ES2350654T3 - Procedimiento de soldadura híbrida por láser y arco de piezas metálicas que presentan un revestimiento superficial que contiene aluminio. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de soldadura mediante haz (3) de láser de al menos una pieza (1) de acero que presenta un revestimiento superficial (2) que contiene aluminio, en el que el revestimiento (2) contiene principalmente aluminio y silicio (Al/Si), caracterizado porque el haz (3) de láser se combina con al menos un arco eléctrico (4) de manera a llevar a cabo una fusión del metal y la soldadura de dicha o dichas piezas (1), y porque al menos una de las piezas (1) presenta, previamente a su soldadura, (2a, 2b) depósitos del revestimiento Al/Si (2) sobre la superficie de uno de sus cantos (1a) laterales que se debe soldar.

Description

Procedimiento de soldadura híbrida por láser y arco de piezas metálicas que presentan un revestimiento superficial que contiene aluminio.

La presente invención se refiere a un procedimiento de soldadura híbrida por láser y arco de una o más piezas metálicas que presentan una capa o un revestimiento superficial aluminado, es decir que contiene aluminio, según el preámbulo de la reivindicación 1 (véase, por ejemplo, el documento US 2005/011870.

Los materiales conformables en caliente, es decir a aproximadamente 900ºC, como el USIBOR 1500 que se forma con acero 22 Mn B 5 (que contiene especialmente el 0,22% de C, el 1,25% de Mn, y B) , con un limite de elasticidad muy elevado (acero THLE), se recubren generalmente con una capa o revestimiento a base de aluminio y de silicio, denominada "capa Al-Si", por ejemplo formada con el 90% de Al + el 10% de Si (% en masa), para impedir la aparición de oxidación y por lo tanto de calamina durante el tratamiento térmico.

En efecto, en ausencia de esta capa Al-Si, si aparece calamina en superficie, se debe retirar la capa de calamina mediante arenado o cualquier otra técnica equivalente y, por lo tanto, requiere una operación adicional que genera un sobrecoste importante y una pérdida de productividad desde el punto de vista industrial.

Además, la capa Al-Si sirve también de lubricante de superficie, durante la embutición en caliente de la chapa.

El grosor de esta capa es generalmente de aproximadamente 30 \mum sobre, por ejemplo, USIBOR 1500 y, después de tratamiento térmico, alcanza aproximadamente entre 40 y 45 \mum, según la duración del tratamiento, mediante difusión del hierro en la capa y del aluminio en el hierro. El valor elevado de 45 \mum es generalmente un valor limite ya que, si es superior, la capa se vuelve demasiado quebradiza.

Esta capa Al-Si aumenta las resistencias de contacto en soldadura por punto mediante resistencia, lo cual sugiere que es menos conductora que un acero no revestido.

Las piezas de acero realizadas con este tipo de revestimiento son principalmente piezas de estructura, en particular piezas de vehículos automóviles, como los pilares centrales, los refuerzos anti-intrusión, las traviesas de parachoques... Sin embargo, se usan también tubos de acero recubiertos con una capa Al-Si para fabricar diversas estructuras tales como, por ejemplo, tubos de escape.

Los grosores clásicos de estas piezas revestidas están comprendidos entre 0,8 mm y 2,5 mm.

De manera general, el uso de este tipo de piezas con revestimiento Al-Si tiende a desarrollarse en gran medida, ya que este tipo de revestimiento permite evitar especialmente los depósitos de calamina anteriormente mencionados, mientras que estas piezas de estructuras se pueden embutir únicamente en caliente y sus características mecánicas sólo se obtienen después de un tratamiento térmico realizado inmediatamente después de la embutición.

Sin embargo, estas chapas deben cortarse antes de ser soldadas y embutidas. Este corte se realiza habitualmente o bien mediante cizallado o bien mediante corte por haz de láser.

El procedimiento de corte de láser presenta la ventaja de no aportar revestimiento sobre los bordes laterales cortados. Sin embargo, este procedimiento es muy caro en términos de inversión, ya que requiere la adquisición de una instalación completa de corte de láser, lo que dificulta su difusión desde el punto de vista industrial.

