ES2315263T3 - Aplicacion de un procedimiento hibrido laser-arco a la soldadura de tubo. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de fabricación de un tubo soldado a partir de una banda metálica que tiene dos bordes longitudinales que se acercan uno a otro para quedar aproximadamente en contacto uno con otro y formar así un pretubo no soldado, soldándose a continuación uno con otro los dos bordes longitudinales de la banda metálica que tiene una forma de pretubo para obtener un tubo metálico soldado por aplicación, de manera aproximadamente simultánea, de al menos un haz láser y de al menos un arco eléctrico, caracterizado porque dicho arco y dicho haz láser se combinan uno con otro en un único punto de impacto o zona de impacto al nivel del plano de junta que debe soldarse de manera a obtener una fusión localizada del metal de los bordes que deben unirse por acción del haz láser y del arco eléctrico así combinados uno con otro.
Description
Aplicación de un procedimiento híbrido
láser-arco a la soldadura de tubo.
La presente invención se refiere a un
procedimiento según el preámbulo de la reivindicación 1.
El documento
EP-A-496231 describe tal
procedimiento.
La tecnología del láser es conocida y
ampliamente utilizada desde años para soldar distintos materiales
metálicos, tales como piezas en aceros aleados o no, en aceros
revestidos, en aceros inoxidables, en aluminio y aleaciones de
aluminio, o incluso en tubos de distintos metales.
De una manera general, una instalación de
soldadura láser de soldadura de tubo incluye, además de los medios
de suministro y de mantenimiento del tubo, un oscilador láser sólido
o a gas que produce un haz monocromático coherente de alta energía,
un camino óptico equipado de espejos de devoluciones o una fibra
óptica que permite llevar el haz láser hacia un cabezal de
soldadura situado enfrente del tubo a soldar.
El cabezal de soldadura incluye clásicamente una
lente o uno o más espejos de focalización de modo a concentrar el
haz láser en uno o más puntos de focalización en el grosor del
material que debe soldarse y a nivel del plano de junta (formación
en "O") obtenido por reunión borde con borde de los bordes
longitudinales de la hoja metálica que debe soldarse con forma de
tubo de modo a concentrar de manera local suficiente densidad de
potencia para fundir el material que debe soldarse.
Habitualmente, el cabezal de soldadura incluye
un dispositivo de suministro de gas que permite la alimentación de
gas de soldadura, llamado incluso gas de asistencia, por mediación
de un tubo de distribución de gas colocado coaxialmente al haz
láser. Este dispositivo de suministro de gas puede ser también
exterior al cabezal de soldadura láser propiamente dicho.
Una solución alternativa para soldar los bordes
que deben unirse uno con otro para formar un tubo consiste en
realizar la fusión de dichos bordes que deben unirse a nivel del
plano de junta por medio de uno o varios arcos eléctricos y
utilizando gas, ya sea como gas de protección, ya sea como gas
activo.
Tales procedimientos de soldadura también se
utilizan corrientemente en la industria; según el caso, se trata de
los procedimientos TIG (Tunsgten Inert Gas), MIG (Metal Inert Gas),
MAG (Metal Active Gas) o incluso de los procedimientos al arco de
plasma o al arco sumergido.
Tales procedimientos de soldadura son descritos,
en particular, por los siguientes documentos:
EP-A-847831,
US-A-4.673.121,
EP-A-136276,
JP-A-58148096,
JP-A-03198998,
JP-A-03198997,
EP-A-896853,
US-A-5.192.016,
US-A-4.738.714,
EP-A-899052,
JP-A-58107294,
EP-A-234623,
US-A-1.872.008,
US-A-4.396.820,
US-A-4.811.888 y
US-A-3.931.489.
El documento WO 96/09135 describe un
procedimiento de soldadura por haz láser y arco eléctrico de dos
partes metálicas, en particular de flancos empalmados.
No obstante, los procedimientos de soldadura por
láser o los procedimientos de soldadura al arco presentan cada uno
inconvenientes que les son propios.
