ESPAÑA
21 Número de solicitud:200201481
51 Int. Cl.7:B23K 26/20 B23K 26/32
12 SOLICITUD DE PATENTE A1
22 Fecha de presentación:27.06.2002
43 Fecha de publicación de la solicitud:01.04.2004
43 Fecha de publicación del folleto de la solicitud:
01.04.2004
71 Solicitante/s:Universidad de Vigo c/ Oporto, nº 1
36200 Vigo, Pontevedra, ES
72 Inventor/es:Sánchez Castillo, Amadeo;
Pou Saracho, Juan María;
Soto Costas, Ramón Francisco;
Lusquiños Rodríguez, Fernando;
Boutinguiza Sidahmed-Larosi, Mohamed;
Quintero Martínez, Félix y
Pérez-Martínez y Pérez-Amor, Maríano Jesús
74 Agente:Cobas Horcajo, Susana
54 Título: Método para la soldadura de aceros al carbono endurecibles, por láser diodo de alta potencia.
57 Resumen:
Método para la soldadura de aceros al carbono endure- cibles, por láser diodo de alta potencia.
El método consiste básicamente en la irradiación de las piezas a unir por medio de un haz láser proveniente de un láser diodo de alta potencia conduciendo debi- damente dicho haz mediante espejos o fibra óptica, o incluso con la participación de algún tipo de lente, pro- duciéndose la fusión de las zonas de interacción de las piezas de acero y efectuando un movimiento relativo en- tre el haz láser y las piezas a soldar para que aquel irradie toda la zona de contacto de dichas piezas. Con la aplicación del método objeto de la presente inven- ción es posible formar soldaduras autógenas, sin utilizar tratamientos de precalentamiento o de post-soldadura.
Las soldaduras obtenidas bajo la aplicación de este mé- todo son fiables, están libres de fisuras internas o exter- nas, poros o cualquier otro defecto típico de la soldadu- ra por fusión realizada con los métodos convencionales, tales como socavaciones, inclusión de escoria, salpica- duras, etc.
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2DESCRIPCIÓN
Método para la soldadura de aceros al carbono en- durecibles, por láser diodo de alta potencia.
Objeto de la invención
La invención se refiere a un método de soldadura de elementos metálicos de aceros al carbono endure- cibles, mediante la aplicación de una radiación láser proveniente de un diodo de alta potencia.
Con la aplicación del método objeto de la pre- sente invención es posible formar soldaduras autóge- nas, sin utilizar tratamientos de precalentamiento o de post-soldadura, procedimientos generalmente em- pleados en la soldadura de aceros al carbono endure- cibles cuando se utilizan los métodos convencionales de soldadura por fusión. Las soldaduras obtenidas ba- jo la aplicación de este método son fiables, están li- bres de fisuras internas o externas, poros o cualquier otro defecto típico de la soldadura por fusión realiza- da con los métodos convencionales, tales como soca- vaciones, inclusión de escoria, salpicaduras, etc.
Por otra parte, las soldaduras obtenidas mediante la aplicación del método objeto de la invención, pre- sentan un acabado superficial cosmético que se carac- teriza por su muy baja rugosidad, con lo que se evita la necesidad de trabajos posteriores a la soldadura.
Antecedentes de la invención
Los aceros al carbono representan el grupo más importante de materiales metálicos para ingeniería.
La característica más sobresaliente del acero es su versatilidad, ya que sus propiedades pueden ser con- troladas y modificadas con el fin de satisfacer los re- querimientos de servicio. En estos aceros, los princi- pales factores que afectan a sus propiedades mecáni- cas son el contenido en carbono y la microestructura.
Básicamente, la resistencia a la tensión, a la cedencia y la dureza, se incrementan al aumentar el contenido de carbono; por el contrario, la elongación, la reduc- ción de área y la tenacidad disminuyen notablemente con dicho incremento. Otro atributo del acero, el cual es seguramente de mayor importancia, es su capaci- dad para endurecer, cualidad que comúnmente se de- nomina templabilidad. Esta característica también se ve afectada con el aumento en el contenido de carbo- no.
