ES2298603T3 - Gas de proceso y procedimiento de soldadura dura con rayo laser. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de soldadura dura con un rayo láser enfocado sobre un sitio de soldadura de aporte o hacia las inmediaciones de este sitio de soldadura de aporte, en el que el material de soldeo es fundido por el rayo láser en el sitio de soldadura de aporte, caracterizado porque se conduce una corriente de gas de proceso al sitio de soldadura de aporte, estando contenidos en el gas del proceso al menos un gas activo con al menos 0,01% en volumen y, como gas activo, dióxido de carbono, oxígeno, hidrógeno o una mezcla de estos gases o/y uno o varios gases portadores de boro.

Description

Gas de proceso y procedimiento de soldadura dura con rayo láser.

La invención concierne a un gas de proceso para soldadura dura con rayo láser y a un procedimiento de soldadura dura con un rayo láser enfocado sobre el sitio de soldadura de aporte o hacia las inmediaciones de este sitio de soldadura de aporte, fundiéndose el material de soldeo en el sitio de soldadura de aporte por medio del rayo láser.

El procedimiento de soldadura dura con proceso de soldadura de aporte en el horno de soldadura de aporte es el más frecuentemente empleado de todos los procedimientos de soldadura de aporte. En tiempos recientes, se utiliza también en grado incrementado la soldadura dura con arco voltaico para ensamblar piezas estructurales. La soldadura dura con rayo láser encuentra también un interés creciente, aun cuando en la realización de este procedimiento hay que superar todavía muchos problemas. Mientras que en la soldadura dura en el horno de soldadura de aporte el material de soldeo se funde por la alimentación de calor en el horno, este material se licúa en la soldadura de aporte con arco voltaico o con rayo láser en el sitio de aportación de energía.

La soldadura dura y la soldadura autógena presentan a primera vista muchas similitudes entre ellas, pero la soldadura dura y la soldadura autógena se diferencian en lo fundamental: En contraste con la soldadura autógena, en la soldadura dura no se funde el material de base. Únicamente se funde por la aportación de energía el material añadido adicionalmente como material de soldeo. La unión se produce debido a la interacción del material de soldeo fundido con el material de base. En consecuencia, la temperatura de fusión del material de soldeo está situada siempre en la soldadura dura por debajo de la temperatura de fusión de las piezas estructurales que se han de ensamblar; sin embargo, la temperatura de solidus del material de soldeo en la soldadura dura está netamente por encima de la temperatura de licuación de un material de soldeo que se utilice para soldadura blanda. Debido a la temperatura más baja para la soldadura de aporte en comparación con la soldadura autógena, las piezas estructurales son influenciadas en menor medida durante la soldadura de aporte que durante la soldadura autógena. Además, la soldadura de aporte hace posible también el ensamble de materiales con diferentes coeficientes de conducción calorífica y diferente capacidad calorífica, ya que en la soldadura de aporte se funde solamente el material de soldeo, pero no el material de base. Por el contrario, la soldadura autógena de piezas estructurales de materiales diferentes es extraordinariamente problemática, ya que estas propiedades desempeñan un papel decisivo para la fusión de los materiales. En consecuencia, debido a las diferencias se imponen requisitos enteramente diferentes a la ejecución técnica de la soldadura de aporte y la soldadura
autógena.

La soldadura dura con rayo láser y la soldadura de aporte con arco voltaico se diferencian a su vez por la aportación de energía y muestran una problemática diferente. En la soldadura de aporte por arco voltaico se tiene que, en comparación con la soldadura de aporte por láser, se aplica la energía sobre una superficie grande y se adjudica una alta importancia a la estabilidad del arco voltaico. Por el contrario, la soldadura de aporte con un rayo láser como fuente de energía muestra las ventajas de la técnica del láser. Así, la aportación de energía con el rayo láser está limitada localmente en grado muy fuerte y el material de soldeo se solidifica muy rápidamente después del proceso de soldadura de aporte. Se minimiza así la deformación provocada por el calentamiento de la pieza estructural y es posible también el ensamble de materiales con fuerte sensibilidad al calor. Los métodos de fabricación con láser están ligados a altos costes de inversión y se utilizan como medio de fabricación sobre todo en procesos automatizados.

