ES2287893T3 - Procedimiento para variar con un rayo laser la topografia de chapas revestidas y chapa revestida con una variacion de su topografia. - Google Patents

Procedimiento para variar con un rayo laser la topografia de chapas revestidas y chapa revestida con una variacion de su topografia. Download PDF

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Abstract

Procedimiento de mecanización con láser de chapas revestidas, en el que se genera por medio del láser en al menos un lado de al menos una chapa una variación de topografía que sobresale de la superficie, caracterizado porque el rayo láser genera la al menos una variación de topografía realizando a través y/o alrededor del centro de su superficie de mecanización un movimiento con componentes transversales y longitudinales, de tal manera que la variación de topografía presente un radio en la punta que sea mayor que la altura de la variación de topografía, estando definida la altura desde la posición de hundimiento más profundo de la chapa en la base de la variación de topografía hasta la punta de ésta.

Description

Procedimiento para variar con un rayo láser la topografía de chapas revestidas y chapa revestida con una variación de su topografía.
La invención concierne a un procedimiento de mecanización con láser de chapas revestidas según el preámbulo de la reivindicación 1 y a una chapa revestida según el preámbulo de la reivindicación 8. Un procedimiento y una chapa de esta clase son ya conocidos por el documento JP 11-047967.
En muchas chapas revestidas, especialmente en chapas revestidas de zinc como las que se emplean en la industria del automóvil, el material de revestimiento presenta un punto de ebullición netamente más bajo que el punto de fusión del material de la chapa. Por tanto, en la soldadura con láser de tales chapas por el procedimiento de empalme a solapa se producen evaporaciones a modo de explosiones del material de revestimiento que perjudican fuertemente la calidad de la unión.
Para mejorar la calidad de la unión se ha propuesto ya producir entre las chapas por medio de distanciadores unas estrechas rendijas hacia las cuales pueda escapar el material de revestimiento evaporado. Según el documento JP 11-047967, se pueden producir unos distanciadores adecuados en forma de cráteres mediante un bombardeo con láser de la superficie. Según el documento DE 44 07 190 A1, con un rayo láser pulsado se pueden fabricar distanciadores a modo de moleteados. No se revelan posibilidades para influir sobre la geometría de los distanciadores.
Es desventajoso a este respecto sobre todo el hecho de que los distanciadores producidos de esta manera resultan ser relativamente puntiagudos. Por tanto, dependiendo de las fuerzas de sujeción empleadas, se hincan éstos con relativa facilidad en la chapa a distanciar o se deforman ellos mismos, con lo que se presentan desviaciones no deseadas en la distancia entre las chapas. En el caso de chapas delgadas se pueden producir también huellas de los tetones en el lado opuesto de la chapa que se ha de distanciar.
Por tanto, el problema de la presente invención consiste en reducir las desviaciones en la distancia de las chapas mediante una conformación adecuada de los distanciadores.
La invención se reproduce con respecto al procedimiento y chapas adecuadas a crear por medio de las características de las reivindicaciones 1 y 8. Las demás reivindicaciones contienen ejecuciones y perfeccionamientos ventajosos del procedimiento y la chapa según la invención.
El problema se resuelve según la invención respecto del procedimiento a crear generando en al menos un lado de al menos una chapa revestida, por medio de un láser, al menos una variación de su topografía que sobresale de la superficie, generando el rayo láser la al menos una variación de la topografía debido a que éste realiza a través y/o alrededor del centro de su superficie de mecanización un movimiento con componentes transversales y longitudinales.
