ES2880286T3 - Procedimiento y dispositivo de soldadura a presión asistido por láser - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para unir una primera pieza en bruto metálica (45) con una primera sección de unión (47') que presenta una primera superficie de unión (47) y una segunda pieza en bruto metálica (46) con una segunda sección de unión (48') que presenta una segunda superficie de unión (48), que comprende: - calentar la primera superficie de unión (47) a una temperatura entre la temperatura de recristalización y la temperatura de fusión de la primera pieza en bruto (45), - calentar la segunda superficie de unión (48) a una temperatura entre la temperatura de recristalización y la temperatura de fusión de la segunda pieza en bruto (46), y - presionar la primera superficie de unión (47) de la primera pieza en bruto (45) contra la segunda superficie de unión (48) de la segunda pieza en bruto (46) hasta que las piezas en bruto (45, 46) se hayan enfriado en las superficies de unión (47, 48) a una temperatura inferior a la temperatura de recristalización, caracterizado por que el calentamiento de la primera superficie de unión (47) se realiza mediante irradiación láser de la primera sección de unión (47') de la primera pieza en bruto (45) y el calentamiento de la segunda superficie de unión (48) se realiza mediante irradiación láser de la segunda sección de unión (48'), en el que la primera sección de unión (47') y la segunda sección de unión (48') se irradian simultáneamente con un primer láser (42) y un segundo láser (43), respectivamente, en el que la primera sección de unión (47') y la segunda sección de unión (48') están dispuestas durante la correspondiente irradiación con el primer láser (42) y el segundo láser (43) de modo que las normales superficiales de las superficies de unión (47, 48) apuntan en direcciones opuestas, y en el que ambas superficies de unión (47, 48) orientadas una hacia la otra se encuentran sobre un eje (63), y los láseres (42, 43) irradian las superficies de unión (47, 48) formando un ángulo con respecto a sus normales superficiales. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el láser (42) para calentar la primera sección de unión (47') recorre una curva (49) sobre la primera sección de unión (47') que rellena la sección de unión (47') con un grado predeterminado de solapamiento. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el láser (42) recorre periódicamente la curva (49) con una frecuencia de solapamiento. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la frecuencia de solapamiento se selecciona de modo que, en cualquier punto (50) de la curva (49) en la primera sección de unión (47') el suministro de energía (54) durante la irradiación (53) mediante el láser (42) es mayor que una disipación de energía (56) durante un enfriamiento (55) al recorrer el láser (42) el resto de la curva (49). Dispositivo (10) para llevar a cabo un procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, que comprende: - un primer medio de sujeción (26) para sujetar una primera pieza en bruto (45), - un segundo medio de sujeción (28) para sujetar una segunda pieza en bruto (46), y - un dispositivo de prensado (14) para prensar en las superficies de unión (47, 48) las piezas en bruto (45, 46) calentadas en las superficies de unión (47, 48), caracterizado por un dispositivo de emisión láser (35, 36) para calentar una primera superficie de unión (47) de la primera pieza en bruto (45) y una segunda superficie de unión (48) de la segunda pieza en bruto (46) por medio de un láser (42, 43), en el que un primer láser (42) y un segundo láser (43) están presentes para la irradiación simultánea de una primera sección de unión (47') y una segunda sección de unión (48'), en el que el primer medio de sujeción (26), el segundo medio de sujeción (28) y el dispositivo de emisión láser (35, 36) están configurados de modo que las normales superficiales de las superficies de unión (47, 48) de la primera sección de unión (47') y de la segunda sección de unión (48') apuntan en direcciones opuestas durante la irradiación con el primer láser (42) y el segundo láser (43), y en el que el primer medio de sujeción (26), el segundo medio de sujeción (28) y el dispositivo de emisión láser (35, 36) están configurados de modo que ambas superficies de unión (47, 48) orientadas una hacia la otra se encuentran en un eje (63), y los láseres (42, 43) irradian las superficies de unión (47, 48) formando un ángulo con respecto a sus normales superficiales.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y dispositivo de soldadura a presión asistido por láser

La presente invención se refiere a un procedimiento para unir una primera pieza en bruto metálica con una primera superficie de unión y una segunda pieza en bruto metálica con una segunda superficie de unión, así como a un dispositivo para llevar a cabo el procedimiento.

Del documento DE 102008 014 934 A1 se conoce un procedimiento para unir una primera pieza en bruto metálica con una primera superficie de unión y una segunda pieza en bruto metálica con una segunda superficie de unión, en el que ambas superficies de unión se calientan a una temperatura entre la temperatura de recristalización y la temperatura de fusión de ambas piezas en bruto por medio de un campo magnético y a continuación, se presionan una contra la otra hasta que las piezas en bruto en las superficies de unión se hayan enfriado a una temperatura inferior a la temperatura de recristalización.

De la publicación de solicitud de patente DE 102008014934 A1 se conoce un procedimiento y un dispositivo con los rasgos característicos del preámbulo de la reivindicación 1 o la reivindicación 5, en el que los componentes de un eje diferencial se calientan por inducción y a continuación se prensan uno contra otro, en el que por medio de mecanismos de sujeción centrales y laterales se garantiza que los componentes se suelden con precisión.

De la publicación de solicitud de patente DE 102010007573 A1 se conoce un procedimiento para soldar dos chapas por medio de uno o dos láseres, en el que el rayo láser se orienta paralelo a las superficies de unión de las chapas que se van a soldar juntas.

