MX2015006264A - Metodo para soldar por laser una o mas piezas de trabajo de acero endurecible con una union de tope utilizando un alambre de relleno. - Google Patents

Abstract

La invención se relaciona con un método para soldar por láser una o más piezas de trabajo hechas de acero endurecible por prensa, particularmente acero al manganeso-boro, en una unión de tope, en el cual la pieza de trabajo o piezas de trabajo (1, 2; 1, 2') tienen un grosor de por lo menos 1.8 mm y/o un salto en grosor (d) de por lo menos 0.4 mm surge en la unión de tope (3), y en el cual la soldadura por láser tiene lugar con el suministro de alambre de relleno (10) en el baño fundido (8) generado con un haz de láser (6). Con el fin de asegurar que la costura de soldadura pueda endurecer de manera confiable en una estructura martensítica durante el formado en caliente (endurecimiento por prensa), la invención proporciona que el alambre de relleno (10) contenga por lo menos un elemento de aleación del grupo que comprende manganeso, cromo, molibdeno, silicio y/o níquel, cuyo elemento promueve la formación de austenita en el baño fundido (8) generado utilizando el haz de láser (6), en donde este por lo menos un elemento de aleación está presente en el alambre de relleno (10) con una proporción de masa que es mayor por 0.1% por peso que en el acero endurecible por prensa de la pieza de trabajo o las piezas de trabajo (1, 2; 1, 2').

Description

MÉTODO PARA SOLDAR POR LÁSER UNA O MÁS PIEZAS DE TRABAJO DE ACERO ENDURE CIBLE CON UNA UNIÓN DE TOPE UTILIZANDO UN ALAMBRE DE RELLENO La invención se relaciona con un método para soldar por láser una o más piezas de trabajo hechas de acero endurecible por prensa, particularmente acero al manganeso-boro, en una unión de tope, en el cual la pieza de trabajo o las piezas de trabajo tienen un grosor de por lo menos 1.8 mm y/o un salto en grosor de por lo menos 0.4 surge en la unión de tope, y en el cual la soldadura por láser tiene lugar con el suministro de alambre de relleno en el baño fundido generado con un haz de láser.

Piezas vírgenes a la medida hechas de hoja de acero son utilizadas en la industria automotriz para satisfacer altas demandas en la seguridad de impacto con el menor peso posible de la carrocería. Para este propósito, piezas vírgenes o tiras individuales de diferente calidad de material y/o grosores de hoja son unidas juntas mediante soldadura por láser en una unión de tope. De esta manera, varios puntos del componente de carrocería terminado pueden ser adaptados a diferentes cargas. De este modo, en ubicaciones con alta carga, se puede utilizar hoja de acero más grueso o de mayor resistencia y se pueden utilizar acero más delgado o como alternativa hojas hechas de grados de embutición profunda relativamente débiles pueden ser utilizadas en las ubicaciones restantes.

Partes de refuerzo adicionales en la carrocería se vuelven superfluas debido a tales piezas vírgenes en hoja a la medida. Esto ahorra material y permite la reducción del peso total de la carrocería.

En años recientes, han sido desarrollados aceros aleados con boro, particularmente aceros al manganeso-boro, los cuales logran altas resistencias, por ejemplo resistencias a la tensión en el intervalo de 1500 a 2000 MPa cuando se forman en caliente con enfriamiento rápido. En el estado inicial, aceros al manganeso-boro típicamente tienen una estructura ferrítica/perlítica y tienen resistencias de aproximadamente 600 MPa. Mediante endurecimiento por prensa, es decir calentando hasta una temperatura austenítica y posterior enfriamiento rápido en el molde de compresión, se puede fijar una estructura martensítica no obstante, de manera que los aceros así tratados pueden lograr resistencias a la tensión en el intervalo de 1500 a 2000 MPa.

