“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).