MXPA04002020A - Metodo para realizar una operacion de soldadura laser en acero recubierto con zinc. - Google Patents

Abstract

Se describe un metodo de soldadura de por lo menos dos laminas metalicas protegidas por un recubrimiento de zinc que tiene una baja temperatura de vaporizacion. Las laminas metalicas se colocan una encima de otra de manera tal que por lo menos una lamina metalica tiene una seccion curvada que principia en el area de soldadura. La soldadura se realiza parcialmente sobre laminas metalicas en contacto y parcialmente en la separacion entre las laminas metalicas con el fin de permitir que escapen del area de soldadura los gases generados por vaporizacion del material protector.

Description

MÉTODO PARA REALIZAR UNA OPERACIÓN DE SOLDADURA LÁSER EN ACERO RECUBIERTO CON ZINC ANTECEDENTES DE LA INVENCION Campo de la Invención La presente invención se relaciona con un método para unir por soldadura láser láminas múltiples de acero. Más particularmente, la presente invención se relaciona con un método para realizar una operación de soldadura de haz láser para unir molecularmente dos piezas de acero recubiertas con zinc . 2. Descripción de la Técnica Relacionada Convencionalmente, se conoce la utilización de máquinas de haz láser no únicamente para cortar metal en lámina estirado plano o de alguna otra manera a lo largo de lineas de corte dadas, sino también para unir por puntos o por costura láminas de soldadura. De acuerdo con la práctica general, se mantienen juntas dos láminas de acero para soladura láser, en contacto entre si tan estrechamente como se pueda a lo largo de toda el área de soldadura por medio de sujetadores, de manera que se asegura, entre otras cosas, conducción térmica máxima entre las láminas . Las láminas después se someten a un haz láser, el cual suelda las láminas uniéndolas por fusión del metal en el área de soldadura recorrida por el haz . Aunque el método mencionado antes ha demostrado ser particularmente eficaz para soldadura de acero en lámina desnudo, es decir, sin un material de recubrimiento que lo proteja contra agentes externos, ha demostrado ser inadecuado cuando se unen por soldadura láminas metálicas protegidas contra agentes externos mediante la utilización de un láser de materiales con un recubrimiento de baja temperatura de vaporización. El término "material de baja temperatura de vaporización" se pretende que signifique un material, tal como zinc, que tiene una temperatura de fusión y vaporización considerablemente inferior a la del hierro . Durante la soldadura láser, la energía de un haz láser penetra a través de la primera pieza a la segunda pieza de acero, calentando porciones de las dos piezas a una temperatura suficientemente elevada de manera que funden y coalescen juntas para formar una unión con recubrimiento. No obstante, el material de zinc sobre las superficies en contacto de la primera y segunda piezas se vaporiza violentamente al estado gaseoso y tiende a separar las porciones superior e inferior de la zona de soldadura o expandirse a través de la zona de soldadura hacia el haz láser para crear porosidad en la soldadura final . Si se unen por soldadura dos de estas láminas metálicas protegidas utilizando un material tal como zinc o un material similar, utilizando la misma técnica utilizada para soldar una lámina desnuda, las soldaduras resultantes invariablemente demuestran ser irregulares y estar cribadas con cráteres, fallas las cuales involucran un laminado de seguimiento de alto costo para su eliminación. Se conocen métodos para eliminar estas imperfecciones durante el procedimiento de soldadura cuando se sueldan dos láminas de metal, el metal es del tipo que tiene gases asociados que tienden a quedar atrapados y expandirse en la zona de soldadura, por ejemplo, el zinc vaporizado durante la soldadura debido al calor que procede del láser. Un método se agrega al haz láser estándar con una corriente circundante de un gas de cobertura presurizado eficaz para crear una presión en la superficie de la zona de soldadura suficiente para impulsar al metal fundido de las dos láminas uniéndolas e impulsar al gas asociado expandido fuera de la zona de soldadura en una dirección alejándose del haz láser, por lo que se puede crear una soldadura no porosa . Otro método para soldar material galvanizado describe un núcleo de acero moderado de presión de vapor baja y un recubrimiento de zinc rico con una presión de vapor elevada que incluye las etapas de distribuir los componentes de tal material galvanizado en una relación yuxtapuesta en la unión recubierta y aplicar un haz de energía láser de alta densidad a lo largo de la junta recubierta como un patrón ondulado. El patrón ondulado tiene una anchura lo suficientemente grande para unir la junta recubierta y una frecuencia de patrón ondulado, la cual forma una cumulado de soldadura determinado previamente entre los componentes. Aquí, la junta recubierta y el patrón ondulado se combinan para definir una trayectoria de liberación de presión de vapor de manera que el acumulado de soldadura no se interrumpa durante la aplicación del haz de energía láser de alta densidad hacia los componentes galvanizados. También se conoce la soldadura láser de láminas de acero que tienen un recubrimiento protector contra la corrosión delgado, constituido de zinc, y un método en donde las láminas de acero se colocan verticalmente . Un haz láser, el cual se coloca perpendicular a las láminas, después se aplica a las láminas para fundir el material de las láminas y crear una soldadura. Durante el proceso de soldadura, las láminas y el haz láser se mueven verticalmente uno en relación al otro de manera que el calentamiento láser del material genera una cavidad. De esta manera, el liquido del material fundido fluye verticalmente de manera descendente por gravedad para agrandar la cavidad y de esta manera facilitar el escape de vapores de zinc desde la cavidad. De manera similar, se conoce la utilización de un haz láser por pulsos cuando se sueldan láminas de acero que tienen un recubrimiento protector contra la corrosión delgado, constituido de zinc, para fundir el material de las láminas y crear una soldadura. Durante la soldadura, el haz láser es encendido y apagado, y las láminas del haz láser pulsado se mueven verticalmente uno en relación al otro de manera que el láser calienta el material, creando una cavidad. Aquí nuevamente, el material líquido o fundido fluye verticalmente de manera descendente por gravedad para agrandar la cavidad y de esta manera facilitar el escape de vapores de zinc desde la cavidad. También se conoce la alteración de la forma de las láminas, la colocación de la abrazadera y la colocación de la soldadura con el fin de permitir la comunicación externa entre una capa protectora y las láminas en la vecindad del área de soldadura. De esta manera, la técnica anterior no proporciona una descripción adecuada de la relación de la forma de la lámina y la ubicación de soldadura en relación a las características físicas de las láminas. En vista de los inconvenientes mencionados antes, existe la necesidad de una relación geométrica específica entre dos láminas de materiales recubiertas con zinc, la ubicación de soldadura láser y la forma geométrica de las láminas .

DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con un método para realizar soldadura láser para unir dos piezas de acero recubiertas con zinc, el método incluye suministrar una primera y segunda piezas de material en una relación superpuesta. La primera pieza se curva o diverge de alguna otra manera de la segunda pieza o se aproxima a la ubicación en donde la soldadura láser va a realizarse. Se define una zona para la operación de soldadura láser entre el primero y segundo bordes y tiene una anchura determinada previamente. La soldadura láser después se realiza en dicha zona. Estos y otros beneficios serán evidentes con referencia a la siguiente descripción detallada de dibujos relacionados los cuales ejemplifican los principios subyacentes de la presente invención.

- - DESCRIPCIÓN BREVE DE LOS DIBUJOS La figura 1 es una vista lateral de la presente invención que muestra dos láminas metálicas antes de que se coloquen para soldadura. La figura 2 es una elevación lateral de la presente invención que muestra las dos láminas metálicas colocadas para soldadura; La figura 3 es una elevación lateral que indica las relaciones geométricas utilizadas en la presente solicitud; La figura 4 es una vista en elevación lateral de una modalidad alternativa de la presente invención que utiliza una pendiente en vez de una sección curvada.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA PRESENTE INVENCIÓN Como se muestra en la figura 1, una primera lámina de metal 10 se va a unir con una segunda lámina de metal 20. La primera lámina de metal 10 se coloca en la parte superior de la segunda lámina de metal 20. La primera lámina de metal 10 y la segunda lámina de metal 20 incluyen una capa protectora 12, 22 elaborada de un material con temperatura de vaporización baja. Un ejemplo de tal material es el zinc.

