BRPI0719040A2

BRPI0719040A2 - Processo e dispositivo para tratamento térmico de costuras de solda

Info

Publication number: BRPI0719040A2
Application number: BRPI0719040-9A
Authority: BR
Inventors: Lutz Kuemmel; Holger Behrens; Christian Lengsdorf; Robert Juergens
Original assignee: Sms Demag Ag
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2013-11-05
Also published as: KR101112015B1; KR20090074783A; JP2010510070A; EP2097544B1; CA2670142A1; US20100072193A1; DE102007054876A1; BRPI0719040A8; BRPI0719040B8; EG25306A; WO2008061722A1; BRPI0719040B1; CA2670142C; JP5089704B2; EP2097544A1; MX2009005432A

Description

PROCESSO E DISPOSITIVO PARA O TRATAMENTO TÉRMICO DE

COSTURAS DE SOLDA

A invenção refere-se a um processo e a um dispositivo para o tratamento térmico indutivo de costuras de solda em uma máquina de soldar com um cabeçote de solda a laser para união de tiras de aço, sendo que é realizado um processo de aquecimento da costura de solda e das regiões de costura de

solda contíguas antes e depois da soldagem propriamente

l

dita por meio de indutores lineares. Quando da soldagem e especialmente quando da soldagem

a raio laser de chapas, uma quantidade de energia muito grande é introduzida, concentrada em uma região muito estreita da zona de junção. Como essas regiões de chapa contíguas a essa região fortemente aquecida têm temperaturas ambiente, em seguida à soldagem ocorre um resfriamento muito rápido devido à elevada queda de temperatura. Com isso surgem alterações de textura, que podem deteriorar consideravelmente as propriedades mecânicas nessa região. Por um tratamento térmico específico dessa região de costura de solda em questão antes e depois da soldagem propriamente dita, tenta-se influenciar o resfriamento após a operação de soldagem. Objetivo do pré-aquecimento é então evitar fissuras imediatamente após a operação de soldagem e o aumento do

2 5 teor de energia da região de costura para redução da

velocidade de resfriamento. O pós-aquecimento, que tem lugar após a soldagem, serve então para ulterior redução da velocidade de resfriamento.

0 tratamento térmico da região de costura de solda

3 0 pode então ser realizado pro um aquecimento térmico, por exemplo por meio de queimadores a gás ou a plasma ou por um aquecimento indutivo. 0 tratamento térmico da costura de solda ocorre, usualmente, por uma disposição unilateral dos queimadores ou dos indutores no lado superior ou inferior da tira. Disso resulta uma distribuição de temperatura irregular condicionada pelo processo e, em conseqüência disso, um tratamento térmico irregular pela altura da costura de solda. Com curtos tempos de aquecimento e altas potências caloríficas especificas é então ainda mais reforçada essa assimetria.

Para o tratamento térmico requerido pelos motivos acima especificados são conhecidos distintos processos e também dispositivos. Assim é que da DE 10 2004 001 166 Al é conhecido um processo para soldagem a laser com pré- e/ou pós-aquecimento na região da costura de solda, que é realizado com o raio laser do cabeçote de solda a laser, sendo que o mesmo é conduzido com potência essencialmente igual à requerida para a soldagem e com focagem igual porém maior velocidade de avanço e eventualmente várias vezes

2 0 pela região de costura a ser tratada. Uma alternativa a

esse processo reside em que o raio laser é conduzido com uma desfocagem elevada e eventualmente também mais lentamente pela região de costura a ser tratada.

Na EP 1 285 719 BI, é descrita uma soldagem a laser em um eixo que gira, sendo que para o pré-aquecimento escalonado é empregado um indutor em forma de segmento de círculo, cujos segmentos estão aplicados ao eixo localmente antes do cabeçote de processamento a raio laser. A realização de ambos os ciclos de pré-aquecimento ocorre com

3 0 dois indutores diferentes, dispostos fixamente relativamente entre si e relativamente ao ponto de incidência do raio laser, sendo que a densidade de corrente térmico do primeiro indutor é menor e o tempo de atuação térmica e a área de atuação do indutor são maiores do que os correspondentes valores do segundo indutor. 0 aumento de temperatura se dá, por conseguinte, no primeiro ciclo de pré-aquecimento de modo mais plano do que no segundo ciclo de pré-aquecimento. Ambos os indutores podem ser operados com freqüências distintas, mas também podem ser reunidos

corporalmente em um indutor, sendo obtidas distintas concentrações de campo indutor por elementos de reforço de campo magnético, uma outra seção transversal de indutor ou uma mais estreita distância de espira. Com materiais particularmente sensíveis a fissuras pode também ser

conectado um ciclo de pós-aquecimento indutivo, sendo que o indutor aí empregado é reunido com os dois indutores dos ciclos de pré-aquecimento para um indutor comum.

