ES2550934T3 - Procedimiento de soldadura híbrida por arco láser de piezas de acero aluminizado con hilo que contiene elementos gammágenos y gas que contienen menos de 10% de nitrógeno u oxígeno - Google Patents

Procedimiento de soldadura híbrida por arco láser de piezas de acero aluminizado con hilo que contiene elementos gammágenos y gas que contienen menos de 10% de nitrógeno u oxígeno Download PDF

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Abstract

Procedimiento de soldadura híbrida por arco láser que emplea un arco eléctrico y un haz láser que se combina uno con el otro en el seno de un único baño de soldadura, en el cual el metal fundido es aportado por fusión de un hilo fusible, siendo el baño de soldadura realizado sobre al menos una pieza de acero que incluye un revestimiento de la superficie a base de aluminio, y emplea un gas de protección, caracterizado porque el hilo fusible contiene al menos 3% en peso y a lo sumo 20% en peso de uno o varios elementos gammágenos y el gas de protección está formado por helio y/o por argón a lo que se añade al menos 2% en volumen, a menos 10% en volumen, de nitrógeno u oxígeno.

Description

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DESCRIPCIÓN
Procedimiento de soldadura híbrida por arco láser de piezas de acero aluminizado con hilo que contiene elementos gammágenos y gas que contienen menos de 10% de nitrógeno u oxígeno
La invención se refiere a un procedimiento de soldadura por soldadura híbrida por arco láser de piezas de acero que incluyen un revestimiento de la superficie a base de aluminio, en particular, un revestimiento de aluminio y de silicio, empleando un hilo que contiene uno o varios elementos gammágenos y preferentemente un gas de protección formado por argón y/o por helio añadido con bajas proporciones de nitrógeno u de oxígeno.
Algunos aceros denominados aluminizados ya que revestidos de aluminio o de una aleación a base de aluminio, tales como los aceros de tipo USIBOR™, presentan características mecánicas muy elevadas después del embutido en caliente y son, por lo tanto, cada vez más utilizadas en el ámbito de la construcción de vehículos automóviles, cuando se busca una ganancia de peso.
En efecto, estos aceros se conciben para ser tratados térmicamente luego templados durante la operación de embutido en caliente y las características mecánicas que se derivan permiten una reducción muy significativa del peso del vehículo con respecto a un acero de elevado límite de elasticidad estándar. Se utiliza principalmente para fabricar barras de parachoques, refuerzos de puerta, ejes centrales y montantes de ventanilla…
El documento EP-A-1878531, en base al preámbulo de la reivindicación 1, propone soldar este tipo de aceros aluminizados por empleo de un procedimiento de soldadura híbrida por arco láser. El principio de la soldadura híbrida por arco láser es muy conocido en el estado de la técnica anterior.
No obstante, se ha observado en la práctica que después de una operación de soldadura híbrida con atmósfera protectora formada por una mezcla He/Ar, de piezas en acero revestidas de aluminio o de una aleación de aluminio, en particular, aleación de tipo Al/Si, y tratamiento térmico post-soldadura que incluye un embutido en caliente a 920°C luego un temple en el útil (30°/s), una fase menos resistente en tracción que el metal básico y que la zona fundida aparece a menudo en el montaje soldado.
Ahora bien, esta fase menos resistente en tracción constituye una zona frágil de la soldadura así obtenida, tal como se explica a continuación. Estas zonas más frágiles aparecen en el seno de la zona de martensita en forma de islotes de fase blanca que contienen agregados de aluminio procedente de la capa de la superficie.
Tras análisis, se ha determinado que esta fase contiene un porcentaje no desdeñable de aluminio (> 2%) que provoca la no transformación austenítica del acero durante su tratamiento térmico antes del embutido, es decir, esta fase permanece en forma de ferrita Delta y resulta una dureza menor que el resto de la pieza que haya sido sometida a una transformación martensítica/bainítica.
Ahora bien, la fase no transformada en fase martensita puede implicar, en una caracterización mecánica del montaje después de la soldadura, embutido seguido de un tratamiento térmico, fisuras, o incluso una ruptura por cizallamiento del montaje soldado, ya que estas zonas que han incorporado aluminio, presentan una resistencia de la soldadura más baja que la del metal depositado.
