PT86692B

PT86692B - Processo de soldadura

Info

Publication number: PT86692B
Application number: PT86692A
Authority: PT
Inventors: Graham Anthony Whitlow; Gerald Joseph Bruck; James Edgar Smith; Paul Edward Denney; Ronald David O'brokta
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1987-02-04
Filing date: 1988-02-03
Publication date: 1993-08-31
Also published as: AU596267B2; US4737612A; AU1028088A; PT86692A; CA1290404C; JPS63260691A; ES2006299A6; NL8800116A; KR880009727A

Description

MEMÓRIA DESCRITIVA

A presente invenção refere-se a um processo de soldadura de componentes metálicos utilizando um fei. xe de raios laser e, mais particularmente, para a soldadura de tais componentes com um feixe de raios laser sem antes limpar as superfícies nem preparar os bordos.

Nos processos convencionais de soldadura, tais como a soldadura por gás-metal-arco (GMAW), a solda dura por gás-tungsténio-arco (GTAW), ou a soldadura rápida topo-a-topo (Flash welding-FW) , a prática corrente consiste em uti. lizar superfícies limpas, frequentemente acompanhado por prepara ções de acabamento especial feitas nas superfícies que devem unir

N.

-se das peças a soldar. A limpeza das superfícies a soldar é necessária principalmente devido à natural presença de óxidos nas superfícies, que tendem a inibir a soldadura. Além disso, podem contribuir para que a contaminação do metal soldado forme poros e fendas, resultando daí a produção de soldaduras de qualidade inferior, a que correspondem propriedades mecânicas inferiores. Analogamente, a soldadura eficiente de muitos componentes pode exigir operações de maquinagem caras e demoradas para produzir a preparação necessária dos bordos nas peças, antes do processo de soldadura.

Estes processos de soldadura também exigem o fornecimento de arame de enchimento metálico para o interior da soldadura para formar a união soldada. Convencionalmen te, ê necessário estabelecer a continuidade eléctrica através do arame de enchimento para o fundir. Um dispositivo de alimentação recentemente desenvolvido, descrito na patente americana N9.

447 703, aquece por resistência o arame de enchimento antes da sua entrada na massa líquida de solda.

Os laseres estão agora a ser usados para soldar metais, mas é ainda geralmente usada a prática de lin par as superfícies a unir e a preparar os bordos, da mesma mane.i ra que nos outros processos anteriores de soldadura.

Numa forma de soldadura por laser usada para soldar grandes secções e denominada soldadura perfurante (keyhole welding), o feixe ê focado muito intensamente para aumentar a densidade de energia e criar um furo ou cavidade cercado por metal líquido no metal de base, o qual se desloca com o feixe de raios laser à medida que se unem as peças, numa passagem. Tem sido considerado como requisito prévio para esse processo de soldadura perfurante a existência de um ajuste perfeito entre as peças, sendo em muitos casos necessária uma prepa raçao dos bordos para garantir um bom contacto das superfícies a unir. Isso ê feito além da limpeza completa das superfícies para remover a contaminação antes da soldadura.

Em muitas aplicações, as peças a unir por soldadura estão cobertas com óxidos, crosta de laminação, óleos ou tintas, etc. Consome-se tempo para remover estes

contaminantes antes da soldadura, mas até agora foi considerada uma fase necessária para conseguir obter uma soldadura de qualidade. A preparação dos bordos consome também tempo e é cara, mas tem também sido considerado um pré-requisito para a produção de uma boa soldadura.

Um objectivo primário da presente invenção consiste em proporcionar um processo de soldadura de componentes metálicos que não exija a limpeza das superfícies nem a preparação dos bordos.

Este e outros objectivos são realizados pela presente invenção que proporciona a soldadura de com ponentes de metal puro, de parede espessa e de ligas de metais, com contaminação superficial, tais como crosta de laminagem, óxi. dos de superfície, tinta, óleos etc., nas superfícies a unir. Os componentes são colocados com as superfícies a unir em contacto mutuo, com a contaminação ainda nas referidas superfícies e sem preparação dos bordos. De acordo com um aspecto da presente invenção, dirige-se um feixe de raios laser para um dos componentes junto do outro componente e desloca-se o mesmo ao longo de um dos componentes com uma velocidade e com um poder de focagem • suficientes para produzir uma soldadura perfurante através de I substancialmente 100% da espessura a unir numa passagem. Assim, produz-se uma soldadura de passagem a 100%, de qualidade, numa só passagem, sem a necessidade de qualquer limpeza da superfície nem de preparação dos bordos. Em alternativa, pode fazer-se uma soldadura perfurante substancialmente através de 50% da espessura a unir com uma passagem de cada um dos lados das superfícies a unir.

