ES2211746T3 - Procedimiento de soldadura hibrida con arco por laser con mezcla gaseosa apropiada. - Google Patents

Procedimiento de soldadura hibrida con arco por laser con mezcla gaseosa apropiada.

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ES2211746T3 ES01401078T ES01401078T ES2211746T3 ES 2211746 T3 ES2211746 T3 ES 2211746T3 ES 01401078 T ES01401078 T ES 01401078T ES 01401078 T ES01401078 T ES 01401078T ES 2211746 T3 ES2211746 T3 ES 2211746T3
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Abstract

Procedimiento de soldadura híbrida por láser/arco eléctrico con electrodo, de una o más piezas metálicas a unir por realización de la menos una junta de soldadura entre los bordes a soldar portados por dicha o dichas piezas metálicas, siendo dicha junta de soldadura obtenida por la utilización de al menos un haz láser y de al menos un arco eléctrico, en el cual, durante la soldadura de la junta, se protege al menos una parte de la zona de soldadura que comprende al menos una parte de dicha junta de soldadura durante la realización con al menos una atmósfera protectora, caracterizado porque la atmósfera protectora está formada por una mezcla gaseosa compuesta: - de al menos 70% en volumen de argón o de helio, y - de CCO2 o de O2, siendo el contenido de CO2 o de O2 no nulo y siendo hasta 30% en volumen.

Description

Procedimiento de soldadura híbrida con arco por láser con mezcla gaseosa apropiada.
La presente invención se refiere a un procedimiento y a una instalación híbridos de soldadura que combina un haz láser y un arco eléctrico, en particular un arco por plasma, que utiliza mezclas gaseosas particulares tales como gas de asistencia del haz láser y/o del arco eléctrico, y su aplicación a la soldadura de tubos o de bordes empalmados (pieza bruta híbrida a la medida).
En el documento US-A-4.507.540 así como en el documento US-A-5.006.688 se conoce un procedimiento según el preámbulo de la reivindicación 1.
La tecnología del láser se conoce y se utiliza ampliamente desde hace años para soldar materiales metálicos diversos, tales como piezas de aceros aleados o no aleados, de aceros revestidos, de aceros inoxidables, de aluminio y aleaciones de aluminio, o también tubos de metales diversos.
De manera general, una instalación de soldadura por láser para soldadura de tubo comprende, además de los medios para guiar y el mantener el tubo, un oscilador láser sólido o de gas que produce un haz monocromático coherente de alta energía, un camino óptico equipado de espejos de reflexión o bien una fibra óptica que permite llevar el haz láser hacia una cabeza de soldadura situada en frente del tubo a soldar.
La cabeza de soldadura comprende clásicamente una lente o uno o más espejos de focalización de manera que focaliza el haz láser en uno o más puntos de focalización en el grosor del material a soldar y al nivel del plano de la junta obtenida por reunión borde a borde, bien de los bordes longitudinales de la chapa metálica a soldar en forma de tubo (forma en "O"), en el caso de la fabricación de un tubo, o bien de los bordes de las piezas a unir una a otra en el caso de soldadura de varias piezas metálicas una con otra, por ejemplo de los bordes empalmados, de manera que concentra localmente suficiente densidad de potencia para fundir el material a soldar.
Habitualmente, la cabeza de soldadura comprende un dispositivo de conducción del gas que permite la alimentación del gas de soldadura, también llamado gas de asistencia, por medio de una boquilla de distribución del gas colocada coaxialmente con el haz láser. Este dispositivo de conducción del gas puede ser también exterior a la cabeza de soldadura láser propiamente dicha.
Una solución alternativa consiste en realizar la fusión de los bordes a unir al nivel del plano de la junta por medio de uno o más arcos eléctricos, y utilizando un gas, bien tal como gas de protección, o bien tal como gas activo.
Tales procedimientos de soldadura son igualmente utilizados de forma habitual en la industria; se trata, según el caso, de procedimientos TIG (con Wolframio por gas inerte), MIG (con metal por gas inerte), MAG (con metal por gas activo), o también procedimientos por arco por plasma o también por arco sumergido.
Tales procedimientos se describen especialmente en los documentos siguientes: EP-A-847831, US-A-4.673.121, EP-A-136276, JP-A-58148096, JP-A-03198998, JP-A-03198997, EP-A-896853, US-A-5.192.016, US-A-4.738.714, EP-A-899052, JP-A-58107294, EP-A-234623, US-A-1.872.008, US-A-4.396.820, US-A-3.13.284, US-A-4.811.888 y US-A-3.931.489.