En efecto, la fabricación de un tubo implica, en
general, una fase de formación de un pretubo a partir de una banda
metálica rectangular o fleje, seguida de una fase de soldadura del
pretubo en un tubo soldado.
Según una primera técnica, la soldadura se
realiza axialmente, es decir que la banda metálica se pone
sucesivamente con forma de U y luego de O por aproximación de sus
dos bordes longitudinales paralelos de modo a obtener un pretubo no
soldado, y se efectúa a continuación una soldadura longitudinal o
axial de los dos bordes que deben empalmarse del pretubo con o sin
chaflán para obtener un tubo soldado axialmente, como se esquematiza
en la figura 1.
No obstante, según una segunda técnica, la
soldadura puede ser helicoidal o en espiral. En ese caso, la banda
metálica se somete en primer lugar a una torsión según un movimiento
en espiral de modo a obtener una aproximación o empalme de los dos
bordes longitudinales de dicha banda según un plano de junta que
tiene una forma de espiral o hélice de modo a formar, incluso ahí,
un pretubo no soldado, siendo sometido entonces este pretubo a una
soldadura helicoidal de modo a ensamblar dichos dos bordes para
obtener un tubo soldado.
Por supuesto, en todos los casos, el pretubo y
el cabezal de soldadura son conducidos por un movimiento de
desplazamiento relativo uno con relación al otro, es decir, o bien
el tubo es fijo y el cabezal de soldadura se desplaza, o bien a la
inversa.
La fase de soldadura puede hacerse en uno o más
pasos y por aplicación de uno o más procedimientos de soldadura
según el diámetro y el grosor del pretubo que debe soldarse.
En general, para tubos de pequeños grosores, es
decir, de 1 mm a 6 mm, y de pequeños diámetros, típicamente de 10 a
100 mm, las operaciones de formación y de soldadura de los tubos se
realizan casi simultáneamente.
Para hacer esto, como se mencionó antes, una
máquina equipada de una línea de rodillos prensadores, de perfiles
bien definidos, viene a deformar progresivamente y en continuo la
cinta metálica que se desplaza relativamente con relación a dichos
rodillos, para darla la forma del pretubo deseado, siendo soldados
juntos a continuación los dos extremos o bordes longitudinales del
pretubo para obtener el tubo.
Estas operaciones se efectúan a alta velocidad y
es importante utilizar procedimientos de soldadura que permiten
tener la penetración deseada sin retrasar el proceso de formación,
es decir, también una velocidad mínima deseada que permite
conservar una productividad máxima o, en cualquier caso, la más
elevada posible.
En las líneas de fabricación industriales de
tubos, se utiliza muy a menudo el proceso de soldadura
multi-cátodos que aplica, en general, varios arcos
eléctricos TIG o de plasma alineados en el plano de junta a
soldar.
A veces, se utiliza también la soldadura por
láser para soldar los tubos. En efecto, con respecto al
procedimiento multi-cátodos, la utilización de un
láser permite aumentar las velocidades pero en detrimento de una
mayor precisión que impone entonces una alineación mucho más
precisa de los bordes que deben soldarse así como un control
preciso del juego entre los bordes que deben soldarse, lo que es muy
costoso en cuanto a las herramientas que deben aplicarse.
Un procedimiento que yuxtapone las técnicas
anteriores es descrito por el documento
EP-A-496231 y consiste en soldar
sucesivamente los bordes del pretubo con en primer lugar un haz
láser y luego con un arco entregado por un electrodo en tungsteno.
No obstante, en ese caso, dado que se realizó la soldadura por haz
láser en primer lugar, se plantean problemas similares a los
previamente mencionados.
Además, para tubos de grosores más importantes,
por ejemplo de 6 a 50 mm, la formación y la soldadura no son, en
general, simultáneas. El tubo se pone en primer lugar en su forma
definitiva, es decir, su forma de pretubo, y luego solamente se
suelda.
