del compuesto comienza a ablandarse y fundirse. A continuación, se aplica presión durante un período de tiempo haciendo que la resina de los respectivos componentes se funda. La eliminación del calor y la presión permite que los componentes se enfríen y la resina se solidifique de nuevo dejando los dos (o más) componentes sujetos entre sí.

En muchas aplicaciones, un simple proceso de soldadura es suficiente para cumplir los requisitos de la aplicación dada. Sin embargo, en aplicaciones con estrictos requisitos de seguridad, las técnicas de soldadura convencionales resultan poco fiables. Específicamente, las técnicas convencionales pueden causar soldaduras irregulares que pueden contener delaminaciones (separaciones de capas dentro de la estructura compuesta) o vacíos. Estos defectos pueden ser invisibles en la superficie de los componentes o pueden presentarse en forma de distorsiones en o alrededor del área de soldadura.

Los defectos internos y superficiales constituyen particularmente un problema en aplicaciones tales como la industria aeroespacial, donde los componentes compuestos forman componentes estructurales o aerodinámicos de una aeronave. Por consiguiente, los estrictos requisitos de la industria aeroespacial han limitado el uso de la soldadura de laminados a causa de estos defectos.

Los presentes inventores han ideado un método y aparato de soldadura no convencionales que permiten soldar componentes compuestos entre sí de manera fiable. La técnica y método permite también soldar geometrías complejas y, además, puede acomodar variaciones locales de espesor y rampas poco profundas. De este modo se puede lograr una soldadura libre de vacíos y delaminaciones, lo que es muy deseable en aplicaciones aeroespaciales (y otras), tanto en términos de estética de la soldadura como de integridad estructural. Este es particularmente el caso de estructuras primarias formadas a partir de componentes de fibra de carbono en la industria aeroespacial.

Sumario de la invención

En las reivindicaciones adjuntas se exponen aspectos de la invención.

Visto desde un primer aspecto, se proporciona un aparato de soldadura de acuerdo con la reivindicación 1.

Así, de acuerdo con una invención descrita en el presente documento, en lugar de adoptar el enfoque convencional de utilizar cuerpos rígidos para el calentamiento por conducción, se utiliza una tira modificada y flexible. La tira flexible puede seguir variaciones locales de espesor, incluso rampas poco profundas, si se presuriza adecuadamente y, por lo tanto, puede generar una presión de soldadura uniforme que da lugar a soldaduras libres de vacíos. Ventajosamente, junto al área soldada se aplican disipadores de calor para extraer el calor del laminado. Debido a los disipadores de calor, el laminado fuera de la zona presurizada permanece por debajo de la temperatura de fusión. Esto evita la delaminación y, en consecuencia, no se producen vacíos. La presente invención proporciona varias ventajas técnicas y comerciales sorprendentes frente a las técnicas de soldadura convencionales. Por ejemplo, la soldadura de piezas termoplásticas puede reducir sustancialmente el número de elementos de sujeción, lo que puede reducir el peso del componente unido y también ahorrar hasta un 30 % en costes de montaje.

Además, el enfoque de soldadura descrito en el presente documento proporciona otras ventajas técnicas que incluyen:

• La soldadura robusta de piezas compuestas termoplásticas mediante el uso de una herramienta calentada flexible permite acomodar tolerancias de espesor de pieza típicas y pequeños huecos;

• También es posible una soldadura robusta de laminados compuestos de carbono cubiertos con una malla metálica de protección contra rayos

• La soldadura con una pequeña herramienta de soldadura que puede hacer soldaduras en espacios reducidos y puede instalarse como efector final en un robot.

• El calentamiento y la presurización desde un lado, lo que significa que las superficies OML (superficies exteriores, Outer Mold Line por sus siglas en inglés) pueden permanecer lisas y precisas (herramienta rígida en el lado OML)

Como se ha analizado anteriormente, el enfoque contrario a la intuición consistente en proporcionar un disipador de calor flexible junto con una tira conductora de calor flexible permite acomodar los contornos y las inconsistencias de fabricación en la herramienta de soldadura. Esto garantiza la conducción uniforme del calor a lo largo del componente durante el proceso de soldadura, impidiendo que se formen soldaduras no uniformes, es decir, soldaduras que puedan contener delaminación, vacíos u otros efectos no deseados.

La tira conductora flexible alargada puede ser cualquier material adecuado que pueda comunicar la temperatura necesaria para fundir la resina en el material elegido a soldar. Por ejemplo, la tira puede ser una tira metálica alargada tal como invar, acero inoxidable u otro material adecuado para altas temperaturas.

De manera similar, el disipador de calor puede estar formado por cualquier material adecuado y tiene la función de comunicar calor lejos del laminado, es decir, de manera opuesta al objetivo de la tira conductora.

El disipador de calor generalmente tiene la forma de una sección con forma de "U" con una porción trasera y dos porciones laterales que se alejan de la porción posterior. Esto crea un vacío en medio del disipador de calor, en el que se pueden situar la tira conductora y los medios de calentamiento (analizados a continuación).

La flexibilidad, es decir, la capacidad del disipador de calor de desviarse en una curva a lo largo de su longitud (véase la figura 3), se puede lograr rebanando parcial o completamente el disipador de calor. De esta manera se pueden formar ranuras a través de la porción trasera y a lo largo de las porciones laterales. El rebanado del disipador de calor de esta forma crea una serie de segmentos. Si el disipador de calor se carga a continuación contra una superficie curva, los segmentos pueden cambiar de ángulo dependiendo de si la deformación es una deformación cóncava o una deformación convexa. El disipador de calor se puede mantener unido como un solo componente limitando la rebanada o las ranuras a una longitud parcial de la longitud de cada porción lateral.

Al desviarse, los segmentos adyacentes se desvían uno con relación al otro dependiendo del radio de curvatura de la deformación en la superficie de laminado.