Por otra parte, el procedimiento de corte mediante cizallado es menos costoso y, por lo tanto, está más difundido en la industria, pero presenta el importante inconveniente de arrastrar parte del revestimiento Al-Si sobre el canto de la pieza, por efecto de deslizamiento.

Ahora bien, durante una posterior operación de soldadura mediante haz de láser en configuración de borde contra borde unidos (unión a tope), de chapas o piezas de acero aluminadas recortadas mediante cizallado, se observa, después de la soldadura, la presencia en el cordón de soldadura de una fase menos resistente a la tracción que el metal de base y que la zona fundida.

Un análisis químico de la composición de esta fase muestra que contiene un porcentaje de aluminio (> 1,2% en masa) suficientemente importante como para impedir la transformación austenítica del acero. En efecto, dado que el aluminio es un elemento alfágeno, más allá de un cierto contenido, éste impide la transformación austenítica de los aceros. Durante el enfriamiento, la microestructura de la fase no cambia y permanece en forma de ferrita \delta, con una dureza cercana a 230 Hv.

Por su parte, la matriz experimenta una transformación austenítica y, a continuación, martensítica/bainítica que conduce a una dureza del orden de 450 Hv.

Existen compuestos intermetálicos para valores de aluminio del 13% (Fe_{3}Al), el 33% (FeAl) , etc... Estos valores se han medido en las muestras realizadas sólo con láser.

Dicho de otro modo, nos encontramos en presencia de una fase menos resistente que la matriz, y ello conlleva una disminución de las características mecánicas del montaje.

Esta fase no se coloca de nuevo en solución en la matriz durante el calentamiento a 900ºC (austenitización), ya que se suprime la transformación austenítica, y por consiguiente, durante la embutición a 900ºC que sigue a la operación de unión a tope, existen riesgos de fisuración, dado que esta fase tiene una resistencia a la rotura inferior a la de la matriz en forma de austenita, a esta temperatura. Por otra parte, después de unas pruebas mecánicas de dicho cordón, se observa que la resistencia global de la soldadura es inferior a la del metal de base, lo que conduce a una pieza no conforme con las especificaciones.

El problema que se plantea consiste, por lo tanto, en proponer un procedimiento de soldadura eficaz de piezas aluminadas, es decir piezas que presentan un revestimiento Al-Si en superficie, que permita especialmente la obtención de una junta por soldadura que presenta buenas características, incluso cuando las piezas se han cortado mediante cizallado y no han pasado por una etapa de preparación de las superficies de sus cantos laterales.

La solución de la invención es un procedimiento de soldadura mediante haz de láser de al menos una pieza metálica que presenta un revestimiento superficial que contiene aluminio, según la reivindicación 1.

Dicho de otro modo, durante la soldadura propiamente dicha se combina un arco eléctrico con un haz de láser para fundir el metal de la o las piezas a ensamblar, apuntando simultáneamente a un punto o una zona de soldadura común única.

Según el caso, el procedimiento de la invención puede incluir una o más de las siguientes características:

- el revestimiento tiene un grosor comprendido entre 5 y 45 \mum;

- al menos una de las piezas es de acero;

- al menos una de las piezas tiene un grosor comprendido entre 0,5 y 4 mm, preferiblemente del orden de 0,8 a 2,5 mm;

- el arco es emitido por un electrodo de soldadura de tungsteno, es decir un portaelectrodos TIG, o se forma en el extremo de un hilo fusible;

- se sueldan dos piezas cuyos extremos se unen, o los dos bordes de una misma pieza que se han acercado el uno del otro, en particular los dos bordes longitudinales de un tubo;

- durante la soldadura, se emplea una protección gaseosa de al menos una parte del cordón de soldadura utilizando un gas de protección elegido entre mezclas de helio/argón o argón puro;

- el haz de láser se genera mediante un generador de láser del tipo CO_{2}, Nd:YAG, de diodos o de fibra de iterbio.

