BRPI0703305B1

BRPI0703305B1 - Processo para soldagem laser de pelo menos uma peça de trabalho de aço por um feixe de laser

Info

Publication number: BRPI0703305B1
Application number: BRPI0703305-2A
Authority: BR
Inventors: Briand Francis; Dubet Olivier; Chovet Corinne
Original assignee: L'air Liquide, Société Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2018-02-27
Also published as: US20110226746A1; ES2350654T3; FR2903623B1; BRPI0703305A; BRPI0722414B1; US20080011720A1; JP2008018470A; CN101104225B; EP2168710A1; EP2168710B1; DE602007008505D1; ES2423292T3; JP2011125931A; EP1878531B1; FR2903623A1; CN102151952A; CN102151952B; CN101104225A; ATE477878T1; CA2593208C

Abstract

processo para soldagem a laser de pelo menos uma peça de trabalho por um feixe de laser a presente invenção se refere a um processo para soldagem a laser de pelo menos uma peça de trabalho de metal (1) por um feixe de laser (3), a referida peça de trabalho tendo um revestimento superficial (2) contendo alumínio, caracterizado pelo fato do feixe de laser (3) ser combinado com pelo menos um arco elétrico (4), de modo a fundir o metal e realmente se soldar(em) a(s) referida(s) peça(s) de trabalho.

Description

(54) Título: PROCESSO PARA SOLDAGEM LASER DE PELO MENOS UMA PEÇA DE TRABALHO DE AÇO POR UM FEIXE DE LASER (51) Int.CI.: B23K 26/00; B23K 26/12 (30) Prioridade Unionista: 12/07/2006 FR 06 52928 (73) Titular(es): L'AIR LIQUIDE, SOCIÉTÉ ANONYME POUR L'ETUDE ET LEXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE (72) Inventor(es): FRANCIS BRIAND; OLIVIER DUBET; CORINNE CHOVET

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PROCESSO PARA SOLDAGEM A LASER DE PELO MENOS UMA PEÇA DE TRABALHO DE AÇO POR UM FEIXE DE LASER [001] A presente invenção se refere a um processo para soldagem híbrida a arco a laser de uma ou mais peças de trabalho de metal tendo uma camada superficial ou um revestimento aluminizado, quer dizer, uma que contém alumínio.

[002] Os materiais estiráveis a quente, quer dizer, estiráveis a em torno de 900°C, tal como USIBOR 1500, o qual é formado a partir de aço 22Mn/B5 (contendo particularmente 0,22% de C, 1,25% de Mn e B) tendo um limite de escoamento muito alto (aço VHYS), geralmente são cobertos com uma camada ou um revestimento à base de alumínio e silício, denominada “camada de Al-Si”, por exemplo, formada a partir de 90% de Al e 10% de Si (% em peso), de modo a se evitar oxidação e, portanto, o surgimento de carepa durante o tratamento térmico.

[003] Isto é porque, na ausência desta camada de Al-Si, se uma carepa aparecesse na superfície, a camada de carepa teria de ser removida por jateamento com areia ou por qualquer outra técnica equivalente, portanto requerendo uma operação adicional que incorre em um custo extra grande e uma perda de produtividade do ponto de vista industrial.

[004] Mais ainda, a camada de Al-Si serve também como um lubrificante de superfície, quando a chapa estiver sendo estirada a quente.

[005] A espessura desta camada geralmente é de em torno de 30 pm em USIBOR 1500, por exemplo, e, após o tratamento térmico, torna-se de em torno de 4 0 a 45 pm, dependendo da duração do tratamento, por difusão de ferro na

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2/10 camada e alumínio se difundindo no ferro. O valor superior de 45 μm geralmente é um valor de limite, uma vez que a qualquer coisa mais alta a camada se torna frágil demais.

[006] Esta camada de Al-Si aumenta a resistência de contato em uma soldagem por pontos com resistência, sugerindo que é menos condutiva do que aço não revestido.

[007] As partes de aço produzidas com este tipo de revestimento são principalmente partes estruturais, particularmente partes para veículos motores, tais como pilares centrais, reforços antiintrusão, membros transversais de pára-choques, etc. Contudo, também é possível usar tubos de aço revestidos com uma camada de AlSi para a fabricação de várias estruturas, tais como, por exemplo, tubos de exaustão.

[008] As espessuras convencionais destas partes revestidas estão entre 0,8 mm e 2,5 mm.

[009] Em geral, o uso deste tipo de parte com um revestimento de Al-Si está passando por um desenvolvimento notável, já que este tipo de revestimento torna possível, em particular, evitar os depósitos de carepa mencionados acima, embora estas partes estruturais sejam estiráveis apenas quando aquecidas, e suas propriedades mecânicas sejam obtidas apenas após um tratamento térmico realizado imediatamente após a conformação.