En una disposición de disipador de calor que comprende ranuras, cada ranura se puede utilizar típicamente para acomodar la variación natural de espesor en la superficie de la pieza. Así, la deformación requerida es muy pequeña y por lo tanto la anchura mínima de las ranuras sólo está limitada por los requisitos de fabricación de la herramienta.

Alternativamente, las ranuras o rebanadas pueden estar formadas a través de toda la profundidad del disipador de calor para formar una pluralidad de segmentos independientes. Como segmentos individuales, los segmentos adyacentes se mueven hacia arriba y hacia abajo uno con relación al otro dependiendo de la deformación de la superficie de laminado.

En una disposición de este tipo con un disipador de calor completamente rebanado combinado con una tira flexible completamente rebanada (figuras 9 y 10, analizadas en detalle a continuación), se pueden acomodar ventajosamente variaciones de espesor mucho mayores, tales como rampas en un revestimiento.

Ventajosamente, cada segmento puede estar aislado eléctricamente de un segmento adyacente. Así, se puede impedir que se desarrollen corrientes parásitas en cada segmento en una disposición en la que se utiliza una bobina de inducción como elemento de calentamiento.

Cada porción lateral del disipador de calor está dispuesta para hacer contacto con la superficie de laminado a lo largo de un borde distal (medido desde la base de la forma de U). Esto forma una superficie continua que puede ponerse en contacto con el laminado a lo largo del borde o perímetro de la tira alargada, específicamente de los lados largos de la tira. En efecto, la tira conductora de calor está intercalada entre los dos bordes del disipador de calor a lo largo de sus bordes más largos.

Estos bordes pueden recoger calor del laminado durante el proceso de soldadura y ventajosamente extraer calor del laminado inmediatamente fuera de la zona de soldadura. Esto impide que el calor se desplace lateralmente.

Para colocar la tira dentro del extremo distal de la forma de U mientras se mantiene el contacto del borde colector de calor del disipador de calor, el disipador de calor puede estar escalonado de manera que la tira se asiente dentro del extremo abierto del disipador de calor.

Ventajosamente, el perfil escalonado es de tal modo que una porción de la tira flexible se extiende más allá de la pieza más distal del borde colector de calor. Así, durante el proceso de soldadura, la tira primero hace contacto con el laminado y comienza a ablandar la resina. A continuación, la tira penetra en la superficie hasta una profundidad predeterminada antes de que el borde del disipador de calor limite con la superficie del laminado y recoja calor.

Los valores de profundidad óptimos dependerán de la disposición específica y de la pieza que ha de fabricarse. En un ejemplo, se puede utilizar un objetivo de 0,1 /- 0,1 mm, para tener en cuenta la tolerancia de fabricación de la herramienta y para impedir que la tira conductora esté debajo de los disipadores de calor

El vacío dentro del disipador de calor puede estar provisto de cualquier fuente de calor adecuada que pueda comunicar calor a la tira flexible alargada (y conductora de calor). Por ejemplo, una bobina de inducción eléctrica puede extenderse a lo largo de la longitud del aparato. Ventajosamente, una bobina puede seguir convenientemente las deformaciones causadas por el perfil superficial del laminado.

También se puede utilizar una varilla calentada por resistencia eléctrica como fuente de calor junto con la invención.

Para impedir que la corriente eléctrica pase al disipador de calor y/o a la tira, la bobina puede estar rodeada por uno o más aisladores eléctricos. Por ejemplo, se pueden proporcionar un par de aisladores, en donde el primer lado del conductor eléctrico está orientado a la tira flexible alargada y el lado opuesto del conductor eléctrico está orientado al vacío dentro del disipador de calor.

El disipador de calor alargado, la tira flexible alargada, el conductor eléctrico y los aisladores eléctricos pueden estar convenientemente recibidos en un rebaje ciego formado en una carcasa del aparato de soldadura. Como se analiza a continuación, el rebaje ciego proporciona:

- una carcasa para los subcomponentes del aparato;

- un medio para restringir, es decir, controlar, el movimiento de los segmentos del disipador de calor;

- una superficie contra la cual se puede generar una presión de soldadura; y

- un cuerpo para recoger el calor de los disipadores de calor con medios de refrigeración pasivos o activos

La presión de soldadura se aplica a la porción trasera del disipador de calor que a su vez aplica una carga, a través de la porción escalonada descrita anteriormente, a la tira flexible. Así, la tira y el disipador de calor se ponen en contacto con la superficie de laminado utilizando una presión predeterminada. Esta fuerza se puede aplicar de diversas maneras, por ejemplo, mediante el uso de actuadores, levas o similares.

Sin embargo, los inventores han establecido que un medio conveniente de aplicar la carga necesaria para efectuar la soldadura es incorporar una manguera o vejiga inflable en el rebaje ciego y colocarla detrás del disipador de calor. Así, al inflarse, la manguera se expande y ejerce una fuerza contra el disipador de calor que empuja el disipador de calor (y la tira flexible) hacia la superficie de laminado.

Para proteger la manguera flexible del calor acumulado por el disipador de calor, se puede introducir ventajosamente una capa aislante entre el disipador de calor y la manguera.

Para controlar las temperaturas reales en la soldadura se pueden utilizar uno o más termopares adecuados. Por ejemplo, se puede utilizar un pequeño pirómetro sin contacto en el lado no calentado de la soldadura para controlar el calor en el material. El uso de un sensor de temperatura puede garantizar ventajosamente que se ha alcanzado una temperatura de soldadura predeterminada.

Adicionalmente, esto también impide las uniones débiles conocidas como"kissing bonds",es decir, soldaduras formadas a una temperatura demasiado baja y, por lo tanto, con resistencia insuficiente. Las soldaduras defectuosas de este tipo no siempre son detectables mediante técnicas de ensayos no destructivos (END).

Visto desde otro aspecto, se proporciona un método para soldar un primer componente a base de termoplástico a un segundo componente a base de resina reforzada con fibra, de acuerdo con la reivindicación 20.