Aunque la figura 1 indica que la lámina 10 de metal y la lámina 20 de metal son láminas separadas, se apreciará que para los propósitos de la invención, las dos láminas metálicas también pueden consistir de una sola lámina que se dobla o que se enrolla para recordar una forma similar a una U. Además, los dibujos anexos reflejan que la capa protectora única 12, 22 se proporciona en ambas láminas metálicas 10, 20. Esto de ninguna manera limita la invención, pues es habitual el caso en la práctica real en donde las láminas metálicas 10 y 20 se proporcionan, cada una, con dos capas protectoras opuestas (no mostradas) . Finalmente, en vista de que en todos los dibujos anexos una capa 22 protectora única de la lámina 20 metálica se localiza entre las láminas 10 y 20 como se muestra en la figura 2, la descripción que sigue evidentemente, de ninguna manera, será afectada si las capas protectoras 12, 22 de ambas láminas 10 y 20 se localizan una enfrentada a la otra entre las láminas metálicas. Como se observa en la figura 1, la primera lámina 10 metálica tiene un extremo 18 de corrimiento que realiza transiciones dentro de una curva 14 con un radio R que se localiza hacia el extremo 16 terminal. La segunda lámina metálica 20 tiene un extremo 26 terminal que se adapta a la forma del extremo 18 de corrimiento de la primera lámina metálica 10. Esto permite una colocación estrecha entre la primera lámina metálica 10 y la segunda lámina metálica 20. Cuanto menor sea la separación entre las dos láminas metálicas se producirá una mejor soldadura de unión resultante. Como se observa mejor en la figura 2, la primera lámina metálica 10 se superpone sobre la segunda lámina metálica de manera que el extremo 18 de corrimiento se apoya en el mismo plano sobre el extremo 26 terminal de la segunda lámina metálica 20. Para soldar las dos láminas metálicas 10 y 20 en una soldadora, el extremo 18 de corrimiento de sección plana de la lámina metálica 10 se coloca en contacto con el extremo 26 de terminal de la lámina metálica 20 y se mantiene en este último por un medio conocido por los expertos en la técnica. Posteriormente, el cabezal de la soldadora (no mostrado) se coloca orientado hacia la superficie libre de la primera lámina metálica 10 en el área de soldadura 42 a lo largo de una línea central 50 (véase la figura 3) . El área de soldadura 42 se define como una función del radio de curvatura de la primera lámina metálica 10, la separación de soldadura permisible máxima y el espesor de material mínimo. El área de soldadura 42 se define desde un punto de tangencia entre las dos láminas metálicas 10 y 20. El área de soldadura 42 tiene una primera distancia máxima desde el punto de tangencia hacia el radío de curvatura y la separación entre las dos láminas metálicas 10 y 20, así como una segunda distancia máxima desde el punto de tangencia hacia las dos láminas metálicas 10 y 20 en la dirección en donde están en contacto. Las distancias se muestran gráficamente como ? y X2. Es necesario definir la separación máxima entre la sección 14 curvada de la primera lámina metálica 10 y la segunda lámina metálica 20 en la primera distancia máxima Xa. La separación máxima y es importante debido a que altera el perfil superior de la soldadura cuando se completa. Si la separación es demasiado grande, entonces la soldadura se aflojará y generará una condición en donde la soldadura puede fallar incluso bajo una carga mínima. Una avería pequeña reducirá el área de soldadura 42 a una anchura que no será práctica para obtener una colocación repetible de soldadura con métodos convencionales. Si la separación y se reduce hasta un punto en donde el vapor de zinc no puede escapar durante la soldadura, el resultado será en porosidad y huecos en la soldadura, que contribuyen a una falla potencial de la soldadura bajo una carga mínima . La ubicación de medicación específica utilizada para determinar el área de soldadura 42 y su relación geométrica con la primera y segunda láminas metálicas se observan mejor en la figura 3.

