ES2301765T3 - Utilizacion de mezclas de gases helio/nitrogeno en soldadura laser de flancos empalmados. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de soldadura de flancos empalmados formados por un material que contiene mayoritariamente acero, utilizando al menos un haz de láser, en el que se realiza al menos una unión de soldadura de tipo de penetración completa utilizando una mezcla gaseosa que comprende nitrógeno y helio para asistir a dicho haz de láser, caracterizado porque el material contiene una proporción superior a 0,015% en peso de aluminio y porque la mezcla gaseosa está constituida por 30% a 80% en volumen de nitrógeno y helio para el resto (hasta 100%).
Description
Utilización de mezclas de gases helio/nitrógeno
en soldadura láser de flancos empalmados.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de soldadura láser de flancos empalmados, según el
preámbulo de la reivindicación 1, destinados a constituir partes de
vehículos automóviles, en particular flancos empalmados que deben
ser comprimidos después de la soldadura. El documento WO 02/43918A
describe un procedimiento de este tipo.
La soldadura por haz de láser es un
procedimiento de montaje de rendimiento elevado, ya que permite
obtener, con velocidades elevadas, profundidades de penetración muy
considerables si se compara con otros procedimientos más
tradicionales, como la soldadura de plasma, soldadura MIG
(metal-gas inerte) o la soldadura TIG
(tungsteno-gas inerte).
Esto se explica por las elevadas densidades de
potencia utilizadas durante la focalización, por uno o varios
espejos o lentillas, del haz de láser al nivel del plano de unión de
las piezas que van a ser soldadas, por ejemplo, densidades de
potencia que pueden sobrepasar los 10^{6} W/cm^{2}.
Estas elevadas densidades de potencia provocan
una elevada vaporización en la superficie de las piezas que, al
expandirse hacia el exterior, inducen un ahuecamiento progresivo del
baño de soldadura y conducen a la formación de una capilaridad de
vapor estrecha y profunda, denominada "keyhole" en
inglés (= ojo de cerradura) en el grosor de las chapas metálicas,
es decir, a un nivel de plano de unión.
Esta capilaridad permite un depósito directo de
la energía del haz de láser en profundidad en la chapa,
contrariamente a los procedimientos de soldadura más convencionales
en los que el depósito de energía está localizado en la superficie,
como en la soldadura TIG o incluso MIG.
A este respecto, se pueden citar los siguientes
documentos: DE-A-2713904,
DE-A- 4034745,
JP-A-01048692,
JP-A-56122690, WO 97/34730,
JP-A-01005692,
DE-A-4123716,
JP-A-02030389,
US-A-4.871.897,
JP-A-230389,
JP-A-62104693,
JP-A15692,
JP-A-15693,
JP-A-15694,
JP-A-220681,
JP-A-220682,
JP-A-220683,
WO-A88/01553,
WO-A-98/14302
DE-A-3619513 y
DE-A-3934920.
Esta capilaridad está constituida por una mezcla
de vapores metálicos y de plasma de vapores metálicos cuya
particularidad es absorber el haz de láser y atrapar la energía en
el interior de la propia capilaridad.
Uno de los problemas de la soldadura láser es la
formación de un plasma de gas de cubrimiento.
En efecto, el plasma de vapores metálicos, al
sembrar electrones libres del gas de cubrimiento o gas de
protección, puede provocar la aparición de un plasma de gas de
cubrimiento que es perjudicial para la operación de soldadura.
Seguidamente el haz de láser puede ser
fuertemente perturbado por el plasma de gas de cubrimiento.
La interacción del plasma de gas de cubrimiento
con el haz de láser puede adoptar diversas formas pero, lo más a
menudo, esto se plasma en un efecto de absorción y/o de difracción
del haz de láser incidente que puede conducir a una reducción
considerable de la densidad de potencia del láser eficaz en la
superficie diana, conduciendo a una disminución de la profundidad
de penetración, incluso a una pérdida de acoplamiento entre el haz
y la materia y, por tanto, a una interrupción momentánea del
procedimiento de soldadura.
El umbral de densidad de potencia a partir
aparece el plasma, depende del potencial de ionización del gas de
cubrimiento utilizado y es inversamente proporcional al cuadrado de
la longitud de onda del haz de láser.
Por tanto, es muy difícil soldar bajo argón puro
con un láser de tipo CO_{2}, mientras que esta operación puede
ser realizada con muchas menos dificultades con un láser de tipo
YAG.
En general, en la soldadura láser de CO_{2},
se utiliza helio como gas de cubrimiento, que es un gas de elevado
potencial de ionización y que permite una protección contra la
aparición de plasma de gas de cubrimiento hasta una potencia de
láser de al menos 45 kW.
