DISPOSITIVO PARA LA UNIÓN DE AL MENOS DOS COMPONENTES DE DIFERENTES TIPOS DE MATERIALES CON UN PICO QUE PRESENTA AL MENOS UN ELEMENTO DE FORMA CONFIGURADO COMO CORTE.

Dispositivo para la unión de al menos dos componentes (6, 7) de diferentes tipos de materiales,

en particular componentes metálicos de diferentes tipos de materiales, con distintos puntos de fusión mediante soldadura por fricción agitación, - con un hombro (2) y un pico (3), - con medios para el desplazamiento del pico (3) entre una posición que sobresale del hombro (2) en la dirección de su eje longitudinal y una posición retraída en el hombro (2), - con medios para la rotación del hombro (2) y el pico (3) alrededor del eje longitudinal del pico (3), - con medios para el movimiento del hombro (2) en la dirección del eje longitudinal del pico (3), - en el que al menos un elemento de forma (15, 16) está previsto en el lado de cabeza (14) del pico (3), caracterizado porque al menos un elemento de forma (15, 16) configurado como corte está montado en el pico (3) o está incorporado en éste, siendo el corte apropiado para un mecanizado con arranque de viruta de los componentes a unir, y porque están previstos medios para la determinación de la posición del pico mediante una medición de fuerza - recorrido y/o del momento de giro

Dispositivo para la unión de al menos dos componentes de diferentes tipos de materiales con un pico que presenta al menos un elemento de forma configurado como corte.

La presente invención se refiere a un dispositivo para la unión de al menos dos componentes de diferentes tipos de materiales, en particular componentes metálicos de diferentes tipos de materiales, con distintos puntos de fusión mediante soldadura por fricción agitación según el preámbulo de la reivindicación 1 (véase en particular WO 01/28732 A).

La soldadura por fricción agitación ofrece una serie de ventajas respecto a otros procedimientos de unión. Así debe emplearse, por ejemplo, en el remachado por estampado empleado frecuentemente, un elemento auxiliar de unión por lo que se generan un peso adicional así como costes adicionales. Otro procedimiento estándar es la unión mecánica, no obstante, no consiguiéndose frecuentemente una rigidez suficiente de la unión generada.

En la soldadura por fusión o soldadura blanda de diferentes tipos de materiales, en particular de materiales de aluminio o acero, se producen en la práctica en la zona de la mezcla de los materiales fases intermetálicas que conducen a una fragilidad no deseada del cordón de soldadura.

Otro procedimiento de unión conocido es la soldadura por fricción, en la que una de las piezas a unir se pone en rotación y bajo presión axial se presiona con su cara frontal sobre la superficie frontal de una segunda pareja de unión en reposo. En este caso en la zona de las superficies frontales se produce una unión de las piezas (Lexikon Produktionstechnik Verfahrenstechnik, redactor.: Heinz M. Hiersig, VDI-Verlag Düsseldorf, 1995). Una desventaja en la soldadura por fricción es que sólo pueden unirse entre sí piezas simétricas en rotación o al menos rotativas.

Por el Instituto de Investigación de Materiales del Centro Alemán Aeroespacial (DLR) se conoce además un procedimiento para la soldadura por fricción agitación de componentes dispuestos unos respecto a otros en una junta a tope (publicación de internet del DLR: http://www.dlr.de/wf/forschung/fsw). En el procedimiento conocido se presiona un pico rotativo que sobresale de un hombro cilíndrico con gran fuerza en la junta a tope de dos chapas y se mueve a lo largo de la línea de unión. El material se calienta por el rozamiento entre hombro y herramienta y se mezcla por la rotación del pico, de forma que las chapas se unen en un proceso de conformación en caliente. En este caso se conoce que las parejas de unión a conectar pueden ser componentes de aluminio y acero. En este caso el aluminio se ablanda a lo largo de la línea de unión por la herramienta de fricción agitación y se transpone en un estado pastoso. El borde de unión en el lado del acero permanece en este caso en un estado sólido y se trata mecánicamente por la herramienta.

Una desventaja del procedimiento conocido es que la herramienta de fricción agitación se rompe fácilmente en la práctica, ya que durante el avance a lo largo de la línea de unión actúa una elevada carga transversal en particular sobre el pico. Este peligro es especialmente elevado en el momento del inicio de la soldadura si la herramienta de unión todavía no ha alcanzado su temperatura de funcionamiento y por consiguiente presenta todavía una gran fragilidad. Otra desventaja es que debido al procedimiento de unión y al tipo de cordón es necesaria una sujeción maciza de los componentes y soporte, en particular de la cara posterior del componente opuesta a la herramienta de unión, para que los componentes no puedan moverse de su posición prevista durante el proceso de unión debido a las elevadas fuerzas que actúan. Por este motivo el procedimiento sólo puede utilizarse de forma limitada para aplicaciones determinadas, en particular aplicación en el sector de la automoción, como construcción de carrocerías. Finalmente en el procedimiento conocido no es posible hasta ahora una detección completa de la raíz de la costura.