[010] Contudo, estas chapas devem ser cortadas, antes de serem soldadas e, então, estiradas. Esta operação de corte usualmente é realizada por cisalhamento ou por corte a laser.

[011] O método de corte a laser tem a vantagem de não mudar o revestimento sobre as bordas laterais cortadas.

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Contudo, este método é dispendioso em termos de custo de investimento, já que requer a aquisição de uma instalação de corte a laser completa, desse modo obstruindo seu uso difundido na indústria.

[012] O método de corte por cisalhamento é o menos dispendioso, mais ainda, e, portanto, o método mais difundido na indústria, mas realmente tem o inconveniente principal de transferir uma porção do revestimento de Al-Si sobre a borda da peça de trabalho por um efeito de deslizamento.

[013] Assim, durante uma operação de soldagem a laser subseqüente em uma configuração de borda de topo (soldagem de topo) de chapas de aço aluminizado ou peças de trabalho cortadas por cisalhamento, após a soldagem, é notado que há uma fase no cordão de solda que é de resistência à tração mais baixa do que o metal de base e a zona fundida.

[014] Uma análise química da composição desta fase mostra que ela tem um teor de alumínio percentual (> 1,2% em peso) alto o bastante para evitar a transformação austenítica do aço. Isto é porque, uma vez que o alumínio é um elemento que induz a fase a, acima de um certo teor, ele impede a transformação austenítica de aços. Quando do resfriamento, a microestrutura da fase não muda e permanece na forma de ferrita δ, tendo uma dureza próxima de 230 Hv. A matriz em si sofre uma transformação austenítica e, então, uma transformação martensítica / bainítica, resultando em uma dureza de em torno de 450 Hv.

[015] Os compostos intermetálicos existem para teores de alumínio de 13% (Fe3Al), de 33% (FeAl), etc. Estes teores foram medidos em amostras produzidas usando-se apenas laser.

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4/10 [016] Em outras palavras, uma fase está presente, que tem uma resistência mais baixa do que a matriz, e isto resulta em uma redução das propriedades mecânicas do conjunto.

[017] Esta fase não entra em solução na matriz, quando aquecida para 900°C (austenitização), uma vez que a transformação austenítica é suprimida e, subseqüentemente, durante o estiramento a 900°C, o qual se segue à operação de soldagem de topo, há um risco de surgimento de trincas, dado que esta fase tem uma resistência à tração mais baixa do que a matriz, a qual está na forma de austenita a esta temperatura. Mais ainda, após a realização de ensaios mecânicos em um cordão como esse, foi descoberto que a resistência geral da solda é mais baixa do que aquela do metal de base. Isto resulta em uma parte que não se adéqua às especificações.

[018] O problema que surge, portanto, é como prover um processo efetivo para a soldagem de peças de trabalho aluminizadas, quer dizer, peças de trabalho tendo um revestimento de Al-Si sobre a superfície, tornando possível em particular obter uma junta soldada tendo boas propriedades, incluindo quando as peças de trabalho tiverem sido cortadas por cisalhamento e não tiverem sofrido uma etapa de preparação das superfícies de suas bordas laterais.

[019] A solução da invenção é um processo para soldagem a laser de pelo menos uma peça de trabalho de metal por um feixe laser, a referida peça de trabalho tendo um revestimento superficial contendo alumínio, caracterizado pelo fato de o feixe de laser ser combinado com pelo menos um arco elétrico, de modo a se fundir o metal e soldar a(s)

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5/10 referida(s) peça(s) de trabalho.

[020] Em outras palavras, durante a soldagem real, um arco elétrico se combina com o feixe de laser para fundir o metal da(s) peça(s) de trabalho a ser(em) montada(s) por atingir(em) simultaneamente um local ou uma zona de soldagem comum único(a).

[021] Dependendo do caso, o processo da invenção pode compreender um ou mais dos aspectos a seguir:

- o revestimento contém principalmente alumínio e silício;

- o revestimento tem uma espessura entre 5 e 45 pm;

- pelo menos uma das peças de trabalho é feita de aço;

- pelo menos uma das peças de trabalho tem uma espessura entre 0,5 e 4 mm, preferencialmente de em torno de 0,8 a 2,5 mm;

- pelo menos uma das peças de trabalho tem, antes de ser soldada, depósitos do referido revestimento, especialmente depósitos de Al/Si, na superfície de uma de suas bordas laterais;

- o arco é enviado por um eletrodo de soldagem de tungstênio, quer dizer, uma tocha TIG, ou se forma na extremidade de um arame consumível;

- duas peças de trabalho colocadas em uma posição com suas bordas de topo uma para a outra são soldadas, ou as duas bordas de uma e da mesma peça de trabalho, as quais foram colocadas em conjunto, em particular as duas bordas longitudinais de um tubo, são soldadas;

- durante a soldagem, uma blindagem de gás é provida em pelo menos parte do cordão de solda, usando-se um gás de blindagem escolhido a partir de misturas de hélio / argônio

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6/10 ou de argônio puro; e

- o feixe de laser é gerado por um gerador de laser do tipo de CO2, Nd:YAG, diodo ou fibra dopada com itérbio.