El objetivo de la invención es mejorar el procedimiento conocido.

Un primer aspecto de la invención se refiere a u procedimiento con los rasgos característicos de la reivindicación 1. Otras configuraciones del procedimiento de acuerdo con la invención son la materia objeto de las reivindicaciones dependientes. El procedimiento de acuerdo con la invención para unir una primera pieza en bruto metálica con una primera sección de unión que presenta una primera superficie de unión y una segunda pieza en bruto metálica con una segunda sección de unión que presenta una segunda superficie de unión comprende las etapas de:

- calentar la primera superficie de unión a una temperatura entre la temperatura de recristalización y la temperatura de fusión de la primera pieza en bruto mediante la irradiación láser de la primera sección de unión de la primera pieza en bruto,

- calentar la segunda superficie de unión a una temperatura entre la temperatura de recristalización y la temperatura de fusión de la segunda pieza en bruto mediante la irradiación láser de la segunda sección de unión, y

- presionar la primera superficie de unión de la primera pieza en bruto contra la segunda superficie de unión de la segunda pieza en bruto hasta que las piezas en bruto en las superficies de unión se hayan enfriado a una temperatura inferior a la temperatura de recristalización.

El procedimiento indicado se basa en el razonamiento de que, en el procedimiento mencionado al principio, el material en las superficies de unión de ambas piezas en bruto no se puede seleccionar de forma arbitrariamente independiente, porque los campos magnéticos se influyen mutuamente cuando ambas piezas en bruto se calientan en las superficies de unión. Por lo tanto, cuando se suelda a presión por medio de campos magnéticos, se debe seleccionar para ambas piezas en bruto un material que tenga sustancialmente la misma temperatura de recristalización y fusión. La misma problemática se presenta en un grado aún más restrictivo en el caso de la soldadura a presión por medio de calor por fricción, ya que aquí ambas piezas en bruto se calientan mutuamente en las superficies de unión, de modo que la temperatura en ambas piezas en bruto no se puede ajustar arbitrariamente entre sí. Otro inconveniente de ambos procedimientos es que las superficies de unión están limitadas geométricamente. Al menos cuando se sueldan por medio de calor por fricción, deben cerrarse por sí mismas y en la medida de lo posible de forma plana y, sobre todo, no deben estar dispuestas en un rebajo de las piezas en bruto porque de lo contrario el calentamiento o la acumulación de calor de las piezas en bruto en las superficies de unión es absolutamente imposible.

Aquí es donde entra en juego el procedimiento especificado con la idea de usar un láser para calentar, en lugar de los procedimientos convencionales de soldadura a presión. De este modo se pueden calentar de forma fiable las piezas en bruto en las superficies de unión incluso si tuvieran diferentes contornos, porque el láser, a diferencia del cautín tipo lápiz, puede llegar a superficies empotradas y superficies parciales de contornos interrumpidos. El aporte energético en las superficies de unión de ambas piezas en bruto también se puede ajustar por completo con un láser independientemente entre sí. De este modo, también se podrían unir entre sí piezas en bruto metálicas con temperaturas de recristalización completamente diferentes, como por ejemplo el aluminio con una temperatura de recristalización de 150 °C y el níquel con una temperatura de recristalización de 600 °C. Esto no es posible con ningún procedimiento de soldadura a presión convencional.

Las secciones de unión pueden comprender, además de las superficies de unión, otras superficies de la pieza en bruto, en las que las secciones de unión se pueden calentar mediante irradiación con láser. Sin embargo, el requisito previo es que las superficies irradiadas estén tan cerca de las superficies de unión que se garantice una transferencia de energía térmica a las superficies de unión. Por lo tanto, las superficies de unión se pueden calentar directamente mediante irradiación o indirectamente mediante la irradiación de una superficie contigua.

En principio, las secciones de unión de ambas piezas en bruto se podrían calentar con el mismo láser. Sin embargo, para mantener lo más baja posible la pérdida de energía debida al enfriamiento de ambas piezas en bruto en sus superficies de unión, cada sección de unión se debe irradiar con su propio láser. Aunque el segundo láser supone inicialmente un mayor coste de adquisición, con el tiempo, el funcionamiento en paralelo de dos láseres se amortiza en costes energéticos debido a una menor pérdida de energía debida al enfriamiento.

De acuerdo con la invención, la primera superficie de unión y la segunda superficie de unión deberían estar dispuestas, cuando se irradian con el primer láser y el segundo láser, de modo que las normales de las superficies de unión se orienten en direcciones opuestas. De este modo, las dos piezas en bruto no tienen que alinearse entre sí de forma giratoria después del calentamiento a una temperatura superior a la temperatura de recristalización, lo que no solo ahorra los correspondientes actuadores de movimiento, sino que también acorta el tiempo de enfriamiento necesario para este movimiento, con lo que se reducen más los costes energéticos.

De acuerdo con la invención, los láseres deben también irradiar las superficies de unión correspondientes formando un ángulo con respecto a sus normales superficiales. De este modo, ambas superficies de unión se pueden alinear en un eje común durante el calentamiento o la acumulación de calor, de modo que después del calentamiento o la acumulación de calor solo haya que desplazarlas una hacia la otra sobre este eje para prensarlas juntas.

De este modo, la trayectoria de movimiento para el prensado de ambas piezas en bruto y, por lo tanto, la pérdida potencial de energía debido al enfriamiento es mínima.

