“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).