ES2903167T3 - Procedimiento de soldadura por láser para la fabricación de un producto semiacabado de chapa a partir de acero endurecible con un revestimiento a base de aluminio o de aluminio-silicio - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la fabricación de un producto semiacabado de chapa confeccionado a medida que puede ser conformado en caliente, en el que al menos dos chapas de acero (1, 2, 2') con diferente calidad de material y/o grosor se unen mediante unión a tope a través de soldadura láser, estando fabricada al menos una de las chapas de acero (1, 2, 2') a partir de acero endurecible en prensa y presentando un revestimiento metálico (1.1, 2.1) a base de aluminio o de aluminio-silicio, produciéndose la soldadura por láser mediante adición de alambre de aportación (8) en la colada de soldadura (6) producida exclusivamente mediante al menos un haz láser (4), estando el alambre de aportación (8) esencialmente libre de aluminio y conteniendo al menos un elemento de aleación que favorece la formación de austenita, que se presenta con una proporción en masa mayor a razón de al menos el 0,1 % en peso en el alambre de aportación (8) que en el acero endurecible en prensa, y caracterizado por que el alambre de aportación (8) se calienta antes de la adición a la colada de soldadura (6) mediante un dispositivo de calentamiento, soldándose las chapas de acero (1, 2, 2') entre sí con un hueco (G) limitado por sus cantos a soldar entre sí, posicionándose las chapas de acero (1, 2, 2') de tal modo que el hueco (G) limitado por sus cantos a soldar entre sí presenta una anchura (d) promedio en el intervalo de 0,15 mm a 0,5 mm, y que en el hueco (G) se introduce tanto material del alambre de aportación (8), que la proporción de volumen de alambre de aportación introducido en el hueco (G) con respecto al volumen del material de chapa de acero fundido mediante el al menos un haz láser (4) se encuentra en el intervalo del 30 al 60 %, añadiéndose el alambre de aportación (8) con una velocidad que es inferior a la velocidad de soldadura láser y que se encuentra en el intervalo de hasta como mínimo el 70 % de la velocidad de soldadura por láser, y siendo la velocidad de soldadura por láser de al menos 6 m/min.
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento de soldadura por láser para la fabricación de un producto semiacabado de chapa a partir de acero endurecible con un revestimiento a base de aluminio o de aluminio-silicio
La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de un producto semiacabado de chapa que puede ser conformado en caliente confeccionado a medida, en cuyo caso, al menos dos chapas de acero con diferente calidad de material y/o grosor se unen mediante unión a tope a través de soldadura láser, estando fabricada al menos una de las chapas a partir de acero endurecible en prensa y presenta un revestimiento metálico a base de aluminio o de aluminio-silicio, produciéndose la soldadura por láser mediante adición de alambre de aportación en la colada de soldadura producida exclusivamente mediante al menos un haz láser, estando el alambre de aportación esencialmente libre de aluminio y conteniendo al menos un elemento de aleación que favorece la formación de austenita, que se presenta con una proporción en masa mayor a razón de al menos 0,1 % en peso en el alambre de aportación que en el acero endurecible en prensa.
Las pletinas confeccionadas a medida de chapa de acero (las llamadas Tailored Blanks) se usan en la construcción de automóviles para cumplir con altos requisitos en lo que a seguridad en caso de impacto se refiere con peso de carrocería bajo. Para ello se unen pletinas o cintas individuales con diferente calidad de material y/o grosor de chapa mediante unión a tope a través de soldadura láser. De este modo pueden adaptarse diferentes puntos de un componente de carrocería a diferentes solicitaciones. De este modo puede usarse en puntos con mayor solicitación chapa de acero más gruesa o con mayor resistencia y usarse en el resto de los puntos chapas más delgadas o también chapas de calidades de embutición profunda relativamente blandas. Mediante este tipo de pletinas de chapa confeccionadas a medida resultan superfluas piezas de refuerzo adicionales en la carrocería. Esto ahorra material y permite reducir el peso total de la carrocería.
En la construcción de carrocería moderna se usan aceros de manganeso-boro, los cuales alcanzan durante la formación en caliente con enfriamiento rápido altas resistencias, por ejemplo, resistencias a la tracción en el intervalo de 1500 a 2000 MPa. En el estado de partida los aceros de manganeso-boro tienen normalmente una estructura ferrítica-perlítica y tienen una resistencia a la tracción de aproximadamente 600 MPa. Mediante endurecimiento en prensa, por ejemplo, mediante calentamiento a temperatura de austenitización y posterior enfriamiento rápido puede ajustarse no obstante, una estructura martensítica, de forma que los aceros tratados de este modo pueden alcanzar resistencias a la tracción en el intervalo de 1500 a 2000 MPa.
