MX2013000376A - Metodo de soldeo hibrido con arco electrico/laser para partes de acero aluminizado utilizando elementos gammagenos y un gas que contiene mendo del 10% de nitrogeno u oxigeno. - Google Patents
Metodo de soldeo hibrido con arco electrico/laser para partes de acero aluminizado utilizando elementos gammagenos y un gas que contiene mendo del 10% de nitrogeno u oxigeno.Info
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Abstract
La invención se refiere a un método de soldeo híbrido por láser/arco eléctrico utilizando un arco eléctrico y un haz de rayos láser que se combinan entre si en una sola fusión de soldeo a la cual se suministra el metal fundido al fundir un alambre de metal de aportación, en donde se proporciona la fusión de soldeo en al menos una parte de acero que incluye un recubrimiento superficial de aluminio, y se utiliza un gas protector, caracterizado en que el alambre de metal de aportación contiene al menos 3% por peso de uno o más elementos gammágenos, en particular los elementos gammágenos se seleccionan de C, Mn, Ni y N, y el gas protector consiste de helio y/o argón con la adición de al menos 10% por volumen de nitrógeno u oxígeno. El método de la invención es particularmente adecuado para soldar lados soldados en punta utilizados en el campo de la fabricación de automóviles o para el soldeo de tubos.
Description
MÉTODO DE SOLDEO HÍBRIDO CON ARCO ELÉCTRICO/LÁSER PARA PARTES DE ACERO ALUMINIZADO UTILIZANDO ELEMENTOS GAMMÁGENOS Y UN GAS QUE CONTIENE MENOS DEL 10% DE NITRÓGENO U OXÍGENO
Campo de la Descripción
La invención se refiere a un proceso de soldeo híbrido por láser/arco eléctrico para soldar piezas que comprenden un revestimiento superficial a base de aluminio, en particular un revestimiento de aluminio/silicio, utilizando el proceso un alambre que contiene uno o más elementos gammágenos y preferentemente un gas protector formado de argón y/o helio y una pequeña proporción de nitrógeno u oxígeno.
ANTECEDENTES
Ciertos aceros, tales como los aceros USIBOR™, se refieren como aceros aluminizados debido a que se recubren con aluminio o con una aleación a base de aluminio, que tiene propiedades mecánicas muy altas después del estirado en caliente y por lo tanto se utilizan de manera incrementada en el campo de la fabricación de automóviles cuando se desea un ahorro en el peso.
Específicamente estos aceros se diseñan para tratarse térmicamente y después templarse durante la operación de estirado en caliente, las propiedades mecánicas así obtenidas permiten una reducción muy significativa en el peso de vehículo con relación al estándar del acero producido de alta resistencia. Estos aceros se utilizan principalmente para fabricar vigas de tope, refuerzos para las puertas, montantes centrales, montantes de las ventanas, etc.
El Documento EP-A-1878531 sugiere aceros aluminizados por soldeo de este tipo utilizan un proceso de soldeo híbrido por láser/arco eléctrico. El principio del soldeo híbrido por láser/arco eléctrico es muy conocido en la técnica anterior.
Sin embargo, en la práctica se ha observado que una fase con una resistencia a la tracción inferior a la del metal base y a la de la zona del metal de soldadura con frecuencia aparece en la junta soldada después de que las piezas de acero recubiertas con aluminio o con una aleación de aluminio, especialmente una aleación de Al/Si, se han sometido a una operación de soldeo híbrido utilizando una atmósfera protectora formada de una mezcla de He/Ar y un tratamiento térmico post-soldeo que comprende el estirado en caliente a 920°C y después el templado en la herramienta (a 30°C/s) .
Específicamente, esta fase de menor resistencia a la tracción forma una región frágil en la soldadura así obtenida, como se explica abajo. Estas regiones más frágiles aparecen en la zona martensítica en la forma de islas de fase blanca que contienen agregados de aluminio provenientes de la capa superficial.
El análisis ha demostrado que esta fase contiene un porcentaje significativo de aluminio (> 2%) lo cual evita la transformación austenítica del acero durante su tratamiento térmico de pre-estirado, i.e., esta fase permanece en forma de ferrita delta y como resultado es más blando que el resto de la pieza, que experimenta una transformación martensítica/bainítica .
