ES2281490T3 - Procedimiento para juntar uniones heterogeneas bajo un gas protector. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para juntar uniones heterogéneas a base de dos materiales diferentes con un arco eléctrico bajo un gas protector, fundiéndose solamente uno de los dos materiales, constituyendo el aluminio o una aleación de aluminio el partícipe en la unión que se funde al unir, y siendo un acero o un acero revestido el partícipe en la unión que solamente se calienta al unir pero no se funde, y conteniendo el gas protector por lo menos un componente de gas activo, empleándose como componente de gas activo uno de los gases, o una mezcla de los gases O2, CO2, NO, N2O ó N2, y siendo la proporción de gas activo de 0, 005 a 0, 1 % en volumen (de 50 a 1.000 vpm).

Description

Procedimiento para juntar uniones heterogéneas bajo un gas protector.

El invento se refiere a un procedimiento para juntar uniones heterogéneas a base de dos materiales distintos con un arco eléctrico bajo un gas protector, fundiéndose solamente uno de los dos materiales, y a la utilización de un gas protector para esto.

En la aplicación industrial, la soldadura autógena se ha consagrado desde hace mucho tiempo para la unión de materiales metálicos. Al soldar a la autógena, se funden las piezas de trabajo que se han de unir. En el caso de la soldadura autógena de metales bajo un gas protector, un arco eléctrico quema en una envoltura de gas protector. Dentro de la soldadura autógena por arco eléctrico con un electrodo fusible, se cuentan la soldadura autógena de metales bajo un gas inerte (soldadura MIG, de Metall-Inertgas-Schweissen) y la soldadura autógena de metales bajo un gas activo (soldadura MAG, de Metall-Aktivgas-Schweissen) así como, con un electrodo no fusible, la soldadura autógena con wolframio y un gas inerte (soldadura WIG, de Wolfram-Inertgas-Schweissen). Además, la soldadura autógena con wolframio y plasma (soldadura WP, de Wolfram-Plasma-Schweissen) constituye una variante adicional de procedimiento de la soldadura autógena por arco eléctrico bajo un gas protector con un electrodo no fusible. Además, se conocen procedimientos híbridos. Las instalaciones y los aparatos que se necesitan para la soldadura autógena son bien conocidos en los círculos especializados. Las mezclas de gases protectores para la soldadura autógena con un arco eléctrico existen en forma de numerosas mezclas diferentes, siendo optimizadas las mezclas individuales para el respectivo procedimiento de soldadura autógena y para el respectivo material. En este caso se presta atención a obtener un arco eléctrico estable, una costura de soldadura de alto valor cualitativo, evitar poros y salpicaduras de soldadura, y una alta velocidad de tratamiento.

El documento de patente europea EP 639.423 comprende la soldadura autógena por arco eléctrico de materiales de aluminio con gases protectores dopados (de 100 a 1.000 vpm (partes por millón en volumen) de dióxido de carbono y/u oxígeno), el documento de solicitud de patente internacional WO 00/24545 comprende la soldadura indirecta con un arco eléctrico y con 0,2 a 1,2% en volumen de oxígeno en argón, el documento WO 94/13428 comprende la soldadura con un arco eléctrico y con 80 a 250 vpm de una mezcla de N_{2}O y N_{2} en argón o de una mezcla de argón y helio, y el documento EP 494521 comprende la soldadura autógena con un arco eléctrico de aceros y materiales basados en níquel y cobalto con 0,1 a 0,9% en volumen de dióxido de carbono, 5 a 13% en volumen de helio, y argón. El documento de patente británica GB 1378091 comprende la unión de cobre con acero con un arco eléctrico y con una mezcla de gases protectores a base de 0,4 a 0,6% en volumen de oxígeno, y argón. La unión de materiales de aluminio con aceros y con un arco eléctrico se divulga en el documento WO 94/07642, impidiendo aquí el gas protector una entrada de oxígeno procedente del medio ambiente, y componiéndose el gas protector en lo esencial de argón, helio, nitrógeno, dióxido de carbono y pequeñas trazas de oxígeno.