En otro perfeccionamiento del procedimiento especificado, cuando la sección de unión en la primera y/o la segunda pieza en bruto se calienta, el láser debe recorrer una curva sobre la sección de unión correspondiente que rellena las superficies de unión correspondientes hasta un grado de solapamiento predeterminado. De este modo, la sección de unión correspondiente se pinta como con un cautín tipo lápiz y, por lo tanto, se calienta de forma fiable con láser a la temperatura de funcionamiento requerida para realizar la soldadura a presión.

En este caso, el láser no debe recorrer la curva solo una vez, sino periódicamente con una frecuencia de solapamiento. De este modo, se evita que el láser permanezca localmente demasiado tiempo en la sección de unión correspondiente y que caliente demasiado la pieza en bruto correspondiente en este punto a una temperatura superior a la temperatura de fusión, lo que podría dañar la pieza en bruto.

La frecuencia de solapamiento previamente mencionada se debe seleccionar de modo que, en cada punto de la curva en la sección de unión correspondiente, un suministro de energía durante la irradiación por láser sea mayor que una disipación de energía durante el enfriamiento cuando el láser recorre el resto de la curva. Esto garantiza que el suministro total de energía sea también lo suficientemente grande como para calentar realmente la sección de unión correspondiente a una temperatura superior a la temperatura de recristalización.

Aunque los rasgos característicos del procedimiento mencionados previamente solo se refieren a una sección de unión de una de ambas piezas en bruto, los rasgos característicos del procedimiento son igualmente aplicables a las secciones de unión de ambas piezas en bruto, ya que para facilitar la soldadura a presión las superficies de unión correspondientes a las secciones de unión se deben calentar igualmente a una temperatura superior a la temperatura de recristalización. Si el material de las piezas en bruto es diferente, puede ser necesario seleccionar los parámetros de las etapas de procedimiento, como la frecuencia de solapamiento y/o una intensidad del láser correspondiente y/u otros parámetros correspondientemente diferentes entre sí.

Otro aspecto de la invención se refiere a un dispositivo con los rasgos característicos de la reivindicación 5, que está conformado para llevar a cabo el procedimiento descrito previamente. El dispositivo de acuerdo con la invención comprende un primer medio de sujeción para fijar una primera pieza en bruto, un segundo medio de sujeción para fijar una segunda pieza en bruto, un dispositivo de emisión láser para calentar por medio de un láser una primera superficie de unión de la primera pieza en bruto y una segunda superficie de unión de la segunda pieza en bruto, y un dispositivo de prensado para prensar sobre las superficies de unión las piezas en bruto calentadas en las superficies de unión.

Las propiedades, rasgos característicos y ventajas de esta invención descritos anteriormente, así como el modo de conseguirlos, serán más evidentes en relación con la siguiente descripción de los ejemplos de modo de realización que se explicarán con más detalle en relación con el dibujo. Muestran:

fig. 1 una vista esquemática de una línea de producción,

fig. 2 una vista en perspectiva de una máquina herramienta configurada como máquina de soldadura a presión por láser para la línea de producción de la fig. 1,

fig. 3 una sección ampliada de la máquina de soldadura a presión por láser de la fig. 2,

fig. 4a una secuencia de procedimiento esquemática de acuerdo con un primer ejemplo de modo de realización para la máquina de soldadura a presión por láser de la fig. 2 y 3,

fig. 4b un dibujo esquemático de la trayectoria de un láser sobre una pieza en bruto en la máquina de soldadura a presión por láser de la fig. 2 y 3,

fig. 4c un diagrama para explicar el aporte energético en el transcurso del tiempo en la pieza en bruto de la fig. 4b,

fig. 5a una secuencia de procedimiento esquemática para la máquina de soldadura a presión por láser de la fig. 2 y 3,

fig. 5b una secuencia de procedimiento esquemática para la máquina de soldadura a presión por láser de la fig. 2 y 3,

fig. 6a un esquema de la máquina de soldadura a presión por láser de la fig. 2 y 3,

fig. 6b una secuencia de procedimiento esquemática para la máquina de soldadura a presión por láser de la fig. 2 y 3,

fig. 7a una vista frontal de una primera pieza en bruto para una pieza de trabajo,

fig. 7b una vista lateral recortada de una pieza de trabajo que se puede fabricar con la máquina de soldadura a presión por láser de la fig. 2 y 3 con la primera pieza en bruto de la fig. 7a,

fig. 7c una vista frontal de una segunda pieza en bruto para la pieza de trabajo de la fig. 7b, y la fig. 8 una pieza de trabajo alternativa que se puede fabricar con la máquina de soldadura a presión por láser de la fig. 2 y 3.

En las figuras, los mismos elementos técnicos se representan con los mismos signos de referencia y se describen solo una vez. Las figuras son meramente esquemáticas y, sobre todo, no reflejan las relaciones geométricas reales.

Se hace referencia a la fig. 1, que muestra una vista esquemática de una línea de producción 1. En la línea de producción 1, los productos acabados que ya no se especifican se deben fabricar con herramientas a partir de piezas en bruto.

La línea de producción 1 comprende un almacén de piezas en bruto 2 en el que se almacenan las piezas en bruto y un almacén de herramientas 3 en el que se almacenan las herramientas. En consecuencia, un robot de agarre 4 puede agarrar una pieza en bruto en el almacén de piezas en bruto 2 o una herramienta en el almacén de herramientas 3 y de este modo montar una placa 6 en una estación de montaje 5. Se conserva una cantidad suficiente de placas 6 en un depósito de placas 7.