Durante las pruebas mecánicas de la junta, después del soldeo, el estirado y tratamiento térmico subsecuente, la fase que no hace la transformación martensítica puede hacer que la junta soldada se agriete o aún se cizalle, debido a que estas regiones del aluminio que contienen soldadura, son más débiles que las del metal depositado.
El problema que se enfrenta es cómo proporcionar un proceso de soldeo híbrido por arco eléctrico/láser que mejore las propiedades mecánicas de la soldadura producida en una operación para soldar piezas de acero cubiertas con una capa que comprende aluminio. Más específicamente, el problema es cómo obtener una microestructura martensítica uniforme en la zona del metal de soldadura, i.e., en la soldadura, después del estirado en caliente, típicamente a aproximadamente de 920°C, y el templado en la herramienta de estirado, típicamente a una tasa de enfriamiento, entre 800°C y 500°C, de aproximadamente 30°C/s.
SUMARIO
La solución de la invención es de este modo un proceso de soldeo híbrido por láser/arco eléctrico utilizando un arco eléctrico y un haz de rayos láser en combinación juntos en un solo baño de fusión de la soldadura, en el cual el metal de soldadura se proporciona al fundir un alambre consumible, produciéndose el baño de fusión de la soldadura en al menos una pieza de acero que comprende un recubrimiento, superficial a base de aluminio, y que utiliza un gas protector, caracterizado en que el' alambre consumible contiene al menos 3% por peso de uno . o más elementos gammágenos y el gas protector se forma de helio y/o argón y al menos 10% por volumen de nitrógeno u oxígeno, como componente ( s ) adicional (es) .
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Dependiendo de las circunstancias, el proceso de la invención puede comprender una o más de las siguientes características:
los elementos gammágenos se seleccionan a partir de carbono (C) , manganeso (Mn) , níquel (Ni) y nitrógeno (N) ;
el alambre consumible al menos contiene Mn; los elementos gammágenos pueden proporcionarse en la forma de un metal o aleación, siendo una ferro-aleación que contiene carbono o grafito, por ejemplo, para carbono, manganeso electrolítico o una ferro-aleación para manganeso, níquel elemental, o un ferro-cromo que contiene nitrógeno para nitrógeno, en particular para un alambre con alma de metal;
el alambre consumible contiene una pluralidad de elementos gammágenos seleccionados a partir de C, Mn, Ni y N.
el alambre consumible contiene al menos 5% por peso de uno o más elementos gammágenos;
el alambre consumible contiene a lo más aproximadamente 20% por peso de elementos gammágenos;
- el alambre consumible contiene además hierro;
el alambre es un alambre hueco, especialmente un alambre- con alma de metal, o un alambre sólido;
el gas protector contiene una mezcla de helio y argón;
- el gas protector se forma de helio y/o argón y menos del 9% por volumen de nitrógeno u oxígeno, preferentemente nitrógeno debido a que la presencia del nitrógeno en el gas en particular, proporciona elementos gammágenos adicionales;
- el gas protector contiene al menos 2% por volumen de dicho al menos un componente adicional de 02 o N2;
el gas protector contiene al menos 4% por volumen de nitrógeno como un componente adicional;
el gas protector contiene al menos 5% por volumen de nitrógeno como un componente adicional;
el gas protector contiene a lo más 8% por volumen de nitrógeno como un componente adicional;
el gas protector contiene al menos 5.5% por volumen de nitrógeno y a lo más 7.5% por volumen de nitrógeno;
el contenido de nitrógeno en el gas protector utilizado es de. aproximadamente 6 hasta 7% de nitrógeno en argón o en una mezcla de helio/argón;
el contenido de oxigeno es menor a 8% por volumen en argón o en argón/helio;
el contenido de oxígeno es de aproximadamente 3 hasta 5% de oxígeno en argón o en argón/helio;
el gas protector se forma de helio y/o argón y de 4 hasta 8% por volumen de nitrógeno;
la una o más piezas de acero comprenden un revestimiento superficial a base de aluminio que tiene un grosor de entre 5 y 100 µp?, y preferentemente de 50 µ o menos ;