No obstante, a pesar del gran número de procedimientos de soldadura autógena con variantes, que se han desarrollado entretanto y que están a disposición en el caso de la soldadura autógena por arco eléctrico, resultan con frecuencia problemas, que han de ser atribuidos a las altas temperaturas, que se alcanzan al soldar a la autógena. Estas altas temperaturas son necesarias para que se funda el material que se ha de tratar. Así, por ejemplo la soldadura autógena de piezas de trabajo revestidas con zinc (zincadas), revestidas con aluminio (aluminizadas) o revestidas de otra manera distinta, trae consigo problemas, puesto que al unir chapas zincadas, a causa del bajo punto de evaporación del zinc, resultan unos gases que conducen a inestabilidades del arco eléctrico y que son responsables de poros y salpicaduras de soldadura. Por lo tanto, como alternativa eficiente y también barata a las técnicas habituales de soldadura, se emplea la soldadura indirecta (con aporte).

Como soldadura indirecta se designa un procedimiento térmico para juntar materiales con continuidad material, resultando una fase líquida por fusión de un material para soldadura indirecta (material aditivo de soldadura). Al soldar indirectamente, al contrario que para la soldadura autógena, no se alcanza la temperatura solidus de las piezas de trabajo que se han de unir. Han de mencionarse acerca de esto los diferentes procedimientos de soldadura indirecta por arco eléctrico con MIG, MAG, WIG, así como la soldadura indirecta en plasma y la soldadura indirecta con MIG y plasma, y procedimientos híbridos de soldadura indirecta. En el caso de los procedimientos con soldadura indirecta dura, que trabajan con un arco eléctrico y bajo un gas protector, la unión por soldadura indirecta se produce mediando empleo de aparatos soldadores bajo un gas protector. En este caso, sin embargo, no se funde el material de base, sino que solamente se funden los denominados materiales para soldadura indirecta, duros o respectivamente de alta temperatura, que se utilizan como materiales aditivos. Los materiales para soldadura indirecta, que se emplean, poseen unos puntos de fusión relativamente bajos, dentro del orden de magnitud de aproximadamente 1.000ºC. Como materiales para soldadura indirecta se emplean con frecuencia unos alambres de bronce, que se componen de aleaciones de base de cobre con diferentes elementos de aleación tales como p.ej. aluminio, silicio o estaño.

Con el fin de evitar las inestabilidades del arco eléctrico que aparecen al soldar indirectamente con arco eléctrico, y de reprimir las mermas de calidad que resultan a partir de esto, en el documento EP 1.101.559 se le añade al gas protector un componente de gas activo. Con la mezcla de gas protector que se propone allí, la cual se compone de gases inertes con dióxido de carbono u oxígeno en la región de las vpm (región por debajo de 1% en volumen), para materiales metálicos se alcanzan unas uniones por soldadura indirecta de alto valor cualitativo. Esto es válido también para metales no férreos, así como para piezas de trabajo revestidas.

