ES2423292T3 - Procedimiento de soldadura híbrida por láser-arco de piezas metálicas revestidas que contienen principalmente aluminio y silicio - Google Patents

Procedimiento de soldadura híbrida por láser-arco de piezas metálicas revestidas que contienen principalmente aluminio y silicio Download PDF

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Abstract

Procedimiento de soldadura híbrida por láser-arco de al menos una pieza de acero (1) que presenta unrevestimiento (2) de superficie donde el revestimiento (2) contiene principalmente aluminio y silicio y tiene unespesor (E) comprendido entre 5 mm y 45 mm, caracterizado por los aspectos siguientes: - se pone en práctica un haz láser (3) y un arco (4) eléctrico que se combinan uno al otro para incidirsimultáneamente en un sitio o una zona de soldadura común única y fundir en ella el metal de la pieza o las piezasque hay que ensamblar, - el haz láser (3) es generado por un generador láser de tipo CO2, de diodos o de fibra de iterbio, y - se sueldan dos zonas puestas en posición unidas por los bordes o los dos bordes de una misma pieza cuyosbordes son aproximados uno al otro.

Description

Procedimiento de soldadura hibrida por laser-arco de piezas metalicas revestidas que contienen principalmente aluminio y silicio
La presente invencion se refiere a un procedimiento de soldadura hibrida por laser-arco de una o varias piezas 5 metalicas que presentan una capa o un revestimiento de superficie aluminado, es decir que contiene aluminio, de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1 (vease por ejemplo el documento US 2005 / 011 870.
Los materiales embutibles en caliente, es decir aproximadamente a 900 DC, como el USIBOR 1500, que esta formado de acero 22 Mn, B 5 (que contiene especialmente 0,22% de C, 1,25% de Mn y B), de limite elastico muy elevado (acero THLE) estan recubiertos generalmente por una capa o revestimiento a base de aluminio y de silicio,
10 denominada « capa Al-Si » formada por ejemplo de 90% Al + 10% Si (% en masa), para impedir la oxidacion y por tanto que aparezca calamina durante un tratamiento termico.
En efecto, en ausencia de esta capa de Al-Si, si aparece calamina en superficie, la capa de calamina debe ser retirada por chorreado de arena o por cualquier otra tecnica equivalente, y por tanto necesita una operacion suplementaria que genera un sobrecoste importante y una perdida de productividad en el plano industrial.
15 Ademas, la capa de Al-Si sirve tambien de lubricante de superficie, durante la embuticion en caliente de la chapa.
El espesor de esta capa es generalmente de aproximadamente 30 μm en el USIBOR 1500 por ejemplo y, despues de un tratamiento termico, llega hasta aproximadamente 40 μm a 45 μm, segun la duracion del tratamiento, por difusion del hierro en la capa y del aluminio en el hierro. El valor alto de 45 μm es generalmente un valor limite porque por encima de este la capa se hace demasiado quebradiza.
20 Esta capa de Al-Si aumenta las resistencias de contacto en la soldadura por puntos por resistencia, lo que sugiere que esta 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 vehiculos automoviles, como los pies centrales, los refuerzos anti-intrusion, los travesafos de parachoques. Sin embargo, se utilizan tambien tubos de acero recubiertos de una capa de Al-Si para fabricar
25 diversas estructuras, tales como por ejemplo tubos de escape.
Los espesores clasicos de estas piezas revestidas estan comprendidos entre 0,8 mm y 2,5 mm.
De modo general, la utilizacion de este tipo de piezas con revestimiento de Al-Si tiende a desarrollarse de modo importante porque este tipo de revestimiento permite evitar especialmente los depositos de calamina antes mencionados, mientras que estas piezas de estructuras son embutibles unicamente en caliente y sus caracteristicas
30 mecanicas solamente se obtienen despues de un tratamiento termico realizado justo despues del conformado.
Sin embargo, estas chapas deben ser recortadas antes de ser soldadas y luego embutidas. Este recorte se hace habitualmente por cizalladura, o por corte por haz laser.
El procedimiento de corte por laser presenta la ventaja de no aportar revestimiento sobre los bordes laterales recortados. Si embargo, este procedimiento es caro en terminos de inversion porque necesita la adquisicion de una
35 instalacion completa de corte por laser, lo que bloquea su difusion en el plano industrial.
