ES2896327T3 - Procedimientos para unir dos chapas y chapas y productos obtenidos - Google Patents

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Abstract

Procedimiento para unir una primera chapa (A) y una segunda chapa (B), comprendiendo al menos una de la primera y la segunda chapas al menos una capa (34) de aluminio o de una aleación de aluminio o una capa de zinc o de una aleación de zinc, comprendiendo el procedimiento: seleccionar una primera porción (A1) de la primera chapa para unirla a la segunda chapa, y seleccionar una segunda porción (B2) de la segunda chapa para unirla a la primera porción; fundir la primera porción y la segunda porción, mientras se suministra un alambre de aporte (25) a una zona de soldadura (40) usando un primer y un segundo rayos láser (L1, L2), en el que el primer rayo láser funde el alambre de aporte en la zona de soldadura durante la soldadura, y la primera porción y la segunda porción de las chapas se funden y se mezclan con el alambre de aporte fundido usando el segundo rayo láser.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimientos para unir dos chapas y chapas y productos obtenidos
[0001] La presente divulgación se refiere a procedimientos para unir dos chapas y a procedimientos para obtener productos después de unir dos chapas. La presente divulgación se refiere, además, a productos obtenidos u obtenibles mediante cualquiera de estos procedimientos.
Antecedentes
[0002] El desarrollo de nuevos materiales y procesos para la producción de piezas metálicas con el objetivo de reducir el peso de componentes a un coste bajo es de la mayor importancia en la industria del automóvil. Con el fin de conseguir estos objetivos, la industria ha desarrollado aceros de resistencia ultra alta (UHSS), que presentan una resistencia máxima optimizada por unidad de peso y propiedades de conformabilidad ventajosas. Algunos de estos aceros se diseñan para lograr una microestructura tras el tratamiento térmico, que confiere buenas propiedades mecánicas y las hace especialmente adecuadas para el proceso de estampado en caliente usado para conformar las chapas de acero en determinadas piezas de automóvil. Debido a que durante el proceso de estampado en caliente la chapa se somete a atmósferas agresivas, el acero normalmente está recubierto para evitar la corrosión y oxidación.
[0003] En un intento de minimizar el peso de los componentes a la vez que se respetan los requerimientos estructurales, se pueden usar las denominadas técnicas de “chapa a medida” (Tailor Welded Blank). En estas técnicas los componentes se pueden fabricar de una chapa de metal compuesta que se obtiene mediante soldadura de diversas chapas con diferentes espesores, diferentes materiales, tamaño y propiedades. Al menos teóricamente, usando este tipo de técnica se puede optimizar el uso de material. Se pueden unir chapas de diferentes espesores o se puede unir una chapa de acero con una chapa de diferente material, por ejemplo, usando las propiedades específicas de cada material según sea necesario.
[0004] Estas chapas se pueden soldar "borde a borde" ("unión a tope"). Estas llamadas chapas hechas a medida están diseñadas para estamparse en caliente y luego ensamblarse para formar piezas de automóviles. Se pueden usar chapas soldadas a medida para componentes estructurales como puertas, pilares B, vigas, piso, parachoques, etc.
[0005] De manera similar, se conocen chapas superpuestas patchwork, en las que varias chapas no están necesariamente soldadas de "borde a borde", sino que en su lugar se pueden usar superposiciones parciales o completas de chapas.
[0006] Un ejemplo de acero usado en la industria automotriz es el acero 22MnB5. La composición del 22MnB5 se resume a continuación en porcentajes en peso (el resto es hierro (Fe) e impurezas):
Figure imgf000002_0001
[0007] Se encuentran comercialmente disponibles diversos aceros 22MnB5 que presentan una composición química similar. Sin embargo, la cantidad exacta de cada uno de los componentes en un acero 22MnB5 puede variar ligeramente de un fabricante a otro. Usibor® 1500P es un ejemplo de acero 22MnB5 disponible comercialmente fabricado por Arcelor. La composición de Usibor® se resume a continuación en porcentajes en peso (el resto es hierro (Fe) e impurezas):
Figure imgf000002_0002
[0008] En otros ejemplos, el 22MnB5 puede contener aproximadamente un 0,23 % de C, un 0,22 % de Si y un 0,16 % de Cr. El material puede comprender, además, Mn, Al, Ti, B, N, Ni en diferentes proporciones.
[0009] También se pueden usar en la industria automotriz varias otras composiciones de acero de UHSS. Particularmente, las composiciones de acero descritas en el documento EP 2 735 620 A1 pueden considerarse adecuadas. Puede hacerse referencia específica a la tabla 1 y a los párrafos 0016 - 0021 del documento EP 2 735 620 y a las consideraciones de los párrafos 0067 - 0079. En algunos ejemplos, el UHSS puede contener aproximadamente un 0,22 % de C, un 1,2 % de Si y un 2,2 % de Mn.
[0010] El acero de cualquiera de estas composiciones (tanto acero 22MnB5 como, por ejemplo, Usibor®, y las otras composiciones mencionadas o a las que se ha hecho referencia anteriormente) se puede suministrar con un revestimiento para evitar daños por corrosión y oxidación. Este revestimiento puede ser, por ejemplo, un revestimiento de aluminio-silicio (AISi) o un revestimiento que comprende principalmente zinc o una aleación de zinc.