Con ayuda de la soldadura indirecta se pueden producir también uniones a base de diferentes materiales heterogéneos, siendo válidas aquí también las ventajas antes mencionadas de la soldadura indirecta. Hay que prestar atención en este caso a que solamente se funda el material aditivo -es decir el material para soldadura indirecta- pero no se fundan los materiales trabajados. Por el contrario, la fusión (siempre que ésta sea posible de alguna manera a causa de los diferentes puntos de fusión de los materiales trabajados) de ambos materiales trabajados y del material aditivo resulta un baño fundido común y la unión se forma por soldadura autógena y no por soldadura indirecta. En el caso de diferentes materiales trabajados es posible, sin embargo, todavía un procedimiento adicional. Puesto que la aportación de energía se puede escoger de tal manera que se fundan solamente una de las dos piezas de trabajo y el material aditivo (siempre y cuando que se utilice un material aditivo, lo cual normalmente es usual), mientras que la segunda pieza de trabajo solamente se caliente pero no se funda, entonces en el caso del proceso de unión se trata de una forma mixta de soldadura autógena y soldadura indirecta. Esta forma mixta, en cuyo caso el baño fundido es formado a partir del material con más bajo punto de fusión y del material aditivo para soldadura indirecta, y el material que tiene el punto de fusión más alto solamente es calentado, pero no es fundido, es posible exclusivamente al juntar uniones heterogéneas, puesto que ciertamente las dos piezas de trabajo deben tener diferentes temperaturas de fusión. Las uniones resultantes en tal caso muestran, como consecuencia de ello, un carácter doble de soldadura autógena y de soldadura indirecta. La unión se efectúa con los procedimientos conocidos de la soldadura por arco eléctrico, tales como por ejemplo los de WIG o MAG.

Al juntar uniones heterogéneas aparecen entonces problemas especiales, puesto que tanto el procedimiento propiamente dicho como también los dos diferentes materiales trabajados exigen diferentes gases protectores y también el material aditivo para soldadura indirecta plantea requisitos especiales. El gas protector debe de garantizar un proceso estable de unión, y en este contexto ha de estar adaptado a las propiedades de los dos componentes heterogéneos de unión. Los requisitos para ambos materiales pueden ser en este caso enteramente opuestos. La unión, sin embargo, debe ser a pesar de todo de alto valor cualitativo y en particular se debe reprimir la generación de poros. También se debe evitar una salpicadura de material para soldadura indirecta y de material trabajado.

El invento está basado por lo tanto en la misión de mostrar un procedimiento que permita la unión de piezas de trabajo a base de materiales heterogéneos. Los materiales trabajados se diferencian en tal caso en la temperatura de su punto de fusión, de manera tal que la unión es una forma mixta de la soldadura autógena y de la soldadura indirecta. En este caso, se deben de resolver los problemas antes mencionados.

El problema planteado por esta misión se resuelve, de acuerdo con la reivindicación 1, mediante el recurso de que se une aluminio o una aleación de aluminio con un acero o un acero revestido, y el gas protector contiene por lo menos un componente de gas activo, empleándose como componente de gas activo uno de los gases, o una mezcla de los gases, O_{2}, CO_{2}, NO, N_{2}O ó N_{2}, y siendo la proporción de gas activo de 0,005 a 0,1% en volumen (de 50 a 1.000 vpm). Mediante la utilización de un componente de gas activo, el arco eléctrico se estabiliza. Un arco eléctrico estable es indispensable al unir, puesto que un proceso inquieto conduce a poros en la unión y la costura de unión se hace cualitativamente de menor valor. Un componente de gas activo impide entonces las inestabilidades que resultan a causa de la fusión de uno de los materiales trabajados. La proporción del componente de gas activo en el gas protector se debe escoger por lo menos con un valor tan alto que se garantice la estabilidad del arco eléctrico. Por otra parte, la proporción es limitada hacia altas proporciones en volumen por el hecho de que el gas activo reacciona metalúrgicamente sólo de un modo despreciable con los materiales trabajados que se han de unir, puesto que la calidad de la unión no debe ser perjudicada.

El gas protector presenta una proporción de gas activo de 0,005 a 0,1% en volumen (de 50 a 1000 vpm). En este intervalo se garantiza, por una parte, que las influencias metalúrgicas sobre los materiales sean muy pequeñas y, por otra parte, que el arco eléctrico sea estabilizado suficientemente. Además de esto, se influye positivamente sobre el comportamiento de escurrimiento por goteo del material para soldadura indirecta.

