BR112016017677B1 - processo para a soldagem a laser de uma ou várias peças de trabalho de aço temperável a prensagem - Google Patents

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Abstract

PROCESSO PARA SOLDAGEM A LASER DE UMA OU VÁRIAS PEÇAS DE TRABALHO DE AÇO TEMPERÁVEL NA JUNTA DE TOPO. A presente invenção refere-se a um processo para a soldagem a laser de uma ou várias peças de trabalho de aço temperável a prensagem, especialmente aço de manganês-boro, na junta de topo, em que a peça de trabalho ou as peças de trabalho (1, 2; 1, 2') apresentam uma espessura entre 0,5 e 1,8 mm e/ou na junta de topo (3) resulta um salto de espessura (d) entre 0,2 e 0,4 mm, e em que a soldagem a laser ocorre sob adução de fio adicional (10) no banho de fusão (8) produzido com ao menos um raio laser (6), sendo o banho de fusão (8) produzido exclusivamente por ao menos um raio laser (6). Para garantir que a costura de solda quando da moldagem a quente (têmpera a prensagem) possa temperar confiavelmente em uma textura martensítica, prevê a invenção que o fio adicional (10) contenha ao menos um elemento de liga do grupo compreendendo manganês, cromo, molibdênio, silício e/ou níquel, que favorece a formação de austenítica no banho de fusão (8) produzido com o raio laser (6), estando esse ao menos um elemento de liga presente com uma fração em massa ao menos superior (...).

Description

[001] A presente invenção refere-se a um processo para a soldagem a laser de uma ou várias peças de trabalho de aço temperável a prensagem, especialmente aço de manganês-boro, na junta de topo.
[002] Tal processo, em que as peças de trabalho são utilizadas em aço de manganês-boro temperável a prensagem, que possui um revestimento à base de alumínio e através da remoção de seu revestimento na região da borda ao longo da borda adjacente para soldar uns com os outros antes da parte não revestida ser soldada a laser, é conhecido do WO 2013/014481.
[003] Platinas de chapa de aço cortadas na medida (assim chamadas ("tailored blanks") são empregadas na construção automobilística para satisfazer altos requisitos à segurança contra batida com peso de carroceria tão pequeno quanto possível. Para tanto, platinas ou fita individuais de distinta quantidade de material e/ou espessura de chapa são reunidas na junta de topo por soldagem a laser. Dessa maneira, diversos pontos do componente de carroceria pronto podem ser adaptados a distintas solicitações. Assim, em pontos com alta solicitação podem ser empregadas chapas de aço mais espessas ou também mais resistentes e nos demais pontos chapas mais finas ou também chapas de materiais de estampagem em profundidade relativamente macios. Por essas platinas de chapa cortadas na medida são dispensáveis partes de reforça adicionais na carroceria. Isso poupa material e possibilita reduzir o peso total da carroceria.
[004] Nos últimos anos foram desenvolvidos aços ligados a boro, especialmente aços de manganês-boro, que quando da moldagem a quente com rápido resfriamento atingem altas resistências, especialmente resistências a tração na faixa de 1500 a 2000 MPa. No estado inicial, aços de manganês-boro têm tipicamente uma textura ferrítica- perlítica e possuem resistências de cerca de 600 Mpa. Por têmpera a prensagem, isto é, por aquecimento para temperatura de austenitiza- ção e subsequente rápido resfriamento na prensa de moldagem pode, contudo, ser ajustada uma textura martensítica, de modo que os aços assim tratados podem alcançar resistências a tração na faixa de 1500 a 2000 MPa.