Las placas 6 provistas de las piezas en bruto o las herramientas se pueden trasladar a continuación con una cinta transportadora 8 a una línea 9 con máquinas herramienta 10. Las máquinas herramienta 10 llevan a cabo conjuntamente un proceso de ensamblaje para cumplir con el objetivo mencionado previamente de fabricar piezas de trabajo ya no especificadas a partir de las piezas en bruto con las herramientas.

Cada máquina herramienta 10 en la línea 9 lleva a cabo una o más etapas intermedias del proceso de ensamblaje. Para ello, los robots de agarre 4 agarran las piezas en bruto y/o las herramientas de las placas 6 y las cargan en la máquina herramienta 10, que debe realizar la etapa intermedia correspondiente. Una vez finalizada la etapa intermedia o cuando ya no se necesita una herramienta, los robots de agarre 4 colocan el producto intermedio o terminado o la herramienta que ya no se usa en la placa correspondiente 6, que a continuación se desplaza a la siguiente máquina herramienta 10, y por tanto a la siguiente etapa intermedia, o se transporta de vuelta a los almacenes 2, 3. Para separar claramente los términos pieza en bruto y pieza de trabajo a continuación, se debe entender como pieza en bruto el material que se va a procesar que se alimenta en una máquina herramienta 10, independientemente de si se trata de una pieza en bruto del almacén de piezas en bruto 2 o de un producto intermedio de una etapa intermedia previa en otra máquina herramienta. Se debe entender por pieza de trabajo la pieza en bruto procesada por una máquina herramienta 10. Por lo tanto, una pieza de trabajo que sale de una máquina herramienta 10 puede ser la pieza en bruto para otra máquina herramienta 10.

Un centro de control ya no representado puede coordinar el flujo de material por medio de los robots de agarre 4 y de las placas 6.

Se hace referencia a la fig. 2 y 3, que muestran vistas en perspectiva de una máquina herramienta 10 diseñada como máquina de soldadura a presión por láser para la línea de producción de la fig. 1.

La máquina de soldadura a presión por láser 10 comprende una bancada de máquina 12 que se apoya sobre pies 13. No todos los pies 13 se pueden observar en la perspectiva de la fig. 2. Un tornillo de banco motorizado 14 así como un primer soporte 15 y un segundo soporte 15b se sujetan en la bancada de máquina 12. Para las explicaciones adicionales, se debe definir que la máquina de soldadura a presión por láser 10 se encuentra en un espacio con una extensión x 16, una extensión y 17 y una extensión z 18.

El tornillo de banco 14 comprende un primer elemento de anclaje fijo 19 y un segundo elemento de anclaje fijo 20 dispuesto separado del mismo en la dirección x 16. Entre ambos elementos de anclaje fijo 19, 20 se fijan cuatro varillas de guía 21 de las cuales, para mayor claridad, en la fig. 2 y 3 no todas están provistas de su propio signo de referencia. Entre los dos elementos de anclaje fijos 19, 20, un carro 22 se monta de forma deslizante sobre las varillas de guía, el cual accionado por un motor 23 se puede mover hacia adelante y hacia atrás entre los dos elementos de anclaje fijos 19, 20 en la dirección x 16 mediante una varilla de husillo 24 guiada a través de una rosca interna no visible en el segundo elemento de anclaje fijo 20. Con la mordaza 14, las piezas en bruto mencionadas anteriormente se pueden prensar una contra la otra en la dirección x 16.

Para ello, una primera placa de soporte 25 se fija al primer elemento de anclaje 19 que apunta al carro 22 con un primer mandril de sujeción 26. Del mismo modo, una segunda placa de soporte 27 se fija al carro 22 que apunta al primer elemento de anclaje 19 con un segundo mandril de sujeción 28. En cada uno de los mandriles de sujeción 26, 28, se puede aprisionar una pieza en bruto de la manera conocida per se para posteriormente, accionados por el motor 23, aprisionar ambas una contra otra en la dirección x 16.

Los dos soportes 15, 16 se mantienen de forma móvil en la dirección x 16 sobre un carril de guía 29 y un segundo carril de guía 30 que, visto en la dirección y 17, está dispuesto detrás del primer carril de guía 29 . Cada soporte 15, 16 se puede desplazar hacia adelante y hacia atrás en la dirección x 16 sobre los carriles de guía 29, 30 con su propio motor de accionamiento 31 y su propia varilla de husillo 32.

Cada soporte 15, 16 posee un sistema de deslizamiento 33 sobre el que se fija un brazo giratorio 34 que se puede desplazar en la dirección z 18. Cada uno de los brazos giratorios 34 se mueve en la dirección z 18 mediante un sistema de accionamiento que no se muestra en la fig. 2 y 3. El modo de funcionamiento exacto del sistema de deslizamiento 33 no es importante para comprender las otras configuraciones, y por lo tanto no se analizará con más detalle en el presente documento.

Un primer escáner óptico 35 de un primer sistema láser, que no se implementa completamente en la fig. 2 y 3, se fija en el brazo giratorio 34 del primer soporte 15a. En consecuencia, un segundo escáner óptico 36 de un segundo sistema láser, que tampoco se implementa completamente en las figs. 2 y 3, se fija al brazo giratorio 34 del segundo soporte 15b. Los brazos giratorios 34 sujetan sus respectivos escáneres ópticos 35, 36 de modo que puedan girar alrededor del eje y 17. Para girar, los brazos giratorios 34 son accionados cada uno por un sistema de accionamiento que ya no se muestra en la fig. 2 y 3.