El problema que se plantea consiste, por lo tanto, en proponer un procedimiento de soldadura híbrida por arco láser que mejora las propiedades mecánicas de la junta soldada, durante una operación de soldadura de piezas de acero revestidas de una capa que incluye aluminio. Más concretamente, el problema consiste en poder obtener una microestructura homogénea de tipo martensita en zona fundida, es decir, en la junta de soldadura, después de embutido en caliente, típicamente a aproximadamente 920°C, y temple con el útil de embutido, típicamente con una velocidad de enfriamiento de entre 800 y 500°C del orden de 30°C/seg.
La solución de la invención es entonces un procedimiento de soldadura híbrida por arco láser que emplea un arco eléctrico y un haz láser que se combinan uno con el otro en el seno de un único baño de soldadura, en el cual el metal fundido es aportado por fusión de un hilo fusible, siendo el baño de soldadura realizado sobre al menos una pieza de acero que incluye un revestimiento de la superficie a base de aluminio, y que emplea un gas de protección, caracterizado porque el hilo fusible contiene al menos 3% en peso y a lo sumo 20% en peso de uno o varios elementos gammágenos y el gas de protección está formado por helio y/o por argón añadido de al menos un 2% en volumen a menos de 10% en volumen nitrógeno u oxígeno como compuesto(s) adicional(es).
Según el caso, el procedimiento de la invención puede comprender una o varias de las siguientes características:
-
los elementos gammágenos se eligen entre el carbono (C), el manganeso (Mn), el níquel (Ni) y el nitrógeno (N).
-
el hilo fusible contiene al menos Mn.
-
los elementos gammágenos se pueden proporcionar bajo forma metal o de aleación, por ejemplo una ferroaleación carburada o grafito para el carbono, manganeso electrolítico o una ferroaleación para el
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manganeso, níquel elemental, ferrocromo nitrurado para el nitrógeno, en particular para un hilo tubular de tipo metal cored, es decir, de alma metálica.
-
el hilo fusible contiene varios elementos gammágenos elegidos entre C, Mn, Ni y N.
-
el hilo fusible contiene al menos 5% en peso de uno o varios elementos gammágenos.
5
- el hilo fusible contiene por otro lado hierro.
-
el hilo es un hilo tubular, en particular un hilo tubular de tipo metal cored, es decir, con alma metálica, o un hilo macizo.
-
el gas de protección contiene una mezcla de helio y de argón.
10
- el gas de protección está formado por helio y/o por argón añadido en menos de 9% en volumen de nitrógeno u de oxígeno, preferentemente de nitrógeno ya que la presencia de nitrógeno en el gas permite aportar, en particular, un complemento en elementos gammágenos.
-
el gas de protección contiene al menos 4% en volumen de nitrógeno como compuesto adicional.
-
el gas de protección contiene al menos un 5% en volumen de nitrógeno como compuesto adicional.
-
el gas de protección contiene a lo sumo un 8% en volumen de nitrógeno como compuesto adicional.
15
- el gas de protección contiene al menos un 5,5% en volumen de nitrógeno y a lo sumo 7,5% en volumen de nitrógeno.
-
el contenido en nitrógeno en el gas de protección empleado es del orden de 6 a 7% de nitrógeno en el argón o en una mezcla argón/helio.
-
el contenido en oxígeno es inferior a 8% en volumen en el argón o en el argón/helio.
20
- el contenido en oxígeno es del orden de 3 a 5% de oxígeno en el argón o en el argón/helio.
-
el gas de protección está formado por helio y/o por argón añadido de 4 a 8% en volumen de nitrógeno.
-
la o las piezas de acero incluyen un revestimiento de la superficie a base de aluminio que tiene un espesor comprendido entre 5 y 100 µm, preferentemente inferiores o iguales a 50 µm.
25
- la o las piezas metálicas son de acero con un revestimiento de la superficie a base de aluminio y de silicio, preferentemente el revestimiento de la superficie contiene más de 70% en peso de aluminio.
-
la o las piezas metálicas son de acero al carbono.
