TOOL FOR THE FRICTION STIR WELDING OF TWO METAL íTEMS WITH AN ANGLED JOINT HAVING A PIN AND A WEDGE-SHAPED SHOULDER

D E S C R I P C I ó N

CAMPO DE LA INVENCIóN

La presente invención pertenece al campo de las herramientas. Más concretamente, se refiere a una herramienta para el soldeo de batido por fricción de dos piezas metálicas que no formarán una unión plana, es decir, cuyo ángulo de unión es distinto de 180°.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN

El soldeo de batido por fricción (FSW, friction stir welding) ha sido inventada, patentada y desarrollada para su propósito industrial por TWI

(The Welding Institute), en Cambridge, Reino Unido. La patente US 5460317 describe dicho proceso de soldadura de batido por fricción y constituye el texto más descriptivo de esta nueva técnica de soldadura.

El soldeo por fricción es una técnica de unión en estado sólido, sin aporte de material donde las características iniciales del material perduran. Utilizando el soldeo por fricción es posible soldar materiales diferentes de gran espesor obteniendo excelentes propiedades mecánicas, y produciendo una muy pequeña distorsión en las piezas soldadas.

El concepto básico es una herramienta giratoria no consumible con un tetón o rotor perfilado y un hombro o cilindro de sección plana, pin y shoulder en su terminología en inglés, diseñados específicamente. Dicho tetón es insertado entre los extremos colindantes de las placas a soldar y atraviesa toda Ia línea de unión. Hay dos tipos de herramientas; Ia primera y más básica, es Ia herramienta rígida, donde el tetón no tiene un movimiento

relativo con respecto al hombro. Por otra parte hay herramientas donde el tetón tiene un movimiento relativo con respecto al hombro, llamándose a esta herramienta "herramienta de FSW con tetón retráctil". El hombro de Ia herramienta gira solidario al tetón en Ia mayoría de las herramientas utilizadas, aunque también existen herramientas en las que el hombro no gira.

Las funciones que llevan a cabo tanto el tetón como el hombro son las siguientes. Por un lado el hombro lleva a cabo una presión sobre las piezas a soldar. Dicha presión, junto con Ia rotación, provoca un calentamiento que lleva a un estado plástico al metal que constituye las piezas metálicas, en Ia zona circundante al tetón. Una vez los metales están en estado plástico, el tetón bate dichos metales, y, mediante su procesó de giro, arrastra el material alrededor de Ia herramienta, provocándose de este modo el soldeo según avanza Ia herramienta y se enfría el material. En el proceso de batido, el hombro proporciona un servicio adicional, que es el impedir que el material salga expulsado fuera de los contornos de Ia herramienta, confinándolo en Ia geometría inicial.

El diseño utilizado hoy en día para hacer el soldeo por fricción tiene un hombro adaptado para realizar uniones planas, por Io que no es posible insertarlo en piezas que tengan cierto ángulo entre las mismas.

La patente japonesa JP 11320128 describe una configuración para soldar dos paredes perpendiculares en las que el soldeo se realiza mediante un hombro, que se apoya en una cuña, y un tetón, ambos girando solidariamente. Dicha cuña tiene un agujero pasante para que el tetón pueda asomarse y penetrar en las piezas a soldar.

La herramienta descrita en esta patente tiene como inconveniente, que el hombro tiene una sección plana en cada una de las partes que rozan

con la pieza. Esta sección plana, es Ia que debería de realizar el forjado, Debido a Ia geometría de Ia misma, no sería posible realizar el forjado del material a soldar, ya que Ia herramienta se enclavaría. Por ello, esta geometría no sería adecuada para un correcto forjado del material. Por otra parte, esta fuerza es ejercida al hombro de Ia herramienta con un cilindro giratorio que está girando solidario al rotor perfilado o tetón, contra el hombro, con Ia consecuente generación de calor innecesario sobre Ia herramienta.

DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

La invención se refiere a una herramienta para el soldeo de batido por fricción de dos piezas metálicas con un ángulo de unión. La herramienta de Ia invención podrá ser empleada para soldar piezas metálicas que formen cualquier ángulo, siendo de aplicación preferente en aquellos casos en los cuales el ángulo de unión no es plano. Típicamente el soldeo se realizará de dos piezas metálicas a 90° grados, aunque Ia invención puede ser empleada como ya se ha dicho para cualquier otro ángulo. La herramienta comprende un hombro y un tetón. El tetón sale, emerge, o aflora de dicho hombro.