la una o más piezas metálicas se producen de acero con un revestimiento superficial a base de aluminio y silicio, conteniendo preferentemente el revestimiento superficial, más del 70% por peso de aluminio,- la una o más piezas metálicas se producen de acero al carbono;
el alambre consumible se funde mediante el arco eléctrico, preferentemente un arco obtenido por medio de un soplete de soldar MIG;
el generador láser que genera el haz de rayos láser es del tipo C02, fibra, o disco;
la una o más piezas a soldarse se seleccionan de piezas diseñadas y tubos;
una pluralidad de piezas se sueldan juntas, en particular dos piezas;
las piezas se colocan y sueldan en una configuración en I;
- la una o más piezas a soldarse son desde 0.2 mm hasta 3 mm de grosor, el grosor se considera en el plano de la soldadura a producirse i.e., en el lugar en donde se funde el metal para formar la soldadura, por ejemplo el nivel con una superficie de borde de la pieza o piezas a soldarse;
- el revestimiento cubre al menos una superficie de la una o más piezas, pero preferentemente no o casi no se encuentra presente el revestimiento a base de aluminio en los bordes de extremo de la una o más piezas, i.e., en las superficies de borde, por ejemplo de una hoja;
- la una o más piezas metálicas comprenden un revestimiento superficial a base de aluminio y silicio que contiene una proporción de aluminio entre 5 y 100 veces mayor que la de silicio, por ejemplo una proporción de aluminio de 90% por peso y una proporción de silicio del 10% por peso, i.e., la capa del revestimiento superficial comprende 9 veces más aluminio que silicio;
la una o más piezas metálicas comprenden un revestimiento superficial a base de aluminio y silicio que contiene una proporción de aluminio entre 5 y 50 veces mayor que la de silicio, especialmente una proporción de aluminio entre 5 y 30 veces mayor que la de silicio, en particular, una proporción de aluminio entre 5 y 20 veces mayor que la de silicio;
una pluralidad de piezas se sueldan juntas, típicamente dos piezas, siendo dichas piezas posiblemente idénticas o diferentes, especialmente en términos de forma, grosor, etc . ;
las piezas de acero se producen de una acero altamente aleado (>5% por peso de elementos de aleación) , acero débilmente aleado (<5% por peso de elementos de aleación) , o acero sin aleación, por ejemplo acero al carbono;
el alambre para soldeo es un alambre sólido o un alambre hueco que tiene un diámetro entre 0.5 y 5 mm y típicamente entre aproximadamente 0.8 y 2.5 mm;
el haz de rayos láser precede al arco eléctrico MIG durante el soldeo, cuando se considera la dirección del soldeo;
el régimen de soldeo MIG es del tipo de arco corto; el voltaje de soldeo se encuentra por debajo de 20 V y típicamente entre 11 y 16 V;
la corriente de soldeo se encuentra por debajo de 200 A y típicamente entre 118 y 166 A;
la velocidad de soldeo se encuentra por debajo de 20 m/min y típicamente entre 4 y 6 m/min;
la presión del gas se encuentra entre 2 y 15 bares y por ejemplo aproximadamente 4 bares;
la tasa de flujo del gas se encuentra entre 5 y 40 1/min y típicamente de aproximadamente 25 1/min;
- el punto focal del haz de rayos láser se enfoca por arriba de la pieza a soldarse, preferentemente a una distancia de entre 3 y 6 mm; y
la distancia entre el alambre de metal de aportación y el haz de rayo láser debe estar entre aproximadamente 2 y 3 mm;
La invención ahora se entenderá mejor en virtud de los siguientes ejemplos propuestos para demostrar la efectividad del proceso de soldeo híbrido por láser/arco eléctrico de acuerdo con la invención.
Para este propósito, se llevaron a cabo las pruebas de soldeo híbrido con láser/arco eléctrico, utilizando una fuente de láser de C02 y un soplete de soldeo con arco eléctrico MIG, en las piezas de acero recubiertas con una capa de aproximadamente 30 µp? de una aleación de aluminio/silicio en las proporciones respectivas de 90% y 10% por peso. De manera más precisa, en los siguientes ejemplos 1 a 3, las piezas a soldarse fueron piezas diseñadas hechas de acero aluminizado (Al/Si) Usibor 1500™ colocadas en una configuración en I .