La herramienta permanece en el producto hasta que la soldadura se ha enfriado por debajo de 200 °C. Esto da como resultado el perfil de refrigeración descrito en el presente documento con referencia a la figura 11. Se ha establecido que si la velocidad de refrigeración es demasiado rápida, por ejemplo, para una cristalinidad suficiente en la resina, se puede incorporar una velocidad de refrigeración más lenta mediante un descenso controlado del punto de ajuste de los medios de calentamiento.

Visto desde un aspecto más que no forma parte de la invención, se proporciona un aparato de soldadura para un material a base de termoplástico, comprendiendo el aparato de soldadura una tira conductora de calor alargada flexible y un disipador de calor asociado que se extiende lateralmente desde los bordes más largos de la tira alargada, en donde el disipador de calor es deformable a lo largo de la longitud de la tira para alinearse en uso con las deformaciones en un material a base de termoplástico que ha de soldarse.

Visto desde otro aspecto más, se proporciona un aparato de soldadura para un material a base de termoplástico, de acuerdo con la reivindicación

Visto desde otro aspecto adicional más, se pueden aplicar un aparato y un método de soldadura por medio de un haz o brazo robótico para proporcionar un proceso de soldadura controlado por ordenador.

Dibujos

Ahora se describirán aspectos de la invención, únicamente a modo de ejemplo, con referencia a las figuras adjuntas en las que:

las figuras 1A y 1B ilustran dos laminados y las variaciones entre las geometrías de las superficies de laminado; las figuras 2A, 2B y 2C muestran una disposición de soldadura de laminación convencional (2A) y una disposición de soldadura modificada de acuerdo con la presente invención (2B y 2C);

la figura 3 muestra una sección transversal ampliada y exagerada del disipador de calor, la tira conductora y el laminado;

la figura 4 muestra una sección transversal del disipador de calor mostrado en las figuras 2B y 2C;

las figuras 5A y 5B muestran el recorrido del flujo de calor durante la soldadura en un proceso de soldadura convencional (figura 5A) y en la presente técnica (figura 5B);

la figura 6 muestra una sección transversal de un aparato de soldadura de acuerdo con una invención descrita en el presente documento;

la figura 7 muestra una vista isométrica despiezada del aparato de soldadura mostrado en la figura 6;

la figura 8 muestra el aparato de soldadura en una fase en la que puede tener lugar la soldadura;

la figura 9 muestra una realización alternativa con un disipador de calor subdividido y una tira conductora subdividida; la figura 10 muestra una vista isométrica despiezada del aparato de soldadura mostrado en la figura 9; y la figura 11 muestra un ejemplo de un gráfico de soldadura de tiempo versus temperatura para un material PEKK (poliéter cetona cetona) UD (unidireccional).

Aunque la invención es susceptible de diversas modificaciones y formas alternativas, en los dibujos se muestran a modo de ejemplo realizaciones específicas que se describen en detalle en el presente documento. Sin embargo, debe entenderse que los dibujos y la descripción detallada unidos al presente documento no pretenden limitar la invención a la forma particular divulgada, sino que más bien la invención pretende cubrir todas las modificaciones, equivalentes y alternativas que están incluidas en el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Se reconocerá que las características de los aspectos de la(s) invención(es) descrita(s) en el presente documento pueden utilizarse convenientemente y de manera intercambiable en cualquier combinación adecuada. También se reconocerá que la invención cubre no sólo realizaciones individuales sino también combinaciones de las realizaciones que se han analizado en el presente documento, siempre y cuando permanezcan dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Descripción detallada

Las figuras 1A y 1B ilustran dos laminados y las variaciones entre las geometrías de las superficies de laminado. Haciendo referencia en primer lugar a la figura 1B, se muestran dos laminados (L1, L2) que han de unirse (soldarse) entre sí. En este ejemplo, los laminados están formados por fibras de carbono contenidas dentro de una resina termoplástica. Estos se conocen convencionalmente como termoplásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP, por sus siglas en inglés). Se reconocerá que el aparato y método descritos en el presente documento se pueden aplicar igualmente a otros materiales que utilicen un material de resina para dispersar fibras.

La figura 1B ilustra una disposición convencional para soldar los dos laminados (L1, L2) entre sí. El proceso simple implica disponer los dos laminados entre un yunque superior y un yunque inferior (AV1, AV2). Uno de los yunques se calienta y los dos yunques se inclinan uno hacia el otro para crear una presión de soldadura. El calor es conducido a través del yunque hasta el laminado y hace que la resina dentro de los laminados se funda. La fuerza de inclinación hace que las resinas se fusionen entre sí. A continuación, se liberan los yunques, se enfrían, y la resina se endurece de nuevo o se solidifica y se forma la soldadura.

Una disposición de soldadura convencional de este tipo ha permitido unir (soldar) entre sí laminados compuestos de manera fácil y conveniente.

Sin embargo, haciendo referencia a la figura 1A, se puede observar que los laminados no siempre son perfectamente uniformes y planos. Esto es el resultado de la manera en que se forman los laminados, es decir, como una pluralidad de capas individuales que luego se curan conjuntamente. El resultado de ese proceso de fabricación son variaciones en los perfiles superficiales que dan lugar a espacios o cavidades, como se ilustra en la figura 1A. Convencionalmente, estas cavidades se pueden acomodar aumentando la presión de inclinación o fuerza entre los yunques de la figura 1B y/o aumentando la temperatura o la duración de la soldadura. De este modo se pueden eliminar las cavidades.

Sin embargo, aunque esto puede resolver los problemas ilustrados en la figura 1A, los inventores han establecido que causa otros efectos perjudiciales para la soldadura y también para la región del componente que rodea la soldadura.

