Un útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación para realizar,

simultáneamente, una pluralidad de soldaduras paralelas, comprendiendo dicho útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación:

una pluralidad de módulos de soldadura por fricción-rotación, cada uno de cuyos módulos de soldadura por fricción-rotación comprende:

al menos una espiga (71, 73, 194, 196, 216, 228) de soldadura por fricción-rotación;

un par de superficies de aplicación con la pieza de trabajo orientadas hacia dicha al menos una espiga (71, 73, 194, 196, 216, 228) de soldadura por fricción-rotación;

estando dispuesta cada una de dichas superficies de aplicación con la pieza de trabajo en un resalto (67, 68, 214, 219, 222) unido a dicha al menos una espiga (71, 73, 194, 196, 216, 228) de soldadura por fricción-rotación o enterizo con ella, por lo que dichos resaltos (67, 68, 214, 219, 222) y dicha espiga (71, 73, 194, 196, 216, 228), giran al unísono;

estando conectados dichos módulos de soldadura por fricción-rotación entre sí o estando formados de una sola pieza, por lo que los citados módulos giran al unísono;

al menos un vástago (66, 75, 82, 84) unido a, por lo menos, uno de dichos módulos de soldadura por fricción-rotación o enterizo con ellos, por lo que dicho vástago (66, 75, 82, 84) y dichos módulos, giran al unísono;

dicho al menos un vástago (66, 75, 82, 84) para aplicación con un mandril o una pinza (138, 140) de una máquina de soldadura por fricción-rotación para ser hecho girar por ella, caracterizado porque el útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación comprende, además, una barra (61, 76) de tensión axial dispuesta dentro de dicho útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación y medios (62, 77) para someter a tensión a dicha barra (61, 76) de tensión axial, por lo que dicha al menos una espiga (71, 73, 194, 196, 216, 228) es sometida a compresión con el fin de impedir la rotura de dicha al menos una espiga (71, 73, 194, 196, 216, 228)

Útiles de carrete fijo con múltiples resaltos para la soldadura por fricción-rotación simultánea de múltiples paredes paralelas entre piezas.

El presente invento se refiere a un útil de soldadura por fricción-rotación de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 (véase, por ejemplo, el documento JP 2002/263863) y, más particularmente, el presente invento se refiere a un útil de soldadura por fricción-rotación simultánea para llevar a cabo, al mismo tiempo, una pluralidad de uniones paralelas entre componentes que tienen partes paralelas.

Antecedentes del invento

El procedimiento de soldadura por fricción-rotación (FSW) es un procedimiento de unión basado en estado sólido, que hace posible soldar una gran variedad de aleaciones de materiales (aluminio, cobre, acero inoxidable, etc.) entre ellos mismos y en forma combinada (por ejemplo, 6xxx/5xxx, 2xxx/7xxx, etc.). La unión se lleva a cabo mediante un útil giratorio de FSW que es forzado en el área de unión para calentarla por fricción y que, así, lleva al estado plástico las piezas que lo rodean. El material en estado plástico fluye alrededor del eje geométrico del útil giratorio de FSW, y las regiones llevadas al estado plástico coalescen para formar uniones metalúrgicas firmes. El procedimiento puede ser llevado a la práctica con útiles de FSW usuales, cada uno de los cuales consiste en una sola espiga y un resalto que requiere apoyarse en un yunque durante la soldadura. La figura 1 ilustra un útil 10 de soldadura por fricción-rotación de la técnica anterior que tiene un vástago 18 que puede ser retenido en un mandril o pinza portapieza de una máquina de FSW. El vástago 18 puede tener un plano 19 para facilitar la aplicación de un par de torsión al útil 10 de FSW.

El útil 10 de FSW incluye también una espiga 12 y un resalto 14 con una superficie 16 de aplicación con la pieza de trabajo. La espiga 12 puede incluir una rosca 13 y planos 15. El útil 10 de FSW es hecho girar en el sentido que hace que la rosca 13 de la espiga 12 empuje al material llevado al estado plástico hacia la punta de la espiga 12. La superficie 16 de aplicación con la pieza de trabajo del resalto 14 puede incluir un filete en espiral 17. El paso del filete en espiral 17 es tal que tiende a mover hacia dentro al material llevado al estado plástico, hacia la base de la espiga 12 cuando el útil 10 de FSW es hecho girar en el sentido que tiende a empujar al material en estado plástico hacia la punta de la espiga 12.