Además, de la práctica se conoce que se han realizado soldaduras de solape a lo largo de una línea de unión entre acero y aluminio. Sin embargo, en este caso no se han obtenido hasta ahora resultados de soldadura satisfactorios.

Finalmente de la práctica se conoce un procedimiento para la unión por puntos de componentes de aluminio dispuestos superpuestos mediante soldadura por fricción agitación, que se emplea en particular en la fabricación de las puertas de los automóviles. En el procedimiento conocido un hombro de herramienta, así como un pico de la herramienta de unión que sobresale del hombro se ponen en rotación alrededor del eje longitudinal del pico. Mediante un movimiento de la herramienta de unión en la dirección del eje longitudinal del pico se pone éste en la zona de superposición de los componentes esencialmente perpendicularmente sobre la superficie del primero de los componentes a unir y se introduce en parte en el segundo componente a través del primer componente a unir. En este caso se produce una fusión y mezcla de los materiales de los componentes en la zona del pico introducido. Al introducir el pico el hombro de herramienta rotativo entra en contacto con la superficie del primer componente, por lo que se consigue un calentamiento y ablandamiento posterior de los componentes. Para apoyar el proceso de llenado de la abertura generada por el pico en los componentes con material de los componentes, el hombro puede introducirse en este caso en parte en el primero de los componentes. A continuación el pico se retrae en el hombro. Después de la retracción completa del pico en el hombro, la herramienta de unión se aleja de los componentes y el material fundido se solidifica. En la zona en la que el pico se ha introducido en los componentes se origina por consiguiente una unión de soldadura por puntos entre los componentes. Este proceso puede repetirse para la fabricación de una unión de soldadura por puntos en otros puntos del componente. Con el procedimiento conocido es posible fabricar en serie uniones de soldadura por puntos de partes de aluminio del mismo tipo mediante soldadura por fricción agitación, apareciendo un menor desgaste de la herramienta ya que sobre la herramienta de unión no actúa una carga transversal elevada.

No obstante, en particular en la industria del automóvil es deseable fabricar uniones entre componentes de diferentes tipos, por ejemplo entre componentes de aluminio y de acero, y de esta manera adaptar los componentes de forma óptima a las cargas que aparecen durante el funcionamiento y al mismo tiempo conseguir los mayores ahorros posibles de peso.

Los documentos de patente US 5,893,507 A, US 5,697,544 A, US 6,676,008 B1 así como el documento JP 2002-079383 dan a conocer cada vez un dispositivo para la soldadura por fricción agitación con un hombro y un pico, pudiendo presentar el pico una rosca, surcos o muescas. Mediante estas configuraciones del pico puede conducirse el material ablandado en la soldadura de fricción agitación y puede mezclarse.

La invención tuvo el objetivo de proporcionar un dispositivo del tipo mencionado al inicio, con el que puedan fabricarse con productividad elevada uniones de soldadura de gran calidad entre componentes de diferentes tipos de materiales. El dispositivo debe ser apropiado en particular para la aplicación en el sector de la automoción.

El objetivo se resuelve por un dispositivo para la unión de al menos dos componentes de diferentes tipos de materiales, en particular componentes metálicos de diferentes tipos de materiales, con distintos puntos de fusión mediante soldadura por fricción agitación según la reivindicación 1.

El dispositivo es apropiado para un procedimiento de unión de al menos dos componentes de diferentes tipos de materiales, en particular componentes metálicos de diferentes tipos de materiales, mediante soldadura por fricción agitación, en el que los componentes se superponen unos con otros al menos parcialmente, en el que un hombro de un dispositivo de unión y un pico del dispositivo de unión, que puede desplazarse entre una posición que sobresale del hombro en la dirección de su eje longitudinal y una posición retraída en el hombro, se ponen en rotación alrededor del eje longitudinal de pico, en el que el pico rotativo se introduce en la zona de superposición de los componentes en la dirección de su eje longitudinal en el primero de los componentes que forman la superposición, al menos hasta alcanzar la superficie del segundo de los componentes que forma la superposición, en el que el pico se retrae...

1. Dispositivo para la unión de al menos dos componentes (6, 7) de diferentes tipos de materiales, en particular componentes metálicos de diferentes tipos de materiales, con distintos puntos de fusión mediante soldadura por fricción agitación,

- con un hombro (2) y un pico (3),

- con medios para el desplazamiento del pico (3) entre una posición que sobresale del hombro (2) en la dirección de su eje longitudinal y una posición retraída en el hombro (2),

- con medios para la rotación del hombro (2) y el pico (3) alrededor del eje longitudinal del pico (3),

- con medios para el movimiento del hombro (2) en la dirección del eje longitudinal del pico (3),

- en el que al menos un elemento de forma (15, 16) está previsto en el lado de cabeza (14) del pico (3),

caracterizado porque al menos un elemento de forma (15, 16) configurado como corte está montado en el pico (3) o está incorporado en éste, siendo el corte apropiado para un mecanizado con arranque de viruta de los componentes a unir, y porque están previstos medios para la determinación de la posición del pico mediante una medición de fuerza - recorrido y/o del momento de giro.