Sin embargo, los procedimientos de soldadura por láser o los procedimientos de soldadura por arco presentan cada uno inconvenientes propios y que pueden o no variar según que se suelde un tubo, o bordes empalmados, u otras piezas metálicas.
Por ejemplo, en el caso de la fabricación de un tubo, el proceso de fabricación comporta, generalmente, una fase de formación de un pre-tubo a partir de una lámina metálica rectangular o chapa; seguida de una fase de soldadura del pre-tubo en un tubo soldado.
Según una primera técnica, la soldadura se realiza axialmente, es decir, que la lámina metálica se coloca sucesivamente en forma de U y después en forma de 0 por proximidad de sus dos bordes longitudinales paralelos de manera que se obtenga un pre-tubo no soldado, y después se hacerealiza una soldadura longitudinal o axial de los dos bordes a empalmar del pre-tubo con o sin bisel para obtener un tubo soldado axialmente, como se esquematiza en la figura 5.
Según una segunda técnica, la soldadura puede ser helicoidal o en espiral. En este caso, la lámina metálica se somete primero a una torsión según un movimiento en espiral a fin de a obtener un acercamiento o empalmado de los dos bordes longitudinales de dicha lámina según un plano de junta que tiene una forma de espiral o de hélice a fin de formar, también, un pre-tubo no soldado, sometiendo entonces a este pre-tubo a una soldadura helicoidal unir dichos dos bordes para obtener un tubo soldado.
Se entiende, en todos los casos, que el pre-tubo y la cabeza de soldadura se mueven por un movimiento de desplazamiento relativo el uno con relación al otro, es decir, o bien el tubo se fija y se desplaza la cabeza de soldadura, o bien a la inversa.
La fase de soldadura se puede hacer en una o más etapas, y se pueden llevar a cabo uno o más procedimientos de soldadura según el diámetro y el grosor del pre-tubo a soldar.
Estas operaciones se efectúan a gran velocidad, y es importante utilizar procedimientos de soldadura que permitan obtener la penetración deseada sin ralentizar el proceso de formación, es decir, también una velocidad mínima deseada que permita conservar una productividad máxima o, en todo caso, la más elevada posible.
En las líneas de fabricación industriales de tubos, se utiliza muy a menudo el proceso de soldadura multicátodos que utiliza, generalmente, varios arcos eléctricos TIG o por plasma alineados en el plano de la junta a soldar.
Algunas veces, se utiliza igualmente la soldadura por láser para soldar los tubos. En efecto, con relación al procedimiento multi-cátodos, la utilización de un láser permite aumentar las velocidades pero en detrimento de un aumento de la precisión que impone entonces un alineamiento mucho más preciso de los bordes a soldar así como un control preciso de la holgura entre los bordes a soldar, lo que es muy costoso al nivel del equipo a utilizar.
Por analogía, en el caso de la soldadura de bordes empalmados, tales como los destinados a la industria del automóvil, se necesita unir entre sí dos chapas o piezas, generalmente de acero, de acero galvanizado o de aluminio, de grosores diferentes y/o de tipos diferentes.
Según los métodos y las preparaciones de soldadura utilizadas, la junta a soldar se caracteriza frecuentemente por una diferencia de nivel entre los planos superiores de cada una de las piezas a soldar, conduciendo así a la generación de un "escalón", como se muestra en la figura 1. Sin embargo, se puede igualmente encontrar la situación inversa, a saber, juntas de tipo bordes empalmados cuyos planos superiores están alineados pero cuyos planos inferiores no están al mismo nivel y en las cuales el "escalón" se sitúa al revés de la junta a soldar, como se ve en la figura 2. Además, existe también el caso de piezas a soldar juntas, que son del mismo grosor pero de tipos diferentes unas de otras.
Estos tipos de soldaduras (Fig. 1 o Fig. 2) se encuentran frecuentemente en la industria del automóvil en la que las piezas, una vez soldadas, se embuten para darles su forma final, por ejemplo, las diferentes piezas que entran en la fabricación de una carrocería de automóvil y, por ejemplo, las puertas, el techo, el capó o el maletero. Se pueden también encontrar en los elementos de la estructura del habitáculo.