Entre otros, por motivos de la protección contra la corrosión, se revisten chapas de acero con una capa de protección contra la corrosión metálica. La chapa de acero endurecible en prensa para la fabricación de Tailored Blanks está provista habitualmente de un revestimiento metálico a base de aluminio-silicio. El revestimiento metálico se compone a este respecto de una capa interior de una aleación intermetálica y una capa exterior de una aleación metálica. Al uso de este tipo de chapas de acero revestidas van unidas no obstante, notables dificultades. Dado que al soldarse las pletinas de acero revestidas una parte del revestimiento de AlSi accede a la colada de soldadura generada en el tope de unión y puede formar fases intermetálicas frágiles o zonas ferríticas, que continúan existiendo también tras austenitización y enfriamiento brusco de la pletina. En estas zonas intermetálicas o ferríticas se produce en el caso de una solicitación mecánica posterior en caso de condiciones estáticas o dinámicas, en ocasiones un fallo o rotura de la costura de soldadura. Para evitar una entrada de una parte del revestimiento de AlSi en la colada de soldadura ya se propuso decapar la zona de borde del canto de pletina a soldar antes de la soldadura. Esta etapa de proceso adicional es, sin embargo, muy intensiva en costes y tiempo.
En el documento EP 2007545 B1 se propone retirar del revestimiento de AlSi únicamente la capa de aleación metálica exterior, que puede retirarse de modo relativamente sencillo mediante cepillado o mediante un haz láser. La capa de aleación intermetálica mucho más delgada con respecto a ella, más difícil de retirar se deja a este respecto sobre la chapa de acero a soldar. Sin embargo, también este decapado parcial es intensivo en costes y tiempo. Además de ello durante la soldadura de pletinas de acero decapadas parcialmente de acuerdo con el documento EP 2007 545 B1 puede acceder aún tanto aluminio de la capa de aleación intermetálica a la colada de soldadura, que se observa, en ocasiones, una reducción de la capacidad de endurecimiento de la costura de soldadura.
Además de ello, la soldadura por láser de Tailored Blanks conduce parcialmente a una reducción de la sección transversal de chapa portante. Debido a la distancia de corte, la cual resulta al cortar la chapa de acero a soldar, resultan en la costura de soldadura parcialmente un colapso de capa superior y/o una recaída de la raíz de soldadura. Este problema existe sobre todo en el caso de combinaciones de chapa con mismo grosor de chapa y diferente calidad de material. A diferencia de en el caso de Tailored Blanks para el conformado en frío, la costura de soldadura de Tailored Blanks para el conformado en caliente no presenta tras el conformado en caliente en el horno y enfriamiento brusco una resistencia aumentada con respecto al material de acero de las chapas. En el caso de Tailored Blanks para el conformado en frío, este aumento de la resistencia puede compensar la influencia de la sección transversal de chapa reducida. Esto habitualmente no es posible en el caso de Tailored Blanks para el conformado en caliente.
Por el documento EP 1878531 B1 se conoce un procedimiento de soldadura híbrido de láser-arco eléctrico, en cuyo caso pletinas de acero de manganeso-boro, las cuales presentan un revestimiento con contenido de acero, se unen
entre sí mediante unión a tope, combinándose el haz láser con al menos un arco eléctrico, para poder fundir el metal en la unión a tope y soldar entre sí las pletinas. El arco eléctrico se entrega a este respecto mediante un electrodo de soldadura de wolframio o se forma con el uso de una antorcha de soldadura MIG en la punta de un alambre de aportación. El alambre de aportación puede contener elementos de aleación (por ejemplo, Mn y Ni), los cuales favorecen una transformación austenítica de la estructura de costura de soldadura y de este modo la capacidad de endurecimiento. Con este procedimiento de soldadura híbrida ha de lograrse que pletinas conformables en caliente de acero de manganeso y boro, las cuales están provistas de un revestimiento a base de aluminio y silicio, puedan soldarse sin eliminación previa del material de revestimiento en la zona de la costura de soldadura a producir, debiendo asegurarse no obstante, que aluminio presente en los cantos de unión de las pletinas no conduzca a una reducción de la resistencia a la tracción del componente en la costura de soldadura. Mediante la previsión de un arco eléctrico tras el haz láser ha de homogeneizarse la colada de soldadura y debido a ello eliminarse concentraciones de aluminio locales superiores a 1,2 % en peso, que producen estructura ferrítica.
El procedimiento de soldadura híbrido de haz láser y arco eléctrico es, no obstante, comparativamente lento y laborioso en lo que se refiere al consumo de energía debido a la producción del arco eléctrico adicional. Además de ello, este procedimiento produce una costura de soldadura muy ancha con una elevación acentuada de costura y raíz.