De acuerdo con el invento se unen aluminio o aleaciones de aluminio. En el caso de estos materiales, los gases activos en una proporción en la región de las vpm conducen a unas uniones ópticamente muy valiosas y se reprimen también salpicaduras de material de un modo eficaz. Además, el aluminio y sus aleaciones son adecuados de un modo sorprendente para unirse, puesto que ellos tienen un punto de fusión muy bajo en comparación con otros metales. Ellos, en el caso de uniones con otros metales que funden a temperaturas más altas. constituyen el partícipe en la unión que se funde al unir. A causa de la proporción del gas activo en la región de las vpm, sin embargo, se puede despreciar la reacción metalúrgica del aluminio o de las aleaciones de aluminio, en particular la oxidación.

Además, de acuerdo con el invento se une un acero o un acero revestido. Puesto que en el caso de un acero, el arco eléctrico se puede mantener estable solamente mediante la adición de un gas activo, la adición conforme al invento es indispensable. Un acero, revestido o sin revestir, funde a unas temperaturas relativamente altas y es el partícipe en la unión que solamente se calienta al unir pero no se funde.

Como consecuencia el procedimiento conforme al invento muestra sus ventajas especiales al unir aluminio o aleaciones de aluminio con un acero o un acero revestido.

Como componente de gas activo, en el caso de este procedimiento conforme al invento se emplea como gas protector uno de los gases, o una mezcla de los gases, O_{2}, CO_{2}, NO, N_{2}O ó N_{2}. Estos gases, a causa de su proporción de oxígeno y respectivamente de nitrógeno, son adecuados de una manera sobresaliente como gas activo.

Para esto se ha acreditado de un modo especial una proporción de 0,01 a 0,07% en volumen (de 100 a 700 vpm) de oxígeno en el gas protector.

En un perfeccionamiento del invento, el gas protector contiene entre 5 y 50% en volumen, de manera preferida entre 10 y 30% en volumen, de helio. La proporción de helio mejora el comportamiento de mojadura del material líquido para soldadura indirecta, por aumentar la temperatura sobre la superficie. Además de esto, la proporción de helio conduce a un mejoramiento al desgasificar la masa fundida, puesto que procura una transferencia efectiva del calor desde el arco eléctrico a la masa fundida. No tiene lugar, sin embargo, una reacción del helio con el material para soldadura indirecta ni con un material trabajado, puesto que el helio es inerte.

En una forma de realización del invento, el gas protector contiene argón. El argón, como gas inerte barato, protege al proceso de unión de una manera eficaz con respecto del medio ambiente.

Además, el problema planteado por esta misión se resuelve mediante la utilización de un gas protector para juntar uniones heterogéneas a base de dos materiales diferentes con un arco eléctrico bajo un gas protector, siendo fundido solamente uno de los materiales, constituyendo el aluminio o una aleación de aluminio el partícipe en la unión que se funde al unir, y un acero o un acero revestido es el partícipe en la unión que solamente se calienta al unir pero no se funde, conteniendo el gas protector argón y/o helio y como gas activo de 0,005 a 0,1% en volumen (de 50 a 1.000 vpm) de O_{2}, CO_{2}, NO, N_{2}O ó N_{2} o una mezcla de estos gases. El gas inerte protege a la unión con respecto de la atmósfera y el gas activo influye de una manera ventajosa sobre el proceso. La proporción en la región de las vpm asegura, por una parte, la estabilidad del arco eléctrico y, por otra parte, se reprimen ampliamente las reacciones metalúrgicas.

Con las ventajas especiales, mencionadas más arriba, el gas protector contiene entre 5 y 50% en volumen, de manera preferida entre 10 y 30% en volumen, de helio.

Como un gas protector conforme al invento con un gas activo que posee una ventaja especial al juntar uniones heterogéneas se ha manifestado uno con una proporción de 0,01 a 0,07% en volumen (de 100 a 700 vpm) de oxígeno.

A continuación el invento se va a explicar ahora con mayor detalle con ayuda de tres Ejemplos.