Los componentes de la carrocería, por ejemplo pilares B, producidos a partir de tales piezas vírgenes de acero a la medida tienen un perfil de dureza perfecto hasta un cierto grosor de hoja o un cierto salto de grosor. Sin embargo, se determinó que un grosor de hoja mayor que o igual a aproximadamente 1.8 mm, particularmente mayor que o igual a aproximadamente 2.0 mm, o un salto de grosor mayor que o igual a aproximadamente 0.4 mm, ocurre el problema de que la costura de soldadura por láser no endurece suficientemente durante el formado en caliente (endurecimiento por prensa). Entonces, una estructura martensítica sólo resulta hasta cierta medida en la costura de soldadura, de manera que durante la carga del componente terminado, puede ocurrir una falla en la costura de soldadura. Este problema está presumiblemente asociado con el hecho de que, particularmente en el caso de un salto de grosor, generalmente no se puede asegurar un contacto suficiente a la herramienta de formado enfriada o herramienta de enfriamiento y como resultado, la costura de soldadura no se puede convertir completamente a martensita.

Un método de soldadura híbrida por láser-arco es descrito en US 2008/0011720 Al, en cuyo método piezas vírgenes hechas de acero al manganeso-boro, las cuales tienen una capa superficial que contiene aluminio, son conectadas entre sí en una unión de tope, el haz de láser estando combinado con al menos un arco eléctrico, con el fin de fundir el metal en la unión de tope y soldar las piezas vírgenes entre sí. El arco eléctrico en este caso es producido por medio de un electrodo de soldadura de tungsteno o es formado en la punta de un alambre de relleno si se usa una antorcha de soldadura MIG. El alambre de relleno puede contener elementos (por ejemplo Mn, Ni y Cu), los cuales inducen la transformación del acero a una estructura austenítica y benefician el mantenimiento de la transformación austenítica en el baño fundido.

Utilizar este método de soldadura híbrida por láser-arco conocido, debería lograrse que piezas vírgenes formables en caliente hechas de acero al manganeso-boro, las cuales son proporcionadas con un recubrimiento con una base de aluminio/silicio, puedan ser soldadas sin remoción previa del material de recubrimiento en la región de la costura de soldadura a ser producida, en donde sin embargo debería asegurarse que el aluminio ubicado en los bordes colindantes de las piezas vírgenes no conduzca a una reducción de la resistencia a la tensión del componente en la costura de soldadura. Al proporcionar un arco electrico detrás del haz de láser, el baño fundido debería ser homogenizado y como resultado, concentraciones locales de aluminio mayores que 1.2% por peso, las cuales crean una estructura ferrítica, son eliminadas.

Este método de soldadura híbrida conocido es relativamente caro con respecto al consumo de energía, debido a la generación del arco eléctrico.

La presente invención está basada en el objetivo de especificar un método de soldadura por láser, mediante el cual piezas de trabajo hechas de acero endurecible por presión, particularmente acero al manganeso-boro, las cuales tienen un grosor de por lo menos 1.8 mm y/o en las cuales un salto en grosor de por lo menos 0.4 mm resulta en la unión de tope, pueden ser unidas a piezas de trabajo a la medida, particularmente piezas vírgenes a la medida, en la unión de tope, la costura de soldadura de la cual puede ser endurecida de manera confiable durante formado en caliente (endurecimiento por prensa) a una estructura martensítica. Además, el método debería destacar debido a alta productividad y un consumo de energía relativamente bajo.

Para lograr este objetivo, se sugiere un método con las características de la reivindicación 1. Modalidades preferidas y ventajosas del método de acuerdo a la invención son especificadas en las reivindicaciones dependientes.

El método de acuerdo con la invención es utilizado para soldar por láser una o una pluralidad de piezas de trabajo de acero endurecible por prensa, particularmente acero al manganeso-boro, en una unión de tope, en el cual la pieza de trabajo o las piezas de trabajo tienen un grosor de por lo menos 1.8 mm, particularmente por lo menos 2.0 mm, y/o un salto en grosor de por lo menos 0.4 mm surge en la unión de tope. La soldadura por láser en este caso tiene lugar con el suministro de alambre de relleno en el baño fundido generado utilizando un haz de láser. El método de acuerdo con la invención está además caracterizado en que el alambre de relleno contiene por lo menos un elemento de aleación del grupo que comprende manganeso, cromo, molibdeno, silicio y/o níquel, cuyo elemento promueve la formación de austenita en el baño fundido generado utilizando el haz de láser, en donde este por lo menos un elemento de aleación está presente en el alambre de relleno con una proporción de masa que es mayor por 0.1% por peso que en el acero endurecible por prensa de la pieza de trabajo o las piezas de trabajo.