La ventaja de esta ejecución consiste en que se efectúa un movimiento del rayo láser dentro de la zona de interacción de la masa fundida y ésta, adicionalmente al mezclado a fondo inducido por el calentamiento, es así estimulada o casi removida. Esto conduce a que la variación resultante de la topografía se configure en su punta como "más bombeada", es decir que presenta un radio en la punta que es mayor que la altura de la variación de la topografía. Tales variaciones de la topografía son más adecuadas como distanciadores que las ya conocidas, puesto que, debido al "bombeado", se hincan menos en la chapa a distanciar o se deforman menos ellas mismas y, por tal motivo, se presentan menos desviaciones no deseadas en la distancia des la chapas. Además, incluso en el caso de chapas delgadas no se presentan huellas de las variaciones de la topografía en el lado opuesto de la chapa a distanciar. Asimismo, las chapas revestidas con las variaciones de topografía generadas según la invención presentan una mejor resistencia a la corrosión que la de chapas fabricadas según procedimientos ya conocidos. Por un lado, una punta bombeada se hinca menos en la chapa a distanciar y, por tanto, daña menos o no daña en absoluto su revestimiento. Por otro lado, el avellanado de la chapa a partir de cuyo material se forma la variación de topografía sobresaliente es también en principio de configuración más plana que en procedimientos ya conocidos y, por tanto, tiende menos a acumular humedad (menor acción de capilaridad).
El rayo láser es conducido de manera especialmente ventajosa hacia la superficie por medio de un equipo de escáner. Un equipo de escáner es un equipo especialmente rápido y flexible de desviación del rayo, por ejemplo un sistema de espejos (constituido por al menos un espejo basculable activable según uno o más ejes) o bien moduladores acusto-ópticos.
La gran ventaja del procedimiento según la invención frente al propuesto en el documento JP 11-047967 consiste en que el equipo de escáner se mueve uniformemente con relación a la superficie de una chapa y dicho equipo de escáner conduce el rayo láser hacia la superficie de mecanización durante un corto período de tiempo de mecanización y luego desvía dicho radio muy rápidamente hacia otra superficie de mecanización. Se suprimen así casi completamente los tiempos necesarios para el reposicionamiento del rayo láser. Por tanto, se hace posible un grado de ocupación muy alto del sistema de láser. En contraste con esto, en un sistema de láser convencional, como el que se utiliza, por ejemplo, en el documento JP 11-047967, un rayo láser es conducido hacia la superficie de mecanización por medio de un sistema de lentes rígido. Para el traspaso a una segunda superficie de mecanización se tiene que mover el sistema de lentes con relación a la pieza estructural, durante lo cual se tiene que desconectar el láser. Asimismo, la longitud y disposición de las variaciones de topografía pueden programarse libremente según la invención dentro del campo de mecanización del escáner de láser. En comparación con sistemas de lentes rígidos, el escáner de láser no tiene que ser posicionado sobre las distintas variaciones de topografía, sino que puede guiarse de manera ventajosa sobre una trayectoria optimizada entre las variaciones de topografía. Resultan de estas diferencias unos tiempos de mecanización necesarios muy diferentes: Por medio de un escáner de láser es posible la generación de treinta variaciones de topografía adecuadas en aproximadamente 0,3 segundos; un sistema convencional requiere aproximadamente diez veces más tiempo de mecanización y, además, está también sensiblemente más limitado en cuanto a las trayectorias de movimiento posibles, mientras que un equipo de escáner puede activar con facilidad y extrema rapidez todas las trayectorias de movimiento según la invención.
En una forma de realización ventajosa del procedimiento según la invención al menos una chapa es de acero de mayor resistencia. El término de aceros de mayor resistencia define aceros con una resistencia a la tracción de más de 350 Mpa, especialmente aceros trifásicos y bifásicos (por ejemplo, TRIP700, DP600). Los ensayos ponen de manifiesto que con los procedimientos conocidos no se pueden generar en absoluto, empleando tales aceros de mayor resistencia, variaciones de topografía aprovechables como distanciadores, pero éstas sí que pueden generarse con el procedimiento según la invención.
En otra forma de realización ventajosa del procedimiento según la invención se controla discontinuamente el rayo láser en cuanto a su perfil de potencia y/o de velocidad, es decir que la potencia y/o la velocidad de conducción del rayo no son constantes durante todo el tiempo de mecanización, sino que presentan al menos dos valores diferentes. Por ejemplo, se incrementa la potencia del rayo láser al comienzo de su movimiento para generar la variación de topografía y se la disminuye nuevamente hacia el final. O bien se hace más baja la velocidad en las proximidades del centro de mecanización que en la periferia. Estas modificaciones de la mecanización con láser de la chapa dan como resultado también geometrías controlablemente diferentes de las variaciones de topografía.