No obstante, el helio tiene el inconveniente de
ser un gas caro y numerosos usuarios de láser preferían utilizar
otros gases o mezclas gaseosas menos caras que el helio pero que
permitan no obstante limitar la aparición del plasma de gas de
cubrimiento y, por tanto, obtener resultados de soldadura similares
a los obtenidos con el helio pero a un menor coste.
Por tanto, existen en el comercio mezclas
gaseosas que contienen argón y helio, por ejemplo, una mezcla
gaseosa que contiene 30% en volumen de helio y resto es argón,
comercializada bajo la denominación LASAL® 2045 por la empresa
L'AIR LIQUIDE®, las cuales permiten obtener esencialmente los mismos
resultados que el helio, para potencias de láser de CO_{2}
inferiores a 5 kW y con la condición de que las densidades de
potencia producidas no sean demasiado considerables, es decir,
inferiores a aproximadamente 2000 kW/cm^{2}.
No obstante, el problema que se plantea con este
tipo de mezcla de Ar/He es que para densidades de potencia de láser
más considerables, ya no es adecuada ya que entonces se sobrepasa el
umbral de creación de plasma de gas de protección.
Además, otro problema conocido se refiere al
aspecto económico de la soldadura de flancos empalmados destinados
al sector automovilístico.
En efecto, las exigencias de los constructores
de automóviles para la soldadura de flancos empalmados son tan
estrictas que las inversiones necesarias para la realización de
estas soldaduras son muy considerables.
Los flancos empalmados son piezas constitutivas
de los vehículos automóviles que deben ser montadas mediante
soldadura de penetración completa, es decir, que la soldadura debe
atravesar completamente el grosor de la pieza soldada.
Teniendo en cuenta los pequeños grosores
habituales, normalmente de menos de 3 mm, y las considerables
velocidades de soldadura fijadas por los fabricantes de automóviles
(>7 m/min), es conocido montar los flancos empalmados mediante
soldadura de láser.
La soldadura de láser permite obtener cordones
de soldadura estrechos y profundos, y las zonas afectadas
térmicamente por este procedimiento de soldadura permanecen
localizadas junto a la zona de interacción con el láser, limitando
las dimensiones de la zona en que se evapora el revestimiento
superficial de zinc.
La soldadura de láser de flancos empalmados
necesita la utilización de un gas de protección, que generalmente
es helio.
El objetivo de la presente invención es por
tanto proponer un procedimiento de soldadura de láser que utiliza
una mezcla gaseosa de soldadura adaptada a la soldadura de los
flancos empalmados de pequeño grosor, que comprenden eventualmente
un revestimiento de zinc, y que deben ser posteriormente
conformadas, particularmente comprimidas, gas que conduzca a la
formación de un plasma metálico menos caliente durante la soldadura,
de manera que se obtiene una unión de soldadura resistente, es
decir, que puede resistir a una o varias etapas posteriores de
compresión sin rotura, y que sea mucho menos caro que un
procedimiento de soldadura que utiliza helio
puro.
puro.
La solución de la invención es por tanto un
procedimiento de soldadura de flancos empalmados formados por un
material que contiene mayoritariamente acero y una proporción
superior a 0,015% en peso de aluminio, utilizando al menos un haz
de láser, en el que se realiza al menos una unión de soldadura de
tipo de penetración completa utilizando una mezcla gaseosa
constituida por 30% a 80% en volumen de nitrógeno y helio para el
resto (hasta 100%) para asistir a dicho haz de láser.
En el campo de la invención, por "unión de
soldadura de tipo de penetración completa" se entiende que la
unión se refiere a todo el grosor de las chapas que van a ser
montadas y que una parte del haz de láser pasa a través de las
piezas o, dicho de otro modo, atraviesa completamente hasta el otro
lado del cordón de soldadura.
El contenido mínimo de 0,015% de aluminio en el
metal de base permite limitar los problemas de rotura que se
plantean con posterioridad a la soldadura, en particular durante las
etapas de conformación de las piezas así soldadas, cuando estas son
de acero de elevado límite de elasticidad (HLE), por ejemplo,
durante la deformación de piezas soldadas por compresión.
En efecto, el nitrógeno contenido en el metal en
su forma "libre" es uno de los elementos químicos responsables
de este efecto. Contribuye al "envejecimiento" de los aceros,
disminuyendo sus capacidades de deformación, lo que es un grave
problema para las chapas que deben ser comprimidas.
Con el fin de resolver este problema, con
contenidos de aluminio que componen el acero de base son aumentados
de forma que se fije el nitrógeno favoreciendo la formación de
nitruro de aluminio. El nitrógeno así fijado por el aluminio ya no
es tan perjudicial durante las etapas de deformación citadas con
anterioridad.