Las piezas de trabajo producidas de acuerdo con la invención o piezas vírgenes a la medida ofrecen una mayor ventana de proceso con respecto a la formación en caliente (endurecimiento por prensa), en cuya ventana se logra un endurecimiento satisfactorio del componente, particularmente también en la costura de soldadura de las mismas.

El método de acuerdo con la invención puede ser utilizado no solamente cuando se unen una pluralidad de piezas vírgenes de acero de diferente calidad de material y/o grosor de hoja en la unión de tope, sino también en el caso de soldadura por láser de una hoja de acero en forma de placa o de tira individual, en donde en el último caso mencionado, los bordes de la pieza de trabajo que serán soldados entre sí son movidos uno hacia otro mediante re-conformado, por ejemplo mediante doblado o formado en rollo, de manera que éstos sean finalmente arreglados mirando uno hacia otro en la unión de tope.

En una modalidad preferida del método de acuerdo con la invención, la pieza de trabajo o las piezas de trabajo son seleccionadas de tal manera que el acero de las mismas tiene la siguiente composición: 0.10 a 0.50% por peso de C, máximo 0.40% por peso de Si, 0.50 a 2.00% por peso de Mn, máximo 0.025% por peso de P, máximo 0.010% por peso de S, máximo 0.60% por peso de Cr, máximo 0.50% por peso de Mo, máximo 0.050% por peso de Ti, 0.0008 a 0.0070% por peso de B, y mínimo 0.010% por peso de Al, el resto Fe e impurezas inevitables. Los componentes producidos a partir de un acero tal tienen una resistencia a la tensión relativamente alta después del endurecimiento por prensa.

De manera particularmente preferible, en el método de acuerdo con la invención, son utilizadas piezas de trabajo en forma de pieza virgen o de tira hechas de acero endurecible por prensa, las cuales tienen una resistencia a la tensión en la región de 1500 a 2000 MPa después del endurecimiento por prensa.

Una modalidad preferida adicional del método de acuerdo con la invención está caracterizada en que el alambre de relleno utilizado ahí tiene la siguiente composición: 0.05 a 0.15% por peso de C, 0.5 a 2.0% por peso de Si, 1.0 a 2.5% por peso de Mn, 0.5 a 2.0% por peso de Cr + Mo, y 1.0 a 4.0% por peso de Ni, el resto Fe e impurezas inevitables. Experimentos han mostrado que con un alambre de relleno tal, con el uso del método de acuerdo con la invención, se puede asegurar una conversión completa de la costura de soldadura a una estructura martensítica en una manera particularmente confiable durante el subsecuente endurecimiento por prensa.

De acuerdo con una modalidad preferida adicional del método según la invención, el alambre de relleno usado ahí tiene una proporción de masa de carbono que es menor por al menos 0.1% por peso que el acero endurecible por prensa de la pieza de trabajo o las piezas de trabajo. Se puede evitar una fragilización de la costura de soldadura mediante un contenido relativamente bajo de carbono del alambre de relleno. En particular, se puede lograr una buena elasticidad residual en la costura de soldadura debido a un contenido relativamente bajo de carbono del alambre de relleno.

Una modalidad ventajosa adicional del método de acuerdo con la invención proporciona que el alambre de relleno puede ser suministrado al baño fundido en un estado calentado. Como resultado, se puede lograr una mayor velocidad de proceso o una mayor productividad. Esto es porque, en esta modalidad, no se tiene que expandir mucha energía, con el fin de fundir el alambre de relleno. Preferentemente, el alambre de relleno es calentado a una temperatura de por lo menos 50°C, por lo menos en una sección de longitud, antes de suministrarlo al baño fundido.

