ES2375045A1 - Strong welding method for resistance. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
Método de soldadura fuerte por resistencia.Resistance welding method.
La presente invención pertenece al campo técnico de la metalurgia, concretamente a los procesos de unión de metales mediante soldadura, y más concretamente mediante soldadura por resistencia, en la que la energía calorífica necesaria para la unión es generada por efecto Joule, al hacer pasar una corriente eléctrica de alta intensidad a través de un área de reducido tamaño de los materiales a unir. El método de la presente invención se centra en el sector automovilístico, en la unión de acero y aluminio, con el objeto de reducir peso en los vehículos.The present invention belongs to the technical field from metallurgy, specifically to metal bonding processes by welding, and more specifically by welding resistance, in which the heat energy necessary for the union It is generated by Joule effect, by passing an electric current of high intensity through an area of small size of the materials to join. The method of the present invention focuses on the automobile sector, in the union of steel and aluminum, with the object of reducing weight in vehicles.
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En los últimos años se ha tendido a la reducción del peso de los vehículos, debido sobre todo a la cada vez más exigente normativa medioambiental europea, que establece un límite máximo de emisiones gaseosas (CO_{2}). Una reducción del peso implica un menor consumo de combustible y, en consecuencia, una disminución de emisiones de CO_{2} al ambiente. Para conseguir esta reducción de peso desde hace tiempo se vienen utilizando materiales ligeros, entre los que destacan, por encima de todos, el aluminio y sus aleaciones.In recent years it has tended to reduce of the weight of the vehicles, mainly due to the increasingly demanding European environmental regulations, which sets a limit maximum of gaseous emissions (CO2). A reduction in weight it implies a lower fuel consumption and, consequently, a reduction of CO2 emissions to the environment. To obtain this weight reduction has long been used lightweight materials, among which stand out, above all, the Aluminum and its alloys.
El aluminio es 2,6 veces más ligero que el acero pero ofrece una resistencia específica mayor, y una excelente capacidad de absorción de energía. Además es un metal autopasivante con muy buena resistencia a la corrosión, unas excelentes conductividades térmica y eléctrica y, además es reciclable. Por todo esto, el aluminio (y sus aleaciones) es el segundo material metálico más empleado en la fabricación de automóviles, constituyendo el material principal en un buen número de vehículos de gama alta. Un importante inconveniente es su mayor coste, en comparación con el acero, aunque ello no ha impedido su implantación en multitud de componentes de vehículos de gama media y alta cadencia productiva.Aluminum is 2.6 times lighter than steel but offers greater specific resistance, and excellent energy absorption capacity It is also a self-passive metal with very good corrosion resistance, excellent thermal and electrical conductivities and, in addition, it is recyclable. By All this, aluminum (and its alloys) is the second material metallic most used in the manufacture of cars, constituting the main material in a good number of vehicles high end A major drawback is its higher cost, in comparison with steel, although this has not prevented its implementation in a multitude of mid-range and high-end vehicle components productive cadence
A pesar de las excelentes prestaciones ofrecidas por el aluminio y sus aleaciones, el material por antonomasia en la fabricación de automóviles sigue siendo el acero. Por tanto, las aleaciones de aluminio y los aceros están destinados a convivir en las carrocerías de los vehículos futuros, incluso con materiales de otra naturaleza, como plásticos, compuestos o incluso cerámicos.Despite the excellent services offered by aluminum and its alloys, the material par excellence in the Car manufacturing is still steel. Therefore, the Aluminum alloys and steels are intended to coexist in the bodies of future vehicles, including materials other nature, such as plastics, composites or even ceramics.
La unión de aluminio-acero cobra desde hace años una gran importancia en la industria del automóvil. Sin embargo, la unión por fusión entre el aluminio y acero es difícil, debido a sus propiedades fuertemente disimilares.The aluminum-steel joint charges For years a great importance in the automotive industry. However, the fusion bond between aluminum and steel is difficult, due to its strongly dissimilar properties.