Debido a esto, en el transcurso del
procedimiento de soldadura, la utilización de mezclas gaseosas de
protección que contengan nitrógeno mezclado con helio no conduce a
un efecto perjudicial sobre la calidad de la soldadura ya que los
contenidos de aluminio del acero soldado son suficientes para fijar
las cantidades de nitrógeno que se introducen en el material.
Según el caso, el procedimiento de la invención
puede comprender una o varias de las características técnicas
siguientes:
- el material de base de las chapas soldadas es
un acero convencional de compresión definido según la norma
EN10130, un acero de compresión de elevado límite elástico (HLE) que
tiene un límite elástico superior a 300 MPa y definido según la
norma EN10149 o un acero mono-aleado según la norma
NFA36232;
- el gas de asistencia contiene de 40 a 70% en
volumen de nitrógeno, preferentemente de 45 a 60% de nitrógeno;
- el láser es de tipo CO_{2} y tiene una
potencia de 4 a 10 kW, preferentemente de 6 a 8 kW;
- el láser es de tipo YAG y tiene una potencia
de 1 a 6 kW;
- los flancos empalmados que van a ser soldados
tienen un grosor comprendido entre 0,4 y 3 mm;
- los flancos empalmados tienen un revestimiento
superficial metálico que mejora su resistencia a la corrosión, en
particular un revestimiento superficial de zinc obtenido mediante
galvanización o electrogalvanización;
- los flancos empalmados que van a ser soldados
están dispuestos en un extremo frente a otro y seguidamente son
soldados;
- después de la soldadura, los flancos soldados
se someten a al menos una etapa de conformación;
- después de la soldadura, los flancos soldados
se someten al menos a una etapa de compresión. Una operación de
compresión consiste en conferir a la chapa plana o a un flanco
empalmado plano una forma tridimensional, obtenida deformando la
chapa o el flanco empalmado por medio de una prensa cuyas matrices
reproducen la forma que va a ser obtenida;
- los flancos empalmados están constituidos por
un material de la misma clase y de grosor diferente o de clases
diferentes y grosores iguales o diferentes;
- la soldadura se hace mediante mancha focal
mono- o multi-manchas (impacto);
- la mancha focal es circular u oblonga;
- el caudal de gas está comprendido entre 5
l/minuto y 100 l/minuto;
- la presión del gas está comprendida entre 1 y
5 bares;
- la boquilla que distribuye el gas es una
boquilla lateral o axial que tiene un diámetro de 3 a 30 mm.
Según otro aspecto, la invención trata también
de un procedimiento de fabricación de vehículos automóviles, en el
que se utiliza un procedimiento de soldadura láser de flancos
empalmados según la invención.
La invención se comprenderá mejor gracias a los
ejemplos ilustrativos siguientes y las figuras adjuntas.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
1
La figura 1 adjunta representa los efectos de un
aumento progresivo de la proporción de nitrógeno añadido al helio
sobre la penetración del cordón de soldadura en soldadura de láser,
utilizando las mezclas de nitrógeno helio así obtenidas.
Más precisamente, par evaluar estos efectos, se
midió la penetración de líneas de fusión realizadas con un láser de
CO_{2} focalizado sobre la superficie de una diana metálica de
acero de carbono-manganeso mediante un espejo
parabólico que tenía una distancia focal de 200 mm.
El gas de protección está constituido por una
mezcla de He/N_{2}. El contenido de nitrógeno de la mezcla está
expresado en porcentaje (% en volumen) sobre el eje de abscisas, y
el resto de la mezcla es helio. El gas es distribuido en la zona
de interacción por una boquilla lateral de forma cilíndrica con un
diámetro igual a 12 mm y un caudal de 24 l/minuto.
La velocidad de soldadura es de 3 m/minuto.
Se puede ver en la figura 1 que la penetración
de los cordones de soldadura es como mínimo conservada para
potencias de láser comprendidas entre 4 y 12 kW. En ciertos casos,
se observa incluso un aumento de la penetración de los cordones de
aproximadamente 5 a 10%. Este tipo de resultados es también
reproducible si se hace variar uno de los parámetros experimentales
precedentes.
\newpage
Ejemplo
2
Chapas galvanizadas con un grosor de 1.76 mm y
que presentaban una capa superficial de 8 \mum de zinc fueron
soldadas mediante haz de láser utilizando, por una parte, helio puro
y, por otra parte, una mezcla de helio/nitrógeno según el
procedimiento de la invención.
La potencia de láser de CO_{2} utilizada era
igual a 7 kW, la distancia focal de 200 mm y la velocidad de
soldadura de 8 m/minuto.