Con el fin de evitar una fragilización de la costura de soldadura, una modalidad preferida adicional del método de acuerdo con la invención proporciona que el baño fundido sea cargado con gas protector (gas inerte) durante la soldadura por láser. En este caso, argón puro, helio, nitrógeno o una mezcla de los mismos o una mezcla hecha de argón, helio, nitrógeno, y/o dióxido de carbono y/u oxígeno es utilizada de manera particularmente preferible.

Con el fin de evitar la formación de una capa de cascarilla en tiras de acero u hojas de acero, éstas son proporcionadas convencionalmente con un recubrimiento con una base de aluminio o aluminio/silicio. El método de acuerdo con la invención también puede ser aplicado cuando se utilizan tales piezas vírgenes de acero o tiras de acero recubiertas. Piezas vírgenes de acero o tiras de acero no recubiertas de igual manera pueden ser soldadas entre sí de acuerdo con el método según la invención. De acuerdo con una modalidad ventajosa adicional del método según la invención, el recubrimiento con una base de aluminio o aluminio/silicio puede ser removida en la región de borde a lo largo de los bordes colindantes a ser soldados entre sí antes de la soldadura por láser. Esto puede tener lugar por medio de un haz de energía, preferentemente un haz de láser. De igual manera es concebible un decapado mecánico o por alta frecuencia (HF, por sus siglas en inglés). De esta manera, se puede evitar de manera confiable una deficiencia de la costura de soldadura por material de recubrimiento introducida de otra manera ahí de manera indeseada, la cual puede o podría conducir a fallas en el perfil de dureza durante la formación en caliente (endurecimiento por prensa).

La invención se explica en mayor detalle a continuación con base en dibujos que ilustran modalidades ejemplares. En las figuras: La Fig. 1 muestra una vista en perspectiva de partes de un dispositivo para llevar a cabo el método de soldadura por láser de acuerdo con la invención, en donde dos piezas vírgenes de acero endurecible por prensa, de grosor esencialmente igual, son soldadas entre sí en una unión de tope; y La Fig. 2 muestra una vista en perspectiva de partes de un dispositivo para llevar a cabo el método de soldadura por láser de acuerdo con la invención, en donde aquí dos piezas vírgenes de acero endurecible por prensa, de grosor diferente, son soldadas entre sí en una unión de tope.

Un dispositivo es ilustrado esquemáticamente en la Fig. 1 , con el uso del cual puede ser llevado a cabo un método de soldadura por láser de acuerdo con la invención. El dispositivo comprende un soporte (no mostrado), sobre el cual dos tiras o piezas vírgenes 1 , 2 hechas de acero de diferente calidad de material se apoyan directamente a lo largo de la unión 3. Por ejemplo, una pieza de trabajo 1 o 2 tiene un grado de embutición profunda relativamente débil, mientras que la otra pieza de trabajo 2 o 1 consiste de una hoja de acero de mayor resistencia. Por lo menos una de las piezas de trabajo 1, 2 es producida a partir de acero endurecible por prensa, por ejemplo hechas de acero al manganeso-boro.

Las piezas de trabajo 1 , 2 son esencialmente de igual grosor. El grosor de las mismas es de por lo menos 1.8 mm, por ejemplo por lo menos 2.0 mm.

Bosquejada arriba de las piezas de trabajo 1, 2 está una sección de una cabeza de soldadura por láser 4, la cual es provista con un sistema óptico (no mostrado) para suministrar un haz de láser y también un lente de enfoque 5 para el haz de láser 6. Además, un tubo 7 para suministrar gas protector está arreglado en la cabeza de soldadura por láser 4. La abertura del tubo de gas protector 7 está esencialmente dirigida sobre el área de foco del haz de láser 6 o el baño fundido 8 generado con el haz de láser 6. Argón puro o por ejemplo una mezcla de argón, helio y/o dióxido de carbono es utilizada preferentemente como gas protector. Además, un aparato de suministro de alambre 9 es asignado a la cabeza de soldadura por láser 4, por medio del cual, un material adicional especial es suministrado al baño fundido 8 en la forma de un alambre 10, el cual también es fundido por el haz de láser 6. El alambre adicional (alambre de relleno) 10 es alimentado al baño fundido 8 en un estado calentado. Para este fin, el aparato de suministro de alambre 9 está equipado con al menos un elemento de calentamiento (no mostrado), por ejemplo una bobina de calentamiento rodeando el alambre 10. Al utilizar el elemento de calentamiento, el alambre de relleno 10 es calentado preferentemente a una temperatura de por lo menos 50°C, de manera particularmente preferente a por lo menos 90°C.

