Desarrollo e instrumentación de procesos de soldadura con láser de chapas finas de aceros disimilares para aplicaciones en el sector de electrodomésticos

Resumen

La soldadura láser es una tecnología que aunque lleva más de medio siglo existiendo, no ha sido hasta los últimos veinte años que ha empezado a experimentar una implantación significativa en la industria. Las principales causas por las que ha podido sustituir a soldaduras ya existentes han sido por su alta precisión, velocidad de proceso, naturaleza de no contacto y calidad en varios aspectos como los que atañen al actual estudio. En cuanto a la industria pionera en la integración para soldadura de grandes series de productos con procesos láser ha sido la industria del automóvil. Pero gracias al abaratamiento de los equipos láser, reducción en tamaño, aumento en potencia y decremento en consumo energético, su utilización se ha extendido a otros sectores como el de la industria de productos de consumo y más específicamente el abarcado en este estudio de la industria de los electrodomésticos. Este sector aunque comparte algunas similitudes con el de la industria del automóvil, tiende a utilizar materiales metálicos desnudos en lugar de recubiertos y a imponer requerimientos mecánicos menos exigentes al igual que resistencia estructural y peso, pero muy elevados en cuanto al coste, a la resistencia a la corrosión húmeda y criterios estéticos, por lo que el estudio tendrá que reenfocarse con el fin de poder abarcar todos los casos de soldadura láser que puedan necesitar de requisitos similares en este sector. El objetivo por tanto de la Tesis es generar una metodología estructurada por pasos y razonada en los fundamentos del láser, que pueda servir como apoyo a todos los investigadores e integradores que necesiten realizar soldaduras en la línea de los requerimientos más comunes del sector de los electrodomésticos, que en este caso serán soldaduras de aceros inoxidables de bajo espesor y más específicamente de las distintas familias disimilares de aceros inoxidables. Para ello, lo primero que se considerará en el estudio es el poder sustituir la soldadura continua utilizada habitualmente en la soldadura láser, por una soldadura pulsada en la que se pueda cuantificar el efecto de la soldadura a partir de los pulsos separados. Para ello se propone un modelo híbrido de cálculo de valores de la interacción del láser con el material, con un modelo experimental. En este modelo la unidad fundamental serán los pulsos de energía sueltos estáticos, que se irán acelerando a determinadas velocidades y encadenando unos con otros hasta convertirse en un cordón de soldadura continuo. Los principales materiales que han sido utilizados en la realización de la Tesis han sido aceros inoxidables laminados en frío y más concretamente aceros inoxidables ferríticos con austeníticos de espesores por debajo del milímetro, tanto para ensayos de refusión como de soldadura dentro y fuera de la misma familia de inoxidables. Aunque es importante anotar que las bases y estructura de esta metodología son completamente exportables para todos los casos en los que exista un margen de potencia extra en el equipo de soldadura láser que permita trabajar por debajo del máximo aporte energético del láser y conseguir la geometría adecuada. Pero en este caso se aplica a estas aleaciones inoxidables porque son las principales representantes de los aceros inoxidables en esta aplicación. En el caso de los aceros inoxidables austeníticos, se utilizan en situaciones de requerimientos de alta resistencia a corrosión, pero además para piezas que necesitan conformados severos o trabajar a temperaturas muy elevadas o muy reducidas. En contraposición, los aceros inoxidables ferríticos tienen una resistencia a corrosión generalmente inferior y carecen de las excelentes cualidades para el conformado o de resistencia a temperaturas del austenítico, pero por otro lado suelen tener un precio bastante inferior al de los inoxidables austeníticos. Esta será la razón, por la que como última meta en el estudio se intentarán aprovechar las excelentes cualidades de la soldadura de acero inoxidable austenítico para las zonas que lo requieran, sustituyendo por inoxidable ferrítico donde los requerimientos lo permitan y obteniendo así un ahorro importante en el conjunto sin alterar la estética o la funcionalidad. Entonces el objetivo marcado en la presente Tesis es desarrollar un método para el control de los efectos térmicos de la soldadura con el fin de aumentar la calidad de la misma y posibilitar soldaduras más sensibles como es el caso de la soldadura de espesores finos, cordones de alta resistencia a la corrosión o combinaciones de metales disimilares. Todo ello, requerirá un seguimiento más estricto de la cantidad de energía aportada al material, razón por la cual se seleccionará la soldadura pulsada como la opción más válida para la consecución de los objetivos. Para certificar que los pasos que se dan son los correctos, se irá haciendo un análisis de la interacción del láser en el metal durante las distintas etapas del estudio, desde el caso de los pulsos sueltos de soldadura a la soldadura continua, de manera que se puedan aislar mejor los efectos que van apareciendo en la misma, al igual que sus características. Para llegar a realizar estos objetivos, el trabajo experimental de soldadura se dividirá en una serie de etapas, que irán incrementando su complejidad y efectos que intervienen en la interacción del láser hasta llegar a la solución optimizada que se busca, tras la cual se realizarán las pruebas de validación del método. La secuencia de pasos seguidos durante el estudio será la siguiente: i) Planteamiento de las hipótesis de partida y comprobación, para fijar un camino para reducir el aporte de energía y aumentar la calidad de la soldadura. ii) Planteamiento de los modelos de optimización de los cordones de soldadura a partir de pulsos y ajustes para llegar a los objetivos marcados. iii) Caracterización mecánica de los distintos pasos de optimización de la energía de soldadura. iv) Caracterización de la corrosión por métodos cualitativos y cuantitativos, de los distintos pasos de optimización y del caso de integración real de la soldadura. El trabajo fue realizado en su mayor parte en las instalaciones del Centro Láser de la Universidad Politécnica de Madrid, con una pequeña parte final de integración y evaluación de la soldadura realizada en las instalaciones de BSH Electrodomésticos España en Zaragoza.