NO340003B1 - Friksjonsbevegelsefremgangsmåte og et par av arbeidsstykker forbundet ved slik fremgangsmåte - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår friksjonsbevegelsesfremgangsmåter for sammen-føyning og bearbeiding av lavkonduktivitets-høytemperaturmetaller og -metallegeringer.

I denne kontekst definerer vi "høytemperaturmetaller og -metallegeringer" som de med smeltetemperaturer over den til aluminium, dvs. over 700 °C. Vi definerer "lavkonduktivitetsmetaller og -metallegeringer" som de med varmekonduktivitet mindre enn aluminium, typisk mindre enn 250 W/m K, fortrinnsvis under 150 W/m K, og mest fortrinnsvis under 100 W/m K. Lavkonduktivitets-høytemperaturmetaller og -metallegeringer har høyt smeltepunkt og høy fasthet og innbefatter vanligvis jernlegeringer og materialer inneholdende kvanta av nikkel, kobolt, krom, molybden, wolfram, aluminium, titan, niobium, rhenium og zirkonium. Noen av disse materialtyper kan betegnes som superlegeringer. De inneholder også titanlegeringer, som har bred anvendelse høyeffekt luft- og romfart, samt andre anvendelser.

Lavkonduktivitets-høytemperaturmetaller og -metallegeringer er konvensjonelt blitt sammenføyd ved smeltemetoder, men man har innsett at det ville vært fordelaktig å sammenføye dem ved bruk av friksjonsbevegelsessveising (engelsk: "friction stirwelding" (FSW))

Friksjonsbevegelsessveising er en metode eller fremgangsmåte der en sonde (engelsk: "probe") av et materiale som er hardere enn arbeidsstykkematerialet bringes til å bevege seg inn i sammenføyningsområdet og motsatte partier av arbeidsstykkene på hver side av sammenføyningsområdet under frembringelse av relativ, syklisk bevegelse (for eksempel rotasjonsbevegelse, kretsende bevegelse eller gjensidig bevegelse) mellom ,sonden og arbeidsstykkene, hvorved det genereres varme for å bringe de motstøtende partier til å anta en plastisert (mykgjort) tilstand; eventuelt bevirke relativ bevegelse mellom arbeidsstykkene og sonden i retning av sammenføyningsområdet; fjerne sonden og la de plastiserte partier konsolidere og sammenføye arbeidsstykkene. Eksempler på friksjonsbevegelsessveising er beskrevet i EP-A-0615480 og WO/95/26254.

Fordelene ved friksjonsbevegelsessveising er meget omtalt i teknikkens stilling, særlig i sammenligning med konvensjonelle smeltesveisingsteknikker. Disse fordeler omfatter manglede behov for forbruksvarer eller fyllstoffer, lav de- formasjonsgrad ved lange sveiser, lite preparering, faststoff-fase (ingen røyk, por-øsitet eller spruting, lavere varmetilførsel), unngåelse av størkning av et smelte-bad), utmerkete mekaniske egenskaper og formingskarakteristika ved sammen-føyninger.

Friksjonsbevegelsesverktøy kan også brukes til å behandle ett enkelt arbeidsstykke. I friksjonsbevegelsesprosessen (engelsk: "Friction Stir Process"

(FSP)) blir et verktøy som typisk brukes for FSW ført gjennom materialet i ett enkelt arbeidsstykke for å bevirke en endring i materialegenskapene til det materialet, istedenfor å bli ført langs en sammenføyningslinje for å skape en sveis. Verktøyets termomekaniske ombearbeidingsprosess kan føre til spesifikke lokale endringer i mikrostruktur, fysiske egenskaper (plastisk oppførsel, fasthet &c.) og kjemiske egenskaper (korrosjonsbestandighet &c). FSP er også blitt brukt til å konsolidere og reparere foringsrør og andre strukturer, medvirke til å fjerne porøsitet og forbedre egenskapene rundt kanaler/porter i for eksempel sylinderhode-støpestykker. Eksempler på FSP finnes i US 6712916B, EP-A-1160029, JP2005-324240A,

US 2006-003981A og US 6712916B, EP-A-1160029, JP 2005-324240A,

US 2006-0032891A og US 6994916B.

