Método de fricción y agitación y par de piezas de trabajo unidas mediante dicho método.

Un método de fricción-agitación que incluye provocar la entrada de una sonda (1) giratoria de una herramienta de fricción-agitación en una pieza de trabajo o en una región (7) de unión entre una pareja de piezas (8,

9) de trabajo, donde la pieza o cada pieza de trabajo es un metal o una aleación metálica de baja conductividad y elevado punto de fusión, es decir un metal o una aleación metálica con una temperatura de fusión por encima de la del aluminio y conductividad térmica menor que la del aluminio, caracterizado porque la herramienta de fricción agitación tiene un único resalte (4) de sujeción desde el que se extiende la sonda, donde el resalte de sujeción está en contacto con la pieza o las piezas de trabajo, y porque la sonda gira de manera relativa al resalte (4) de sujeción, y porque el resalte (4) de sujeción no gira de manera relativa a la pieza o las piezas (8, 9) de trabajo.

Metodo de fricción agitación y par de piezas de trabajo unidas mediante dicho metodo La invención se refiere a metodos de fricción-agitación para unir o procesar metales y aleaciones metalicas de baja conductividad y de alta temperatura de acuerdo con el preambulo de la reivindicación 1. El documento US 2003/0201307 dio a conocer tales metodos.

En este contexto, definimos "metales y aleaciones metalicas de alta temperatura" como aquellos que tienen temperaturas de fusión por encima de la del aluminio, es decir, por encima de 700º C. Definimos "metales y aleaciones metalicas de baja conductividad" como aquellas que tienen una conductividad termica menor que la del aluminio, típicamente por debajo de 250 W/m K, preferiblemente por debajo del 150 W/m K, y mas preferiblemente por debajo de 100 W/m K. Los metales y las aleaciones metalicas de alta temperatura y baja conductividad tienen puntos de fusión elevados y resistencias elevadas e incluyen comunmente aleaciones ferrosas, y materiales que contienen cantidades de nfquel, cobalto, cromo, molibdeno, tungsteno, aluminio, titanio, niobio, tantalo, renio y zirconio. Algunos de estos tipos de material pueden ser denominados super-aleaciones. Tambien incluyen aleaciones de titanio, que tienen un uso amplio en aplicaciones aeroespaciales de altas prestaciones y otras aplicaciones.

Los metales y las aleaciones metalicas de baja conductividad y alta temperatura han sido unidos convencionalmente mediante metodos de fusión pero se ha reconocido que serfa ventajoso unirlos utilizando soldadura por fricciónagitación (FSW, Friction Stir We/ding) .

La soldadura por fricción-agitación es un metodo por el que una sonda de material mas duro que el material de la pieza de trabajo es forzada a entrar en la región de unión en partes opuestas de las piezas de trabajo en cualquiera de los dos lados de la región de unión mientras se provoca un movimiento cíclico relativo (por ejemplo rotacional, orbital o recfproco) entre la sonda y las piezas de trabajo, por lo cual se genera calor por fricción que causa que las partes opuestas entren en una condición de plasticidad; se provoca entonces de manera opcional un movimiento relativo entre las piezas de trabajo y la sonda en la dirección de la región de unión; se retira la sonda; y se permite que las partes que alcanzaron la plasticidad se consoliden y unan las piezas de trabajo entre sf. En los documentos EP-A-0615480 y WO 95/26254 se describen ejemplos de soldadura por fricción-agitación.

Los beneficios de la soldadura por fricción-agitación han sido dados a conocer ampliamente en la tecnica anterior, especialmente en comparación con tecnicas convencionales de fusión por soldadura. Estos beneficios incluyen la eliminación de la necesidad de fungibles o materiales de relleno, una baja distorsión en soldaduras largas, la suficiencia de una preparación ligera de los materiales, una fase sólida (sin humos, porosidades o salpicaduras, menor entrada de calor, y evitación de la solidificación de un bano de fusión de soldadura) , y excelentes propiedades mecanicas y caracterfsticas de formación en las uniones.