En la soldadura autógena con láser es conocido el empleo de gases de proceso. Los gases de proceso sirven para controlar el plasma producido durante la soldadura autógena por evaporación e ionización del material de base y para impedir un apantallamiento del rayo láser por parte de la nube de plasma. Asimismo, es conocido el recurso de añadir como componente gases activos al gas del proceso. Los gases activos proporcionan un control efectivo del plasma, aumentan la velocidad de soldadura autógena y mejoran la calidad.

En el proceso de soldadura de aporte se utiliza normalmente un fundente que en general se aplica como pasta de soldadura de aporte antes del proceso de soldadura de aporte. El fundente actúa sobre la superficie de la pieza estructural, limpia esta superficie y prepara la interacción con el material de soldeo. Por tanto, el fundente influye decisivamente sobre la cooperación del material de soldeo y el material de base. Se ponen de manifiesto repercusiones sobre la fluidez del material de soldeo, sobre la tensión superficial del material de soldeo fundido y también sobre la capacidad de humectación del material de base. Sin embargo, el empleo de fundentes trae consigo numerosos inconvenientes. Los fundentes contienen sustancias tóxicas y contaminantes del medio ambiente y, en consecuencia, son de utilización problemática. Los residuos de fundente presentes después del proceso de soldadura de aporte tienen que ser retirados de una manera costosa, ya que éstos influyen negativamente no sólo sobre el aspecto, sino también sobre la calidad de la costura de soldadura de aporte, en razón de que los componentes agresivos del fundente atacan a largo plazo al material de base y a la costura de soldadura e incrementan así la propensión a la corrosión.

En la soldadura dura, como en la soldadura de aporte en general, la adición de material de soldeo es una necesidad inmanente. Para la adición del material de soldeo existen diferentes posibilidades. El material de soldeo se presenta en forma de alambre y este alambre es llevado continuamente al sitio del proceso de soldadura de aporte por medio de un dispositivo de avance del alambre. Es posible también el empleo de piezas moldeadas de material de soldeo. A este fin, la pieza estructural que se ha de soldar es equipada con las piezas moldeadas de material de soldeo antes de que éstas sean fundidas por medio del rayo láser y se forme la costura de material de soldeo. Asimismo, es posible también el empleo de láminas de material de soldeo que se disponen también antes del proceso de soldadura de aporte.

El documento US 4 906 812 incluye un procedimiento de mecanización con láser, entre otras aplicaciones también para soldadura dura con láser, en el que, para evacuar vapores y humo, se conduce un gas, preferiblemente un gas inerte, a lo largo del sitio de mecanización.

A pesar de las numerosas perspectivas positivas de la soldadura dura con rayo láser, esta técnica se viene utilizando poco hasta ahora, ya que se plantean en la práctica considerables problemas. Así, las costuras de material de soldeo presentan frecuentemente un gran número de poros, por lo que sufre la calidad y no se proporciona la necesaria resistencia a la tracción y a la compresión. Los presentes problemas son aquí tan graves que restringen fuertemente la utilización de la soldadura de aporte con rayo láser y en su mayor parte incluso la impiden completamente. Es problemática también la utilización de fundentes. Los trabajos previos y posteriores deberán ser también lo más reducidos posible o suprimirse para permitir una utilización rentable de la soldadura dura con láser.

Por tanto, la presente invención se basa en el problema de indicar un procedimiento y un gas de proceso que hagan posible una soldadura dura con rayo láser de alto valor cualitativo.