Na DE 101 52 685 Al é proposto um dispositivo, com o qual a costura de solda e as zonas de influência térmica

2 0 dispostas de ambos os lados da costura de solda podem

realizar um tratamento térmico indutivo local de uma peça de trabalho soldada com um ou vários indutores lineares fixamente dispostos ao longo da costura de solda em operação "offline" ou deslocáveis em operação "online".

Dentro da esfera de ação dos indutores lineares estão dispostos elementos de blindagem com relação aos indutores lineares de tal maneira que blindam uma parte da região da peça de trabalho ativada em operação pelos indutores lineares do campo magnético alternado produzido pelos

3 0 indutores lineares. Partindo desse estado atual da técnica exposto, consiste o objetivo da invenção em aperfeiçoar um processo e um dispositivo para o tratamento térmico de costuras de solda do tipo anteriormente mencionado de tal maneira que seja amplamente minimizado o perigo de uma formação de fissura ou de alteração de textura na região da costura de solda quando da soldagem de chapas de aço.

O objetivo proposto é alcançado, em termos de processo, com as características da reivindicação 1, em que o aquecimento da região de costura de solda ocorre por meio de um indutor linear de múltiplos estágios, definidamente ajustável, com zonas de distintas densidades de potência, o qual é executado com uma múltipla divisão de seus comprimentos de alça de condutor e/ou com um distinto chapeamento das alças de condutor e/ou com vários estágios de distância distintos para com a tira de aço.

Um dispositivo para execução desse processo é caracterizado pela reivindicação 9.

0 aquecimento em vários estágios é realizado, segundo

2 0 a invenção, por uma divisão da densidade de potência

calorífica total a ser aplicada para o aquecimento pelos estágios de aquecimento individuais, sendo que no primeiro estágio de aquecimento tem lugar um aumento de temperatura maior do que no estágio de aquecimento seguinte. Assim, por exemplo, quando de um aquecimento em dois estágios, a divisão de potência entre o primeiro e o segundo estágios de aquecimento são realizados na proporção 3 : 1. 0 resultado de uma tal divisão de potência é um aumento de temperatura mais lento no segundo estágio de aquecimento em

3 0 comparação com o primeiro. Assim, não apenas é obtido um menor gradiente de temperatura entre o lado superior da tira e o lado inferior da tira com relação a um aquecimento em um só estágio, mas também é minimizado o perigo de um superaquecimento de textura com aproximação da temperatura final desejada. Vantajosamente, quando do aquecimento em vários estágios entre distintos estágios de aquecimento também pode ser ajustado um tempo de retenção a uma temperatura especialmente ajustada, que é determinada por medição de temperatura, com subseqüente resfriamento da região de costura de solda previamente aquecida, ao qual se segue então um novo aquecimento. Para a produção dessas zonas de compensação entre as distintas zonas de aquecimento podem ser interrompidas por exemplo distintas alças de condutor. Os indutores lineares para o pré- e pós-aquecimento

são executados, segundo a invenção, ativáveis opcionalmente individualmente ou em conjunto, sem que sejam móveis, por exemplo em carros separados, acoplamentos fixos de cabeçote de solda a laser e condutores lineares. 0 aquecimento a ser realizado em vários estágios da

região de costura de solda seguinte ao cabeçote de solda a laser é amplamente dependente da textura da tira de aço. 0 cabeçote de solda a laser, portanto, é disposto com uma distância ótima do cabeçote de solda a laser ajustada às exigências do processo e determinada p.ex. por medição da temperatura. Segundo a invenção, contudo, também é possível um movimento do indutor linear independente, controlado pelo cabeçote de solda a laser, para se evitar por exemplo superaquecimentos locais nas regiões de costura de solda, 3 0 para o que por exemplo é variada de modo oscilante a distância para com o cabeçote de solda a laser.