Friksjonsbevegelsesverktøy omfatter typisk en enkel, sylindrisk eller svakt avsmalnende sonde eller "tapp" som rager ut fra en med større diameter utformet flat, hvelvet eller avsmalnende skulder. Typiske eksempler på denne type verktøy er beskrevet i GB-A-2306366. Mange modifikasjoner av det enkle tappverktøy er tidligere kjent En annen vanlig, kjent verktøytype er kjent som "spolevektøyet"

(engelsk: "bobbin tool"), som beskrevet i EP-A-0615480. Denne verktøytype elimi-nerer behovet for et motholdselement, som ofte er nødvendig som mothold for kraften som verktøyet virker på arbeidsstykket eller -stykkene med.

Andre eksempler på verktøy er kjent,, innbefattende de med teksturerte overflater, gjengete eller riflete tapper, de som består av ombyttbare tapper og skuldre, og av ulike kombinasjoner av materialer avhengig av anvendelsen. Eksempler på disse finnes i WO 95/26254, WO 02/092273, US 6277430B1,

WO 99/52669, EP-A-1361014, US 6676004B1 og mange andre.

Typiske arbeidsstykkematerialer som vanligvis sammenføyes ved bruk av friksjonsbevegelsessveising har lav smeltetemperatur og blir i denne forbindelse betegnet som lavtemperaturmetaller eller -materialer. De vanligst friksjonsbev-egelsessveisbare av disse materialer er metaller basert på aluminium, magnes-ium, kobber, bly og andre lignende materialer.

Mye arbeid er blitt utført på sammenføyning av høytemperaturmaterialer ved hjelp av friksjonsbevegelsessveising, med blandet hell. Et av hovedproblem-ene ved friksjonsbevegelsessveising av høytemperaturmaterialer, er å velge det riktige verktøymaterialet, som konvensjonelt har vært bruk av motstandsdyktige (engelsk: "refractory") metaller eller keramiske materialer.

WO 99/52669 overveier bruk av rent wolfram, wolframrheniumlegering og wolframkarbid for jernholdige materialer; og koboltmaterialer, keramiske eller cer-metmaterialer for andre høytemperaturanvendelser.

WO 01/85385 angår friksjonsbevegelsessveising av MMC, jernlegeringer, ikke-jernholdige materialer, og superlegeringer ved bruk av et verktøy der tappen og skulderen i det minste inneholder et belegg bestående av et superabrasivt materiale. Dette er typisk polykrystallinsk kubisk bornitrid (PCBN).

GB 2402905 beskriver et verktøy som er fremstilt av et wolframbasert motstandsdyktig materiale som er anvendbart for sveising av høyfaste materialer som nikkel og -titanlegeringer.

Rimelig sveiskvalitet er oppnådd ved sammenføyning av visse Ti-graderinger ved bruk av W-Re-verktøy av standard geometri, selv om det er rap-portert at det ved denne verktøytypen opptrer varmeubalanse mellom sveistoppen og -bunnen, markhulldefekter og problemer med avsmelting på grunn av høye skulderhastigheter, og deformasjon ("An overwiev of friction stir welding Beta21S Titanium", Loftusetal., 5. FSW Symposium, Metz2004). Fremgangsmåter for å løse dette innbefattende bruk av spoleverktøy for å utligne varmetilførselen, var også foreslått i denne artikkel.

US 5697544 A omtaler et bevegelsesfriksjonssveiseverktøy med en variabel lengdetapp i forhold til skaftet av verktøyet. Tappen er bevegelig fra en helt til-baketrukket stilling i forhold til skaftet, slik at skaftet kan engasjere et arbeidsstykke uten at tappen går i inngrep med arbeidsstykket. Tappen kan deretter lang-somt forlenges inn i arbeidsstykket. Bevegelsesfriksjonssveiseverktøyet kan også ha et skaft med variabel diameter for å tilveiebringe et hulrom med variabelt volum. Når tappen forlenges videre inn i arbeidsstykket kan skaftet med variabel diameter utvides for å øke omkretsen av skulderen og volumet av hulrommet i skaftet slik at tapplengden til hulromsvolumet er innen et område for å sikre en god overflatematerialflyt og en høy sveisekvalitet ved å benytte friksjonsbevegelsesprosessen.