[022] A invenção será mais bem compreendida graças à descrição a seguir, dada a título de ilustração, mas não implicando em limitação, com referência às figuras em apenso.

[023] A Figura 1 mostra um diagrama, em seção transversal, de uma peça de trabalho aluminizada 1, quer dizer, ela é coberta com um revestimento ou com uma camada de Al-Si 2, especificamente, uma camada superficial à base de alumínio e silício, por exemplo, formada a partir de 90% de Al + 10% de Si e pretendida em particular para prevenção de oxidação e, portanto, do aparecimento de carepa, após a peça de trabalho ter sofrido um tratamento térmico. A peça de trabalho tem uma espessura de, por exemplo, 1,5 mm, e a camada de Al-Si tem uma espessura (E) de, por exemplo, de em torno de 3 0 pm. Esta peça de trabalho 1 foi cortada por cisalhamento, resultando por um efeito de deslizamento em depósitos prejudiciais 2a, 2b de uma porção do revestimento de Al-Si 2 sobre a borda 1a da peça de trabalho 1.

[024] As Figuras 2 e 3 mostram esquematicamente dois métodos de implementação de processos híbridos a laser arco, de acordo com a invenção, para a junção em conjunto de duas peças de trabalho de aço aluminizado 1, que foram cortadas por cisalhamento, tal como a peça de trabalho mostrada na Figura 1.

[025] Mais precisamente, a Figura 2 mostra o princípio de um processo de soldagem híbrido a laser - TIG, enquanto a Figura 3 mostra o princípio de um processo de soldagem híbrido a laser - MIG/MAG.

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7/10 [026] Se for desejado aumentar o grau de diluição do aço no cordão de solda, de modo a se reduzir o teor de alumínio na zona fundida e, assim, melhorar a homogeneidade da mesma, a soldagem híbrida a laser - TIG será usada, ao invés disso (Figura 2) . Neste caso, o feixe de laser 3 é combinado com um arco elétrico 4 enviado por uma tocha de soldagem TIG adaptado com um eletrodo de tungstênio não consumível 5.

[027] O uso de uma soldagem híbrida a laser - TIG, em uma configuração com o feixe de laser na frente do arco, quer dizer, uma configuração na qual o laser atinge pelo menos uma peça de trabalho a ser soldada imediatamente na frente do arco, torna possível aumentar o tamanho da zona fundida e, conseqüentemente, permite uma maior participação do aço, o qual tem um baixo teor de alumínio (um elemento que induz a fase a) e um alto teor de manganês (um elemento que induz a fase g), o qual é maior na zona fundida.

[028] Uma vez que o alumínio é provido apenas pela camada de proteção de Al-Si, medições mostram que a proporção de revestimento vaporizado durante a operação de soldagem é muito maior do que o valor medido na zona fundida.

[029] Pela provisão de um arco atrás do laser e/ou pela provisão de uma fonte de energia adicional, por exemplo, pela desfocalização do feixe de laser ou ao se ter um ponto focal oblongo, é possível homogeneizar a zona fundida e, portanto, eliminar as concentrações de alumínio locais de mais de 1,2%, as quais criam as fases de ferrita δ.

[030] Em outras palavras, pela realização de uma operação de soldagem híbrida a laser - TIG, é possível reduzir a proporção de alumínio na zona fundida pelo aumento do volume de metal fundido e pela homogeneização da zona

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8/10 fundida, desse modo se eliminando as concentrações locais de alumínio de mais de 1,2%.

[031] Em contraste, se for desejado, ao invés disso, prover elementos que induzem a fase g, tais como Mn, Ni, Cu, etc., de modo a se aumentar a faixa austenítica permitindo transformações de fase na solda, quer dizer, para contrabalançar o efeito de indução de fase a de alumínio, enquanto ainda se melhora a homogeneidade da zona fundida, então, é preferido usar a soldagem híbrida a laser - MIG (Figura 3) . Neste caso, o feixe de laser 3 é combinado com um arco elétrico 4 enviado por uma tocha de soldagem MIG/MAG adaptado com um arame de eletrodo consumível 6, tal como um arame de núcleo com fluxo 6 ou um arame sólido. A escolha do arame mais adequado 6 é feita de acordo com a composição do metal de base, com as propriedades desejadas do cordão, etc.