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La invención se entenderá mejor gracias a la siguiente descripción, proporcionada a titulo ilustrativo pero no limitativo, en referencia a las figuras adjuntas.

La figura 1 representa un esquema, en corte transversal, de una pieza 1 de acero aluminada, es decir recubierta con una capa 2 o revestimiento Al-Si, a saber una capa superficial con base de aluminio y de silicio, por ejemplo formada por un 90% de Al + un 10% de Si y destinada especialmente a impedir la oxidación y, por lo tanto, la aparición de calamina después de un tratamiento térmico de la pieza. La pieza posee un grosor de, por ejemplo, 1,5 mm y la capa Al-Si, por ejemplo, un grosor (E) de 30 \mum aproximadamente. Esta pieza 1 ha sido recortada mediante cizallado, lo cual ha generado, por efecto de deslizamiento, depósitos nefastos 2a, 2b de una parte del revestimiento 2 de Al-Si en el canto la de la pieza 1.

Las figuras 2 y 3 esquematizan dos modos de realización de procedimientos híbridos de láser-arco según la invención, para ensamblar entre sí dos piezas 1 de acero aluminadas recortadas mediante cizallado, tal como la pieza de la figura 1.

Más concretamente, la figura 2 muestra el principio de un procedimiento de soldadura híbrida láser-TIG, mientras que la figura 3 representa el principio de un procedimiento de soldadura híbrida láser/MIG/MAG.

En efecto, si se desea aumentar la proporción de dilución del acero en el cordón de soldadura para disminuir el contenido de aluminio en la zona fundida y mejorar de este modo la homogeneidad de la misma, se realiza preferiblemente una soldadura híbrida láser-TIG (figura 2). En este caso, el haz 3 de láser se combina con un arco eléctrico 4 emitido por un portaelectrodos de soldadura TIG equipado con un electrodo 5 no fusible de tungsteno.

El uso de la soldadura híbrida láser-TIG, en configuración de haz de láser delante del arco, es decir que el láser va a golpear al menos una pieza para soldar inmediatamente antes que el arco, permite aumentar el tamaño de la zona fundida y, por consiguiente, permite una mayor participación del acero, que es pobre en aluminio (elemento alfágeno) y rico en manganeso (elemento gamágeno), más importante en la zona fundida.

Al ser aportado el aluminio únicamente por la capa de protección Al-Si, las mediciones muestran que la proporción de revestimiento vaporizado durante la operación de soldadura es mucho más importante que el valor medido en la zona fundida.

El aporte de un arco detrás del láser y/o de una fuente de energía adicional, por ejemplo un desenfoque del haz de láser o una mancha focal oblonga, permite homogeneizar la zona fundida y, por lo tanto, suprimir las concentraciones locales de aluminio superiores al 1,2%, que son creadoras de fases de ferrita \delta.

Dicho de otro modo, llevar a cabo una soldadura híbrida láser-TIG permite disminuir la proporción de aluminio en la zona fundida mediante un aumento del volumen de metal fundido, así como una homogeneización de la zona fundida, eliminando de este modo las concentraciones locales superiores al 1,2% de aluminio.

Por el contrario, si se desea preferiblemente aportar elementos gamágenos, tales como Mn, Ni, Cu, etc..., para aumentar el campo austenítico que permite las transformaciones de fases en la soldadura, es decir para contrarrestar el efecto alfágeno del aluminio a la vez que se mejora la homogeneidad de la zona fundida, se realiza preferiblemente una soldadura híbrida láser-MIG (figura 3). En este caso, el haz 3 de láser se combina con un arco eléctrico 4 emitido por un portaelectrodos para soldadura MIG/MAG equipado con un electrodo de hilo 6 fusible, tal como un hilo 6 de soldadura revestido (flux cored wire en inglés) o hilo macizo (solid wire en inglés). La elección del hilo 6 mejor adaptado se realiza en función de la composición del metal de base, de las características del cordón deseadas...