-
el hilo fusible se funde por el arco eléctrico, preferentemente un arco obtenido por medio de un soplete de soldadura MIG.
-
el generador láser que genera el haz láser es de tipo CO2, de fibra o de disco.
30
- la o las piezas que se deben soldar se eligen entre los flancos empalmados y los tubos.
-
se sueldan varias piezas entre sí, en particular dos piezas.
-
las piezas se posicionan y se sueldan juntas de extremo a otro.
35
- la o las piezas que se deben soldar tienen un espesor de 0,2 mm a 3 mm. Se considera el espesor a nivel del plan de unión que se debe realizar, es decir, al lugar dónde el metal se funde para formar la unión de soldadura, por ejemplo a nivel del borde del extremo de la o de las piezas que se deben soldar.
-
el revestimiento cubre al menos una superficie de la o de las piezas, pero preferentemente nada o casi nada del revestimiento a base de aluminio está presente sobre los rebordes de extremos de la o de dichas piezas, es decir, sobre los tramos de una chapa por ejemplo.
40
- la o las piezas metálicas incluyen un revestimiento de la superficie a base de aluminio y de silicio que contiene una proporción de aluminio entre 5 y 100 veces superior a la de silicio, por ejemplo, una proporción de aluminio de 90% en peso y una proporción de silicio de 10% en peso, lo que representa una capa de revestimiento de la superficie que incluye 9 veces más aluminio que silicio.
-
la o las piezas metálicas incluyen un revestimiento de la superficie a base de aluminio y de silicio que contiene una proporción de aluminio entre 5 y 50 veces superior a la de silicio, en particular, una proporción
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de aluminio entre 5 y 30 veces superior a la de silicio, en particular una proporción de aluminio entre 5 y 20 veces superior a la de silicio. -se sueldan varias piezas una con otra, típicamente dos piezas; pudiendo dichas piezas ser idénticas o diferentes, en particular, en términos de formas, de espesores, etc… 5 -la o las piezas son de acero con mucha aleación (>5% en peso de elementos de aleación), con poca aleación (<5% en peso de elementos de aleación) o sin aleación, por ejemplo un acero al carbono. -el hilo de soldadura es un hilo macizo o un hilo tubular que tiene un diámetro entre 0,5 y 5 mm, típicamente entre aproximadamente 0,8 y 2,5 mm. -el haz láser precede al arco MIG durante la soldadura, considerando el sentido de la soldadura. 10 -el régimen de soldadura MIG es de tipo arco corto. -la tensión de soldadura es inferior a 20 V, típicamente comprendida entre 11 y 16 V. -la intensidad de soldadura es inferior a 200 A, típicamente comprendida entre 118 y 166 A. -la velocidad de soldadura es inferior a 20 m/min, típicamente comprendida entre 4 y 6 m/min. -la presión del gas está comprendida entre 2 y 15 bar, por ejemplo del orden de 4 bar. 15 -el caudal del gas está comprendido entre 5 y 40 l/min, típicamente del orden de 25 l/min. -el punto de focalización del haz láser se concentra sobre la pieza que se debe soldar, preferentemente a una distancia comprendida entre 3 a 6 mm. -la distancia entre el hilo de aportación y el haz láser debe estar comprendida entre 2 y 3 mm aproximadamente. 20 La invención se va ahora a comprender mejor gracias a los Ejemplos siguientes destinados a demostrar la eficacia
del procedimiento de soldadura híbrida por arco láser según la invención. Para ello, se realizaron ensayos de soldadura híbrida por arco láser por medio de una fuente láser de tipo CO2 y de un soplete de soldadura al arco MIG de piezas de acero revestido de una capa de aproximadamente 30 µm de una aleación aluminio/silicio en proporciones respectivas de 90% y de 10% en peso. Más concretamente, en los
25 Ejemplos 1 a 3 siguientes, las piezas que se deben soldar son flancos empalmados dispuestos a tope unidos de
acero aluminizado (Al/Si) de tipo Usibor 1500™. En los ejemplos 1 a 3, el gas de protección empleado se distribuye en un caudal de 25 l/min y a una presión de 4 bares, y la velocidad de soldadura es de 4 m/min. La tensión de soldadura es de 15 V aproximadamente y la intensidad de aproximadamente 139 A que se obtienen gracias a un generador de tipo Digi@wave 500 (Arco