0 aquecimento em vários estágios da região de costura de solda adiante, que é realizado por meio de um indutor linear escalonado, disposto antes do cabeçote de solda a laser, pode ocorrer devido ao aquecimento diretamente seguinte pelo cabeçote de solda a laser com sua velocidade, razão por que, por exemplo, é então possível e eventualmente também conveniente associar fixamente esse indutor linear ao cabeçote de solda a laser ou acoplá-lo diretamente ao cabeçote de solda a laser. Mas também é possível aí, caso isso seja requerido para a adaptação do processo, disposto o indutor linear com variação de distância oscilante antes do cabeçote de solda a laser.

As vantagens alcançáveis com os indutores lineares executados em vários estágios são assim resumidas:

divisão da densidade de potência e, com isso, controle e redução de um perigo de superaquecimento no final da zona de aquecimento,

estrutura fixa sem comprimentos de condutor variáveis,

- divisão de alças em proximidade de ação imediata da tira de aço,

- forma de construção compacta.

Outros detalhes da invenção será detalhadamente explicados a seguir em exemplos de execução representados em figuras de desenho esquemáticas.

Mostram:

Fig. 1 - um dispositivo para tratamento térmico da costura de solda, 3 0 Fig. 2 - um indutor linear em um estágio segundo o estado atual da técnica,

Fig. 3 - um diagrama temperatura-tempo com aquecimento em um estágio,

Fig. 4 - a divisão de corrente de um indutor linear de dois estágios,

Fig. 5 - um indutor linear em dois estágios com a divisão de corrente da fig. 4,

Fig. 6 - um diagrama temperatura-tempo com aquecimento em dois estágios, Fig. 7 - um diagrama temperatura-tempo de um pós-

aquecimento em dois estágios com reaquecimento.

Na figura 1 está representado esquematicamente um dispositivo para a soldagem e para o tratamento térmico da costura de solda 1 (cf. fig. 4) em uma tira de aço 2. Ele consiste em um cabeçote de solda a laser 3 e em um indutor linear 4 disposto antes e um indutor linear 5 disposto depois. O cabeçote de solda a laser 3 e os dois indutores lineares 4, 5 são movidos nesse exemplo de execução para a operação de solda e para o tratamento térmico em direção de 2 0 movimento ou de solda 9, enquanto que a tira de aço 2 é sujeita de modo fixo. A execução aqui representada é aplicável também para chapas deslocáveis com uma disposição fixa dos indutores lineares 4, 5 e do cabeço de solda a laser 3. O indutor linear 4 adiante do cabeçote de solda a

2 5 laser 3 aquece a tira de aço 2 em uma região de costura de

solda 6 à frente correspondente ao comprimento do indutor linear 4 e, da mesma maneira, a região de costura de solda 7 (atrás) seguinte ao cabeçote de solda a laser 3 é pós- aquecida pelo indutor linear 5 atrás, disposto depois do

3 0 cabeçote de solda a laser 3. Os indutores lineares empregados para o tratamento térmico são executados usualmente em um estágio, segundo o estado atual da técnica. De um processo de aquecimento em um estágio, configurado com um indutor linear 8 assim, executado a título de exemplo na figura 2 com apenas uma alça de condutor com comprimento de estágio L contínuo resulta o diagrama temperatura-tempo em princípio, ilustrado na figura 3. Como se pode depreender do diagrama, entre a temperatura T0 do lado superior da tira e a temperatura Tu do lado inferior da tira há uma maior diferença de temperatura com um máximo no final do tempo de aquecimento tges, pois a diferença de temperatura é diretamente proporcional à densidade de potência calorífica q do indutor linear e ao tempo de aquecimento t. Os desvios da temperatura de processo Tm almejado após o final da zona de aquecimento 15 e o início da zona de resfriamento 17 são parcialmente grandes demais, razão por que há o perigo de um superaquecimento da textura.

