MXPA04002031A - Metodo para realizar una operacion de soldadura laser para union molecular de dos piezas de acero. - Google Patents

Metodo para realizar una operacion de soldadura laser para union molecular de dos piezas de acero.

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Abstract

Se describe un metodo para soldar 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 sobre otra y un cabezal de una maquina soldadora se hace pasar sobre las laminas. El cabezal de la maquina soldadora esta configurado de manera que se coloca un laser en la parte frontal de un dispositivo de soldadura GMAW o de cobresoldadura MIG. El laser corta un canal dentro de las laminas metalicas con el fin de permitir que el recubrimiento protector de zinc se vaporice y escape. El dispositivo soldador GMAW o de cobresoldadura MIG despues sigue al laser y deposita un material que rellena el canal para unir las dos piezas soldandolas.

Description

MÉTODO PARA REALIZAR UNA OPERACIÓN DE SOLDADURA LÁSER PARA UNIÓN MOLECULAR DE DOS PIEZAS DE ACERO ANTECEDENTES DE LA INVENCION CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se relaciona con un método para la unión de láminas múltiples de acero por medio de soldadura láser híbrida. Más particularmente, la presente invención se relaciona con un método para realizar una operación de soldadura por haz láser para la unión de estampados de acero con partes hidroformadas utilizando un diseño de unión con recubrimiento de penetración única. 2. DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA RELACIONADA Convencionalmente, se conoce el uso de máquinas de haces láser no solo para cortar láminas metálicas extraídas planas o de algún otro tipo a lo largo de líneas de corte dadas, sino también para la unión de dichas láminas por soldadura de puntos o de costura. Las láminas pueden ser partes de acero estampadas o hidroformadas las cuales pueden o no estar recubiertas con una capa protectora, tal como zinc, sobre la superficie.
Durante la soldadura láser, la energía del haz láser penetra a través de la primera pieza al interior de la segunda pieza de acero, calentando porciones de las dos piezas a una temperatura lo suficientemente elevada de manera que se funden y coalescen uniéndose para formar una unión con recubrimiento. No obstante, cuando las láminas se recubren con una capa protectora, por ejemplo de zinc, en las superficies en contacto de la primera y segunda piezas, la capa protectora se vaporiza al estado gaseoso y desarrolla presión entre las porciones superior e inferior de la unión de soldadura. La presión de vapor se expande hacia el exterior, a través del metal de base fundido generado por el haz láser lo que genera porosidad en la zona dura, salpica excesiva y condiciones pobres de superficie de soldadura tales como recortado, llenado insuficiente y huecos. Estas condiciones pueden generar fallas en la soldadura en un momento posterior. Si las dos láminas metálicas protegidas utilizan un material tal como zinc o un material similar y se unen soldándolas utilizando la misma técnica que se utiliza para la soldadura de una lámina sin recubrimiento, las soldaduras resultantes invariablemente presentan irregularidades y se encuentran cribadas con cráteres, fallas las cuales involucran un maquinado de seguimiento de alto costo para su eliminación.
De acuerdo con la práctica general, dos láminas de acero para soldadura láser se mantienen juntas en contacto entre sí tan estrechamente como se pueda a lo largo de toda el área de soldadura por medio de sujeción, de manera que se asegura, entre otras cosas, una 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 la soldadura de lámina de acero sin recubrimiento, con y sin la adición de' un material de relleno, el cual se une al área próxima a la junta entre las dos láminas de acero para construir una costura de soldadura, no es particularmente eficaz para láminas de material que se encuentran recubiertas con algunas capas protectoras tales como las mencionadas antes. Este método demuestra ser inadecuado cuando se unen por soldadura láminas metálicas protegidas contra agentes externos mediante la utilización de una capa de recubrimiento de materiales con una temperatura de vaporización baja. Se pretende que el término "material con temperatura de vaporización baja" significa material tal como el zinc, que tiene temperaturas de fusión y vaporización considerablemente inferiores a las del hierro o de materiales ferrosos . Se conocen métodos adicionales para eliminar estas imperfecciones durante el proceso 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 sin vaporizado, durante la soldadura debido al calor producto del láser. Un método se agrega al haz de láser estándar como una corriente circundante de un gas de cubierta presurizado, eficaz para crear una presión en la superficie de la zona de soldadura suficiente para obligar al metal fundido de las dos láminas' a unirse e impulsar a los gases asociados expandidos fuera de la zona de soldadura en una dirección alejada del haz láser, por lo que se pueden generar soldaduras no porosas. Otro método para soldar material galvanizado describe un núcleo de acero suave de presión de vapor baja y un recubrimiento de zinc rico, con presión de vapor elevada que incluye las etapas de distribuir los componentes de tal material galvanizado en una relación yuxtapuesta en la unión con recubrimiento y aplicar un haz de energía láser de alta densidad a lo largo de la unión con recubrimiento como un patrón ondulado. El patrón ondulado tiene una anchura suficientemente grande para unir la unión con recubrimiento y una frecuencia de patrón ondulada, que forma un acumulado de soldadura determinado previamente entre los componentes. Aguí, la unión con recubrimiento 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 interrumpirá durante la aplicación del haz de energía láser de alta densidad a los componentes galvanizados. En otro método, se colocan partes de láminas metálicas próximas entre sí, en donde una lámina se coloca en la parte superior de la otra pieza de manera que la superficie superior de la primera lámina está orientada alejándose de la otra lámina metálica. Se aplica un haz láser a la superficie superior orientada alejándose de la superficie de la segunda lámina y un alambre de alimentación que comprende un metal suplementario y un agente reactivo se proporcionan en la intersección del haz láser y la superficie a la cual se aplica el haz láser. El agente reactivo reacciona con el zinc en el acero de la capa protectora para impedir que por lo menos una porción del zinc se vaporice y el alambre suplementario actúa como material de relleno para la soldadura resultante en la medida en que sea necesario. Se lleva a cabo un movimiento relativo entre las partes de lámina metálica y el haz láser para proporcionar una soldadura láser de calidad de las dos partes de lámina metálica.
También se conocen láminas de acero soldadas por láser que tienen un recubrimiento protector contra la corrosión, delgado, elaborado de zinc, con un método en donde las láminas de acero se colocan verticalmente. Un haz láser, el cual se coloca normal a las láminas, se aplica posteriormente a las láminas para fundir el material de las láminas y crear una soldadura. Durante la 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 material liquido o fundido fluye verticalmente de manera descendente por gravedad para alargar la cavidad y de esta manera facilitar el escape de vapores de zinc de la cavidad. De manera similar, se conoce el uso de un haz láser por pulsos cuando se sueldan por láser láminas de acero que tienen un recubrimiento protector contra la corrosión, delgado, elaborado 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 y el haz láser pulsado se mueven verticalmente uno en relación al otro de manera que el calentamiento láser del material genera una cavidad. Aquí nuevamente, el material líquido o fundido fluye verticalmente de manera descendente por gravedad para alargar la cavidad y de esta manera facilitar el escape de los vapores 'de zinc de la cavidad. También se conoce alterar la forma de las láminas, la ubicación de la abrazadera y la colocación de la soldadura con el fin de permitir comunicación externa entre una capa protectora y las láminas en la vecindad del área soldada. De esta manera, la técnica anterior no proporciona una descripción adecuada de la relación de la forma de la lámina y la posición de soldadura en relación a las características físicas de las láminas. En vista de los inconvenientes mencionados en lo anterior, existe una necesidad por una relación geométrica específica entre dos láminas de materiales, recubiertas con zinc, la ubicación de la soldadura láser y la forma geométrica de las láminas.
DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN La presente invención se dirige a un método que proporciona un método en un solo lado para unir estampados de acero a partes hidroformadas utilizando un diseño de recubrimiento de penetración. Los estampados de acero pueden o no estar recubiertos con una capa protectora tal como un recubrimiento de zinc . El método mencionado antes incluye las etapas de proporcionar una primera y segunda piezas de material metálico en una relación superpuesta, proporcionar un cabezal que incluye un dispositivo láser con un dispositivo de soldadura GMAW o de cobresoldadura MIG y una relación separada, y mover el cabezal en relación a la primera y segunda piezas de material metálico de manera que el láser corte completamente a través de la primera pieza y por lo menos parcialmente dentro de la segunda pieza para formar un canal o surco en la misma que permite que escape la capa protectora vaporizada. El material sometido a soldadura GMAW o cobresoldadura MIG después se llena en el canal o surco excavado a la soldadura uniendo las dos piezas juntas . En una alternativa, el láser corta completamente a través de la primera pieza de material metálico y parcialmente en la segunda pieza el material metálico para formar una bocallave de longitud extendida en la misma que permite que cualquier material protector vaporizado escapa y permitir que el material de la soldadura GMAW o de la cobresoldadura MIG llena el canal o surco excavado para unir por soldadura ambas piezas. Estos y otros beneficios serán evidentes con referencia a la siguiente descripción detallada y dibujos asociados, los cuales ejemplifican los principios subyacentes de la presente invención.
DESCRIPCIÓN BREVE DE LOS DIBUJOS La figura 1 es una vista en perspectiva que muestra las dos láminas metálicas en la medida en que se unen; la figura 2 es una vista en perspectiva de una modalidad alternativa de la presente invención que muestra el surco o canal completamente a través de las dos láminas metálicas .
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA PRESENTE INVENCIÓN Como se muestra en la figura 1, una primera lámina de metal 10 se une con una segunda lámina de metal 20. La primera 'lámina de metal 10 se distribuye sobre la parte superior de la segunda lámina de metal 20. Tanto la primera lámina de metal 10 como la segunda lámina de metal 20 incluyen una capa protectora 12, 22 elaborada de un material con una temperatura de vaporización baja. Un ejemplo de tal material es zinc. Aunque la figura 1 indica que la lámina metálica 10 y la lámina metálica 20 son láminas separadas, debe apreciarse que para los propósitos de esta invención, las dos láminas metálicas también pueden consistir de una lámina única doblada o envuelta para recordar a una forma similar a la de U. Además, los dibujos anexos ilustran que una única capa protectora 12, 22 se proporciona sobre la superficie superior de ambas láminas metálicas 10, 20. El espesor típico para una capa protectora de zinc colocada sobre una lámina metálica varía de 0 a aproximadamente 7.5 micrómetros . La ubicación particular de las capas protectoras 12 y 22, como se indica en las figuras 1 y 2 de ninguna manera limitan la invención; como es habitual en el caso en la práctica real, las láminas metálicas 10 y 20 se proporcionan cada uno con dos capas protectoras opuestas (no mostradas) . Finalmente, en vista de que en todos los dibujos anexos, una capa protectora única 22 de la segunda lámina metálica 20 se localiza entre las láminas 10 y 20, como se muestra en las figuras 1 y 2, la descripción siguiente evidentemente no limita de manera alguna si las capas protectoras 12, 22 de ambas láminas 10 y 20 cuando se localizan enfrentadas a la otra, entre las láminas metálicas. De manera similar, las capas protectoras 12 y 22 se pueden localizar tanto en la superficie superior como en la inferior de cada una de las láminas, que no se muestran en las figuras. Como se observa en la figura 1, la primera l mina metálica 10 se coloca en la parte superior de la segunda lámina de metal 20. La porción superpuesta de la primera lámina métalica 10 generalmente tiene la misma forma o contorno que la porción correspondiente de la segunda lámina de metal 20 sobre la cual se coloca la primera lámina 10. Es posible que la forma o contorno de la primera y segunda láminas de metal no se alineen entre si . Tal situación no limita la aplicabilidad de la presente invención. Una separación entre la primera y segunda láminas de metal que sea relativamente pequeña no afecta la soldadura que se obtiene mediante este método. No obstante, cuanto menor sea la separación entre las dos láminas metálicas mejor será la soldadura de unión resultante que se produzca. Una vez que la primera lámina de metal 10 y la segunda lámina de metal 20 se han colocado adecuadamente, se mantienen en su lugar y se colocan en relación al cabezal 30 sobre la soldadora. El cabezal 30 de la soldadora se coloca orientado hacia la superficie libre de la primera lámina metálica 10. Aunque la figura 1 muestra que el cabezal 30 está orientado hacia la cara libre de la primera lámina metálica 10, también es posible orientar el cabezal 30 desde el lado inferior hacia la superficie libre inferior de la segunda lámina metálica 20.