De acuerdo con Ia invención, el hombro está configurado en forma de cuña con dos paredes, formando las dos paredes de dicha cuña un ángulo sustancialmente igual al ángulo de unión de las piezas metálicas. De este modo, el hombro podrá situarse convenientemente entre las dos piezas metálicas de forma ajustada, realizando Ia presión necesaria para soldar ambas piezas e impidiendo que el material durante el batido sea expulsado fuera de los elementos a soldar. Durante Ia realización de dicha soldadura, el hombro no girará. En Ia unión de dichas paredes del hombro se define una zona de interferencia. El contacto entre Ia herramienta y las piezas a unir tendrá lugar entre las caras planas de Ia herramienta y las piezas, manteniendo Ia condición de que las caras planas coincidan con las chapas

a unir entre las caras planas adyacentes a Ia zona de interferencia de Ia herramienta y en los materiales a unir durante el soldeo o proceso de soldadura. La zona de interferencia cuenta con un primer extremo de ataque y un segundo extremo de fuga. El soldeo se llevará a cabo con un movimiento de avance del hombro, siendo el extremo de ataque el que entra en contacto con las dos piezas metálicas sin que éstas estén soldadas todavía, estando las piezas metálicas soldadas una vez que el extremo de fuga se retira de las piezas metálicas. Durante el soldeo Ia zona de interferencia penetrará en las piezas metálicas hasta, como se ha comentado ya, el contacto de las paredes de Ia cuña con las piezas a unir. El tetón sale en dicha zona de interferencia.

La zona de interferencia podrá estar configurada de tal modo que toda ella sea una protuberancia que emerja en Ia unión de las dos paredes de Ia cuña. Dicha protuberancia permite concentrar Ia presión en el ángulo de unión de las dos piezas metálicas, así como separar Ia zona de interferencia de las paredes de Ia cuña, de modo que al realizar el soldeo dichas paredes no penetren en las piezas metálicas a soldar si no que únicamente entren en contacto.

Dicho tetón podrá salir de Ia zona media de Ia zona de interferencia.

La zona de interferencia podrá tener un radio de curvatura mayor en los extremos de dicha arista, es decir, en el extremo de ataque y el extremo de fuga, que en Ia zona media, es decir, en Ia zona en Ia que sale el tetón. El radio de curvatura en el extremo de ataque y fuga podrá ser, por ejemplo, de 2 milímetros, mientras que el radio de curvatura en Ia zona media podrá ser, por ejemplo, de 0.5 milímetros. La evolución del radio de curvatura entre ambos extremos y Ia zona media será tal que disminuya progresivamente el radio de curvatura.

Con dicha configuración se logran una serie de ventajas. En primer lugar, el radio mayor de los extremos de ataque y de fuga ayuda a Ia inserción de Ia herramienta en el caso de que en las piezas a soldar se observen errores geométricos. En segundo lugar, en Ia zona media con un menor radio de curvatura, se favorecerá que Ia herramienta penetre en el material y produzca un calentamiento focalizado en dicha zona media, ayudando a Ia realización del soldeo. Es precisamente por esta razón por Ia que el tetón sale o surge en Ia zona media, para batir el metal en Ia zona calentada.

La zona de interferencia podrá ser conformada de tal modo que sea una protuberancia que sobresalga de las paredes de cuña. Dicha protuberancia ocupará, por ejemplo, los primeros 0.8 milímetros de las paredes de Ia cuña empezando a partir de Ia zona de interferencia y sobresaldrá, por ejemplo, 0.1 milímetros sobre las paredes de Ia cuña. Uno de los fines de Ia protuberancia existente en Ia zona de interferencia es que dicha zona de interferencia pueda penetrar en las piezas metálicas a soldar sin que las paredes del hombro penetren en dichas piezas. Una posible forma de realizar dicha protuberancia es realizar un rebaje en las paredes de Ia cuña de tal modo que tras el rebaje aparezca Ia protuberancia antes descrita. Las paredes de Ia cuña apoyaran en dichas piezas metálicas, sin penetrar en las mismas, por Io que Ia presión comunicada por el eje se aplicará únicamente en aquellos lugares donde Ia presión es requerida. La zona de interferencia, por Io tanto Ia herramienta, está diseñada para no penetrar más de este valor, en Ia realización comentada 0.1 milímetros, para llevar a cabo Ia deformación plástica del material y para producir el calentamiento focalizado consiguiente para ayudar a Ia realización del soldeo. Por este motivo, las paredes de Ia cuña no penetrarán en las piezas metálicas.

