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“Aplicación de la Tecnología Láser en la Soldadura de Aceros Estructurales de Alta
Resistencia Deformables en Frío”
Autores: F. Zubiri , F. Garciandía J.L. Bocos, F. Zapirain.
Ponente: F. Zapirain (LORTEK).
1.- RESUMEN.
Este trabajo recoge parte de los resultados obtenidos en un estudio de soldadura de
aceros mediante tecnología láser. Los aceros estudiados (en este caso, dos) son
materiales utilizados por la industria del transporte y en formato de productos planos
(chapa). Estos aceros se utilizan en la fabricación de “tailored blanks” y en otras piezas
y estructuras metálicas. En esta comunicación se recogen los resultados obtenidos en
soldaduras a tope y por solape, realizadas sin aporte de material; para el primer caso se
detallan los resultados obtenidos en la caracterización metalográfica de las uniones y en
los ensayos de deformabilidad y mecánicos, mientras que en el caso de la soldadura por
solape, y debido a la problemática asociada con estos materiales cuando presentan
recubrimiento antioxidante en este tipo de soldaduras, se detallan los resultados del
estudio metalográfico y las soluciones encontradas a la problemática observada.
Finalmente, se recogen las conclusiones obtenidas para los procesos y materiales
involucrados.
2.- INTRODUCCIÓN.
En la última década, la introducción y expansión de la utilización de los “tailored
blanks” para la fabricación de piezas variadas para la industria de automoción
(sustituyendo a la estampación de chapas cortadas de una única bobina) ha supuesto un
empuje importante en el desarrollo de la tecnología láser aplicada a procesos de
soldadura. Los tailored blanks, o formatos a medida, son conjuntos soldados de chapas,
que pueden ser de la misma o diferente composición, y del mismo o de diferentes
espesores y que forman, a su vez, las chapas de partida para procesos de estampación en
frío, con el fin de que los diferentes espesores y calidades de material encajen en los
lugares definidos en las piezas estampadas. Actualmente se fabrican una gran variedad
de componentes a partir de los tailored blanks. Además del material de partida (con
espesores y calidades que pueden ser selectivos), la introducción de diferentes técnicas
de conformado, como puede ser el hidroformado, permiten un juego importante a la
hora de afrontar nuevos diseños (en muchos casos orientados a la obtención de
estructuras cada vez más ligeras pero de altas prestaciones, pudiendo reforzar zonas
críticas de las piezas con espesores de material mayores).
La industria del automóvil fue la primera aplicar mayoritariamente la soldadura sin
fundente o material de aporte. Eligiendo adecuadamente los parámetros de soldadura se
pueden obtener cordones de gran calidad que pueden cubrirse de pintura sin necesidad
de mecanizado posterior. La soldadura empleando la tecnología láser es un método de
unión que se ajusta a las elevadas exigencias de las industrias del transporte, tanto en
aspectos relacionados con el diseño como con la calidad del producto final. Las uniones
por fusión realizadas mediante láser permiten cumplir con los altos requisitos exigidos
por la industria.
Dentro de las diferentes opciones de soldadura láser para este tipo de aplicaciones
industriales, se puede señalar que se pueden utilizar láseres de CO2, Nd:YAG o diodo
en función de los diferentes materiales, formatos, dimensiones, parámetros de proceso
requeridos (especialmente, velocidad) y aspectos de tipo económico (desde las
inversiones necesarias a aspectos relacionados con la productividad y consumos).
Paralelamente al desarrollo de los tailored blanks se ha generalizado la utilización de
aceros de elevada resistencia (HSS), empleándose en zonas estructurales claves de los
vehículos, las de máxima seguridad y resistencia, y que han contribuido al control o
reducción del peso de los vehículos. A partir Del año 2001, la industria del acero ha
llevado los “HSS” a un nuevo nivel con el proyecto ULSAB (Ultra Light Steel Auto
Body), en el que se pretende que más del 90 % del vehículo esté compuesto por aceros
de alta resistencia, cuyo valor mínimo de límite elástico es de 200 Mpa.