A fin de mejorar los procedimientos conocidos de soldadura de tubos o de bordes empalmados, se ha propuesto hacer una soldadura de los bordes a unir los unos con los otros, llevando a cabo un procedimiento de soldadura híbrida que combine un arco eléctrico y un haz láser, en particular un arco por plasma y un haz láser.
Además de las aplicaciones anteriormente mencionadas, un procedimiento de soldadura híbrida se adapta igualmente bien a la soldadura de otros numerosos tipos de juntas, y puede entonces, ser utilizado para, por ejemplo, la soldadura de ángulo esquematizada en la figura 3 y la soldadura de solape mostrada en la figura 4.
En los documentos EP-A-793558; EP-A-782489; EP-A-800434; US-A-5.006.688; US-A-5.700.989; EP-A-
844042; Laser GTA'Welding of aluminium alloy 5052, TP Diebold y CE Albright, 1984, p. 18-24; SU-A-1815085, US-A-4.689.466; Plasma arc augmented laser welding, RP Walduck y J. Biffin, p. 172-176, 1994; o TIG or MIG arc augmented laser welding of thick mild steel plate, Joining and Materials, de J Matsuda et al., p. 31-34, 1988 se han descrito especialmente diversos procedimientos híbridos por arco y láser.
De manera general, un procedimiento de soldadura por plasma-láser, o más generalmente por láser-arco, es un procedimiento de soldadura híbrida o mixta que asocia la soldadura con arco eléctrico con el haz láser.
El procedimiento por arco-láser consiste en generar un arco eléctrico entre un electrodo, fusible o no fusible, y la pieza a soldar, y en focalizar un haz láser de potencia, particularmente un láser de tipo YAG o de tipo CO_{2}, en la zona del arco, es decir, a nivel o en el plano de la junta obtenida por reunión borde a borde de las partes del pre-tubo a soldar entre ellas.
Tal procedimiento híbrido permite mejorar considerablemente las velocidades de soldadura con relación a la soldadura por láser sola o a la soldadura con arco o con plasma solas, y permite, además, incrementar considerablemente las tolerancias de posicionamiento de los bordes antes de la soldadura así como la holgura tolerada entre los bordes a soldar, particularmente con relación a la soldadura por haz láser sola que exige una precisión importante de posicionamiento de las partes a soldar por culpa del pequeño tamaño del punto focal del haz láser.
La realización de un procedimiento por plasma-láser, y más generalmente de un procedimiento por arco-láser, requiere la utilización de una cabeza de soldadura que permita combinar en un espacio reducido el haz láser y su dispositivo de focalización, así como un electrodo de soldadura adaptado.
Varias configuraciones de cabezas se describen en los documentos aquí arriba mencionados, y se puede decir, resumiendo, que el haz láser y el arco eléctrico o el chorro de plasma pueden ser suministrados por una sola y misma cabeza de soldadura, es decir, que salen por el mismo orificio, o bien por dos cabezas de soldadura distintas, una que suministra el haz láser y la otra el arco eléctrico o el chorro de plasma, reuniéndose en la zona de soldadura.
Los procedimientos híbridos por arco-láser tienen fama de estar perfectamente adaptados a la soldadura de los bordes empalmados (o pieza bruta híbrida a la medida) para la industria del automóvil, porque permiten obtener un cordón de soldadura bien uniforme y libre de acanaladuras, como lo recuerdan los documentos EP-A-782489 y Laser plus arc equals power, Industrial Laser Solutions, Febrero 1999, p. 28-30.
De manera general, durante la realización de la junta de soldadura, es imprescindible utilizar un gas de asistencia para ayudar al haz láser y proteger la zona de soldadura de las agresiones exteriores, y un gas para el arco eléctrico, particularmente un gas plasmógeno que sirva para crear el chorro de plasma del arco, en el caso de un procedimiento con arco-plasma.
No obstante, se ha observado, en la práctica, que los resultados, es decir, la calidad de la soldadura obtenida, podían variar considerablemente en función de los gases utilizados como tal gas de asistencia del haz láser y gas plasmógeno.
Además, por razón de incompatibilidades posibles entre el gas y las piezas a soldar por el procedimiento híbrido, no se puede utilizar cualquier gas y de cualquier manera, especialmente se recomienda habitualmente no soldar el aluminio con un gas que contenga CO_{2} u O_{2}, en la medida en que estos compuestos engendran importantes disminuciones de propiedades mecánicas de la soldadura obtenida, es decir aumentan los riesgos de ruptura de ella.