El hombro podrá ser simétrico respecto a un plano perpendicular a Ia

zona de interferencia y que corta a dicha zona de interferencia en Ia zona media de dicha zona de interferencia. De este modo, los extremos de ataque y de fuga podrán ser intercambiables indistintamente, pudiéndose, en el caso de que uno de los extremos se desgaste, continuar soldando por el otro extremo, multiplicando así por dos Ia vida útil de Ia herramienta.

DESCRIPCIóN DE LOS DIBUJOS

Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista en perspectiva de Ia herramienta de Ia invención soldando dos piezas metálicas.

Figura 2.- Muestra una vista en perspectiva de Ia herramienta. Figura 3.- Muestra una vista en detalle de Ia zona de interferencia.

Figura A - Muestra una vista en detalle del extremo de ataque o de fuga.

Figura 5.- Muestra una vista superior de Ia herramienta, en Ia que se Ie han realizado tres secciones.

Figuras 5A-5C- Muestran el perfil de Ia zona de interferencia en las tres secciones realizadas en Ia figura 5. Figura 6.- Muestra una vista en sección de Ia herramienta en el proceso de soldadura.

Figura 6A.- Muestra una vista del tetón y el hombro en una situación previa al soldeo, donde Ia zona de interferencia no ha penetrado aún en las piezas metálicas a soldar. Figura 6B.- Muestra una vista del tetón y el hombro en durante el proceso de soldadura, donde Ia zona de interferencia ha penetrado aún en

las piezas metálicas a soldar.

Figura 7.- Muestra una vista en sección detallada de Ia herramienta de Ia invención.

Figura 8.- Muestra una vista en perspectiva de una herramienta diseñada para soldar dos piezas metálicas con un ángulo de unión superior a 180°.

REALIZACIóN PREFERENTE DE LA INVENCIóN

A continuación, con referencia a las figuras, se describe un modo de realización preferente de Ia máquina herramienta para el soldeo de batido por fricción de dos piezas metálicas (1 ) con un ángulo de unión menor a 180° que constituye el objeto de esta invención.

La figura 1 muestra Ia máquina herramienta de Ia invención realizando el soldeo de dos piezas metálicas (1 ) con un ángulo de 90°. El soldeo se está realizando de derecha a izquierda, observándose por tanto el borde de ataque (6) de Ia herramienta. Como se puede observar, Ia herramienta está compuesta de un eje (9) y de un hombro (2) comprendiendo una cuña. Dicha cuña presenta dos paredes, las cuales se cortan formando un ángulo igual al ángulo que forman las dos piezas metálicas (1), en este caso un ángulo de 90°. El eje (9) es el encargado de transmitir el movimiento de giro al tetón (3), a su vez de que también transmite Ia presión necesaria al hombro (2).

La figura 2 muestra más claramente Ia herramienta de Ia invención.

En dicha figura se puede observar como el hombro (2) está configurado en forma de cuña. Dicha cuña tendrá Ia abertura de sus dos paredes sustancialmente igual a Ia apertura de las dos piezas metálicas (1 ) a soldar, en este caso de 90°. Las dos paredes se encuentran en una zona de interferencia (5), por Ia que sale o emerge el tetón (3) por su zona media

(10). Dicha zona de interferencia (5) presenta un extremo de ataque (6), que

será el que entrará en las dos piezas a soldar, y un extremo de fuga (7), que será el que abandona las piezas metálicas (1 ) una vez soldadas. En Ia realización que se describe, el hombro (2) es simétrico respecto a un plano perpendicular a Ia zona de interferencia (5) que pasa por Ia zona media (10) de dicha zona de interferencia (5), por Io que los dos extremos (6, 7) serán iguales y ambos podrán realizar las funciones de ataque o fuga indistintamente. Por este motivo, en el caso de que el extremo de ataque (6) se desgaste de tal modo que no sea posible ya realizar el soldeo por este extremo, podrá girarse Ia herramienta y continuar realizando soldaduras por el otro extremo, por Io que Ia vida útil de Ia herramienta se duplica.

