ES2311202T3 - Procedimiento de soldadura laser o hibrida laser-arco con formacion de un plasma por el lado reverso. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de soldadura láser de tipo CO2 para ensamblar por soldadura una o varias piezas metálicas, en el cual: (a) se pone por el lado anverso de la o de las piezas a soldar, un primer gas de protección, (b) se pone por el lado reverso de la o de las piezas a soldar, un segundo gas de protección, este segundo gas de protección es un gas de composición diferente a la del primer gas de protección, (c) se realiza una junta de soldadura con plena penetración a través de un "keyhole" obtenido mediante al menos el haz láser liberado por el lado anverso de la o de las piezas, y (d) se crea, durante la etapa c), un plasma por el lado reverso en el segundo gas de protección utilizando al menos una parte de la potencia transmitida a través del "keyhole" de la etapa c) para desencadenar la aparición de dicho plasma en el gas de protección por el lado reverso, dicho plasma por el lado reverso participa en la realización de dicha junta de soldadura.

Description

Procedimiento de soldadura láser o híbrida láser-arco con formación de un plasma por el lado reverso.

La invención concierne un procedimiento de soldadura láser o híbrida láser-arco de una o varias piezas metálicas, en particular paneles planos destinados a ser utilizados en un astillero, los bordes longitudinales de tubos o de oleoductos, o bien la fabricación de los tailored-blanks, es decir, de flancos ensamblados que se pueden utilizar en el sector automotriz.

La soldadura por haz láser es un procedimiento de soldadura muy eficiente que permite obtener velocidades de soldadura y profundidades de penetración muy importantes si se compara con otros procedimientos más tradicionales, como la soldadura con arco.

Estos resultados se obtienen gracias a las altas densidades de potencias utilizadas durante la focalización, por uno o varios espejos o lentes, del haz láser sobre la o las piezas a soldar.

Efectivamente, estas altas densidades de potencia láser provocan en la superficie de la pieza (o de las piezas) una evaporación muy considerable, que al extenderse hacia el exterior, induce un ahuecamiento progresivo, llamado "efecto cohete", del baño de soldadura y conduce a la aparición, en el espesor de la plancha, de un capilar de vapor o "keyhole". Este capilar permite un depósito directo de la energía en el corazón de la plancha, en oposición a un procedimiento más convencional donde la fusión se realiza principalmente por propagación térmica.

Típicamente, un capilar está constituido por una mezcla de vapores metálicos y de plasma de vapores metálicos, que tienen como particularidad absorber el haz láser y por tanto atrapar la energía en el seno del capilar mismo.

Cuando el capilar es de salida, se dice que la soldadura es saliente, es decir, que atraviesa completamente la plancha a soldar. Este proceso está acompañado por una pérdida de energía por el lado reverso pues no se utiliza toda la potencia del haz láser para fundir la plancha. Hay por tanto una parte de esta potencia láser que se transmite a través de la plancha, la cual es aún mayor cuando la plancha es de poco espesor, cuando la potencia láser es elevada y cuando la velocidad de soldadura es baja.

Por otra parte, el procedimiento de soldadura híbrida láser-arco es un procedimiento de soldadura que combina la soldadura con arco eléctrico con la soldadura láser.

Tal procedimiento híbrido láser-arco se describe particularmente en los documentos EP-A-800434, EP-A-
1273383, EP-A-1199128, EP-A-1212165, EP-A-1337375, WO-A-03/11516, WO-A-03/43776, WO-A-03/82511, EP-A-1160048, EP-A-1160046, EP-A-1160047 y EP-A-1380380.

El principio de este procedimiento es generar un arco eléctrico entre un electrodo fusible o no fusible y la o las piezas a soldar, y focalizar concomitantemente un haz láser de potencia, de tipo YAG o CO_{2} por ejemplo, en la zona de arco. Este procedimiento, si permite igualmente obtener velocidades de soldadura y profundidades de penetración muy importantes gracias a la aparición de un capilar de vapor, permite además aumentar considerablemente las tolerancias de posicionamiento de las piezas antes de la soldadura con respecto al posicionamiento muy preciso indispensable en soldadura láser sólo por el hecho del pequeño tamaño del punto focal que se utiliza en esta última.