La segunda distancia máxima desde el punto de tangencia X2 puede definirse en relación al espesor de material de las láminas 10 y 20, por ejemplo, como la mitad del espesor de material mínimo de las dos láminas metálicas 10 y 20. La primera distancia máxima desde el punto de tangencia Xi se define como una función del radio R y la separación y en la primera distancia máxima Xx y se determina por la ejecución de las siguientes fórmulas. En primer lugar, se determina la separación y entre la primera lámina metálica 10 y la segunda lámina metálica 20 a la primera distancia máxima Xx. La separación y se determina por la siguiente fórmula: y = 0.2 (R) en donde R es igual al radio de curvatura. La distancia R-y se determina después de calcular la separación y. La distancia R-y es necesaria para determinar el ángulo A, a través de la siguiente fórmula: Sen A = (R-y)/R Una vez que se ha determinado el ángulo A, se encuentra la primera distancia máxima ? por la siguiente ecuación matemática: Xi = (eos A) . La primera distancia máxima resultante i coincide con la medición de la separación y máxima a lo largo de la circunferencia de la sección curvada. El área de soldadura 42 tiene una linea central desde la cual se alinea un cabezal láser. La línea central 50 entre Xa y X2 se puede calcular de manera aproximada una vez que se conocen los valores críticos del espesor de material y el radio de curvatura. La colocación del área de soldadura 42 se puede determinar aproximadamente mediante el uso de la siguiente tabla : Tabla 1 : Intervalo de Colocación de Soldadura De esta manera, la distancia de la primera y segunda distancias máximas Xi y X2 son los intervalos en donde se pueden colocar la soldadura. Otros factores que se van a considerar cuando se aplica está técnica incluyen la potencia del láser que se va a utilizar para soldar los materiales . La variación de potencia láser tiene impacto en el espesor máximo de los materiales que se van a unir por soldadura . La figura 4 ilustra otra modalidad de la presente invención. Aqui, la primera lámina metálica 100 tiene una sección en ángulo 110 que se inclina alejándose de la segunda lámina metálica 130, en vez de una sección curvada, como en el ejemplo anterior. Aquí, la sección en ángulo 110 tiene una pendiente que se utiliza para determinar la separación máxima permisible. La pendiente se utiliza para calcular las relaciones geométricas de la primera distancia máxima Xi y la separación y máxima permisible . A partir de la descripción anterior, una persona experta en la técnica puede determinar fácilmente las características esenciales de esta invención y, sin apartarse del espíritu y alcance de la misma, puede realizar diversos cambios y modificaciones de la invención para adaptarla a los diversos usos y condiciones . Por ejemplo, el recubrimiento puede ser de otro material diferente al zinc.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Un método para realizar una operación de soldadura por haz láser para unir moleculármente dos piezas de acero recubierto con material protector, que incluye las etapas de : suministrar por lo menos un primer material metálico y un segundo material metálico en una relación superpuesta, en donde el primer material metálico tiene una sección que diverge del segundo material metálico; definir una zona para realizar una operación de soldadura láser, en donde la zona se extiende entre un primero y segundo bordes que tienen una anchura determinada previamente; y realizar una soldadura láser dentro de la zona.

2. El método como se describe en la reivindicación 1, que incluye además un área de separación, en donde el área de separación tiene una separación máxima determinada por la siguiente ecuación: y = 0.2 (R) en donde y es la separación máxima, R es el espesor mínimo de una de la primera y segunda láminas metálicas.

3. El método como se describe en la reivindicación 1, en donde la capa protectora es un material basado en zinc .

4. El método como se describe en la reivindicación 1, en donde la etapa de definir una zona se determina como una función de un radio de curvatura del primer material metálico.

5. El método como se describe en la reivindicación 1, en donde la etapa de definir una zona es una función de una característica geométrica que se selecciona de lo siguiente : un radio de curvatura del primer material metálico, una anchura de separación máxima que corresponde a una del primero y segundo materiales metálicos, y un espesor de material mínimo.

6. El método como se describe en la reivindicación 1, en donde la zona incluye un área de separación cero, en donde el área de separación cero se localiza desde un punto tangente a una posición sobre el primero y segundo materiales metálicos que están en contracto entre si, y un área de separación en donde el área de separación se localiza desde un punto tangente hacia la sección curvada.

7. El método como se describe en la reivindicación 6 , en donde el área de separación cero se define por la siguiente ecuación: X2=S/2 en donde X2 es el área de separación cero; y S es un espesor mínimo de una de la primera y segunda láminas metálicas .

8. El método como se describe en la reivindicación 6, en donde el área de separación se determina a partir de la siguiente fórmula: Xi = R (eos A) en donde Xi es el área de separación; R es un radio de curvatura de la sección curvada; y A es un ángulo que se forma desde el radio y X1( en donde A se determina a partir de la siguiente ecuación: sen A = (R-y) /R, en donde y es una separación máxima.

9. El método como se describe en la reivindicación 6, en donde el primer borde se localiza en un límite de área de separación cero y el segundo borde se localiza en un limite de área de separación.

10. El método como se describe en la reivindicación 9, en donde el primer borde está próximo a una posición en donde hacen contacto el primero y segundo materiales metálicos.

11. El método como se describe en la reivindicación 9, en donde el segundo borde está próximo a una posición sobre la sección curvada y una posición sobre el segundo material metálico, en donde el primero y segundo materiales metálicos no están en contacto entre si .

12. El método como se describe en la reivindicación 9, en donde el área de separación tiene una separación máxima determinada por la siguiente ecuación: