En este artículo se presenta un estudio de soldabilidad del acero de alto límite elástico Usibor 1500 P revestido al Al-Si sin tratar térmicamente mediante soldadura láser remota. La soldadura de este material presenta dificultades debido a que el Al presente en el recubrimiento provoca inclusiones de compuestos íntermetálicos Al-Fe en la unión. Estos compuestos tienen baja ductilidad y fractura frágil a temperatura ambiente, produciendo estos efectos en la unión realizada.- This paper presents a weldability study of Usibor 1500 P high strength steel pre-coated of Al-Si in the non quenched state by remote laser welding. The pollution of the melt pool by Al-Fe intermetallic particles during laser welding results in low strength joints

Blasco Litago, Manuel

Iordachescu, Danut

Ocaña Moreno, José Luis

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

Soldadura laser remota de aceros de alto limite elastico 
M. Blasco, D. Iordachescu, J.L. Ocafia 
Centro Laser UPM, Edificio Tecnologico "LaArboleda", Campus Sur U.P.M 
Carretera de Valencia km. 7,3. 28031 Madrid 
Tel: +34 91 336 55 41 e-mail: manuel.blasco@upm.es 
Resumen 
En este articulo se presenta un estudio de soldabilidad del acero de alto limite elastico 
Usibor 1500 P revestido al Al-Si sin tratar termicamente mediante soldadura laser remota. 
La soldadura de este material presenta dificultades debido a que el Al presente en el 
recubrimiento provoca inclusiones de compuestos intermetalicos Al-Fe en la union. Estos 
compuestos tienen baja ductilidad y fractura fragil a temperatura ambiente, produciendo 
estos efectos en la union realizada. 
Palabras Clave: Soladura laser remota, acero alto limite elastico, 
Abstract 
This paper presents a weldability study of Usibor 1500 P high strength steel pre-coated of 
Al-Si in the non quenched state by remote laser welding. The pollution of the melt pool by 
Al-Fe intermetallic particles during laser welding results in low strength joints. 
Keywords: Remote laser welding, high strength steel, 
1. Introduccion 
En los ultimos tiempos la industria de la automocion ha dedicado un gran esfuerzo a la 
mejora de la calidad y seguridad de los vehiculos. Esta mejora se fundamenta tanto en el 
avance de las tecnicas de production como en el uso de nuevos materiales, haciendo 
posible de esta manera automoviles mas ligeros, seguros, economicos y ecologicos. En 
esta direction, este articulo presenta los resultados obtenidos en un estudio de 
soldabilidad del acero de alto limite elastico Usibor 1500, en su version revestida con 
Al-Si (90%-10%) sin tratar termicamente, mediante soldadura laser remota. La 
soldadura del material revestido sin tratar termicamente presenta dificultades debido a 
que el Al presente en la interfaz provoca inclusiones de compuestos intermetalicos Fe-
Al en la soldadura. Estos materiales tienen baja ductilidad y fractura fragil a temperatura 
ambiente, produciendo estos efectos en la union realizada. El objetivo de este estudio es 
la optimization de la soldadura a solape mediante soldadura laser remota de este 
material sin eliminar el recubrimiento, tratando de minimizar la aparicion de 
compuestos intermetalicos Fe-Al. 
2. Dispositivo experimental y metodologia 
2.1. Montaje experimental 
La soldadura laser remota es una tecnica emergente para la soldadura de componentes 
en la industria de la automocion. Estos sistemas se caracterizan por un sistema de 
espejos moviles (dispositivo de barrido) y una lente de focalizacion de distancia focal 
larga (entre 0,6 y 1,6 m tipicamente) que dirigen el haz en un gran volumen de trabajo. 
Figura 1: Esquemas del sistema de soldadura laser remota utilizado. 
El sistema de soldadura utilizado esta provisto de un laser de CO2 de 3500 W de 
potencia maxima, estando el sistema optico compuesto por una lente de focalizacion de 
1450 mm de focal y un espejo galvanometrico moviles con los que se consigue un 
amplio volumen Ml de trabajo (1500 x 2400 x 650 mm), permitiendo de esta manera la 
fabrication de piezas de gran tamano a una alta velocidad. 
2.2. Material 
Por sus altas caracteristicas mecanicas despues del tratamiento termico (1500 MPa), el 
Usibor 1500 se sitiia en la gama de aceros desarrollados para responder a las exigencias 
de aligeramiento de los vehiculos en la industria de la automocion. Siendo un acero para 
estampacion destinado para piezas de estructuras y seguridad del automovil, esta 