Na figura 4 está representado um indutor linear em 2 0 dois estágios com dois estágios Li e L2 executados com distinto comprimento. Como o aquecimento para a temperatura de processo Tm almejada no indutor linear 10 de dois estágios (cf. fig. 5) requer a mesma alimentação de energia Q . tges = <3hi . ti + qh2 · t2 que com o indutor linear 8 de

2 5 um estágio (com qhi - tx para o primeiro estágio de

aquecimento e qh2 . t2 para o segundo estágio de aquecimento) e a divisão de corrente Iges para as correntes parciais I1 e I2 é inversamente proporcional aos dois comprimentos de estágio L1 e L2, com correspondente seleção

3 0 dos comprimentos de estágio pode ser controlada a alimentação de energia em distintos estágios de aquecimento.

A divisão de corrente, a título de exemplo, disso decorrente, nos distintos comprimentos de estágio L1 e L2 do indutor linear 10 de dois estágios está registrada na figura 5. 0 estágio Li mais curto com uma densidade de potência Ii maior em comparação com o estágio L2 mais longo se encontra adiante em direção de soldagem 9, isto é, a região de costura de solda a ser tratada é ativada inicialmente com uma densidade de potência maior. Nas figs. 4 e 5 se pode ver ainda de que maneira a divisão de corrente com um indutor linear 10 de dois estágios pode ser concretizada por disposição especial e adução de corrente de ambas as alças de condutor com seus distintos comprimentos de estágios Li e L2.

O resultado de um processo de aquecimento de dois estágios executado com um indutor linear 10 desse tipo é agora o diagrama temperatura-tempo em princípio, reproduzido na figura 6. 0 acentuado aumento de temperatura 2 0 no primeiro estágio de aquecimento 15 leva, de fato, igualmente, a fortes diferenças de temperatura entre as temperaturas de tira T0 e Tu até o final do primeiro estágio de aquecimento com ti, em seguida no entanto, no segundo estágio de aquecimento 16 tem lugar uma compensação

2 5 de temperatura pelo período t2, de modo que após decurso

desse segundo tratamento térmico com tges os desvios de temperatura do valor médio almejado da temperatura de tira Tm resultam nitidamente menores em comparação com o aquecimento em um estágio.

3 0 O resultado real de um pós-aquecimento em dois estágios com um reaquecimento está representado na figura 7. O decurso da curva de temperatura começa no diagrama temperatura-tempo aí mostrado com a região de solda 2 0 imediata a t = 0 com resfriamento 17 decorrendo acentuadamente em seguida. A uma temperatura previamente determinada, aqui cerca de 32 0 °C, com o acentuado aumento de temperatura começa o primeiro estágio de aquecimento 15 do reaquecimento com uma duração de cerca de 1,7 segundos até uma temperatura de cerca de 52 0 °C. Imediatamente em seguida ocorre o segundo estágio de aquecimento 16 com aumento agora mais suave de temperatura até um tempo de aquecimento total de cerca de 3,3 segundos e uma temperatura final de cerca de 62 0 °C. Segue-se um resfriamento definitivo com curva de resfriamento 17' plana pelo reaquecimento. Todavia, há casos em que a zona 16 é uma mera zona de retenção ou até mesmo uma zona com resfriamento retardado. Com um resfriamento retardado, a energia alimentada no sistema não basta para compensar a emissão de calor ao meio ambiente. 2 0 LISTA DE REFERÊNCIAS

1 costura de solda 2 tira de aço 3 cabeçote de solda a laser 4 indutor linear para pré-aquecimento 5 indutor linear para pós-aquecimento 6 região de costura de solda adiante 7 região de costura de solda atrás 8 indutor linear em um estágio 9 direção de solda, direção de movimento 10 indutor linear em dois estágios 15, 16 zona de aquecimento

17, 17'zona de resfriamento

2 0 região de solda imediata

L comprimento da alça

Li, L2 comprimento de estágio do condutor linear

li, I2 intensidade de corrente

T temperatura do banho

T0 temperatura do lado superior da tira

Tu temperatura do lado inferior da tira

Tm temperatura média da tira

t tempo

ti fim do primeiro estágio de aquecimento

t2 fim do segundo estágio de aquecimento

tges tempo de aquecimento total

Claims

1. Processo para o tratamento térmico indutivo de costuras de solda em uma máquina de soldar com um cabeçote de solda a laser (3) para união de tiras de aço (2) , sendo que é realizado um processo de aquecimento da costura de solda (1) e das regiões de costura de solda (6, 7) contíguas antes e depois da soldagem propriamente dita por meio de indutores lineares (4, 5), caracterizado pelo fato de que o aquecimento da região de costura de solda (6, 7) ocorre por meio de um indutor linear (4, 5) de múltiplos estágios, definidamente ajustável, com zonas de distintas densidades de potência e/ou com um distinto chapeamento das alças de condutor e/ou com vários estágios de distância distintos para com a tira de aço (2).