[0011] Las chapas de patchwork y las chapas hechas a medida también pueden usarse o ser útiles en otras industrias.
[0012] El Usibor® 1500P es suministrado en fase ferrítica-perlítica. Las propiedades mecánicas están relacionadas con esta estructura. Después del calentamiento, estampado en caliente y posterior enfriamiento rápido (temple), se obtiene una microestructura martensítica. Como consecuencia, la resistencia máxima y el límite elástico aumentan de forma notable.
[0013] Como se mencionó anteriormente, se puede suministrar Usibor® 1500P con un revestimiento de aluminiosilicio (AlSi) con el fin de evitar los daños por corrosión y oxidación. Sin embargo, este revestimiento tiene un efecto significativo en lo que respecta a su comportamiento en la soldadura. Si las chapas de Usibor® 1500P se sueldan sin medida adicional alguna, el aluminio del revestimiento puede incorporarse a la zona de soldadura y esto puede provocar una importante reducción de las propiedades mecánicas del componente resultante y aumentar la posibilidad de fractura por debilidad en la zona de soldadura.
[0014] Con el fin de superar este tipo de problemas se propuso un procedimiento en el documento DE202007018832 U1 que consiste en la eliminación (por ejemplo, mediante ablación por láser) de una parte del revestimiento en una zona próxima al hueco de soldadura. Este procedimiento presenta la desventaja de que se necesita una etapa adicional para la producción de las chapas (a medida) y componentes y porque a pesar de la naturaleza repetitiva del proceso, esta etapa adicional requiere un proceso de calidad complejo con un elevado número de piezas que se tienen que desechar. Esto conlleva un aumento del coste de la etapa de soldadura y limita la competitividad de la tecnología en la industria.
[0015] El documento US20080011720 propone un proceso para la soldadura por láser de al menos una pieza de trabajo de metal con un rayo láser; dicha pieza de trabajo presenta una superficie que contiene aluminio, caracterizada por que el rayo láser se combina con al menos un arco eléctrico para fundir el metal y soldar dicha(s) pieza(s) de trabajo. El láser delante del arco permite el uso de un alambre de núcleo fundente o similar que contiene elementos que inducen la fase gamma (Mn, Ni, Cu, etc.) favorable para mantener una estructura austenítica en la zona fundida.
[0016] Sin embargo, se han encontrado problemas relacionados con la dilución solo parcial de los materiales de aporte a lo largo de la profundidad de la zona de soldadura, lo que da lugar a una reducida resistencia de la soldadura. Adicionalmente, el material de aporte puede que no se distribuya homogéneamente en la zona de soldadura. Esto puede provocar la acumulación de material (“protuberancias”) en ciertas zonas afectando de este modo localmente al comportamiento de la zona de soldadura. Es decir, las propiedades mecánicas de la zona de soldadura pueden variar. Otro problema puede ser que tal vez sea necesario precalentar el material de aporte antes de aplicarse debido a que, de lo contrario, el arco eléctrico puede no ser capaz de fundirlo. El documento US 2013043219 divulga un procedimiento y un sistema para iniciar y usar una combinación de alimentación de alambre de aporte y una fuente de energía de alta intensidad para soldar.
[0017] En el presente documento una chapa puede considerarse un artículo que aún tiene que someterse a una o varias etapas de procesamiento (por ejemplo, deformación, mecanizado, tratamiento de superficie u otro). Estos artículos pueden ser placas sustancialmente planas o presentar formas más complicadas.
[0018] En ejemplos de los procedimientos de soldadura descritos en el presente documento, se evitan las desventajas mencionadas anteriormente o al menos se reducen parcialmente.
Breve explicación
[0019] En un primer aspecto, la invención proporciona un procedimiento para unir una primera chapa y una segunda chapa, comprendiendo al menos una de la primera y la segunda chapa al menos una capa de aluminio, de una aleación de aluminio, de zinc o de una aleación de zinc. El procedimiento comprende seleccionar una primera porción de la primera chapa para unirla a la segunda chapa, y seleccionar una segunda porción de la segunda chapa para unirla a la primera porción, fundiendo la primera porción a la segunda porción, mientras se suministra un alambre de aporte a una zona de soldadura usando un primer y un segundo rayos láser. El primer rayo láser funde el alambre de aporte en la zona de soldadura durante la soldadura, y la primera porción y la segunda porción de las chapas se funden y se mezclan con el alambre de aporte fundido usando el segundo rayo láser.
[0020] Mediante el uso de dos rayos láser, cada uno para un propósito diferente, es posible ajustar las características de los rayos a su uso previsto. Tales características pueden ser la potencia del rayo láser o la dimensión de los puntos. Por ejemplo, el alambre de aporte puede requerir una potencia diferente para fundirse que las porciones de las chapas. Otro ejemplo puede ser el ancho de la zona de soldadura en comparación con el tamaño del alambre de aporte; cada uno puede requerir un tamaño de punto diferente.
[0021] Sin ceñirse a ninguna teoría, se cree que con los dos rayos láser es posible generar o mejorar un efecto Marangoni en la zona de soldadura (en el crisol).