El gas de protección era helio para la soldadura
A y una mezcla de He/N_{2} formada por 60% de helio y 40% de
nitrógeno para la soldadura B (según la invención).
El gas fue distribuido en la zona de interacción
mediante una boquilla lateral de forma cilíndrica con un diámetro
igual a 12 mm y un caudal de 20 l/minuto.
Comparando las macrografías (figura 2) obtenidas
sobre los flancos empalmados galvanizados soldados con helio puro
(figura 2a) o, con carácter comparativo, la mezcla de He/N_{2} que
contenía 60% de He y 40% de N_{2} (figura 2b), se puede comprobar
que eran idénticas.
Dicho de otro modo, la soldadura obtenida con
una mezcla gaseosa de He/N_{2} según la invención es igual a la
obtenida con helio puro, y ello a pesar de la presencia de un
elevado contenido de nitrógeno en el gas y a pesar de la presencia
de zinc en la superficie de las piezas.
Además, se realizó una comparación de las
durezas de los cordones de soldadura A y B así obtenidos y los
resultados se proporcionan en la tabla 1 siguiente.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Estas mediciones se realizaron con un
micro-durómetro de tipo BUEHELER MICROMET II Digital
MicroHardness Tester. La muesca de la medición se hizo con un peso
de 100 g que ejercía una fuerza durante 15 segundos. Los valores
indicados son valores medios para 3 mediciones realizadas sobre
chapas soldadas con penetración total, en diferentes zonas de la
chapa (cerca de la superficie, en la mitad y cerca del lado
opuesto). Hv100 es la unida de medida de la dureza Vickers o
Hardness Vickers; la cifra que sigue a Hv significa que el peso
utilizado para la medición es de 100 g.
Se encontraron valores similares de durezas par
los cordones realizados con helio o con una mezcla de
He/N_{2}.
Esto conforma, de forma sorprendente, que la
presencia de una elevada proporción de nitrógeno en la soldadura
(soldadura A) no perjudica en absoluto a la dureza de ésta.
Igualmente, los ensayos de capacidad de
estiramiento de tipo Erickseen realizados sobre los cordones de
soldadura precedentes proporcionan resultados similares (véase la
tabla 2 posterior). En efecto, los valores de la deformación del
cordón de soldadura H_{sold} son al menos iguales a un 70% del
metal de base H_{MB}.
En la tabla 2, se proporcionan también los
resultados obtenidos en el caso de una soldadura (soldadura C)
obtenida mediante soldadura de láser en las mismas condiciones que
las soldadura A y B pero utilizando una mezcla gaseosa según la
invención, que contenía una proporción de nitrógeno más baja (es
decir, 20% de nitrógeno) que en el caso de la soldadura B.
El procedimiento de la invención puede servir
para soldar elementos de carrocería, como alerones, piezas de
apertura, como puertas o capós, o piezas hidroformadas como
estructuras tubulares, o cualquier otro elemento similar.
Claims (10)
1. Procedimiento de soldadura de flancos
empalmados formados por un material que contiene mayoritariamente
acero, utilizando al menos un haz de láser, en el que se realiza al
menos una unión de soldadura de tipo de penetración completa
utilizando una mezcla gaseosa que comprende nitrógeno y helio para
asistir a dicho haz de láser, caracterizado porque el
material contiene una proporción superior a 0,015% en peso de
aluminio y porque la mezcla gaseosa está constituida por 30% a 80%
en volumen de nitrógeno y helio para el resto (hasta 100%).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el gas de asistencia contiene
preferentemente de 40% a 70% de nitrógeno.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el láser es de
tipo CO_{2} y tiene una potencia de 4 a 10 kW, preferentemente
de 6 a 8 kW, o el láser es de tipo YAG y tiene una potencia de 1 a
6 kW.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el gas de
asistencia contiene preferentemente de 45 a 60% de nitrógeno.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los flancos
empalmados que van a ser soldados tienen un grosor comprendido
entre 0,4 y 3 mm.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los flancos
empalmados son de acero con un revestimiento metálico
anti-corrosión.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los flancos
empalmados son de acero con un revestimiento superficial de
zinc.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque después de la
soldadura, los flancos soldados se someten a al menos una etapa de
conformación por compresión.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el material es
un acero de elevado límite elástico cuyo límite de elasticidad es
de al menos 300 MPa.
10. Procedimiento de fabricación de vehículos
automóviles o elementos de vehículos automóviles, en el que se
utiliza un procedimiento de soldadura de láser de los flancos
empalmados según una de las reivindicaciones 1 a 9.
Applications Claiming Priority (2)
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