De acordo com um outro aspecto da presente invenção, dirige-se o feixe de raios laser para os componentes ao longo de um bordo das superfícies contaminadas a unii, com uma potência e uma focagem para produzir uma soldadura por condução com uma massa de material fundido. Fornece-se um arame de enchimento aquecido por resistência para o interior da massa líquida fundida. O feixe de raios laser e o alimentador de arame são deslocados ao longo de um bordo das superfícies a unir com uma velocidade para produzir uma soldadura com enchimento pelo

O menos até metade da espessura numa passagem. Repete-se depois o processo do outro lado das superfícies a unir para produzir uma soldadura em toda a espessura. Mais uma vez não são necessárias a limpeza das superfícies nem a preparação dos bordos para produ zir de maneira rápida e eficiente uma soldadura de qualidade.

Ao contrário do que sucede com outros processos de soldadura, nos quais se verificou ser necessário preparar as superfícies para garantir um ajuste mecânico per feito antes da soldadura, podem produzir-se soldaduras de qualidade pelas técnicas segundo a presente invenção com intervalos entre as superfícies a unir variáveis tão grandes como cerca de 4,75 mm.

Uma compreensão completa da presente invenção pode obter-se a partir da descrição seguinte de formas de realização preferidas quando acompanhada dos desenhos ane xos, cujas figuras representam:

As fig ΙΑ, 1B e 1C, a maneira como eram preparados os componentes de acordo com a técnica anterior para obter um ajuste mecânico correcto para a soldadura;

A fig. 2, uma vista em alçado de to po que ilustra a maneira como se montam um tubo e uma placa para a soldadura de acordo com a presente invenção, e a maneira como o feixe de raios laser ê focado sobre esta montagem, segundo uma forma de realização da presente invenção;

A fig. 3, uma vista de cima da montagem dos componentes da fig. 2;

A fig. 4, uma vista em corte transversal dos componentes da fig. 2 enquanto estão a ser soldados de acordo com uma forma de realização da presente invenção;

A fig. 5, uma vista em corte transversal da soldadura feita de acordo com a forma de realização da presente invenção ilustrada na fig. 4;

A fig. 6, uma vista em alçado lateral dos componentes da fig. 2, como estão a ser soldados de acor do com uma outra forma de realização da presente invenção; e

A fig. 7, uma vista de topo dos com ponentes da fig. 2 soldados de acordo com a forma de realização

da presente invenção ilustrada na fig. 6.

Vai agora descrever-se a presente invenção tal como é aplicada à soldadura de um tubo ou canalização tubular ao bordo de uma placa; porém, compreender-se-ã que as técnicas segundo a presente invenção têm aplicação à soldadura de todos os tipos de formas de componentes metálicos e de ligas metálicas.

Nas técnicas de soldadura tradicionais, incluindo a soldadura por raios laser, a prática usada con siste em primeiramente remover toda a contaminação superficial, tal como crosta de laminagem, óxidos superficiais, tintas, óleos etc.. No caso de superfícies não complementares, tais como a sui perfície cilíndrica (3) de um tubo (1) e o bordo (7) de uma placa (5) ilustrados na fig. 1A, é também uma prática comum preparar as superfícies a unir para conseguir obter um bom ajuste mecânico, por exemplo obtendo com uma fresa uma face plana (9) na superfície cilíndrica (3) do tubo, como se mostra na fig. 1B, ou uma superfície côncava (11) no bordo (7) da placa, ou uma preparação dos bordos (12) como a representada na fig. 1D. Depois colocam-se em contacto pleno as superfícies limpas e preparadas pa ra executar um processo de soldadura convencional, incluindo a soldadura por condução com raios laser, com adição de metal de enchimento, ao longo dos dois bordos das superfícies a unir, ou a soldadura prefurante com raios laser numa passagem. Quer a lim peza das superfícies, quer a preparação dos bordos exigem tempo e aumentam os custos da soldadura.

Descobrimos processos novos e aperfeiçoados para produzir soldaduras de alta qualidade com economias concomitantes dos custos utilizando a soldadura por raios laser com ou sem adições de metal de enchimento. Estes processos incluem a eliminação da limpeza das superfícies e da preparação dos bordos antes da soldadura, e mesmo a soldadura nos casos em que há intervalos variáveis tão grande como cerca de 4,75 mm na intersecção das superfícies a unir produzidos por irregularidade nas superfícies virgens a unir.

