SE520928C2 - Verktyg för friktionsomrörningssvetsning - Google Patents

Description

l5 20 25 30 520 928 2 arbetsstyckena mjuknar. Vid framställningen av en svetsfog kommer proben att för- flyttas i fogomrâdets riktning. Vart efter proben förflyttas kommer den uppmjukade metallen att flyta runt den och därefter konsolideras bakom den och på detta sätt sammanfoga arbetsstyckena.

Exempel på friktionsomröringssvetsning beskrivs i EP-B-0615480, och WO 95/26254. Exempel på verktyg beskrivs t. ex. i GB-A.2306366, WO99/52669 och WO99/58288.

Verktygen som används vid friktionsomröringssvetsning innefattar en cylindrisk el- ler avsmalnade prob som skjuter ut från en skuldra, plan eller välvd, med större di- ameter, som visas i Fig. lb. Djup till breddförhållandet för proben med avseende på dess normala diameter ligger företrädesvis i storleksordningen l:l och förhållandet skulderdiameter till problängd ligger i storlekordningen 3:1 eller 4:1, som först be- skrevs i EP-B-O6l5480 (se ovan) för svetsning av 3 mm tjocka och 6 mm tjocka plåtar och plattor av en aluminiumlegering.

För att svetsa tjockare plattor på 15 mm upp till 25 mm i ett enda pass, skulle tjock- lekar varierande mellan 15 till 25 mm prob av den typ som har ett l:l-förhållande längd/diameter användas, men dessa prober har en tendens att förflytta ett allt för stor mängd material. Allt eftersom plattoma blir tjockare och tjockare kommer upp- skalade prober av kända enkla parallella prob-typer att tränga undan ökande mäng- der material och försök har visat att detta inte är en rekommenderat sätt att lösa pro- blemet. Emellertid, kommer svetsning av tjockare material att nödvändiggöra ett större tryck på proben, vilket innebär att det kan vara ett problem att förlänga proben utan att göra den bredare för att vidhålla styrkan hos den.

En kritisk punkt i förfarandet att sammanfoga arbetsstycken med friktionsomrö- ringssvetsning när det handlar om arbetsstycken med större dimensioner föreligger i ”neddoppningssekvensen””, dvs. i början på svetsförfarande, när proben sänks ned i 10 20 25 30 520 928 3 sammanfogningslinj en. Ett av problemen som man möter under neddoppningsse- kvensen, är att mycket av den värme som genereras snabbt leds bort från svetszonen genom kopparmaterialet (arbetsstyckena) och åstadkommer att verktyget fastnar för att därefter skäras av. Detta är speciellt sant när verktygsproben framställs av leger- ingar vilka uppvisar begränsad plasticitet, såsom hårdmetall eller keramiska materi- al.

Ett ytterligare problem som uppstår då man försöker svetsa tjockare arbetstycken med en tjocklek av ca 50 mm är att håligheter uppstår i svetsen i närheten av pro- bens proximala ände nära ytan, vilka troligen skapas av ojämnt flöde runt den an- vända proben. Dessa håligheter kan uppträda på den främre kanten nära svetsens övre yta. (Se F ig. 3b och tillhörande text nedan.) Det har vanligtvis antagits, att då man svetsar tunnare arbetsstycken, variation av verktygets hastighet, eller olika rotationshastighet hos skuldran och proben är goda metoder för att kontrollera värmetillförseln till svetsområdet. Emellertid har det in- dikerats att det även skulle kunna vara nödvändigt att reglera materialets/probens temperatur for att åstadkomma en god funktion vid svetsningen, då probens och de arbetsstyckenas, som skall förenas, dimensioner ökar, Vårt arbeta har indikerat att en sänkning av rotationshastigheten under 400 rpm ökar det vridmoment, som verkar på proben. Det innebär att ju större vridmoment desto större måste probens dimensioner vara för att undvika brott på proben.

Att öka rotationshastigheten över 400 rpm ökar temperaturen på arbetsstyckenas övre yta, därvid åstadkommande att den blir extremt mjuk innan den underliggande kopparen blir tillräckligt mjuk för att svetsning skall ske. Denna situation kan åstad- komma att verktygsskuldran penetrerar eller sjunker ned i den uppmjukade övre ytan över en längre sträcka. 10 15 20 25 30 520 928 4 Följaktligen är det ett ändamål för uppfinningen att tillhandahålla ett verktyg för friktionsomröringssvetsning, som kan användas för svetsning av arbetsstycken med större tjocklek än som varit möjligt förr, dvs. svetsar med tjocklek uppgående till ca 50 mm och mer.

Det är även ett ändamål att tillhandahålla ett verktyg som kan motstå de krafter som är nödvändiga för att åstadkomma svetsar av dessa dimensioner.