La figura 2 ilustra dos placas 111 que se sueldan a tope una con otra mediante el útil 10 de FSW. Es necesario un yunque 11 de apoyo en el dorso de las placas 111 para contrarrestar la fuerza de forjado ejercida por el útil de FSW sobre la unión en estado plástico y evitar el escape del material en estado plástico, y producir una superficie lisa en el dorso. Por ello, los útiles de FSW como el útil 10 de FSW tienen la limitación de que no pueden ser empleados para soldaduras en las que no es posible acceder al dorso de los componentes que se sueldan.

Con el fin de soldar componentes en los que no es posible acceder al dorso de la soldadura para colocar un yunque de apoyo, pueden emplearse útiles del tipo de carrete. Tales útiles incluyen dos resaltos y una espiga entre ellos. El concepto que llevó al desarrollo de dichos útiles fue patentado por Kevin Colligan el 30 de Diciembre de 2003, en su patente núm. 6.660.075 (figura 3). El útil 20 de FSW del tipo de carrete ilustrado en la figura 3 incluye una espiga 21 de FSW y un par de resaltos 22, incluyendo los resaltos 22 superficies 23 de aplicación con la pieza de trabajo. Como los resaltos 22 tienen el ángulo de conicidad 24, pueden ser de una sola pieza con las espiga 21. Con el fin de aplicar la fuerza de forjado para soldar piezas de trabajo 111, cuyo grosor tenga cierta tolerancia, las superficies 23 de aplicación con las piezas de trabajo presentan una conicidad hacia fuera desde las piezas de trabajo 111 con el ángulo de conicidad 24 ilustrado en la figura 3.

El ángulo de conicidad 24 no sólo permite soldar piezas de trabajo cuyo grosor tenga ciertas variaciones, sino que, también, garantiza que se aplique la necesaria fuerza de forjado a la región en estado plástico, por lo que el material en estado plástico queda confinado a la región de soldadura y se producen superficies lisas en las caras superior e inferior de la soldadura. Las enseñanzas de la patente norteamericana núm. 6.660.075 se incluyen en este documento como referencia.

En la figura 4 se ofrece un dibujo más completo de un útil de FSW del tipo de carrete. El útil 30 de FSW del tipo de carrete incluye un vástago 36 y una espiga 39 de FSW. La espiga 39 incluye una parte proximal 31 de espiga en el lado proximal del centro 38 de la espiga 39, y una parte distal 37 de espiga en el lado distal del centro 38 de la espiga 39. La parte proximal 31 de la espiga y la parte distal 37 de la espiga tienen un paso contrario y el útil 30 de FSW es hecho girar en el sentido que tiende a hacer que el material en estado plástico fluya hacia el centro 38 de la espiga 39.

El útil 30 de FSW incluye, también, un resalto proximal 32 que tiene una superficie 33 de aplicación con la pieza de trabajo y un resalto distal 34 que tiene una superficie 35 de aplicación con la pieza de trabajo. De nuevo, las superficies 33 y 35 de aplicación con la pieza de trabajo son cónicas para tolerar variaciones del grosor de la pieza de trabajo y para aplicar la fuerza de forjado requerida al material en estado plástico. El útil 30 de FSW del tipo de carrete se describe en la solicitud de patente, también en tramitación, titulada Útiles avanzados para soldadura por fricción-rotación, número de serie 11/100.878, presentada el 7 de Abril de 2005.

El útil 30 de FSW incluye un miembro de tensión 27 que es sometido a tensión mediante una tuerca 28 que actúa a través de una arandela elástica 29. El propósito del miembro de tensión 27 es someter a compresión a la espiga 39 con el fin de evitar la rotura de la espiga 39 debido a la combinación de fuertes momentos de flexión y de torsión que experimenta cíclicamente durante la soldadura por fricción-rotación.