Los detalles del escáner óptico 35, 36 se describen a continuación. Por motivos de claridad, solo los escáneres ópticos 35, 36 de la fig. 3 están provistos de signos de referencia.

Cada escáner óptico 35, 36 presenta un cable de luz láser 37, que se representa cortado en las figs. 2 y 3, a través del cual el correspondiente escáner óptico 35, 36 es alimentado con luz láser 38. La luz láser 38 se paraleliza en un colimador 39 en un modo conocido per se y se dirige a un mecanismo de guía de haz 41 a través de un espejo deflector 40. El mecanismo de guía de haz 41 del primer escáner óptico 35 emite a continuación un primer láser 42 generado a partir de la luz láser 38, mientras que el mecanismo de guía de haz 41 del segundo escáner óptico 36 emite un segundo láser 43 generado a partir de la luz láser 38. A través del mecanismo de guía de haz 41 de los respectivos escáneres ópticos 35, 36, el láser correspondiente 42, 43 se puede enfocar en cualquier punto dentro de un área de trabajo 44 por medio de espejos y lentes ajustables que no se muestran. El modo de funcionamiento exacto de este enfoque es conocido per se y no necesita más explicaciones.

Por tanto, el primer escáner óptico 35 se puede alinear aproximadamente con el segundo mandril 28, guiado por el sistema de deslizamiento 33 y el brazo giratorio 34 del primer soporte 15a. Una pieza en bruto sujeta en el segundo mandril de sujeción 28 se puede calentar a continuación a una temperatura superior a la temperatura de recristalización de la pieza en bruto en el segundo mandril de sujeción 28 en una posición orientada al primer mandril de sujeción 26 por medio del primer láser 42 del primer escáner óptico 35. En consecuencia, el segundo escáner óptico 36 se puede alinear aproximadamente con el primer mandril de sujeción 26 guiado a través del sistema de deslizamiento 33 y el brazo giratorio 34 del segundo soporte 15b. Una pieza en bruto sujeta en el primer mandril de sujeción 26 se puede calentar a continuación a una temperatura superior a la temperatura de recristalización de la pieza en bruto en el primer mandril de sujeción 26 por medio del segundo láser 43 del segundo escáner óptico 36 en una posición orientada al segundo mandril de sujeción 28. Finalmente, ambas piezas en bruto se pueden soldar a presión una contra otra en el punto calentado mediante el tornillo de banco 14. El uso de dos escáneres ópticos 35, 36 en la fig. 2 y 3 es una configuración en particular ventajosa desde el punto de vista técnico. Sin embargo, por razones de coste, en principio también sería factible usar únicamente el primer escáner óptico 35 que se monta únicamente en el primer soporte 15.

El funcionamiento de la máquina de soldadura a presión por láser 10, tal y como se explica en principio, se analizará con más detalle a continuación con referencia a la fig. 4a. En la fig. 4a se muestran, de forma bastante específica, una primera pieza en bruto 45, que se sujeta en el primer mandril de sujeción 26, así como una segunda pieza en bruto 46, que se sujeta en el segundo mandril de sujeción 28. En el procedimiento mostrado en la fig. 4a para soldar a presión ambas piezas en bruto 45, 46, los dos láseres 42, 43 trabajan en sentido transversal. Es decir, el primer láser 42 calienta la segunda pieza en bruto 46 y el segundo láser 43 calienta la primera pieza en bruto 45. Para ello, la primera pieza en bruto 45 y la segunda pieza en bruto 46 presentan una primera sección de unión 47' con una primera superficie de unión 47 y una segunda sección de unión 48' con una segunda superficie de unión 48, respectivamente. En la fig. 4a, ambas piezas en bruto 45, 46 se calientan directamente en las superficies de unión 47, 48 y se unen mediante prensado.

Para calentar las superficies de unión 47, 48, el primer escáner óptico 35 y el segundo escáner óptico 36 se alinean primero con la segunda pieza en bruto 46 y la primera pieza en bruto 45, respectivamente. El objetivo de la alineación es garantizar que el área de trabajo 44 de cada escáner óptico 35, 36 se coloque sin solaparse con la otra pieza en bruto 45, 46 que no se va a calentar, de modo que se evite que las piezas en bruto 45, 46 se ensombrezcan entre sí con respecto a los láseres 42, 43. En la fig. 4a, a modo de aclaración, se indica con líneas discontinuas y apóstrofo una posición del escáner óptico 35, 36 en los signos de referencia en la que las piezas en bruto 45, 46 se ensombrecen mutuamente en un área parcial del área de trabajo 44 del escáner óptico 35, 36.

Una vez colocados los escáneres ópticos 35, 36, comienza el proceso de irradiación. En este caso, los escáneres ópticos 35, 36, alineados con las piezas en bruto 45, 46, irradian sus superficies de unión 47, 48 transversalmente con los láseres correspondientes 42, 43 y de este modo calientan las superficies de unión 47, 48 de las respectivas piezas en bruto 45, 46 a una temperatura superior a su temperatura de recristalización. La temperatura de recristalización depende del material. El acero, por ejemplo, presenta una temperatura de recristalización de aproximadamente 600 °C a 700 °C, dependiendo de los componentes de aleación y de la microestructura existente. Sin embargo, el calentamiento en este caso no debe superar la temperatura de fusión de la respectiva pieza en bruto 45, 46, porque de lo contrario la pieza en bruto 45, 46 se podría dañar localmente y el proceso de soldadura a presión podría verse afectado.

