PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA A SOLAPA MEDIANTE SOLDADURA POR RADIACIÓN , EN ESPECIAL MEDIANTE SOLDADURA CON LÁSER, EN CHAPAS RECUBIERTAS, EN ESPECIAL CHAPAS GALVANIZADAS EN ACERO.

Procedimiento de soldadura a solapa mediante soldadura por radiación,

en chapas recubiertas, presentando el recubrimiento una temperatura de fusión y evaporación o de combustión, esencialmente menor que el material de la chapa, y existiendo en la zona de solapamiento, al menos una superficie antagonista recubierta, con una rendija de soldadura, caracterizado porque existe al menos una ausencia de rendija de soldadura, con superficies antagonistas situadas una junto a otra de plano o adaptadas según su forma, en la zona de solapamiento y de soldadura, los respectivos parámetros del reyo energético se varían con una frecuencia de excitación en una ventana de frecuencias alrededor de una frecuencia especial de excitación, y que se encuentra durante el proceso de soldadura, en el tubo capilar de vapor formado en el baño de fusión, y la frecuencia de excitación se varía en el tiempo dentro de esta ventana de frecuencias.

La invención se refiere a un procedimiento de soldadura a solapa mediante soldadura por radiación, según el preámbulo de la reivindicación 1.

En el procedimiento de soldadura a solapa, al menos dos chapas están situadas una sobre otra en una zona de solapamiento, y se unen una con otra mediante una aportación de energía y fusión del material de la chapa, y subsiguiente enfriamiento. Para ello, en especial en la construcción de carrocerías de vehículos, junto a la en general conocida soldadura por puntos por resistencia, se emplean cada vez más procedimientos de soldadura por radiación, suministrándose la energía de soldadura mediante un rayo energético controlado. Especial importancia acrecentada corresponde a la soldadura con láser, con las ventajas de una deformación minima por soldadura, altas velocidades de soldadura, gran rigidez estructural y alta estabilidad dimensional. Como otros procedimientos de soldadura por radiación, entran en acción también, por ejemplo, procedimientos de soldadura por haz electrónico, y procedimientos de soldadura con chorro de plasma.

En el proceso generalmente conocido de soldadura con láser, se forma un baño de fusión que de conformidad con la velocidad de soldadura, se estira a lo largo de un cordón de soldadura, y que a través del material de la chapa superior, se extiende en el material de la chapa inferior. Aquí se evapora una parte del baño de fusión, y se genera un tubo capilar de vapor (keyhole) que se estira a lo largo del cordón de soldadura, a través del, y con el, baño de fusión. Se trata aquí de un proceso dinámico debido a modificaciones condicionadas por el proceso, en la tasa de evaporación y en la presión del entorno, pudiendo tender a colapsar el tubo capilar de vapor, unido además con notables defectos de soldadura, como gotitas, expulsiones, poros e insuficiente penetración de la soldadura. Un tubo capilar de vapor oscilante, a causa del plasma ionizado de vapor metálico que contiene, emite radiación electromagnética que se puede registrar y analizar mediante estructuras metrológicas apropiadas, en especial mediciones ópticas. Con ello también se puede determinar una zona de resonancia del tubo capilar vibrante de vapor, en la que el tubo capilar de vapor vibra tan enérgicamente que colapsa regularmente con vibraciones caóticas del tubo capilar, lo cual conduce a considerables defectos de soldadura.

Tales zonas de resonancia están situadas, en cada caso según las condiciones límite, como tipo y grosor del material, potencia del láser, etc., para un proceso concreto de soldadura, aproximadamente en la zona de los kilohercios, y se pueden determinar empíricamente en correspondencia con el procedimiento antes citado.

Se ha mostrado que mediante una excitación desde el exterior, se puede convertir una vibración del tubo capilar, en sí misma inestable y caótica que conduce a considerables defectos de soldadura, en un sistema con dinámica estabilizada, que proporciona resultados de soldadura esencialmente mejores. Además, se conoce (documento WO 02060634 A1) variar la potencia del láser periódicamente con la frecuencia de resonancia determinada empíricamente del tubo capilar de vapor. Esto se basa en la consideración de que a un sistema oscilante se puede alimentar energía muy eficiente, por excitación en su frecuencia de resonancia, de manera que realice vibraciones estables en la frecuencia de resonancia, para una estabilización del proceso de soldadura. Soldaduras a solapa con un procedimiento semejante de soldadura con láser, se pueden controlar fácilmente con buenos resultados de soldadura, en caso de chapas no recubiertas que estén situadas de plano una junto a otra, sin rendija de soldadura en la zona de solapamiento.