[0022] El efecto Marangoni (también llamado efecto Gibbs-Marangoni) es la transferencia de masa a lo largo de una interfaz entre dos fluidos debido al gradiente de tensión superficial. En el presente caso, el efecto Marangoni es un flujo de fluido creado en el "baño de soldadura" debido a una distribución de temperatura en el baño de soldadura. La tensión superficial depende de la temperatura y, por lo tanto, estas diferencias de temperatura crean un gradiente de tensión superficial en la superficie del baño de soldadura. Es decir, la parte fundida del sustrato y la parte fundida del material de aporte que están más cerca de la superficie y, por lo tanto, están más calientes, serán arrastradas desde la región de menor tensión superficial (temperatura más alta) a la región de mayor tensión superficial (temperatura más baja). Como resultado, se crea un flujo de fluido (siendo el fluido la parte fundida del sustrato y la parte fundida del material de aporte -refuerzo-) de tal manera que se aumentan la distribución de la altura y la penetración del material de aporte en la zona de soldadura. El flujo de fluido puede parecerse a un movimiento descendente en espiral desde las capas superiores más calientes de la zona de soldadura hacia sus capas inferiores más frías.
[0023] En algunos ejemplos, el uso del segundo rayo láser puede comprender desplazar el segundo rayo láser de una manera oscilante para mezclar la primera porción y la segunda porción de las chapas con el alambre de aporte fundido. El movimiento oscilante del rayo láser puede hacer que los materiales en el baño de soldadura se mezclen de manera más homogénea como resultado (o en parte como resultado) del efecto Marangoni. Un movimiento de oscilación de este tipo puede comprender diferentes movimientos de rayo, tales como un movimiento en espiral o circular alrededor de un punto central, un movimiento de oscilación o un movimiento serpenteante (en zig zag) a lo largo de la dirección de soldadura, o una combinación de los mismos.
[0024] En algunos ejemplos, el uso del segundo rayo láser puede comprender generar un punto doble para fundir la primera porción y la segunda porción y mezclar la primera porción y la segunda porción de las chapas con el alambre de aporte fundido. Se pueden generar dos subrayos con óptica láser de punto doble, generando cada subrayo uno de los dos puntos del punto doble. El uso de un punto doble también puede mezclar los materiales en el baño de soldadura de manera más homogénea, nuevamente (parcialmente) como resultado del efecto Marangoni.
[0025] En algunos ejemplos, el primer rayo láser usado para fundir el alambre de aporte puede tener un punto que tenga un tamaño correspondiente (por ejemplo, igual o mayor) al diámetro del alambre de aporte. Por lo tanto, puede concentrar con exactitud y precisión toda su energía con el fin de fundir el alambre de aporte. El segundo rayo láser usado para fundir la primera porción con la segunda porción y para mezclar el alambre de aporte fundido puede generar un punto o un punto doble que tiene un tamaño correspondiente al tamaño de la zona de soldadura. Más específicamente, en el caso de un solo punto, un tamaño (por ejemplo, el ancho) de la zona de soldadura puede ser igual o mayor que el tamaño del punto. En el caso de un punto doble, un tamaño (por ejemplo, el ancho) de la zona de soldadura puede ser igual o mayor al tamaño agregado de los dos puntos del punto doble. El tamaño de la zona de soldadura puede ser el tamaño de la soldadura deseada. Puede corresponder a tolerancias conocidas de las chapas de modo que cualquier hueco entre las chapas se llene adecuadamente durante la soldadura.
[0026] En algunos ejemplos, los dos rayos láser pueden ser generados por un solo cabezal láser. Esto puede facilitar la alineación y mejorar la velocidad de la soldadura.
[0027] En algunos otros ejemplos, el primer rayo láser puede ser generado por un primer cabezal láser y el segundo rayo láser puede ser generado por un segundo cabezal láser. Esto puede permitir un control individual más fácil de las características del rayo (por ejemplo, forma, potencia) de los dos rayos.
[0028] En algunos ejemplos, los dos rayos láser pueden generar puntos dispuestos sustancialmente en línea con una dirección de soldadura. El punto o puntos generados por el segundo rayo láser pueden preceder o seguir al punto del primer rayo láser. Por tanto, el primer rayo láser puede generar un punto y el segundo rayo láser puede generar uno o más puntos, y los puntos del primer y el segundo rayos láser pueden disponerse sustancialmente en línea con una dirección de soldadura.
[0029] En algunos ejemplos, cuando se usa el segundo rayo láser para generar un punto doble, el punto del primer rayo láser puede disponerse antes, después o entre los puntos del punto doble generado a partir del segundo rayo láser. Además, los dos puntos del punto doble pueden disponerse perpendicularmente a la dirección de soldadura. De forma alternativa, los dos puntos del punto doble pueden disponerse colinealmente a la dirección de soldadura.
[0030] En algunos ejemplos, cuando los puntos están dispuestos perpendiculares a la dirección de soldadura, los dos puntos del punto doble del segundo rayo láser pueden preceder o seguir al punto del primer rayo láser. De forma alternativa, el punto del primer rayo láser puede disponerse colinealmente entre los puntos de los puntos dobles.
[0031] En algunos otros ejemplos, cuando los puntos están dispuestos colinealmente a la dirección de soldadura, los dos puntos del punto doble del segundo rayo láser pueden preceder o seguir al punto del primer rayo láser. De forma alternativa, el punto del primer rayo láser puede disponerse colinealmente entre los puntos de los puntos dobles.
[0032] La elección de la disposición de los puntos puede depender de las características del revestimiento, el material de aporte, la soldadura deseada o una combinación de los mismos.