Para estos grosores, se procede, en general, en
varios pasos, típicamente en tres pasos o más, a saber: un paso
llamado "de abrochado" y dos pasos de soldadura. Para ello, los
bordes que deben empalmarse se achaflanan en X y se crea,
sensiblemente en medio del grosor de la junta, un talón que va a
permitir el abrochado, realizado por soldadura MIG, y así impedir
toda deformación posterior, en los pasos de soldadura subsiguientes.
A continuación, se suelda el tubo así abrochado o
pre-enganchado con ayuda de un procedimiento de
soldadura al arco sumergido inversamente y en el lugar de la junta,
como se muestra en la figura 3.
En vista de ello, uno de los problemas que se
plantea aún es poder disponer de un procedimiento de soldadura que
permite soldar eficazmente los tubos de todo grosor a velocidad
elevada y/o con un número de pasos limitado, es decir,
permitiendo:
- ya sea realizar un paso inicial llamado "de
abrochado" a mayor velocidad (caso de un tubo con chaflán en
X),
- ya sea disminuir el número de pasos (2 en vez
de 3) realizando un chaflán en Y (véase la figura 2) en lugar de un
chaflán en X y efectuando entonces el paso inicial de abrochado o el
paso de fondo a mayor velocidad,
- ya sea, para grosores incluidos entre 6 y 10
mm, realizar la soldadura en un único paso y sin chaflán.
El objetivo de la presente invención es
solucionar los problemas previamente mencionados proponiendo un
procedimiento de fabricación de tubo mejorado que aplica un
procedimiento de soldadura híbrido que combina haz láser y arco
eléctrico.
La solución aportada por la presente invención
es entonces un procedimiento de fabricación de un tubo soldado
según la reivindicación 1.
En el marco de la invención, los bordes
longitudinales pueden acercarse uno a otro:
- para obtener un plano y/o una junta de
soldadura ya sea aproximadamente rectilínea, ya sea de forma
helicoidal;
- ya sea de manera continua, es decir,
acercándose los bordes progresiva y localmente uno a otro al mismo
tiempo que el desplazamiento, la formación en "O" y la
soldadura de la hoja metálica; ya sea globalmente, es decir, que
los dos bordes se acercan en su totalidad uno a otro, y luego
solamente se sueldan (caso de los tubos de grosor importante).
Según el caso, el procedimiento de la invención
puede incluir una o varias de las siguientes características:
- La banda metálica se pone en movimiento
relativo con relación al haz láser y el arco eléctrico que se fijan
de manera que se realiza una junta soldada continua entre dichos dos
bordes longitudinales, de preferencia la banda metálica se pone en
movimiento por medio de rodillos de arrastre.
- La banda tiene un grosor superior o igual a 10
mm y a lo sumo de 100 mm. En ese caso, no hay inevitablemente
formación y soldadura casi simultáneas, sino más generalmente
formación en "O" por puesta en contacto borde con borde de la
totalidad de los dos bordes de la hoja metálica, y luego solamente
soldadura de éstos.
- La hoja tiene un grosor inferior a 10 mm, en
particular de 1 mm a 6 mm.
- El haz láser es emitido por un láser de tipo
Nd:YAG o CO_{2}.
- El arco eléctrico es un arco de plasma, de
preferencia el haz láser y dicho arco son entregados por un único
cabezal de soldadura.
- Los bordes que deben soldarse son achaflanados
o trabajados a máquina de manera a crear un talón que hace saliente
con relación a la superficie de los bordes que deben soldarse y
soldándose juntos a continuación dichos talones por aplicación del
haz láser y del arco eléctrico.
- Los bordes que deben soldarse se sueldan en un
único paso de soldadura.
- El gas de asistencia del haz láser y el gas
para el arco eléctrico se eligen entre argón, helio, nitrógeno,
hidrógeno, oxígeno, dióxido de carbono o sus mezclas.