Para calentar superficialmente las piezas en bruto 45, 46 en sus superficies de unión 47, 48, los escáneres ópticos 35, 36 recorren en curvas las superficies de unión 47, 48 con los láseres 42, 43 dentro del área de trabajo 44. Es decir, los láseres 42, 43 se mueven con respecto a las respectivas superficies de unión 47, 48. Para realizar este movimiento relativo, las piezas en bruto 45, 46 se pueden mover también de forma alternativa o adicionalmente, lo cual se indica en la fig. 4a mediante un movimiento de rotación 62 alrededor de un eje de rotación 63 de las piezas en bruto 45, 46. Sin embargo, para mover las piezas en bruto 45, 46, el tornillo de banco 14 de la máquina de soldadura a presión por láser 10 de la fig. 2 y 3 tendría que adaptarse en consecuencia para permitir este movimiento.

Como ejemplo de estas curvas, la fig. 4b muestra una curva en espiral 49 trazada o dibujada en la superficie de unión 47 de la primera pieza en bruto 45 por el segundo láser 43. El segundo láser 43 que incide sobre la primera superficie de unión 47 calienta la primera superficie de unión 47 en puntos específicos. A medida que el segundo láser 43 se desplaza mediante el segundo escáner óptico 36, este calentamiento puntual avanza a lo largo de la curva en espiral 49.

A continuación, se debe considerar el calentamiento en un punto local 50 de la primera superficie de unión 47. Para este punto especial 50, el calentamiento por el segundo láser 43 se puede dividir en dos fases, que se deben explicar con más detalle con referencia a la fig. 4c. La fig. 4c muestra un diagrama en el que se representa la energía térmica 51 en el punto 50 en el transcurso del tiempo 52. Para aclarar la relación con el punto 50, el diagrama se marca con el signo de referencia 50'.

Cuando el segundo láser 43 se encuentra en la primera superficie de unión 47 en el punto de calentamiento 50, la primera superficie de unión 47 se calienta en una fase de calentamiento 53 en el punto de calentamiento 50 mediante un suministro 54 (también llamado suministro de energía 54) de energía térmica 51. En la fig. 4c se indican tres fases de calentamiento 53. Es decir, el segundo láser 43 barre tres veces el punto de calentamiento 50 y recorre tres veces la curva en espiral 49. El suministro 54 de energía térmica 51 se indica con signos de referencia en la fig. 4c solo en la primera fase de calentamiento 53. Cuando el segundo láser 43 se encuentra en otros puntos de la curva en espiral 49 fuera del punto de calentamiento 50, se enfría nuevamente durante las fases de enfriamiento 55, lo que conduce a una pérdida 56 de energía térmica 51 (también llamada disipación de energía 56) en el punto de calentamiento 50. Para que el punto de calentamiento 50 se caliente eficazmente una vez que el segundo láser 43 recorre completamente la curva en espiral 49, una diferencia de energía 57 entre el suministro 54 de energía térmica 51 y la pérdida 56 de energía térmica 51 debe ser positiva. Solo entonces se puede lograr un calentamiento eficaz en toda la primera superficie de unión 47, que se indica en la fig. 4c con una flecha de trazos gruesos con el signo de referencia 58.

La duración total de una fase de calentamiento 53 junto con una fase de enfriamiento 55 se denomina a continuación duración de solapamiento 59. El valor recíproco de la duración de solapamiento 59 se denomina frecuencia de solapamiento, que indica la rapidez con la que el segundo láser 43 se mueve a lo largo de la curva en espiral 49. La duración total de todas las fases de calentamiento 53 junto con todas las fases de enfriamiento 55 se denomina a continuación duración de calentamiento 60.

La duración de calentamiento 60 se alcanza cuando se alcanza una energía térmica 51 con una temperatura superior a la temperatura de recristalización de la primera pieza en bruto 45 en todos los puntos de la curva en espiral 49 en la primera superficie de unión 47. Del mismo modo que se calienta o se eleva la temperatura de la primera superficie de unión 47, también se calienta o se eleva la temperatura de la segunda superficie de unión 48.

Después de que las superficies de unión de las piezas en bruto se calienten a una temperatura superior a la temperatura de recristalización, las piezas en bruto se prensan una contra otra con la mordaza 14 hasta que las piezas en bruto se hayan enfriado nuevamente a una temperatura inferior a la temperatura de recristalización. En este caso, pueden aparecer rebabas 61 en el área de unión de ambas piezas en bruto 45, 46, que pueden ser eliminadas nuevamente, por ejemplo, mediante mecanización. Después de que ambas piezas en bruto 45, 46 se han unido mecánicamente entre sí, se pueden retirar de la mordaza 14 y seguir procesándose, por ejemplo, en la línea de producción 1.

Se hace referencia a la fig. 5a, que muestra un ejemplo alternativo (que no forma parte de la invención) del proceso de calentamiento de las superficies de unión 47, 48 de las piezas en bruto 45, 46. En aras de la visibilidad, no todos los elementos están provistos de un signo de referencia en la fig. 5a. En el modo de realización alternativo de la fig.