Se conoce además de ello del documento DE 102012111 118 B3 de la solicitante un procedimiento para la soldadura por láser de piezas de trabajo de acero de manganeso y boro (acero MnB) mediante unión a tope, en cuyo caso las piezas de trabajo presentan un grosor de al menos 1,8 mm y/o resulta en la unión a tope un salto de grosor de al menos 0,4 mm, y en cuyo caso la soldadura por láser se produce mediante adición de alambre de aportación en la colada de soldadura producida exclusivamente mediante un haz láser. Para asegurar que la costura de soldadura puede endurecerse durante el conformado en caliente de forma fiable dando lugar a una estructura martensítica, está previsto en este procedimiento que el alambre de aportación contenga al menos un elemento de aleación del grupo que contiene manganeso, cromo, molibdeno, silicio y/o níquel, lo cual favorece la formación de austenita en la colada de soldadura, estando presente este elemento de aleación con una proporción en masa mayor a razón de al menos 0,1 % en peso en el alambre de aportación que en el acero endurecible en prensa de las piezas de trabajo. Las piezas de trabajo pueden presentar a este respecto un revestimiento metálico a base de aluminio o de aluminio-silicio, que se retira por el borde a lo largo de los cantos de unión a soldar antes de la soldadura por láser. Además de ello está previsto en este procedimiento que el alambre de aportación se caliente antes de suministrarse a la colada de soldadura al menos por una sección longitudinal a una temperatura de al menos 50 °C. El procedimiento ha demostrado su eficacia en la práctica. La eliminación del revestimiento metálico por el borde de las chapas de acero a soldar mediante radiación láser o retirada mecánica es sin embargo, muy intensiva en costes y tiempo.
El documento US 2015/0043962 A1 (base del preámbulo de la reivindicación 1) divulga un procedimiento de soldadura por láser para la fabricación de Tailored Blanks a partir de chapas de acero endurecibles en prensa con un revestimiento a base de aluminio o de Al-Si, uniéndose las chapas de acero sin decapado por las zonas de borde de sus cantos de chapa a soldar entre sí ajustándose un hueco con una anchura de hueco en el intervalo de 0,1 a 0,4 mm y usando alambre de aportación. El alambre de aportación contiene a este respecto un elemento de aleación que aumenta la capacidad de endurecimiento de la costura de soldadura, por ejemplo, carbono y manganeso, que se presenta con un mayor contenido en masa en el alambre de aportación que en el acero endurecible en prensa.
La invención se basa en el objetivo de presentar un procedimiento de soldadura por láser, con el cual pueden unirse chapas de acero con diferente calidad de material y/o grosor, de las cuales, al menos una chapa está fabricada de acero endurecible en prensa y presenta un revestimiento metálico a base de aluminio o de aluminio-silicio, mediante unión a tope, cuya costura de soldadura puede transformarse durante la conformación en caliente (endurecimiento en prensa) de forma fiable en una estructura martensítica (por ejemplo, en el caso de un compuesto MnB-MnB) o en una estructura mixta (por ejemplo, en el caso de un compuesto de acero MnB con acero microaleado), debiendo ser el procedimiento de soldadura comparativamente económico y ofrecer una geometría de costura de soldadura optimizada.
Para conseguir este objetivo se propone un procedimiento con las características indicadas en la reivindicación 1. Configuraciones preferentes y ventajosas del procedimiento de acuerdo con la invención se indican en las reivindicaciones dependientes.
El procedimiento de acuerdo con la invención sirve para la producción de un producto semiacabado de chapa confeccionado a medida que puede ser conformado en caliente. En el procedimiento se unen al menos dos chapas de acero con diferente calidad de material y/o grosor mediante unión a tope a través de soldadura por láser, estando fabricada al menos una de las chapas de acero de acero endurecible en prensa, preferentemente acero de manganeso-boro y presenta un revestimiento metálico a base de aluminio o de aluminio-silicio. La soldadura por láser se produce mediante adición de alambre de aportación en la colada de soldadura producida exclusivamente mediante un haz láser, estando el alambre de aportación esencialmente libre de aluminio y conteniendo al menos un elemento de aleación que favorece la formación de austenita, que se presenta con una proporción en masa mayor a razón de al menos 0,1 % en peso en el alambre de aportación que en el acero endurecible en prensa, y calentándose el alambre de aportación antes de la adición a la colada de soldadura mediante un dispositivo de calentamiento. El procedimiento de acuerdo con la invención se caracteriza además de ello porque las chapas de acero se sueldan entre sí con un
hueco limitado por los cantos a soldar entre sí, de al menos 0,15 mm, posicionándose las chapas de acero de tal modo que el hueco limitado por sus cantos a soldar entre sí presenta una anchura promedio en el intervalo de 0,15 mm a 0,5 mm, introduciéndose en el hueco tanto material del alambre de aportación, que la proporción de volumen de alambre de aportación introducido en el hueco con respecto al volumen del material de chapa de acero fundido mediante el al menos un haz láser se encuentra en el intervalo de 30 a 60 %, añadiéndose el alambre de aportación con una velocidad, la cual es inferior a la velocidad de soldadura láser y se encuentra en el intervalo de hasta como mínimo 70 % de la velocidad de soldadura por láser, y siendo la velocidad de soldadura por láser de al menos 6 m/min.
Con un alambre de aportación libre de aluminio o esencialmente libre de aluminio se entiende en el contexto de la invención un alambre de aportación, el cual no contiene, a excepción de ensuciamientos inevitables o trazas inevitables, aluminio.
En el procedimiento de soldadura por láser de acuerdo con la invención tampoco es necesario y en correspondencia con ello no está previsto un decapado previo del borde de la chapa de acero que presenta un revestimiento metálico a base de aluminio o de aluminio-silicio. Debido a la supresión del decapado de lado de borde (retirada) del revestimiento metálico, el procedimiento de acuerdo con la invención es claramente más económico que el procedimiento conocido de acuerdo con el documento EP 2007545 B1.