El problema se resuelve según la invención por el hecho de que se conduce una corriente de gas de proceso al sitio de soldadura de aporte, estando contenidos en el gas del proceso al menos un gas activo con al menos 0,01% en volumen y como gas activo dióxido de carbono, oxígeno, hidrógeno o una mezcla de estos gases y/o uno o más gases que contienen boro. El gas del proceso contiene ahora según la invención - contrariamente a los gases nobles puramente inertes - al menos un gas activo. Gases activos en el sentido de la presente invención son, por ejemplo, dióxido de carbono y oxígeno. Los gases activos influyen sobre el material de soldeo y el material de base. Los gases activos reducen la tensión superficial del material de soldeo y aumentan la fluidez de este material. El material de soldeo resulta mucho más fluido y corre mejor. El material de soldeo penetra así más fácilmente en la rendija que se ha de rellenar y se distribuye allí uniformemente. Una distribución uniforme del material de soldeo sin escotaduras ni formación de burbujas antes de la solidificación subsiguiente de dicho material de soldeo es la premisa básica más importante para obtener costuras de material de soldeo exentas de poros. El material de base es preparado por los gases activos durante el proceso de soldadura de aporte para formar la costura de material de soldeo. Los gases activos reaccionan con impurezas presentes en la superficie del material de base. Debido a esta limpieza del material de base resulta una mejor humectación de dicho material de base con el material de soldeo. La mejor humectabilidad conduce a una distribución efectiva y uniforme del material de soldeo y, por tanto, reprime la aparición de poros. Además, los gases activos generan pequeñas fisuras en el material de base durante el proceso de soldadura de aporte en el sitio de soldadura de aporte, en las que penetra el material de soldeo líquido. Este confinamiento de material de soldeo y material de base originado por las fisuras favorece la aparición de la unión por complementariedad de materiales que se produce definitivamente por medio de procesos de difusión de los socios implicados. Por este motivo también, los gases activos incrementan significativamente la calidad de la unión por soldadura de aporte. Cuando se utiliza el gas del proceso según la invención, no se ponen de manifiesto influencias negativas sobre el material de base o el material de soldeo. Una parte de las repercusiones citadas que desarrolla el gas del proceso según la invención sobre el proceso de soldadura de aporte coinciden con las repercusiones del fundente. Por este motivo, las tareas del fundente son asumidas también al menos en parte por el gas del proceso según la invención. En consecuencia, el gas del proceso puede reducir la cantidad de fundente necesaria y, en ciertas circunstancias, puede incluso sustituirlo por completo.

Los gases y mezclas gaseosas según la invención garantizan de una manera especial las ventajas citadas. En principio, se manifiestan las ventajas citadas con todos los gases activos, pero con los distintos gases se presentan efectos diferentes en primer término. El oxígeno, por ejemplo, aumenta especialmente la velocidad de flujo del material de soldeo y reduce de manera especialmente efectiva la tensión superficial de dicho material de soldeo, mientras que el hidrógeno reacciona sobre todo con los óxidos de la superficie del material de base y los elimina. El dióxido de carbono actúa análogamente al oxígeno, pero la influencia sobre el material de soldeo es más pequeña. El nitrógeno actúa como un gas activo e influye especialmente sobre el material de base. El experto puede descubrir mediante una sencilla experimentación qué gas o gases activos son los más adecuados para el caso de aplicación especial. Se pueden utilizar también otros gases activos en el sentido de la invención. Se pueden citar entre éstos monóxido de nitrógeno, monóxido de dinitrógeno, fluorohidrocarburos y fluorohidrocarburos clorados, así como CF_{4} y SF_{6}.

En una ejecución ventajosa están contenidos monóxido de carbono, oxígeno y/o hidrógeno en el gas del proceso con proporciones de 0,01% en volumen a 30% en volumen, preferiblemente 0,1% en volumen a 20% en volumen y de manera especialmente preferida 1% en volumen a 10% en volumen. En estas proporciones en volumen, por un lado, se asegura la acción de los gases activos y, por otro lado, no se producen variaciones nocivas en el material de base o en el material de soldeo. El límite superior preferible para la proporción de hidrógeno se encuentra ya, debido a su explosividad, en 20% en volumen.

En una ejecución ventajosa alternativa está contenido como gas activo al menos 35% en volumen y preferiblemente al menos 50% en volumen de dióxido de carbono. Altas proporciones en volumen de dióxido de carbono en el gas del proceso conducen a un acoplamiento de energía extraordinariamente efectivo y muy bien controlable. Esto conduce a la rápida licuación del material de soldeo, mientras que, por el contrario, el material de base se calienta sólo en pequeña medida. Posiblemente, esto se basa en el carácter dipolar de la molécula de dióxido de carbono en el gas del proceso. Esta actuación especial y adicional de dióxido de carbono se manifiesta únicamente en proporciones en volumen de más de 35% y se puede apreciar más claramente en proporciones en volumen de más de 50%. En dióxido de carbono no se pueden apreciar, ni siquiera con proporciones en volumen tan altas, consecuencias negativas para el material de base o para el material de soldeo.