A fig. 2 ilustra a disposição para soldadura de um tubo (1) ao bordo (7) de uma placa (5), com es5

tes componentes no estado virgem. Isto é, com a superfície cilín drica (3) do tubo e o bordo (7) da placa cobertos com uma contaj minação de superfície (13), tal como crosta de laminagem e/ou óxidos de superfície, tinta, óleo ou outros contaminantes, e sem qualquer preparação dos bordos. Assim, pode ver-se a partir da fig. 2, que há apenas uma linha de contacto em (15) entre as superfícies a unir. Como se mostra na vista de cima da fig. 3, pode haver intervalos (17) nesta linha de contacto provocados por irregularidades nas superfícies a unir ou na contaminação de superfície (13) .

A fig. 2 também ilustra a maneira como o feixe de raios laser (19) gerado pela fonte de raios laser (21) ê focado para unir os componentes (1) e (5) pelas têcni. cas da soldadura perfurante com raios laser. Como pode ver-se, o i feixe (19) ê orientado ao longo do bordo (7) da placa (5). A potência e a focagem do feixe de raios laser (19) e a velocidade j com que ele se desloca ao longo do bordo (7) perpendicularmente ao plano da fig. 2, são escolhidas de modo que a densidade de po tência (cerca de 2 a 5 milhões de W por centímetro quadrado) seja suficiente para que o feixe forme um furo (20) no metal fundi^ do, que é mantido pelos vapores do metal ionizado como se mostra na fig. 4. Uma tal soldadura perfurante produz uma soldadura atravês de 100% da espessura numa passagem, como se mostra na fig. 5. A ãrea tracejada (27) ê o cordão de soldadura que é flanqueado pelas zonas (29) e (31) do tubo (1) e da placa (5), respectivamente, afectadas pelo calor.

EXEMPLO 1

Colocaram-se tubos com um diâmetro exterior de 50 mm e uma parede de 8 mm, feitos de aço carbono ASTM A210 encostados contra o bordo (7) de placas (5), com 38 mm de largura (dimensão a na fig. 2) e 12 mm de espessura (dimensão b) e feitas de aço carbono ASTM A36. Ambos os componentes no estado em que são recebidos apresentavam oxido superficial ’ (ferrugem) e/ou crosta de laminagem e nenhum deles recebeu qual• quer limpeza da superfície nem preparação dos bordos para a sol dadura. Além disso, na montagem, a grandeza do intervalo (15) en tre o tubo e as placas variava ao longo do comprimento da soldadura de 0 até cerca de 1,6 mm.

Utilizou-se um laser de C0₂ de 15 KW para produzir soldaduras de 100% da espessura numa passagem sem utilização de metal de enchimento. As soldaduras foram feitas com uma potência fornecida pelo feixe de 11 KW e a elevação do ponto focal do feixe, relativamente à face superior (33) da placa (5), estava entre +2,5 mm e -2,5 mm e com uma cintura do feixe de 1 mm. Deslocou-se o feixe ao longo do bordo da placa com velocidades de 63 a 89 cm por minuto.

Embora seja desejável uma elevação do ponto focal de +2,5 mm a -2,5 mm, elevações de +10 mm a -10 mm produzirão uma soldadura satisfatória. Além disso, podem usar -se combinações apropriadas de potências entre 4 KW e 15 KW e ve locidades na gama de cerca de 50 a 180 cm por minuto.

São elementos chaves neste exemplo a soldadura através da espessura obtida numa passagem única em peças de secção relativamente grande, com velocidades de soldadu ra consideravelmente mais elevadas que as que podem conseguir-se nos processos de soldadura correntes. Fizeram-se com êxito solda duras (ver a fig. 5) sem adições de metal de enchimento e na ausência de qualquer preparação prévia da superfície/bordo. Algumas últimas soldaduras preparadas de uma maneira semelhante, mas com arame frio (adições de metal de enchimento não aquecido) foram também feitas com êxito; isso pode ser atraente quando a aplicação exige um filete com uma superfície com um contorno determinado .

De acordo com um outro aspecto da presente invenção, podem obter-se soldaduras com adições de meti, de enchimento sem limpeza das superfícies nem preparação dos bor dos. Os componentes são colocados na posição representada na fig. 2. Neste caso, um feixe de raios laser (19) com uma cintura (35) maior, e portanto com menor densidade de potência, é dirigido pa ra as porções adjacentes de um ou dos dois componentes a unir, como se mostra na fig. 6. Isso produz uma soldadura de condução com a massa líquida (37) do metal. O arame de enchimento aqueci-

do (39) é fornecido para o interior da massa líquida de metal (37) para adicionar metal de enchimento à soldadura pelo disposi_ tivo (41) descrito na patente americana N9. 4 447 703, enquanto o tubo e a placa são deslocados no sentido da seta na fig. 6, re lativamente ao feixe de raios laser (19'). Faz-se uma passagem única ao longo do bordo das superfícies (43) e (45) a unir para produzir a soldadura acabada representada em secção transversal na fig. 7.