En el Ejemplo 1 se utiliza un gas protector que se compone de 30% en volumen de helio con 500 vpm (0,05% en volumen) de oxígeno y argón en el volumen remanente para la unión por arco eléctrico de una chapa a base de aluminio con una chapa de acero revestida con zinc. Como material aditivo para soldadura indirecta se usa un alambre de bronce con una cierta proporción de aluminio. El proceso de unión se lleva a cabo con el procedimiento de WIG o MIG. La costura no tiene ningún poro y es ópticamente excelente. La unión no muestra -tampoco por el lado del aluminio- ningún indicio de una oxidación y es de alta calidad.

Para la unión de una pieza de trabajo a base de aluminio con una segunda pieza de trabajo a base de acero se utiliza de acuerdo con el Ejemplo 2 un gas protector a base de 1.000 vpm (0,1% en volumen) de N_{2}O y 15% en volumen de helio y argón, y como material para soldadura indirecta se utiliza un bronce de aluminio. Al unir, se funden el aluminio y el material para soldadura indirecta, mientras que el acero es solamente calentado. Aquí se muestra un arco eléctrico muy estable. La unión está exenta de poros y es cualitativamente de alto valor. No se encuentran indicios de influencias metalúrgicas.

En el Ejemplo 3, se describe la unión de una aleación de aluminio con un acero. La unión se efectúa de acuerdo con el procedimiento de WIG. En este caso el acero se calienta y la aleación de aleación de aluminio se funde. También el material para soldadura indirecta, a saber un bronce, es fundido. Como gas protector se utiliza una mezcla de 30% en volumen de helio, 100 vpm (0,01% en volumen) de NO y argón. La unión heterogénea así resultante es de alta calidad.

Con el procedimiento conforme al invento se hace posible de esta manera producir uniones de alto valor cualitativo entre materiales heterogéneos.

Claims (7)

1. Procedimiento para juntar uniones heterogéneas a base de dos materiales diferentes con un arco eléctrico bajo un gas protector, fundiéndose solamente uno de los dos materiales,

constituyendo el aluminio o una aleación de aluminio el partícipe en la unión que se funde al unir, y siendo un acero o un acero revestido el partícipe en la unión que solamente se calienta al unir pero no se funde,

y conteniendo el gas protector por lo menos un componente de gas activo, empleándose como componente de gas activo uno de los gases, o una mezcla de los gases O_{2}, CO_{2}, NO, N_{2}O ó N_{2}, y siendo la proporción de gas activo de 0,005 a 0,1% en volumen (de 50 a 1.000 vpm).

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el gas protector contiene de 0,01 a 0,07% en volumen (de 100 a 700 vpm) de O_{2}.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el gas protector contiene entre 5 y 50% en volumen, de manera preferida entre 10 y 30% en volumen, de helio.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el gas protector contiene argón.

5. Utilización de un gas protector para juntar uniones heterogéneas a base de dos materiales diferentes con un arco eléctrico bajo un gas protector,

fundiéndose solamente uno de los dos materiales, constituyendo el aluminio o una aleación de aluminio o una aleación de aluminio el partícipe en la unión que se funde al unir, y siendo un acero o un acero revestido el partícipe en la unión que solamente se calienta al unir pero no se funde,

conteniendo el gas protector argón y/o helio y como gas activo de 0,005 a 0,1% en volumen (de 50 a 1.000 vpm) de O_{2}, CO_{2}, NO, N_{2}O ó N_{2} o una mezcla de estos gases.

6. Utilización de un gas protector de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque el gas protector contiene entre 5 y 50% en volumen, de manera preferida entre 10 y 30% en volumen, de helio.

7. Utilización de un gas protector de acuerdo con la reivindicación 5 ó 6, caracterizada porque el gas protector contiene de 0,01 a 0,07% en volumen (de 100 a 700 vpm) de O_{2}.