Det är ytterligare ett ändamål att tillhandahålla ett verktyg som då det används kommer att hålla den rätta temperaturen, inte för låg och inte för hög, i materialet som skall svetsa och som också kommer att skydda verktyget från överhettning.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN.

Föreliggande uppfinning avser en friktionsomrömingssvetsningsverktyg for sam- manfogande medelst friktionsomrömingssvetsning av arbetstycken uppvisande tjocklekar av upp till ca 50 mm och mer. Föreliggande uppfinning avser även en prob som kan förhindra att hålrum bildas i den färdiga svetsen.. Verktyget uppvisar en skruvformat vriden utformning och är försedd med speciell utformning för att åstadkomma ovanstående.

Enligt uppfinningen uppnås ändamålen medelst ett friktionsomrömingssvetsnings- verktyg innefattande ett axel och en avsmalnande prob, varvid proben uppvisar ett flertal skruvformat anordnade lutande ytor, vilka sträcker sig i riktningen från pro- bens proximala ände till probens distala ände, varvid diametern hos varje längsgå- ende tvärsnitt genom proben, minskar kontinuerligt från probens proximala änden till probens distala ände.

Enligt uppfinningen uppnås ytterligare ändamålen medelst ett friktionsomrömings- svetsningsverktyg varvid varje sådan skruvformat anordnade lutande ytor är anslu- ten till en intilliggande skruvformat anordnad lutande yta via skruvformigt anordna- 10 15 20 25 30 520 928 5 de ytor, varvid dessa ytor i probens längsgående riktning är väsentligen parallella med probens rotationsaxel.

Enligt uppfinningen uppnås ytterligare ändamålen av att proben uppvisar främre skruvformade åsar, vilka formas av sammanbindningslinje mellan varje skruvfor- mat anordnad lutande yta och i den distala riktningen intilliggande skruvformat an- ordnade ytor.

Enligt uppfinningen uppnås ytterligare ändamålen av att probens varje diameter i varje längsgående tvärsnitt av proben minskar utan att någonsin öka räknat från pro- bens proximala ände till proben distala ände.

Enligt uppfinningen uppnås ytterligare ändamålen av att probens skruvforrnat an- ordnade lutande ytorna uppvisar en väsentligen konkav form.

Enligt uppfinningen uppnås ytterligare ändamålen av att proben uppvisar en kon- vinkeln upp till 45°, företrädesvis mellan 5° to 25°, mest föredraget 10° to 20°.

Uttrycket ”minskar kontinuerligt” skall förstås så att diametern aldrig ökar, men kan förbli konstant över en kortare distans, varvid en sådan distans är kortare än avstån- det mellan två intilliggande lutande ytor.

En prob formad i enlighet med uppfinningen har ett flertal fördelar. För det första lämnare den inget utrymme för aggregering av det plasticerade materialet, som skall svetsas, framför en ledande kant i en prob som är försedd med rännliknade fåror.

Formen på proben enligt uppfinningen ger dessutom möjlighet till ett bättre flödes- väg runt proben då den förflyttas längs den blivande svetsfogen.

Tillhandahållandet av en bättre flödesväg hjälper till att undvika brott på proben be- roende på allt för stora kraftpåverkningar på proben. 10 15 20 25 30 520 928 För att åstadkomma en jämn och reproducerbar mikrostruktur hos svetsen och ett pålitlig prestation kan kylning av proben användas. Detta kräver övervakningsut- rustning, medel för registrering av probens temperatur, eventuellt på flera ställen längs probens ländutsträckning för att tillhandahålla så jämn värme som möjligt längs proben då den används för svetsning.

Kort beskrivning av ritningama: F ig. la visar en känd friktionsomrörningssvetsningsprob och skuldra; F ig. lb visar ett friktionsornrörningssvetsningförfarande; Fig. 2a visar en friktionsomrömingssvetsningsprob med rännor enligt teknikens ståndpunkt; F ig. 2b visar verktyget i Fig. 2a enligt teknikens ståndpunkt i [tre horisontella snitt]; Fig. 3a en upp-skalad prob för användning vid 50 mm koppar; Fig. 3b en sektion genom en svets i vilken syns ett hålrum; F ig. 4 illustrerar uppkomsten av hålrum; Fig. 5a-c visar en utföringsform av friktionsomrörningssvetsningsproben enligt upp- finningen; och F ig. 6 illustrerar uppskalningen av en prob för användning med olika tj ocklekar på arbetsstyckena och några valda konvinklar.

