l-ÉÉßßO Y APARATO ? SOLDADORA CON LÁSER IN SITU
CAMPO DE LA INVENCIÓN
Esta invención se refiere, en general, a un método y aparato para dobladillado de un reborde periférico de un panel de acero exterior, por encima de un borde periférico de un panel de acero interior, soldando después con láser la junta dobladillada resultante.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las juntas dobladilladas son bien conocidas en la industria de automóviles y, entre otras cosas, se usan para unir entre sí paneles metálicos interiores y exteriores, de puertas, y otros miembros de cierre de vehículos automotores. Las juntas dobladilladas resultantes incluyen generalmente, cada una, un reborde de metal de un panel, que se pliega por encima y sobre un borde de otro panel. Típicamente, en la construcción de un vehículo automotor, un reborde periférico o región de borde exterior de un panel exterior, se pliega por encima y sobre una región de borde exterior de un panel interior. La junta dobladillada resultante proporciona un borde terminado y una
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conexión mecánica entre los dos paneles que proporciona resistencia y rigidez al miembro. Los requerimientos de tolerancias más estrictos en la industria automotriz han hecho que el ajuste 5 y acabado de las puertas y otros miembros de cierre, en la carrocería de un automóvil, se hagan cada vez más importantes. Por ejemplo, las bisagras que unen a una puerta a la carrocería de un automóvil están unidas físicamente a un panel de puerta interior de la puerta. Al mismo tiempo,
10 el ajuste de la puerta en la carrocería del automóvil es juzgado por la alineación del panel exterior con relación a una abertura de puerta en la que debe acomodarse la puerta cuando se cierre. Desafortunadamente cualquier mala alineación entre el borde exterior de la puerta y el borde
15 interior de la abertura de la puerta es fácilmente evidente. Para conseguir la alineación deseada no es suficiente gue los paneles interior y exterior estén dimensionados para ajustarse exactamente, como se pretenda, en la abertura de la puerta. Los paneles interior y exterior deben estar
20 también alineados en forma exacta uno con relación al otro antes de que sean dobladillados uno con el otro y deben de mantener esa alineación durante y después del dobladillado. Después del dobladillado, la junta dobladillada alrededor de la periferia de la puerta, no permitirá que los paneles se
25 separen completamente uno del otro, pero todavía es posible que el panel interior se desplace con relación al panel exterior. Esto se debe a que la junta dobladillada entre los dos paneles es, en efecto, solamente una junta deslizante. Para prevenir el deslizamiento de los paneles interior y exterior uno con relación al otro, la industria se ha enfocado en conseguir lo que comúnmente se conoce como "inmovilización total de paneles". La inmovilización total de paneles es una condición conseguida en donde, mediante el dobladillado de dos paneles entre sí, se previene efectivamente que los paneles se muevan uno con relación al otro. Un método conocido para conseguir ésto es proporcionar adhesivo curado por inducción, en la junta dobladillada. El adhesivo se cura después en un horno o en alguna otra forma de cámara de tratamiento, inmediatamente después de que se forma el dobladillado. Sin embargo, mover físicamente una puerta ensamblada, hacia un horno u otra cámara de tratamiento, para el curado del adhesivo, puede causar que los paneles se deslicen uno con relación al otro. Usar un adhesivo de endurecimiento instantáneo puede resolver este problema. Un adhesivo de endurecimiento instantáneo inmovilizará los paneles entre sí, tan pronto como hag$n contacto uno con el otro. Sin embargo, el uso de ese adhesivo haría imposible, como a menudo es necesario, desplazar los dos paneles hacia su posición relativa deseada después de que han hecho contacto entre sí.
