PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA HÍBRIDA POR LÁSER Y ARCO DE PIEZAS METÁLICAS QUE PRESENTAN UN REVESTIMIENTO SUPERFICIAL QUE CONTIENE ALUMINIO.

Procedimiento de soldadura mediante haz (3) de láser de al menos una pieza (1) de acero que presenta un revestimiento superficial (2) que contiene aluminio,

en el que el revestimiento (2) contiene principalmente aluminio y silicio (Al/Si), caracterizado porque el haz (3) de láser se combina con al menos un arco eléctrico (4) de manera a llevar a cabo una fusión del metal y la soldadura de dicha o dichas piezas (1), y porque al menos una de las piezas (1) presenta, previamente a su soldadura, (2a, 2b) depósitos del revestimiento Al/Si (2) sobre la superficie de uno de sus cantos (1a) laterales que se debe soldar

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E07301142.

Solicitante: L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 75, QUAI D'ORSAY 75007 PARIS FRANCIA.

Inventor/es: BRIAND, FRANCIS, DUBET,OLIVIER, CHOVET,CORINNE.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 22 de Junio de 2007.

Fecha Concesión Europea: 18 de Agosto de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B23K26/14F
  • B23K26/26 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B23 MAQUINAS-HERRAMIENTAS; TRABAJO DE METALES NO PREVISTO EN OTRO LUGAR.B23K SOLDADURA SIN FUSION O DESOLDEO; SOLDADURA; REVESTIMIENTO O CHAPADO POR SOLDADURA O SOLDADURA SIN FUSION; CORTE POR CALENTAMIENTO LOCALIZADO, p. ej. CORTE CON SOPLETE; TRABAJO POR RAYOS LASER (fabricación de productos revestidos de metal por extrusión de metales B21C 23/22; realización de guarniciones o recubrimientos por moldeo B22D 19/08; moldeo por inmersión B22D 23/04; fabricación de capas compuestas por sinterización de polvos metálicos B22F 7/00; disposiciones sobre las máquinas para copiar o controlar B23Q; recubrimiento de metales o recubrimiento de materiales con metales, no previsto en otro lugar C23C; quemadores F23D). › B23K 26/00 Trabajo por rayos láser, p. ej. soldadura, corte o taladrado. › de costuras rectilíneas.
  • B23K26/32A

Clasificación PCT:

  • B23K26/14 B23K 26/00 […] › con una corriente de fluido asociada al haz de rayos, p. ej. un chorro de gas; Boquillas para tal fin (B23K 26/12 tiene prioridad).
  • B23K26/26 B23K 26/00 […] › de costuras rectilíneas.
  • B23K26/32 B23K 26/00 […] › tomando en consideración las propiedades del material involucrado.

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.

PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA HÍBRIDA POR LÁSER Y ARCO DE PIEZAS METÁLICAS QUE PRESENTAN UN REVESTIMIENTO SUPERFICIAL QUE CONTIENE ALUMINIO.

Fragmento de la descripción:

Procedimiento de soldadura híbrida por láser y arco de piezas metálicas que presentan un revestimiento superficial que contiene aluminio.

La presente invención se refiere a un procedimiento de soldadura híbrida por láser y arco de una o más piezas metálicas que presentan una capa o un revestimiento superficial aluminado, es decir que contiene aluminio, según el preámbulo de la reivindicación 1 (véase, por ejemplo, el documento US 2005/011870.

Los materiales conformables en caliente, es decir a aproximadamente 900ºC, como el USIBOR 1500 que se forma con acero 22 Mn B 5 (que contiene especialmente el 0,22% de C, el 1,25% de Mn, y B) , con un limite de elasticidad muy elevado (acero THLE), se recubren generalmente con una capa o revestimiento a base de aluminio y de silicio, denominada "capa Al-Si", por ejemplo formada con el 90% de Al + el 10% de Si (% en masa), para impedir la aparición de oxidación y por lo tanto de calamina durante el tratamiento térmico.

En efecto, en ausencia de esta capa Al-Si, si aparece calamina en superficie, se debe retirar la capa de calamina mediante arenado o cualquier otra técnica equivalente y, por lo tanto, requiere una operación adicional que genera un sobrecoste importante y una pérdida de productividad desde el punto de vista industrial.

Además, la capa Al-Si sirve también de lubricante de superficie, durante la embutición en caliente de la chapa.