En una forma de realización ventajosa del procedimiento según la invención el rayo láser no está enfocado sobre la superficie. Preferiblemente, el rayo láser se encuentra a una distancia tal de la superficie de la chapa a mecanizar que el área de radiación del láser sobre la superficie sobrepase el área de su foco en al menos un 50% y mejor un 200%. Este calentamiento superficial homogeneiza el proceso de fusión del revestimiento y la chapa y favorece el establecimiento de variaciones de topografía adecuadas.
En otra forma de realización ventajosa del procedimiento según la invención el rayo láser describe en su movimiento una elipse, una roseta o una figura de Fermat. Esta última se describe por medio de la ecuación polar (1):
(1)r^{2} = a^{2}\theta, r = radio, \theta = ángulo polar, a = constante
La ventaja de una conducción del rayo láser según tales figuras reside en las geometrías "bombeada" adecuadas de las variaciones de topografía resultantes.
En otra forma de realización ventajosa del procedimiento según la invención el rayo láser genera la al menos una variación de topografía en el lado de la al menos una chapa que queda vuelto hacia él, para lo cual dicho rayo funde continuamente esta chapa en la zona de su superficie de mecanización. A este fin, hay que prefijar un tiempo de mecanización adecuado hasta la perforación o bien prever un sensor de perforación que regule el tiempo de mecanización. Esta ejecución hace posible una aceleración adicional del procedimiento al soldar varias chapas una con otra. En el procedimiento según el documento JP 11-047967 se orienta primero una chapa individual y luego se aplican variaciones de topografía sobre esta chapa, seguidamente se alimenta una chapa adicional y se la orienta con relación a la primera, y luego se comprimen y sueldan ambas chapas una con otra. Sin embargo, es más ventajoso orientar ambas chapas conjuntamente sin presión de apriete. Debido a la falta de presión de apriete queda entre las chapas una rendija mínima suficiente para la mayoría de las aplicaciones, pero esta rendija puede garantizarse también por medio de un dispositivo de orientación adecuado. Seguidamente, se producen variaciones de topografía según esta forma de realización ventajosa del procedimiento de la invención a través de una o bien a través de las dos chapas. A continuación, se presionan las chapas una contra otra y se sueldan éstas una con otra. En atención a la alta velocidad de los equipos de escáner disponibles y a la generación de las variaciones de topografía, el ahorro de un proceso de orientación significa un ahorro de tiempo muy importante.
En otra forma de realización ventajosa del procedimiento según la invención se pone al menos una chapa adicional en contacto con la al menos una chapa revestida de tal manera que la al menos una variación de topografía sobresaliente produzca la formación de al menos una rendija entre las al menos dos chapas y que las al menos dos chapas se suelden una con otra en la zona de la al menos una rendija, de tal modo que los productos de evaporación que entonces se presenten puedan escapar hacia la al menos una rendija. La posibilidad de escape para los productos de evaporación garantiza una calidad sensiblemente mayor de la costura de soldadura.
En otra forma de realización ventajosa del procedimiento según la invención se soldarán las al menos dos chapas una con otra de tal manera que la costura de soldadura producida quede soldada al menos en parte sobre la al menos una variación de topografía previamente generada.
\newpage
Cada variación de topografía de esta clase representa una lesión del revestimiento, ya que éste se evapora a consecuencia de la radiación con láser y queda solamente el material desnudo de la chapa. En particular, un revestimiento de zinc en la construcción de automóviles sirve de protección contra la corrosión. Cada lesión puede representar un núcleo de corrosión. Una costura de soldadura representa también ciertamente una lesión de esta clase, pero es forzosamente necesaria para la unión. Como quiera que la costura de soldadura se extiende sobre las variaciones de topografía y las sustituye al menos en parte, se aminora el número de posibles núcleos de corrosión y, por tanto, se reduce el riesgo de corrosión. Para un tratamiento subsiguiente de protección contra la corrosión, especialmente una galvanización, es esencial la forma de las variaciones de topografía: Según la invención, se forma una cresta uniformemente contorneada y según el documento JP 11-047967 se forma un cráter. Una cresta presenta una superficie más pequeña que un cráter formado a partir de la misma cantidad de material y, por tanto, ofrece una menor superficie de ataque frente a la corrosión. Además, una cresta puede ser galvanizada también por todos los lados entre dos chapas. Sin embargo, un cráter es cubierto por la chapa situada encima y no puede ser galvanizado por dentro. Al interior del cráter puede llegar humedad durante el ensamble de las chapas y la variación de topografía pasa a ser un núcleo de corrosión.