En los ejemplos 1 a 3, el gas protector utilizado se distribuyó a una tasa de flujo de 25 1/min y a una presión de 4 bares, y la velocidad de soldeo fue de 4 m/min. El voltaje de soldeo de aproximadamente 15 V y la corriente de aproximadamente 13.9 A se obtuvo en virtud de un DigiOwave 500 (arco corto/arco corto +) en el modo sinérgico (EN 131) vendido por Air Liquide elding France .
Ej emplo 1
Las piezas fueron en este ejemplo, de 1.7 mm de grosor.
El gas empleado fue una mezcla ARCAL 37 (composición: 70% por volumen de He + 30% por volumen de Ar) a la cual se agregaron 3% por volumen de 02 - la mezcla de gas ARCAL 37 se encuentra disponible para venta en Air Liquide .
El soplete utilizado fue un soplete MIG vendido por OTC, el cual se alimentó con un alambre de metal de aportación de 1.2 mm de diámetro, conteniendo además de hierro, aproximadamente 20% por peso de manganeso (Mn) , suministrado a una tasa de 3 m/min.
La fuente de láser fue un oscilador láser de C02, y la energía empleada fue de 8 kW.
Los resultados obtenidos demostraron que, si los cordones de soldadura obtenidos tuvieron una microestructura uniforme, la presencia de una alta proporción de manganeso (i.e., aproximadamente 20% por peso de Mn) en la zona de soldadura conduce a resultados mucho mejores que las pruebas con poco manganeso en los cordones de soldadura (i.e., aproximadamente 2% de Mn) .
Después de un tratamiento térmico de templado (tasa de enfriamiento entre 800°C y 500°C de aproximadamente 30°C/seg.) la resistencia a la tracción de la unión fue equivalente a la del post-templado metálico base, mientras que la resistencia a la tracción no excedió 1000 MPa (Rm) cuando el cordón contuvo solo 2% de manganeso.
Este primer ejemplo demostró que la presencia de elementos gammágenos, i.e., aquí 20% de Mn en el alambre, promovió cordones de soldadura con una microestructura martensítica uniforme en la zona de metal de soldadura después del templado.
Ejemplo 2
En este ejemplo, las piezas fueron de 2.3 mm de grosor y el gas empleado fue una mezcla formada de ARCAL 37 y 3% por volumen de 02.
El soplete utilizado fue un soplete OTC MIG alimentado con un alambre de metal de aportación Nic 535 (alambre sólido)' de 1.2 mm de diámetro que comprende hierro y, como elementos gammágenos, 0.7% de carbono (C) y 2% de manganeso ( n) , cuyo alambre se suministró a una tasa de 3 m/min.
La fuente de láser fue un oscilador láser de C02, de 12 kW.
Los resultados obtenidos demostraron que la cantidad de elementos gammágenos, i.e., Mn y C, en el alambre fue suficiente para contrarrestar el efecto de supresión de la transformación austenítica causada por la presencia del aluminio en la zona del metal de soldadura. Específicamente, las microfotograflas demostraron que las fases blancas desaparecieron completamente o se redujeron grandemente.
Además, se observó que la resistencia a la tracción de la unión, después de la austenitización y templado, fue equivalente a la del metal base.
Este segundo ejemplo también demostró que la presencia de elementos gammágenos, i.e., aquí C y Mn, en el alambre, promovió cordones soldados con una microestructura martensítica uniforme en la zona del metal de soldadura después del templado.
Ejemplo 3
El ejemplo 3 es análogo al ejemplo 2 anterior, excepto que el proceso de soldeo híbrido por láser/arco eléctrico de acuerdo con la invención se utilizó para soldar piezas de 2.3 mm de grosor utilizando, como el gas protector, la mezcla ARCAL 37, la cual se formó de 70% de helio y 30% de argón, y 6% adicional de N2.
El soplete, el alambre de metal de aportación y las otras condiciones de soldeo fueron idénticos a las del ej emplo 2.
A manera de comparación, la mezcla sola de ARCAL 37 también se probó, i.e., no se agregó N2.
Los resultados obtenidos demostraron que al utilizar en combinación, un alambre que contiene elementos gammágenos y un gas protector formado al agregar 6% de N2 a una mezcla que comprende 30% de argón y 70% de helio (i.e., ARCAL 37), condujo a mejores resultados que cuando el gas protector no contuvo nitrógeno pero el alambre fue el mismo.