De hecho, la soldadura híbrida láser-MIG, en configuración de láser delante del arco, permite utilizar un hilo revestido o similar que contiene elementos gamágenos (Mn, Ni, Cu, etc...) favorable para el mantenimiento de una transformación austenítica en toda la zona fundida.

El aporte de energía adicional del arco eléctrico y/o el desenfoque del haz de láser permiten homogeneizar la zona fundida y, por consiguiente, suprimir la presencia de ferrita \delta.

Ejemplo comparativo

Se han soldado dos piezas de USIBOR 1500 de 1,8 mm de grosor, con una capa Al/Si de 30 \mum. Las piezas presentaban depósitos de Al en su canto que son característicos de un corte mediante cizallado.

El gas empleado para la protección es Arcal 37 comercializado por la sociedad AIR LIQUIDE, es decir una mezcla de 70% de helio y 30% de argón (% en volumen).

Se han soldado estas piezas empleando:

- el procedimiento híbrido de arco-láser de la invención con un láser del tipo CO_{2} de una potencia de 6 kW con una línea focal de 250 mm, un arco generado por un portaelectrodos del tipo TIG/AC de intensidad 200 A y de tensión 16 v, una distancia electrodo/haz de 2 mm, una velocidad de soldadura de 4 m/min; y, a título comparativo,

- un procedimiento de soldadura de láser clásica de una potencia de 6 kW con una línea focal de 250 mm y una velocidad de 4 m/min.

Los resultados comparativos obtenidos se dan en la siguiente tabla:

1

Los resultados obtenidos muestran que los valores de tracción (Rm y % de A) son favorables para el procedimiento híbrido láser-TIG, ya que, con el procedimiento según la invención, el limite de deformación elástica del material soldado es sensiblemente idéntico, mientras que se observa una mejora muy notable del limite de rotura después de la deformación plástica y del de alargamiento del material.

Claims (11)

1. Procedimiento de soldadura mediante haz (3) de láser de al menos una pieza (1) de acero que presenta un revestimiento superficial (2) que contiene aluminio, en el que el revestimiento (2) contiene principalmente aluminio y silicio (Al/Si), caracterizado porque el haz (3) de láser se combina con al menos un arco eléctrico (4) de manera a llevar a cabo una fusión del metal y la soldadura de dicha o dichas piezas (1), y porque al menos una de las piezas (1) presenta, previamente a su soldadura, (2a, 2b) depósitos del revestimiento Al/Si (2) sobre la superficie de uno de sus cantos (1a) laterales que se debe soldar.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el revestimiento (2) tiene un grosor (E) comprendido entre 5 y 45 \mum.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque el revestimiento (2) tiene un grosor (E) comprendido entre aproximadamente 30 \mum y 45 \mum.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el revestimiento (2) tiene un grosor (E) de 30 \mum.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque al menos una de las piezas (1) tiene un grosor comprendido entre 0,5 y 4 mm, preferiblemente del orden de 0,8 a 2,5 mm.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque las piezas (1) presentan depósitos de dicho revestimiento (Al/Si) (2), sobre la superficie de uno de sus cantos laterales (1a) que se deben soldar, resultantes de un corte mediante cizallado de dicha pieza.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el arco (4) es emitido por un electrodo de soldadura de tungsteno (5) o se forma en el extremo de un hilo fusible (6).

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porgue se sueldan dos piezas (1) colocadas en posición extremo contra extremo, o los dos bordes de una misma pieza, cuyos bordes han sido aproximados el uno al otro, en particular los dos bordes longitudinales de un tubo.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque, durante la soldadura, se emplea una protección gaseosa de al menos una parte del cordón de soldadura, utilizando un gas de protección elegido entre mezclas de helio/argón o argón puro.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el haz (3) de láser se genera mediante un generador de láser de tipo CO_{2}, Nd:YAG, de diodos o de fibra de iterbio.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque se suelda una pieza (1) de acero recubierta con un revestimiento superficial (2) formado con un 90% de aluminio y un 10% de silicio (% en masa).