Un problema que existe en la soldadura láser y en la soldadura híbrida arco-láser donde se utiliza un generador láser de tipo CO_{2} es la creación de un plasma de gas de cubierta.

Efectivamente, el plasma de vapores metálicos presente en el capilar, que es inherente a la soldadura láser solamente y que está reforzado en la soldadura híbrida por la presencia de un arco eléctrico, sembrando de electrones libres el gas de cubierta, puede desencadenar la aparición de un plasma de gas de cubierta que es perjudicial a la operación de soldadura.

El haz láser puede entonces ser considerablemente, o incluso totalmente, absorbido y por tanto conducir a una reducción importante de la profundidad de penetración, o incluso a una pérdida de acoplamiento entre el haz y la materia, por tanto, a una interrupción momentánea del proceso de soldadura.

El umbral de aparición de este plasma de gas de cubierta depende del gas de cubierta utilizado y de los parámetros de potencia y de focalización del haz láser.

Para remediar este problema, se pueden utilizar mezclas gaseosas en soldadura con láser de tipo CO_{2} o en soldadura híbrida, propuestas por los documentos EP-A-1404482, WO-A-03/57398, EP-A-1371444, EP-A-1371445, EP-A-1371446 y EP-A-1375054, los cuales permiten prevenir la aparición de este plasma de gas de cubierta del lado anverso.

Por otra parte, otro problema en soldadura láser o híbrida arco-láser es la forma del cordón de soldadura generalmente obtenido.

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Efectivamente, estos cordones presentan en general pies de cordones estrechos, lo que constituye una dificultad importante pues es bastante difícil garantizar que la junta estará soldada correctamente en la medida en que la menor imprecisión de posicionamiento del haz láser con respecto a la junta va a traducirse en un defecto de soldadura. Esto se ilustra en las Figuras 1 y 2 aquí anexadas.

Por consiguiente, este problema de la estrechez de los pies de cordones limita por tanto considerablemente la utilización de la soldadura láser o de la soldadura híbrida en los procedimientos de fabricación industriales, en particular cuando hay que soldar piezas que tienen espesores intermediarios, es decir típicamente de al menos de 1 a 2 mm.

Por otra parte, el documento EP-A-1193023 describe la utilización conjunta de una antorcha láser sobre el lado anverso y de una antorcha de plasma del lado reverso de las piezas a soldar.

La presente invención está encaminada por tanto a resolver este problema al proponer un procedimiento de soldadura láser o láser-arco híbrida que permite obtener cordones de soldadura que presentan pies de cordones más anchos que los cordones clásicos y, si es necesario, introducir en el cordón de soldadura elementos que pueden favorecer la creación de microestructuras metalúrgicas que tienen buenas propiedades, tales como el oxígeno o el nitrógeno según el caso.

La solución de la invención es entonces un procedimiento de soldadura láser de tipo CO_{2} para ensamblar por soldadura una o varias piezas metálicas, en el cual:

(a) se utiliza en el lado anverso de la o de las piezas a soldar, un primer gas de protección,

(b) se utiliza en el lado reverso de la o de las piezas a soldar, un segundo gas de protección, dicho segundo gas de protección es un gas de composición diferente a la del primer gas de protección,

(c) se realiza una junta de soldadura con plena penetración a través de un "keyhole" obtenido por medio de al menos el haz láser liberado por el lado anverso de la o de las piezas, y

(d) se crea, durante la etapa c), un plasma del lado reverso en el segundo gas de protección utilizando al menos una parte de la potencia transmitida a través del "keyhole" de la etapa c) para desencadenar la aparición de dicho plasma en el gas de protección del lado reverso, participando dicho plasma del lado reverso en la realización de dicha junta de soldadura.

Según el caso, el procedimiento de la invención puede comprender una o varias de las características siguientes:

- las etapas (a) y (b) son realizadas simultáneamente o concomitantemente.

- durante la etapa (c), se crea un "keyhole" del lado anverso de la o de las piezas por medio del haz láser liberado del lado anverso de la o de las piezas.