5a, se puede prescindir opcionalmente del uso de uno de los dos escáneres ópticos 35, 36, como se indica mediante una pinza 64 alrededor del primer escáner óptico 35. Sin embargo, se debe considerar primero el caso en el que el primer escáner óptico 35 calienta la primera pieza en bruto 45 mientras que el segundo escáner óptico 36 calienta la segunda pieza en bruto 46.

En la fig. 5a, el primer láser 42 y el segundo láser 43 no irradian las superficies de unión 47, 48 directamente, sino indirectamente a través de las superficies laterales de las piezas en bruto en el área de la primera sección de unión 47' y la segunda sección de unión 48', respectivamente. Para ello, los dos láseres 42, 43, se alinean radialmente hacia el interior, vistos desde el eje de rotación 63, en la parte correspondiente de la superficie lateral de la primera pieza en bruto 45 y de la segunda pieza en bruto 46, respectivamente. Por tanto, a diferencia de la fig. 4a, los láseres 42, 43 no irradian las piezas en bruto 46, 47 transversalmente.

Por tanto, en la fig. 5a, las superficies de unión 47, 48 no se calientan directamente mediante irradiación con los láseres 42, 43. Más bien, en la primera pieza en bruto 45, al irradiar la superficie lateral en la primera sección de unión 47' con el primer láser 42, la primera superficie de unión 47 se calienta indirectamente a la temperatura superior a la temperatura de recristalización. Del mismo modo, la segunda superficie de unión 48 se calienta indirectamente con el segundo láser 43 a una temperatura superior a la temperatura de recristalización, y el procedimiento se puede finalizar como se indica en la fig. 5a, del mismo modo que en la fig. 4a.

Para poder prescindir del primer escáner óptico 35, como ya se indica anteriormente y mediante la pinza 64, el segundo escáner óptico 36 se puede configurar para hacer oscilar el segundo láser 43 hacia adelante y hacia atrás entre la primera sección de unión 47' y la segunda sección de unión 48'. La idea de la oscilación se indica en la fig. 5a mediante una representación de líneas discontinuas del segundo láser 43 alineado con la primera sección de unión 47'.

En la fig. 5b se indica que las áreas de unión 47', 48' también se podrían calentar en una posición de ambas piezas en bruto 45, 46 en la que los ejes de rotación 63 de ambas piezas en bruto 45, 46 no están alineados. Por lo tanto, para el proceso de prensado, las piezas en bruto 45, 46 deben alinearse en una línea de prensado común, de modo que no se puede usar un simple tornillo de banco 14 para presionar ambas piezas en bruto 45, 46 después del calentamiento. Más bien, se debe seleccionar un actuador que sea capaz de alinear axialmente las dos piezas en bruto 45, 46 entre sí antes de prensarlas. El actuador se indica en la fig. 5b con el signo de referencia 14'.

Las figs. 6a y 6b muestran ejemplos alternativos (que no forman parte de la invención) para el calentamiento de las áreas de unión 47', 48' de las piezas en bruto 45, 46. Las piezas en bruto 45, 46 están alineadas aquí con sus ejes de rotación 63 formando un ángulo entre sí. También en estos ejemplos, las piezas en bruto 45, 46 deben alinearse primero en una línea de prensado común para el proceso de prensado. Para ello, además del actuador 14' ya mencionado en relación con la fig. 5a para mover la segunda pieza en bruto 46, debería estar previsto otro actuador 14'' para mover la primera pieza en bruto 45.

La ventaja de la máquina de soldadura a presión con láser 10 se explicará a continuación con referencia a las figs. 7a a 7c. En las mismas se muestran dos piezas en bruto 45, 46 ficticias, que pueden unirse fácilmente entre sí por uno de los procedimientos de soldadura a presión descritos previamente. No es posible unir dichas dos piezas en bruto 45, 46 mediante procedimientos de soldadura a presión convencionales.

La primera pieza en bruto 45 posee un rebajo 65 en su cara frontal y cuatro salientes 67 que están dispuestos en su lado de base 66. Una primera superficie de unión 47 de la primera pieza en bruto 45 se dispone en cada uno de estos cuatro salientes 67. En el lado exterior radial de la primera pieza en bruto 45, los cuatro están rodeados por una pared circunferencial 68.

La segunda pieza en bruto 46 posee un saliente 69 en su cara frontal, en cuyo lado en punta 66 se disponen también cuatro salientes 67. Una segunda superficie de unión 48 de la segunda pieza en bruto 46 se dispone en cada uno de estos cuatro salientes 67. Los salientes 67 de la primera pieza en bruto 45 y de la segunda pieza en bruto 46 se disponen de modo que cuando el saliente 69 se inserta axialmente en el rebajo 65, se pueden colocar uno encima del otro y por tanto se pueden presionar uno contra otro.

Con un procedimiento de soldadura a presión que se activa por medio de campos electromagnéticos, las superficies de unión 47 no se podrían calentar en el rebajo 65 porque la pared 68 aísla los campos electromagnéticos.

Los procedimientos de soldadura a presión que funcionan por medio de calor por fricción no pueden calentar ninguna superficie de unión 47, 48 debido a su estructura.

Sin embargo, el calentamiento es fácilmente posible con los láseres 42, 43 porque no solo pueden penetrar en el rebajo 65, sino que también pueden calentar las superficies de unión individuales de forma específica. Los procedimientos de soldadura a presión descritos previamente, en los que las superficies de unión 47, 48 se calientan por medio de láseres, no están sujetos a ninguna restricción con respecto a la estructura o el material de las piezas en bruto 45, 46.