EP 1738856 A omtaler et friksjonsbevegelsessveiseapparat som omfatter en tapp og første friksjonsflatesegment, rotasjonsmessig drevet omkring en rota-sjonsakse; og et første indre segment med en første indre friksjonsflate for anlegg mot arbeidsstykket. Det første friksjonsflatesegmentet har en første friksjonsflate for anlegg mot arbeidsstykket. Det første indre segment omgir tappen, det første friksjonsflatesegment omgir det første indre segment, og det første friksjonsflatesegment er rotasjonsmessig drevet uavhengig av det første segment.

US 2003/111515 A1 omtaler en fremgangsmåte for friksjonsbevegelsessveising, hvorved sveisingen av legeringer med høy oksygenaffinitet og/eller høy plastisitetsenergi er mulig og varmestrømmen fra sveiselokaliseringen styres enkelt.

US 2002/014516 A1 omtaler en sonde for friksjonsbevegelsessveising av jernlegeringer, ikke-jernlegeringer og superlegeringer, så vel som ikke-jernholdige legeringer. Sonden innbefatter et skaft, en skulder og en tapp anbrakt gjennom skulderen inn i skaftet, hvori tappen og skulderen i det minste innbefatter et belegg som består av et superslipemateriale.

US-A-2003/0201307 beskriver enda et annet eksempel på friksjonsbeveg-elsessveiseverktøy hvor en sonde strekker seg mellom to skuldre, hvorav én roterer med sonden mens den andre roterer uavhengig av sonden. Dette gjør det mulig å anvende ulike overflateoppvarmingshastigheter ved hjelp av skuldrene, hvilket er fordelaktig ved overlappsveisematerialer med ulike egenskaper som krever ulike sveiseparametere.

Forskjellige problemer blir tydelige ved utførelse av friksjonsbevegelsessveising og -bearbeiding av høytemperaturmaterialer ved bruk av verktøyene ifølge nevnte kjente teknikk, ikke minst nedbryting av verktøymaterialer, noe som generelt skyldes den høye varme og de store spenninger som genereres under friksjonsbevegelsessveising og bearbeiding av disse høytemperaturmaterialer. Problemer opptrer også ved regulering av varmetilførsel i høytemperaturmateria-ler, ikke bare på grunn av overoppvarming av verktøyet, men også på grunn av overoppvarming av arbeidsstykket og termisk ubalanse over hele sveisprofilen, som omtalt i Loftus et al, som kan føre til dårlige sammenføyningsegenskaper. I visse høytemperaturmaterialer skyldes denne effekt vanligvis den høye varmetil-førsel på grunn av den forholdsvis store friksjonsflate på verktøyskulderen samtidig som tappen gis tilstrekkelig hastighet til å fremme materialblanding. Selv om forsøk på å avkjøle verktøyet har bidratt til å forlenge verktøyets levetid, har de bare en begrenset virkning på sammenføyningsegenskaper. Redusering av dia-meteren til verktøyets skulderparti kan minske varmetilførselen, men også føre til utilfredsstillende konsolidering av materiale og generering av store avsmeltings-mengder.

Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved en friksjonsbevegelsesfremgangsmåte omfattende det å bringe en roterende sonde i et friksjonsbevegel-sesverktøy til å entre et arbeidsstykke eller et sammenføyningsområde mellom et par arbeidsstykker, idet arbeidsstykket eller hvert arbeidsstykke er et metall eller en metallegering med lav konduktivitet og høyt smeltepunkt, dvs. et metall eller en metallegering med en smeltetemperatur over den til aluminium og en varmekonduktivitet mindre enn den til aluminium, kjennetegnet ved at friksjonsbevegelses-verktøyet har en enkelt skulder fra hvilken sonden strekker seg, skulderen er i kontakt med arbeidsstykket eller -stykkene og ved at sonden roterer i forhold til skulderen, og at skulderen ikke roterer i forhold til arbeidsstykket eller -stykkene.

Foretrukne utførelsesformer av fremgangsmåten er videre utdypet i kravene 2 til og med 14.

I henhold til et første aspekt omfatter en friksjonsbevegelsesfremgangsmåte det å bringe en roterende sonde hos et friksjonsbevegelsesverktøy til å entre et

arbeidsstykke eller et sammenføyningsområde mellom et par arbeidsstykker, idet arbeidsstykket eller hvert arbeidsstykke er et metall eller en metallegering med lav konduktivitet og høyt smeltepunkt, der sonden strekker seg fra en enkelt skulder i kontakt med arbeidsstykket eller -stykkene og roterer i forhold til skulderen.