No obstante, aparecen notables problemas fundamentales en soldaduras a solapa con procedimiento de soldadura por radiación, en especial con procedimientos de soldadura con láser, en chapas recubiertas, presentando el recubrimiento una temperatura de fusión y evaporación o de combustión, esencialmente menor que el material de la chapa, cuando en la zona de solapamiento, las superficies recubiertas están situadas de plano una sobre otra, sin una rendija de soldadura. Por zonas o visto microscópicamente, este efecto aparece también en chapas curvadas, cuando la adaptación de las chapas a unir está correspondientemente libre de rendijas en la zona de la juntura. Para la protección eficaz contra la corrosión, en especial en la construcción de carrocerías, se utilizan chapas recubiertas, como chapas galvanizadas de acero, en las que, en relación con las soldaduras con láser, el control técnico de la soldadura ocasiona un gasto considerable en la fabricación en serie.

Durante el proceso de soldadura, el acero de la chapa alcanza en la zona de soldadura al menos la temperatura de fusión que para aceros no aleados está situada en general en unos 1450ºC. El recubrimiento de cinc posee un punto de fusión de 420ºC y una temperatura de evaporación de 907ºC. Durante el proceso de soldadura en la zona de solapamiento, en especial en el caso de superficies antagonistas recubiertas, situadas una junto a otra de plano o según su forma, aquella evaporación del cinc entre las placas, y su sobrecalentamiento subsiguiente, conduce a un crecimiento enorme del volumen y de la presión. De influencia decisiva es aquí la cantidad absoluta del material de recubrimiento (espesor total de la capa) que se encuentra en la rendija, con independencia de si dentro del plano de la juntura, sólo está recubierta la superficie de una chapa o las dos superficies de las chapas. Aquí el vapor de cinc en expansión fluye a alta presión y con gran velocidad, a través del baño de fusión, al aire libre, que representa el camino de menor resistencia de salida, lo cual conduce a expulsiones masivas y defectos del cordón ⎯ Un cordón

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de soldadura con láser, así preparado, no conduce ni a una unión mecánica estable, ni a un cordón de soldadura aceptable ópticamente y, por consiguiente, no se puede emplear en la práctica.

Partiendo de las experiencias precedentes en soldaduras a solapa con el procedimiento con láser en el caso de chapas galvanizadas de acero, cuando estas están situadas una sobre otra de plano o según su forma, en la zona de solapamiento, sin rendija de soldadura, se conocen ya medidas con las que se puede mejorar la calidad del cordón de soldadura.

En los costosos procedimientos conocidos (documentos WO 9529033 A1; EP 365229 A1), antes del proceso de soldadura con láser, se retira localmente el recubrimiento en la zona de solapamiento allí donde, si no, las superficies antagonistas recubiertas, están situadas una junto a otra. De este modo se evita de antemano el problema causal de que después de todo se produzca un vapor de cinc en expansión entre las chapas, que escapa a través del baño de fusión. Con ello se reconduce el proceso de soldadura al bien controlable procedimiento de soldadura con láser con chapas no recubiertas, con ausencia de rendija de soldadura, es decir, con chapas situadas una junto a otra en la zona de solapamiento. Aquí es desventajosa la retirada extraordinariamente costosa del recubrimiento en la zona de solapamiento, así como la pérdida de la protección contra la corrosión, por la falta del recubrimiento en la zona de la soldadura.

En otro método conocido para la mejora de la calidad del cordón de la precedente soldadura a solapa en el caso de chapas galvanizadas (documentos US 4684779 A1; WO 9102621 A1), se intenta mediante la aplicación de un gas inerte protector con alta presión sobre el baño de fusión, impedir, o al menos reducir ampliamente, el escape de vapor de cinc en expansión a través del baño de fusión. Este es un procedimiento costoso que, además, en el caso de superficies antagonistas recubiertas que se solapan, situadas una junto a otra de plano o según su forma, tan sólo puede impedir condicionadamente el escape eruptivo de vapor de cinc en expansión a través del baño de fusión. Esta costosa medida instrumental está vinculada, además, con un consumo muy costoso de gas y, por causa de la aptitud limitada para aplicaciones especiales en casos particulares, no se ha podido introducir hasta ahora en la aplicación industrial.