Las herramientas de fricción-agitación pueden utilizarse tambien para procesar una unica pieza de trabajo. En el Procesamiento por Fricción-Agitación (FSP, Friction Stir Processing) , una herramienta utilizada típicamente para FSW es forzada a moverse a traves del material de una unica pieza de trabajo para inducir un cambio en las propiedades de ese material en lugar de ser forzada a moverse a lo largo de la lfnea de unión para crear una soldadura. La acción de reprocesado termomecanico de la herramienta puede conducir a la aparición de cambios locales específicos en la microestructura, las propiedades ffsicas (comportamiento plastico, resistencia, etc.) y las propiedades químicas (resistencia a la corrosión, etc.) . La tecnica del FSP tambien ha sido utilizada para consolidar y reparar fundiciones y otras estructuras, ayudando a eliminar la porosidad y a mejorar las propiedades alrededor de los canales/orificios en, por ejemplo, culatas de fundición. Pueden encontrarse ejemplos de la tecnica del FSP en los documentos US 67129168, EP-A-1160029, JP 2005-324240A, US 2006-0032891A y US 69949168.

Las herramientas de fricción-agitación estan constituidas típicamente por una sonda o "perno" simplemente cilfndrica o ligeramente cónica que sobresale de un resalte de sujeción plano, con forma de domo o cónico de un diametro mayor. En el documento G8-A-2306366 se describen ejemplos típicos de este tipo de herramienta. En la tecnica anterior se conocen muchas modificaciones de la herramienta simple de perno. Otro tipo comun de utillaje descrito de la tecnica anterior es conocido como la "herramienta de carrete", tal como se describe en el documento EP-A0615480. Este tipo de utillaje evita la necesidad de una pieza de soporte, requerida habitualmente para reaccionar ante la fuerza generada por la acción de la herramienta en la pieza de trabajo o las piezas de trabajo.

Se conocen otros ejemplos de herramientas, incluyendo aquellas que tienen superficies dotadas de textura, pernos roscados y estriados, aquellas que estan constituidas por pernos y resaltes de sujeción intercambiables, y de combinaciones de materiales diferentes que dependen de la aplicación. Pueden encontrarse ejemplos de estas herramientas en los documentos WO 95/26254, WO 02/092273, US 627743081, WO 99/52669, EP-A-1361014, US 667600481, y muchos otros.

Los materiales de las piezas de trabajo típicas comunmente unidas utilizando soldadura por fricción-agitación poseen una temperatura de fusión baja y en este contexto se denominan generalmente materiales o metales de baja temperatura. Los mas comunmente soldables mediante fricción-agitación de entre estos materiales son los metales

basados en aluminio, magnesio, cobre, plomo y otros materiales similares.

Se ha desarrollado mucho trabajo para unir materiales de alta temperatura mediante soldadura por fricción-agitación, con exito diverso. Uno de los principales problemas cuando se realiza soldadura por fricción-agitación con materiales de alta temperatura radica en la selección del material correcto para la herramienta, que de manera convencional se ha centrado en metales refractarios o materiales ceramicos.

El documento WO 99/52669 considera la utilización de tungsteno puro, una aleación de tungsteno y renio, y carburo de tungsteno para materiales ferrosos; y materiales de cobalto, materiales ceramicos o cerametalicos para otras aplicaciones de alta temperatura.

El documento WO 01/85385 se refiere a la soldadura por fricción-agitación de MMCs, aleaciones ferrosas, aleaciones no ferrosas, y super-aleaciones utilizando una herramienta en la que el perno y el resalte de sujeción incluyen al menos un revestimiento constituido por un material super-abrasivo. Este material es típicamente nitruro de boro cubico policristalino (PC8N, Po/ycr y sta//ine Cubic Boron Nitride) .

El documento G8 2402905 describe una herramienta fabricada a partir de un material refractario basado en tungsteno, que resulta util para soldar materiales de alta resistencia tales como aleaciones de nfquel y titanio.

Se ha alcanzado una calidad de soldado razonable al unir ciertos materiales de titanio utilizando herramientas de wolframio - renio de geometrfa estandar, aunque se ha informado de que con este tipo de utillaje se producen desequilibrios de calor entre la parte superior y la parte inferior de la soldadura, defectos vermiculares y problemas de chispas, debido a las altas velocidades de los resaltes de sujeción, y distorsión (ver "Una visión general de la soldadura por fricción-agitación 8eta 21S Titanio", Loftus y otros, 5º Simposio FSW, Metz 2004) . En este trabajo tambien se proponfan metodos para superar estos problemas, que inclufan la utilización de herramientas de carrete para equilibrar la entrada de calor.