[0033] En algunos ejemplos, la primera y la segunda chapas podrían estar unidas a tope, la primera porción podría ser un borde de la primera chapa y la segunda porción podría ser el borde de la segunda chapa. Específicamente, se puede usar una unión a tope cuadrada (sin mecanizar ni biselar los bordes). Más específicamente, se puede usar una soldadura a tope cuadrada cerrada.
[0034] En algunos ejemplos, la primera y/o la segunda chapas comprenden un sustrato de acero con un revestimiento que comprende la capa de aluminio o de una aleación de aluminio o la capa de zinc o de una aleación de zinc. En algunos ejemplos, tal sustrato de acero de la primera y/o la segunda chapas podría ser un acero de resistencia ultra alta, en particular un acero 22MnB5.
[0035] En otro aspecto, se divulga un procedimiento para formar un producto. El procedimiento comprende formar una chapa que incluye un procedimiento de unir una primera y una segunda chapas de acuerdo con cualquiera de los procedimientos descritos en el presente documento, calentar la chapa y deformar en caliente y templar posteriormente la chapa calentada.
[0036] En otro aspecto más, se divulga una chapa que se puede obtener mediante cualquiera de los procedimientos propuestos en el presente documento.
[0037] En otro aspecto más, se divulga un producto obtenido mediante un procedimiento para formar un producto como se propone en el presente documento.
[0038] Se pueden usar diferentes láseres para la soldadura por láser como el Nd-YAG (granate de itrio-aluminio dopado con neodimio) y un láser de CO2 con suficiente potencia. Los láseres Nd-YAG están disponibles comercialmente y constituyen una tecnología probada. Este tipo de láser también puede tener suficiente potencia para fundir las porciones de las chapas y permite variar el ancho del punto focal del láser y por lo tanto de la zona de soldadura. Reducir el tamaño del "punto" aumenta la densidad de energía.
[0039] Pueden usarse diferentes alambres de aporte, de acuerdo con cualquier requisito de la zona de soldadura, ya que la potencia del láser de fusión del alambre de aporte puede ajustarse a los requisitos del alambre de aporte (por ejemplo, temperatura de fusión). El alambre de aporte usado puede comprender elementos gammágenos para estabilizar la fase austenítica. Los elementos estabilizadores de austenita contrarrestan el efecto estabilizador de la ferrita del Al o Zn, minimizando (o evitando) la ferrita en la unión de soldadura final. De acuerdo con este aspecto, el aluminio (o zinc) puede estar presente en la zona de soldadura, pero no conduce a peores propiedades mecánicas tras procesos de deformación en caliente como el estampado en caliente cuando el alambre de aporte comprende elementos gammágenos, que estabilizan la fase austenítica. Estos elementos gammágenos se introducen en la zona de soldadura y se mezclan con la masa fundida, por lo que se puede obtener austenita (hierro en fase gamma, Y-Fe) por calentamiento. Durante el enfriamiento rápido (temple) después de una deformación en caliente, puede obtenerse así una microestructura martensítica que proporciona características mecánicas satisfactorias. Por lo tanto, no es necesario eliminar una capa de aluminio, aleación de aluminio, zinc o aleación de zinc, como se propuso en algunos procedimientos de la técnica anterior. Cuando, por ejemplo, se van a soldar chapas de acero revestidas, esto se puede hacer de forma más rápida y económica, ya que ya no es necesario un paso intermedio del proceso.
[0040] Los elementos gammágenos deben entenderse en el presente documento como elementos químicos que promueven la fase gamma, es decir, la fase austenita. Los elementos gammágenos (o "elementos estabilizadores de austenita") pueden seleccionarse de un grupo que comprende níquel (Ni), carbono (C), manganeso (Mn), cobre (Cu) y nitrógeno (N). Aunque la adición de "elementos estabilizadores de ferrita" puede contrarrestar la acción de los "elementos estabilizadores de austenita", opcionalmente estos "elementos estabilizadores de ferrita" todavía pueden ser componentes adecuados cuando también se tienen en cuenta otros factores para la composición del aporte. Por ejemplo, para promover la dureza, el molibdeno (Mo) podría ser un elemento adecuado y, por ejemplo, para la resistencia a la corrosión, el silicio (Si) y el cromo (Cr) podrían ser componentes adecuados.
[0041] Las aleaciones de aluminio deben entenderse en el presente documento como aleaciones metálicas en las que el aluminio es el elemento predominante. Las aleaciones de zinc deben entenderse en el presente documento como aleaciones metálicas en las que el zinc es el elemento predominante.
[0042] Preferentemente, la cantidad de elementos gammágenos en el alambre de aporte es suficiente para compensar la presencia de elementos alfágenos tales como Cr, Mo, Si, Al y Ti (titanio). Los elementos alfágenos promueven la formación de alfa-hierro (ferrita). Esto puede conducir a propiedades mecánicas reducidas ya que la microestructura resultante después del estampado en caliente y el temple puede comprender martensita-bainita y ferrita.
[0043] En algunos ejemplos, el aporte puede contener elementos estabilizadores de austenita y puede tener una composición en porcentajes en peso de 0 % - 0,3 % de carbono, 0 % - 1,3 % de silicio, 0,5 % - 7 % de manganeso, 5 % - 22 % de cromo, 6 % - 20 % de níquel, 0 % - 0,4 % de molibdeno, 0 % - 0,7 % de niobio, y el resto hierro e impurezas inevitables.