Dentro de este tipo de aceros se encuentran los de- nominados endurecibles por temple para los cuales el contenido en carbono debe ser al menos de un 0.25%.
Aceros con un contenido de carbono entorno a un 0.4- 0.5% son usados ampliamente para la construcción de estructuras y diversas partes de maquinaria, como per- nos, tornillos, ejes, engranajes, etc, debido a su alta resistencia mecánica, a su resistencia al desgaste a su elevada dureza y a sus favorables condiciones econó- micas como son su bajo coste y la garantía de abaste- cimiento.
Para la unión de este tipo de aceros se han em- pleado tradicionalmente los procesos convencionales de soldadura por fusión; estos tipos de soldadura pre- sentan diversos tipos de problemas característicos del proceso:
- Gran cantidad de calor generado por el arco.
- Necesidad de empleo de fundentes.
- Uso de electrodos de materiales reactivos.
- Incompatibilidad (en ocasiones) de las propie- dades mecánicas del metal de aporte y el metal
base.
Estos problemas conducen a la aparición de dife- rentes tipos de defectos tales como:
- Elevadas distorsiones de los elementos solda- dos.
- Inclusión de escorias en la unión soldada.
- Excesivas salpicaduras durante el proceso.
- Excesiva porosidad.
Y todo lo anterior conlleva unas pobres propieda- des mecánicas de la unión soldada. Para tratar de evi- tar estos problemas se han adoptado una serie de prác- ticas como los tratamientos térmicos pre-soldadura de las piezas, tratamientos térmicos post-soldadura, me- canizado previo de las superficies a soldar, utiliza- ción de materiales especiales de aporte a la soldadu- ra, etc. Todos estos tratamientos logran paliar los pro- blemas relacionados anteriormente pero incrementan muy considerablemente la complejidad técnica y el coste de las operaciones de soldadura. Por ejemplo:
los tratamientos térmicos previos a la soldadura re- quieren el diseño de herramientas específicas para ca- da aplicación, bien sea el diseño de devanados (en el caso de calentamiento por inducción eléctrica) o de sopletes (si se trata de un calentamiento por llama).
Por otra parte, en otros casos es necesario el diseño y preparación previa de la unión, siendo preciso el me- canizado de las caras a soldar. Este mecanizado no es siempre una tarea sencilla, fundamentalmente cuando la geometría de la unión es complicada.
Por todo lo anterior es evidente la necesidad de buscar nuevos métodos de soldadura para este tipo de aceros. La soldadura por láser ha revolucionado la tec- nología de unión soldada por fusión y está dominada en la actualidad por los sistemas de soldadura láser de CO2y Nd:YAG, los cuales sobresalen por la capa- cidad de generar altos niveles de potencia óptica, sin embargo su eficiencia es muy baja porque son accio- nados indirectamente por la fuente de energía utiliza- da, tales como descarga eléctrica o lámparas de des- tello. A pesar de la enorme cuota del mercado de la soldadura cubierta por estos tipos de láseres, las apli- caciones industriales de estos equipos láser en la sol- dadura de aceros endurecibles están limitadas a aque- llos con un contenido en carbono no mayor del 0.25%.
Una de las técnicas empleadas en los procesos de sol- dadura convencionales destinadas a mejorar la solda- bilidad de aceros con alto contenido de carbono es la aplicación de una determinada cantidad de calor antes de efectuar la soldadura. Esta técnica se ha intentado adaptar a la soldadura láser, pero desde un punto de vista práctico su acoplamiento resulta complicado, a la vez que el precalentamiento implica el riesgo de distorsión.
El desarrollo de una nueva generación de láseres basados en una matriz de diodos pone a disposición de los ingenieros y técnicos unos equipos que pueden proporcionar potencias muy elevadas (1,5 a 6 kW) con una eficiencia de conversión eléctrica (mayor del 40%) muy superior a la de los láseres actualmente uti- lizados (<10%). Aunque estos láseres están todavía en fase de desarrollo y mejora de sus características de funcionamiento, esa muy notable eficiencia, unida a su robustez, a su reducido tamaño, a su portabilidad, a su facilidad de manejo, a su estabilidad, a que son susceptibles de transmitir su energía mediante fibra 2
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Descripción de la invención
El método que se preconiza, ha sido concebido para resolver la problemática anteriormente expuesta, basándose en una solución sencilla pero no por ello menos eficaz, ya que se trata de la aplicación de un láser de diodo de alta potencia para la soldadura de aceros al carbono endurecibles.