Algunas de las técnicas de soldadura más prometedoras para la unión entre acero y aluminio, según el artículo "Assemblages Aluminium Acier: Developpments recents" (2007) del Instituto Belga de la Soldadura, son el Cold Metal Transfer (CMT), ColdArc o la soldadura láser; técnicas donde la unión se lleva a cabo a través de la fusión del aluminio con muy bajo aporte térmico. O bien técnicas en las que la unión se realiza sin ninguna fusión, sino en base a deformación plástica, como en el caso de Friction Stir Welding o de Magnetic Pulse Welding (MPW). En ninguno de los casos citados el acero se funde.Some of the most welding techniques promising for the union between steel and aluminum, according to the article "Assemblages Aluminum Acier: Developpments recents" (2007) of Belgian Welding Institute, are the Cold Metal Transfer (CMT), ColdArc or laser welding; techniques where the union takes to out through the fusion of aluminum with very low thermal input. Or techniques in which the union is performed without any fusion, but based on plastic deformation, as in the case of Friction Stir Welding or Magnetic Pulse Welding (MPW). In any of the cited cases the steel melts.
Por otra parte, la empresa Corus RD&T perfeccionó la tecnología híbrida de láser y brazing, con "Fluxless Laser Brazing", distinguido por la ausencia de flux, fuente en ocasiones de corrosión.On the other hand, the Corus RD&T company perfected hybrid laser and brazing technology, with "Fluxless Laser Brazing", distinguished by the absence of flux, source of corrosion sometimes.
La técnica Magnetic Pulse Welding (MPW) no aporta calor, sino une los materiales haciendo circular por las piezas un campo magnético. Se emplea la fuerza electromagnética para acelerar y hacer impactar una pieza contra otra, consiguiendo una unión en estado sólido. Es un proceso rápido que suele utilizarse principalmente en uniones a solape tubo-tubo o tubo-placa. Mediante este procedimiento se logra que los efectos térmicos sean muy localizados.The Magnetic Pulse Welding (MPW) technique does not provides heat, but joins the materials by circulating through the pieces a magnetic field. Electromagnetic force is used to accelerate and impact a piece against another, getting a solid state junction. It is a quick process that is often used mainly in pipe-tube overlapping joints or tube-plate Through this procedure it is achieved that The thermal effects are very localized.
La soldadura de aluminio-acero por puntos es posible también con Friction Stir Spot Welding (FSSW), en la que se realiza una soldadura en estado sólido (sin fusión del material) con un calentamiento muy localizado, disminuyéndose la distorsión y tensiones residuales de los componentes. Por este proceso se pueden unir materiales disimilares, siendo un proceso rápido y con alta reproducibilidad.Aluminum-steel welding by points it is also possible with Friction Stir Spot Welding (FSSW), in which a solid state welding is performed (without melting the material) with a very localized heating, decreasing the distortion and residual stresses of the components. For this process can be joined dissimilar materials, being a process Fast and with high reproducibility.
A pesar de existir varias alternativas para la unión de aluminio a acero, se continúan investigando nuevas soluciones para conseguir mejores propiedades mecánicas de la unión y mejor apariencia del resultado que consiga eliminar posteriores operaciones de mecanizado. El conseguir un proceso cuya flexibilidad y productividad fuese equiparable a la unión por resistencia y cuya unión diese los resultados de la unión por brazing, conseguiría, en definitiva, mejorar los resultados obtenidos con las técnicas que se están empleando en la actualidad en la unión a solape de chapa de aluminio-acero de pared delgada. Era por tanto deseable un método que consiguiera una unión de aluminio y acero eficaz, evitando los inconvenientes existentes en los anteriores sistemas del estado de la técnica.Despite the existence of several alternatives for aluminum to steel union, new research continues solutions to achieve better mechanical properties of the joint and better appearance of the result that manages to eliminate later machining operations Getting a process whose flexibility and productivity would be comparable to resistance union and whose union give the results of the union by brazing, would get, in definitively, improve the results obtained with the techniques that are currently using in the overlapping of sheet metal thin-walled aluminum-steel. It was therefore desirable a method that achieved an aluminum and steel joint effective, avoiding the inconveniences existing in the previous ones prior art systems.