La figura 3 muestra un detalle de Ia zona de interferencia (5), en particular desde el orificio por el que sale el tetón (3), hasta uno de los dos extremos (6, 7) de Ia zona de interferencia (5), ya sea el extremo de ataque (6) o el extremo de fuga (7), los cuales como ya se ha mencionado son equivalentes. En dicha figura se puede observar como el radio de curvatura es mayor en el extremo de ataque (6) o de fuga, por ejemplo con un valor de 2 milímetros de radio, mientras que dicho radio de Ia zona de interferencia (5) va disminuyendo progresivamente hasta Ia zona próxima al orificio por el que sale el tetón (3), es decir, Ia zona media (10) de Ia zona de interferencia

(5), donde alcanza su menor radio de curvatura, por ejemplo con un valor de 0.5 milímetros. Estos dos valores son dos valores orientativos y no limitativos, usados en esta realización, pero serían igualmente válidos los siguientes valores: 1.75 milímetros - 0.45 milímetros, o 1.65 milímetros - 0.40 milímetros, es decir, cualquier par de valores en los que el radio de curvatura del extremo de ataque (6) y de fuga sea mayor que el radio de curvatura de Ia zona media (10) de Ia zona de interferencia (5).

El fin perseguido con esta diferencia de curvaturas es que el radio de curvatura en el extremo de ataque (6) suficiente para ser capaz de penetrar progresivamente en Ia pieza y compensar o mitigar posibles errores

geométricos de las piezas metálicas (1 ). Según el radio de curvatura va disminuyendo, Ia zona de interferencia (5) es capaz de penetrar más en Ia línea de soldadura. La penetración será máxima en aquella zona en Ia que el radio de curvatura de Ia zona de interferencia (5) sea mínimo, es decir, en Ia zona media (10) de dicha zona de interferencia (5), es decir, donde se sitúa el tetón (3). Será pues en esta zona, Ia zona media (10), en Ia cual Ia presión efectiva del hombro (2) será máxima, por Io tanto, donde se concentrará el calor producido por Ia fricción, quedando el resto de áreas del tetón (3) libres de este efecto. De este modo, el funcionamiento de Ia máquina es más eficiente dado que se concentra el calor únicamente en aquella zona en Ia que éste se ha de producir. En este lugar es donde el tetón (3) está situado, por Io que Ia labor que este realiza se verá favorecida por este calor concentrado.

La figura 4 muestra una optimización del diseño de Ia cuña. Dicha optimización consiste en que Ia zona de interferencia (5) comprende una protuberancia que sobresale 0.1 milímetros en las paredes de Ia cuña. Esta protuberancia ha de ser tal que, al penetrar Ia zona de interferencia (5) en Ia línea de soldadura, las paredes del hombro (2) no impidan dicha penetración. Si se estima que Ia penetración de Ia zona de interferencia (5) es de un valor próximo pero inferior a 0.1 milímetro, el valor propuesto de 0.1 milímetros consigue el fin que se plantea. Con esta protuberancia las paredes del hombro (2) no afectarán ni impedirán Ia penetración de Ia herramienta, y del mismo modo permitirán guiar a dicha herramienta dado que estarán próximas o en contacto a las piezas metálicas (1 ) a soldar. En el caso mostrado en las figuras, dicha protuberancia se ha realizado mediante un rebaje (8) en las paredes de Ia cuña, siendo este rebaje (8) de 0.1 milímetros.

Con el fin de suavizar las posibles aristas vivas existentes en el hombro (2), por ejemplo en zonas como el encuentro del rebaje (8) de Ia

pared (4) de Ia cuña y Ia zona de interferencia (5), se han previsto que dichas aristas estén redondeadas con un radio menor a 0.2 milímetros. Con las redondeces que estos arcos crean, se logra suavizar los contornos y minimizar el riesgo de rotura de Ia herramienta.