[032] De fato, a soldagem híbrida a laser - MIG, em uma configuração com o laser na frente do arco, permite o uso de um arame de núcleo com fluxo ou similar contendo elementos que induzem a fase g (Mn, Ni, Cu, etc.) favorável à manutenção de uma transformação austenítica por toda a zona fundida.

[033] O suprimento adicional de energia a partir do arco elétrico e/ou da desfocalização do feixe de laser homogeneíza a zona fundida e, conseqüentemente, elimina a presença de ferrita δ.

Exemplo Comparativo [034] Duas peças de trabalho de USIBOR 1500 de 1,8 mm de espessura revestidas com uma camada de Al/Si de 30 pm foram soldadas. Uma das peças de trabalho tinha depósitos de Al em sua borda, característicos de corte por cisalhamento.

[035] O gás de blindagem usado foi Arcal 37, vendido pela

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Air Liquide, especificamente, uma mistura de hélio a 70% em volume e argônio a 30% em volume.

[036] Estas peças de trabalho foram soldadas usando-se:

- o processo híbrido a arco - laser da invenção com um laser de CO2 de 6 kW de potência tendo um comprimento focal de 250 mm e um arco gerado por uma tocha de TIG/AC com uma corrente de 200 A e uma voltagem de 16 V, uma distância de eletrodo / feixe de 2 mm e uma velocidade de soldagem de 4 m/min; e

- para comparação, um processo de soldagem a laser convencional com uma potência de 6 kW, um comprimento focal de 250 mm e uma velocidade de 4 m/min.

[037] Os resultados comparativos obtidos são dados na tabela a seguir.

Processo	Rp0,2 (N/mm²)	^Rm (N/mm²)	A %
Laser Convencional	388	502	6,1
Híbrido a Laser - TIG (invenção)	384	567	25

Rp0,2 é o limite de escoamento do material, quer dizer, o limite de sua deformação elástica;

Rm é a resistência à tração do material após uma deformação plástica;

A% é o alongamento do material (um valor útil para estiramento).

[038] Os resultados obtidos mostram que os valores de tração (Rm e A%) são favoráveis ao processo híbrido a laser - TIG, uma vez que, com o processo de acordo com a invenção, o limite de escoamento do material soldado é substancialmente idêntico, enquanto um melhoramento muito apreciável na resistência à tração após uma deformação plástica e no

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10/10 alongamento do material é observado.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para soldagem a laser de pelo menos uma peça de trabalho de aço (1) por um feixe de laser (3) , a referida peça de trabalho tendo um revestimento superficial (2) contendo alumínio, em que o revestimento (2) contém principalmente alumínio e silício (Al/Si), o processo sendo caracterizado pelo fato do feixe de laser (3) ser combinado com pelo menos um arco elétrico (4), de modo a fundir o metal e soldar a(s) referida(s) peça(s) de trabalho (1), e em que pelo menos uma das peças de trabalho (1) possui, antes de ser soldada, depósitos (2a, 2b) do revestimento de Al/Si (2) sobre a superfície de uma de suas bordas laterais (1a) a serem soldadas.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o revestimento (2) possui uma espessura (E) dentre 5 e 45 pm.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2,

caracterizado pelo fato de que o revestimento (2) possui uma espessura (E) dentre 30 pm e 45 pm. 4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o revestimento (2) possui uma espessura (E) de 30 pm. 5. Processo, de acordo com qualquer uma das

reivindicações 1 a
4, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das peças de trabalho (1) possui uma espessura dentre 0,
5 e 4 mm.
6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que as peças de trabalho (1) possuem depósitos do referido revestimento de Al/Si (2) sobre a superfície de uma de suas bordas

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2/2 laterais (1a) a serem soldadas, a referida superfície resulta do corte por cisalhamento da referida peça de trabalho.
7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato do arco (4) ser enviado por um eletrodo de soldagem de tungstênio (5) ou se formar na extremidade de um arame consumível (6).
8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que duas peças de trabalho (1) colocadas em uma posição com suas bordas topo com topo uma com a outra são soldadas, ou as duas bordas de uma e da mesma peça de trabalho, as quais foram colocadas em conjunto, em particular as duas bordas longitudinais de um tubo, são soldadas.
9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que, durante a soldagem, uma blindagem de gás é fornecida sobre pelo menos parte do cordão de solda, usando-se um gás de blindagem escolhido a partir de misturas de hélio/argônio ou argônio puro.
10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o feixe de laser (3) é gerado por um gerador de laser do tipo de CO2, Nd:YAG, diodo ou fibra dopada com itérbio.
11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que uma peça de trabalho de aço (1), revestida com um revestimento superficial (2) formado de 90% de alumínio e 10% de silício (em peso), é soldada.

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