I F ig. la visas det sätt på vilket friktionsomrörningssvetsning åstadkommes enligt teknikens ståndpunkt och även en prob enligt teknikens ståndpunkt. Ett par alumini- um plattor 101 och 102 visas i kontakt med varandra vid en föreningslinje 103, till- sammans med en icke-konsumerbar prob av ett material, som är hårdare än det som arbetsstyckena utgörs av. Proben 104 pressas in i plattorna i närheten av förenings- linjen, men sträcker sig inte helt genom den materialtjocklek, som uppvisas av mate- rialet som skall förenas. Penetrationsdjupet styrs av skuldran 107 (visad i Fig. lb), som är i kontakt med arbetsstyckena. Kontaktzonens 106 bredd ”d” mellan skuldran 10 15 20 25 30 520 928 7 och arbetsstyckena visas som en serie halvcirkulära kmsningar på styckenas övre yta. Verktygets rotationsriktning visas medelst en pil 110 och probens riktning längs foreningslinjen indikeras av en pil 111.

F ig. lb visar en schematisk sidovy av arbetsstycken l01,l02 och proben 104. Skuld- ran 107 som styr penetreringsdjupet i föreningslinjen visas även. Proben har en trubbig, normalt sfärisk spets, vilken är behjälplig vid penetrering tills denna stop- pas av kontakten mellan skuldran 107 och arbetsstyckena 101 och 102.

Det kan noteras att kontaktzonens 106 bredd är av storleksordingen åtminstone tre eller fyra gånger arbetsstyckenas tjocklek. Även den nominella maximala diametem av den lätt konformade proben är av samma storleksordning som arbetsstyckenas tjocklek.

I Fig. 2a visas en känd prob 294 avsedd för djupsektionsstumsvetsning. Proben upp- visar en avsmalnade form, smalare vid probens mest distala ände. Proben 204 är ut- skuren i uddning for att ge den djupa spiralliknande utstickande delar 212, vilka ut- för ca ett helt varv på probens längd och vilken är försedd med tre åsar 213 i ett fler- starts-arrangemang varvid tre spår 212 eller rännor uppkommer. Åsama eller eller ytorna 213, vilka är anordnade mellan rännor har en väsentlig bredd. Helixvinkeln mellan åsama och probens axel är av storleksordningen 45° eller mindre. Denna prob tillhandahåller inte enbart en cirkulär bearbetning av materialet utan tillhanda- håller även en rörelse av det plasticerade materialet nedåt räknat från skuldran 207.

Proben 204 uppvisar vid sin proximala ände en skuldra 207. Skuldran 207 uppvisar spiralformade åsar 215. Dessa åsar samverkar i en inåtriktning med den givna rota- tionen för att reducera det plasticerade materialets tendens att ge sig iväg, speciellt på arbetsstyckenas ytor. Åsarna kan t.ex. även lörlöpa parallellt med skuldrans om- krets. 10 15 20 25 30 520 928 8 I Fig. 2b visas proben 204 i snitt. Åsarna/ytorna 213 och de tre spåren/rännoma 212 visas.

Emellertid har proben, som visas i Fig. 2, vissa nackdelar när försök görs att utföra friktionsomrörningssvetsning i kopparstycken med väsentlig tjocklek, t. ex. 50 mm.

F ig. 3a visar en uppskalad prob försedd med 3 rännor för användning vid koppar med 50 mm tjocklek. Det har visats att denna typ av prob kan ge upphov till hålrum i den färdiga svetsen, som visas i Fig. 3b. I fig. 3b visas ett snitt genom en svets vil- ken uppvisar ett hålrum vid pilen.

I Fig. 4a visas schematiskt hur hålrum i den färdiga svetsfogen uppkommer vid svetsning av t.ex. koppar med användning av en prob av liknade utförande som den som visas i Fig. 3a. Den med tre rånnor försedda proben visas i ett snitt omgiven av den plasticerade kopparen 402. Rännorna 412 i denna prob formas av tre utskjutan- de ytorna 413 vilka uppvisar symetriska kanter 416 och 417. Beroende på probens rotationsriktning kommer som visas den främre kanten att utgöras av 416 och den bakre kanten att vara 417. Då proben roteras i den riktning som utvisas av pilen 410 kommer den plasticerade kopparen inte fylla kaviteten 420 bakom ytans bakre kant 417 eller om man ser på det från andra hållet kommer ett hålrum 420 att formas ef- ter den rännans främre kant 417. Dessa i det plasticerade material skapade hålrum kan, då svetsfogen har kallnat, kvarstå som ett fel i strukturen och försvaga svetsfo- gen. Det är av den anledningen viktigt att tillhandahålla en prob som inte ger upp- hov till hålrum i material under friktionsomrömingssvetsningsförfarandet.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPF IN- NINGEN.

I F ig. Sa visas en prob enligt uppfinningen. Proben är anpassad att infattas i en hål- lare (inte visad) genom att på probens axel anordna en platt del. 10 15 20 25 520 928 9 En skuldra (inte visad) som skall användas i samband med proben kan anordnas på hållaren, alternativt på proben i sig.