En el proceso de fabricación del hombro (2), primero se realiza el radio progresivo desde los extremos de Ia pieza hasta el centro de Ia herramienta. Después se realizan los rebajes en las paredes de Ia cuña, que tienen una profundidad de 0.1 milímetros, pero dejando en Ia zona de interferencia (5), 0.8 milímetros como protuberancia. Por último, se realizan los redondeos de las aristas vivas.

Complementando a las figuras 3 y 4, las figuras 5, 5A, 5B y 5C muestran una evolución de Ia zona de interferencia (5) en tres puntos distintos del hombro (2). En dichas figuras aparece un radio menor en todas ellas, el cual correspondería con el radio en el plano medio del hombro (2), es decir, en el punto por el que sale o emerge el tetón (3), representado este plano en Ia figura 5C. Según el plano de corte se aleja de este plano medio, figuras 5A y 5B, aparece un radio mayor que se hace máximo en los dos extremos (6, 7) de Ia herramienta.

La figura 6 muestra una vista en sección de Ia herramienta en Ia que se puede observar el accionamiento del tetón (3). Como se puede ver, el eje (9) proporciona simultáneamente un movimiento de rotación que permite al tetón (3) penetrar en las piezas metálicas (1 ) a soldar y avanzar a Io largo de

Ia línea de soldadura, y adicionalmente transmite Ia suficiente presión al hombro (2) para que forje el material batido por el tetón de las piezas metálicas (1 ) llevándolas a un estado de plasticidad necesario para efectuar el soldeo. La vista de detalla de Ia figura 6A permite observar cómo el tetón (3) ha penetrado en las dos piezas metálicas (1 ), pero sin embargo no se está realizando todavía el soldeo, dado que Ia zona de interferencia (5) no

ha penetrado en las piezas metálicas (1 ) a soldar. En Ia figura 6B puede observarse como Ia zona de interferencia (5) y Ia protuberancia que esta forma ha penetrado en las piezas metálicas (1 ) a soldar. Esta penetración provoca el calentamiento del ángulo de unión o línea de soldadura de las dos piezas metálicas (1) a soldar, sin el cual no podría darse el soldeo (o Ia realización de Ia soldadura).

La figura 7 muestra un detalle de Ia herramienta descrita en Ia que se puede observar el modo por el cual el eje (9) transmite simultáneamente un movimiento giratorio al tetón (3) y una presión al hombro (2). El eje (9) transmite Ia presión mediante una arandela unida solidariamente al eje que topa contra un casquillo unido a Ia estructura del hombro mediante unos rodamientos. La presión del eje (9) comunicada al casquillo a través de Ia arandela se comunica al hombro (2) y es aplicada en Ia zona de interferencia (5). Del mismo modo, el eje (9) adicionalmente gira, y ese movimiento de giro se comunica al tetón (3) a través de un elemento de unión situado en el extremo del eje (9). Estos dos movimientos del eje, el de presión y el de giro permiten realizar el soldeo a Ia herramienta descrita.

Hasta este momento se ha comentado un hombro (2) con un ángulo menor a 180°, en concreto 90°. Cualquier otro ángulo menor a 180° tendría un aspecto similar al descrito en las figuras anteriores. La figura 8 muestra el aspecto de un hombro (2) diseñado para un ángulo mayor que 180°. Dicho hombro (2) puede ser de aplicación cuando no sea posible realizar el soldeo por el interior de las piezas metálicas (1 ) o bien cuando se haga necesario soldar tanto por el interior como por el exterior de las piezas. Como se puede observar, las características del hombro (2) permanecen, pudiendo observarse que el hombro (2) forma el mismo ángulo que las piezas metálicas a soldar (1 ), no mostradas, así como también aparece una zona de interferencia (5) capaz de penetrar en el ángulo de unión durante el soldeo. En el caso de que se deseara soldar dos piezas metálicas (1 ) que

formen un plano, Ia invención sería también de aplicación. En esta circunstancia el calor que antes se obtenía por Ia rotación del hombro (2) ahora se produciría por Ia penetración de Ia zona de interferencia (5) en Ia línea de soldadura.

A Ia vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en Ia materia podrá entender que Ia invención ha sido descrita según una realización preferente de Ia misma, pero que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dicha realización preferente, sin salir del objeto de Ia invención tal y como ha sido reivindicada.