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o cabeçote de solda a laser (3) e os indutores lineares (4, 5) são guiados pela costura de solda (1) alinhados em direção de soldagem pelas tiras de aço (2) a serem unidas, dispostas estacionariamente.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o cabeçote de solda a laser (3) é disposto estacionário e as tiras de aço (2) a serem unidas são guiadas pela costura de solda (1), alinhadas em direção de soldagem.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o aquecimento região de costura de solda (6) adiante é realizado por meio de um indutor (4) disposto antes do cabeçote de solda a laser (3) e o aquecimento da região de costura de solda (7) depois do cabeçote de solda a laser (3) ocorre com uma distância ótima do cabeçote de solda a laser (3) , determinada por exemplo por medição de temperatura, ajustada ao processo, sendo que o indutor linear (5) seguinte não está diretamente acoplado ao cabeçote de solda a laser (3), mas sim é móvel controladamente separado em correspondência às exigências do processo.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que os indutores lineares (4, 5) são movidos com variação de distância oscilante para com o cabeçote de solda a laser (3).

6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que a divisão da densidade de potência calorífica qH pelos distintos estágios de aquecimento (t1; t2) é realizada de tal maneira que no primeiro estágio de aquecimento (ti) tem lugar um aumento de temperatura mais acentuado do que no estágio de aquecimento (t2) seguinte.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a divisão de potência é realizada quando de um aquecimento em dois estágios entre o primeiro (tx) e o segundo (t2) estágio de aquecimento na proporção de 3:1.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que entre distintos estágios de aquecimento (ti , t2) está previsto um tempo de retenção a uma temperatura especialmente adaptada por medição de temperatura com subseqüente resfriamento da região de costura de solda (7) anteriormente aquecida, ao qual se segue então um reaquecimento.

9. Dispositivo para o tratamento térmico indutivo de costuras de solda em uma máquina de soldar com um cabeçote de solda a laser (3) para união de tiras de aço (2) , sendo que é realizado um processo de aquecimento da costura de solda (1) e das regiões de costura de solda (6, 7) contíguas antes e depois da soldagem propriamente dita por meio de indutores lineares (4, 5), especialmente para execução do processo de qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizado pelo fato de possuir um indutor linear (4, 5) em vários estágios, aplicável para o pré- e o pós-aquecimento com distinta densidade de potência por seu comprimento, sendo que a divisão da densidade de potência é obtida - por várias alças de condutor e variação escalonada dos comprimentos parciais de condutor e/ou por um distinto chapeamento da ou das alças de condutor por seu comprimento, sendo que também dentro de uma alça de condutor pode ser alcançada uma densidade de potência distinta e/ou - por distintas distâncias de acoplamento escalonadas entre o indutor linear (4, 5) e a tira de aço (2) , pelas quais igualmente dentro de uma alça de condutor é produzida uma densidade de potência distinta.

10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que distintas alças de condutor são interrompidas para produção de zonas de compensação entre distintas zonas de aquecimento.

11. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que os indutores lineares (4, 5) para o pré- e pós-aquecimento são executados ativáveis opcionalmente individualmente ou em conjunto.

12. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9, 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que um indutor linear (4) está disposto antes e um indutor linear (5) está disposto depois do cabeçote de solda a laser (3) com distância variável.

13. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9, 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que o indutor linear (4) está acoplado com o cabeçote de solda a laser (3).

14. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9, 10, 11, 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que a chapa de aço está fixamente sujeita e o cabeçote de solda a laser (3) e os indutores lineares (4, 5) são deslocáveis.

15. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9, 10, 11, 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que a chapa de aço é deslocável e ao menos o cabeçote de solda a laser (3) é disposto estacionário.