La modalidad ejemplar ilustrada en la Fig. 2 difiere de la modalidad ejemplar de acuerdo con la Fig. 1 en que las piezas de trabajo 1 , 2’ son de diferente grosor, de manera que en la unión de tope 3, está presente un salto en grosor d de por lo menos 0.4 mm. Por ejemplo, una pieza de trabajo 2’ tiene un grosor de hoja en el intervalo de 0.5 mm a 1.2 mm, mientras que la otra pieza de trabajo 1 tiene un grosor de hoja en el intervalo de 1.6 mm a 2.5 mm. Además, las piezas de trabajo 1 , 2’ a ser conectadas entre sí en la unión de tope 3 también pueden diferir entre sí en términos de la calidad de material de las mismas. Por ejemplo, la pieza virgen 1 más gruesa es producida a partir de hoja de acero de mayor resistencia, mientras que la pieza virgen de acero 2’ más delgada tiene una calidad de embutición profunda relativamente débil.

El acero endurecible por prensa, del cual por lo menos una de las piezas de trabajo 1 , 2 o 2’ a ser conectadas entre sí en la unión de tope 3, puede por ejemplo tener la siguiente composición química: máximo 0.45% por peso de C, máximo 0.40% por peso de Si, máximo 2.0% por peso de Mn, máximo 0.025% por peso de P, máximo 0.010% por peso de S, máximo 0.8% por peso de Cr + Mo, máximo 0.05% por peso de Ti, máximo 0.0050% por peso de B, y mínimo 0.010% por peso de Al, resto Fe e impurezas inevitables.

Las piezas de trabajo o piezas vírgenes de acero 1 , 2 o 2’ pueden ser no recubiertas o provistas con un recubrimiento, particularmente una capa de Al-Si. En el estado de entrega, es decir antes de un tratamiento térmico y enfriamiento rápido, el punto de fluencia Re de las piezas vírgenes de acero endurecible por prensa 1, 2 y/o 2’ es preferentemente por lo menos 300 MPa; la resistencia a la tensión Rm de las mismas es por lo menos 480 MPa, y la elongación en ruptura A80 de las mismas es por lo menos 10%. Después del formado en caliente (endurecimiento por prensa), es decir austenización a aproximadamente 900 a 920°C y posterior enfriamiento rápido, estas piezas vírgenes de acero tienen un punto de fluencia Re de aproximadamente 1 ,100 MPa, una resistencia a la tensión Rm de aproximadamente 1500 a 2000 MPa y una elongación en ruptura A80 de aproximadamente 5.0%.

En la medida que las piezas de trabajo o piezas vírgenes de acero 1 , 2 y/o 2’ son proporcionadas con un recubrimiento de aluminio, particularmente con un recubrimiento de Al-Si, el recubrimiento puede ser removido o parcialmente decapado en la región de borde a lo largo de los bordes colindantes a ser soldados entre sí, antes de la soldadura por láser. Si es apropiado, también es removido material de recubrimiento de aluminio que se adhiere en los bordes colindantes o de intersección 3. La remoción (eliminación) del material de recubrimiento de aluminio preferentemente puede tener lugar por medio de por lo menos un haz de láser.

El alambre de relleno 10 utilizado típicamente tiene la siguiente composición química: 0.1 % por peso de C, 0.8% por peso de Si, 1.8% por peso de Mn, 0.35% por peso de Cr, 0.6% por peso de Mo, y 2.25% por peso de Ni, resto Fe e impurezas inevitables.