Básicamente el método objeto de la presente in- vención consiste en lo siguiente:
- Preparación de las paredes de las piezas a unir.
Se trata de una mera limpieza que puede consis- tir (dependiendo de las necesidades) en todas o en alguna de las siguientes tareas:
• Eliminación de rebabas.
• Desengrase por medio de un disolvente orgá- nico adecuado (acetona, isopropanol, etanol, etc ...).
- Disposición de las piezas de acero al carbono endurecible que se desean soldar sobre un so- porte adecuado a sus dimensiones de tal mane- ra que las paredes a unir de las mismas queden en contacto o bien a una distancia reducida. Fi- jación adecuada de las piezas.
- Irradiación de la zona de contacto entre las dos piezas por medio de un haz láser proveniente de un láser de diodo de alta potencia y conduci- do a la zona de trabajo directamente, por medio de espejos o de fibra óptica. Con objeto de con- seguir un adecuado guiado del haz puede ser necesaria la utilización de algún tipo de lente en su camino desde la fuente láser a la zona de trabajo.
- Fusión de las zonas de interacción de las pie- zas de acero al carbono endurecible con el haz láser.
- Movimiento relativo entre el haz láser y las pie- zas a soldar de tal manera que el haz láser irra- die toda la zona de contacto que se desea soldar.
Con el objeto de proporcionar una adecuada pro- tección a la zona irradiada es conveniente el suminis- tro de un gas inerte (Ar, He, Ne) al mismo tiempo que se lleva a cabo la soldadura. Asimismo, la incidencia del haz puede ser normal a la superficie de las pie- zas de acero o formando un cierto ángulo con ellas.
Variando este ángulo de ataque en función del perfil de la unión pueden lograrse soldaduras uniformes en piezas con geometría complicada e incluso en tres di- mensiones.
Por otra parte, las propiedades mecánicas de la unión soldada pueden ser modificadas por medio de la aplicación de una vibración ultrasónica simultánea a la acción del láser a las piezas de acero a soldar.
También puede obtenerse dicha modificación de las propiedades mecánicas por medio de un pulsado ade- cuado del haz del láser diodo.
Entre las ventajas derivadas del método de la in- vención pueden citarse las siguientes:
- Es posible realizar soldaduras sin necesidad al- guna de material de aporte (soldadura autóge- na).
- No se necesita tratamiento térmico previo a la soldadura.
- No se necesita tratamiento térmico posterior a la soldadura.
- Se elimina la necesidad de herramientas espe- cíficas para realizar dichos tratamientos térmi- cos, bien sea el diseño de devanados (en el caso de calentamiento por inducción eléctrica) o de sopletes (si se trata de un calentamiento por lla- ma).
- Las soldaduras obtenidas están completamente libres de grietas y de cualquier otro tipo de de- fectos.
- Es posible el relleno de pequeños espacios entre las piezas a soldar (cosa que es prácticamente imposible por otros métodos basados en el lá- ser de CO2o de Nd:YAG).
- La zona afectada térmicamente es muy reduci- da.
- La distorsión de las piezas soldadas es mínima.
- Se elimina la necesidad de cualquier tipo de tra- bajo posterior a la soldadura.