Dado que las chapas de acero se unen de acuerdo con la invención con un hueco, el cual presenta una anchura promedio de al menos 0,15 mm, preferentemente al menos 0,18 mm, de manera particularmente preferente al menos 0,2 mm, manteniéndose el diámetro del haz láser o la anchura del haz láser en el punto de incidencia en el tope de unión en comparación con el diámetro de haz láser habitual esencialmente sin cambios, se asegura que se funde y entra en la colada de soldadura menos material de las chapas de acero y con ello también menos volumen del revestimiento con contenido de aluminio. El hueco ajustado mediante posicionamiento de las chapas se rellena con el material fundido del alambre de aportación esencialmente libre de aluminio. La introducción del alambre de aportación conduce además de ello a una mejor homogeneización de la colada de soldadura, es decir, el volumen de aluminio que entra desde el revestimiento metálico en la colada se reduce notablemente y se distribuye de forma muy homogénea o casi homogénea. De acuerdo con la invención se introduce en el hueco tanto material del alambre de aportación, que la proporción de volumen de alambre de aportación introducido en el hueco con respecto al volumen del material de chapa de acero fundido mediante haz láser se encuentra en al menos 30 %, preferentemente al menos 35 %, de manera particularmente preferente al menos 40 %, y en no más de 60 %.
La anchura promedio del hueco se ajusta de acuerdo con la invención no mayor a 0,5 mm. De este modo puede llevarse a cabo el procedimiento de acuerdo con la invención con una óptica de soldadura con haz láser convencional, dado que el diámetro o la anchura del haz láser ha de mantenerse en el punto de incidencia en el tope de unión en la medida de lo posible sin modificaciones. Una anchura promedio menor del hueco y la soldadura exclusivamente mediante radiación láser permiten una costura de soldadura estrecha con elevación de costura y raíz reducida en comparación con la costura de soldadura relativamente ancha en la soldadura híbrida de láser-arco eléctrico. Por los mismos motivos la proporción del volumen de alambre de aportación introducido en el hueco con respecto al volumen del material de chapa de acero fundido mediante al menos un haz láser no debería ser mayor al 60 %.
El alambre de aportación usado en el procedimiento de acuerdo con la invención está esencialmente libre de aluminio y contiene al menos un elemento de aleación que favorece la formación de austenita, que se presenta con una proporción en masa a razón de al menos 0,1 % en peso, preferentemente al menos 0,2 % en peso mayor en el alambre de aportación que en el acero endurecible en prensa. Mediante la adición de uno o varios elementos de aleación que favorecen la formación de austenita, se mejora la capacidad de endurecimiento de la costura de soldadura. El alambre de aportación contiene preferentemente al menos manganeso y/o níquel como elementos de aleación que favorecen la formación de austenita o estabilizan austenita.
Otra configuración preferente del procedimiento de acuerdo con la invención prevé que el alambre de aportación usado en este presente la siguiente composición: de 0,05 a 0,15 % en peso de C, de 0,5 a 2,0 % en peso de Si, de 1,0 a 3,0 % en peso de Mn, de 0,5 a 2,0 % en peso de Cr Mo, y de 1,0 a 4,0 % en peso de Ni, resto Fe e impurezas inevitables. Pruebas internas han dado como resultado que con un alambre de aportación de este tipo mediante el uso del procedimiento de acuerdo con la invención puede asegurarse de forma muy fiable una transformación completa de la costura de soldadura en una estructura martensítica (por ejemplo, para un compuesto MnB-MnB) o una estructura mixta (por ejemplo, para un compuesto de acero MnB con acero microaleado) durante el conformado en caliente posterior (endurecimiento en prensa) del Tailored Blank.
De acuerdo con otra configuración preferente del procedimiento de acuerdo con la invención el alambre de aportación usado en este tiene una proporción en masa de carbono menor a razón de 0,1 % en peso que el acero endurecible en prensa de al menos una de las chapas a soldar entre sí. Debido a ello puede evitarse una fragilización de la costura de soldadura. Mediante el contenido de carbono relativamente bajo del alambre de aportación puede lograrse en particular una buena extensibilidad residual de la costura de soldadura.
De acuerdo con la invención el alambre de aportación se calienta antes de la adición a la colada de soldadura mediante un dispositivo de calentamiento. El alambre de aportación se calienta, por ejemplo, antes del suministro a (entrada en)
la colada mediante el dispositivo de calentamiento a una temperatura de al menos 60 °C, preferentemente a al menos 100 °C, de manera particularmente preferente a al menos 150 °C, en particular al menos 180 °C. Debido a ello es posible en comparación con el uso de un alambre de aportación no calentado, una velocidad de soldadura claramente mayor. Dado que la punta del alambre de aportación calentado puede fundirse más rápidamente con el haz de láser. Además de ello el proceso de soldadura se vuelve más estable debido al calentamiento del alambre de aportación antes de suministrarse a la colada de soldadura.