Proben och hållaren innefattande en lämplig skuldra kan naturligtvis utformas i ett styckets som fackmannen förstår.

Proben 504 uppvisar tre skruvfonnigt anordnade lutande ytor 512. Emellertid skiljer sig den form som dessa ytor uppvisar väsentligt från de rännor som visas i prober enligt teknikens ståndpunkt. Ytoma eller åsama enligt teknikens ståndpunkt har bli- vit smala åsar 513, vars ytor är väsentligen parallella med probens rotationsaxel 407 (inte visad i denna fig.) och ytan 523 mellan åsen 513 och den intilliggande skruv- format lutande ytan 512 är väsentligen parallell med probens rotationsaxel 507.

Ytorna 523 uppvisar skruvfonnigt lindade tunna parallella spår 508 parallella med åsarna 506. Dessa tunna spår eller smala åsar är ett resultat av framställningsforfa- randet men synes kunna spela en del i friktionsomrörningssvetsning som ett ytterli- gare friktion framkallande verktyg. Emellertid, kan proben poleras och fortfarande fungera tillfredställande.

Tryckavlastande medel 531 kan vara anordnade vid den proximala änden av åtmin- stone en av de ledande skruvforrnade åsama 513, för att tillhandahålla en ”bypass” intill en skuldra (inte visad) anordnad intill den proximala änden av den konformade delen av proben.

Två snitt genom proben, vinkelräta mot probens, enligt Fig. 5a, längsgående axel, visas i F ig. 5b och 5c. F ig. 5b motsvarar ett snitt vid den proximala änden av proben och F ig.5c motsvarar ett snitt nära den distala änden av proben. Åsarna 513, ytoma 523 och ytorna 512 indikeras i figurema. Rotationsriktningen indikeras med en pil 510. 10 15 20 25 30 520 928 10 Vid betraktande av de snitt som visas i Fig. 5b och 5c kan man förstå varför proben enligt uppfinningen inte kommer att ge upphov till några onödiga hålrum i den far- diga svetsen. Proben enligt uppfinningen lämnar inget utrymme för bildande av ett hålrum i den plasticerade metallen bakom den främre kanten av åsen 513. Den bakre kanten har väsentligen eliminerats.

I Pig 6 visas slutligen exempel på relationen mellan skuldran och olika problängder som kan användas med arbetsstycken av varierande tjocklek. l Fig. 6a - 6e visas ty- piska probstorlekar för 10 mm upp till 50 mm. I Fig. 6f - 6h visas konvinklar 10°, l4° och 18°.

Beskrivningen av den ovan fördragna utföringsformen skall enbart förstås som en av flera möjliga utföringsfonner inom ramen för uppfinningen som den definieras av de bifogade patentkraven.

Claims (7)

10 15 20 25 30 520 928 ll Patentkrav

1. Ett verktyg för friktionsomrömingsvetsning innefattande en axel (532) och en avsmalnade prob (504), varvid proben uppvisar ett flertal skruvformat anordnade lutande ytor (512), vilka sträcker sig i riktningen från probens proximala ände (530) till probens distala ände (531), varvid diametem hos varje längsgående tvärsnitt ge- nom proben (504) minskar från probens proximala änden (530) till probens distala ände (531) och av att varje sådan skruvformat anordnad lutande yta (512) är anslu- ten till en intilliggande skruvformat anordnad lutande yta (512) via skruvformigt an- ordnade ytor ( 523), vilkas utsträckning i probens längsgående riktning är väsentli- gen parallell med probens rotationsaxel (507).

2. Ett verktyg enligt krav 1, kännetecknat av att fräinre skruvformade åsar (513) formas av sammanbindningslinje mellan varje skruvformat anordnad lutande yta (512) och i den distala riktningen intilliggande skruvformat anordnade ytor (523).

3. Ett verktyg enligt något av föregående krav, kännetecknat av att varje dia- meter minskar eller förblir väsentligen konstant räknat från probens proximala ände (530) till proben distala ände (504).

4. Ett verktyg enligt något av föregående krav, kännetecknat av att de skruv- format anordnade lutande ytorna (512) uppvisar en väsentligen konkav forrn.

5. Ett verktyg enligt något av föregående krav, kännetecknat av att probens konvinkeln är upp till 45°, företrädesvis mellan 5° to 25°, mest föredraget 10° to 20°.

6. Ett verktyg enligt något av föregående krav, kännetecknat av att medel för övervakande av probens temperatur och medel för kylning av densamma. 520 928 12

7. Ett verktyg enligt något av föregående krav, kännetecknat av att tryck- avlastande medel (531) är anordnade vid den proximala änden av åtminstone en av de främre ledande åsarna, för att därigenom tillhandahålla en bypass intilliggande en skuldra anordnad vid den proximala änden av den avsmalnade proben.