Por lo tanto sería deseable conseguir una inmovilización total de paneles tan rápido como sea posible, después pero no antes de que se haya hecho una junta dobladillada. Un ejemplo de un sistema que consigue la inmovilización total de paneles después del dobladillado, se describe en la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 5,897,796 expedida el 27 de Abril de 1999 a Forrest, la descripción de la cual se incorpora en la presente como referencia. Forrest describe un aparato para dobladillado y soldadura con láser in situ, que incluye un troquel inferior con una forma tal para soportar un panel metálico exterior en una posición para hacer dobladillado por encima de los bordes exteriores de un panel metálico interior. Un troquel superior se encuentra montado sobre un soporte móvil para el movimiento alternativo entre una posición elevada lejana al troquel inferior y una posición descendida, adyacente al troquel inferior. El troquel superior dobladilla el panel exterior plegando un reborde periférico del panel exterior por encima y sobre una región de borde periférico del panel interior, cuando el troquel superior se mueve hacia la posición descendida. Un mecanismo de sujeción abajo y colocación del panel interior, coloca y sostiene los dos paneles entre sí y establece una condición estable para el dobladillado. Después de que el troquel superior se ha movido hacia arriba y afuera de su posición descendida, una
pluralidad de unidades láser se mueve al sitio para soldar el reborde periférico del panel exterior a la región de borde periférico del panel interior. El sistema de soldadura in situ de Forrest debe hacer entonces una pausa durante el 5 tiempo que le toma al troquel superior moverse una distancia suficiente hacia arriba desde su posición descendida. También es conocido en la técnica usar soldadura por puntos para asegurar juntas dobladilladas. Sin embargo, las soldaduras por puntos requieren típicamente que
10 la superficie Clase A del panel exterior reciba un acabado seguido a la soldadura por puntos. El acabado es necesario para obliterar las distorsiones que la soldadura por puntos causa sobre las superficies exteriores de paneles soldados, en donde se colocan los electrodos para soldadura por
15 puntos, durante la soldadura por puntos. Además, los paneles metálicos pueden perder su orientación relativa en el proceso de ser transportados desde una máquina de dobladillado hasta una máquina de soldadura por puntos. También es conocida en la técnica la soldadura
20 con láser de una junta dobladillada, después de retirar la junta dobladillada de una prensa de dobladillar. Las ventajas de la soldadura con láser, con respecto a la soldadura de resistencia convencional, incluyen la menor distorsión en los paneles soldados, zonas térmicamente
25 efectivas más pequeñas, características mecánicas y
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estructurales mejoradas, mayores velocidades de procesamiento, y la eliminación de la necesidad de lograr acceso al sitio de soldadura en una pieza de trabajo, desde ambos lados de la pieza de trabajo. Para prevenir la 5 separación de los paneles, la cual evitaría una soldadura efectiva, se conocen también sistemas de soldadura con láser, que incluyen abrazaderas para soladura que sostienen entre sí los paneles que se van a soldar. También se sabe que se usan robots en operaciones de soldadura con láser,
10 para colocar y dirigir un emisor láser y/o espejos directrices para láser. También conocida en la técnica es la formación de soldaduras por conducción, calentando la superficie de una pieza de trabajo con un haz láser hasta que la
15 superficie se funda. De conformidad con este proceso, después de que la superficie se funde, la conducción de calor en el material funde una zona por debajo de un patrón de proyección del haz láser. Esta zona es aproximadamente hemisférica debido a que la pérdida de calor es mayor en el
20 borde del patrón de proyección láser que en su centro. Consecuentemente, siempre y cuando la aplicación del láser no se deje continuar por un tiempo lo suficiente largo para iniciar la vaporización del metal superficial, las soldaduras por conducción producen botones de soldadura que
25 no son muy profundos. Como se muestra en la figura 1, una