I henhold til et andre aspekt omfatter en friksjonsbevegelsesfremgangsmåte det å bringe en roterende sonde hos et friksjons-bevegelsesverktøy til å entre et arbeidsstykke eller et sammenføyningsområde mellom et par arbeidsstykker, idet arbeidsstykket eller hvert arbeidsstykke er mellom første og andre skuldre i kontakt med motsatte sider av arbeidsstykket eller -stykkene og roterer i forhold til begge skuldre.

Vi har utført en detaljert studie av FSW av høytemperaturmaterialer, særlig metaller, og funnet at det er genereringen av eksessiv varme i disse høytemper-atur- lavkonduktivitetsmaterialer som viser seg å være det alvorligste problemet. Varmen som genereres av FSW-verktøyet synes å forbli lokalisert omkring sveis-området, hvilket kan føre til overoppvarming av arbeidsstykkematerialet.

Selv redusering av skulderdiameteren (for å minske varmetilførselen) løser ikke problemene med overflate-overoppvarming. Med oppfinnelsen blir det imidler-tid mulig å regulere varmetilførselen og samtidig opprettholde tilstrekkelig blande-og konsolideringsvirkning.

Ifølge oppfinnelsen roterer således sonden separat (atskilt) fra hvilken som helst skulder. Dette skyldes at for å føye sammen lavkonduktivitets-høytemperaturmetaller er det meget fordelaktig at det ikke eksisterer noen direkte innbyrdes avhengighet mellom en kilde av overflateoppvarming og en kilde av in-tern oppvarming, slik det er ved bruk av friksjonsbevegelsesverktøy med et fiksert sonde/skulder-aspekt. Den fullstendige rotasjonsmessige atskillelse av skulder (eller skuldre) og sonde muliggjør uavhengig varmetilførsel til og gjennom et materiale. Spesielt blir det ved hjelp av tappen bibrakt en tilstrekkelig hastighet til å blande materiale samtidig som skulderen (eller skuldrene) gir tilstrekkelig konsolidering til materialoverflaten uten sterk overflate-overoppvarming.

Den (de) separate skulder (skuldre) som typisk vil være stasjonære i forhold til arbeidsstykket, men som vil kunne rotere sakte i forhold til sonden, vil tilføye svært lite varme (om noe) til sveisoverflaten og derfor unngår de problemene med overoppvarming som opptrer ved konvensjonell FSW av høytemperatur-lavkonduktivitetsmaterialer. Når én enkelt skulder er anordnet, og med skulderen på plass mot arbeidsstykkets øvre overflate, består det roterende FSW-verktøy generelt bare av en sondekomponent, selv om det er mulig å benytte en avtrappet sondekonfigurasjon. Denne roterende sonde genererer den nødvendige varme for FSW-prosessen, og sveiser av god kvalitet kan produseres i høytemperatur-lavkonduktivitetsmaterialer.

For eksempel beskriver JP 2004-358513A et friksjonsbevegelsesverktøy for sammenføyning av materialer med forholdsvis lav trykkfasthet (ekstrusjon) og fine trekk. Dette benytter et oppvarmet verktøy og en uavhengig skulder til å redusere skulderens/tappens geometriske avhengighet, og reduserer derfor den nødven-dige tappstørrelse og nedadvirkende kraft ved sammenføyning av vanskelige geo-metrier. Ikke på noe tidspunkt søker det å løse problemene ved sveising av høy-temperaturmaterialer ved hjelp av friksjonsbevegelsessveising.

US 6 811 632B beskriver en fremgangsmåte og anordning for sammen-føyning av termoplastmaterialer ved bruk av FSW. Aspektet ifølge oppfinnelsen innebærer bruk av et verktøy bestående av en separat tapp og stasjonær tilbake-holdingsflate. Denne oppfinnelsen søker å løse problemet knyttet til materialut-støting av termoplastmateriale som ellers ville skje på grunn av virkningen av en roterende skulder. Denne oppfinnelse er spesielt beregnet for sammenføyning av termoplastmaterialer og antyder ikke på noe tidspunkt at materialene vil kunne sammenføyes ved bruk av en anordning med lignende trekk. Det antydes i dette patent at fremgangsmåtene ved friksjonsbevegelsessveising som virker for metaller, ikke virker for plast og vise versa. Det er angitt mange grunner for dette basert på de radikalt ulike egenskaper hos plast og metaller. Dette innbefatter det faktum at plast smelter under prosessen mens metaller ikke gjør det, at metaller krever en viss grad av nedadrettet kraft som kan medvirke til konsolidering og perpendiku-lær materialstrømning mens plast ikke gjør det. Det blir også ivrig påpekt at innfør-ingen av varme gjennom den stasjonære overflate er avgjørende for en vellykket plastprosess. Dette patent tar utelukkende sikte på sammenføyning av plast uten å nevne noe om sammenføyning av metaller ved bruk av denne teknikk. Det nevnes spesielt at fastholding, men ikke trykk fra et fastholdingselement er nød-vendig. Trykk i vertikalretningen påvirker materialet forskjellig og forårsaker problemer for plast. Ettersom problemene forbundet med høytemperaturmaterialer er til og med ytterligere fjernet fra plast enn metaller, ville man forvente at en motsatt tilnærming ble fulgt,

EP-A-102 1270 angår en anordning for sammenføyning av arbeidsstykker ved bruk av FSW. Aspektet ifølge oppfinnelsen innebærer bruk av en tapp og et legeme (hvis nederste del er skulderen, som per et typisk FSW-verktøy) som er gjensidig bevegelige, slik at tappen og legemet tillates å utføre ulike bevegelses-mønstre i forhold til hverandre. Patentet beskriver bruk av et rent stasjonært leg- erne, hvilket nødvendiggjør tilføring av ytterligere varme til sammenføynings-området på grunn av manglende friksjonsvarme frembrakt av skulderområdet. Denne oppfinnelse søker å løse problemene knyttet til varierende tykkelse i arbeidsstykker og tilførsel av ytterligere materiale under sammenføyning. Ikke på noe tidspunkt søker det å løse problemene knyttet til sveising av høytemperatur-materialer ved hjelp av friksjonsbevegelsessveising, og det fines ingen åpenbar forbindelse mellom bruk av en stasjonær skulder og sammenføyning av høytem-peraturmaterialer. På grunn av selve egenskapene til høytemperaturmaterialer, ville en fagkyndig på området forventes å tilføre mer varme

Så vel som til friksjonsbevegelsessveising (FSW) kan oppfinnelsen benyttes til andre friksjonsbevegelsesanvendelser, innbefattende friksjonsbevegelsesbear-beiding, friksjonsbevegelses-punktsveising, friksjonsbevegelseskanalisering og hvilken som helst annen anvendelse som bruker høytemperaturmaterialer. Imidler-tid vil oppfinnelsen bli beskrevet hovedsakelig i forbindelse med FSW selv om det lett vil forstås at de foretrukne trekk også er anvendbare ved de andre anvendelser.

Denne fremgangsmåte kan også anvendes for sammenføyning av ikke-plane sammenføyningsgeometrier, så som inner- og ytterdiameteren til et rør, et hjørne eller en hulkil eller også avtrappete komponenter. I disse tilfeller kan skulderen, for eksempel i form av ikke-roterende sleide, utformes slik at den følger formen til en komponent eller formen til sveien som skal dannes. Dessuten kan den brukes til å sammenføye flere enn to arbeidsstykker.

For ytterligere å forbedre sammenføyningskvaliteten, kan overflatebelegg eller overflatebehandlinger påføres en eller flere skuldre samt sonden. Disse belegg og behandlinger kan oppvise egenskaper så som lav friksjon, slitefasthet, temperaturbestandighet, diffusjonsmotstand, og lav reaktivitet og faststoffsmøring. Eksempler på behandlinger innbefatter nitrerherding, settherding, og nitro-settherding. Eksempler på belegg innbefatter keramikk så som aluminiumoksid, zirkoniumoksid, silisiumnitrid og sialon; og motstandsdyktige metaller så som molybden, støpejern og PCBN.

Inert dekkgass kan påføres gjennom skulderen og rundt sleiden for å hindre oksidering og medvirke til avkjøling. Eksempler innbefatter argon og helium.

Forvarming kan anvendes for å forhåndsmykne materialet foran sveisen.

Skulderen (eller skuldrene) kan avkjøles (vann, gass, kjølelegeme).

Ettervarming/kjøling kan anvendes for å styre varmesyklusen arbeidsstykkematerialet bak verktøyet gjennomgår.