Con referencia a la figura 2A, se puede ver un calentador convencional H1 que está inclinado o forzado hacia el yunque AV2 opuesto, haciendo que los laminados L1 y L2 sean forzados entre sí. El calentador se activa y se forma un baño de soldadura de resina WP que se extiende a través de los dos laminados L1 y L2. Sin embargo, en el perímetro de la soldadura P1 puede producirse delaminación debido a una combinación del gradiente térmico y la presión de soldadura aplicada para crear la soldadura.

La delaminación se produce si el laminado se calienta por encima de la temperatura de fusión sin suficiente presión. Esto se debe a una forma de pretensión o compresión en el laminado que se hereda durante la fabricación del laminado, que a su vez se realiza generalmente a alta presión. Además, la desgasificación de la resina puede crear vacíos si se calienta por encima de la temperatura de fusión sin aplicar una presión adecuada.

Cuando se desactiva el calentamiento y se elimina la fuerza de soldadura (después de enfriar por debajo de 200 °C), las resinas dentro del baño de soldadura se solidifican de nuevo y los dos laminados se sueldan entre sí a lo largo de la línea de soldadura, es decir, cuando se desactiva el calentamiento la resina dentro del baño de soldadura se enfría y se vuelve a solidificar, y los dos laminados se sueldan entre sí a lo largo de la línea de soldadura. La fuerza de soldadura se elimina después de enfriar por debajo de 200 °C. Sin embargo, como se ha descrito anteriormente, las regiones que rodean y se extienden a lo largo de la soldadura pueden sufrir delaminación y otras discontinuidades dentro del material. Las discontinuidades de este tipo pueden ser perjudiciales para la integridad estructural del componente y de la soldadura que, como se ha analizado anteriormente, constituye particularmente un problema para los componentes aeroespaciales primarios.

Volviendo a la presente invención, la figura 2B muestra el aparato de soldadura 1 modificado.

La herramienta o aparato de soldadura 1 comprende una tira 2 metálica (u otro conductor de calor) flexible y alargada, ubicada en la herramienta de manera central con respecto a la línea de soldadura. La tira 2 es relativamente delgada de modo que se puede flexionar a lo largo de su longitud (no mostrada en la figura 2). Como se muestra, la tira 2 se puede poner en contacto con una primera capa 3 de laminado, que a su vez está situada contra una segunda capa 4, de modo que las dos pueden unirse, es decir, soldarse entre sí al activar la herramienta como se describe a continuación.

La herramienta comprende un disipador de calor 5 dispuesto para rodear la tira. El disipador de calor 5 tiene la forma de una sección 6 superior horizontal y dos secciones laterales 7a, 7a que definen una sección transversal en forma de U y forman una cavidad o espacio 8 dentro del disipador de calor y cerrado en el extremo inferior por la tira 2.

Cada una de las secciones laterales 7a, 7b del disipador de calor cooperan con la tira 2 de manera escalonada como se muestra en la figura 2B. Específicamente cada sección lateral 7a, 7b comprende una primera porción que se acopla a la superficie superior de la tira y una porción de sección que se extiende hacia abajo por el lado de la tira y es suficientemente larga para hacer contacto con el primer laminado 3. En efecto, la tira 2 está ubicada o alojada dentro del disipador de calor 7.

La tira 2 y el disipador de calor 5 definen una primera porción 9A de la herramienta 9A que opera en un primer lado de los laminados 3, 4 (en la figura 2B, un lado superior). Una porción opuesta de la herramienta 9B está dispuesta en el lado opuesto de los laminados 3, 4 y proporciona una superficie contra la cual se puede aplicar la fuerza de soldadura. Por ejemplo, la herramienta 9B puede ser un banco y la herramienta 9A puede ser un cabezal movible montado en un brazo robótico.

La figura 2C muestra el disipador de calor de forma aislada en una vista isométrica, en sección transversal, y adicionalmente un alzado lateral del disipador de calor. La figura 2C muestra la longitud del disipador de calor que se extiende en la dirección z. Como se muestra, el disipador de calor comprende una pluralidad de hendiduras o ranuras 10 que se extienden desde la superficie superior 6 hacia los extremos de las secciones laterales próximas al espacio que recibió la tira (no mostrada en la figura 2C). Las hendiduras o ranuras 10 dividen el disipador de calor en una pluralidad de segmentos 11. Todos los segmentos 11 están conectados entre sí en la base del disipador de calor 5, donde terminan las hendiduras o ranuras. En efecto, una porción del disipador de calor en los extremos de cada sección lateral 7a, 7b forma una raíz que conecta los segmentos entre sí. Cada segmento 11 tiene una sección transversal como se muestra en la figura 2B.

La figura 2C también muestra un alzado lateral del disipador de calor que ilustra el espaciado uniforme de las hendiduras. Sin embargo, el espaciado preciso de las hendiduras (y el tamaño de los segmentos) depende de las características de soldadura deseadas.

La figura 2C muestra además el perfil escalonado de los extremos distales de la sección lateral del disipador de calor con la porción más larga dispuesta (en uso) para hacer contacto con el laminado a soldar, lo que se describe con más detalle con referencia a la figura 4.

La figura 3 muestra una sección transversal ampliada y exagerada del disipador de calor 5, la tira 2 y el laminado 3. La sección transversal es exagerada en la curvatura del calor, la tira y el laminado para ilustrar más claramente cómo las hendiduras 11' entre los segmentos 11 permiten que el disipador de calor acomode una superficie irregular u ondulada.

Como se muestra, en la región A el disipador de calor está dispuesto sobre un perfil convexo de un laminado subyacente. Aquí se permite que los segmentos se abran en abanico o se extiendan con las hendiduras 11' haciéndose más grandes lejos de la raíz. A la inversa, en la región B el disipador de calor está dispuesto sobre un perfil cóncavo de un laminado subyacente. Aquí se permite que los segmentos se aproximen entre sí con las hendiduras 11' haciéndose más pequeñas lejos de la raíz. Se apreciará que las hendiduras permiten por tanto que el disipador de calor acomode variaciones en el perfil de la superficie de laminado mientras mantiene el contacto con la tira 2 y el laminado 3.