El problema se resuelve según la invención respecto de la chapa a crear haciendo que ésta presente al menos una variación de topografía sobresaliente de la superficie, cuyo radio en la punta sea mayor que la altura de la variación de topografía. La altura se define aquí entre punta de la variación de topografía y el sitio más bajo del avellanado de la chapa, a partir de cuyo material se ha generado la variación de topografía sobresaliente.
Tales variaciones de topografía muestran las ventajas anteriormente descritas.
En otra forma de realización ventajosa de la chapa según la invención el radio de la punta y la altura de la variación de topografía presentan una relación de al menos 2 : 1. Resultan de esto un fuerte "bombeado" y, por tanto, un refuerzo de las ventajas citadas.
En una forma de realización alternativa o adicional de la chapa según la invención ésta presenta también al menos una variación de topografía sobresaliente de la superficie, pero está hecha de acero de mayor resistencia.
Los ensayos han demostrado que con los procedimientos ya conocidos no se pueden generar en absoluto variaciones de topografía aprovechables como distanciadores, pero esto sí que puede lograrse con el procedimiento según la invención, en el que se mueve el rayo láser.
A continuación, se explican con más detalle el procedimiento y la chapa según la invención haciendo referencia a cinco ejemplos de realización y a la figura:
La figura muestra esquemáticamente y no a escala fiel una variación de topografía producida según la invención, la cual se configura en su punta como "bombeada", es decir que presenta un radio r en la punta que es mayor que la altura h de la variación de topografía. En la figura no se ilustra un revestimiento, ya que esta figura muestra solamente la zona de mecanización del rayo láser en la que se ha evaporado el revestimiento para la obtención de la variación de topografía.
En un primer ejemplo de realización se orienta una chapa de acero electrolíticamente galvanizada con un espesor de 0,8 mm, se traslada uniformemente sobre ella un equipo de escáner y se conduce sucesivamente un rayo láser hacia varias superficies de mecanización. El equipo de escáner está constituido por un sistema de espejos controlado por ordenador y basculable en dos dimensiones. El equipo de escáner presenta aproximadamente 320 mm de distancia a la superficie de la chapa y el foco del láser se encuentra aproximadamente 20 mm delante de la superficie. El equipo de escáner conduce el rayo láser hacia una superficie de mecanización con una velocidad de traslación de 1,25 m/min. En los últimos micrómetros antes de alcanzar la superficie de mecanización propiamente dicha se aumenta la potencia del láser dentro de un intervalo de tiempo de 5 ms hasta una potencia de mecanización de 3,5 kW. Seguidamente, el equipo de escáner conduce el rayo láser en forma de círculo sobre la superficie de chapa revestida para generar la variación de topografía. El círculo presenta un diámetro de 0,12 mm. Se necesitan 24 ms para su mecanización. Después de recorrer la trayectoria circular, el equipo de escáner conduce el rayo láser a la siguiente superficie de mecanización. Después de abandonar la superficie de mecanización propiamente dicha se disminuye nuevamente la potencia del láser hasta un valor prefijable dentro de un período de tiempo de 5 ms. Debido al movimiento circular del rayo láser dentro de la zona de interacción de la masa fundida, es decir, debido a un movimiento con componentes laterales y longitudinales, se tiene que, además del mezclado a fondo inducido por el calentamiento, la masa fundida es estimulada o casi removida. Esto conduce a que la variación de topografía resultante se configure como "más bombeada" en su punta, es decir que presenta un radio en la punta que es mayor que la altura (140 \mum) de la variación de topografía. Esto es favorecido por el desenfoque del rayo láser, ya que el calentamiento de la superficie de mecanización se produce así de manera más plana y más uniforme. Resultan de esto una evaporación más uniforme del revestimiento y el establecimiento de una variación de topografía en forma de una cresta uniformemente contorneada en un avellanado plano de la chapa. Después de generar el número necesario de variaciones de topografía se alimenta y orienta una segunda chapa y seguidamente se comprimen ambas chapas una contra otra y se sueldan una con otra.