disefiado para recibir un tratamiento termico durante o despues de la operation de 
estampacion. Su elaboration y tratamiento termo-mecanico durante la lamination en 
caliente le confieren una excelente templabilidad asi como una buena homogeneidad 
estructural, lo que favorece un buen comportamiento a las solicitaciones mecanicas y 
permite su uso para funciones anti-intrusion del vehiculo (viga de parachoques, 
refuerzos de puertas, pilar central...). El Usibor 1500 revestido a base de aluminio y 
silicio (90% Al y 10% Si) ha sido desarrollado para proteger el metal contra la 
oxidacion, la descarburacion durante el tratamiento termico y para aumentar la 
resistencia a la corrosion despues de la pintura y asi evitar un post-tratamiento de 
proteccion contra la corrosion. El espesor depositado esta generalmente comprendido 
entre 23 um y 32 urn por cara. 
Tabla I: Composition quimica, en %o en peso del acero Usibor 1500 P. 
C Mn P S Si Al Cr Ti B N 
227 1158 19 4 246 40 183 183 34 5~~ 
2.3. Metodologia 
El tipo de soldadura realizado es soldadura a solape de dos chapas de acero Usibor 
1500 P de 1,8 mm de espesor. Se han variado las condiciones de soldadura en busca de 
una mejora en la calidad final de la union basada en una mejor evacuacion del Al, o una 
dilucion uniforme de este elemento. Concretamente se han efectuado variaciones de la 
posicion del punto focal y la colocacion de las chapas, dejando una separacion de 0,2 
mm entre la mismas ("gap "), variando en ambos casos la velocidad de proceso. 
Los ensayos realizados consisten en cordones de soldadura de 25 mm de longitud con la 
maxima potencia disponible, 3500 W, usando He como gas de proteccion con un caudal 
de 20 1/min. Las variaciones efectuadas consisten en: 
• Variacion del punto focal: se han realizado probetas a +20, 0 y -20 mm, de la 
superflcie variando la velocidad entre 12 y 70 mm/s 
• Soldadura con gap: soldadura de las chapas dejando un espacio de 0,2 mm de 
espacio entre las chapas variando la velocidad entre 12 y 70 mm/s. 
3.Resultados y Discusion 
En todos los casos se han obtenido soldaduras con buen aspecto superficial y libres de 
defectos externos. La penetracion es total hasta 60 mm/s cuando el haz laser esta 
focalizado en la superflcie (independientemente de la presencia de "gap " o no) y hasta 
45 mm/s en el caso de soldadura deslocalizada, debido a que la densidad de energia 
disminuye al agrandar el diametro de incidencia del haz laser. 
Figura 2: Macrografias de las soldaduras realizadas. 
Los mejores resultados en las pruebas de variation de la position focal se han obtenido 
a bajas velocidades, donde el bafio fundido el mayor y por tanto se favorece tanto la 
evacuation como la dilution del Al. Cuando se desenfoca se observa una disminucion 
del numero de inclusiones pero un incremento de su tamano y se localizan 
preferentemente en la interfaz de la soldadura, suponiendo esto una debilitacion 
sustancial de la union. 
--' 
If 
_.. 
Pv Fe 
PvAl 
0 50 100 150 200 
Pv (MN/M2) 
Figura 3: Presiones de vapor del Fey Al. (1) 
Al dejar una separacion de 0,2 mm entre las chapas se consiguen soldaduras libres de 
inclusiones debido a una buena evacuation del Al por el espacio dejado entre las placas, 
siendo esta la via preferential de escape. Esto se explica por la diferencia de los valores 
de la presion de vapor de Fe y el Al, siendo la del Al entre 4 y 5 veces mayor que la del 
Fe a una temperatura dada. 
3.1. Analisis de las inclusiones 
Los compuestos intermetalicos susceptibles de ser formados durante el proceso de 
soldadura son multiples en funcion de la concentration local de Fe y Al, pudiendose 
tratar de: FesAl, FeAl, FeAL2, Fe2Al3, FeAl3 o Al puro. 
La composition de las inclusiones ha sido analizada mediante espectroscopia por 
difraccion de rayos X (EDX) constatandose la presencia de los distintos compuestos 
intermetalicos posibles. Asimismo se ha observado la heterogeneidad de las inclusiones 
tanto a nivel colectivo, difiriendo unas de otras, como a nivel individual, presentandose 
diferentes compuestos dentro de la misma intrusion. 
3.2. Ensayos de traction 
Para los ensayos mecanicos se han realizado probetas consistentes en dos chapas de 1,8 
mm de espesor de 25 X 135 mm unidas a solape por un cordon de 20 mm de longitud. 
La superficie de la union, Su, se indica en la tabla 2, diferente en cada soldadura por los 