Por otra parte, el procedimiento de recorte por cizalladura es el menos caro, por tanto el mas difundido en la industria, pero presenta el gran inconveniente de arrastrar a una parte del revestimiento de Al-Si sobre el canto de la pieza y esto por efecto de deslizamiento.
Ahora bien, durante una operacion subsiguiente de soldadura por haz laser en configuracion de union de borde con
40 borde (soldadura a tope), de chapas o piezas de acero aluminadas recortadas por cizalladura, se constata, despues de la soldadura, la presencia en el cordon de soldadura de una fase menos resistente a la traccion que el metal de base y que la zona fundida.
Un analisis quimico de la composicion de esta fase muestra que esta contiene un porcentaje de aluminio (> 1,2% en masa) suficientemente importante para impedir la transformacion austenitica del acero. En efecto, siendo el aluminio
45 un elemento alfageno, por encima de un cierto contenido este impide la transformacion austenitica de los aceros. Durante el enfriamiento, la microestructura de la fase no cambia y permanece en forma de ferrita δ, que tiene una dureza proxima a 230 Hv.
Cuando la matriz ha sufrido una transformacion austenitica, despues martensitica/bainitica presenta una dureza del orden de 450 Hv.
50 Existen compuestos intermetalicos para valores de aluminio del 13% (Fe3Al), 33% (FeAl), etc. Estos valores han sido medidos en las muestras realizadas en laser solo.
En otras palabras, se esta en presencia de una fase menos resistente que la matriz y esta provoca una disminucion de las caracteristicas mecanicas del ensamblaje.
Esta fase no es puesta en solucion en la matriz durante el calentamiento a 900 DC (austenizacion) porque se suprime la transformacion austenitica y, por consiguiente, durante la embuticion a 900 DC que sigue a la operacion de soldadura a tope, hay riesgo de fisuracion dado que esta fase tiene una resistencia a la rotura menor que la matriz en forma de austenita, a esta temperatura. Por otra parte, despues de ensayos mecanicos de un cordon de este tipo, se constata que la resistencia global de la soldadura es mas baja que la del metal de base, lo que conduce a una pieza no conforme con las especificaciones.
El documento US -A- 2005/0011870 propone soldar los materiales revestidos de una capa de Al/Si por haz laser. A fin de producir una microestructura mas homogenea, el haz laser pasa varias veces seguidas sobre la junta de soldadura.
Por otra parte, se conoce el documento JP -A- 2002-160082 que propone soldar placas revestidas de cinc o de una aleacion de cinc por puesta en practica de dos etapas sucesivas de soldadura, a saber una primer etapa de soldadura laser, y una segunda etapa de soldadura al arco.
Finalmente, el documento EP -A-1 669 153 propone realizar una soldadura por puntos de acero revestido de una aleacion ternaria de aluminio, de silice y de hierro.
El problema que se plantea es por tanto proponer un procedimiento de soldadura eficaz de piezas aluminadas, es decir de piezas que presenten un revestimiento de Al-Si en superficie, que permita especialmente obtener una junta de soldadura que presente buenas caracteristicas, incluso cuando las piezas hayan sido recortadas por cizalladura y no hayan sido sometidas a una etapa de preparacion de las superficies de sus cantos laterales.
La solucion de la invencion es un procedimiento de soldadura hibrida laser/arco de al menos una pieza de acero que presenta un revestimiento de superficie tal como el definido en la reivindicacion 1. De acuerdo con la invencion, un arco electrico se combina con el haz laser para fundir el metal de la pieza o de las piezas que hay que ensamblar incidiendo simultaneamente en un sitio o una zona de soldadura comun unica.
Dependiendo del caso, el procedimiento de la invencion puede comprender una o varias de las caracteristicas siguientes:
-
el revestimiento tiene un espesor comprendido entre aproximadamente 30 μm y 45 μm.
-
el revestimiento tiene un espesor de aproximadamente 30 μm.
-
el revestimiento de superficie esta formado por 90% de aluminio y 10% de silicio (% en masa).
-
al menos una de las piezas tiene un espesor comprendido entre 0,5 mm y 4 mm, preferentemente del orden de 0,8 mm a 2,5 mm.
-
al menos una de las piezas presenta, previamente a su soldadura, depositos del citado revestimiento, especialmente de Al/Si, sobre la superficie de uno de los cantos laterales.