Específicamente, cuando estuvo presente el nitrógeno en la mezcla, hubo una mejora significativa en los resultados, los cuales mejoraron proporcionalmente al contenido de N2 en la mezcla. Así, las microfotografías demostraron que las fases blancas desaparecieron completamente, y además la resistencia a la tracción de la unión, después de la austenitización y el templado, fue equivalente a la del metal base.
Entre más significativas fueron todas las mejoras, mayor fue el contenido de nitrógeno pero con un óptimo de por debajo del 10% por volumen, lo cual sugeriría utilizar aproximadamente de 6 hasta 7%. de nitrógeno en argón o en una mezcla de argón/helio.
En general, los resultados obtenidos en las pruebas (ejemplos 1 a 3) demostraron claramente que la presencia de elementos gammágenos en el alambre consumible permite que se mejore sustancialmente la calidad del soldeo del acero recubierto con una capa superficial producida de una aleación de aluminio/silicio, y en particular una microestructura martensítica uniforme en la zona del metal de soldadura a obtenerse .
Se notará que toda la mejora es la más significativa cuando:
ya sea que el contenido de nitrógeno en el gas protector se incremente simultáneamente pero con un óptimo por debajo del 10% por volumen, lo cual sugeriría utilizar aproximadamente de 6 hasta 7% de nitrógeno en argón o en argón/helio;
o se incremente el contenido de oxígeno pero con un óptimo por debajo del 10% por volumen, lo cual sugeriría utilizar aproximadamente de 3 hasta 5% de oxígeno en argón o en argón/helio.
El proceso de la invención es particularmente adecuado para soldar piezas diseñadas utilizadas en el campo de la fabricación de automóviles o para soldar tubos.
Claims (15)
1. Un proceso de soldeo híbrido por láser/arco eléctrico que utiliza un arco eléctrico y un haz de rayos láser en combinación juntos en un solo baño de fusión de soldadura, en el. cual el metal de soldadura se proporciona al fundir un alambre consumible, produciéndose el baño de fusión de soldadura en al menos una pieza de acero que comprende un recubrimiento superficial a base de aluminio, y utilizando un gas protector, caracterizado en que el alambre consumible contiene al menos 3% por peso de uno o más elementos gammágenos y el gas protector se forma de helio y/o argón y al menos un 10% por volumen de nitrógeno u oxígeno.
2. El proceso como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado en que los elementos gammágenos se seleccionan de C, Mn, Ni y N.
3. El proceso como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado en que el alambre contiene a lo más 20% por peso de elementos gammágenos .
4. El proceso como se reivindica en una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado en que el gas protector se forma de helio y/o argón y menos del 10% por volumen de nitrógeno.
5. El proceso como se reivindica en una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado en que la una o más piezas de acero comprenden una recubrimiento superficial a base de aluminio que tiene un grosor de entre 5 y 100 µt?.
6. El proceso como se reivindica en una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado en que la una o más piezas de acero comprenden una recubrimiento superficial a base de aluminio que tiene un grosor de 50 µp? o menor.
7. El proceso como se reivindica en una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado en que la una o más piezas metálicas se producen de acero con un recubrimiento superficial a base de aluminio y silicio (Al/Si) .
8. El proceso como se reivindica en una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado en que la una o más piezas metálicas se producen de acero con un recubrimiento superficial a base de aluminio y silicio, conteniendo el recubrimiento superficial más del 70% por peso de aluminio.
9. El proceso como se reivindica en una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado en el alambre consumible se funde por el arco eléctrico, preferentemente un arco obtenido por medio de un soplete de soldeo MIG.
10. El proceso como se reivindica en una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado en que el generador láser que genera el haz de rayos láser es de tipo C02, fibra, o disco.
11. El proceso como se reivindica en una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado en que la una o más piezas a soldarse se seleccionan a partir de piezas diseñadas y tubos de escape o tubos .
12. El proceso como se reivindica en una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado en que el alambre consumible contiene una pluralidad de elementos gammágenos seleccionados de C, Mn, Ni y N.
13. El proceso como se reivindica en una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado en que el alambre consumible contiene al menos 5% por peso de uno o más elementos gammágenos .
14. El proceso como se reivindica en una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado en que el alambre consumible contiene al menos Mn.
15. El proceso como se reivindica en una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado en que el alambre consumible contiene además hierro.
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