[0044] En otros ejemplos, el material de aporte metálico puede ser acero inoxidable AISi 316L, disponible comercialmente en, por ejemplo, Hoganas®. El aporte de metal puede tener la siguiente composición en porcentajes en peso: 0 % - 0,03 % de carbono, 2,0 - 3,0 % de molibdeno, 10 % - 14 % de níquel, 1,0 - 2,0 % de manganeso, 16 - 18 % de cromo, 0,0 - 1,0 % de silicio y el resto hierro e impurezas inevitables.
[0045] De forma alternativa, se puede usar 431L HC, disponible comercialmente en, por ejemplo, Hoganas®. Este aporte metálico tiene la siguiente composición en porcentajes en peso: 70-80 % de hierro, 10-20 % de cromo, I , 0-9,99 % de níquel, 1 -10 % de silicio, 1-10 % de manganeso y el resto de impurezas.
[0046] Otros ejemplos pueden usar 3533-10, también disponible comercialmente en, por ejemplo, Hoganas®. El aporte tiene la siguiente composición en porcentajes en peso: 2,1 % de carbono, 1,2 % de silicio, 28 % de cromo, I I , 5 % de níquel, 5,5 % de molibdeno, 1 % de manganeso y el resto hierro e impurezas.
[0047] Se encontró que la presencia de níquel en estas composiciones conducía a una buena resistencia a la corrosión y promovía la formación de austenita. La adición de cromo y silicio ayuda a la resistencia a la corrosión, y el molibdeno ayuda a aumentar la dureza. En ejemplos alternativos también se pueden usar otros aceros inoxidables, incluso UHSS. En algunos ejemplos, el aporte puede incorporar cualquier componente que proporcione características mecánicas más altas o más bajas dependiendo de las circunstancias.
[0048] Además, se ha encontrado que un aporte de estas mezclas conduce a propiedades mecánicas muy satisfactorias del producto de trabajo final, es decir, después del estampado en caliente y el temple. Además, se pueden usar otros aportes.
[0049] En un segundo aspecto, la presente divulgación proporciona un procedimiento para formar un producto que comprende formar una chapa que incluye un procedimiento para unir una primera y una segunda chapas de acuerdo con cualquiera de los procedimientos de soldadura descritos en el presente documento y posteriormente calentar la chapa, y deformar en caliente la chapa calentada y el temple final. El calentamiento puede incluir un tratamiento térmico en un horno antes de la deformación. La deformación en caliente puede incluir, por ejemplo, estampación en caliente o embutición profunda.
Breve descripción de los dibujos
[0050] A continuación, se describirán ejemplos no limitativos de la presente divulgación, con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
las figuras 1a - 1d ilustran esquemáticamente ejemplos de unión de dos chapas;
las figuras 2a - 2c ilustran esquemáticamente disposiciones de ejemplo para un rayo láser de soldadura y un rayo de fusión de alambre de aporte de acuerdo con varias implementaciones; y
las figuras 3a - 3f ilustran esquemáticamente las posiciones relativas de los rayos láser de soldadura y los rayos de fusión del alambre de aporte.
La figura 4 es un diagrama de flujo de un procedimiento de unión de chapas.
Descripción detallada de los ejemplos
[0051] Las figuras 1a - 1d ilustran esquemáticamente ejemplos de procedimientos para unir chapas. En la fig. 1a, una primera porción o región A1 de una primera chapa A debe unirse a una segunda porción o región B2 de una segunda chapa B. En este ejemplo, las dos chapas deben unirse a tope, es decir, una soldadura borde a borde, específicamente con bordes rectos (sin forma especial/biselado de los bordes).
[0052] En este ejemplo, ambas chapas A y B pueden ser de acero revestido, como por ejemplo Usibor® 1500P. Ambas chapas pueden comprender un sustrato de acero 1 sobre el que se puede proporcionar un revestimiento 2. El revestimiento aplicado en este ejemplo es aluminio-silicio (AI87Si10Fe3). Debido al proceso de aplicación del revestimiento, el revestimiento resultante puede tener una capa 4 de aleación de metal y una capa 3 intermetálica como se ilustra en las figs. 1b - 1d.
[0053] Las figuras 1b - 1d ilustran esquemáticamente una vista en sección transversal a lo largo del plano definido por la línea x - y, y la vista superior correspondiente de acuerdo con algunos ejemplos de soldadura por láser dual. Dicho plano definido por la línea x - y corresponde al rayo de soldadura C, es decir, la línea donde el borde de la chapa A entra en contacto con el borde de la chapa B. En estos ejemplos, las chapas A y B pueden comprender un sustrato de acero 1 con un revestimiento 2, que puede tener una capa 4 de aleación metálica como la capa más externa y una capa 3 intermetálica dispuesta entre el sustrato 1 de acero y la capa 4 de aleación metálica. Cuando se sueldan las chapas A y B, la capa de revestimiento y el sustrato de acero de las porciones soldadas de las chapas A y B y el aporte se mezclan en el rayo de soldadura. Por tanto, después de la soldadura, el rayo de soldadura no comprende una capa de revestimiento definida. En estos ejemplos, la flecha WD indica la dirección de soldadura en la vista superior.