[005] Os componentes de carroceria produzidos dessas platinas de aço cortadas na medida, por exemplo colunas B, apresentam a uma certa espessura de chapa ou um certo salto de espessura um decurso de têmpera perfeito. Mas se verificou que especialmente com uma espessura de chapa entre 0,5 e 1,8 mm, ou também já a um salto de espessura entre 0,2 e 0,4 mm ocorre o problema de que a costura de solda a laser quando da moldagem a quente (têmpera a prensagem) não endurece suficientemente. Na região da costa de solda resulta então apenas parcialmente uma textura martensítica, de modo que com solicitação do componente fabricado pode ocorrer uma falha na costura de solda. Esse problema, provavelmente, está vinculado ao fato de que especialmente com um salto de espessura via de regra não pode ser assegurado suficiente contato para com a ferramenta de moldagem refrigerada ou ferramenta de refrigeração e, assim, a costura de solda não pode ser totalmente convertida em martensita.
[006] Na US 2008/0011720 A1 está descrito um processo de soldagem híbrido a laser-arco voltaico, em que platinas de aço de manganês-boro, que apresentam uma camada de superfície contendo alumínio, são unidas entre si na junta de topo, sendo o raio laser combinado com ao menos um arco voltaico elétrico, para fundir o metal na junta de tipo e soldar as platinas entre si. O arco voltaico elétrico é então emitido por meio de um eletrodo de solda a volfrâmio ou se forma quando do emprego de um queimador de solda MIG na ponta de um fio adicional. O fio adicional pode conter elementos (p.ex. Mn, Ni e Cu), que induzam a conversão do aço em uma textura austentínica e favoreçam a manutenção da conversão austentínica no banho de fusão.
[007] Com esse processo de soldagem híbrido a laser-arco voltaico conhecido deve ser conseguido que platinas de aço manganês- boro deformáveis a quente, que são providas de um revestimento à base de alumínio-silício, possam ser soldadas sem prévia remoção do material de revestimento na região da costura de solda a ser produzida, devendo contudo não obstante ser assegurado que alumínio que se encontra nas arestas de topo das platinas não leve a uma redução da resistência à tração do componente na costura de solda. Pela provisão de um arco voltaico elétrico por trás do raio laser deve ser homogeneizado o banho de fusão e, assim, eliminadas concentrações de alumínio locais superiores a 1,2 % em peso, que produzam uma textura ferrítica.
[008] Esse processo de soldagem híbrido conhecido é relativamente dispendioso no tocante ao consumo de energia devido à produção do arco voltaico elétrico.
[009] A presente invenção tem por objetivo indicar um processo de soldagem a laser, com o qual peças de trabalho de aço temperável a prensagem, especialmente aço de manganês-boro, que apresentam uma espessura entre 0,5 e 1,8 mm e/ou em que na junta de topo resulta um salto de espessura entre 0,2 e 0,4 mm, possam ser reunidas na junta de topo para peças de trabalho cortadas na medida, especialmente platinas cortadas na medida, cuja costura de solda pode ser temperada na moldagem a quente (têmpera a prensagem) confiavel- mente em uma textura martensítica. Ademais, o processo deve se destacar por uma alta produtividade bem como um consumo de energia relativamente baixo.
[0010] Para atingimento desse objetivo, é proposto um processo com as características da invenção. Configurações preferidas e vantajosas do processo de acordo com a invenção estão indicadas nas concretizações.
[0011] O processo de acordo com a invenção serve à soldagem a laser de uma ou várias peças de trabalho de aço temperável por prensagem, especialmente aço de manganês-boro, em que a peça de trabalho ou as peças de trabalho apresentam uma espessura entre 0,5 e 1,8 mm, especialmente entre 0,5 e 1,6 mm e/ou na junto de topo resulta um salto de espessura entre 0,2 e 0,4 mm, especialmente entre 0,2 e 0,3 mm. A soldagem a laser ocorre então sob adução de fio adicional no banho de fusão produzido com um raio laser. O fio adicional contém ao menos um elemento de liga do grupo compreendendo manganês, cromo, molibdênio, silício e/ou níquel, que favorece a formação de austenita no banho de fusão produzido com o raio laser, estando esse ao menos um elemento de liga presente com uma fração em massa ao menos superior a 0,1 % em peso no fio adicional do que no aço temperável a prensagem da peça de trabalho ou das peças de trabalho, e sendo a peça de trabalho empregada ou as peças de trabalho empregadas não revestidas ou através da remoção de seu revestimento na região da borda ao longo da borda adjacente para soldar uns com os outros antes da parte sem revestimento ser soldada a laser. O processo de acordo com a invenção é adicionamente caracterizado pelo fato de que o fio adicional apresenta a seguinte composição:
[0012] 0,05 a 0,15 % em peso C,
[0013] 0,5 a 2,0 % em peso Si,
[0014] 1,0 a 2,5 % em peso Mn,
[0015] 0,5 a 2,0 % em peso Cr + Mo, e
[0016] 1,0 a 4,0 % em peso Ni,
[0017] restante Fe e inevitáveis impurezas,
[0018] em que o fio adicional tem uma fração em massa de carbo no ao menos 0,1 % em peso menor do que o aço temperável a prensagem da peça de trabalho ou das peças de trabalho.