Otra medida conocida para la mejora de la calidad del cordón de soldadura en las condiciones precedentes de soldadura (documento WO 0066314 A1), consiste en utilizar en una disposición bifocal, dos rayos láser que irradian los dos a una distancia pequeña... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de soldadura a solapa mediante soldadura por radiación, en chapas recubiertas, presentando el recubrimiento una temperatura de fusión y evaporación o de combustión, esencialmente menor que el material de la chapa, y existiendo en la zona de solapamiento, al menos una superficie antagonista recubierta, con una rendija de soldadura,

caracterizado porque

existe al menos una ausencia de rendija de soldadura, con superficies antagonistas situadas una junto a otra de plano o adaptadas según su forma, en la zona de solapamiento y de soldadura,

los respectivos parámetros del reyo energético se varían con una frecuencia de excitación en una ventana de frecuencias alrededor de una frecuencia especial de excitación, y que se encuentra durante el proceso de soldadura, en el tubo capilar de vapor formado en el baño de fusión, y la frecuencia de excitación se varía en el tiempo dentro de esta ventana de frecuencias.

2. Procedimiento de soldadura a solapa según la reivindicación 1, caracterizado porque se modifica la intensidad absorbida del reyo energético mediante una variación de su potencia del rayo y/o diámetro del rayo, en especial de la posición del foco en el caso de un rayo láser, y/o de la energía absorbida, en especial, de la polarización en el caso de un rayo láser, y/o de la posición espacial y temporal del rayo láser, así como de la distribución de la intensidad en el espacio y en el tiempo dentro del rayo láser, y/o del ángulo del haz.

3. Procedimiento de soldadura a solapa según alguna de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la intensidad del rayo energético se varía con la respectiva frecuencia de excitación, y/o una determinada intensidad continua

o variable, se superpone mediante una intensidad variable con la frecuencia de excitación.

4. Procedimiento de soldadura a solapa según alguna de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque para un caso concreto de soldadura con determinadas condiciones límite, se determina empíricamente una frecuencia propia ⎯de preferencia la frecuencia de resonancia u otra frecuencia vinculada⎯ del tubo capilar de vapor, como máximo local de una función de transferencia.

5. Procedimiento de soldadura a solapa según alguna de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la anchura de la ventana de frecuencias alrededor de la respectiva frecuencia propia, en la cual varía la frecuencia de excitación, es menor aproximadamente en una potencia de diez, que la dimensión de la frecuencia propia elegida.

6. Procedimiento de soldadura a solapa según alguna de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la anchura de la ventana de frecuencias alrededor de la respectiva frecuencia propia, es de 400 Hz, de preferencia, de 200 Hz, y con especial preferencia, de 100 Hz.

7. Procedimiento de soldadura a solapa según alguna de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la variación de la frecuencia de excitación se lleva a cabo dentro de la ventana de frecuencias, mediante un desplazamiento de frecuencia que discurre periódicamente en el tiempo en un ciclo de variación.

8. Procedimiento de soldadura a solapa según la reivindicación 7, caracterizado porque el desplazamiento de frecuencia se lleva a cabo mediante una frecuencia de modificación modulada sobre la frecuencia propia.

9. Procedimiento de soldadura a solapa según la reivindicación 7 ó la reivindicación 8, caracterizado porque el tiempo para un ciclo periódico de variación está situado en el orden de magnitud de milisegundos,

10. Procedimiento de soldadura a solapa según alguna de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque para la variación de la frecuencia de excitación está previsto un generador aleatorio que según el principio de aleatoriedad, transfiere sucesivamente una de las frecuencias predeterminadas, desde la ventana de frecuencias.

11. Procedimiento de soldadura a solapa según la reivindicación 10, caracterizado porque mediante un temporizador asignado al generador aleatorio, se transfiere a una nueva frecuencia de excitación, en el orden de magnitud de microsegundos.

12. Procedimiento de soldadura a solapa según la reivindicación 10, caracterizado porque para la transferencia, el generador aleatorio selecciona en cada caso, según el principio de aleatoriedad, un intervalo de tiempo, de una ventana de tiempos de 0 – 5 milisegundos

13. Procedimiento de soldadura a solapa según alguna de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque las chapas recubiertas son chapas galvanizadas de acero.

14. Procedimiento de soldadura a solapa según alguna de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque como procedimiento de soldadura por radiación, se utiliza un procedimiento de soldadura con un láser de CO2, o con un láser de fibra, o con diodos láser o con un láser de estado sólido.

15. Procedimiento de soldadura a solapa según alguna de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque se como procedimiento de soldadura por radiación se utiliza soldadura por haz electrónico, o soldadura con chorro de plasma.