La figura 5 ilustra el útil 30 de FSW del tipo de carrete en posición para soldar la junta 113, que es una de un par de juntas 113 y 114 necesarias para producir un tubo rectangular a partir de un par de miembros alargados, teniendo cada miembro alargado una sección transversal configurada a modo de corchete, correspondiendo cada miembro alargado a una mitad de la sección transversal del tubo rectangular. Ha de observarse que los útiles de carrete del tipo enseñado por el Sr. Colligan sólo son capaces de soldar una junta cada vez.

La figura 6 ilustra un útil 50 de FSW de la técnica anterior, que tiene propiedades mecánicas superiores. Incluye un conjunto enterizo de vástago-espiga con un resalto 54 roscado en el conjunto vástago-espiga. El útil 50 de FSW tiene, de preferencia, un ajuste estrecho 57 entre el vástago 53 y el interior del resalto 54. También, presenta un ajuste estrecho 58 entre la espiga 52 y el interior del resalto 54, cerca de la base de la espiga 52, y está dotado de un tope firme 59 entre el interior del resalto 54 y el vástago 53. El útil 50 de FSW se presenta en la solicitud de patente, también en tramitación Útiles avanzados para soldadura por fricción-rotación, número de serie 11/100.878, presentada el 7 de Abril de 2005.

Esa solicitud anticipa, también, el concepto de incluir un miembro de tensión interno para proporcionar la carga de compresión de la espiga de un útil de FSW del tipo de carrete. La figura 7 ofrece un detalle interno preferido en relación con el útil de FSW del tipo de carrete de la técnica anterior. De preferencia, el útil 30 de FSW incluye un ajuste apretado 42 en el extremo proximal del resalto proximal 32, un ajuste apretado 41 en el extremo distal del resalto proximal 32 y un tope firme 42. De igual manera, el útil 30 de FSW incluye un ajuste apretado 44 en el extremo proximal del resalto distal 34 y el tope firme 45. Tanto el resalto 32 como el resalto 34 pueden montarse roscándolos desde el extremo distal del útil 30 de FSW.

Si bien los útiles de FSW anteriormente descritos poseen varias características deseables, cada uno de ellos solamente es capaz de soldar una junta cada vez. Continúa existiendo la necesidad de un útil de FSW que pueda realizar una pluralidad de soldaduras tales como las juntas 113 y 114 representadas en la figura 5.

Sumario del invento

En un aspecto, el presente invento...

1. Un útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación para realizar, simultáneamente, una pluralidad de soldaduras paralelas, comprendiendo dicho útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación:

una pluralidad de módulos de soldadura por fricción-rotación, cada uno de cuyos módulos de soldadura por fricción-rotación comprende:

al menos una espiga (71, 73, 194, 196, 216, 228) de soldadura por fricción-rotación;

un par de superficies de aplicación con la pieza de trabajo orientadas hacia dicha al menos una espiga (71, 73, 194, 196, 216, 228) de soldadura por fricción-rotación;

estando dispuesta cada una de dichas superficies de aplicación con la pieza de trabajo en un resalto (67, 68, 214, 219, 222) unido a dicha al menos una espiga (71, 73, 194, 196, 216, 228) de soldadura por fricción-rotación o enterizo con ella, por lo que dichos resaltos (67, 68, 214, 219, 222) y dicha espiga (71, 73, 194, 196, 216, 228), giran al unísono;

estando conectados dichos módulos de soldadura por fricción-rotación entre sí o estando formados de una sola pieza, por lo que los citados módulos giran al unísono;

al menos un vástago (66, 75, 82, 84) unido a, por lo menos, uno de dichos módulos de soldadura por fricción-rotación o enterizo con ellos, por lo que dicho vástago (66, 75, 82, 84) y dichos módulos, giran al unísono;

dicho al menos un vástago (66, 75, 82, 84) para aplicación con un mandril o una pinza (138, 140) de una máquina de soldadura por fricción-rotación para ser hecho girar por ella, caracterizado porque el útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación comprende, además, una barra (61, 76) de tensión axial dispuesta dentro de dicho útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación y medios (62, 77) para someter a tensión a dicha barra (61, 76) de tensión axial, por lo que dicha al menos una espiga (71, 73, 194, 196, 216, 228) es sometida a compresión con el fin de impedir la rotura de dicha al menos una espiga (71, 73, 194, 196, 216, 228).