En un segundo ejemplo de realización se emplean chapas del mismo material con un espesor de 1,2 mm. En tales chapas es admisible una distancia más grande entre dos chapas de hasta 0,3 mm para la formación de una buena costura de soldadura. Estas chapas deberán someterse después de la soldadura a una operación de pintura catódica por inmersión. Es necesaria para ello una distancia mínima de 0,2 mm. Por este motivo, se varían algunos de los parámetros del láser antes citados: El diámetro del círculo asciende a 0,11 mm, la velocidad de traslación del rayo láser es de 0,7 m/min y el tiempo de mecanización se incrementa hasta 36 ms. Resulta de esto una variación de topografía con una altura de 220 \mum que sobresale de la chapa en 200 \mum y que ajusta así la distancia deseada.
En un tercer ejemplo de realización se orientan dos chapas de acero electrolíticamente galvanizadas con un espesor de 1,2 mm de manera que queden superpuestas y a distancia una de otra. El rayo láser presenta una potencia de 3,5 kW y una velocidad de traslación de 7 m/min. El rayo láser es conducido por el equipo de escáner de tal manera que describa alrededor y a través del centro de su superficie de mecanización una espiral que se va estrechando con un diámetro inicial de 1,2 mm, alcanzando el rayo láser el centro después de 5 revoluciones. El rayo láser necesita para ello un tiempo de mecanización de 100 ms. Debido al movimiento en forma de espiral de fuera a dentro se produce en el lado de la chapa alejado del láser un establecimiento más homogéneo de la variación de topografía en forma de una cresta homogéneamente contorneada. Después de generar el número necesario de variaciones de topografía se comprimen ambas chapas una contra otra y se sueldan una con otra. La costura de soldadura se extiende entonces al menos sobre algunas de las variaciones de topografía.
En chapas con un espesor de 1,5 mm es necesario un mayor radio de la espiral de 1,6 mm y para su recorrido hasta el centro son necesarias 7 revoluciones. Se incrementa así el tiempo de mecanización hasta 160 ms por cada variación de topografía en el lado de la chapa que queda alejado del láser.
En un quinto ejemplo de realización se orienta una chapa de acero TRIP700 electrolíticamente galvanizada con un espesor de 1,0 mm, se traslada uniformemente sobre ella un equipo de escáner y se conduce sucesivamente un rayo láser a varias superficies de mecanización. El equipo de escáner presenta aproximadamente 300 mm de distancia a la superficie de la chapa y el foco del láser se encuentra sobre la superficie. El equipo de escáner conduce el rayo láser a una superficie de mecanización con una velocidad de traslación de 8 m/min. En los últimos micrómetros antes de alcanzar la superficie de mecanización propiamente dicha se incrementa la potencia del láser dentro de un período de tiempo de 5 ms desde una potencia básica de 1,9 kW hasta una potencia de mecanización de 2,2 kW. Seguidamente, el equipo de escáner conduce el rayo láser en forma de círculo sobre la superficie de chapa revestida para generar la variación de topografía. El círculo presenta un diámetro de 1,8 mm. Se necesitan 70 ms para su mecanización. Después de recorrer la trayectoria circular, el equipo de escáner conduce el rayo láser a la siguiente superficie de mecanización. Después de abandonar la superficie de mecanización propiamente dicha se disminuye nuevamente la potencia del láser dentro de un período de tiempo de 5 ms hasta un valor prefijable. Debido al movimiento circular del rayo láser dentro de la zona de interacción de la masa fundida, es decir, debido a un movimiento con componentes laterales y longitudinales, se tiene que la masa fundida, además del mezclado a fondo inducido por el calentamiento, es estimulada o casi removida. Esto conduce en esta chapa de acero TRIP700 más resistente a que se establezca una variación de topografía de forma de cráter cuyas paredes "bombeadas" funcionan como distanciadores. Después de generar el número necesario de variaciones de topografía se alimenta y orienta una segunda chapa de acero TRIP y seguidamente se comprimen ambas chapas una contra otra y se sueldan una con otra.