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La presente invención resuelve los problemas existentes en el estado de la técnica mediante un método de soldadura fuerte por resistencia, para realizar la unión disímil de una chapa de acero con una chapa de aluminio, ambas de pequeño espesor.The present invention solves the problems existing in the state of the art by a method of strong resistance welding, to realize the dissimilar union of a steel plate with an aluminum plate, both small thickness.
En este método se sitúa una lámina de material de aporte entre la chapa de acero y la chapa de aluminio, teniendo este material de aporte una temperatura de fusión menor que la del acero y la del aluminio.In this method a sheet of material is placed of contribution between the steel plate and the aluminum plate, having This material provides a lower melting temperature than the steel and aluminum.
Los electrodos de soldadura en contacto con los materiales a soldar necesarios para cerrar el circuito eléctrico son de material CuCrZr. El primer electrodo, en contacto con la chapa de acero, tiene geometría troncocónica, mientras que el segundo electrodo, en contacto con la chapa de aleación de aluminio, tiene geometría plana. Además, el área de contacto del primer electrodo con la chapa de acero es menor que el área de contacto del segundo electrodo con la chapa de aluminio. Con esta configuración lo que se consigue es que el calor generado se concentre por el lado de la chapa de acero, el cual tiene un punto de fusión mayor que el aluminio. De esta forma, y mediante una precisa regulación de parámetros, se conseguirá que funda el material de aporte sin que lo hagan las chapas de acero y aluminio, evitándose el efecto fragilizador de los compuestos intermetálicos de la interfase.Welding electrodes in contact with the Materials to be welded to close the electrical circuit are of CuCrZr material. The first electrode, in contact with the sheet of steel, has truncated conical geometry, while the second electrode, in contact with the aluminum alloy sheet, has plane geometry. In addition, the contact area of the first electrode with the steel plate is smaller than the contact area of the second electrode with aluminum sheet. With this configuration what is get is that the heat generated is concentrated on the side of the steel sheet, which has a melting point greater than the aluminum. In this way, and through precise regulation of parameters, it will be achieved that the contribution material is founded without make the sheets of steel and aluminum, avoiding the effect embrittlement of the intermetallic compounds of the interface.
A través de estos electrodos se aplica a un área de reducido tamaño de las chapas a soldar una corriente continua de media frecuencia, mediante un equipo de soldadura, lo que origina una energía calorífica por efecto Joule, la cual funde únicamente la lámina de material de aporte, permaneciendo las chapas de acero y aluminio en estado sólido. De esta forma, se produce la reacción del material de aporte con la superficie de ambas chapas y se realiza la unión de ambas al solidificar dicho material de aporte.Through these electrodes it is applied to an area of small size of the plates to weld a direct current of medium frequency, by means of welding equipment, which originates a heat energy by Joule effect, which melts only the sheet of material of contribution, remaining the sheets of steel and solid state aluminum. In this way, the reaction of the contribution material with the surface of both plates and the union of both when solidifying said contribution material.
Los electrodos, además de transportar y concentrar la corriente en la zona de unión de las chapas, tienen la función de ejercer un esfuerzo de forja sobre éstas fundamental para la consolidación de la soldadura.The electrodes, besides transporting and concentrate the current in the junction zone of the plates, they have the function of exerting a forging effort on these fundamental to Welding consolidation.
Como se ha indicado anteriormente, la energía calorífica generada durante el proceso no tiene como propósito la fusión de las chapas de aluminio y acero a unir, sino que se trata de fundir únicamente el material de aporte depositado entre éstas, ya que este material de aporte tiene una temperatura de fusión inferior a la de los materiales a unir. Una vez fundido, el material de aporte reacciona con la superficie de los materiales, solidifica y genera un puente de unión por mecanismos de difusión entre el acero y el aluminio.As indicated above, the energy heat generated during the process is not intended to fusion of aluminum and steel sheets to be joined, but it is to melt only the contribution material deposited between them, since this contribution material has a melting temperature inferior to that of the materials to join. Once cast, the material of contribution reacts with the surface of the materials, solidifies and generates a bridge of union by diffusion mechanisms between the Steel and aluminum.