El contenido de manganeso del alambre de relleno 10 en este caso es de manera constante mayor que el contenido de manganeso de las piezas de trabajo endurecibles por prensa 1 , 2 o 2’. Preferentemente, el contenido de manganeso del alambre de relleno 10 en este caso es mayor por aproximadamente 0.2% por peso que el contenido de manganeso de las piezas de trabajo endurecibles por prensa 1, 2 o 2’. Además, es benéfico, si también el contenido de cromo y molibdeno del alambre de relleno 10 es mayor que en las piezas de trabajo endurecibles por prensa 1 , 2 o 2’. Preferentemente, el contenido combinado de cromo-molibdeno del alambre de relleno 10 en este caso es mayor por aproximadamente 0.2% por peso que el contenido combinado de cromo-molibdeno de las piezas de trabajo endurecibles por prensa 1 , 2 o 2’. El contenido de níquel del alambre de relleno 10 preferentemente yace en el intervalo de 1 a 4% por peso. Adicionalmente, el alambre de relleno 10 preferentemente tiene un menor contenido de carbono que el acero endurecible por prensa de las piezas de trabajo 1, 2 o 2’.

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Un método para soldar por láser una o más piezas de trabajo hechas de acero endurecible por prensa, particularmente acero al manganeso-boro, en una unión de tope, en el cual la pieza de trabajo o las piezas de trabajo (1 , 2; 1 , 2’) tienen un grosor de por lo menos 1.8 mm y/o un salto en grosor (d) de por lo menos 0.4 mm surge en la unión de tope (3), caracterizado porque la soldadura por láser tiene lugar con el suministro de alambre de relleno (10) en el baño fundido (8) generado exclusivamente con un haz de láser (6), en donde el alambre de relleno (10) contiene por lo menos un elemento de aleación del grupo que comprende manganeso, cromo, molibdeno, silicio y/o níquel, cuyo elemento promueve la formación de austenita en el baño fundido (8) generado utilizando el haz de láser (6), en donde este por lo menos un elemento de aleación está presente en el alambre de relleno (10) con una proporción de masa que es mayor por 0.1% por peso que en el acero endurecible por prensa de la pieza de trabajo o las piezas de trabajo (1 , 2; 1 , 2’), en donde el alambre de relleno (10) tiene una proporción de masa de carbono que es menor por al menos 0.1% por peso que el acero endurecible por prensa de la pieza de trabajo o las piezas de trabajo (1 , 2; 1 , 2’), y en donde la pieza de trabajo utilizada o las piezas de trabajo utilizadas (1 , 2; 1 , 2’) no están recubiertas o, mediante remoción en la región de borde a lo largo de los bordes colindantes a ser soldados entre sí antes de la soldadura por láser, son parcialmente decapadas.

2. El metodo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el acero de la pieza de trabajo o piezas de trabajo (1 , 2; 1, 2’) tiene la siguiente composición: 0.10 - 0.50% por peso de C, máximo 0.40% por peso de Si, 0.50 - 2.00% por peso de Mn, máximo 0.025% por peso de P, máximo 0.010% por peso de S, máximo 0.60% por peso de Cr, máximo 0.50% por peso de Mo, máximo 0.050% por peso de Ti, máximo 0.0008 - 0.0070% por peso de B, y mínimo 0.010% por peso de Al, resto Fe e impurezas inevitables.

3. El método de conformidad con la reivindicación 1 o 2, caracterizado además porque el alambre de relleno (10) tiene la siguiente composición: 0.05 - 0.15% por peso de C, 0.5 - 2.0% por peso de Si, 1.0 - 2.5% por peso de Mn, 0.5 - 2.0% por peso de Cr + Mo, y 1.0 - 4.0% por peso de Ni, resto Fe e impurezas inevitables.

4. El método de conformidad con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado además porque el alambre de relleno (10) es suministrado al baño fundido (8) en un estado calentado.

5. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque el alambre de relleno (10) es calentado a una temperatura de por lo menos 50°C, por lo menos en una sección de longitud, antes de suministrarlo al baño fundido (8).

6. El método de conformidad con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado además porque el baño fundido (8) es cargado con gas protector durante la soldadura por láser.

7. El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque se utiliza argón puro o una mezcla de argón y dióxido de carbono como gas protector.

8. El método de conformidad con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado además porque la pieza de trabajo parcialmente decapada o las piezas de trabajo parcialmente decapadas (1 , 2; 1 , 2’) tienen una capa superficial con una base de aluminio o aluminio/silicio.