El grosor de esta capa es generalmente de aproximadamente 30 μm sobre, por ejemplo, USIBOR 1500 y, después de tratamiento térmico, alcanza aproximadamente entre 40 y 45 μm, según la duración del tratamiento, mediante difusión del hierro en la capa y del aluminio en el hierro. El valor elevado de 45 μm es generalmente un valor limite ya que, si es superior, la capa se vuelve demasiado quebradiza.

Esta capa Al-Si aumenta las resistencias de contacto en soldadura por punto mediante resistencia, lo cual sugiere que es menos conductora que un acero no revestido.

Las piezas de acero realizadas con este tipo de revestimiento son principalmente piezas de estructura, en particular piezas de vehículos automóviles, como los pilares centrales, los refuerzos anti-intrusión, las traviesas de parachoques... Sin embargo, se usan también tubos de acero recubiertos con una capa Al-Si para fabricar diversas estructuras tales como, por ejemplo, tubos de escape.

Los grosores clásicos de estas piezas revestidas están comprendidos entre 0,8 mm y 2,5 mm.

De manera general, el uso de este tipo de piezas con revestimiento Al-Si tiende a desarrollarse en gran medida, ya que este tipo de revestimiento permite evitar especialmente los depósitos de calamina anteriormente mencionados, mientras que estas piezas de estructuras se pueden embutir únicamente en caliente y sus características mecánicas sólo se obtienen después de un tratamiento térmico realizado inmediatamente después de la embutición.

Sin embargo, estas chapas deben cortarse antes de ser soldadas y embutidas. Este corte se realiza habitualmente o bien mediante cizallado o bien mediante corte por haz de láser.

El procedimiento de corte de láser presenta la ventaja de no aportar revestimiento sobre los bordes laterales cortados. Sin embargo, este procedimiento es muy caro en términos de inversión, ya que requiere la adquisición de una instalación completa de corte de láser, lo que dificulta su difusión desde el punto de vista industrial.

Por otra parte, el procedimiento de corte mediante cizallado es menos costoso y, por lo tanto, está más difundido en la industria, pero presenta el importante inconveniente de arrastrar parte del revestimiento Al-Si sobre el canto de la pieza, por efecto de deslizamiento.

Ahora bien, durante una posterior operación de soldadura mediante haz de láser en configuración de borde contra borde unidos (unión a tope), de chapas o piezas de acero aluminadas recortadas mediante cizallado, se observa, después de la soldadura, la presencia en el cordón de soldadura de una fase menos resistente a la tracción que el metal de base y que la zona fundida.

Un análisis químico de la composición de esta fase muestra que contiene un porcentaje de aluminio (> 1,2% en masa) suficientemente importante como para impedir la transformación austenítica del acero. En efecto, dado que el aluminio es un elemento alfágeno, más allá de un cierto contenido, éste impide la transformación austenítica de los aceros. Durante el enfriamiento, la microestructura de la fase no cambia y permanece en forma de ferrita δ, con una dureza cercana a 230 Hv.

Por su parte, la matriz experimenta una transformación austenítica y, a continuación, martensítica/bainítica que conduce a una dureza del orden de 450 Hv.

Existen compuestos intermetálicos para valores de aluminio del 13% (Fe3Al), el 33% (FeAl) , etc... Estos valores se han medido en las muestras realizadas sólo con láser.

Dicho de otro modo, nos encontramos en presencia de una fase menos resistente que la matriz, y ello conlleva una disminución de las características mecánicas del montaje.

Esta fase no se coloca de nuevo en solución en la matriz durante el calentamiento a 900ºC (austenitización), ya que se suprime la transformación austenítica, y por consiguiente, durante la embutición a 900ºC que sigue a la operación de unión a tope, existen riesgos de fisuración, dado que esta fase tiene una resistencia a la rotura inferior a la de la matriz en forma de austenita, a esta temperatura. Por otra parte, después de unas pruebas mecánicas de dicho cordón, se observa que la resistencia global de la soldadura es inferior a la del metal de base, lo que conduce a una pieza no conforme con las especificaciones.

El problema que se plantea consiste, por lo tanto, en proponer un procedimiento de soldadura eficaz de piezas aluminadas, es decir piezas que presentan un revestimiento Al-Si en superficie, que permita especialmente la obtención de una junta por soldadura que presenta buenas características, incluso cuando las piezas se han cortado mediante cizallado y no han pasado por una etapa de preparación de las superficies de sus cantos laterales.

