PT2919942T - Método para soldagem a laser de uma ou várias peças de trabalho feitas de aço endurecível na junta de topo sob utilização de um fio de solda - Google Patents

Método para soldagem a laser de uma ou várias peças de trabalho feitas de aço endurecível na junta de topo sob utilização de um fio de solda Download PDF

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Description

DESCRIÇÃO
MÉTODO PARA SOLDAGEM A LASER DE UMA OU VÁRIAS PEÇAS DE TRABALHO FEITAS DE AÇO ENDURECÍVEL NA JUNTA DE TOPO SOB UTILIZAÇÃO DE UM FIO DE SOLDA A invenção refere-se a um método para soldagem a laser de uma ou várias peças de trabalho feitas de aço manganês-boro curável por compressão, na junta de topo de acordo com o conceito geral da reivindicação 1 (veja-se, por exemplo, o documento CN202038371U).
Platinas personali zadas feitas de chapas de aço (as assim chamadas Tailored Blanks) são empregues na construção automóvel a fim de atender às elevadas exigências na questão de segurança em caso de impacto para peso de carroceria menor possível. Nesse caso, platinas individuais ou cintas de diferentes qualidades de material e/ou espessura de chapa são unidas na junta de topo através de soldagem a laser. Desse modo, diferentes pontos do componente de carroceria pronto são adaptados a diferentes cargas. Desse modo, em pontos com elevada carga são empregues chapas de aço mais grossas ou também de altíssima resistência e nos demais pontos chapas mais finas ou também de grau de estampagem profunda relativamente suave. Através de tais platinas de chapa de aço personalizadas tornam-se supérfluas peças de reforço adicionais na carroceria. Isso economiza material e possibilita reduzir o peso total da carroceria.
Nos últimos anos, foram desenvolvidos aços com ligas de boro, especialmente aços-manganês-boro que atingem no caso da transformação a quente com rápido arrefecimento elevadas resistências, por exemplo resistências na faixa de 1500 a 2000 MPa. No estado inicial aços manganê s - boro apresentam tipicamente uma estrutura ferrítica/perlítica e possuem resistências de ca. 600 MPa. Através da têmpera por compressão, ou seja, através do aquecimento a temperatura de austenitização e arrefecimento subsequente rápido na prensa de moldagem pode, porém, uma estrutura martensítica ser ajustada de modo que os aços assim tratados possam atingir resistências à tração na faixa de 1500 a 2000 MPa.
Os componentes de carroceria fabricados a partir de tais platinas de aço personalizadas, por exemplo, colunas-B apresentam até uma determinada espessura de chapa ou uma certa variação de espessura, um perfil de dureza correto. Porém, verificou-se que, no caso de uma espessura de chapa superior/igual ca. 1,8 mm, especialmente superior a / igual a ca. 2,0 mm, ou uma variação de espessura superior/igual a ca. 0,4 mm, ocorre o problema de a costura durante moldagem a quente (endurecimento por compressão) não se endurecer de forma suficiente. Na área de costura de solda obtém -se então apenas parcialmente uma estrutura martensítica de modo que em caso de carga do componente pronto pode ocorrer uma falha na costura de solda. Esse problema acontece provavelmente pelo facto de especialmente no caso de uma variação de espessura, em geral, não pode ser assegurado contacto suficiente em relação à ferramenta de conformação arrefecida ou ferramenta de arrefecimento e, desse modo, a costura de solda não pode ser convertida totalmente em martensite.
No documento de patente US 2008/0011720 AI é descrito um método de soldagem híbrida laser-arco voltaico, no qual platinas feitas de aço manganês-boro, que apresentam uma camada de superfície contendo alumínio, são ligadas entre si na junta de topo, sendo que o raio laser é combinado com pelo menos um arco voltaico elétrico a fim de fundir o metal na junta de topo e soldar as platinas entre si. 0 arco voltaico elétrico é neste caso fornecido por meio de um elétrodo de soldagem Wolfram ou forma-se durante a utilização de um queimador de solda MIG na ponta de um fio de solda. O fio de solda pode conter elementos (por exemplo
Mn, Ni e Cu) , que induzem a transformação do aço numa estrutura austenítica e favorecer a manutenção da transformação austenítica no banho de fusão.
Através desse método de soldagem híbrida laser-arco voltaico conhecido é possível que platinas conformáveis a quente feitas de aço manganês-boro, que são providas de um revestimento a base de alumínio-silício, possam ser soldadas sem remoção prévia do material de revestimento na área da costura de solda a ser estabelecida, sendo, porém, assegurado ainda que o alumínio presente nos rebordos antichoque das platinas não provoca uma redução da resistência à tração do componente na costura de solda. Pela provisão de um arco voltaico elétrico atrás do raio laser o banho de fusão é harmonizado e desse modo eliminadas concentrações de alumínio locais superiores a 1,2 % em peso, que geram uma estrutura ferrítica.
Esse método de soldagem híbrida é relativamente dispendioso com relação ao consumo de energia devido à produção do arco voltaico elétrico. É, portanto, tarefa da presente invenção indicar um método de solda a laser, através do qual peças de trabalho feitas de aço curável por compressão, especialmente aço manganês-boro, que apresentam uma espessura de pelo menos 1,8 mm e/ou, nos quais na junta de topo se forma uma variação de espessura de pelo menos 0,4 mm, possam ser unidas a peças de trabalho personalizadas, especialmente platinas personalizadas na junta de topo, cuja costura de solda pode ser temperada durante a conformação a quente (têmpera por compressão) de modo seguro numa estrutura martensítica. Além disso, o método pode ser destacado através de uma elevada produtividade assim como por um consumo de energia relativamente pequeno.
Para a solução desta tarefa é proposto um método com as características da reivindicação 1. Configurações preferidas e vantajosas do método de acordo com a invenção são indicados nas reivindicações dependentes. 0 método de acordo com a invenção serve para a soldagem a laser de uma ou várias peças de trabalho feitas de aço manganês-boro curável por compressão, na junta de topo no qual a peça de trabalho ou as peças de trabalho apresentam uma espessura de pelo menos 1,8 mm, especialmente de pelo menos 2,0 mm e/ou na junta de topo forma-se uma variação de espessura de pelo menos 0,4 mm. A soldagem a laser é feita neste caso sob condução de fio de solda para dentro do banho de fusão gerado com um raio laser. 0 método de acordo com a invenção é também distinguido por o fio de solda conter pelo menos um elemento de liga de um grupo que compreende manganês, cromo, molibdénio, silício e/ou níquel que favorece a formação de austenite no banho de fusão gerado pelo raio laser, sendo que pelo menos um elemento de liga com pelo menos 0,1 % em peso de maior teor de manganês está presente no fio de solda do que no aço curável por compressão da peça de trabalho ou das peças de trabalho.
As peças de trabalho fabricadas de acordo com a invenção ou platinas personalizadas oferecem com relação à conformação a quente (têmpera por compressão) uma janela de processo maior na qual obtém-se uma têmpera suficiente do componente, principalmente nessa costura de solda. 0 método de acordo com a invenção pode ser empregue não apenas durante a junção de várias platinas de aço de diferentes qualidades de material e/ou espessuras de chapa na junta de topo mas também por exemplo durante a soldagem a laser de uma chapa de aço em formato de placa ou de tira, sendo que no caso por último referido as bordas a serem soldadas entre si da peça de trabalho são movimentadas entre si pela conformação, por exemplo, pela dobragem ou perfilagem de modo que elas fiquem dispostas finalmente voltadas uma para a outra na junta de topo.
Numa configuração preferida do método de acordo com a invenção, a peça de trabalho ou as peças de trabalho são selecionadas pelo facto de o seu aço apresentar a seguinte composição: 0,10 a 0,50 % em peso C, max. 0,40 % em peso Si, 0,50 a 2,00 % em peso Mn, max. 0,025 % em peso P, max. 0,010 % em peso S, max. 0,60 % em peso Cr, max. 0,50 % em peso Mo, max. 0,050 % em peso ti, 0,0008 a 0,0070 % em peso B, e min. 0,010 % em peso Al, Fe residual e impurezas inevitáveis. Os componentes fabricados a partir de tal aço apresentam, após a têmpera por compressão, uma resistência à tração relativamente elevada.
Mais preferencialmente, são empregues no método de acordo com a invenção, peças de trabalho em formato de platina ou em formato de tira de aço curável por compressão, que apresentam após a têmpera por compressão uma resistência à tração na faixa de 1500 a 2000 MPa. De acordo com a invenção o fio de solda empregue ali apresenta a seguinte composição: 0,05 a 0,15 % em peso C, 0,5 bis 2,0 % em peso Si, 1,0 a 2,5 % em peso Mn, 0,5 a 2,0 % em peso Cr + Mo, e 1,0 a 4,0 % em peso Ni, Fe residual e impurezas inevitáveis. Testes mostraram que através de um tal fio de solda sob utilização do método de acordo com a invenção de modo especialmente mais seguro pode ser assegurada uma transformação completa da costura de solda numa estrutura martensítica durante a têmpera por compressão subsequente.
De acordo com a invenção o fio de solda ali empregue apresenta uma percentagem em massa de carbono menor em pelo menos 0,1 % em peso do que o aço curável por compressão da peça de trabalho ou das peças de trabalho. Através de um teor de carbono relativamente pequeno do fio de solda é possível impedir a fragilização da costura de solda. Especialmente através de um teor de carbono relativamente baixo do fio de solda pode-se obter uma boa ductilidade residual na costura de solda.
Uma outra configuração vantajosa do método de acordo com a invenção prevê que o fio de solda é conduzido num estado aquecido ao banho de fusão. Desse modo, pode-se obter uma velocidade de processo mais elevada ou uma produtividade mais elevada. Pois, no caso dessa configuração não necessário aplicar com o raio laser muito energia para fundir o fio de solda. Preferencialmente, o fio de solda antes da condução para o banho de fusão é aquecido pelo menos num segmento longitudinal a uma temperatura de pelo menos 50 °C.
Para impedir uma fragilização da costura de solda, uma outra configuração preferida do método de acordo com a invenção prevê que o banho de fusão durante a soldagem a laser seja ativado com gás de proteção (gás inerte) . Mais preferencialmente neste caso, é empregue como gás de proteção argónio puro, hélio, azoto ou sua mistura ou uma mistura feita de argónio, hélio, azoto e/ou dióxido de carbono e/ou oxigénio.
Platinas de aço não revestidas ou tiras de aço são soldadas entre si de acordo com a invenção.
Alternativamente são empregues platinas de aço revestidas ou tiras de aço, que são providas de um revestimento a base de alumínio ou de alumínio-silício, sendo que de acordo com a invenção o revestimento a base de alumínio ou alumínio-silício é desgastada na área marginal ao longo dos rebordos contra impacto a serem soldados entre si antes da soldagem a laser. Isso pode ser feito por meio de pelo menos um raio de energia, preferencialmente um raio laser. Uma decapagem mecânica ou de alta frequência (HF) também é viável. Desse modo, pode-se impedir de modo seguro uma danificação da costura de solda através de um material de revestimento aplicado ali acidentalmente o qual pode ou poderia provocar durante a conformação a quente (têmpera por compressão) uma quebra no perfil de dureza.
Em seguida, a invenção esclarecida mais detalhadamente com base num desenho que ilustra um exemplo de concretização onde esquematicamente: A Figura 1 mostra uma vista em perspetiva de peças de um dispositivo para a realização do método de soldagem a laser de acordo com a invenção sendo que basicamente são soldadas platinas de aço de mesma espessura, endurecíveis por compressão na junta de topo; e A Figura 2 mostra uma vista em perspetiva de peças de um dispositivo para a realização do método de soldagem a laser de acordo com a invenção, sendo que neste caso, são soldadas entre si duas platinas de aço endurecível por compressão, de espessura diferente na junta de topo.
Na Figura 1 aparece ilustrado um dispositivo esquematicamente através do qual pode ser realizado um método de soldagem a laser. 0 dispositivo compreende um suporte (não mostrado), sobre o qual duas tiras ou platinas 1, 2 feitas de aço de qualidade de material diferente sem corte se justapõem ao longo do impacto de junção 3. Por exemplo, uma peça de trabalho 1 ou 2 possui um grau de estampagem profunda relativamente suave enquanto existe a outra peça de trabalho 2 ou 1 feita de chapa de aço de altíssima resistência. Pelo menos uma das peças de trabalho 1, 2 é feita de aço curável por compressão, por exemplo, de aço de manganês-boro.
As peças de trabalho 1, 2 apresentam basicamente a mesma espessura. A sua espessura é de pelo menos 1,8 mm, por exemplo pelo menos 2,0 mm.
Acima das peças de trabalho 1, 2 aparece em esboço um segmento de um cabeçote de solda a laser 4, que é provido de uma ótica (não ilustrada) para a condução de um raio laser assim como de uma lente de focalização 5 para o raio laser 6. Além disso, fica disposto no cabeçote de solda a laser 4 um tubo 7 para a condução de gãs de proteção. A embocadura do tubo de gás de proteção 7 é direcionada basicamente para a área de foco do raio laser 6 ou ao banho de fusão 8 gerado com o raio laser 6. Como gás de proteção é preferencialmente empregue argónio puro ou por exemplo uma mistura de argónio, hélio e/ou dióxido de carbono. Além disso, é atribuído ao cabeçote de solda a laser 4 um dispositivo condutor de fio 9 por meio do qual é conduzido ao banho de fusão 8 um material de solda especial na forma de um fio 10, que é fundido através do raio laser 6 também. 0 fio de solda 10 é conduzido ao banho de fusão 8 no estado aquecido. Deste modo, o dispositivo condutor de fio 9 é equipado com pelo menos um elemento de aquecimento (não mostrado), por exemplo uma espiral de aquecimento que circunda o fio 10. Através do elemento de aquecimento o fio de solda 10 é preferencialmente aquecido a uma temperatura de pelo menos 50 °C, mais preferencialmente a pelo menos 90 °C. 0 exemplo de concretização ilustrado na Figura 2 diferencia-se do exemplo de concretização de acordo com a Figura 1 pelo facto de as peças de trabalho 1, 2' apresentarem espessura diferente de modo que na junta de topo 3 esteja presente uma variação de espessura d de pelo menos 0,4 mm. Por exemplo uma peça de trabalho 2' possui uma espessura de chapa na faixa de 0,5 mm a 1,2 mm, enquanto a outra peça de trabalho 1 apresenta uma espessura de chapa na faixa de 1,6 mm a 2,5 mm. Além disso, as peças de trabalho 1, 2 'a serem conectadas entre si na junta de topo 3 se diferenciam também quanto à qualidade de material. Por exemplo, a platina 1 mais espessa feita de chapa de aço de altíssima resistência, em contrapartida a platina de aço mais fina 2' possui um grau de estampagem profunda relativamente suave. 0 aço curável por compressão, a partir do qual pelo menos uma das peças 1,2 ou 2' a serem unidas entre si na junta de topo 3 é feita, pode apresentar por exemplo a seguinte composição química: max. de 0,45 % em peso de C, max. de 0,40 % em peso de Si, max. de 2,0 % em peso de Mn, max. de 0,025 % em peso de P, max. de 0,010 % em peso de S, max. de 0,8 % em peso de Cr + Mo, max. de 0,05 % em peso de ti, max. de 0,0050 % em peso de B, e min. de 0,010 % em peso de Al,
Fe residual e impurezas inevitáveis.
As peças de trabalho ou platinas de aço 1, 2 ou 2' podem ser não revestidas ou serem providas de um revestimento especialmente de uma camada de Al-Si. Na forma em que é fornecido, ou seja, antes de um tratamento térmico e rápido arrefecimento, o limite de elasticidade Re das platinas de aço endurecível por compressão 1, 2 e/ou 2' é preferencialmente pelo menos 300 MPa; sua resistência à tração Rm é pelo menos 480 MPa, e seu alongamento à rutura A80 situa-se em pelo menos 10%. Após a conformação a quente (tempera por compressão), ou seja, uma austenitização em ca. 900 a 920 °C e arrefecimento rápido subsequente, essas platinas de aço apresentam um limite de elasticidade Re de ca. 1.100 MPa, uma resistência à tração Rm de ca. 1.500 a 2000 MPa e um alongamento a rutura A80 de ca. 5,0%.
Na medida em que as peças de trabalho ou platinas de aço 1,2 e/ou 2' são providas de um revestimento de alumínio, especialmente de um revestimento Al-Si, de acordo com a invenção o revestimento na área marginal ao longo dos rebordos anti-impacto a serem soldados entre si são desgastados ou parcialmente decapados antes da soldagem a laser. Eventualmente, é também removido material de revestimento de alumínio aderido aos rebordos anti-impacto ou de corte 3. 0 aplanamento (remoção) do material de revestimento de alumínio pode ser feito preferencialmente por meio de pelo menos um raio laser. 0 fio de solda empregue 10 apresenta de acordo com a invenção a seguinte composição química: 0,1 % em peso de C, 0,8 % em peso de Si, 1,8 % em peso de Mn, 0,35 % em peso de Cr, 0,6 % em peso de Mo, e 2,25 % em peso de Ni,
Fe residual e impurezas inevitáveis. 0 teor de manganês do fio de solda 10 é, neste caso, de acordo com a invenção, sempre mais elevado do que o teor de manganês das peças de trabalho endurecíveis por compressão 1, 2 ou 2'. Preferencialmente, o teor de manganês do fio de solda 10 situa-se em ca. 0,2 % em peso mais alto do que o teor de manganês das peças de trabalho endurecíveis por compressão 1, 2 ou 2'. Além disso, é favorável se também o teor de cromo e molibdénio do fio de solda 10 for mais alto do que nas peças de trabalho endurecíveis por compressão 1, 2 ou 2' . Preferencialmente, o teor de cromo-molibdénio combinado do fio de solda 10 situa-se em ca. 0,2 % em peso mais alto do que o teor de cromo-molibdénio combinado das peças de trabalho endurecíveis por compressão 1, 2 ou 2'. 0 teor de níquel do fio de solda 10 situa-se de acordo com a invenção na faixa de 1 a 4 % em peso. Além disso, o fio de solda 10 apresenta de acordo com a invenção um teor de carbono menor do que o aço curável por compressão das peças de trabalho 1, 2 ou 2' .
DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO
Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, ο IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.
Documentos de patente referidos na descrição • CN 202038371 U [0001] • US 20080011720 AI [0005]

Claims (7)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Método de soldagem de laser de uma ou várias peças de trabalho feitas de aço manganês-boro, na junta de topo, na qual a peça de trabalho ou peças de trabalho (1, 2; 1, 2') apresentam uma espessura de pelo menos 1,8 mm e/ou na junta de topo (3) se estabelece uma variação de espessura (d) de pelo menos 0,4 mm, caracterizado por a soldagem a laser ser feita sob condução de fio de solda (10) para o banho de fusão (8) gerado exclusivamente com um raio laser (6) , sendo que o fio de solda (10) contém pelo menos um elemento de liga feito do grupo que compreende manganês, cromo, molibdénio, silício e/ou níquel, que favorece a formação de austenite no banho de fusão (8) gerado com o raio laser (6) , sendo que pelo menos esse um elemento de liga está presente com pelo menos 0,1 % em peso de teor em massa maior no fio de solda (10) do que no aço curável por compressão da peça de trabalho ou das peças de trabalho (1, 2; 1, 2'), sendo que o fio de solda (10) apresenta a seguinte composição: 0,05 a 0,15 % em peso de C, 0,5 a 2,0 % em peso de Si, 1.0 a 2,5 % em peso de Mn, 0,5 a 2,0 % em peso de Cr + Mo, e 1.0 a 4,0 % em peso de Ni, Fe residual e impurezas inevitáveis, sendo que o fio de solda (10) apresenta um teor em massa de carbono menor em pelo menos 0,1 % em peso do que o aço curável por compressão da peça de trabalho ou das peças de trabalho (1, 2; 1, 2') , e sendo que a peça de trabalho empregue ou as peças de trabalho empregues (1, 2; 1, 2') não é/ são revestidas ou é/ são por desgaste de seu/seus revestimentos na área marginal ao longo dos rebordos contra impacto a serem soldados entre si, parcialmente decapadas antes da soldagem a laser.
  2. 2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aço da peça de trabalho ou das peças de trabalho (1, 2; 1, 2') apresentar a seguinte composição: 0,10 a 0,50 % em peso de C, max. de 0,40 % em peso de Si, 0,50 a 2,00 % em peso de Mn, max. de 0,025 % em peso de P, max. de 0,010 % em peso de S, max. de 0,60 % em peso de Cr, max. de 0,50 % em peso de Mo, max. de 0,050 % em peso de Ti, 0,0008 a 0,0070 % em peso de B, e min. de 0,010 % em peso de Al, Fe residual e impurezas inevitáveis.
  3. 3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o fio de solda (10) ser conduzido no estado aquecido ao banho de fusão (8).
  4. 4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o fio de solda (10) ser aquecido antes da condução para 0 banho de fusão (8) pelo menos num segmento longitudinal a uma temperatura de pelo menos 50°C.
  5. 5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o banho de fusão (8) ser ativado durante a soldagem a laser com gás de proteção.
  6. 6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por argónio puro ou uma mistura de argónio e dióxido de carbono ser empregue como gás de proteção.
  7. 7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por a peça de trabalho ou as peças de trabalho parcialmente decapadas (1, 2; 1, 2') apresentarem uma camada de superfície à base de alumínio ou alumínio-silício.
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