En las formas de realización de los ejemplos anteriormente descritos el procedimiento según la invención se manifiesta como especialmente adecuado para la soldadura con láser de chapas revestidas, especialmente de aceros más resistentes, en la industria del automóvil.
En particular, se puede lograr así considerables ventajas respecto del tiempo de mecanización. Ahora bien, se puede mejorar igualmente la protección contra la corrosión mediante la forma mejorada de las variaciones de topografía y mediante la conducción de la costura de soldadura sobre al menos una parte de las variaciones de topografía.
La invención no se limita solamente a los ejemplos de realización anteriormente descritos, sino que, por el contrario, puede ser transferida a otros ejemplos (véanse también las reivindicaciones).
Así, por ejemplo, es imaginable formar el equipo de escáner por medio de moduladores acusto-ópticos en lugar de formarlo por medio de un sistema de espejos. Asimismo, es posible que, en lugar de conducir el escáner de láser sobre la superficie de la pieza estructural, se muevan las piezas estructurales por debajo de un escáner estacionario. Eventualmente, el escáner y la pieza estructural pueden realizar movimientos mutuamente coordinados.
La distancia del equipo de escáner a la chapa y el grado de desenfoque o el modelo de movimiento citado no son tampoco obligatorios y, en caso necesario, pueden adaptarse, por ejemplo, a la potencia del láser o bien al material de la chapa y/o el revestimiento. Además, puede ser ventajoso variar de manera adecuada la potencia del láser durante la irradiación.

Claims (10)

1. Procedimiento de mecanización con láser de chapas revestidas, en el que se genera por medio del láser en al menos un lado de al menos una chapa una variación de topografía que sobresale de la superficie, caracterizado porque el rayo láser genera la al menos una variación de topografía realizando a través y/o alrededor del centro de su superficie de mecanización un movimiento con componentes transversales y longitudinales, de tal manera que la variación de topografía presente un radio en la punta que sea mayor que la altura de la variación de topografía, estando definida la altura desde la posición de hundimiento más profundo de la chapa en la base de la variación de topografía hasta la punta de ésta.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque al menos una chapa es de acero de mayor resistencia.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque se controla discontinuamente el rayo láser en cuanto a su perfil de potencia y/o de velocidad.
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque no se enfoca el rayo láser sobre la superficie.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rayo láser describe en su movimiento una elipse, una roseta o una figura de Fermat.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se pone al menos una chapa adicional en contacto con la al menos una chapa revestida de tal manera que la al menos una variación de topografía sobresaliente provoque la creación de al menos una rendija entre las al menos dos chapas, y porque las al menos dos chapas se sueldan una con otra en la zona de la al menos una rendija, de tal manera que los productos de evaporación que entonces se presenten puedan escapar hacia la al menos una rendija.
7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque las al menos dos chapas se sueldan una con otra de tal manera que la costura de soldadura producida sustituya al menos en parte a la al menos una variación de topografía previamente generada.
8. Chapa revestida con al menos una variación de topografía que sobresale de la superficie y que se ha obtenido empleando un rayo láser, caracterizada porque la variación de topografía obtenida empleando un rayo láser está uniformemente contorneada y presenta un radio en la punta que es mayor que la altura de la variación de topografía, estando definida la altura desde la posición de hundimiento más profundo de la chapa en la base de la variación de topografía hasta la punta de ésta.
9. Chapa revestida según la reivindicación 8, caracterizada porque el radio de la punta y la altura de la variación de topografía presentan una relación de al menos 2 : 1.
10. Chapa revestida según la reivindicación 8 ó 9, caracterizada porque la chapa es de acero de mayor resistencia.
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