La solución de la invención es un procedimiento de soldadura mediante haz de láser de al menos una pieza metálica que presenta un revestimiento superficial que contiene aluminio, según la reivindicación 1.

Dicho de otro modo, durante la soldadura propiamente dicha se combina un arco eléctrico con un haz de láser para fundir el metal de la o las piezas a ensamblar, apuntando simultáneamente a un punto o una zona de soldadura común única.

Según el caso, el procedimiento de la invención puede incluir una o más de las siguientes características:

- el revestimiento tiene un grosor comprendido entre 5 y 45 μm;

- al menos una de las piezas es de acero;

- al menos una de las piezas tiene un grosor comprendido entre 0,5 y 4 mm, preferiblemente del orden de 0,8 a 2,5 mm;

- el arco es emitido por un electrodo de soldadura de tungsteno, es decir un portaelectrodos TIG, o se forma en el extremo de un hilo fusible;

- se sueldan dos piezas cuyos extremos se unen, o los dos bordes de una misma pieza que se han acercado el uno del otro, en particular los dos bordes longitudinales de un tubo;

- durante la soldadura, se emplea una protección gaseosa de al menos una parte del cordón de soldadura utilizando un gas de protección elegido entre mezclas de helio/argón o argón puro;

- el haz de láser se genera mediante un generador de láser del tipo CO2, Nd:YAG, de diodos o de fibra de iterbio.

La invención se entenderá mejor gracias a la siguiente descripción, proporcionada a titulo ilustrativo pero no limitativo, en referencia a las figuras adjuntas.

La figura 1 representa un esquema, en corte transversal, de una pieza 1 de acero aluminada, es decir recubierta con una capa 2 o revestimiento Al-Si, a saber una capa superficial con base de aluminio y de silicio, por ejemplo formada por un 90% de Al + un 10% de Si y destinada especialmente a impedir la oxidación y, por lo tanto, la aparición de calamina después de un tratamiento térmico de la pieza. La pieza posee un grosor de, por ejemplo, 1,5 mm y la capa Al-Si, por ejemplo, un grosor (E) de 30 μm aproximadamente. Esta pieza 1 ha...

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento de soldadura mediante haz (3) de láser de al menos una pieza (1) de acero que presenta un revestimiento superficial (2) que contiene aluminio, en el que el revestimiento (2) contiene principalmente aluminio y silicio (Al/Si), caracterizado porque el haz (3) de láser se combina con al menos un arco eléctrico (4) de manera a llevar a cabo una fusión del metal y la soldadura de dicha o dichas piezas (1), y porque al menos una de las piezas (1) presenta, previamente a su soldadura, (2a, 2b) depósitos del revestimiento Al/Si (2) sobre la superficie de uno de sus cantos (1a) laterales que se debe soldar.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el revestimiento (2) tiene un grosor (E) comprendido entre 5 y 45 μm.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque el revestimiento (2) tiene un grosor (E) comprendido entre aproximadamente 30 μm y 45 μm.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el revestimiento (2) tiene un grosor (E) de 30 μm.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque al menos una de las piezas (1) tiene un grosor comprendido entre 0,5 y 4 mm, preferiblemente del orden de 0,8 a 2,5 mm.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque las piezas (1) presentan depósitos de dicho revestimiento (Al/Si) (2), sobre la superficie de uno de sus cantos laterales (1a) que se deben soldar, resultantes de un corte mediante cizallado de dicha pieza.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el arco (4) es emitido por un electrodo de soldadura de tungsteno (5) o se forma en el extremo de un hilo fusible (6).

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porgue se sueldan dos piezas (1) colocadas en posición extremo contra extremo, o los dos bordes de una misma pieza, cuyos bordes han sido aproximados el uno al otro, en particular los dos bordes longitudinales de un tubo.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque, durante la soldadura, se emplea una protección gaseosa de al menos una parte del cordón de soldadura, utilizando un gas de protección elegido entre mezclas de helio/argón o argón puro.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el haz (3) de láser se genera mediante un generador de láser de tipo CO2, Nd:YAG, de diodos o de fibra de iterbio.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque se suelda una pieza (1) de acero recubierta con un revestimiento superficial (2) formado con un 90% de aluminio y un 10% de silicio (% en masa).


 

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