Un ejemplo del amplio campo de aplicación resultante de los procedimientos de soldadura a presión descritos previamente, en los que las superficies de unión 47, 48 se calientan por medio del láser 42, 43, se explicará a continuación con referencia a la fig. 8, que muestra un diagrama esquemático de un taladro 70.

El taladro 70 comprende la primera pieza en bruto 45 en forma de broca y la segunda pieza en bruto 46 en forma de rosca de corte. La broca 45 y la rosca de corte 46 tienen esencialmente diferentes perfiles de requisitos, por lo que sería deseable fabricarlas a partir de diferentes materiales.

En este caso puede ayudar el procedimiento de soldadura a presión presentado previamente, en el que las superficies de unión 47, 48 se calientan con láseres 42, 43. Dado que los láseres 42, 43 no se influyen mutuamente, ni el calentamiento de las dos superficies de unión 47, 48 depende el uno del otro, el procedimiento de soldadura a presión se puede usar para unir dos materiales que, en principio, presentan temperaturas de recristalización completamente diferentes. Por ejemplo, la broca 45 puede estar hecha de un material duro sinterizado, mientras que la rosca de corte 46 puede estar hecha de un acero blando. Esto tampoco es posible con los procedimientos de soldadura a presión convencionales.

Claims (5)

1. REIVINDICACIONES

   i. Un procedimiento para unir una primera pieza en bruto metálica (45) con una primera sección de unión (47') que presenta una primera superficie de unión (47) y una segunda pieza en bruto metálica (46) con una segunda sección de unión (48') que presenta una segunda superficie de unión (48), que comprende:

   - calentar la primera superficie de unión (47) a una temperatura entre la temperatura de recristalización y la temperatura de fusión de la primera pieza en bruto (45),

   - calentar la segunda superficie de unión (48) a una temperatura entre la temperatura de recristalización y la temperatura de fusión de la segunda pieza en bruto (46), y

   - presionar la primera superficie de unión (47) de la primera pieza en bruto (45) contra la segunda superficie de unión (48) de la segunda pieza en bruto (46) hasta que las piezas en bruto (45, 46) se hayan enfriado en las superficies de unión (47, 48) a una temperatura inferior a la temperatura de recristalización, caracterizado por que

   el calentamiento de la primera superficie de unión (47) se realiza mediante irradiación láser de la primera sección de unión (47') de la primera pieza en bruto (45) y el calentamiento de la segunda superficie de unión (48) se realiza mediante irradiación láser de la segunda sección de unión (48'),

   en el que la primera sección de unión (47') y la segunda sección de unión (48') se irradian simultáneamente con un primer láser (42) y un segundo láser (43), respectivamente,

   en el que la primera sección de unión (47') y la segunda sección de unión (48') están dispuestas durante la correspondiente irradiación con el primer láser (42) y el segundo láser (43) de modo que las normales superficiales de las superficies de unión (47, 48) apuntan en direcciones opuestas,

   y en el que ambas superficies de unión (47, 48) orientadas una hacia la otra se encuentran sobre un eje (63), y los láseres (42, 43) irradian las superficies de unión (47, 48) formando un ángulo con respecto a sus normales superficiales.
2. 2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el láser (42) para calentar la primera sección de unión (47') recorre una curva (49) sobre la primera sección de unión (47') que rellena la sección de unión (47') con un grado predeterminado de solapamiento.
3. 3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el láser (42) recorre periódicamente la curva (49) con una frecuencia de solapamiento.
4. 4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la frecuencia de solapamiento se selecciona de modo que, en cualquier punto (50) de la curva (49) en la primera sección de unión (47') el suministro de energía (54) durante la irradiación (53) mediante el láser (42) es mayor que una disipación de energía (56) durante un enfriamiento (55) al recorrer el láser (42) el resto de la curva (49).
5. 5. Dispositivo (10) para llevar a cabo un procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, que comprende:

   - un primer medio de sujeción (26) para sujetar una primera pieza en bruto (45),

   - un segundo medio de sujeción (28) para sujetar una segunda pieza en bruto (46), y

   - un dispositivo de prensado (14) para prensar en las superficies de unión (47, 48) las piezas en bruto (45, 46) calentadas en las superficies de unión (47, 48), caracterizado por

   un dispositivo de emisión láser (35, 36) para calentar una primera superficie de unión (47) de la primera pieza en bruto (45) y una segunda superficie de unión (48) de la segunda pieza en bruto (46) por medio de un láser (42, 43),

   en el que un primer láser (42) y un segundo láser (43) están presentes para la irradiación simultánea de una primera sección de unión (47') y una segunda sección de unión (48'),

   en el que el primer medio de sujeción (26), el segundo medio de sujeción (28) y el dispositivo de emisión láser (35, 36) están configurados de modo que las normales superficiales de las superficies de unión (47, 48) de la primera sección de unión (47') y de la segunda sección de unión (48') apuntan en direcciones opuestas durante la irradiación con el primer láser (42) y el segundo láser (43), y en el que el primer medio de sujeción (26), el segundo medio de sujeción (28) y el dispositivo de emisión láser (35, 36) están configurados de modo que ambas superficies de unión (47, 48) orientadas una hacia la otra se encuentran en un eje (63), y los láseres (42, 43) irradian las superficies de unión (47, 48) formando un ángulo con respecto a sus normales superficiales.