Otro aspecto que puede ser relevante en los procesos de soldadura de estos aceros se
presenta cuando la soldadura se realiza “a solape”, estando los aceros recubiertos de
capas anticorrosión; en este caso se enmarcan los aceros galvanizados o electrocincados
o, como en el caso actual, aceros con capas de pintura (producto orgánico). En la
soldadura a solape de estos productos recubiertos se producen defectos relacionados con
la vaporización de la capa en la intercara de de las capas a unir. En este trabajo se
describen algunos casos de estos defectos y las diferentes soluciones ensayadas con el
fin de evitarlos.
En este trabajo se presentan resultados del estudio de la viabilidad de la utilización del
láser para la soldadura de estas chapas de acero de alta resistencia; concretamente de
aceros ferríticos microaleados (ZStE) y DP (dual phase). Estos son materiales que
pueden formar parte de “tailored blanks”, que se definen como piezas constituidas por la
unión mediante soldadura de chapas de acero de distintas calidades y espesores. En este
estudio se ha profundizado en la caracterización metalográfica de los cordones de
soldadura; y se ha analizado el comportamiento mecánico de las soldaduras obtenidas
llevando a cabo ensayos de microdurezas, embutición, tracción y fatiga.
3.- MATERIALES ESTUDIADOS.
En esta comunicación se recogen una serie de resultados obtenidos en 2 aceros
utilizados, en forma de chapa, para conformado en frío: un ZStE220 Y DP 440 (el ábaco
de composición para ambos se detalla en la tabla 1).
Tal y como se puede apreciar, los materiales base utilizados para la realización del
estudio, y cuyos datos se muestran en este trabajo, han sido aceros con contenidos bajos
en carbono (%C inferior al 0.08%) para deformación en frío, en forma de chapa (entre
0,8 y 1,5 mm de espesor), con y sin capa de recubrimiento. Las microestructuras del
material de partida se muestran en las micrografías correspondientes a la figura 1.
Figura 1. Estructura de partida de los dos aceros estudiados.
4.- TRABAJO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS.
La soldadura de los materiales base se ha realizado empleando un láser de diodo y otro
de Nd:YAG de alta potencia, que emiten el haz luminoso en el infrarrojo y llegan hasta
una potencia máxima de salida de 3 KW (con distinta calidad de haz luminoso). Para
encontrar las condiciones de soldadura correctas, se realizaron ensayos bajo diferentes
velocidades y diferentes potencias, eligiéndose los parámetros óptimos para llevar a
cabo las soldaduras en función de las características de los cordones obtenidos. La
caracterización metalográfica de las soldaduras se ha realizado con el microscopio
óptico, empleándose para el revelado de la microestructura -como reactivo- nital al 2%.
Por otra parte, para la caracterización mecánica se realizaron ensayos de microdurezas,
embutición, tracción y fatiga. Se efectuaron, también, barridos de microdurezas de la
sección transversal a lo largo del cordón de soldadura y de la ZAT (zona afectada por la
temperatura) utilizando un microdurómetro. Los ensayos de embutición sobre probetas
de 95 mm X 95 mm se realizaron dejando el cordón de soldadura en el centro, en el
caso de las probetas soldadas, con el objetivo de obtener el índice de embutibilidad o
estampación (%E) (definido como el cociente entre la altura de la copa tras el ensayo en
la probeta soldada y la altura de la copa en el material base sin soldar). Los ensayos de
fatiga se realizaron en una bancada de ensayos, cargando entre el 60 y el 90% del límite
elástico con una frecuencia de 25 Hz.
En este trabajo, se ha procedido, en primer lugar, a la caracterización microestructural y
mecánica de los materiales base. Las micrografías con la estructura de los materiales
base se presentan en la Fig.1. Los aceros ZStE presentan una microestructura ferrítica,
en la que se pueden observar partículas TiN, debidos a la cantidad de Ti que poseen
estos aceros. Por su parte, los DP presentan las siguientes fases: martensita, bainita y
ferrita, siendo esta última fase la mayoritaria, con el conjunto de las restantes no
superando la fracción volumétrica del 15%.
Soldaduras a tope.-
Con respecto a las propiedades mecánicas, se han llevado a cabo los ensayos de tracción
para verificar la resistencia que poseen estos materiales. En la Tabla II se recogen los
valores de resistencia a la tracción, límite elástico y alargamiento. Los aceros DP, al
poseer en su microestructura fases como la bainita y la martensita, poseen una mayor
resistencia a la tracción con respecto a los aceros ferríticos ZStE. Al mismo tiempo, hay
que señalar que estos aceros presentan grados de alargamiento inferiores a los que
alcanzan los aceros ZStE, aunque pudiendo ser empleados en formatos a medida. Los
aceros que combinan en su microestructura ferrita con otras fases como bainita o / y
martensita pueden presentar elevados niveles de resistencia y un adecuado
alargamiento, y por tanto ser aplicados en la industria de la automoción en partes de la
carrocería que requieran como característica poseer una buena conformabilidad.