De forma preferente, la lámina de material de aporte está realizada en una aleación aluminio-silicio, concretamente una aleación Al_{12}Si, designada según la American Welding Society (AWS) como BAISi-9. El silicio, elemento presente en la aleación es afín tanto al aluminio como al acero, lo que provoca una unión efectiva a ambos, y una unión efectiva entre ellos.Preferably, the sheet of material of contribution is made in an alloy aluminum-silicon, specifically an alloy Al_ {12} Yes, designated by the American Welding Society (AWS) as BAISi-9. Silicon, an element present in the Alloy is akin to both aluminum and steel, which causes a effective union to both, and an effective union between them.
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A continuación, para facilitar la comprensión de la invención, a modo ilustrativo pero no limitativo se describirá una realización de la invención que hace referencia a una serie de figuras.Then, to facilitate the understanding of the invention, by way of illustration but not limitation, will be described an embodiment of the invention that refers to a series of figures.
La figura 1 es una vista esquemática de la etapa inicial del método objeto de la presente invención, en la que se aplica una lámina de material de aporte entre las chapas de acero y aluminio.Figure 1 is a schematic view of the stage initial of the method object of the present invention, in which apply a sheet of input material between the steel sheets and aluminum.
La figura 2 es una vista esquemática de la etapa de aplicación de los electrodos sobre las chapas.Figure 2 is a schematic view of the stage of application of the electrodes on the plates.
En estas figuras se hace referencia a un conjunto de elementos que son:In these figures reference is made to a set of elements that are:
- 1.one.
- chapa de acero.sheet steel.
- 2.2.
- chapa de aluminio.Aluminum sheet.
- 3.3.
- lámina de material de aporte.sheet of contribution material.
- 4.Four.
- primer electrodo de medios de soldadura.First electrode of welding means.
- 5.5.
- segundo electrodo de medios de soldadura.second electrode of welding means.
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El objeto de la presente invención es un método de unión de dos chapas metálicas, concretamente una chapa de acero 1 y una chapa de aluminio 2, mediante soldadura fuerte por resistencia. Las chapas 1,2 a unir son de pequeño espesor, de forma preferente de 1 mm. de espesor.The object of the present invention is a method of joining two metal sheets, specifically a steel plate 1 and an aluminum sheet 2, by strong welding by resistance. The plates 1,2 to be joined are of small thickness, so 1 mm preferred. of thickness.
La figura 1 muestra la etapa inicial del método, en la que se dispone una lámina de material de aporte 3 entre la chapa de acero 1 y la chapa de aluminio 2, presentando este material de aporte 3 una temperatura de fusión menor que la de las chapas 1,2.Figure 1 shows the initial stage of the method, in which a sheet of input material 3 is arranged between the steel sheet 1 and aluminum sheet 2, presenting this material of contribution 3 a melting temperature lower than that of the plates 1.2.
A continuación, tal y como se puede observar en la figura 2, se aplica sobre la zona de chapa de acero 1 a soldar un primer electrodo 4 para soldadura, que está realizado en CuCrZr, y es de geometría troncocónica, y sobre la zona de chapa de aluminio 2 a soldar un segundo electrodo 5 realizado también en CuCrZr y de geometría plana.Then, as can be seen in Figure 2 is applied on the area of sheet steel 1 to be welded first electrode 4 for welding, which is made in CuCrZr, and It is of truncated conical geometry, and on the area of aluminum sheet 2 to weld a second electrode 5 also made in CuCrZr and of plane geometry.
A través de los dos electrodos 4,5 se aplica una corriente continua de media frecuencia mediante un equipo de soldadura, lo que origina una energía calorífica que funde únicamente la chapa de material de aporte 3, manteniéndose en estado sólido las chapas de acero 1 y de aluminio 2, al ser la temperatura de fusión del material de aporte 3 menor que la del acero y la del aluminio. Una vez fundido, el material de aporte 3 reacciona con la superficie de las chapas 1,2, solidifica, y genera un puente de unión por mecanismos de difusión entre ambas.Through the two electrodes 4,5 a medium frequency direct current through a computer welding, which causes a heat energy that melts only the sheet of contribution material 3, keeping in state solid steel sheets 1 and aluminum 2, being the temperature of fusion of the material of contribution 3 smaller than that of the steel and the aluminum. Once melted, the contribution material 3 reacts with the surface of the plates 1,2, solidifies, and generates a bridge of union by diffusion mechanisms between both.
