Método para la soldadura de aceros al carbono endurecibles, 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 endurecibles, mediante la aplicación de una radiación láser proveniente de un diodo de alta potencia.
Con la aplicación del método objeto de la presente invención es posible formar soldaduras autógenas, sin utilizar tratamientos de precalentamiento o de post-soldadura, procedimientos generalmente empleados en la soldadura de aceros al carbono endurecibles cuando se utilizan los métodos convencionales de soldadura por fusión. Las soldaduras obtenidas bajo la aplicación de este método son fiables, están libres de fisuras internas o externas, poros o cualquier otro defecto típico de la soldadura por fusión realizada con los métodos convencionales, tales como socavaciones, inclusión de escoria, salpicaduras, etc.
Por otra parte, las soldaduras obtenidas mediante la aplicación del método objeto de la invención, presentan un acabado superficial cosmético que se caracteriza 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 controladas y modificadas con el fin de satisfacer los requerimientos de servicio. En estos aceros, los principales factores que afectan a sus propiedades mecánicas 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 reducción de área y la tenacidad disminuyen notablemente con dicho incremento. Otro atributo del acero, el cual es seguramente de mayor importancia, es su capacidad para endurecer, cualidad que comúnmente se denomina templabilidad. Esta característica también se ve afectada con el aumento en el contenido de carbono.
Dentro de este tipo de aceros se encuentran los denominados 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 pernos, tornillos, ejes, engranajes, etc, debido a su alta resistencia mecánica, a su resistencia al desgaste a su elevada dureza y a sus favorables condiciones económicas como son su bajo coste y la garantía de abastecimiento.
Para la unión de este tipo de aceros se han empleado tradicionalmente los procesos convencionales de soldadura por fusión; estos tipos de soldadura presentan 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 propiedades mecánicas del metal de aporte y el metal base. Estos problemas conducen a la aparición de diferentes tipos de defectos tales como:
- Elevadas distorsiones de los elementos soldados. - Inclusión de escorias en la unión soldada. - Excesivas salpicaduras durante el proceso. - Excesiva porosidad. Y todo lo anterior conlleva unas pobres propiedades mecánicas de la unión soldada. Para tratar de evitar estos problemas se han adoptado una serie de prácticas como los tratamientos térmicos pre-soldadura de las piezas, tratamientos térmicos post-soldadura, mecanizado previo de las superficies a soldar, utilización de materiales especiales de aporte a la soldadura, etc. Todos estos tratamientos logran paliar los problemas 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 requieren el diseño de herramientas específicas para cada 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 mecanizado 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 tecnología de unión soldada por fusión y está dominada en la actualidad por los sistemas de soldadura láser de CO2 y Nd:YAG, los cuales sobresalen por la capacidad de generar altos niveles de potencia óptica, sin embargo su eficiencia es muy baja porque son accionados indirectamente por la fuente de energía utilizada, tales como descarga eléctrica o lámparas de destello. A pesar de la enorme cuota del mercado de la soldadura cubierta por estos tipos de láseres, las aplicaciones industriales de estos equipos láser en la soldadura de aceros endurecibles están limitadas a aquellos con un contenido en carbono no mayor del 0.25%. Una de las técnicas empleadas en los procesos de soldadura convencionales destinadas a mejorar la soldabilidad 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 utilizados (<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 óptica, los hace muy atractivos de cara a su aplicación en los procesos de fabricación como lo es el de la soldadura de elementos metálicos como los aceros al carbono endurecibles.
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 invención consiste en lo siguiente:
- Preparación de las paredes de las piezas a unir. Se trata de una mera limpieza que puede consistir (dependiendo de las necesidades) en todas o en alguna de las siguientes tareas: • Eliminación de rebabas. • Desengrase por medio de un disolvente orgánico adecuado (acetona, isopropanol, etanol, etc ...). - Disposición de las piezas de acero al carbono endurecible que se desean soldar sobre un soporte adecuado a sus dimensiones de tal manera que las paredes a unir de las mismas queden en contacto o bien a una distancia reducida. Fijación 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 conducido a la zona de trabajo directamente, por medio de espejos o de fibra óptica. Con objeto de conseguir 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 piezas de acero al carbono endurecible con el haz láser. - Movimiento relativo entre el haz láser y las piezas a soldar de tal manera que el haz láser irradie toda la zona de contacto que se desea soldar. Con el objeto de proporcionar una adecuada protección a la zona irradiada es conveniente el suministro 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 piezas 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 dimensiones.
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 adecuado del haz del láser diodo.
Entre las ventajas derivadas del método de la invención pueden citarse las siguientes:
- Es posible realizar soldaduras sin necesidad alguna de material de aporte (soldadura autógena). - No se necesita tratamiento térmico previo a la soldadura. - No se necesita tratamiento térmico posterior a la soldadura. - Se elimina la necesidad de herramientas específicas para realizar dichos tratamientos térmicos, 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). - Las soldaduras obtenidas están completamente libres de grietas y de cualquier otro tipo de defectos. - Es posible el relleno de pequeños espacios entre las piezas a soldar (cosa que es prácticamente imposible por otros métodos basados en el láser de CO2 o de Nd:YAG). - La zona afectada térmicamente es muy reducida. - La distorsión de las piezas soldadas es mínima. - Se elimina la necesidad de cualquier tipo de trabajo posterior a la soldadura. Ejemplo de realización práctica de la invención
Se realizó experimentalmente la soldadura en configuración geométrica a tope de placas de acero al carbono endurecible AISI 1045 (que presenta un contenido de carbono del 0.47%) por medio de un láser de diodo de alta potencia (\talloblong = 940 nm) trabajando en modo continuo, con un sistema óptico de distancia focal de 100 mm focalizado sobre la parte superior de la superficie de contacto de ambas placas, en incidencia normal con aporte de Ar como gas asistente. Bajo estas condiciones se soldaron dichas piezas a una velocidad de 2 x 10-3 m/s. Por medio de un análisis visual se observa que las soldaduras presentan un acabado superficial tipo cosmético, están libres de salpicaduras, de socavaciones, de excesiva escoria y de grietas relacionadas con la superficie. El análisis bajo el microscopio electrónico demostró que la soldadura no presenta grietas ni microfisuras, ni en la zona fundida ni en la zona afectada térmicamente. El análisis 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.