Un vez realizadas las soldaduras de los diferentes materiales, en primer lugar se
seleccionaron aquellas soldaduras con mejor aspecto y después, se procedió a verificar
la calidad de las mismas mediante caracterización microestructural y mecánica. Así,
empleando técnicas metalográficas se observó el perfecto estado de los cordones de
soldadura en diferentes puntos, ratificando la inspección visual previa. En la Fig. 2 se
muestran las micrografías de los diferentes cordones de soldadura: a) aceros ZStE y b)
aceros DP. El cordón de la soldadura de aceros ZStE presenta una microestructura muy
heterogénea, con presencia de granos de gran tamaño y no excesivamente equiáxicos
(niveles de carbono muy bajos). En la soldadura de los aceros DP se observa una
microestructura multifásica, con predominio de las fases bainita y ferrita acicular sobre
la martensita.
Figura 2. Micrografías obtenidas en los cordones de soldadura de los dos aceros.
Los barridos de microdurezas llevados a cabo sobre la sección transversal de los
cordones de soldadura estudiados se muestran en la Fig. 3. Es importante destacar que
en el cordón de soldadura de los aceros ZStE, al estar compuesto únicamente por ferrita,
se obtiene el nivel más bajo de dureza. Una de las características exigidas a las
soldaduras de los tailored blanks es una buena embutibilidad para evitar problemas en el
proceso de conformado en frío. Debido a esto, se efectuaron ensayos de embutición en
la maquina mencionada, obteniéndose los valores del índice E. En la Fig. 4 se observa
que la soldadura de los aceros ZStE es la única que cumple las especificaciones con un
valor de %E alrededor del 70%, mientras que la soldadura de los aceros DP posee un
valor de %E muy próximo al requerido, entorno al 60%, y la soldadura de los aceros
TRIP presenta un valor muy inferior, alrededor del 40%. Siguiendo con el análisis del
comportamiento de las soldaduras en el proceso de estampación, se pueden observar en
la Fig. 5 las macrografías de las probetas soldadas tras el correspondiente ensayo de
embutición. El estudio se ha realizado en base al criterio de la posición y tipo de
fractura (transversal o paralela al cordón de soldadura). En todas ellas se produce la
fractura en la dirección longitudinal a la soldadura, bien en la ZAT o bien en el propio
cordón de soldadura.
Figura 3. Barridos de microdurezas en los diferentes tipos de aceros soldados.
Figura 4. Índice de embutibilidad para los diferentes tipos de aceros soldados.
Figura 5. Ensayos de embutibilidad en muestras soldadas por láser de los dos aceros.
Por último, para completar el estudio de las propiedades mecánicas, se han realizado
sobre las probetas soldadas los correspondientes ensayos de tracción y fatiga, cuyos
resultados más relevantes se muestran en la Tabla III.
Las soldaduras de los aceros ZStE y DP presentan unas excelentes propiedades
mecánicas, ya que en los ensayos de tracción siempre se ha producido la rotura en una
región correspondiente al material base, y por tanto, la unión ha superado los niveles de
resistencia de los materiales base. Además, el comportamiento a fatiga, superando sin
producirse rotura 1.5. 106 ciclos, corrobora la excelente calidad de estas uniones. Los
aceros multifásicos presentan un buen comportamiento a fatiga y, además, están siendo
empleados en partes de la carrocería que necesitan absorber la energía de impacto.
Soldaduras a solape.-
En este tipo de unión, todas las pruebas se han realizado con un equipo láser de estado
sólido, de Nd:YAG. Potencias utiliazadas: de 1 a 3 kw. Velocidades: de 1 a 2 m/min.
Las chapas soldadas con este tipo de junta estaban recubiertas (pintura anticorrosión) y
han sido de calidad ZStE220, de 2 mm de espesor. A las muestras soldadas se les ha
realizado análisis macro y microestructural con el fin de determinar la calidad de las
soldaduras obtenidas y poder obtener unos parámetros óptimos de proceso. En la figura
6 se muestra una de estas muestras soldadas a solape.