En tvillingsondefremgangsmåte kan anvendes for å redusere sidekreftene som oppstår og for å forbedre sveiskvaliteten og verktøylevetid. I så tilfelle kan det benyttes to roterende sonder som strekker seg gjennom respektive åpninger i en enkelt skulder, idet sondene enten er på linje med sondens bevegelsesretning eller noe forskjøvet. Sondene kan ha ulik størrelse (lengde og/eller bredde) og kan rotere i motsatte retninger.

Flere sonder kan anvendes for bearbeiding av ulike områder av arbeidsstykkematerialet.

Under et sveiseforløp kan sondekomponenten gradvis trekkes tilbake for å fade ut sveisen, eller kan utstrekkes/tilbakestrekkes for å bearbeide tykkere / tynnere seksjoner av komponenten, mens skulderen (skuldrene) forblir i kontakt med arbeidsstykkene.

Skulderen eller hver skulder vil normalt være en sleide, men kan være inn-rettet til å rotere sakte eller kravle rundt under sammenføyningsoperasjonen. Sondene vil typisk rotere minst 10 ganger hurtigere enn skulderen (skuldrene), idet skulderen (skuldrene) typisk ikke roterer hurtigere enn 50 r/min.

Fortrinnsvis konstrueres skulderen eller hver skulder fra mer enn én type materiale eller mer enn ett stykke, og fortrinnsvis brukes en høytemperatur eller spesielt belagt innsats for å holde materiale nær den roterende sonde. For eksempel kan en skulder lages hovedsakelig av en nikkelbasert legering, men med en innsats avgrenset rundt en åpning som sonden strekker seg gjennom, idet innsat-sen er laget av et keramisk eller motstandsdyktig metall så som de ovenfor nevnte.

Sonden kan via et faststofflager være forbundet med skulderen eller hver skulder eller det kan være anordnet en liten spalte mellom dem.

En tvillingskulderløsning kan benyttes, der det i tillegg til en skulder på den øvre overflate, kan være anordnet et egnet feste for fastgjøring av en skulder på arbeidsstykkets underside, enten ved hjelp av et egnet lager eller tapp på sonden eller på annen måte. Den andre skulder kan således være stasjonær eller rotere sakte i forhold til sonden.

Skulderen (skuldrene) vil normalt utsettes for en aktivt påført belastning ved bruk, typisk 500-5000kg, vanligvis ca. 3000kg.

Mange ulikematerialtyper og kombinasjoner kan sammenføyes eller bear-beides innbefattende:

Ti og legeringer

Fe, stål og andre legeringer

Ni og legeringer

V og legeringer

Cr og legeringer

Mn og legeringer

Co og legeringer

Zr og legeringer

Pd og legeringer

Hf og legeringer

Pt og legeringer

Ulike materialkombinasjoner kan sammenføyes. På grunn av den meget trange varm- og blandesonen som tilveiebringes av sonden alene, kan posisjonen til sammenføyningsområdet være slik at ett materiale fortrinnsvis blandes og varmes over et annet. Dette kan være særlig fordelaktig der sammenføynings-egenskapene vanligvis begrenses av dannelsen av intermetalliske forbindelser. Den reduserte overflateoppvarming har potensial til å begrense intermetallisk formering og muliggjøre sammenføyning av mange tidligere ikke-sveisbare, ulike materialkombinasjoner. I virkeligheten kan mange ulike materialer andre enn høytemperatur-lavkonduktivitetsmaterialer og metallegeringer sammenføyes ved bruk av friksonsbevegelsesverktøyene beskrevet i denne beskrivelsen.

Bortsett fra å lette vellykket sammenføyning av høytemperaturmaterialer, gir den ovennevnte fremgangsmåte også fordeler ved sammenføyning ved å utjevne varmetilførselen inn i sammenføyningsområdet. Fremgangsmåten kan tilpasses slik at den gir spesielle sammenføyningsegenskaper og mikrostrukturer. Overflatefinish av sammenføyninger laget ved bruk av sleide er generelt av langt bedre kvalitet enn den som oppnås ved bruk av andre teknikker, basert både på frik-sjonsbevegelse og smelting.

Andre fordeler med denne løsningen innbefatter:

Evnen til å produsere sveiser av god kvalitet i en stabil FSW-prosess i høytemperatur-lavkonduktivitetsmaterialer.

Forbedret sveisehastighet i høytemperatur-lavkonduktivitetsmaterialer sammenlignet med konvensjonell FSW (der sveisoveroppvarming er en begrensende faktor).