distintos anchos de cordon debido a diferentes parametros operacionales. Igualmente en 
esta tabla se indica la superficie initial de la zona de fractura, Sf (esta superficie varia 
fuertemente en el caso de fractura en el material base debido a la estriccion de la 
probeta) la carga maxima, F
 max, alcanzada en el ensayo y, el cociente entre la carga 
maxima y la superficie de fractura. 
Figura 4: Imdgnes de microscopia electronica de barrido (SEM) de las inclusiones. 
Las probetas seleccionadas para los ensayos de traccion han sido: 
o Probetas con el punto focal en la superficie, realizadas a 12 mm/s y 3500 W. 
o Probetas con el punto focal en la superficie, realizadas a 20 mm/s y 3500 W. 
o Probetas con el punto focal en la superficie y gap, a 20 mm/s y 3500 W. 
Tabla II: Valores representativos de los ensayos de traccion. ^Superficie inicial de la zona de 
fractura de la probeta, cambiando este valor con la deformacion. 
Tipo probeta 
Mat base 
V= 12 mm/s 
V= 20 mm/s 
GopV=20mm/s 
S „ (mm2) 
-
28,2 
25.4 
24,0 
S
 f (mm2) 
41,4* 
41,4* 
25,4 
24,0 
F
 max (N) 
23052 
22782 
18956 
21123 
Fmax/S f 
557* 
554* 
748 
880 
La carga maxima obtenida en los ensayos de traccion corresponde a las probetas 
realizadas con el foco sobre la superficie a 12 mm/s, seguida de cerca por las soldadura 
con "gap" a 20 mm/s y, fmalmente las efectuadas a 20 mm/s con el foco en la 
superficie. 
3.3. Discusion 
El conjunto de ensayos y pruebas realizadas muestran que al aumentar el tamano del 
bano fundido se consigue una disminucion de la cantidad de inclusiones de compuestos 
intermetalicos debido en parte a una mejor dilution del Al en el metal fundido y una 
mejor evacuacion de sus vapores. Esto se puede observar en los ensayos a baja 
velocidad enfocando el haz laser en la superficie. 
La supresion total de las inclusiones se ha conseguido la dejar una separation entre 
chapas, logrando una excelente evacuacion del Al provocado por su mayor presion de 
vapor. Ademas en este caso, al ser la velocidad de proceso mayor se tiene un menor 
aporte de calor a la pieza, minimizandose la distorsion dimensional. Por contra, este tipo 
de soldadura necesita un posicionamiento preciso de las piezas, requiriendo una 
preparation de las mismas o el uso de un utillaje disenado a tal efecto. 
4. Conclusiones 
El estudio realizado demuestra la viabilidad de la soldadura del Usibor 1500 P mediante 
soldadura laser remota. Destacando: 
• La presencia de inclusiones de compuestos intermermetalicos Fe-Al en 
condiciones no controladas, observandose varios tipos de estos compuestos. 
• La position del punto focal influye en la cantidad y tamano de las inclusiones de 
compuestos intermetalicos Fe-Al, minimizandose su presencia al focalizar en la 
superficie y bajar la velocidad de avance. 
• Al dejar una separation entre las chapas, gap, se consigue la supresion de las 
inclusiones debido a una buena evacuation del Al del recubrimiento debido a la 
diferencia del valor de la presion de vapor respecto a la del Fe, entre 4 y 5 veces 
a una temperatura dada. 
• Los ensayos de traction han reafirmado que la disminucion y/o supresion de los 
compuestos intermetalicos aumentan la resistencia de la union. 
• La forma adecuada de soldar este tipo de material, a una velocidad baja o 
dejando gap entre las placas, dependera de la aplicacion en particular, sopesando 
los efectos del incremento de aporte de calor al disminuir la velocidad o el 
esfuerzo suplementario de la colocacion de las piezas. 
5. Referencias 
J.F. Shackelford, W. Alexander, Materials science and engineering handbook ,3r 
editon, CRC press LLC, USA 2001. 
M. Grupp, T. Seefeld, F. Vollertsen. "Laser Beam Welding with Scanner". WLT-
Conference on Lasers in Manufacturing 2003, Munich, Germany, Jun. 2003. 
C. Emmelmann. "Laser Remote Welding - Status and Potential for Innovations in 
Industrial Production". WLT-Conference on Lasers in Manufacturing 2005, 
Munich, Germany, Jun. 2005. 
6. Agradecimientos 
Trabajo parcialmente subvencionado por el Ministerio de Educacion y Ciencia 
(Proyectos FIT-020600-2004-74 y CIT-020600-2005-52) 


Soldadura láser remota de aceros de alto límite elástico

Archivo Digital UPM

http://oa.upm.es/2330/2/INVE_MEM_2008_55008.pdf

Soldadura láser remota de aceros de alto límite elástico

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

Archivo Digital UPM