- el primer gas de protección es escogido entre el helio, el argón, las mezclas de argón/helio, helio/nitrógeno, helio/oxígeno, helio/CO_{2}, helio/argón/oxígeno, helio/argón/CO_{2}, argón/hidrógeno o helio/hidrógeno.

- el segundo gas de protección es escogido entre Ar, Ar/O_{2}, Ar/CO_{2}, CO_{2}, CO_{2}/N_{2}, O_{2}, He/O_{2}, He/CO_{2,} Ar/N_{2}, He/N_{2} o N_{2}.

- en la etapa (c), se utiliza, por otra parte, un arco eléctrico y se realiza la junta de soldadura entre la o las piezas a soldar por medio de al menos el arco eléctrico y el haz láser liberados combinándose uno con el otro por el lado anverso de la o de las piezas.

- la o las piezas son de materiales metálicos, tales como aceros al carbono, aceros al carbono manganeso, aceros micro-aleados, aceros inoxidables austeníticos, aceros inoxidables ferríticos, aceros inoxidables martensíticos y aleaciones de aluminio y/o la o las piezas son planchas planas o un tubo.

- la o las piezas a soldar tienen un espesor de al menos 1 mm, preferentemente de al menos 2 mm.

- se escoge entre los procedimientos híbridos TIG-láser o MIG-láser.

- la junta de soldadura obtenida en la etapa d) tiene un ancho por el lado reverso de al menos 2 mm.

En el marco de la invención:

- por "haz láser de tipo CO_{2}", se entiende un haz láser generado por un generador láser de tipo CO_{2}

- por "lado anverso", se entiende el lado de la o de las piezas a soldar situado directamente en frente de la cabeza de soldadura láser o láser híbrida, que recibe el impacto del haz y/o del arco en primer lugar, es decir, el lado de la superficie superior de la o de las planchas a soldar.

- por "lado reverso", se entiende el lado de la o de las piezas opuesto al lado anverso, es decir, el lado de la superficie inferior de la o de las planchas a soldar.

- por "keyhole": se entiende el capilar formado de vapores metálicos y de plasma de vapores metálicos, que permite un depósito directo de la energía del haz láser en el corazón de la plancha a soldar que es creado por la alta densidad de potencia del láser.

Dicho de otro modo, según la presente invención, se utiliza juiciosamente la potencia transmitida (y por tanto habitualmente perdida según los procedimientos anteriores) a través del "keyhole" para desencadenar la aparición de un plasma en un gas de protección del lado reverso adaptado, es decir, debajo de las planchas, y diferente del gas de protección del lado anverso, es decir, por encima de la plancha, y comunicar así por debajo de las piezas que se deben soldar un excedente de energía que permite aumentar el ancho del cordón del lado reverso.

La invención será mejor comprendida viendo las siguientes explicaciones dadas con referencia a las Figuras anexas entre las cuales:

- la Figura 1a representa una macrografía de soldadura por haz láser de tipo CO_{2} con una potencia de 10.4 kW según el procedimiento anterior, de piezas de acero de 5 mm de espesor, con una velocidad de soldadura de 7 m/mn, con helio en gas del lado anverso, y con focalización del láser en la superficie de las piezas a soldar.

- la Figura 1b representa una macrografía obtenida en las mismas condiciones que las de la Figura 1a pero con una velocidad de soldadura de 3.5 m/mn.

- la Figura 1c representa una macrografía obtenida en las mismas condiciones que las de la Figura 1a pero con una velocidad de soldadura de 2.5 m/mn y focalización del láser 5 mm por encima de la superficie de las piezas y con helio en gas por el lado anverso y también por el lado reverso.

- las Figuras 2a y 2b representan macrografías de soldadura híbrida láser-arco con arco de tipo MIG y haz láser de tipo CO_{2} de una potencia de 8 kW según el procedimiento anterior, de piezas de acero de 8 mm de espesor, con una velocidad de soldadura de 2.1 m/mn (Fig. 2a) y de 3 m/mn (Fig. 2b) y con una mezcla gaseosa Ar/He/O_{2} (27%/70%/3%) utilizada como gas de protección de los lados reverso y anverso.