La velocidad de soldadura o la velocidad, con la cual se mueven las chapas de acero a soldar entre sí mediante unión a tope en relación con el haz láser, se encuentra en el caso del procedimiento de acuerdo con la invención en al menos 6 m/min, de manera particularmente preferente en al menos 9 m/min.
Para calentar rápido y de forma eficiente el alambre de aportación se usa en el procedimiento de acuerdo con la invención preferentemente un dispositivo de calentamiento, el cual calienta el alambre de aportación antes del suministro a la colada de soldadura inductivamente, eléctricamente, conductivamente o mediante radiación térmica. El calentamiento eléctrico del alambre de aportación se produce a este respecto preferentemente de tal manera que se conduce una corriente eléctrica a través de contactos por el alambre de aportación. La velocidad, con la cual se suministra el alambre de aportación, es menor que la velocidad de soldadura por láser y se encuentra en el intervalo de como mínimo el 70 % de la velocidad de soldadura por láser.
En comparación con la soldadura por haz láser tras decapado anterior de los bordes de las chapas de acero revestidas a soldar en unión a tope, el procedimiento de acuerdo con la invención logra una geometría de costura de soldadura optimizada, concretamente una sección transversal de canto de chapa portante mayor. Esto es en particular ventajoso en el caso de solicitaciones posteriores dinámicas de la costura de soldadura.
Preferentemente se usa un acero de manganeso-boro como acero endurecible en prensa. En una configuración preferente del procedimiento de acuerdo con la invención se selecciona al menos una de las chapas de acero a soldar entre sí en unión a tope de tal modo que presenta un acero endurecible en prensa con la siguiente composición: de 0,10 a 0,50 % en peso de C, máximo 0,40 % en peso de Si, de 0,50 a 2,00 % en peso de Mn, máximo 0,025 % en peso de P, máximo 0,010 % en peso de S, máximo 0,60 % en peso de Cr, máximo 0,50 % en peso de Mo, máximo 0,050 % en peso de Ti, de 0,0008 a 0,0070 % en peso de B y mínimo 0,010 % en peso de Al, resto Fe e impurezas inevitables. Los componentes fabricados a partir de una chapa de acero de este tipo presentan tras un endurecimiento en prensa una resistencia a la tracción relativamente alta.
Chapas de diferentes o idénticos aceros de manganeso-boro también pueden soldarse con el procedimiento de acuerdo con la invención, para poner a disposición productos semiacabados de chapa que presentan resistencias máximas debido a un endurecimiento en prensa.
Otra configuración ventajosa del procedimiento de acuerdo con la invención se caracteriza porque al menos una de las chapas de acero no puede ser endurecida en prensa y está fabricada, por ejemplo, a partir de acero microaleado. Mediante la combinación de una chapa de acero endurecible en prensa, como, por ejemplo, acero de manganesoboro, con una chapa de acero microaleado, puede ajustarse en un componente de carrocería, por ejemplo, una columna B, localmente una resistencia a la tracción o ductilidad muy diferente. El acero microaleado presenta a este respecto preferentemente la siguiente composición: de 0,05 a 0,15 % en peso de C, máximo 0,35 % en peso de Si, de 0,40 a 1,20 % en peso de Mn, máx., 0,030 % en peso de P, máximo 0,025 % en peso de S, de 0,01 a 0,12 % en peso de Nb, de 0,02 a 0,18 % en peso de Ti, de 0,0008 a 0,0070 % en peso de B y al menos 0,010 % en peso de Al, resto Fe e impurezas inevitables. Un acero de este tipo se caracteriza por un gran alargamiento de rotura Aso de al menos 21 %.
Las chapas de acero usadas de acuerdo con el procedimiento de acuerdo con la invención presentan, incluido el revestimiento metálico, un grosor de chapa en el intervalo de, por ejemplo, 0,6 a 3,0 mm.
De acuerdo con otra configuración ventajosa del procedimiento de acuerdo con la invención el al menos un haz láser es un haz de foco lineal, el cual se orienta de tal modo hacia los cantos a soldar entre sí de las chapas de acero, que el eje longitudinal del haz de foco lineal que incide sobre los cantos se extiende esencialmente en paralelo con respecto a los cantos. Mediante el foco lineal la colada de soldadura se mantiene durante más tiempo líquida antes de solidificar. Esto contribuye también a una mejor mezcla (homogeneización) de la colada de soldadura. La longitud del foco lineal puede encontrarse, por ejemplo, en el intervalo de 1,2 a 2,0 mm.
Para evitar una fragilización de la costura de soldadura, otra configuración del procedimiento de acuerdo con la invención prevé que la colada de soldadura se solicite durante la soldadura por láser con gas de protección (gas inerte). Preferentemente se usa a este respecto como gas de protección argón puro, helio, nitrógeno o una mezcla de argón, helio, nitrógeno y/o dióxido de carbono y/u oxígeno.
A continuación se explica con más detalle la invención mediante un dibujo que representa ejemplos de realización. Muestran esquemáticamente:
la Fig. 1 una representación en perspectiva de partes de un dispositivo para llevar a cabo el procedimiento de soldadura por láser de acuerdo con la invención, soldándose entre sí dos pletinas de acero esencialmente con el mismo grosor, las cuales se diferencian entre sí en lo que se refiere a su calidad de material, mediante unión a tope;
la Fig. 2 una vista en sección transversal de una sección de las pletinas de acero soldadas entre sí de la Fig. 1;
la Fig. 3 una representación en perspectiva de partes de un dispositivo para llevar a cabo el procedimiento de soldadura por láser de acuerdo con la invención, soldándose en este caso entre sí dos pletinas de acero con diferente grosor con diferente calidad de material en unión a tope; y
la Fig. 4 una vista en sección transversal de una sección de las pletinas de acero soldadas entre sí de la Fig. 3.
La Fig. 1 muestra esquemáticamente partes de un dispositivo de soldadura por láser, con el cual puede llevarse a cabo el procedimiento de soldadura por láser de acuerdo con la invención. El dispositivo comprende una base o placa de soporte desplazable (no mostrado), sobre la cual hay dispuestas dos pletinas o chapas 1, 2 de acero de diferente calidad de material. Una de las chapas 1, 2 es de acero endurecible en prensa, fabricada preferentemente a partir de acero de manganeso-boro, mientras que la otra chapa 2 o 1 está fabricada a partir de una calidad de embutición profunda relativamente blanda, preferentemente de un acero microaleado.
El acero endurecible en prensa puede presentar, por ejemplo, la siguiente composición química:
máximo 0,4 % en peso de Cr,
máximo 0,4 % en peso de Si,
máximo 2,0 % en peso de Mn,
máximo 0,025 % en peso de P,
máximo 0,010 % en peso de S,
máximo 0,8 % en peso de Cr Mo,
máximo 0,05 % en peso de Ti,
máximo 0,007 % en peso de B y
mínimo 0,015 % en peso de Al,
resto Fe e impurezas inevitables.
En el estado de entrega, es decir, antes de un tratamiento térmico y enfriamiento rápido, el límite de estiramiento Re de la chapa de acero endurecible en prensa 1 o 2 es de preferentemente al menos 300 MPa, su resistencia a la tracción Rm es de al menos 480 MPa y su alargamiento de rotura As0 se encuentra en el intervalo de 10 a 15 %. Tras el conformado en caliente (endurecimiento en prensa), es decir, un calentamiento a temperatura de austenitización de aproximadamente 900 a 920 °C y posterior enfriamiento rápido, esta chapa de acero 1 o 2 presenta un límite de estiramiento Re de aproximadamente 1.100 MPa, una resistencia a la tracción Rm de aproximadamente 1.500 a 2.000 MPa y un alargamiento de rotura Aso de aproximadamente 5 %.
El acero de la chapa 2 o 1 con calidad de embutición profunda relativamente blanda o el acero microaleado presenta por el contrario, por ejemplo, la siguiente composición química:
máximo 0,1 % en peso de Cr,
máximo 0,35 % en peso de Si,
máximo 1,0 % en peso de Mn,
máximo 0,030 % en peso de P,
máximo 0,025 % en peso de S,
máximo 0,10 % en peso de Nb,
máximo 0,15 % en peso de Ti,
máximo 0,007 % en peso de B y
mínimo 0,015 % en peso de Al,
resto Fe e impurezas inevitables.
Al menos una de las dos chapas 1, 2 presenta un revestimiento metálico 1.1,2.1 a base de aluminio o de aluminiosilicio. En el ejemplo esbozado en la Fig. 1 ambas chapas 1, 2 están provistas de un revestimiento 1.1, 2.1 de este tipo. El revestimiento 1.1, 2.1 puede aplicarse normalmente mediante un proceso de revestimiento por inmersión en colada continuo sobre una cinta de acero, a partir de la cual se obtienen mediante corte a continuación las chapas 1, 2.
Las chapas 1, 2 representadas en la Fig. 1 son esencialmente igual de gruesas. El grosor de las chapas 1, 2, incluido el revestimiento 1.1, 2.1 se encuentra, por ejemplo, en el intervalo de 0,6 a 3,0 mm. El grosor del revestimiento 1.1, 2.1 sobre los correspondientes lados superior e inferior de la chapa 1,2 se encuentra, por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente 10 a 120 pm, y es preferentemente de menos de o igual a 50 pm.
Por encima de las chapas 1, 2 hay esbozada una sección de un cabezal de soldadura por láser 3, que está provisto de una óptica (no mostrada) para el suministro de un haz láser 4, así como de una instalación de focalización para la concentración del haz láser 4. En el cabezal de soldadura por láser 3 hay dispuesta además de ello una conducción 5 para el suministro de gas de protección. La desembocadura de la conducción de gas de protección 5 está orientada esencialmente hacia la zona de focalización del haz láser 4 o la colada de soldadura 6 generada mediante el haz láser 4. Como gas de protección se usa preferentemente argón puro o una mezcla de argón con helio y/o dióxido de carbono.
Además de ello hay asignada al cabezal de soldadura por láser 3 una instalación de suministro de alambre 7, mediante la cual se suministra a la colada de soldadura 6 un material adicional especial en forma de un alambre 8, que se funde también mediante el haz láser 4. La costura de soldadura está indicada con 9. El alambre de aportación 8 está esencialmente libre de aluminio y contiene al menos un elemento de aleación que favorece la formación de austenita o estabiliza austenita, preferentemente manganeso y/o níquel.