[0019] Ensaios indicaram que com um tal fio adicional com aplicação do processo de acordo com a invenção pode ser assegurada, de maneira particularmente confiável, uma completa conversão da costura de solda em uma textura martensítica quando da subsequente têmpera a prensagem. Por um teor de carbono relativamente baixo do fio adicional pode ser impedida uma fragilização da costura de solda. Especialmente por um teor relativamente baixo de carbono do fio adicional pode ser obtida uma boa ductilidade restante na costura de solda.
[0020] As peças de trabalho produzidas de acordo com a invenção ou platinas cortadas na medida proporcionam quanto à moldagem a quente (têmpera por prensagem) uma janela de processo maior, em que é obtida uma têmpera suficiente do componente, especialmente também em sua costura de solda.
[0021] O processo de acordo com a invenção pode ser empregado não apenas quando da junção de várias platinas de aço de distintas qualidades de material e/ou espessuras de chapa na junta de topo, mas sim, por exemplo, também quando da soldagem a laser de uma única chapa de aço em forma de placa ou de fita, sendo que no último caso mencionado as arestas da peça de trabalho a serem soldadas entre si são movidas umas para as outras mediante deformação, por exemplo por chanfradura ou rolamento, de modo que finalmente ficam dispostas voltadas umas para as outras na junta de topo.
[0022] Para impedir a formação de uma camada de carepa sobre fitas de aço ou chapas de aço, elas são usualmente providas de um revestimento à base de alumínio ou alumínio-silício. O processo de acordo com a invenção pode ser aplicado com emprego dessas platinas de aço ou fitas de aço revestidas, sendo que, conforme uma variante vantajosa do processo de acordo com a invenção, o revestimento à base de alumínio ou alumínio-silício na região de borda ao longo das arestas de tipo a serem soldadas entre si é removido antes da soldagem a laser, de modo que a peça de trabalho empregada ou as peças de trabalho empregadas são parcialmente desrevestidas. Isso pode ocorrer por meio de ao menos um raio de energia, de preferência um raio laser. Um desrevestimento mecânico ou a alta frequência (HF) é igualmente viável. Dessa maneira pode ser confiavelmente impedida uma avaria da costura de solda por material de revestimento indeseja- velmente aplicado ao mesmo, que quando da moldagem a quente (têmpera a prensagem) pode levar ou levaria a rupturas no perfil de dureza.
[0023] Platinas de aço ou fitas de aço não revestidas podem igualmente ser soldadas entre si pelo processo de acordo com a invenção.
[0024] Em uma configuração preferida do processo de acordo com a invenção, a peça de trabalho ou as peças de trabalho são selecionadas para que seu aço apresente a seguinte composição: 0,16 a 0,50 % em peso C, máx. 0,40 % em peso Si, 0,50 a 2.0 % em peso Mn, máx. 0,025 % em peso P, máx. 0,010 % em peso S, máx. 0,60 % em peso Cr, máx. 0,50 % em peso Mo, máx. 0,050 % em peso Ti, 0,0008 a 0,0070 % em peso B, e mín. 0,010 % em peso Al, restante Fe e inevitáveis impurezas. Os componentes fabricados de um tal aço apresentam após uma têmpera a prensagem uma resistência a tração relativamente alta.