- la Figura 3 representa una macrografía de soldadura por haz láser de tipo CO_{2} con una potencia de 10.4 kW según la invención, de piezas de acero de 5 mm de espesor, con una velocidad de soldadura de 2.5 m/mn, y con focalización del láser a 5 mm por encima de la superficie de las piezas que se deben soldar, y con helio por el lado anverso y con argón por el lado reverso.

- la Figura 4 representa una macrografía de soldadura híbrida láser-arco con arco de tipo MIG y haz láser de tipo CO_{2} con una potencia de 8 kW según la invención, de piezas de acero de 8 mm de espesor, con una velocidad de soldadura de 2.1 m/min, y con una mezcla He/Ar/O2 del lado anverso y con argón por el lado reverso.

Las macrografías de soldadura láser de las figuras 1a a 1c según el arte anterior muestran que el ancho del lado reverso del cordón de soldadura es relativamente estrecho, es decir, inferior a 1 mm, y que está relativamente poco influenciado por la velocidad de soldadura.

Así, reduciendo la velocidad de soldadura de 7 m/mn (Fig. 1a) a 3,5 m/mn (Fig. 1b), se observa que el ancho del lado reverso del cordón pasa de 0,6 mm a 0,9 mm, pero sin embargo se mantiene bajo.

Desfocalizando el haz láser en relación con la superficie y reduciendo aún más la velocidad, se puede aumentar un poco el ancho del lado reverso que pasa así a 1,6 mm (Fig. 1c), aumentando al mismo tiempo también un poco el ancho del lado anverso del cordón obtenido.

Esta disminución de velocidad se traduce igualmente en un aumento de la potencia láser perdida por el lado reverso de la plancha. Efectivamente, la potencia no utilizada para fundir la plancha es transmitida a través del "keyhole" y sale por el otro lado donde la misma se pierde en las herramientas de fijación o de soporte de las planchas que se van a ensamblar. Así, de manera general, mientras más se reduce la velocidad de soldadura, mayor es la potencia transmitida.

Las figuras 2a y 2b muestran macrografías de soldadura híbrida MIG-láser según el arte anterior. Más precisamente, la figura 2a es un ejemplo de soldadura híbrida de piezas puestas una detrás de la otra con un espaciamiento de 0,6 mm entre ellas, mientras que la figura 2b es un ejemplo de soldadura híbrida de piezas con un chaflán que presenta un talón de 3 mm y una abertura de ángulo de 12º. En los 2 casos, un hilo rellenado de tipo 70S se utiliza con una velocidad de hilo de 15 m/min y la mezcla gaseosa por el lado anverso es una mezcla formada por 70% en volumen de He, por 27% de Ar y por oxígeno para el resto (es decir 3%).

Estas dos macrografías muestran uno de los intereses de la soldadura híbrida, la cual permite obtener un ensanchamiento del cordón por el lado anverso gracias a la presencia de un arco eléctrico, que autoriza así tolerancias de acostamiento o de posicionamiento más importantes.

Desgraciadamente, allí también, los pies del cordón son relativamente estrechos y no presentan mejoras significativas en relación con la soldadura láser puesto que las macrografías de las Figuras 2a y 2b presentan un ancho de cordón por el lado reverso de solamente 1,6 mm y 0.8 mm, respectivamente.

Para obtener un aumento importante de este ancho de cordón por el lado reverso, habría que bajar de manera drástica la velocidad de soldadura, provocando así una pérdida de productividad. Al igual que para la soldadura láser, la disminución de velocidad en soldadura híbrida se traduce en un aumento de la potencia láser transmitida a través del "keyhole".

Basándose en estas observaciones, los autores de la presente invención tuvieron la idea de utilizar la potencia transmitida (y por tanto habitualmente perdida) a través del "keyhole" para desencadenar la aparición de un plasma en un gas de protección adaptado distribuido por el lado reverso y diferente del gas de protección utilizado por el lado anverso, y comunicar así por debajo de la plancha a soldar un excedente de energía que permite aumentar el ancho reverso del cordón.

Así, la Figura 3 muestra una macrografía de cordón de soldadura láser para el cual se ha creado, según la invención, un plasma por el lado reverso en el argón utilizado como gas de protección reverso, mientras que el helio se utiliza como gas por el lado anverso.