Las pletinas o chapas 1, 2 se unen mediante unión a tope con un hueco G, cuya anchura es de al menos 0,15 mm, preferentemente de al menos 0,2 mm. La anchura promedio b del hueco G limitado por los cantos de chapa a soldarse entre sí se encuentra en el intervalo de 0,15 a 0,5 mm. El revestimiento de aluminio o aluminio-silicio 1.1, 2.1 se extiende en el caso de la chapa de acero 1 y/o 2 revestida hasta el canto de chapa a soldar en unión a tope. La soldadura de las chapas 1, 2 se produce por lo tanto sin decapado (previo) del borde del canto de chapa a soldar.
La instalación de focalización concentra el haz láser 4 dando lugar a un foco esencialmente en forma de punto o circular o preferentemente a un foco lineal. El diámetro o la anchura del haz láser 4 en el punto de incidencia sobre las chapas 1, 2 se encuentra en el intervalo de aproximadamente 0,7 a 0,9 mm. Mediante el hueco G relativamente ancho, cuya anchura B es de al menos 0,15 mm y puede encontrarse, por ejemplo, en el intervalo de 0,25 a 0,5 mm, se garantiza que se funde e introduce en la colada 6 menos material de las chapas 1, 2 y con ello también menos volumen del revestimiento 1.1, 2.1 con contenido de aluminio. El hueco G se rellena con el material fundido del alambre de aportación 8 que presenta en el estado sólido un diámetro en el intervalo de aproximadamente 0,8 a 1,2 mm. La introducción del material de alambre de aportación en el hueco G conduce a una dilución notable, así como distribución homogénea, del aluminio que entra desde el borde fundido del revestimiento 1.1,2.1 en la colada 6. La proporción del volumen de alambre de aportación introducido en el hueco G con respecto al volumen del material de chapa de acero fundido mediante el haz láser 4 se encuentra en el intervalo de 30 a 60 %.
El alambre de aportación 8 presenta, por ejemplo, la siguiente composición química:
0,1 % en peso de C,
0,9 % en peso de Si,
2.2 % en peso de Mn,
0,4 % en peso de Cr,
0,6 % en peso de Mo y
2.2 % en peso de Ni,
resto Fe e impurezas inevitables.
El contenido de manganeso del alambre de aportación 8 es a este respecto mayor que el contenido de manganeso de la chapa de acero endurecible en prensa. El contenido de manganeso del alambre de aportación 8 se encuentra preferentemente a razón de al menos 0,2 % en peso por encima del contenido de manganeso de la chapa de acero endurecible en prensa. También es ventajoso cuando el contenido de cromo y molibdeno del alambre de aportación 8 es mayor que en la chapa de acero 1 o 2 endurecible en prensa. El contenido de cromo-molibdeno combinado del alambre de aportación 8 se encuentra preferentemente a razón de al menos 0,1 % en peso por encima del contenido de cromo-molibdeno combinado de la chapa de acero 1 o 2 endurecible en prensa. El contenido de níquel del alambre de aportación 8 se encuentra preferentemente en el intervalo de 1,0 a 4,0 % en peso, en particular en el intervalo de 2,0 a 2,5 % en peso. El alambre de aportación 8 presenta además de ello preferentemente un contenido de carbono menor que la chapa de acero 1 o 2 endurecible en prensa. El contenido de carbono del alambre de aportación 8 se encuentra preferentemente en el intervalo de 0,05 a 0,15 % en peso.
El alambre de aportación 8 se suministra a la colada 6 producida mediante el haz láser 4 en estado calentado. La instalación de suministro de alambre 7 está equipada para ello con un dispositivo de calentamiento (no mostrado), que calienta el alambre de aportación 8 de manera preferente inductivamente, eléctricamente, conductivamente o mediante radiación térmica. La sección calentada de este modo del alambre de aportación 8 presenta una temperatura de, por ejemplo, al menos 60 °C, preferentemente al menos 150 °C, de manera particularmente preferente de al menos 180 °C.
En el caso de la fuente láser del dispositivo de soldadura por láser se ha tratado en lo que se refiere al tipo de láser, por ejemplo, de un láser de CO2; láser de diodo o láser de fibra. La fuente láser entrega durante el proceso de soldadura una energía de estiramiento de al menos 0,3 kJ/cm con una potencia láser de al menos 7 kW. La velocidad de soldadura se encuentra, por ejemplo, en el intervalo de 6 a 9 m/min o preferentemente por encima de 8 m/min. El alambre de aportación 8 se suministra a este respecto con una velocidad, la cual es inferior a la velocidad de soldadura por láser y se encuentra en el intervalo de hasta como mínimo 70 % de la velocidad de soldadura por láser.