Forbedret sveiserotkvalitet sammenlignet med konvensjonell FSW, som med bare roterende sonde, varmetilførsel gjennom sveisen er jevnere balansert.

Potensial for redusert FSW-verktøyslitasje og forbedret verktøylevetid som følge av mer balansert fordeling av varme i sveisen.

Bruk av en roterende sonde som en separat del reduserer nødvendig mengde av høytemperaturmateriale for FSW-verktøyet, hvilket muliggjør bruk av avansert/høyere kvalitetsverktøymaterialer, med derav følgende, forbedret verktøyytelse.

Bruk av en ikke-roterende sleideskulder og senket overflatevarmetilførsel reduserer muligheten for sveisforurensning, særlig ved sammenføyning av materialer så som titan, ettersom skulderen utelukker de eksterne omgivelser fra sammenføynings- eller bearbeidingsområdet.

Noen eksempler på fremgangsmåter og anordninger for utførelse av fremgangsmåter ifølge oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i tilknytning til de medfølgende tegninger, hvor: Figur 1 og 2 er fotografier som illustrerer utseendet av sammenføyninger mellom høytemperaturmaterialer ved bruk av en konvensjonell FSW-fremgangsmåte;. Figur 3 er et skjematisk diagram av et første eksempel på en FSW-anordning for utførelse av en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen; Figur 4 er et snitt gjennom et andre eksempel på en anordning for ut-førelse av en fremgangsmåte ifølge foreliggende oppfinnelse. Figur 5 er et fotografi av en sammenføynings-buttsveis utført ved bruk av en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen; og

Figur 6 er et tverrsnitt gjennom sveisen vist i figur 5.

Figur 1 og 2 illustrerer problemene ved bruk av konvensjonelle FSW-fremgangsmåter for sveising av høytemperaturmaterialer, i dette tilfelle to arbeidsstykker av Ti-6AI-4V. Som det fremgår av begge figurer, skjer det sterk overoppvarming av sammenføyningsoverflaten, hvilket fører til for sterk mykgjøring av materialet, utilstrekkelig materialinneslutning og dårlig overflatefinish. I figur 1 ble en 25 mm diameter skulder brukt sammen med en 15 mm diameter sonde, og sonden roterte med 200 r/min og translaterte med 100 mm/min. I figur 2 ble en 15 mm diameter skulder brukt sammen med en 6 mm diameter sonde eller tapp som roterte med 250 r/min og translaterte med mellom 60 og 90 mm/min. Figur 3 viser et eksempel på en enkel anordning for utførelse av en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen. I dette tilfelle strekker en langstrakt sonde 1 seg under påført belastning fra en maskinspindel 2 inn i et sammenføyningsområde 7 mellom et par høytemperatur-metallarbeidsstykker 8, 9 som butter mot hverandre. Maskinspindelen er opplagret i et hovedverktøyhodelager 3 som i sin tur bæres av en ikke-roterende sleide 4 som danner en skulderkomponent som også er plassert under belastning. Sonden kan være laget av en motstandsdyktig legering så som

wolfram eller molybden eller kan alternativt være keramisk basert og laget av aluminiumoksid, zirkoniumoksid eller lignende. Sleiden 4 er typisk laget av en nikkelbasert legering eller annet høytemperaturmateriale og har en innsats, som tidligere beskrevet, beliggende nær sonden 1.

Ved bruk roteres maskinspindelen 2 og følgelig sonden 1 med høy hastighet, for eksempel 10-1000 r/min, typisk 500 r/min, og sonden innføres mellom arbeidsstykkene 8,9. Deretter blir sonden og sleiden 4,som ligger an mot arbeids-stykkenes 8,9 øvre overflater, under påført belastning beveget i retning av en pil 10 for derved å bevegelsesveise arbeidsstykkene sammen langs et sammenføy-ningsområde 5. Området som sleiden 4, som ikke roterer, beveger seg over, er vist ved 6.

Anordningen som i prinsippet er vist i figur 3, er vist i en mer praktisk utgave i figur 4. Figur 4 viser FSW-verktøyet omfattende et hovedhus 20 som via spindel-lagre 11 roterbart bærer en maskinspindel 13,hvis øvre ende vil være forbundet med en drivmotor for roterende drift av maskinspindelen og hvis nedre ende er opplagret ved hjel av et hovedverktøyhodelager 14 som er fast festet til huset 20.