[0054] La figura 1b ilustra, además, una vista en sección transversal a lo largo del plano definido por la línea x -y, y la correspondiente vista superior del procedimiento de unión de acuerdo con un ejemplo de soldadura por láser dual. Se ilustra esquemáticamente una vista superior y en sección transversal de un láser 20 de fusión del metal de aporte que tiene un cabezal láser 21 del que sale un primer rayo láser L1. Puede usarse un alambre de aporte 25 como material de soldadura. También se ilustra esquemáticamente un soldador láser 30 que tiene un cabezal láser 31 del que sale un segundo rayo láser L2.
[0055] En un proceso de soldadura por láser dual, dos rayos láser colaboran para formar una zona de soldadura 40. En este ejemplo, el primer rayo láser L1 (directamente) funde el alambre de aporte. El segundo rayo láser L2 funde porciones de las chapas en un baño de soldadura sustancialmente donde se van a soldar las dos chapas. El alambre de aporte fundido se dirige al baño de soldadura común y al mismo tiempo el alambre de aporte fundido se mezcla con las porciones fundidas de las chapas. A medida que se funde el alambre de aporte, se puede rellenar cualquier hueco entre las chapas y se puede crear una soldadura.
[0056] La figura 1 b ilustra, además, una vista superior de la zona de soldadura 40 creada en las zonas a soldar de las chapas A y B. El punto S1 de rayo láser corresponde al punto creado por el primer rayo láser L1, mientras que el punto S2 de rayo láser corresponde al punto creado por el segundo rayo láser L2.
[0057] En el ejemplo de la fig. 1 b, el segundo rayo láser L2, el rayo de soldador láser se puede mover de manera oscilante para mezclar el material en el baño de soldadura como consecuencia del efecto Marangoni. Como la porción fundida de las chapas comprende material de sustrato de acero, así como material de revestimiento, mezclar los ingredientes del baño de soldadura puede evitar cualquier efecto dañino atribuible al revestimiento de aleación de Al y, por lo tanto, las propiedades mecánicas de la zona soldada pueden no verse afectadas.
[0058] Se puede observar que, en este caso, no es necesario retirar el revestimiento de los sustratos de acero antes de la soldadura, ya que la mezcla homogénea de los materiales a lo largo de todo el espesor de las chapas mitiga los efectos nocivos del revestimiento, simplificando y acelerando sí la fabricación. Esto puede provocar una reducción sustancial de costes. Al mismo tiempo, un alambre de aporte de composición adecuada puede asegurar que se obtengan buenas propiedades mecánicas después del tratamiento térmico estándar para Usibor® y después de procesos de deformación en caliente como el estampado en caliente.
[0059] Un tratamiento estándar para las chapas de Usibor® sería calentar la chapa obtenida en, por ejemplo, un horno para provocar (entre otros) la austenización del acero base. Luego, la chapa puede estamparse en caliente para formar, por ejemplo, una viga de parachoques o un pilar. Durante el enfriamiento rápido después de una deformación en caliente, se puede obtener así martensita que proporciona características mecánicas satisfactorias. El tratamiento estándar no se ve afectado de ninguna manera por los procedimientos de unión propuestos en el presente documento. En particular, gracias a los elementos de un alambre de aporte adecuado (es decir, alambre de aporte con elementos gammágenos) que se suministran a la zona de soldadura, también se puede obtener una estructura de martensita en la zona de la soldadura, a pesar de la presencia de aluminio.
[0060] La figura 1c ilustra, además, una vista en sección transversal a lo largo del plano definido por la línea x -y, y la vista superior correspondiente de un procedimiento de unión de dos chapas de acuerdo con otro ejemplo de soldadura por láser dual. Se ilustra esquemáticamente un láser 20 de fusión de metal de aporte que tiene un cabezal láser 21 del que sale un primer rayo láser L1. Puede usarse un alambre de aporte 25 como material de soldadura. También se ilustra esquemáticamente un soldador láser 30 que tiene un cabezal láser 31 del que salen dos subrayos L2a y L2b. El cabezal láser 31 puede comprender una óptica láser de punto doble.
[0061] En este ejemplo de proceso de soldadura por láser dual, los rayos láser también colaboran para formar una zona de soldadura 40. El primer rayo láser L1 funde el alambre de aporte 25 de manera similar a como en el ejemplo analizado con referencia a la fig. 1b. Los dos subrayos, L2a y L2b, generan un punto doble que funde porciones de las chapas en un baño de soldadura sustancialmente donde se van a soldar las dos chapas. El alambre de aporte fundido se dirige al baño de soldadura común y al mismo tiempo el alambre de aporte fundido se mezcla con las porciones fundidas de las chapas. El punto doble puede garantizar la mezcla del material de alambre de aporte fundido con las porciones fundidas de las chapas sin que se requiera oscilación ninguna de ninguno de los subrayos L2a y L2b.
[0062] La figura 1c ilustra, además, una vista superior de la zona de soldadura 40 creada en las zonas a soldar de las chapas A y B. El punto S1 del rayo láser corresponde al punto creado por el primer rayo láser L1, mientras que los puntos S2a y S2b del rayo láser corresponde a los puntos creados por los subrayos L2a y L2b, respectivamente.
[0063] La figura 1 d representa una variación del ejemplo de la figura 1 b, que tiene un solo cabezal láser 51 y un solo láser que funde el alambre y suelda. En este ejemplo, el láser 50 de fusión y soldadura tiene un único cabezal láser 51 del que salen un primer rayo láser L1 y un segundo rayo láser L2.