La figura 3 es una vista despiezada del disipador de calor, la tira y el laminado. Se reconocerá que, en uso, el disipador de calor y la tira flexible 2 se acoplan entre sí (como se describe con referencia a la figura 2B) y después se ponen en contacto con la superficie de laminado 3. Como se muestra, la flexibilidad tanto del disipador de calor como de la tira les permite coincidir con los contornos del laminado (exagerado).

La figura 4 muestra el disipador de calor, la tira y el aislador de la figura 2B con más detalle. Como se muestra, el disipador de calor 5 comprende dos porciones laterales 7a, 7b que se extienden hacia la tira flexible 2. Los extremos de las porciones 7a, 7b comprenden una sección transversal escalonada que está configurada como se muestra en la figura 4 para recibir el perfil de la tira conductora.

Se reconocerá que el perfil escalonado podría ser cualquier geometría que sea complementaria de la tira conductora y que pueda acoplarse a una porción de la tira para transferir la carga de soldadura a la tira y, en consecuencia, al laminado.

El disipador de calor 5 y la tira 2 están separados por una capa 12 de aislamiento térmico que está ubicada entre la tira conductora y el disipador de calor. Esto impide que el calor pase de la tira 2 al propio disipador de calor (que entonces se calentaría a su vez).

Puede seleccionarse cualquier material adecuado. Los ejemplos adecuados incluyen un tejido de vidrio, un recubrimiento resistente a altas temperaturas o un material de separación tal como cerámica o similar. El propio disipador de calor también puede ser de cualquier material adecuado tal como aluminio o acero inoxidable o similar. La tira flexible puede seleccionarse igualmente de cualquier material adecuado, tal como, por ejemplo, acero, invar o acero inoxidable. Más específicamente y ventajosamente, el material debe ser resistente al calor hasta al menos 500 °C.

Volviendo a la figura 4, la sección transversal escalonada de las porciones de extremo de los lados 7a, 7b también incluye un borde distal 13 que se extiende a lo largo de todo el disipador de calor (como se muestra en la figura 2C). Como se muestra en la figura 4, el borde distal 13 está dispuesto ventajosamente de manera que no se extiende más allá de la superficie más inferior de la tira 2. La superficie más inferior de la tira 2 se extiende hasta una distancia S<d>más allá de la superficie más inferior del borde 13.

En uso, la tira 2 (que se calienta, como se analiza más adelante) hace contacto con la superficie de laminado antes de los bordes 13 del disipador de calor 5. Esto permite que la tira caliente el laminado sin que el disipador de calor ralentice el proceso de calentamiento. La presión de soldadura aplicada a la superficie superior 6 hace que la tira 2 penetre en la superficie de laminado hasta que los bordes 13 hacen contacto con la superficie de laminado.

Una vez se ha hecho contacto entre los bordes 13 y la superficie superior del laminado, el disipador de calor comienza a absorber calor del laminado y a comunicarlo a través de las porciones laterales 7a, 7b al cuerpo principal y a la raíz del disipador de calor. Esto se describe más detalladamente con referencia a la figura 5.

Volviendo a la figura 4, las características de transferencia de calor del aparato pueden seleccionarse dependiendo de la distancia de profundidad S<d>y la relación de HS<w>y S<w>, es decir, la relación de las áreas de la porción de borde 13 y la tira 2.

Los efectos térmicos ventajosos de la presente disposición de herramienta se pueden ver con referencia a las figuras 5A y 5B.

La figura 5A muestra el enfoque convencional de soldadura de laminado en el que se aplica una porción calentada 14 al laminado 3. Como ilustra la flecha X, el calor se conduce hacia afuera desde la zona de soldadura y calienta un área circundante del laminado. Este calentamiento puede causar no solo delaminaciones (como se ha analizado anteriormente) sino también irregularidades en la superficie, como se ilustra en la figura 5A por la porción convexa inmediatamente adyacente a la porción calentada 14.

A la inversa, se puede ver una distribución térmica diferente en la figura 5B, que es un aparato de soldadura de acuerdo con la invención. Como se muestra, la tira 2 está aislada del disipador de calor 5 mediante el aislador 12. La tira se pone en contacto con el laminado 3 mediante la presión de soldadura P. La porción de borde 13 del disipador de calor está ahora en contacto con la superficie de laminado inmediatamente adyacente a la zona de soldadura y, como se muestra, la zona de soldadura Y constreñida debajo de la tira 2. Aquí, se evita que el calor sobrante se conduzca horizontalmente y, en su lugar, el disipador de calor lo recoge y lo dirige lejos del laminado (como se ilustra mediante la flecha H). Esto impide la delaminación y el daño a la laminación alrededor de la zona de soldadura.

Así, el aspecto del disipador de calor del presente aparato de soldadura proporciona por sí solo una técnica de soldadura de laminados mejorada.

Otros aspectos sinérgicos de la herramienta se describirán ahora con referencia a la figura 6 a X.

La figura 6 muestra una sección transversal de un aparato de soldadura que incorpora la disposición de disipador de calor flexible descrita anteriormente. En la figura 6 se está uniendo una nervadura de refuerzo 3 a una superficie 4 de laminado horizontal. Los componentes similares analizados anteriormente se muestran en la sección transversal de la figura 6, en concreto, la tira flexible 2, la capa de aislamiento 12 y el disipador de calor 5. A continuación se describirán las restantes porciones de la herramienta de soldadura.