El documento US-A-2003/0201307 describe un ejemplo adicional mas de una herramienta de soldadura por fricciónagitación en la que una sonda se extiende entre los resaltes de sujeción, uno de los cuales gira con la sonda mientras que el otro gira de manera independiente a la sonda. Esto permite que los resaltes de sujeción puedan aplicar velocidades de calentamiento de superficie diferentes, lo cual es beneficioso cuando se sueldan materiales de propiedades distintas que requieren parametros de soldadura distintos.

El documento US-A-5697544 describe una herramienta de soldadura por fricción-agitación en la que el perno es retractil.... [Seguir leyendo]

1. Un metodo de fricción-agitación que incluye provocar la entrada de una sonda (1) giratoria de una herramienta de fricción-agitación en una pieza de trabajo o en una región (7) de unión entre una pareja de piezas (8, 9) de trabajo, donde la pieza o cada pieza de trabajo es un metal o una aleación metalica de baja conductividad y elevado punto de fusión, es decir un metal o una aleación metalica con una temperatura de fusión por encima de la del aluminio y conductividad termica menor que la del aluminio, caracterizado porque la herramienta de fricciónagitación tiene un unico resalte (4) de sujeción desde el que se extiende la sonda, donde el resalte de sujeción esta en contacto con la pieza o las piezas de trabajo, y porque la sonda gira de manera relativa al resalte (4) de sujeción, y porque el resalte (4) de sujeción no gira de manera relativa a la pieza o las piezas (8, 9) de trabajo.

2. Un metodo de acuerdo con la reivindicación 1, para unir una pareja de piezas de trabajo, que incluye adicionalmente el movimiento de la herramienta a lo largo de la lfnea (7) de unión entre las piezas (8, 9) de trabajo.

3. Un metodo de acuerdo con la reivindicación 1, para procesar una pieza de trabajo, que comprende adicionalmente el movimiento de la herramienta a lo largo de una lfnea (7) que se extiende a lo largo de la pieza de trabajo.

4. Un metodo de acuerdo con la reivindicación 2 6 la reivindicación 3, en el que el resalte (4) de sujeción define una pieza deslizadora.

5. Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el resalte (4) de sujeción tiene una forma adecuada para ajustarse a la forma de la superficie o las superficies de la pieza o las piezas (8, 9) de trabajo contra las cuales se apoya.

6. Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que tanto la sonda (1) como el resalte (4) de sujeción o uno solo de ellos se proporciona con un revestimiento de superficie o un tratamiento de superficie que muestra una propiedad o mas de entre las siguientes: baja fricción, resistencia al desgaste, resistencia a la temperatura, resistencia a la difusión, baja reactividad y lubricación de estado sólido.

7. Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende adicionalmente suministrar un gas de apantallamiento a la región existente entre el resalte (4) de sujeción y la pieza o las piezas (8, 9) de trabajo.

8. Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende adicionalmente suministrar refrigerante y/o lubricante a la región existente entre el resalte (4) de sujeción y la pieza o las piezas (8, 9) de trabajo.

9. Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el resalte (4) de sujeción esta formado por mas de una pieza, donde la pieza mas cercana a la sonda tiene un punto de fusión elevado.

10. Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la pieza o cada una de las piezas (8, 9) de trabajo se selecciona de entre un grupo que comprende Titanio y aleaciones, Hierro, aceros y otras aleaciones, Nfquel y aleaciones, Vanadio y aleaciones, Cromo y aleaciones, Manganeso y aleaciones, Cobalto y aleaciones, Zirconio y aleaciones, Paladio y aleaciones, Hafnio y aleaciones, Platino y aleaciones.

11. Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes para unir una pareja de piezas (8, 9) de trabajo, en el que las piezas de trabajo estan constituidas por materiales diferentes.

12. Un metodo de acuerdo con al menos la reivindicación 2 6 la reivindicación 3, en el que la sonda (1) se retrae, mientras gira, cuando la herramienta se acerca al final de la lfnea (7) , mientras que el resalte de sujeción permanece en contacto con la pieza o las piezas de trabajo.

13. Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el punto de fusión del metal o de la aleación metalica es mayor de 700º C.

14. Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la conductividad termica del metal o de la aleación metalica es menor de 250 W/m K.