EXEMPLO 2

Utilizaram-se os mesmos tubo e placa do Exemplo 1, montados de maneira semelhante ã representada na fig. 2. Mais uma vez não se fez qualquer limpeza das superfícies nem preparação dos bordos nos componentes tal como são rece [ bidos, apresentando ambos óxido superficial e/ou crosta de laminagem e variando o intervalo (15) entre o tubo e a placa ao longo do comprimento da soldadura de 0 a cerca de 3 mm. Usou-se o mesmo laser de CO^ de 15 KW com uma potência fornecida de 9 KW e um ponto focal a +19 mm (foco acima da superfície da placa) para produzir uma soldadura por condução. Forneceu-se automaticamente para o interior do intervalo entre a placa (5) e o tubo (1), com velocidades de alimentação de até 254 cm por minuto, arame de en chimento metálico de aço carbono E-70S-6 de 1 mm de diâmetro, que foi aquecido por resistência a aproximadamente 1329C antes da entrada na massa de metal fundido (37). Fez-se avançar o feixe de raios laser a uma velocidade de 25 cm por minuto para completar a soldadura ao longo de um lado da intersecção entre o tu bo e a placa, numa passagem. Depois de completar uma passagem, repetiu-se o processo na face oposta da soldadura.

Podem fazer-se com êxito soldaduras com metal de enchimento usando a técnica com potências do feixe na gama de 8 a 15 KW, com elevações do ponto focal atê cerca de +32 a -32 mm e velocidades de 12 a 76 cm por minuto.

A junta de soldadura (47) represen• tada na fig. 7 demonstra que se consegue uma soldadura de eleva. da qualidade, com penetração total precisamente em duas passa8

gens, que podem comparar-se com as muitas passagens necessárias por exemplo na formação de uma cava de grande secção na soldadura GMAW convencional.

Não houve qualquer indicação de que a humidade, a contaminação por óxidos ou áreas de fusão tivessem de qualquer maneira afectado de maneira adversa pelo facto de se eliminarem os processos de limpeza da superfície ou da preparação dos bordos que, tipicamente, são pressupostos necessários nas práticas correntes no estado actual da técnica. Experiências adicionais mostraram que a largura do intervalo entre o tubo e a placa pode ser aumentada atê 4,75 mm, conseguindo-se ainda obter soldaduras de alta qualidade. Deve notar-se que todas estas soldaduras foram feitas sem utilização de uma montagem com placa de apoio.

As características chaves neste exemplo a que pode atribuir-se a soldadura com êxito destes componentes com paredes espessas são a combinação do feixe de raios laseres e as adições de arame de enchimento quente com elevada taxa de deposição. Ao contrário do que sucede com a soldadura por arco, na qual os óxidos podem provocar heterogeneidades que isolam electricamente a peça em curso de trabalho de electrodo, o processo com avanço de arame quente, utilizado na presente inven ção é electricamente independente da peça que está a ser trabalhada .

A taxa de aquecimento rápido e o aquecimento altamente localizado produzido pelo laser nestes exemplos podem ter como consequência a rápida remoção dos óxidos das superfícies, permitindo um bom acoplamento entre a massa de metal líquido da soldadura e as peças que estão a ser soldadas. 0 acoplamento inicial do feixe de raios laser foi muito provável mente melhorado pela baixa reflexibilidade das superfícies, tais como são recebidas, quer do tubo quer da placa. A menor reflexibilidade das superfícies pode contribuir para melhorar a limpeza do metal da soldadura pelo acoplamento preferencial do feixe e pela evaporação dos contaminantes superficiais.

As técnicas descritas nos exemplos anteriores são mais eficientes em peças com paredes de grande e_s

pessura ou com secções grandes, com espessuras de cerca de 12 mm a 18 mm, mas não se limitam às dimensões atrãs mencionadas. De facto, crê-se que têm vantagens na soldadura de secções de espe£ sura uniforme, até cerca de 38 mm, particularmente em termos de custos e de economia de tempo, e com modificações na montagem do feixe e da peça, podem conseguir-se soldaduras de secções ainda mais espessas. Quando se faz uma passagem única dos dois lados das superfícies a unir, estas espessuras podem duplicar-se (76 mm) .