- La velocidad de soldadura se incluye entre 5
m/min y 20 m/min.
- La banda metálica es de un metal o una
aleación metálica elegida entre los aceros al carbono, los aceros
inoxidables, tales como los aceros austeníticos, ferríticos,
martensíticos o a dos caras; los aceros de límites elásticos
elevados; los aceros revestidos o no, las aleaciones al níquel, las
aleaciones cuprosas y las aleaciones de titanio.
- Se realiza una junta de soldadura de forma
helicoidal o espiral.
La invención trata también sobre una utilización
de un procedimiento de soldadura híbrido láser-arco,
en particular láser-plasma, aplicando de una manera
aproximadamente simultánea al menos un haz láser y al menos un arco
eléctrico, de preferencia un arco-plasma, para
soldar juntos dos bordes longitudinales de una banda metálica, que
son acercados uno a otro de manera a quedar aproximadamente en
contacto uno con otro y formar así un pretubo no soldado, y obtener
un tubo metálico soldado por combinación de dichos al menos un haz
láser y al menos un arco eléctrico.
Dicho diferentemente, el objeto de la invención
es la utilización de la combinación láser/arco eléctrico ya sea
para formar/soldar los tubos en el caso de grosores inferiores a 6
mm, ya sea soldar los tubos de grosores incluidos entre 6 y 10 mm
en un único paso, ya sea realizar el paso de abrochado sobre
chaflanes en X o en Y.
Eso permite, en todos los casos, aumentar las
velocidades de soldadura y/o disminuir el número de pasos sin
renunciar a las tolerancias de abordaje que, por ello, siguen siendo
bastante amplias y ello permite, además, mejorar la productividad
del procedimiento de fabricación gracias al ahorro de tiempo que se
deriva.
En efecto, la utilización de un haz láser
solamente no permite efectuar las mismas operaciones con la misma
latitud de localización de la junta, mientras que el procedimiento
de soldadura de plasma solamente no permite alcanzar las
velocidades de soldadura deseadas.
De manera general, el procedimiento de soldadura
de plasma-láser o de láser-arco es
un procedimiento de soldadura híbrido o mixto que asocia la
soldadura al arco eléctrico a un haz láser.
El procedimiento de plasma-láser
consiste en generar un arco eléctrico entre un electrodo, fusible o
no fusible, y la pieza que debe soldarse, y en concentrar un haz
láser de potencia, en particular un láser de tipo YAG o de tipo
CO_{2}, en la zona de arco, es decir, al nivel o en el plano de
junta obtenido por reunión borde con borde de las partes del
pretubo que deben soldarse entre sí.
Tal procedimiento híbrido permite mejorar
considerablemente las velocidades de soldadura con relación a la
soldadura láser solamente o a la soldadura al arco o al plasma
solamente.
Como previamente se mencionó, tal procedimiento
híbrido permite también aumentar notablemente las tolerancias de
localización de los bordes del pretubo antes de la soldadura, así
como el juego tolerado entre los bordes que deben soldarse, en
particular con relación a la soldadura por haz láser solamente que
exige una precisión importante de localización de las partes que
deben soldarse debido al pequeño tamaño del punto focal del haz
láser.
La aplicación de un procedimiento de
plasma-láser, y más generalmente de un procedimiento
de arco-láser, requiere la utilización de un
cabezal de soldadura que permite combinar en un espacio reducido el
haz láser y su dispositivo de focalización, así como un electrodo
de soldadura adaptado. Se describen varias configuraciones de
cabezal en los documentos mencionados más adelante, y se puede
decir, en resumen, que el haz láser y el arco eléctrico o el chorro
de plasma pueden ser entregados por un único y mismo cabezal de
soldadura, es decir salen por el mismo orificio, o sino por dos
cabezales de soldadura distintos, uno que entrega el haz láser y el
otro el arco eléctrico o el chorro de plasma, reuniéndose éstos en
la zona de soldadura.