De manera análoga, se sabe que el oxígeno y el di-óxido de carbono no se deben poner en contacto directo con el electrodo de Wolframio que sirve para generar el arco eléctrico, para no deteriorarlo.
Además, utilizar un gas a base de CO_{2} con un láser de tipo CO_{2} no es recomendable porque el CO_{2} tiene el riesgo de adsorber la energía del haz láser.
Al contrario, la presencia de oxígeno puede ser beneficiosa para la soldadura de algunos materiales, tales como los aceros. En efecto, a pesar de la presencia del plasma de soldadura por láser o de los vapores metálicos presentes en la zona de interacción que va naturalmente a ser un lugar de fijación o de confinamiento del arco eléctrico, puede revelarse necesario estabilizar aún más el arco eléctrico, especialmente inyectando un poco de oxígeno en la zona de interacción a fin de crear, en la superficie del baño, óxidos con los que entrará en contacto el arco eléctrico.
Partiendo de estas constataciones, el objetivo de la invención es entonces proponer un procedimiento de soldadura híbrida mejorada que permite soldar eficazmente piezas de diferentes materiales, y que utiliza diferentes gases o mezclas gaseosas utilizadas de manera juiciosa para evitar los problemas de incompatibilidad anteriormente mencionados y poder así obtener soldaduras de calidad.
La invención se refiere entonces a un procedimiento de soldadura híbrida por láser/arco eléctrico con electrodo, de una o varias piezas metálicas a unir, por realización de al menos una junta de soldadura entre los bordes a soldar portados por dicha o dichas piezas metálicas, siendo dicha junta de soldadura obtenida por la utilización de al menos un haz láser y de al menos un arco eléctrico, en el cual, durante la soldadura de la junta, se protege al menos una parte de la zona de soldadura que comprende al menos una parte de dicha junta de soldadura durante la realización con al menos una atmósfera protectora, caracterizada porque la atmósfera protectora está formada por una mezcla gaseosa compuesta:
-
de al menos 70% en volumen de argón y de helio, y
-
de CO_{2} o de O_{2}, siendo el contenido de CO_{2} o de O_{2} hasta 30% en volumen.
Según el caso, el procedimiento de soldadura de la invención puede comprender una o varias de las características siguientes:
- la atmósfera protectora está formada por una mezcla gaseosa compuesta de 0,1% a 69,9% en volumen de helio, de 0,1% a 69,9% en volumen de argón y de 0,1 a 30% en volumen de un compuesto adicional elegido entre y O_{2} CO_{2}, siendo la suma de los contenidos de argón y de helio de al menos 70% del volumen total de la mezcla.
- la atmósfera protectora está formada por una mezcla gaseosa compuesta de al menos 70% en volumen de helio y de argón y de 0,1 a 30% en volumen de un compuesto adicional elegido entre O_{2} y CO_{2}, y la o las piezas a soldar son de acero, especialmente de acero al carbono.
- el contenido de CO_{2} o de O_{2} no es nulo y es inferior o igual a 20% en volumen, preferentemente no nulo e inferior o igual a 15% en volumen.
- la o las piezas a soldar son de un metal o de una aleación metálica elegida entre los aceros revestidos o no revestidos, particularmente los aceros de ensamblaje, los aceros con altos limites elásticos (HLES), los aceros al carbono, los aceros que tienen en la superficie una capa de aleación de cinc, y los aceros inoxidables.
- la o las piezas a soldar son de acero al carbono o de acero inoxidable.
- el electrodo es fusible o no fusible.
- el haz láser se emite por un láser de tipo Nd:YAG o CO_{2}.
- la atmósfera protectora está formada por una mezcla gaseosa compuesta de argón, de helio o de CO_{2}, siendo el contenido de CO_{2} hasta 2% en volumen.
- la atmósfera protectora está formada por una mezcla gaseosa compuesta de argón, de helio o de O_{2}, siendo el contenido de O_{2} hasta 5% en volumen.
- el arco eléctrico es un arco-plasma.
- el arco eléctrico se suministra por una antorcha con arco-plasma, siendo el haz láser y dicho arco suministrados por una cabeza de soldadura única.
La invención se refiere también a la utilización del procedimiento de soldadura antes citado para soldar al menos un borde empalmado destinado a constituir al menos una parte de un elemento de carrocería de vehículo.