[0025] De modo particularmente preferido no processo de acordo com a invenção são empregadas peças de trabalho em forma de platina ou fita de aço temperável a prensagem, que depois da têmpera a prensagem apresentam uma resistência a tração na faixa de 1500 a 2000 MPa.
[0026] Outra configuração vantajosa do processo de acordo com a invenção prevê que o fio adicional em estado aquecido é aduzido ao banho de fusão. Assim pode ser obtida uma maior velocidade de processo ou uma maior produtividade. Pois nessa configuração, com o raio laser não precisa ser aplicada tanta energia, para fundir o fio adicional. Ao menos um segmento longitudinal do o fio adicional é de preferência aquecido para uma temperatura de ao menos 50 o C antes da adução ao banho de fusão.
[0027] Para impedir uma fragilização da costura de solda, uma outra configuração preferida do processo de acordo com a invenção prevê que o banho de fusão durante a soldagem a laser seja ativado com gás protetor (gás inerte). De modo particularmente preferido é então empregado como gás protetor puro argônio, hélio, nitrogênio ou sua mistura ou uma mistura de argônio, hélio, nitrogênio e/ou dióxido de carbono e/ou oxigênio.
[0028] A invenção será detalhadamente explicada a seguir com base em um desenho representando exemplos de execução. Mostram esquematicamente:
[0029] Fig. 1 - uma vista em perspectiva de partes de um dispositivo para realização do processo de soldagem a laser de acordo com a invenção, sendo soldadas entre si na junta de topo duas platinas de aço temperáveis a prensagem, essencialmente de igual espessura; e
[0030] Fig. 2 - uma vista em perspectiva de partes de um dispositivo para realização do processo de soldagem a laser de acordo com a invenção, sendo soldadas entre si na junta de topo duas platinas de aço temperáveis a prensagem, de distinta espessura.
[0031] Na fig. 1 está esquematicamente representado um dispositivo, com o qual pode ser realizado um processo de soldagem a laser de acordo com a invenção. O dispositivo compreende uma base (não mostrada), sobre a qual assentam a topo mutuamente duas fitas ou platinas 1, 2 de aço de distinta qualidade de material ao longo do topo de junta 3. Por exemplo, uma peça de trabalho 1 ou 2 consiste em uma qualidade de estampagem em profundidade, relativamente macia, enquanto que a outra peça de trabalho 2 ou 1 consiste em chapa de aço de maior resistência. Ao menos uma das peças de trabalho 1, 2 é produzida de aço temperável a prensagem, por exemplo em aço de manganês-boro.
[0032] As peças de trabalho 1, 2 são de espessura essencialmente igual. Sua espessura importa entre 0,5 a 1,8 mm, por exemplo 1,6 mm.
[0033] Acima das peças de trabalho 1, 2 está esboçado um segmento de uma cabeça de soldagem a laser 4, que é provida de uma ótica (não mostrada) para adução de um raio laser bem como de uma lente de foco 5 para o raio laser 6. Ademais, na cabeça de soldagem a laser 4 está disposto um conduto 7 para adução de gás protetor. A embocadura do conduto de gás protetor 7 é dirigida essencialmente à região de foco do raio laser 6 ou ao banho de fusão 8 produzido com o raio laser 6. Como gás protetor é empregado, de preferência, puro ar- gônio ou por exemplo uma mistura de argônio, hélio e/ou dióxido de carbono. Ademais, à cabeça de soldagem a laser 4 está associado um dispositivo de adução de fio 9, por meio do qual ao banho de fusão 8 é aduzido um material adicional especial em forma de um fio 10, que é igualmente fundido pelo raio laser 6. O fio adicional 10 é aduzido ao banho de fusão 8 em estado aquecido. Para tanto, o dispositivo de adução de fio 9 é equipado com ao menos um elemento de aquecimento (não mostrado), por exemplo uma espiral de aquecimento envolvendo o fio 10. Com o elemento de aquecimento é aquecido o fio adicional 10 de preferência para uma temperatura de ao menos 50 o C, particularmente de preferência para ao menos 90 oC.