Distintos procedimientos de soldadura híbridos
arco y láser se han descrito, en particular, en los documentos
EP-A-793558;
EP-A-800434;
US-A-5.006.688;
US-A-5.700.989;
EP-A-844042; Laser GTA'Welding of
aluminium alloy 5052, TP Diebold y CE Albright, 1984, págs.
18-24; SU-A-1815085,
US-A-4.689.466; Plasma arc augmented
laser welding, RP Walduck y J Biffin, págs. 172-176,
1994; o TIG or MIG arc augmented laser welding of thick mild steel
plate, Joining and Materials, de J Matsuda y otros, págs.
31-34, 1988.
En el marco de la presente invención, se podrá
aplicar uno u otro de estos procedimientos de manera indiferente
pero a condición de adaptarlo al caso particular, es decir a la
soldadura de tubos, puesto que estos documentos no se refieren a la
soldadura de tubos.
En efecto, los procedimientos híbridos de
arco-láser hasta ahora se habían considerado
adaptados perfectamente a la soldadura de los flancos empalmados (o
"tailored blanks") para la industria del automóvil, en el
sentido de que, además de las ventajas anteriormente citadas,
permiten obtener un cordón de soldadura bien mojado y libre de
conductos, como lo recuerda el documento
EP-A-782489 o el documento Laser
plus arc equals power, Industrial Laser Solutions, febrero de 1999,
págs. 28-30.
Claims (11)
1. Procedimiento de fabricación de un tubo
soldado a partir de una banda metálica que tiene dos bordes
longitudinales que se acercan uno a otro para quedar
aproximadamente en contacto uno con otro y formar así un pretubo no
soldado, soldándose a continuación uno con otro los dos bordes
longitudinales de la banda metálica que tiene una forma de pretubo
para obtener un tubo metálico soldado por aplicación, de manera
aproximadamente simultánea, de al menos un haz láser y de al menos
un arco eléctrico, caracterizado porque dicho arco y dicho
haz láser se combinan uno con otro en un único punto de impacto o
zona de impacto al nivel del plano de junta que debe soldarse de
manera a obtener una fusión localizada del metal de los bordes que
deben unirse por acción del haz láser y del arco eléctrico así
combinados uno con otro.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la banda metálica se pone en movimiento
relativo con relación al haz láser y el arco eléctrico que están
fijos de modo a realizar una junta soldada continua entre dichos
dos bordes longitudinales, de preferencia la banda metálica se pone
en movimiento por medio de rodillos de arrastre.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la banda tiene
un grosor superior o igual a 10 mm y a lo sumo de 100 mm.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la hoja tiene un
grosor inferior a 10 mm, en particular de 1 mm a 6 mm.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el haz láser es
emitido por un láser de tipo Nd:YAG o CO_{2} y/o porque el arco
eléctrico es un arco de plasma, de preferencia el haz láser y dicho
arco son entregados por un único cabezal de soldadura.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los bordes que
deben soldarse son achaflanados o trabajados a máquina para crear
un talón que hace saliente con relación a la superficie de los
bordes que deben soldarse y soldándose juntos a continuación dichos
talones por aplicación del haz láser y del arco eléctrico.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1, 2 ó 4 a 6, caracterizado porque los
bordes que deben soldarse se sueldan en un único paso de
soldadura.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1, 2 ó 4 a 6, caracterizado porque el gas de
asistencia del haz láser y el gas para el arco eléctrico se eligen
entre argón, helio, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, dióxido de
carbono o sus mezclas.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la velocidad de
soldadura se incluye entre 5 m/min y 20 m/min.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la banda
metálica es en un metal o una aleación metálica elegida entre los
aceros al carbono, los aceros inoxidables, los aceros de límites
elásticos elevados, los aceros revestidos o no, las aleaciones al
níquel, las aleaciones cuprosas y las aleaciones de titanio.
11. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque se realiza una
junta de soldadura de forma helicoidal o espiral.
Applications Claiming Priority (2)
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