En FSW-sonde 17 i en holder er forbundet med enden av hovedspindelen 13 og rager ut gjennom en åpning 21 utformet i et nedre parti 15 av huset 20.

Det nedre parti av huset 220 bærer en ikke-roterende sleidekomponent 18 ekvivalent med skulderen til et konvensjonelt FSW-verktøy, idet sleidekomponen-ten har en sentral høytemperaturplugg 22 som er innført i åpningen 21 og avgren-ser et hull som sonden 17 strekker seg gjennom.

Inert dekkgass kan tilføres gjennom et innløpshull 12 og strømmer ut gjennom utløpshull 16.

Figur 5 er et fotografi av en sammenføynings-buttsveis i Ti-BAI-4V dannet ved bruk av anordningen vist i figur 4. I dette tilfelle hadde sonden en 8 mm diameter, roterte med 300 r/min og translaterte med 80 mm/min. Det skal bemerkes at ingen etterpussing av sveisen har funnet sted, men det fremgår at man har oppnådd en meget forbedret sveis. Den samme sammenføyning er vist i tverrsnitt i figur 6.

Claims (14)

1. Friksjonsbevegelsesfremgangsmåte omfattende det å bringe en roterende sonde (1) i et friksjonsbevegelsesverktøy til å entre et arbeidsstykke eller et sam-menføyningsområde (7) mellom et par arbeidsstykker (8, 9), idet arbeidsstykket eller hvert arbeidsstykke er et metall eller en metallegering med lav konduktivitet og høyt smeltepunkt, dvs. et metall eller en metallegering med en smeltetemperatur over den til aluminium og en varmekonduktivitet mindre enn den til aluminium,karakterisert vedat friksjonsbevegelsesverktøyet har en enkelt skulder (4) fra hvilken sonden strekker seg, skulderen er i kontakt med arbeidsstykket eller -stykkene og ved at sonden roterer i forhold til skulderen (4), og at skulderen (4) ikke roterer i forhold til arbeidsstykket eller -stykkene (8, 9).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1 for sammenføyning av et par arbeidsstykker,karakterisert vedat den videre omfatter det å bevege verktøyet langs en sammenføyningslinje (7) mellom arbeidsstykkene (8, 9).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 for bearbeiding av et arbeidsstykke,karakterisert vedat den videre omfatter det å bevege verktøyet langs en linje (7) som strekker seg langs arbeidsstykket.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2 eller 3, karakterisert vedat skulderen (4) danner et sleideelement.

5. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat skulderen (4) er formtilpasset overflaten eller overflatene til verktøystykket eller -stykkene (8, 9) som den butter mot.

6. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat en eller begge av sonden (1) eller skulderen (4) er gitt et overflatebelegg eller en overflatebehandling som oppviser en eller flere av lav friksjon, slitasjebestandighet, temperaturbestandighet, diffusjonsmotstand, lav reaktivitet og faststoffsmøring.

7. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat den videre omfatter det å tilføre en dekkgass til området mellom skulderen (4) og arbeidsstykket eller -stykkene (8, 9).

8. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat den videre omfatter det å tilføre kjølemiddel og/eller smøremiddel til området mellom skulderen (4) og arbeidsstykket eller -stykkene (8, 9).

9. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat skulderen (4) er laget av flere enn ett stykke, idet stykket nærmest sonden har et høyt smeltepunkt.

10. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat arbeidsstykket eller hvert arbeidsstykke (8, 9) velges fra gruppen omfattende: Ti og legeringer Fe, stål og andre legeringer Ni og legeringer V og legeringer Cr og legeringer Mn og legeringer Co og legeringer Zr og legeringer Pd og legeringer Hf og legeringer Pt og legeringer

11. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav for sammenføyning av et par arbeidsstykker (8, 9), karakterisert vedat arbeidsstykkene lages av ulike materialer.

12. Fremgangsmåte ifølge minst krav 2 eller 3, karakterisert vedat sonden (1) tilbaketrekkes, mens den roterer, etter hvert som verktøyet nærmer seg enden av linjen (7), mens skulderen forblir i kontakt med arbeidsstykket eller -stykkene.

13. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat smeltepunktet til metallet eller metallegeringen er større enn 700°.

14. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat varmekonduktiviteten til metallet eller metallegeringen er mindre enn 250 W/m K.