Como se ha descrito anteriormente, la tira flexible 2 transmite calor al laminado para efectuar la soldadura. El calor se proporciona por medio de un elemento de calentamiento alimentado eléctricamente que en la realización mostrada en la figura 6 está ubicado en un rebaje cóncavo formado en la parte superior de la tira flexible 2. A continuación se coloca un aislador en la parte superior del elemento de calentamiento eléctrico, de modo que el elemento está rodeado en una mitad inferior por el rebaje cóncavo de la tira 2 y en una mitad superior por un rebaje cóncavo en el aislador superior 16. El aislador superior aísla el disipador de calor del calor generado por el calentador eléctrico. Así, el calentador 15, el aislador 16 y la tira flexible están contenidos en el espacio formado dentro del área central del disipador de calor.

Ventajosamente, el elemento eléctrico 15 y el aislador superior 16 también pueden ser flexibles de modo que pueden flexionarse con la tira 2 y el disipador de calor 5 para acomodar variaciones en el perfil de la superficie de laminado, como se ha analizado anteriormente con referencia a la figura 3.

Inmediatamente encima del disipador de calor 5 se puede ver una tira 17 de goma flexible que está situada entre el disipador de calor 5 y una manguera o vejiga 18 de goma inflable. Todos estos componentes están ubicados dentro de un vacío 19 de la carcasa 20 superior de la herramienta.

La manguera inflable está conectada a un suministro de gas o aire (no mostrado) y puede inflarse selectivamente a una presión predeterminada dentro del vacío 19. El inflado hace que la vejiga se expanda y aplique una fuerza a la superficie superior de la tira de goma 17. Esta, a su vez, aplica una fuerza a la superficie superior 6 del disipador de calor 5 que a su vez está acoplada a la tira flexible. Así, puede verse que inflando la manguera 18 se puede aplicar selectivamente la fuerza de soldadura al disipador de calor y a la tira flexible 2.

La presión en la manguera puede seleccionarse dependiendo de la configuración específica. Ventajosamente, para aplicar una presión de soldadura adecuada, la presión en la manguera puede estar en la región de 6 bar /-1 bar.

Con referencia a la figura 6, se muestra la carcasa de herramienta de soldadura en la que está contenida la disposición descrita anteriormente. La carcasa comprende una carcasa superior 20 que contiene la manguera 18, la tira de goma 17, el disipador de calor 5, el aislador 16, el calentador eléctrico 15 y la tira flexible 2. Opuesta a la carcasa superior hay una segunda carcasa 21 inferior que actúa como una superficie contra la cual se puede aplicar la presión/fuerza de soldadura. La carcasa inferior comprende una superficie 22 aislante y resistente al calor contra la cual el laminado 4 hace contacto durante la soldadura.

La carcasa inferior 21 puede tener la forma de una mitad inferior de un yunque que está acoplado a la carcasa superior permitiendo que las dos se junten o separen, permitiendo de este modo que los laminados se coloquen en medio de la carcasa para su soldadura.

En otra disposición, la carcasa inferior puede tener la forma de un lecho o plantilla fija en donde la carcasa superior es movible con relación a la misma. Siempre que la carcasa/plantilla inferior pueda soportar el laminado en la posición de soldadura, pueden ser posibles una variedad de disposiciones. Por ejemplo, la carcasa superior puede estar situada en un brazo robótico y la carcasa inferior puede ser fija. Se pueden realizar entonces múltiples soldaduras en diferentes posiciones.

En funcionamiento el proceso de soldadura comprende las siguientes etapas:

(a) los laminados 3, 4 se colocan en posición con respecto a las carcasas superior e inferior;

(b) la manguera 18 se presuriza causando que el disipador de calor y la tira flexible sean forzados sobre el laminado superior, la carcasa inferior hace contacto con el laminado inferior y los dos se ponen en contacto estrecho. La deformación de la tira flexible y el disipador de calor acomoda las variaciones en el perfil de la superficie;

(c) se aplica una corriente de inducción alterna a la bobina de cobre 15 que calienta la tira metálica 2;

(d) el calor generado se transfiere a las piezas 3 y 4 compuestas termoplásticas por conducción;

(e) junto a la tira calentada 2, el disipador de calor 5 toma el calor de la pieza compuesta termoplástica, conteniendo el calor en el área deseada e impidiendo que la tira metálica se hunda demasiado dentro de la pieza compuesta termoplástica;

(f) después de un período de tiempo predeterminado, la bobina de inducción eléctrica se desactiva y la resina dentro de los laminados se solidifica haciendo que los dos laminados se unan, es decir, se suelden entre sí; y

(g) se libera la presión de la manguera y se alejan las carcasas superior e inferior.

Como se ha analizado anteriormente, el aparato de soldadura permanece en el sitio hasta que la soldadura se haya enfriado hasta una temperatura predeterminada, por ejemplo, por debajo de 200 °C.

La figura 7 muestra una vista isométrica despiezada de los subcomponentes del aparato descrito anteriormente. La figura 7 muestra más claramente la superficie superior de la tira flexible 2 que incorpora una porción cóncava para recibir el elemento de calentamiento 15.

La figura 8 muestra una vista isométrica de la herramientain situpara soldar una nervadura de refuerzo 3 a una estructura 4 de laminado plana. Las hendiduras, que son visibles en la vista despiezada de la figura 7, están ocultas detrás de la carcasa superior en la figura 8.

La anchura de las hendiduras se selecciona para que sean tan estrechas como sea posible y está motivada por la anchura mínima de la herramienta de mecanizado (hoja de sierra) que se puede utilizar para el material elegido. Cuanto más finas sean las hendiduras, mayor será la "definición" de las imperfecciones o deformaciones de la superficie que se pueden acomodar. La profundidad es un equilibrio entre flexibilidad y durabilidad del disipador de calor. Las hendiduras más profundas dan lugar a una mayor flexibilidad al tiempo que reducen la durabilidad.

Adicionalmente, la tira conductora de calor también puede estar segmentada de la misma manera. Así, la tira conductora también puede alinearse estrechamente con la superficie de la pieza.