[0034] O exemplo de execução representado na fig. 2 se distingue do exemplo de execução conforme fig. 1 pelo fato de que as peças de trabalho 1, 2' são de espessura diferente, de modo que na junta de topo 3 há um salto de espessura d entre 0,2 e 0,4 mm, por exemplo de 0,3 mm. Por exemplo, uma peça de trabalho 2' possui uma espessura de chapa na faixa de 1,2 mm a 1,3 mm, enquanto que a outra peça de trabalho 1 apresenta uma espessura de chapa na faixa de 1,4 mm a 1,5 mm. Além disso, as peças de trabalho 1, 2' a serem unidas entre si na junta de topo 3 podem também ser distintas em sua qualidade de material. Por exemplo, a platina 1 mais fina é produzida de chapa de aço de maior resistência, ao passo que a platina de chapa 2' mais fina possui uma quantidade de estampagem em profundidade relativamente macia.
[0035] O aço temperável a prensagem, do qual consiste ao menos uma das peças de trabalho 1, 2 ou 2' a serem unidas entre si na junta de topo 3, pode apresentar por exemplo a seguinte composição química:
[0036] máx. 0,45 % em peso C,
[0037] máx. 0,40 % em peso Si,
[0038] máx. 2,0 % em peso Mn,
[0039] máx. 0,025 % em peso P,
[0040] máx. 0,010 % em peso S,
[0041] máx. 0,8 % em peso Cr + Mo,
[0042] máx. 0,05 % em peso Ti,
[0043] máx. 0,0050 % em peso B, e
[0044] mín. 0,010 % em peso Al,
[0045] restante Fe e inevitáveis impurezas.
[0046] As peças de trabalho ou platinas de aço 1, 2 ou 2' podem ser não revestidas ou ser providas de um revestimento, especialmente com uma camada de Al-Si. No estado de fornecimento, isto é, antes de um tratamento a quente e rápido resfriamento, o limite de estiramento Re das platinas de aço 1, 2 e/ou 2' temperáveis a prensagem importa de preferência em ao menos 300 MPa; sua resistência a tração Rm importa em ao menos 480 MPa, e sua dilatação em ruptura A80 se situa em ao menos 10 %. Depois da moldagem a quente (têmpera a prensagem), isto é, de uma austenização a cerca de 900 a 920 oC e subsequente resfriamento rápido, essas platinas de aço apresentam um limite de estiramento Re de cerca de 1.100 MPa, uma resistência a tração Rm de cerca de 1.500 a 2000 MPa e uma dilatação em ruptura A80 de cerca de 5,0 %.
[0047] Na medida em que as peças de trabalho ou platinas de aço 1, 2 e/ou 2' são providas de um revestimento de alumínio, especialmente um revestimento de Al-Si, o revestimento na região de borda ao longo das arestas de topo a serem unidas entre si é removido ou parcialmente retirado antes da soldagem a laser. Eventualmente, também é removido material de revestimento de alumínio aderente às arestas de corte ou de topo 3. A remoção (retirada) do material de revestimento de alumínio pode ocorrer de preferência por meio de ao menos um raio laser.
[0048] O fio adicional 10 empregado apresenta, por exemplo, a seguinte composição química:
[0049] 0,1 % em peso C,
[0050] 0,8 % em peso Si,
[0051] 1,8 % em peso Mn,
[0052] 0,35 % em peso Cr,
[0053] 0,6 % em peso Mo, e 2,25 % em peso Ni,
[0054] restante Fe e inevitáveis impurezas.