-
el arco es facilitado por un electrodo de soldadura de tungsteno, es decir una antorcha TIG.
-
el arco se forma en la extremidad de un alambre fusible.
-
durante la soldadura, se pone en practica una proteccion gaseosa de al menos una parte del cordon de soldadura utilizando un gas de proteccion elegido entre mezclas de Helio/Argon o Argon puro.
La invencion se comprendera mejor gracias a la descripcion que sigue, dada a titulo ilustrativo pero no limitativo, refiriendose a las Figuras anejas.
La Figura 1 representa un esquema, en corte transversal, de una pieza 1 de acero aluminado, es decir recubierta de una capa 2 o revestimiento de Al-Si, a saber una capa de superficie a base de aluminio y de silicio, por ejemplo formada de 90% de Al + 10% de Si y destinada especialmente a impedir la oxidacion y por tanto la aparicion de calamina despues de un tratamiento termico de la pieza.
La pieza tiene un espesor de por ejemplo 1,5 mm y la capa de Al-Si, por ejemplo, un espesor (E) de aproximadamente 30 μm. Esta pieza 1 ha sido recortada por cizalladura, lo que ha provocado, por efecto de deslizamiento, depositos nefastos 2a, 2b de una parte del revestimiento 2 de Al-Si sobre el canto 1a de la pieza 1.
Las Figuras 2 y 3 esquematizan dos modos de realizacion de procedimientos hibridos por laser-arco de acuerdo con la invencion para ensamblar entre si dos piezas 1 de acero aluminadas recortadas por cizalladura, tal como la pieza de la Figura 1.
De modo mas preciso, la Figura 2 muestra el principio de un procedimiento de soldadura hibrida por laser y TIG mientras que la Figura 3 representa el principio de un procedimiento de soldadura hibrida por laser y MIG/MAG.
En efecto, si se desea aumentar la tasa de dilucion del acero en el cordon de soldadura para disminuir el contenido de aluminio en la zona fundida y mejorar asi la homogeneidad de esta, se realiza mas bien una soldadura hibrida por laser y TIG (vease la Fig. 2).
En este caso, el haz laser 3 es combinado con un arco electrico 4 facilitado por una antorcha de soldadura TIG equipada con un electrodo 5 no fusible de tungsteno.
La utilizacion de la soldadura hibrida por laser y TIG, en configuracion de haz laser delante del arco, es decir que el laser incidira en al menos una pieza que hay que soldar inmediatamente delante de arco, permite aumentar el tamafo de la zona fundida y por consiguiente permite una mayor participacion del acero, que es pobre en aluminio (elemento alfageno) y rico en manganeso, en la zona fundida.
Siendo aportado el aluminio unicamente por la capa de proteccion de Al-Si, mediciones muestran que la proporcion de revestimiento vaporizado durante la operacion de soldadura es mucho mayor que el valor medido en la zona fundida.
La aportacion de un arco detras del laser y/o de una fuente de energia suplementaria, por ejemplo desfocalizacion del haz laser o mancha focal oblonga, permite homogeneizar la zona fundida, y por tanto suprimir las concentraciones locales de aluminio superiores al 1,2 % que son creadoras de fases de ferrita δ.
Dicho de otro modo, realizar una soldadura hibrida por laser y TIG permite disminuir la proporcion de aluminio en la zona fundida por aumento del volumen de metal fundido, asi como una homogeneizacion de la zona fundida, eliminado asi las concentraciones locales superiores al 1,2% de aluminio.
Por el contrario, si se desea mas bien aportar elementos gammagenos, tales como Mn, Ni, Cu, etc ., con el fin de aumentar el ambito austenitico que permita las transformaciones de fases en la soldadura, es decir para contrarrestar el efecto alfageno del aluminio al tiempo que se mejore la homogeneidad de la zona fundida, se realiza entonces preferentemente una soldadura hibrida por laser y MIG (vease la Fig.3).
En este caso, el haz laser 3 es combinado con un arco electrico 4 facilitado por una antorcha de soldadura MIG/MAG equipada con un electrodo alambrico 6 fusible, tal como un alambre 6 de soldadura forrado (flux cored wire en ingles) o macizo (solid wire en ingles). La eleccion de alambre 6 mas adaptada se hace en funcion de la composicion del metal de base, de las caracteristicas de cordon deseadas.