Figura 6. Probeta soldada a solape. 2 Cordones, cada uno de los mismos
próximo a un lado exterior de las chapas (2 kW, 2 m/min).
Debido a la presencia del recubrimiento superficial en las chapas, se han realizado
diferentes variantes en las pruebas de soldadura:
- Con pasadas previas del haz láser desfocalizado sobre las trayectorias
en las que posteriormente se va a realizar el cordón en cada una de las
caras que interviene en la soldadura (limpieza superficial por láser).
- Soldadura en dos pasadas estando las chapas colocadas para la
soldadura (la primera pasada a menor potencia).
- Soldando directamente sin pasada previa pero manteniendo una cierta
separación –controlada- entre las chapas.
- Soldando directamente sin pasada previa y sin separación entre las
chapas.
A las diferentes muestras soldadas por láser a solape se les ha realizado una primera
inspección visual y, de las muestras que se ha considerado oportuno se han preparado
probetas metalográficas, tanto para la obtención de macrografías como para la
realización de una observación microscópica y la correspondiente medición de
microdurezas.
En las piezas con pasada previa del haz para realizar una limpieza superficial localizada
puede observarse que una gran variedad de combinaciones de parámetros da lugar a
buenos cordones, si bien, la penetración en la chapa inferior de la unión varía (desde
una penetración total a parcial) en función de los parámetros de proceso utilizados.
Por lo que se refiere a las soldaduras realizadas sin pasada previa del haz, si bien se ha
obtenido algún cordón bueno, en muchas de ellas se observan poros producidos por
pequeñas explosiones del recubrimiento al interaccionar con el haz láser. A este
respecto, cabe señalar que en algunos cordones, los defectos se han producido
puntualmente, mientras que en otros la mayor parte del cordón está defectuoso. El
problema observado no se presenta sólo en la cara superior de la chapa exterior (donde
incide el haz láser), sino que el problema se localiza, también, en las caras de contacto
de las dos chapas (y que quedan en el interior). Esta zona parece ser la más
problemática (más que la exterior); un ejemplo puede apreciarse en las micrografías de
la figura 7.
Figura 7. Soldadura láser realizada con potencia de 2,5 kW y 2 m/min, sin barrido
previo láser y sin espacio entre chapas.
En los casos en las que se ha dejado un cierto espacio entre chapas, se han obtenido
cordones correctos. Para obtener esta separación se ha utilizado una chapa fina calibrada
(de 0,1 mm de espesor) colocada entre las caras de las chapas a soldar y posicionadas
cerca de la zona de unión. Cabe señalar que la separación entre chapas tampoco puede
ser superior a una décima (ensayos con separaciones de 0,2 mm y superiores), ya que
entonces se pierde poder de penetración y se forma valle en la cara de la soldadura, ya
que el cordón es de mayor profundidad y ha de llenarse con la misma cantidad de
material fundido. En las micrografías de la figura 8 se muestran micrografías de una
soldadura correcta y en la figura 9, con un exceso de separación entre chapas.
Figura 8. Macro y micrografías soldando con una potencia de 2 kW y 1m/min, sin
pasada previa de decapado y con separación de 0,1 mm.
Figura 9. Soldadura láser a solape con exceso de separación entre chapas.
Finalmente, en lo que respecta a las pruebas con pasadas previas, bien de limpieza
superficial (pasadas desfocalizadas) o de pre-soldadura, en las fotografías
correspondientes a la figura 11 se muestran algunos ejemplos.
Figura 11. Soldaduras láser a solape sin separación entre chapas recubiertas.
5.- CONCLUSIONES.
En este trabajo se recogen distintos resultados obtenidos en los procesos de soldadura
láser de diferentes aceros (ZStE220 y DP440) y con dos tipos diferentes de unión (a
tope y a solape).
Los resultados obtenidos en la soldadura a tope de estos aceros, con distintos espesores
(aplicación en “tailored blanks”) han estado centrados en las propiedades mecánicas, de
deformabilidad y fatiga de los conjuntos soldados obtenidos.
Con respecto a la soldadura a solape, y debido a que las chapas soldadas estaban
recubiertas, los resultados han estado centrados en las variables de proceso que han
permitido obtener uniones libres de de defectos (poros).