Prevê-se que outros materiais tais como, mas sem carácter limitativo, os aços inoxidáveis, ligas à base de níquel ou de outros materiais não ferrosos, podem ter um compartimento semelhante. Além disso, podem fazer-se soldaduras entre peças de composição química diferente usando os processos descritos na presente invenção.

Embora tenham sido descritas em por menor formas de realização específicas da presente invenção, com preender-se-ã pelos especialistas da matéria que várias modifica ções e alterações podem ser introduzidas à luz dos ensinamentos globais da presente invenção. Por conseguinte, os dispositivos particulares aqui apresentados devem apenas considerar-se como indicativos e não limitativos do escopo da presente invenção que é dado com toda a extensão pelas reivindicações anexas ou quaisquer equivalentes.

Claims

REIVINDICAÇÕES

Processo de soldadura de componentes (1,5) de metal puro e de liga de metal de paredes espessas com contaminação superficial (13) nas superfícies (3,7) a unir, que compreende as fases de:

colocar os componentes (1,5) com as superfícies (3,7) a unir em contacto uma com a outra; e orientar um feixe (19) de raios laser para um componente (5) adjacente ao outro componente (1), caracterizado por deixar ficar a contaminação (13) nessas superfícies e, sem preparação dos bordos, deslocar o referido feixe (19) de raios laser ao longo de um componente (5) adjacente ao outro componente (1), tendo o referido feixe (19) de raios laser uma potência concentrada e deslocando-se com uma velocidade apropriada para produzir uma soldadura perfurante através substancialmente de 50 % a 100% da espessura a unir numa passagem.

Processo çle acordo com a reivindica ção 1, caracterizado por se colocarem os componentes (1,5) com as superfícies (3,7) a unir em contacto uma com a outra com interva los variáveis (17) tão grandes como cerca de 3 mm, produzidos por irregularidades nas superfícies (3,7) a unir.

- 3- Processo de acordo com a reivindica ção 1, caracterizado por um dos componentes referidos ser um tubo cilíndrico (1) e o outro uma placa (5) que tem um bordo (7), sendo o referido tubo (1) e a referida placa (5) colocados com o referido bordo (7) da placa longitudinalmente em contacto com o referido tubo (1) e orientando-se o feixe de raios laser (19) pa ra o referido bordo (7) da placa (5) e deslocando-se ao longo do mesmo para produzir uma soldadura perfurante.

Processo de soldadura de componentes (1,5) de metal puro e de liga de metal, de paredes espessas, com contaminação (13) nas superfícies a unir, caracterizado por compreender as fases de:

a) colocar os referidos componentes (1,5) com as superfíci es a unir em contacto uma com a outra, tendo a contaminação superficial (13) ainda nas referidas superfícies e sem preparação dos bordos;

b) orientar um feixe (19') de raios laser para os referidos componentes (1,5) de um dos lados da intersecção das superfí_ cies a unir, tendo o referido feixe (19*) de raios laser uma potência e uma concentração para produzir uma soldadura por condução com uma massa de metal fundido (37);

c) fornecer arame de enchimento (39) aquecido por resistên cia com velocidades controladas para o interior da referida massa de metal fundido (37);

d) deslocar o referido feixe (19') de raios laser e o arame de enchimento (39) ao longo da referida intersecção com uma velocidade para produzir uma soldadura com enchimento (47) numa ou mais passagens; e

e) repetir as fases b) a d) do lado oposto da intersecção das referidas superfícies (3,7) a unir.

Processo de acordo com a reivindica ção 4, caracterizado por se colocarem os componentes (1,5) com as superfícies (3,7) a unir em contacto uma com a outra com intervalos (17) variáveis tão grandes como cerca de 4,75 mm produzidos pelas irregularidades nas superfícies (3,7) a unir) e fazer variar pelo menos uma das velocidades a que se desloca o fei xe (19*) de raios laser relativamente aos componentes (1,5) a unir e a velocidade a que é fornecido o arame de enchimento (39) para compensar os referidos intervalos variáveis (17).

- 6- Processo de acordo com a reivindica ção 1, caracterizado por o feixe de raios laser (19) ser desloca do ao longo de um componente (1) adjacente ao outro componente (5) tendo o feixe de raios laser (19) uma potência concentrada e sendo deslocado a uma velocidade para produzir uma soldadura per furante substancialmente em 50% da espessura a unir numa passagem de cada lado dos componentes (1,5) a unir.

A requerente declara que o primeiro pedido desta patente foi apresentado nos Estados Unidos da Améri. ca em 4 de Fevereiro de 1987, sob o número de série 010,762.