2. Un útil (60, 70) de soldadura por fricción-rotación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho al menos un vástago (66, 75, 82, 84) para aplicación con un mandril o una pinza (138, 140) de una máquina de soldadura por fricción-rotación consiste en dos vástagos (82, 84) dispuestos en extremos opuestos de dicho útil (60, 70) de soldadura por fricción-rotación, estando destinados dichos dos vástagos (82, 84) a aplicarse con dos mandriles o pinzas coaxiales (138, 140) de una máquina de soldadura por fricción-rotación que incluye dos mandriles o pinzas coaxiales (138, 140).

3. Un útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que dicho al menos un vástago (66, 75, 82, 84) es enterizo con al menos una de dichas al menos una espiga (71, 73, 194, 196, 216, 228) para formar un conjunto vástago-espiga.

4. Un útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación de acuerdo con la reivindicación 3, en el que al menos uno de los citados resaltos (67, 68, 214, 219, 222) está roscado en dicho conjunto vástago-espiga.

5. Un útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación de acuerdo con la reivindicación 4, en el dicho al menos uno de los citados resaltos (67, 68, 214, 219, 222) incluye un tope firme para aplicarse firmemente con dicho conjunto de vástago-espiga.

6. Un útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la citada espiga (71, 73, 194, 196, 216, 228) está compuesta de una cerámica o de un metal duro, resistente a las altas temperaturas.

7. Un útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 6, en el que dicha barra de tensión axial (61, 76) es sometida a tensión mediante, al menos, una tuerca (62, 77), aplicándose dicha al menos una tuerca (62, 77) con una parte roscada de dicha barra de tensión axial (61, 76).

8. Un útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende además al menos una arandela elástica (63, 78) comprimida por dicha al menos una tuerca, por lo que se mantiene la tensión en dicha barra de tensión axial (61, 76) aún cuando dicha barra de tensión axial (61, 76) sea sometida a la acción del calor debido al proceso de soldadura por fricción-rotación.

9. Un útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación de acuerdo con la reivindicación 7, en el que dicha barra de tensión axial (61, 76) está roscada y por lo menos una de las citadas espigas (71, 73, 194, 196, 216, 228) o al menos uno de dichos resaltos (67, 68, 214, 219, 222) está roscado en dicha barra de tensión, por lo que puede transmitirse torsión a lo largo de dicho útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación.

10. Un útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación de acuerdo con la reivindicación 7, en el que al menos una de dichas espigas (71, 73, 194, 196, 216, 228) comprende un par de partes (71, 73) de espiga, teniendo dichas partes (71, 73) de espiga extremos en apoyo a tope.

11. Un útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación de acuerdo con la reivindicación 10, en el que dichos extremos apoyados a tope de dichas partes (71, 73) de espiga no son axisimétricos, por lo que puede transmitirse torsión entre dichas partes (71, 73) de espiga.

12. Un útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación de acuerdo con la reivindicación 7, en el que al menos uno de los citados módulos de soldadura por fricción-rotación comprende dos módulos menores, comprendiendo cada módulo menor un conjunto enterizo de vástago-espiga y un resalto (67, 68, 214, 219, 222) roscado en dicho conjunto de vástago-espiga.

13. Un útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación de acuerdo con la reivindicación 12, en el que al menos uno de los citados resaltos (67, 68, 214, 219, 222) incluye un tope firme (87, 90, 215, 224) para aplicarse firmemente con un tope firme de dicho conjunto enterizo de vástago-espiga.

14. Un útil (60, 70, 210) de soldadura por fricción-rotación de acuerdo con la reivindicación 12 o la reivindicación 13, en el que dicho resalto (67, 68, 214, 219, 222) se monta desde un extremo de espiga de dicho conjunto enterizo de vástago-espiga o de un extremo de vástago de dicho conjunto enterizo de vástago-espiga.