La figura 9 muestra una configuración alternativa de disipador de calor. Volviendo a la figura 7, el disipador de calor comprende una pluralidad de hendiduras que se extienden desde la superficie superior del disipador de calor hacia abajo por las porciones laterales. Los segmentos individuales creados por las hendiduras están todos acoplados entre sí como se muestra en la figura 7.

La figura 9 muestra una configuración alternativa en la que los segmentos están completamente divididos, es decir, las hendiduras están formadas a lo largo de todo el disipador de calor. Esto forma una pluralidad de segmentos independientes que constituyen el disipador de calor, cada uno de los cuales puede moverse independientemente de los segmentos adyacentes.

La división del disipador de calor de esta manera presenta varias ventajas.

Por ejemplo, la división del disipador de calor de esta manera permite un mayor movimiento de los segmentos adyacentes uno con respecto del otro y esto permite mayores diferencias en el perfil superficial de la superficie de laminado que ha de ser acomodado por la herramienta de soldadura.

Además, la división de los segmentos de esta manera impide que surjan corrientes parásitas en el disipador de calor debido a la corriente alterna que pasa a través de la bobina adyacente. Esto, a su vez, impide que se genere resistencia contra el suministro de CA por las corrientes parásitas.

Se puede utilizar ventajosamente un recubrimiento de aislamiento eléctrico. Un recubrimiento de este tipo sería eficaz para evitar corrientes parásitas excesivas en el disipador de calor totalmente dividido (de este modo, se puede evitar que el disipador de calor se caliente excesivamente debido al campo de inducción en el calentador).

Otra forma de impedir corrientes parásitas excesivas en los disipadores de calor totalmente divididos es limitar el contacto entre los disipadores de calor a las esquinas del disipador de calor. Esto se puede hacer mediante el mecanizado de un pequeño rebaje en el disipador de calor para que el disipador de calor haga contacto con la cara superficial, dejando que las esquinas hagan contacto con los otros disipadores de calor. Como las esquinas están alejadas de la bobina de inducción, el contacto eléctrico en las esquinas apenas causa el calentamiento del disipador de calor debido al campo de inducción en el calentador.

La figura 9 ilustra la manera en la que el disipador de calor flexible y la tira 2 pueden acomodar cambios mayores en el espesor de los laminados que han de soldarse. Como se muestra en la figura 9, la estructura laminada comprende una rampa 23 que aumenta de un primer espesor t<1>a un segundo espesor t<2>. El disipador de calor 5 también es visible y puede verse el contacto continuo del disipador de calor y el laminado. De manera similar (pero no visible) la tira flexible 2 también sigue el contorno de la rampa de laminado 23.

La figura 10 es una vista despiezada de la disposición mostrada en la figura 9. Se pueden ver los segmentos individuales del disipador de calor 5. De manera similar, también puede verse la flexión de la bobina, que corresponde al cambio en el espesor del laminado causado por la rampa 23.

La figura 11 muestra un gráfico de soldadura por conducción con tiempo versus temperatura e ilustra la temperatura del laminado durante el proceso de soldadura.

Específicamente el gráfico muestra las condiciones para soldar un material de ejemplo, tal como poliéter cetona cetona (PEKK) UD. El término "UD" significa unidireccional y se refiere a las capas preimpregnadas, que consisten en fibras en una sola dirección, a diferencia de una capa preimpregnada de tejido (tejida). Generalmente la soldadura de materiales UD es más difícil (porque hay menos resina). El material UD se utiliza principalmente en la estructura primaria de la aeronave, es decir, en piezas de la estructura que son críticas para el vuelo.

La temperatura de fusión del material para este sistema de matriz es de aproximadamente 330 °C y para una buena soldadura se requiere una temperatura de 375 °C, similar a la consolidación en autoclave de laminados. La temperatura de la superficie de la pieza en contacto con el elemento de calentamiento es más alta para obtener un gradiente de temperatura por encima del espesor de la pila, es decir, las capas que forman el laminado completo. Esta temperatura está limitada por la temperatura de degradación del sistema PEKK y se mantiene por debajo de 490 °C. La temperatura de la superficie de la pieza que no está en contacto con el elemento de calentamiento debe permanecer preferentemente sólida y, por tanto, ser < 330 °C. Por lo tanto, el disipador de calor está configurado para garantizar que el calor es eliminado de la zona de soldadura para mantener el laminado circundante por debajo de esta temperatura.

Se ha descubierto que la frecuencia de la bobina de inducción no es crítica para la eficacia del calentamiento y que la entrada de energía precisa necesaria para lograr una soldadura óptima depende de la longitud y las características de la bobina. Como ejemplos, tanto 300 kHz como 30 kHz pueden producir soldaduras de buena calidad.

También se podrían emplear disposiciones alternativas para aplicar la presión de soldadura, por ejemplo, se podría aplicar presión mediante un brazo robótico o una disposición cargada por resorte.

Sin embargo, mediante el uso de un sistema de manguera la presión de soldadura se puede garantizar fácilmente comprobando la presión en el sistema neumático. Esto es más difícil si se utilizan bloques de goma o resortes, ya que la cantidad (local) de presión depende entonces de la cantidad de compresión y de la rigidez del resorte (posibles problemas de calibrado y envejecimiento). Además, si se utiliza un bloque de goma, el calentamiento del bloque de goma al llevar a cabo el proceso de soldadura creará una expansión adicional, complicando aún más una distribución uniforme de la presión. Así, la disposición de manguera proporciona varias ventajas técnicas.

Opcionalmente, el disipador de calor y/o la tira flexible pueden estar provistos de termopares que permiten el control de retroalimentación en tiempo real de la corriente que se está aplicando a la bobina. Esto permite que la temperatura de soldadura se controle de manera precisa de acuerdo con las condiciones de soldadura deseadas, como se muestra, por ejemplo, en la figura 11.