30 corto/Arco corto +) en modo sinérgico (EN 131) comercializado por Air Líquid Welding Francia. Ejemplo 1 Las piezas soldadas tienen, en este Ejemplo, un espesor de 1,7 mm. El gas empleado es una mezcla de ARCAL 37 (composición: 70% en volumen de He + 30% en volumen de Ar)
añadido de 3% en volumen de O2; la mezcla gaseosa ARCAL 37 está disponible en Air Líquid. 35 El soplete utilizado es un soplete MIG comercializado por la sociedad OTC y alimentado por un hilo de aportación de
1,2 mm de diámetro que contiene, además de hierro, alrededor de 20% en peso de manganeso (Mn), que se libera a un ritmo de 3 m/min. La fuente láser es un oscilador láser de tipo CO2 y la potencia empleada es de 8 kW. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que, si los cordones de soldadura son homogéneos en
40 microestructura, entonces la presencia de manganeso en alta proporción (i.e. alrededor de 20% en peso de Mn) en zona fundida conduce a bien mejores resultados que los ensayos con poco manganeso en el cordón de soldadura
(i.e. alrededor de 2% de Mn).
Después de un tratamiento térmico de temple (velocidad de enfriamiento entre 800°C y 500°C del orden de 30°C/seg), la resistencia a la ruptura del montaje es equivalente a la del metal de base después del tratamiento 45 térmico de temple, mientras que no se superan 1000 MPa de resistencia a la ruptura (Rm) con un hilo que sólo contiene 2% de manganeso.
Este Ejemplo 1 pone de relieve la influencia beneficiosa de la presencia de elementos gammágenos, i.e. aquí 20%
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de Mn, en el hilo sobre la obtención de cordones de soldadura que presentan una microestructura homogénea de tipo martensita en zona fundida, después del temple.
Ejemplo 2
En este Ejemplo, las piezas soldadas tienen un espesor de 2,3 mm y el gas empleado es una mezcla formada por ARCAL 37 al que se añade 3% en volumen de O2.
El soplete utilizado es una soplete MIG de referencia OTC alimentado con un hilo de aportación de 1,2 mm de diámetro de tipo Nic 535 (hilo macizo) que incluye hierro y, como elementos gammágenos, 0,7% de carbono (C) y 2% de manganeso (Mn), que se libera a un ritmo de 3 m/min.
La fuente láser es un oscilador láser de tipo CO2 de potencia de 12 kW
Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que la cantidad de elementos gammágenos, i.e. Mn y C del hilo, es suficiente en oposición al efecto de supresión de transformación austenítico causado por la presencia de aluminio en zona fundida. En efecto, las micrografías ponen de manifiesto que las fases blancas desaparecieron enteramente o son muy reducidas.
Además se observó que la resistencia a la ruptura del montaje, después de austenitización y temple, es equivalente a la del metal de base.
Este Ejemplo 2 demuestra también la influencia beneficiosa de la presencia de elementos gammágenos, i.e. aquí C y Mn, en el hilo sobre la obtención de cordones de soldadura que presentan una microestructura homogénea de tipo martensita en zona fundida, después del temple.
Ejemplo 3
Este Ejemplo 3 es similar al Ejemplo 2 anterior aparte de que el procedimiento de soldadura híbrida por arco láser según la invención se emplea para soldar piezas de 2,3 mm de espesor, utilizando como gas de protección, la mezcla ARCAL 37, que se forma de 70% de helio y 30% de argón, al que se añade 6% de N2.
El soplete, el hilo de aportación y las otras condiciones de soldadura son idénticos a las del Ejemplo 2.
Con carácter comparativo, también se ensayo la mezcla ARCAL 37 sola, es decir, sin adición de N2.
Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que la utilización en combinación de un hilo que contiene elementos gammágenos y de un gas de protección formado por adición de 6% de N2 en una mezcla de 30% de argón y 70% de helio (i.e. ARCAL 37) conduce a mejores resultados que cuando el gas de protección no contiene nitrógeno mientras que el hilo es el mismo.