[0064] La figura 2a ilustra esquemáticamente una vista superior de un procedimiento de unir dos chapas de acuerdo con un ejemplo. Una primera chapa A se va a unir a una segunda chapa B a lo largo de una costura de soldadura C, en la que un punto S1 de un primer rayo láser puede ser responsable de fundir un material de alambre de aporte 25 en la zona de costura de soldadura C y un punto S2 de un segundo rayo láser puede ser responsable de fundir una porción de la primera chapa A y una porción de la segunda chapa B, así como de mezclar el material de alambre de aporte fundido con las porciones fundidas de las chapas. Los círculos de líneas perforadas indican el movimiento circular del segundo rayo láser para mezclar homogéneamente los materiales fundidos. La figura 2b ilustra esquemáticamente un movimiento de oscilación del punto S2 del rayo láser, mientras que la figura 2c ilustra esquemáticamente un movimiento de oscilación del punto S2 del rayo láser. La selección del movimiento puede depender de las características de la zona de soldadura.
[0065] En todos los ejemplos ilustrados en el presente documento hasta ahora, se unen chapas en forma de placas planas. Debe quedar claro que los ejemplos de los procedimientos divulgados en el presente documento también pueden aplicarse a chapas de diferentes formas.
[0066] Las fig. 3a - 3f ilustran esquemáticamente las posiciones relativas de los puntos generados a partir del primer y segundo rayos láser cuando se usa un rayo láser de punto doble para fundir las porciones de las chapas y para mezclar las porciones fundidas de las chapas con el alambre de aporte fundido. La flecha indica la dirección de soldadura. En las figs. 3a - 3c los tres puntos están dispuestos colinealmente a lo largo de la dirección de soldadura. En la fig. 3a, los puntos S2a y S2b del punto doble preceden al punto del rayo de fusión del alambre de aporte. En la fig. 3b, el punto S1 del rayo de fusión del alambre de aporte precede a los puntos S2a y S2b del punto doble. En la fig. 3c, el punto S1 del rayo de fusión del alambre de aporte está interpolado entre los dos puntos S2a y S2b del punto doble. En la fig. 3d, los puntos S2a y S2b del punto doble preceden al punto S1 del rayo de fusión del alambre de aporte. Sin embargo, en este caso, los dos puntos del punto doble están dispuestos perpendicularmente a la dirección de soldadura. En la fig. 3e, los dos puntos S2a y S2b del punto doble están dispuestos también perpendicularmente a la dirección de soldadura, pero, contrariamente a la disposición de la fig.
3d, siguen el punto S1 del rayo de fusión del alambre de aporte. Finalmente, en la fig. 3f, los tres puntos están dispuestos a lo largo de una dirección perpendicular a la dirección de soldadura donde el punto S1 del rayo de fusión del alambre de aporte se interpola entre los dos puntos S2a y S2b del punto doble.
[0067] Cuando se usa un punto doble, los dos puntos también pueden inducir o mejorar un efecto Marangoni similar y los elementos de la zona de soldadura pueden volver a distribuirse homogéneamente con los elementos estabilizadores de austenita en el aporte llegando a la parte inferior de la soldadura. Por lo tanto, el aluminio puede no conducir a peores propiedades mecánicas en la zona de soldadura después de procesos de deformación en caliente como el estampado en caliente.
[0068] El porcentaje de ferrita y austenita depende de la cantidad de aluminio. La adición de estos materiales de aporte inoxidables estabilizadores de austenita puede aumentar el contenido de masa de aluminio necesario para iniciar la fase de ferrita. En otras palabras, gracias al aporte, se puede permitir más aluminio en el área de soldadura mientras se mantienen las propiedades mecánicas deseadas, es decir, mientras se asegura la presencia de austenita. Así, se puede minimizar la influencia del aluminio en el área de soldadura y se puede obtener una junta de soldadura con buenas propiedades mecánicas.
[0069] La fig. 4 es un diagrama de flujo de un procedimiento para unir chapas de acuerdo con un ejemplo. En el recuadro 105, se puede seleccionar una primera porción de una primera chapa que se unirá a una segunda chapa. La primera chapa puede comprender al menos una capa de aluminio o de una aleación de aluminio o una capa de zinc o de una aleación de zinc. En algunos ejemplos, la primera chapa puede comprender un sustrato de acero con un revestimiento que comprende la capa de aluminio o de una aleación de aluminio o la capa de zinc o de una aleación de zinc. En algunos ejemplos, el sustrato de acero puede ser un acero de resistencia ultra alta, en particular el acero puede ser un acero al boro.
[0070] En el recuadro 110, se puede seleccionar una segunda porción de una segunda chapa que se unirá a la primera porción. La segunda chapa también puede comprender al menos una capa de aluminio o de una aleación de aluminio o una capa de zinc o de una aleación de zinc. En algunos ejemplos, la segunda chapa podría comprender un sustrato de acero con un revestimiento que comprende la capa de aluminio o de una aleación de aluminio o la capa de zinc o de una aleación de zinc. En algunos ejemplos, el sustrato de acero puede ser un acero de resistencia ultra alta y, en particular, un acero al boro.