Las aplicaciones del aparato y método de soldadura descritos en el presente documento incluyen (pero sin limitación):

refuerzos para revestimientos para crear un revestimiento rígido

bastidores para paneles de revestimiento de fuselaje rígidos

nervaduras para revestir paneles en aplicaciones de caja de torsión

largueros para revestir paneles en aplicaciones de caja de torsión

pequeños soportes para otras piezas

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un aparato de soldadura para un material a base de resina termoplástica reforzada con fibra, comprendiendo el aparato de soldadura

una tira (2) conductora de calor flexible alargada y un disipador (5) de calor alargado que se extiende alrededor de al menos una porción del perímetro de la tira conductora, en donde el disipador de calor alargado está dividido en una pluralidad de segmentos (11)

en donde los segmentos adyacentes pueden moverse uno con relación al otro.

2. Un aparato de soldadura de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la tira conductora flexible alargada tiene la forma de una tira metálica alargada.

3. Un aparato de soldadura de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde el disipador de calor alargado comprende una porción trasera y un par de porciones laterales que se alejan de la porción trasera para definir un vacío entre las porciones laterales y las porciones traseras.

4. Un aparato de soldadura de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el disipador de calor está dividido en una pluralidad de segmentos por medio de ranuras (11', 11") que se extienden a través de la porción trasera y a lo largo de al menos una porción de la longitud de cada porción lateral con una porción distal de las porciones laterales.

5. Un aparato de soldadura de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el disipador de calor está dividido en una pluralidad de segmentos por medio de ranuras que se extienden a través de la porción trasera y a lo largo de toda la longitud de cada porción lateral.

6. Un aparato de soldadura de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde la tira conductora de calor flexible está dividida en una pluralidad de segmentos.

7. Un aparato de soldadura de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en donde un extremo distal de cada porción lateral define un borde que se extiende a lo largo de la longitud del disipador de calor y está dispuesto en uso para hacer contacto con la superficie de un material a base de resina reforzada con fibras.

8. Un aparato de soldadura de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 7, en donde el espacio definido entre los extremos distales de las porciones laterales define un espacio para recibir la tira flexible alargada.

9. Un aparato de soldadura de acuerdo con la reivindicación 8, en donde un aislador eléctrico está dispuesto entre la tira flexible alargada y una porción adyacente del disipador de calor.

10. Un aparato de soldadura de acuerdo con la reivindicación 8 o 9, en donde los extremos distales de las porciones laterales del disipador de calor comprenden un perfil escalonado de manera que una superficie de la tira flexible alargada se alinea con una superficie del perfil escalonado y un lado perpendicular de la tira flexible alargada se alinea con un lado del perfil escalonado.

11. Un aparato de soldadura de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en donde una porción de la tira flexible alargada se extiende más allá del límite más distal del disipador de calor medido desde la porción trasera.

12. Un aparato de soldadura de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 11, en donde el vacío está provisto además de una fuente de calor alargada que se extiende a lo largo de al menos una porción de la longitud del aparato.

13. Un aparato de soldadura de acuerdo con la reivindicación 12, en donde la fuente de calor es una bobina de inducción eléctrica o un elemento (15) calentado por resistencia eléctrica.

14. Un aparato de soldadura de acuerdo con la reivindicación 13, en donde el conductor eléctrico comprende además un primer aislador eléctrico en un primer lado del conductor y un segundo aislador eléctrico en un segundo lado opuesto del conductor.

15. Un aparato de soldadura de acuerdo con la reivindicación 14, en donde el primer lado del conductor eléctrico está orientado a la tira flexible alargada y el lado opuesto del conductor eléctrico está orientado al vacío dentro del disipador de calor y está dispuesto para ser recibido dentro del vacío.

16. Un aparato de soldadura de acuerdo con la reivindicación 15, que comprende además una carcasa que comprende un rebaje ciego (19) dispuesto para recibir el disipador de calor alargado, la tira flexible alargada, el conductor eléctrico y los aisladores eléctricos.

17. Un aparato de soldadura de acuerdo con la reivindicación 16, en donde el rebaje comprende además una manguera inflable (18) dentro del rebaje y dispuesta para aplicar, al inflarse, una fuerza contra la porción trasera del disipador de calor.

18. Un aparato de soldadura de acuerdo con la reivindicación 17, en donde un aislador térmico está dispuesto entre la manguera inflable y la porción trasera del disipador de calor.

19. Un aparato de soldadura de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el calentamiento se controla en respuesta a uno o más sensores de temperatura dispuestos en uso para detectar la temperatura de soldadura.

20. Un método para soldar un primer componente termoplástico a un segundo componente termoplástico, comprendiendo el aparato de soldadura una tira conductora de calor flexible alargada y un disipador de calor alargado que se extiende alrededor de al menos una porción del perímetro de la tira conductora, en donde el disipador de calor alargado está dividido en una pluralidad de segmentos, en donde los segmentos adyacentes pueden moverse uno con relación al otro, comprendiendo el método la etapa de poner el aparato de soldadura en contacto con el primer componente y aplicar una fuerza de manera que el disipador de calor y la tira conductora de calor flexible se deforman de manera que la tira y el disipador de calor se alinean con el perfil de la superficie del primer componente.

21. Un aparato de soldadura para un material a base de termoplástico, comprendiendo el aparato de soldadura

una tira conductora de calor alargada flexible y una fuente de calor asociada dispuesta para dirigir el calor en una primera dirección a una superficie de laminado que ha de soldarse; y

un disipador de calor que se extiende lateralmente desde los bordes más largos de la tira alargada y está dispuesto para recoger calor de la superficie de laminado y comunicar calor en una segunda dirección opuesta,

en donde el disipador de calor es deformable a lo largo de la longitud de la tira para alinearse en uso con las deformaciones en un material a base de termoplástico que ha de soldarse, y

en donde el disipador de calor está dividido en una pluralidad de segmentos en donde los segmentos adyacentes pueden moverse uno con relación al otro.

22. Un sistema o brazo robótico controlado por ordenador que comprende un aparato de soldadura de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19.