Como se puede ver, el ancho reverso del cordón obtenido es entonces de 2,5 mm y se puede comparar con el de la Figura 1c que era solamente de 1,6 mm.

Por otra parte, en la figura 4, se representa una macrografía de cordón de soldadura híbrida MIG-láser según la invención, para el cual se ha creado un plasma reverso en el argón.

Como se puede ver, el ancho reverso del cordón en la Figura 4 es de 2,6 mm y se puede comparar con el de la Figura 2a que era de sólo 1,6 mm.

De manera general, la importancia del ensanchamiento del pie de cordón depende por supuesto de la importancia del plasma reverso de argón que es desencadenado y esto, tanto en la soldadura láser como en la soldadura híbrida láser-arco.

Otra ventaja del procedimiento de la invención es que en función de la naturaleza del gas de protección por el lado reverso escogido, se puede favorecer o controlar la entrada de elementos en el cordón de soldadura y cambiar así la micro-estructura metalúrgica del cordón de soldadura.

Así, con un gas o mezcla gaseosa por el lado reverso como Ar/O_{2}, Ar/CO_{2}, CO_{2}, O_{2}, He/O_{2}, o He/CO_{2}, cuando el plasma de protección por el lado reverso se crea, se disocia el oxígeno o el CO_{2} y se permite así la introducción de moléculas de O_{2} en el metal fundido.

Por otra parte, con un gas o una mezcla gaseosa por el lado reverso, como Ar/N_{2}, He/N_{2} o N_{2}, cuando el plasma de protección por el lado reverso se crea, se disocia el nitrógeno y se permite así la introducción de nitrógeno en el metal fundido, lo que puede ser útil en la soldadura de aceros de tipos duplex y super duplex por ejemplo.

Claims (10)

1. Procedimiento de soldadura láser de tipo CO_{2} para ensamblar por soldadura una o varias piezas metálicas, en el cual:

(a) se pone por el lado anverso de la o de las piezas a soldar, un primer gas de protección,

(b) se pone por el lado reverso de la o de las piezas a soldar, un segundo gas de protección, este segundo gas de protección es un gas de composición diferente a la del primer gas de protección,

(c) se realiza una junta de soldadura con plena penetración a través de un "keyhole" obtenido mediante al menos el haz láser liberado por el lado anverso de la o de las piezas, y

(d) se crea, durante la etapa c), un plasma por el lado reverso en el segundo gas de protección utilizando al menos una parte de la potencia transmitida a través del "keyhole" de la etapa c) para desencadenar la aparición de dicho plasma en el gas de protección por el lado reverso, dicho plasma por el lado reverso participa en la realización de dicha junta de soldadura.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque las etapas (a) y (b) son efectuadas simultáneamente o concomitantemente.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la o las piezas son de acero al carbono, acero al carbono-manganeso, acero micro-aleado, acero inoxidable austenítico, ferrítico o martensítico, y en aleación de aluminio.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el primer gas de protección es escogido entre el helio, el argón, las mezclas argón/helio, helio/nitrógeno, helio/oxígeno, helio/CO_{2}, helio/argón/oxígeno, helio/argón/CO_{2}, argón/hidrógeno o helio/hidrógeno.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el segundo gas de protección es escogido entre Ar, Ar/O_{2}, Ar/CO_{2}, CO_{2}, CO_{2}/N_{2}, O_{2}, He/O_{2}, He/CO_{2}, Ar/N_{2}, He/N_{2} o N_{2}.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque en la etapa (c), se utiliza, por otra parte, un arco eléctrico y se realiza la junta de soldadura entre la o las piezas a soldar por medio de al menos el arco eléctrico y el haz láser liberados combinándose uno con el otro por el lado anverso de la o de las piezas.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la o las piezas son de materiales metálicos y/o la o las piezas son planchas planas o un tubo.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la o las piezas a soldar tienen un espesor de al menos 1 mm, de preferencia de al menos 2 mm.

9. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque es escogido entre los procedimientos híbridos TIG-láser o MIG-láser.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la junta de soldadura obtenida en la etapa d) tiene un ancho por el lado reverso de al menos 2 mm.