-__ » *" '' * I 1 * ^ .,.^-«. __¿--A. ^I-^^ soldadura por conducción formada apropiadamente 60 tiene un botón de soldadura 66 con una sección transversal que es más ancha que su profundidad. Aunque es posible aplicar láse,r a la superficie de un panel metálico superior, por un tiempo suficiente para formar un charco grande de metal fundido, en los paneles que se van a soldar, el límite práctico' de profundidad de penetración en los paneles, es de aproximadamente 1 milímetro. Los láser YAG son los más comúnmente usados para producir esas soldaduras por conducción, aunque se sabe que también se usan los láser de C02. También mostrada en la figura 1 se encuentra lo que se conoce en la técnica como una soldadura de bocallave 68 que se forma cuando la aplicación del láser se continúa por un tiempo suficiente para causar que ocurra la vaporización de metal superficial durante la formación de una soldadura por conducción. El metal vaporizado genera un canal que penetra más profundamente dentro de una pieza de trabajo, creando zonas de fusión y por lo tanto un botón 70 de soldadura que es mucho más profundo que su ancho. Las soldaduras de bocallave son entonces indeseablemente más profundas, más ásperas y más variables que las soldaduras por conducción. El metal vaporizado que resulta de las soldaduras de bocallave, genera también más contaminación dé la que se produce en las soldaduras por conducción. Las
soldaduras de bocallave son las que típicamente resultan del uso del láser YAG. Otro tipo de láser que puede usarse en la soldadura es el láser de diodo. Los láser de diodo incluyen virutas casi microscópicas de arseniuro de galio u otros semiconductores exóticos, para generar luz coherente. Sería deseable proporcionar un método y aparato para dobladillado y soldadura con láser in situ, que suelde un reborde de un panel exterior a una región de borde de un panel interior, inmediatamente después del dobladillado de los paneles entre sí, y mientras un troquel superior del aparato se encuentre todavía en su posición descendida después del dobladillado.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención consiste en un aparato para dobladillado y soldadura con láser in situ, para dobladillar rebordes periféricos de un panel de acero exterior encima de los bordes periféricos de un panel de acero interior y para soldar con láser las juntas dobladilladas resultantes. El aparato incluye un troquel inferior configurado para soportar al menos una porción de un panel metálico exterior en una posición que vaya a dobladillarse por encima de una región de borde de un panel interior. Un troquel superior
está montado sobre un soporte móvil para el movimiento alternativo entre una posición elevada, lejana al troquel inferior, y una posición descendida, adyacente al troquel inferior. El troquel superior está configurado y colocado 5 para dobladillar el panel exterior mediante el plegado de un reborde del panel exterior por encima y sobre la región de borde del panel interior cuando el troquel superior se mueva hacia la posición descendida. Una unidad láser puede colocarse para soldar un borde exterior del reborde del
10 panel exterior, a una superficie superior del panel interior, mientras el troquel superior se encuentra todavía en su posición descendida, sosteniendo los dos paneles juntos. La invención incluye también un método para
15 dobladillar rebordes periféricos de , un panel de acero exterior, encima de los bordes periféricos de un panel de acero interior, y soldar con láser las juntas dobladilladas resultantes. De acuerdo con este método se proporcionan paneles interior y exterior entre los troqueles superior e
20 inferior de un aparato para dobladillado. El aparato forma después una junta dobladillada, plegando un reborde del panel exterior, por encima y sobre una región de borde del panel interior, moviendo los troqueles superior e inferior conjuntamente. Los troqueles superior e inferior se mueven
25 después separándose para permitir el retiro de los paneles
unidos. Un borde exterior del reborde del panel exterior se suelda después con láser a una superficie superior del panel interior, después de mover los troqueles superior e inferior conjuntamente, y antes de mover los troqueles superior e inferior para separarlos. Objetos, características y ventajas de esta invención incluyen proporcionar un método y aparato para la inmovilización total de paneles de un ensamble que comprende una junta dobladillada, proporcionar un método y aparato que logre la inmovilización total de paneles en una relación o posición relativa, alineada, deseada, y hacerlo inmediatamente después del dobladillado y antes de que los paneles hayan tenido la oportunidad de desplazarse hacia afuera de su relación alineada, permitiendo y proporcionando la soldadura con láser inmediatamente después de que los paneles hayan sido dobladillados, previniendo el regreso elástico del reborde plegado encima, es decir, previniendo que el reborde plegado encima se levante y salga de contacto con la región de borde del panel interior, una condición que de otra manera prevendría gue se forme una soldadura con láser satisfactoria, y proporcionar un método y aparato para soldar una junta dobladillada de dos paneles de aluminio en la que el aluminio no necesita ser limpiado antes de que se lleve a cabo la operación de soldadura. Estos y otros objetos de la invención serán