[0055] O teor de manganês do fio adicional 10 é então sempre maior do que o teor de manganês das peças de trabalho 1, 2 ou 2' temperáveis a prensagem. De preferência, o teor de manganês do fio adicional 10 se situa cerca de 0,2 % em peso superior ao teor de manganês das peças de trabalho 1, 2 ou 2' temperáveis a prensagem. Além disso, é conveniente que também o teor de cromo e molibdênio do fio adicional 10 seja maior do que nas peças de trabalho 1, 2 ou 2' temperáveis a prensagem. De preferência, o teor de cromo-molibdênio combinado do fio adicional se situa cerca de 0,2 % peso maior do que o teor de cromo-molibdênio combinado das peças de trabalho 1, 2 ou 2' temperáveis a prensagem. O teor de níquel do fio adicional 10 se situa, de preferência, na faixa de 1 a 4 % em peso. Ademais, o fio adicional 10 apresenta, de preferência, um teor de carbono menor do que o aço temperável a prensagem das peças de trabalho 1, 2 ou 2'.

Claims (7)

1. Processo para a soldagem a laser de uma ou várias peças de trabalho de aço temperável a prensagem, especialmente aço de manganês-boro, na junta de topo, sendo que a peça de trabalho ou as peças de trabalho (1, 2; 1, 2') apresentam uma espessura entre 0,5 e 1,8 mm e/ou na junta de topo (3) resulta um salto de espessura (d) entre 0,2 e 0,4 mm, e sendo que a soldagem a laser ocorre sob adução de fio adicional (10) no banho de fusão (8) produzido com ao menos um raio laser (6), sendo que o banho de fusão (8) é produzido exclusivamente pelo ao menos um raio laser (6), sendo que o fio adicional (10) contém ao menos um elemento de liga do grupo compreendendo manganês, cromo, molibdênio, silício e/ou níquel, que favorece a formação de austenita no banho de fusão (8) produzido com o raio laser (6), sendo que esse ao menos um elemento de liga está presente com uma fração em massa ao menos superior a 0,1 % em peso no fio adicional (10) do que no aço temperável a prensagem da peça de trabalho ou das peças de trabalho (1, 2; 1, 2'), e sendo a peça de trabalho empregada ou as peças de trabalho (1, 2; 1, 2') empregadas não revestidas ou através da remoção de seu revestimento na região da borda ao longo da borda adjacente para soldar uns com os outros antes da parte sem revestimento ser soldada a laser, caracterizado pelo fato de que o fio adicional (10) apresenta a seguinte composição 0,05 a 0,15 % em peso C, 0,5 a 2,0 % em peso Si, 1,0 a 2,5 % em peso Mn, 0,5 a 2,0 % em peso Cr + Mo, e 1,0 a 4,0 % em peso Ni, restante Fe e inevitáveis impurezas, sendo que o fio adicional (10) apresenta uma fração em massa de carbono ao menos 0,1 % em peso menor do que o aço tem- perável a prensagem da peça de trabalho ou das peças de trabalho (1, 2; 1, 2').
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o aço da peça de trabalho ou das peças de trabalho (1, 2; 1, 2') apresenta a seguinte composição 0,16 a 0,50 % em peso C, máx. 0,40 % em peso Si, 0,50 a 2,0 % em peso Mn, máx. 0,025 % em peso P, máx. 0,010 % em peso S, máx. 0,60 % em peso Cr, máx. 0,50 % em peso Mo, máx. 0,050 % em peso Ti, 0,0008 a 0,0070 % em peso B, e mín. 0,010 % em peso Al, restante Fe e inevitáveis impurezas.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o fio adicional (10) em estado aquecido é aduzido ao banho de fusão (8).
4. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que pelo menos um segmento longitudinal do fio adicional (10) é aquecido para uma temperatura de ao menos 50 oC antes da adução ao banho de fusão (8).
5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que gás protetor é aplicado ao banho de fusão (8) durante a soldagem a laser.
6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que é empregado como gás protetor puro argônio ou uma mistura de argônio e dióxido de carbono.
7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a peça de trabalho com parte não revestida ou as peças de trabalho com parte não revestida (1, 2; 1, 2') apresentam uma camada de superfície à base de alumínio ou alumínio-silício.
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