De hecho, la soldadura hibrida por laser y MIG, en configuracion de laser delante del arco, permite utilizar un alambre forrado o analogo que contenga elementos gammagenos (Mn, Ni, Cu, etc.) favorable para el mantenimiento de una transformacion austenitica en toda la zona fundida.
La aportacion de energia suplementaria del arco electrico y/o la desfocalizacion del haz laser permiten homogeneizar la zona fundida y, por consiguiente, suprimir la presencia de ferrita δ.
Ejemplo comparativo.
Se han soldado 2 piezas de USIBOR 1500 de 1,8 mm de espesor con capa de Al/Si de 30 μm. Las piezas presentaban depositos de Al sobre su canto que son caracteristicos de un recorte por cizalladura.
El gas utilizado para la proteccion es Arcal 37 comercializado por la sociedad AIR LIQUIDE, a saber una mezcla de 70% de helio y de 30% de argon (% en volumen).
Se han soldado estas piezas utilizando:
-
el procedimiento hibrida de arco y laser de la invencion con un laser de tipo CO2 de una potencia de 6 kW que tiene una focal de 250 mm, un arco generado por una antorcha de tipo TIG/AC de intensidad 200 A y de tension 16 V, una distancia electrodo/haz de 2 mm, una velocidad de soldadura de 4 m/min.
-
y a titulo comparativo, un procedimiento de soldadura laser clasico de una potencia de 6 kW con una focal de 250 mm y una velocidad de 4 m/min.
Los resultados comparativos obtenidos se dan en la Tabla siguiente.
Procedimiento
Rp0,2 (N/mm2) Rm (N/mm2) A%
Laser clasico
388 502 6,1
Hibrida
Laser+TIG
384 567 25
(invencion)
Rp0,2: es el limite de elasticidad del material, es decir de deformacion elastica
Rm: es el limite de rotura del material despues de deformacion plastica
A%: es el alargamiento del material (valor util para la embuticion).
5 Los resultados obtenidos muestran que los valores de tracciones (Rm y A%) son favorables para el procedimiento hibrida de laser y TIG puesto que con el procedimiento de acuerdo con la invencion, el limite de deformacion elastica del material soldado es sensiblemente identico, mientras que se observa una mejora muy notable del limite de rotura despues de deformacion plastica y del alargamiento del material.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de soldadura hibrida por laser-arco de al menos una pieza de acero (1) que presenta un revestimiento (2) de superficie donde el revestimiento (2) contiene principalmente aluminio y silicio y tiene un espesor (E) comprendido entre 5 μm y 45 μm, caracterizado por los aspectos siguientes:
    5 -se pone en practica un haz laser (3) y un arco (4) electrico que se combinan uno al otro para incidir simultaneamente en un sitio o una zona de soldadura comun unica y fundir en ella el metal de la pieza o las piezas que hay que ensamblar,
    -
    el haz laser (3) es generado por un generador laser de tipo CO2, de diodos o de fibra de iterbio, y
    -
    se sueldan dos zonas puestas en posicion unidas por los bordes o los dos bordes de una misma pieza cuyos 10 bordes son aproximados uno al otro.
  2. 2.
    Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque el revestimiento (2) tiene un espesor (E ) comprendido entre aproximadamente 30 μm y 45 μm.
  3. 3.
    Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque el revestimiento (2) tiene un espesor (E) de aproximadamente 30 μm.
    15 4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el revestimiento (2) de superficie esta formado por 90% de aluminio y 10% de silicio (% en masa).
  4. 5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque al menos una de las piezas
    (1) tiene un espesor comprendido entre 0,5 mm y 4 mm.
  5. 6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque al menos una de las piezas
    20 (1) presenta, previamente a su soldadura, depositos (2a, 2b) del citado revestimiento (2), especialmente de Al/Si, sobre la superficie de uno de sus cantos (1a) laterales.
  6. 7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el arco (4) es facilitado por un electrodo de soldadura de tungsteno (5).
  7. 8.
    Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el arco (4) se forma en la 25 extremidad de un alambre fusible (6).
  8. 9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque, durante la soldadura, se pone en practica una proteccion gaseosa de al menos una parte del cordon de soldadura utilizando un gas de proteccion elegido entre el argon puro y las mezclas argon/helio.
  9. 10.
    Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 5, caracterizado porque al menos una de las piezas (1) tiene un 30 espesor comprendido entre 0,8 mm y 2,5 mm.
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