El ejemplo de realización representado en las figuras 3 y 4 se diferencia del ejemplo de realización en las figuras 1 y 2 debido a que las chapas de acero 1, 2' tienen diferente grosor, de modo que en la unión a tope resulta un salto de grosor d de al menos 0,2 mm. La chapa de acero 1 endurecible en prensa tiene, por ejemplo, un grosor de chapa en el intervalo de 0,5 mm a 1,2 mm, mientras que la chapa 2' de acero microaleado o acero relativamente dúctil presenta un grosor de chapa en el intervalo de 1,4 mm a 3,0 mm.
Claims (13)
1. Procedimiento para la fabricación de un producto semiacabado de chapa confeccionado a medida que puede ser conformado en caliente, en el que al menos dos chapas de acero (1,2, 2') con diferente calidad de material y/o grosor se unen mediante unión a tope a través de soldadura láser, estando fabricada al menos una de las chapas de acero (1,2, 2') a partir de acero endurecible en prensa y presentando un revestimiento metálico (1.1,2.1) a base de aluminio o de aluminio-silicio, produciéndose la soldadura por láser mediante adición de alambre de aportación (8) en la colada de soldadura (6) producida exclusivamente mediante al menos un haz láser (4), estando el alambre de aportación (8) esencialmente libre de aluminio y conteniendo al menos un elemento de aleación que favorece la formación de austenita, que se presenta con una proporción en masa mayor a razón de al menos el 0,1 % en peso en el alambre de aportación (8) que en el acero endurecible en prensa, y caracterizado por que el alambre de aportación (8) se calienta antes de la adición a la colada de soldadura (6) mediante un dispositivo de calentamiento, soldándose las chapas de acero (1, 2, 2') entre sí con un hueco (G) limitado por sus cantos a soldar entre sí, posicionándose las chapas de acero (1,2, 2') de tal modo que el hueco (G) limitado por sus cantos a soldar entre sí presenta una anchura (d) promedio en el intervalo de 0,15 mm a 0,5 mm, y que en el hueco (G) se introduce tanto material del alambre de aportación (8), que la proporción de volumen de alambre de aportación introducido en el hueco (G) con respecto al volumen del material de chapa de acero fundido mediante el al menos un haz láser (4) se encuentra en el intervalo del 30 al 60 %, añadiéndose el alambre de aportación (8) con una velocidad que es inferior a la velocidad de soldadura láser y que se encuentra en el intervalo de hasta como mínimo el 70 % de la velocidad de soldadura por láser, y siendo la velocidad de soldadura por láser de al menos 6 m/min.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que el alambre de aportación (8) se calienta antes de la adición a la colada de soldadura (6) mediante el dispositivo de calentamiento, inductivamente, eléctricamente, conductivamente o mediante radiación térmica.
3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que se calienta el alambre de aportación (8), antes de la adición a la colada de soldadura (6) y mediante el dispositivo de calentamiento, a una temperatura de al menos 100 °C.
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el acero endurecible en prensa es un acero de manganeso-boro.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el acero endurecible en prensa presenta la siguiente composición:
0,10 - 0,50 % en peso de C,
máximo 0,40 % en peso de Si,
0,50 - 2,0 % en peso de Mn,
máximo 0,025 % en peso de P,
máximo 0,010 % en peso de S,
máximo 0,60 % en peso de Cr,
máximo 0,50 % en peso de Mo,
máximo 0,050 % en peso de Ti,
0,0008 - 0,0070 % en peso de B y
mínimo 0,010 % en peso de Al,
resto Fe e impurezas inevitables.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que al menos una de las chapas de acero (1,2, 2') está fabricada a partir de acero microaleado.
7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado por que el acero microaleado presenta la siguiente composición:
0,05 - 0,15 % en peso de C,
máximo 0,35 % en peso de Si,
0,40 - 1,20 % en peso de Mn,
máximo 0,030 % en peso de P,
máximo 0,025 % en peso de S,
0,01 - 0,12 % en peso de Nb,
0,02 - 0,18 % en peso de Ti,
0,0008 - 0,0070 % en peso de B y
mínimo 0,010 % en peso de Al,
resto Fe e impurezas inevitables.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que el al menos un haz láser (4) se orienta en forma de un haz de foco lineal de tal modo hacia los cantos a soldar entre sí de las chapas de acero (1, 2,
2'), que el eje longitudinal del haz de foco lineal que incide sobre los cantos se extiende esencialmente en paralelo con respecto a los cantos.
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que el alambre de aportación (8) contiene al menos manganeso y/o níquel como elementos de aleación que favorecen la formación de austenita.
10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que el alambre de aportación (8) presenta la siguiente composición:
0,05 - 0,15 % en peso de C,
0,5 - 2,0 % en peso de Si,
1.0 - 3,0 % en peso de Mn,
0,5 a 2,0 % en peso de Cr Mo, y
1.0 - 4,0 % en peso de Ni,
resto Fe e impurezas inevitables.
11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que el alambre de aportación (8) presenta una proporción en masa de carbono inferior a razón de al menos el 0,1 % en peso que el acero endurecible en prensa.
12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que a la colada de soldadura (6) se le aplica durante la soldadura por láser gas de protección.
13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado por que como gas de protección se usa argón puro o una mezcla de argón y dióxido de carbono.
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