[0071] En el recuadro 115, usando un rayo de soldadura por láser, la primera porción y la segunda porción de las chapas pueden fundirse en una zona de soldadura. En el recuadro 120, se puede suministrar un alambre de aporte y fundirlo en la zona de soldadura usando un rayo láser de fusión del alambre de aporte. El rayo láser de fusión del alambre de aporte corresponde a un primer rayo láser. Dicho primer rayo láser está dispuesto para fundir el alambre de aporte en la zona de soldadura. El rayo de soldadura por láser puede corresponder a un segundo rayo láser. El uso de dicho segundo rayo láser puede comprender desplazar el segundo rayo láser de forma oscilante o usar un láser de punto doble.
[0072] En el recuadro 125, las porciones fundidas de las chapas y el alambre de aporte fundido se mezclan en la zona de soldadura para producir una soldadura. Mezclando el aporte a lo largo de toda la zona de soldadura, es decir, a lo largo de todo el espesor de las chapas, se pueden mejorar las propiedades mecánicas de la soldadura.
[0073] Se obtienen buenas propiedades mecánicas, donde se soldaron dos chapas Usibor® 1500P mediante soldadura láser dual con el uso de un rayo láser de fusión de alambre de aporte y un rayo láser de soldadura. En particular, se obtiene una alta resistencia a la tracción cuando se usan aportes que contienen materiales estabilizadores de austenita. La resistencia a la tracción obtenida podría compararse con un producto Usibor® sin soldar y un producto de boro sin revestimiento soldado de 22MnB5.
[0074] Estas buenas propiedades mecánicas se pueden obtener usando una velocidad de soldadura relativamente alta, mejorando los procesos de fabricación y reduciendo el tiempo de soldadura. En varios ejemplos se puede lograr una velocidad de soldadura de 5 a 12 m/min.
[0075] Si bien se han divulgado en el presente documento solo un número de ejemplos, son posibles otras alternativas, modificaciones, usos y/o equivalentes de los mismos. Adicionalmente se cubren también todas las combinaciones posibles de los ejemplos descritos. Por tanto, el alcance de la presente divulgación no se debe limitar por ejemplos particulares, sino que solo se debe determinar por una lectura imparcial de las reivindicaciones que siguen.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para unir una primera chapa (A) y una segunda chapa (B), comprendiendo al menos una de la primera y la segunda chapas al menos una capa (34) de aluminio o de una aleación de aluminio o una capa de zinc o de una aleación de zinc, comprendiendo el procedimiento:
seleccionar una primera porción (A1) de la primera chapa para unirla a la segunda chapa, y seleccionar una segunda porción (B2) de la segunda chapa para unirla a la primera porción;
fundir la primera porción y la segunda porción, mientras se suministra un alambre de aporte (25) a una zona de soldadura (40) usando un primer y un segundo rayos láser (L1, L2), en el que
el primer rayo láser funde el alambre de aporte en la zona de soldadura durante la soldadura, y
la primera porción y la segunda porción de las chapas se funden y se mezclan con el alambre de aporte fundido usando el segundo rayo láser.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que usar el segundo rayo láser comprende desplazar el segundo rayo láser de una manera oscilante para mezclar la primera porción y la segunda porción de las chapas con el alambre de aporte fundido.
3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que usar el segundo rayo láser comprende usar un rayo láser de punto doble para fundir la primera porción y la segunda porción y mezclar la primera porción y la segunda porción de las chapas con el alambre de aporte fundido.
4. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el primer rayo láser genera un punto que tiene un tamaño que corresponde sustancialmente al diámetro del alambre de aporte y el segundo rayo láser genera un punto o un punto doble que tiene un tamaño que corresponde sustancialmente al tamaño de la zona de soldadura.
5. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el primer y el segundo rayos láser son generados por un único cabezal láser.
6. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el primer rayo láser es generado por un primer cabezal láser y el segundo rayo láser es generado por un segundo cabezal láser.
7. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones previas, en el que el primer rayo láser genera un punto y el segundo rayo láser genera uno o más puntos y el primer y el segundo rayos láser generan puntos dispuestos sustancialmente en línea con una dirección de soldadura.
8. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que usar el segundo rayo láser comprende generar un punto doble y en el que los puntos del punto doble están dispuestos sustancialmente perpendicularmente a la dirección de soldadura.
9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, en el que los puntos del punto doble preceden o siguen al punto del primer rayo láser en una dirección de soldadura.
10. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que usar el segundo rayo láser comprende generar un punto doble y en el que el punto doble y el punto del primer rayo láser están dispuestos colinealmente, en el que el punto del primer rayo láser está dispuesto entre los puntos del punto doble.
11. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones previas, en el que el alambre de aporte comprende elementos gammágenos.
12. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la primera y la segunda chapas se unen a tope, siendo la primera porción un borde de la primera chapa y la segunda porción un borde de la segunda chapa.
13. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la primera chapa y/o la segunda chapas comprenden un sustrato de acero con un revestimiento que comprende la capa de zinc o de una aleación de zinc.
14. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 13, en el que el sustrato de acero de la primera y/o la segunda chapas es un acero de resistencia ultra alta, opcionalmente un acero 22MnB5.
15. Procedimiento para formar un producto que comprende
formar una chapa que incluye un procedimiento para unir una primera y una segunda chapas de acuerdo con cualquiera de los procedimientos de las reivindicaciones 1 - 14, y
calentar la chapa y deformar en caliente y el temple posterior de la chapa calentada.
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