El equipo de soldadura utilizado para la aplicación de corriente de forma preferente emplea un sistema "inverter".The welding equipment used for the current application preferably employs a system "inverter".
Según una realización preferida de los electrodos 4,5 utilizados, el primer electrodo 4, del lado del acero y de geometría troncocónica, presenta 6 mm. de diámetro de cara activa, mientras que el segundo electrodo, del lado del aluminio y de geometría plana, presenta 20 mm. de diámetro de cara activa. Como se muestra en dicha figura 2, el área de contacto del primer electrodo 4 con la chapa de acero 1 es menor que el área de contacto del segundo electrodo 5 con la chapa de aluminio 2, con lo que se consigue que la energía calorífica generada se concentre en el lado de la chapa de acero 1, que de los tres materiales, es el que tiene mayor punto de fusión, con lo que, mediante una precisa regulación de parámetros funde únicamente el material de aporte 3, produciéndose una dilución mínima de la superficie de la chapa de aluminio 2 en contacto con la lámina de material de aporte 3.According to a preferred embodiment of the 4.5 electrodes used, the first electrode 4, on the steel side and of truncated conical geometry, it has 6 mm. face diameter activates, while the second electrode, on the aluminum side and Flat geometry, has 20 mm. of active face diameter. How shown in said figure 2, the contact area of the first electrode 4 with steel plate 1 is smaller than the contact area of the second electrode 5 with the aluminum sheet 2, whereby get the heat energy generated to concentrate on the side of steel sheet 1, which of the three materials, is the one that has higher melting point, which, through precise regulation of parameters melts only the contribution material 3, producing a minimum dilution of the surface of the sheet of aluminum 2 in contact with the sheet of input material 3.
De acuerdo con una realización preferente de la invención, la lámina de material de aporte 3 tiene 0,1 mm. de espesor, y está realizada en una aleación aluminio-silicio, concretamente una aleación Al_{12}Si, designada como BAISi-9. Esta aleación Al_{12}Si proporciona un rango de temperaturas de soldadura entre 582ºC y 604ºC. El silicio presente en la aleación es afín a los dos materiales a unir, lo que provoca una unión efectiva de dicho material de aporte 3 a ambos, y una unión efectiva entre ellos.According to a preferred embodiment of the invention, the sheet of input material 3 has 0.1 mm. from thickness, and is made of an alloy aluminum-silicon, specifically an alloy Al_ {12} Yes, designated as BAISi-9. This alloy Al_ {12} If you provide a range of welding temperatures between 582 ° C and 604 ° C. The silicon present in the alloy is akin to both materials to be joined, which causes an effective union of said 3 contribution material to both, and an effective union between them.
Según la realización preferente del método de soldadura objeto de la presente invención, los electrodos ejercen un esfuerzo de forja sobre las chapas 1,2 metálicas de 280 daN fundamental para la consolidación de la soldadura. Además, la intensidad de corriente proporcionada por el equipo de soldadura es de 14-15 kA, se aplica un tiempo de soldeo de 8 ciclos/segundo.According to the preferred embodiment of the method of welding object of the present invention, the electrodes exert a forging effort on the 1.2 metal sheets of 280 daN fundamental for welding consolidation. Besides, the current intensity provided by the welding equipment is from 14-15 kA, a welding time of 8 is applied cycles / second
Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.Once the invention has been clearly described, notes that the particular realizations above described are subject to modifications of detail provided that do not alter the fundamental principle and the essence of the invention.
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2009
- 2009-12-21 ES ES200931208A patent/ES2375045B1/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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| ES2375045B1 (en) | 2013-03-25 |
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