Ejemplo de realización práctica de la invención Se realizó experimentalmente la soldadura en con- figuración geométrica a tope de placas de acero al car- bono endurecible AISI 1045 (que presenta un conte- nido de carbono del 0.47%) por medio de un láser de diodo de alta potencia (8 = 940 nm) trabajando en modo continuo, con un sistema óptico de distancia fo- cal de 100 mm focalizado sobre la parte superior de la superficie de contacto de ambas placas, en inciden- cia normal con aporte de Ar como gas asistente. Ba- jo estas condiciones se soldaron dichas piezas a una velocidad de 2 x 10−3 m/s. Por medio de un análi- sis visual se observa que las soldaduras presentan un acabado superficial tipo cosmético, están libres de sal- picaduras, de socavaciones, de excesiva escoria y de grietas relacionadas con la superficie. El análisis bajo el microscopio electrónico demostró que la soldadu- ra no presenta grietas ni microfisuras, ni en la zona fundida ni en la zona afectada térmicamente. El análi- sis microestructural revela que la zona de fusión está formada por una mezcla de ferrita y perlita y la zona afectada térmicamente está libre de martensita (fase extremadamente dura y frágil). Todo ello proporciona a dicha soldadura unas características excelentes.
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6REIVINDICACIONES
1. Método para la soldadura de aceros al carbo- no endurecibles, por láser diodo de alta potencia, ca- racterizado porque en el mismo se establecen las si- guientes operativas:
- Preparación de las paredes de las piezas a unir, a base de una limpieza que puede consistir en todas o alguna de las siguientes operaciones:
a) Eliminación de rebabas.
b) Desengrase por medio de un disolvente or- gánico adecuado como acetona, isopropa- nol, etanol o similar.
- Disposición de las piezas de acero al carbono endurecible que se desean soldar sobre un so- porte adecuado a sus dimensiones de tal manera que las paredes a unir de las mismas queden en contacto o bien a una distancia reducida, proce- diendo seguidamente a la adecuada fijación de dichas piezas.
- Irradiación de la zona de contacto entre las dos piezas por medio de un haz láser proveniente de un láser diodo de alta potencia y conducido a la zona de trabajo directamente, por medio de es- pejos o de fibra óptica, pudiendo participar en
la conducción o guiado de haz desde la fuente láser a la zona de trabajo, algún tipo de lente.
- Fusión de las zonas de integración de las pie- zas de acero al carbono endurecible con el haz láser.
- Movimiento relativo entre el haz láser y las pie- zas a soldar de tal manera que haz láser irradie toda la zona de contacto que se desea soldar.
2. Método para la soldadura de aceros al carbo- no endurecibles, por láser diodo de alta potencia, se- gún reivindicación 1ª, caracterizado porque se utili- za cualquier tipo de gas inerte, con protección o gas auxiliar al tratamiento láser.
3. Método para la soldadura de aceros al carbono endurecibles, por láser diodo de alta potencia, según reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizado porque el sis- tema móvil conectado a un equipo cualquier de con- trol de la posición de las piezas consiste en un robot de cualquier tipo, en una mesa de coordenadas de cual- quier tipo o en una combinación de ambos sistemas.
4. Método para la soldadura de aceros al carbono endurecibles, por láser diodo de alta potencia, según reivindicaciones 1ª a 3ª, caracterizado porque el haz láser proviene de un láser diodo de cualquier longitud de onda, potencia, frecuencia o calidad de haz.
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ESPAÑA
21 N de solicitud:200201481
22 Fecha de presentación de la solicitud:27.06.2002
51 Fecha de prioridad:
INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TÉCNICA
51 Int. Cl.7: B23K 26/20, 26/32
DOCUMENTOS RELEVANTES
Categoría Documentos citados Reividicaciones
afectadas
Categoría de los documentos citados
X: de particular relevancia
Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría
A: refleja el estado de la técnica
O: referido a divulgación no escrita
P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud
E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
El presente informe ha sido realizado
5 para todas las reivindicaciones para las reivindicaciones n:Fecha de realización del informe Examinador Página
01.03.2004 J. García-Cernuda Gallardo 1/1
X WO 0216071 A (AIR LIQUIDE S.A.) 28.02.2002, pagina 5, líneas 4-8; 1,2,4 reivindicaciones 1,4.
A EP 1053822 A (RENAULT et al.) 22.11.2001, reivindicaciones. 1-4
A FR 2815278 A (RENAULT) 19.04.2002, todo el documento. 1-4