El cabezal 30 de la soldadora es una versión híbrida que incluye tanto un dispositivo láser 34 acoplado ya sea con una soldadura de arco metálico de gas (a continuación denominada como "G AW") 36, con el fin de unir las dos láminas metálicas 10 y 20 en la vecindad de un área de soldadura 40. El láser 34 se orienta en el cabezal de manera que el láser 34 precede al GMAW 36 cuando se realiza el pase para unir las dos láminas metálicas 10 y -20. En la modalidad preferida, el cabezal 30 de la soldadora se coloca orientado hacia la superficie superior de la primera lámina metálica 10 como se describe en lo anterior. El láser 34 primero establece contacto con el área 40 de soldadura en el cabezal 30 de la soldadora que pasa sobre la primera y segunda láminas 10 y 20. El láser 34 emite un haz de energía suficiente para penetrar a través de todo el espesor de la primera lámina 10 y por lo menos parcialmente dentro del espesor de la segunda lámina 20. Conforme la primera lámina 10 de metal es penetrada por el haz emitido desde el láser 34, las dos piezas de lámina metálica 10 y 20 se calientan en la vecindad del área 40 de soldadura. El calor o la energía del láser resultan en un incremento en la temperatura en la vecindad del área de soldadura 40 y resulta con la vaporización de las capas protectoras 12 y 22 próximas al área de soldadura 40. Los gases vaporizados de las capas protectoras 12 y 22 después se disipan dentro del ambiente. El final se obtiene una vez que el láser 34 ha pasado como un canal o surco 42. Una vez que el láser 34 ha excavado el canal o surco 42 a través de la primera lámina metálica 10 y por lo menos parcialmente dentro de la segunda lámina metálica 20, el GMAW 36 llena el canal o surco 42, con un material de cobresoldadura de gas inerte metálico (MIG) a partir del GMAW 36 o en el dispositivo de soldadura convencional montado sobre el cabezal 30 de manera que sigue directamente detrás del láser 34. En una' modalidad alternativa como se observa mejor en la · figura 2, la primera y segunda láminas del metal 10 y 20 se mantienen firmemente en su lugar con el fin de evitar movimiento. Conforme el cabezal 30 de la soldadora pasa sobre las láminas metálicas 10 y 20, el láser 34 corta una separación 44 completamente a través de la primera y segunda láminas de metal 10 y 20. El GMAW 36 después sigue el trazo del láser 34 y llena la separación 44 que será un material de cobresoldadura MIG con el fin de formar una soldadura segura en el área de soldado 42. 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 varios 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 (7)

REIVINDICACIONES
1. Un método para realizar una operación de soldadura por haz láser para unir molecularmente dos piezas de acero, que incluye las etapas de: proporcionar por lo menos un primer material metálico y un segundo material metálico en una relación superpuesta; proporcionar un cabezal que comprende además un dispositivo láser y por lo menos uno de un dispositivo de soldadura GM f y cobresoldadura IG en una relación separada; mover el cabezal en relación al primer material metálico y el segundo material metálico tal como el láser; cortar el láser completamente a través del primer material metálico y por lo menos parcialmente dentro del segundo material metálico para formar un canal en el mismo; y llenar el canal con por lo menos uno del dispositivo de soldadura de GMAW y 'cobresoldadura MIG para soldar el primer material metálico y el segundo material metálico juntos.
2. El método como se describe en la reivindicación 1, que comprende además la etapa de proporcionar una capa protectora sobre por lo menos uno del primer material metálico y del segundo material metálico.
3. El método como se describe en la reivindicación 2 , en donde la capa protectora es un material basado en zinc.
4. El método como se describe en la reivindicación 2, que comprende además la etapa de vaporizar la capa protectora conforme el láser corta el primer material metálico y el segundo material metálico.
5. El método como se describe en la reivindicación 4, en el que la capa protectora vaporizada se disipa en un ambiente externo antes de la etapa de llenado del canal .
6. El método como se describe en la reivindicación 1, que comprende además la etapa de mover el cabezal en relación al primer material metálico y el segundo material metálico de manera que el láser hace contacto" con' el primer material metálico y el segundo material metálico antes de por lo menos uno del dispositivo de soldadura GMA y de cobresoldadura MIG.
7. El método como se describe en la reivindicación 1, en el que el segundo material metálico se corta completamente a través del mismo durante la etapa de corte con el láser.
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