evidentes a partir de la sif?i$.ente descripción detallada, en la que los números de referencia usados en toda la descripción corresponden a los números mostrados en las figuras de los dibujos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Estos y otros objetos, características y ventajas de esta invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de la(s) modalidad (es) preferida (s) y el mejor modo, reivindicaciones anexas, y dibujos adjuntos en los que: La figura 1 es una vista lateral en corte, de dos paneles metálicos soldados entre sí mediante una soldadura de bocallave y una soldadura por conducción; La figura 2 es una vista frontal esquemática de un aparato para dobladillado y soldadura con láser in situ, construido de conformidad con la invención; La figura 3 es una vista detallada esquemática de dos paneles, después de que han sido dobladillados entre sí mediante el aparato para dobladillado y soldadura con láser in situ, de la figura 1; La figura 4 es una vista detallada, esquemática, de un aparato alternativo para dobladillado y soldadura con láser in situ, que muestra una fuente láser
í montada sobre el extremo de un brazo robótico; La figura 5 es una vista en planta de un patrón de proyección de haz láser, formado por un láser de diodo del aparato para dobladillado y soldadura con láser m situ, ya sea de la figura 1 ó figura 2; y La figura 6 es una vista en perspectiva, parcial, de un patrón de proyección de láser de diodo, proyectado sobre una junta dobladillada.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA(S) MODALIDAD (ES) DE LA INVENCIÓN
En los dibujos se presenta un aparato 10 construido para dobladillar rebordes periféricos de un panel de acero exterior 28 por encima de los bordes periféricos de un panel de acero interior 30 y para soldar con láser las juntas dobladilladas resultantes. Descrito en forma amplia, el aparato 10 incluye un troquel inferior 24 o "poste de troquel" que soporta los paneles metálicos interior y exterior 30, 28. El troquel inferior 24 soporta el panel metálico exterior 28 en una posición que va a dobladillarse por encima de una región de borde periférico 31 del panel interior 30. Un troquel superior 32 o "acero de troquel" se monta sobre un soporte móvil para el movimiento alternativo entre una posición elevada, lejana al troquel inferior 24 y
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una posición descendida, adyacente al troquel inferior 24. El troquel superior 32 dobladilla el panel exterior 28 plegando adicionalmnte un borde o reborde 29 plegado por encima, del panel exterior 28, sobre la región de borde 31 del panel interior 30, cuando el troquel superior 32 se mueve hacia la posición descendida. El aparato 10 incluye también una unidad láser 36 que puede colocarse para soldar un borde exterior del reborde 29 del panel exterior 28 a una superficie superior 44 del panel interior 30, con el troquel superior 32 todavía en su posición descendida sosteniendo los dos paneles entre sí. Esto se hace para conseguir la inmovilización total de paneles en una relación o posición relativa, alineada, deseada, inmediatamente después del dobladillado y antes de que los paneles hayan tenido la oportunidad de desplazarse afuera de su relación alineada. El troquel superior incluye una superficie de acoplamiento plana que se acopla al reborde 29 del panel exterior 28. La superficie de acoplamiento plana tiene un borde exterior lineal, continuo 43. El soporte móvil se alinea al borde exterior 43 de la superficie de acoplamiento, en una disposición en general paralela y adyacente al borde exterior 42 del reborde 29 en la posición descendida, para proporcionar una compresión uniforme a lo largo de la junta dobladillada resultante, y para evitar la distorsión sobre una superficie Clase A exterior del panel
exterior 28. Como se muestra en la figura 2, el aparato 10 para dobladillado y soldadura in situ, comprende una base 12, un soporte de yunque 14, y un soporte móvil 16 conectado a la base 12 por miembros de articulación 18, 20. El miembro de articulación 18 es accionado por un brazo de manivela 22 que a su vez es accionado por un motor primario (no mostrado) . El troquel inferior 24 está montado sobre el soporte de yunque 14 y soporta una pieza de trabajo 26 que comprende el panel exterior 28 y el panel interior 30. El troquel superior 32 está montado sobre un sujetador 34 del acero de troquel, que está montado al soporte móvil 16. En la figura 2, el troquel superior 32 se muestra en la posición descendida sujetando la pieza de trabajo 26 abajo y contra el poste de troquel. El troquel superior 32 puede ser levantado para liberar la pieza de trabajo 26 y para permitir la introducción de otra pieza de trabajo (no mostrada) . En la figura 2 se muestra también la unidad láser 36 que está montada sobre una ménsula 38 que está unida a un mecanismo 40 de sujeción abajo y colocación del panel interior. El mecanismo 40 de sujeción abajo y colocación del panel interior se usa convenientemente para colocar correctamente, sujetar abajo y estabilizar el panel interior 30 con relación al panel exterior 28 de manera tai que los dos paneles puedan ser dobladillados entre sí, en su orientación y relación apropiadas. Los miembros de acoplamiento de la pieza de trabajo, del mecanismo 40 de sujeción abajo y colocación del panel interior, no se muestran, pero esos miembros son convencionales y bien conocidos en la técnica. La unidad láser 36 dirige un haz láser sobre una interfase 41 en general lineal, entre los paneles 28, 30 en la junta dobladillada, es decir, en la interfase 41 entre un borde exterior 42 del reborde 29 del panel exterior 28 y una superficie superior 44 del panel interior 30, como se explica en forma más completa posteriormente . Como se muestra en la figura 3, la pieza de trabajo 26 está soportada sobre el troquel inferior 24 y el troquel superior 32 está soportado sobre el sujetador 34 de acero de troquel superior. Como se muestra también en la figura 3, la región de borde 31 del panel interior 30 se muestra capturada por el reborde 29 plegado encima del panel exterior 28. La superficie inferior 27 del panel interior 30, 28 comprenderá una superficie Clase A del miembro del panel terminado o pieza de trabajo 26. Una soldadura 36 ha sido formada entre el reborde 29 plegado encima, del panel exterior 28 y del panel interior 30 en donde el reborde 29 plegado encima, del panel exterior 28, ha sido forzado contra el panel interior 30 por el acero para dobladillado '***?' 16
32. Como se muestra en la figura 4, la unidad láser 36 puede estar montada sobre un brazo robótico 46 en vez que en el mecanismo 40 de sujeción abajo y colocación 5 del panel interior. En esta modalidad alternativa del aparato para dobladillado y soldadura in situ, el brazo robótico 46 es capaz de colocar la unidad láser 36 con relación a la pieza de trabajo 26 de manera tal que puedan producirse una o más soldaduras a lo largo del borde 42 del
10 panel exterior 28 en donde se pliega por encima de la región de borde 31 del panel interior 30. El brazo robótico 46 tiene la capacidad de mover una sola unidad láser hacia una o más posiciones a lo largo de la pieza de trabajo dobladillada 26, incrementando así la productividad del
15 láser individual. Para evitar la distorsión de la superficie Clase A del panel exterior 28, la unidad láser 36 forrr.a> a través de soldadura por conducción, un botón de soldadura que es más ancho que su profundidad. La unidad láser 36
20 usada para formar el botón de soldadura por conducción, incluye un láser de diodo que tiene aproximadamente cuatro kilovatios de potencia. El patrón del haz de un láser de diodo es característicamente grande y disperso, en lugar que nítido y muy enfocado. Es por esta razón que se ha
25 encontrado que un haz de láser de diodo es apropiado para
soldar una junta dobladillada. Debido a que emplea un láser de diodo, la unidad láser 36 produce una forma de haz que es lo suficientemente dispersa para evitar la distorsión de la superficie Clase A del panel exterior 28. En donde los paneles son de aluminio o acero, se ha demostrado que un láser de diodo forma una soldadura por conducción que no se* transmite a través de la superficie de la Clase A del panel exterior 28. Como se muestra en la figura 5, la unidad láser 36 produce un haz gue, además de ser relativamente grande y "disperso", es alargado lateralmente y es de sección transversal en general rectangular. La unidad láser 36 está colocada para proyectar este haz, en general rectangular, sobre la interfase 41 de la junta dobladillada, en general lineal, entre el panel interior 30 y el borde del reborde 29 del panel exterior 28. En la presente modalidad, el patrón de proyección tiene una relación de altura H con respecto al ancho W entre 1:10 y 1:25. Sin embargo, en otr s modalidades, el patrón de proyección puede ser de cualquier relación de altura con respecto al ancho, apropiada. La figura 6 muestra un método para la proyección del haz desde un láser de diodo sobre una junta dobladillada. Como se muestra en la figura 6, la unidad láser 36 proyecta el haz en una forma tal que produce un patrón de proyección alargado lateralmente, resultante, o
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"área de láser" que está sesgada con relación a la interfase "_1 y cruza la misma. La orientación sesgada del patrón de proyección asegura que la soldadura resultante se forme a través de la interfase 41 e involucrará ambos paneles. La orientación sesgada obvia la necesidad de usar una sonda o equipo de inspección visual para alinear precisamente el haz a lo largo de la interfase 41. En la práctica, los rebordes periféricos de un panel de acero exterior pueden ser dobladillados encima de los bordes periféricos de un panel de acero interior usando el aparato descrito anteriormente, proporcionando primero paneles metálicos interior y exterior 30, 28 entre los troqueles superior e inferior 32, 24 del aparato para dobladillado 10 y soportando los paneles sobre el troquel inferior 24. Después se forma una junta dobladillada plegando el reborde 29 del panel exterior 28 por encima y sobre la región de borde 31 del panel interior 30 moviendo los troqueles superior e inferior conjuntamente. El troquel superior 32 se mueve hacia abajo desde una posición levantada lejana al troquel inferior 24 hasta una posición descendida, adyacente al troquel inferior 24. Cuando el troquel superior 32 alcanza la posición descendida, el borde exterior 43 de la superficie de acoplamiento del troquel superior 32 esta alineado en una disposición en general paralela y adyacente al borde exterior 42 del reborde 29 para evitar discontinuidades superficiales proporcionando una presión uniforme encima del reborde durante el dobladillado. Antes de 5 formar la junta dobladillada, el reborde 29 del panel exterior 28 puede ser dobladillado previamente mediante el doblado del reborde 29 para formar un ángulo comprendido entre los lados, agudo, con relación al resto del panel. Después de que el troquel superior 32 se ha
10 movido hasta su posición descendida, la unidad láser 36 suelda un borde exterior 42 del reborde 29 del panel exterior, a la superficie superior 44 del panel interior 30. Esto ocurre mientras los troqueles superior e inferior 32, 24 continúan sosteniendo los paneles 28, 30 juntos, seguido al dobladillado.
15 Una vez que finaliza la operación de soldadura con láser, los troqueles superior e inferior 32, 24 se mueven y separan para permitir el retiro de los paneles unidos 28, 30. Cuando se sueldan por conducción paneles de aluminio de acuerdo con el método anterior, y cuando la unidad
20 láser comprende un láser de diodo, es innecesario retirar primero el recubrimiento ceroso que típicamente recubre las superficies de los paneles de aluminio usados en la fabricación de automóviles. Los paneles de aluminio están provistos generalmente de ese recubrimiento ceroso para permitir que el
25 aluminio pueda jalarse y prevenir que las láminas se adhieran unas a otras cuando se encuentran apiladas unas sobre otras. Este recubrimiento ceroso debe removerse normalmente antes de la soldadura, para prevenir que el recubrimiento ceroso inhiba la formación de una soldadura satisfactoria. La razón por la que el recubrimiento ceroso no necesita retirarse para la soldadura por conducción mediante un láser de diodo es que el haz del láser de diodo calienta los paneles de aluminio en una forma lo suficientemente lenta para permitir que el recubrimiento se vaporice en una forma no violenta, pero lo suficientemente rápida de manera tal que la superficie Clase A de la pieza de trabajo 26 no sea distorsionada por el calor de la soldadura. Esta descripción pretende ilustrar ciertas modalidades de la invención, en vez que limitar la invención. Por lo tanto usa palabras descriptivas en vez que limitativas. Obviamente, es posible modificar esta invención de lo que se encuentra en la descripción. Dentro del alcance de las reivindicaciones la invención puede llevarse a la práctica en una forma diferente a la descrita. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.