En efecto, en presencia de nitrógeno en la mezcla, se asiste a una notable mejora de los resultados, que aumenta proporcionalmente al contenido en N2 en la mezcla. Así, las micrografías ponen de manifiesto que las fases blancas desaparecieron enteramente y por otro lado, la resistencia a la ruptura del montaje, después de austenitización y templen, son equivalentes a la del metal de base.
La mejora es tanto más notable en cuanto que el contenido en nitrógeno aumenta pero con un grado inferior a 10% en volumen, lo que incitaría a utilizar del orden de 6 a 7% de nitrógeno en argón o en una mezcla argón/helio.
De una manera general, los resultados obtenidos en las ensayos (Ej. 1 a 3) ponen de manifiesto claramente que la presencia de elementos gammágenos en el hilo fusible permite mejorar notablemente la calidad de la soldadura de los aceros revestidos de una capa de la superficie de aleación aluminio/silicio, en particular obtener una microestructura homogénea de tipo martensita en zona fundida.
Hay que señalar que la mejora es tanto más notable en cuanto que:
-bien sea el contenido en nitrógeno en el gas de protección empleado aumenta simultáneamente pero con un grado inferior a 10% en volumen, lo que incitaría a utilizar del orden de 6 a 7% de nitrógeno en el argón
o en el argón/helio,
-o bien el contenido en oxígeno aumenta pero con un grado inferior a 10% en volumen, lo que incitaría a utilizar del orden de 3 a 5% de oxígeno en el argón o en el argón/helio.
El procedimiento de la invención se adapta especialmente a la soldadura de flancos empalmados (tailored blanks) utilizados en el ámbito de la construcción automóvil o a la soldadura de tubos.

Claims (14)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    REIVINDICACIONES
    1.-Procedimiento de soldadura híbrida por arco láser que emplea un arco eléctrico y un haz láser que se combina uno con el otro en el seno de un único baño de soldadura, en el cual el metal fundido es aportado por fusión de un hilo fusible, siendo el baño de soldadura realizado sobre al menos una pieza de acero que incluye un revestimiento de la superficie a base de aluminio, y emplea un gas de protección, caracterizado porque el hilo fusible contiene al menos 3% en peso y a lo sumo 20% en peso de uno o varios elementos gammágenos y el gas de protección está formado por helio y/o por argón a lo que se añade al menos 2% en volumen, a menos 10% en volumen, de nitrógeno u oxígeno.
  2. 2.-Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque los elementos gammágenos se eligen entre C, Mn, Ni y N.
  3. 3.-Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gas de protección está formado por helio y/o por argón al que se añade al menos 10% en volumen de nitrógeno.
  4. 4.-Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la o las piezas de acero incluyen un revestimiento de la superficie a base de aluminio que tiene un espesor comprendido entre 5 y 100 µm.
  5. 5.-Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la o las piezas de acero incluyen un revestimiento de la superficie a base de aluminio que tiene un espesor inferior o igual a 50 µm.
  6. 6.-Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la o las piezas metálicas son de acero con un revestimiento de la superficie a base de aluminio y de silicio (Al/Si).
  7. 7.-Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la o las piezas metálicas son de acero con un revestimiento de la superficie a base de aluminio y de silicio, conteniendo el revestimiento de la superficie más de 70% en peso de aluminio.
  8. 8.-Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado en que el hilo fusible es fundido por el arco eléctrico, preferentemente un arco obtenido por medio de un soplete de soldadura MIG.
  9. 9.-Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el generador láser que genera el haz láser es de tipo CO2, de fibra o de disco.
  10. 10.-Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la o las piezas que se deben soldar se eligen entre los flancos empalmados, y los tubos, o tubos de escapes.
  11. 11.-Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el hilo fusible contiene varios elementos gammágenos elegidos entre C, Mn, Ni y N.
  12. 12.-Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el hilo fusible contiene al menos 5% en peso de uno o varios elementos gammágenos.
  13. 13.-Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el hilo fusible contiene al menos Mn.
  14. 14.-Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el hilo fusible contiene por otro lado hierro.
    6
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