En un perfeccionamiento el gas del proceso está constituido por una mezcla gaseosa binaria de dióxido de carbono y oxígeno o de dióxido de carbono y nitrógeno o bien de dióxido de carbono y argón. Debido al mezclado del dióxido de carbono con uno de estos gases se obtienen gases de proceso binarios con excelentes propiedades. Sin embargo, en casos de aplicación especiales se utilizan mejor mezclas ternarias de estos gases o incluso las mezclas cuaternarias de los cuatro componentes gaseosos.

Asimismo, el gas del proceso según la invención puede contener un gas portador de boro o varios gases portadores de boro. Mediante la adición de un compuesto de boro o de compuestos de boro diferentes, por ejemplo de ésteres de boro, se prepara especialmente bien la superficie del material de base. La superficie es liberada de impurezas y se optimiza la interacción de la superficie con el material de soldeo fundido. El buen corrimiento resultante del material de soldeo suprime casi completamente la formación de poros. Los compuestos de boro sobrantes y también los productos originados en la superficie escapan al medio ambiente con el gas de proceso gastado. Los gases portadores de boro sirven como una especie de fundente y, por este motivo, los fundentes pueden ser sustituidos al menos en parte, pero con frecuencia también completamente. Por este motivo, se suprime un costoso trabajo de repasado con el cual se retire nuevamente el fundente sobrante después del proceso de soldadura de aporte.

De manera especialmente ventajosa, el gas portador de boro está contenido aquí en una proporción de 0,01% en volumen a 3% en volumen y preferiblemente 0,1% en volumen a 1,5% en volumen. En estas proporciones están garantizadas, por un lado, la interacción con el material de base y, por otro lado, la volatilización.

En principio, el empleo del gas del proceso según la invención es adecuado para todas las formas de material de soldeo. Sin embargo, el gas del proceso según la invención es especialmente ventajoso en el caso de que se emplee material de soldeo en forma de alambre.

En una ejecución ventajosa del procedimiento según la invención se suelda sin fundente. Se suprime así el trabajoso repasado de la costura de material de soldeo para retirar restos de fundente. Además, es ventajoso que no tengan que emplearse ya estas sustancias tóxicas y contaminantes del medio ambiente. Se suprimen también modificaciones posteriores de la unión por soldadura de aporte debido a la acción del fundente sobre el material de soldeo y/o el material de base.

El gas del proceso según la invención es adecuado con ventajas especiales para ensamblar materiales revestidos, especialmente para ensamblar aceros galvanizados. Además, el gas del proceso según la invención es adecuado también para aluminio y aleaciones de aluminio.

Sin embargo, el gas del proceso según la invención muestra también sus ventajas al ensamblar combinaciones de materiales heterogéneos. Las combinaciones ensambladas de materiales de soldadura dura muestran una excelente calidad a pesar de las diferentes propiedades de los materiales, tales como diferentes coeficientes de conducción calorífica y diferentes capacidades caloríficas. Así, con el gas del proceso según la invención se hace posible, por ejemplo, el ensamble de aluminio y aleaciones de aluminio con aceros (galvanizados) o el ensamble de diferentes aleaciones de aluminio.

En lo que sigue se describen la invención y otros detalles de la misma en forma más pormenorizada ayudándose de ejemplos de realización representados en los dibujos. Muestran en éstos:

La figura 1, el procedimiento de soldadura dura por rayo láser con una corriente de gas de proceso dirigida por medio de una boquilla hacia las piezas estructurales y

La figura 2, el procedimiento con adición de material de soldeo en forma de alambre.

Las figuras 1 y 2 muestran una boquilla 1 de gas de proceso, un rayo láser 2, un alambre 3 de material de soldeo, una costura 4 de material de soldeo y piezas estructurales 5 que se han de soldar. Además, la figura 2 muestra un dispositivo 6 de conducción de alambre y un dispositivo 7 de avance de alambre.