La invención se refiere, por otra parte, a la utilización del procedimiento de soldadura antes citado para unir por soldadura piezas metálicas que tienen grosores diferentes, en particular bordes empalmados.
Según otro aspecto, la invención se refiere también a la utilización del procedimiento de soldadura antes citado para unir por soldadura piezas metálicas que tienen grosores iguales o diferentes y que tienen composiciones metalúrgicas o tipos metalúrgicos diferentes, en particular bordes empalmados.
Según también otro aspecto, la invención se refiere también a la utilización del procedimiento de soldadura antes citado para unir por soldadura los dos bordes longitudinales de un tubo.
Teniendo en cuenta las geometrías posibles de las cabezas de soldadura, los procedimientos híbridos según la invención, y los diferentes medios para guiar los gases o las mezclas gaseosas, las mezclas gaseosas según la invención y que se tratará a continuación son las que se obtienen en la zona de interacción entre la o las chapas a soldar y el láser y el arco, independientemente de la manera en que se hayan podido crear.
En los ejemplos siguientes se dan varios tipos de mezclas gaseosas que pueden ser utilizadas para soldar diferentes materiales. Las mezclas compuestas de Ar + He + CO_{2} y/o O_{2} son según la invención. Las otras mezclas se dan como ejemplos comparativos y no están cubiertas por las reivindicaciones
Ejemplos
Soldadura híbrida por láser/arco eléctrico con electrodo no fusible
1 
\newpage
Soldadura híbrida por láser/arco eléctrico con hilo fusible
2

Claims (14)

1. Procedimiento de soldadura híbrida por láser/arco eléctrico con electrodo, de una o más piezas metálicas a unir por realización de la menos una junta de soldadura entre los bordes a soldar portados por dicha o dichas piezas metálicas, siendo dicha junta de soldadura obtenida por la utilización de al menos un haz láser y de al menos un arco eléctrico, en el cual, durante la soldadura de la junta, se protege al menos una parte de la zona de soldadura que comprende al menos una parte de dicha junta de soldadura durante la realización con al menos una atmósfera protectora, caracterizado porque la atmósfera protectora está formada por una mezcla gaseosa compuesta:
- de al menos 70% en volumen de argón o de helio, y
- de CO_{2} o de O_{2}, siendo el contenido de CO_{2} o de O_{2} no nulo y siendo hasta 30% en volumen.
2. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1, caracterizado porque el contenido de CO_{2} o de O_{2} no es nulo y es inferior o igual a 20% en volumen, preferentemente no nulo y es inferior o igual a 15% en volumen.
3. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1, caracterizado porque la o las piezas a soldar son de un metal, o de en una aleación metálica, elegido entre los aceros revestidos o no revestidos, particularmente los aceros para unión, los aceros con altos limites elásticos (HLES), los aceros al carbono, los aceros que tienen en la superficie una capa de aleación de cinc, y los aceros inoxidables.
4. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1, caracterizado porque la o las piezas a soldar son de acero al carbono o de acero inoxidable.
5. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el electrodo es fusible o no fusible.
6. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el haz láser se emite por un láser de tipo Nd:YAG o CO_{2}.
7. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la atmósfera protectora está formada por una mezcla gaseosa compuesta de argón, de helio o de CO_{2}, siendo el contenido en O_{2} hasta 2% en volumen.
8. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la atmósfera protectora esta formada por una mezcla gaseosa constituida de argón, de helio o de O_{2}, el contenido en O_{2} hasta 5% en volumen.
9. procedimiento de soldadura según la reivindicación 1, caracterizado porque el arco eléctrico es un arco-plasma.
10. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el arco eléctrico se suministra por una antorcha con arco-plasma, siendo el haz láser y dicho arco suministrados por una cabeza de soldadura única.
11. Utilización de un procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 10 para soldar al menos un borde empalmado destinado a constituir al menos una parte de un elemento de carrocería de vehículo.
12. Utilización de un procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 10 para unir por soldadura piezas metálicas que tienen grosores diferentes, en particular bordes empalmados.
13. Utilización de un procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 10 para unir por soldadura piezas metálicas que tienen grosores iguales o diferentes, y que tienen composiciones metalúrgicas o tipos metalúrgicos diferentes, en particular bordes empalmados.
14. Utilización de un procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 10 para unir por soldadura los dos bordes longitudinales de un tubo.
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