En el ejemplo de realización según la figura 1 se efectúa una soldadura dura de una juntura con el rayo láser. A este fin, las piezas estructurales 5 están dispuestas de modo que resulta una juntura en forma de V. El rayo láser 2 es enfocado sobre el lado superior de la pieza estructural y licúa el material de soldeo 3 aportado en forma de alambre. Si la mancha focal es demasiado pequeña o la densidad de energía en la mancha focal es demasiado alta, se tiene que emplear un rayo láser desenfocado. El foco del láser está situado entonces preferiblemente por encima de la pieza estructural. El material de soldeo 3 se licúa en el sitio de soldadura de aporte por efecto de la energía del rayo láser 2. Se solidifica el material de soldeo detrás del sitio de soldadura de aporte y se forma la costura 4 de material de soldeo. Preferiblemente, se alimenta el material de soldeo al proceso de soldadura de aporte bajo un ángulo de 15º a 45º. La corriente de gas del proceso es conducida hacia el sitio de soldadura de aporte por medio de la boquilla 1 de gas del proceso. La corriente de gas del proceso envuelve entonces al rayo láser. Como fuente para el rayo láser sirve preferiblemente un láser de diodo, pero también se utiliza un láser de sólido (por ejemplo, un láser de Nd:YAG) o un láser de CO_{2}. El acoplamiento del rayo láser en la boquilla de gas del proceso viene determinado por el tipo de láser. Cuando se emplea un láser de diodo, éste estará unido de preferencia directamente con la boquilla de gas del proceso. Por el contrario, si se emplea una fibra de vidrio para el transporte de la radiación del láser hacia la boquilla de gas del proceso, la fibra termina ventajosamente en dicha boquilla de gas del proceso o cerca de ella. La boquilla 1 de gas del proceso proporciona el flujo del gas del proceso hacia el sitio de soldadura de aporte. Como gas del proceso se emplea con especial ventaja una mezcla de 3% en volumen de hidrógeno y 97% en volumen de argón. Esta mezcla gaseosa es especialmente adecuada para ensamblar aceros galvanizados. Los componentes del gas del proceso son conducidos preferiblemente como una mezcla gaseosa hasta la boquilla de gas del proceso. Sin embargo, es posible también turbulizar los componentes en la boquilla de gas del proceso. Las costuras de material de soldeo están exentas de salpicaduras e irregularidades, por lo que no es necesario un trabajo de repasado.

La figura 2 muestra una ejecución ventajosa para el empleo de material de soldeo en forma de alambre. El alambre 3 de material de soldeo es transportado continuamente por el dispositivo 7 de avance del alambre y conducido al sitio de mecanización por el dispositivo 6 de conducción del alambre. El alambre 3 de material de soldeo se funde allí en el rayo láser 2 y, después de su solidificación, forma la costura 4 de material de soldeo. El gas del proceso es conducido al sitio de soldadura de aporte con la boquilla 1 de gas del proceso e interactúa allí con el material de soldeo fundido y con el material de base. Las piezas estructurales 5 están constituidas en una ejecución por materiales diferentes. Se obtiene así la costura 4 de material de soldeo, por ejemplo, entre una pieza estructural de aluminio y una pieza estructural de acero. Como gas del proceso se emplea ventajosamente una mezcla de 85% en volumen de dióxido de carbono y 15% en volumen de argón.

Claims (8)

1. Procedimiento de soldadura dura con un rayo láser enfocado sobre un sitio de soldadura de aporte o hacia las inmediaciones de este sitio de soldadura de aporte, en el que el material de soldeo es fundido por el rayo láser en el sitio de soldadura de aporte, caracterizado porque se conduce una corriente de gas de proceso al sitio de soldadura de aporte, estando contenidos en el gas del proceso al menos un gas activo con al menos 0,01% en volumen y, como gas activo, dióxido de carbono, oxígeno, hidrógeno o una mezcla de estos gases o/y uno o varios gases portadores de boro.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque están contenidos 0,01% en volumen a 30% en volumen, preferiblemente 0,1% en volumen a 20% en volumen y de manera especialmente preferida 1% en volumen a 10% en volumen de dióxido de carbono, oxígeno y/o hidrógeno.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque como gas activo está contenido al menos 35% en volumen y preferiblemente al menos 50% en volumen de dióxido de carbono.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque el gas del proceso está constituido por una mezcla gaseosa binaria de dióxido de carbono y oxígeno/nitrógeno/argón.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque está contenido 0,01% en volumen a 3% en volumen y preferiblemente 0,1% en volumen a 1,5% en volumen de gas portador de boro.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se realiza una soldadura de aporte sin fundente.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se ensamblan materiales revestidos, especialmente aceros galvanizados.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se ensamblan combinaciones de materiales heterogéneos.