PT805733E - Chapeamento de uma fita assistido por laser - Google Patents

Description

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Descrição “Chapeamento de uma fita assistido por laser” A invenção refere-se a um processo para a união de fitas e/ou chapas de materiais metálicos, no qual se conduzem pelo menos duas fitas e/ou chapas, desviadas uma em relação à outra, relativamente aos seus eixos longitudinais e sobrepostas uma à outra, com sobreelevação, deslocando-se formando um certo ângulo uma com a outra, continuamente e numa fenda de união, e são comprimidas num punção deformador, de modo que se ligam entre si solidamente nas suas superfícies colocadas em contacto, aquecendo-se, total ou parcialmente, por meio de radiação de raios laser, quer no caso de nenhuma das fitas e/ou chapas apresentar superfícies metálicas que fundem a baixa temperatura, uma chapa e/ou fita das chapa/fita a pôr em contacto, na sua superfície, imediatamente antes do contacto físico, na fenda de união, mas que não fundem, quer no caso de fitas e/ou chapas que apresentam superfícies metálicas que comparativamente fundem a temperaturas baixas, aquecendo-se, total ou parcialmente por meio de um feixe de raios laser, pelo menos uma chapa e/ou fita das chapa/fita a colocar em contacto, na sua superfície, imediatamente antes do contacto físico na fenda de união, mas não fundindo, com excepção das superfícies que fundem a temperaturas baixas.

As fitas e/ou as chapas que apresentam superfícies metálicas que fundem a temperatura baixas podem ser realizadas de diferentes maneiras. Em especial, as superfícies metálicas que fundem a baixa temperatura podem ser formadas por camadas apropriadas.

Utilizam-se processos deste tipo para, por exemplo, dotar chapas de aço com revestimentos metálicos. Tais revestimentos servem para protecção contra a

corrosão, a protecção contra o desgaste, para obter uma maior dureza da superfície, para obter uma aparência decorativa, para melhorar as características de deslizamento ou para a aplicação de materiais em pontos de desgaste. De acordo com o processo e o material utilizado, estes revestimentos podem ter espessuras diferentes.

Num processo conhecido, para o chapeamento de uma fita, concretamente a soldadura com prensagem a frio, o aço macio sem liga ou aço inoxidável é chapeado com alumínio, cobre ou latão, por meio de laminagem a frio. Neste caso, obtêm-se fitas ou chapas com espessuras até cerca de 4 mm. Para se obter uma ligação satisfatória dos metais diferentes, é necessário uma deformação na zona de contacto. Por meio dessa deformação rompem-se as camadas de óxido ou películas superficiais, de modo que se ligam entre si metais que ainda não estiveram expostos à atmosfera ambiente. Para esta denominada ligação por chapeamento, é necessária uma deformação de limiar, usualmente de pelo menos 30%, numa punção de laminagem a frio. Para isso têm de usar-se forças de laminagem elevadas. Além disso, colocam-se muitas exigências para a superfície, na zona de chapeamento, as quais por isso devem ser convenientemente limpas previamente. Por isso, o processo é dispendioso em aparelhagem. Além disso são limitadas as combinações de materiais apropriadas para o chapeamento por laminagem a frio (Zeitschrift “Aluminium”, 56, Ano 1880.2, pág. 147/149).

Como um outro processo de soldadura por prensagem a frio, é conhecido o chapeamento por aspersão de aço, sem liga, com pouca liga ou inoxidável, com outros materiais metálicos. Neste caso faz-se o chapeamento de diversos materiais directamente ou sobre camadas intermédias. Os chapeamentos por aspersão têm 3 3

espessuras superiores a 4 mm. Um exemplo são as peças de transição, chapeadas por aspersão, denominadas juntas de transição, para ligações soldadas, entre aço de construção e as ligas de alumínio mais resistentes AlMg 4,5 que têm de ser realizadas por meio de uma camada intermédia de AI 99,5 para conseguir obter as propriedades de utilização exigidas pelas ligações de chapeamento por soldadura com transmissão de forças perpendicularmente ao plano de chapeamento. Neste processo, a vantagem está numa certa independência relativamente às combinações de materiais, com o inconveniente de ser necessário unir várias camadas. Assim, também este processo de fabricação das bandas está ligado à exigência de equipamentos dispendiosos (Zeitschrift “Alumimum 56”, ano de 1980, pág. 147/149). E, além disso, conhecido, ligar entre si aço e alumínio por soldadura com fusão. Podem nesse caso utilizar-se processos de soldadura usuais, tais como os processos WIG e MIG. Em qualquer dos casos o processo é realizado de modo tal que, na fenda de laminagem, apenas o alumínio está presente no estado líquido. Neste processo é inconveniente o facto de aparecer na camada limite dos dois materiais um composto intermetálico, que é o ponto mais fraco da ligação soldada (Zeitschrift “Aluminium” 56, Ano 1880.2, pág. 147/149).

Num outro processo de união conhecido, de facto também um processo de soldadura por fusão, a energia necessária para a fusão é por meio de um feixe de raios laser colocado na fenda de laminagem. Neste processo conhecido, fundem-se as duas peças a unir. Na medida em que, neste processo, se pretenda ligar alumínio e aço, surgem os mesmos problemas que nos outros processos com fusão (DE 37 13 975 Al). 4 4

Fmalmente, é conhecido um processo para a união de fitas metálicas (US-PS 44 71 204), no qual as duas fitas metálicas são introduzidas continuamente, correndo uma sobre a outra, numa fenda de união e apertadas uma contra a outra num punção de deformação, de modo que se ligam entre si solidamente, nas suas superfície postas em contacto. As superfícies das fitas a pôr em contacto são neste caso aquecidas, imediatamente antes do contacto físico na fenda de união, por um feixe de raios laser, sendo a zona aquecida ou fundida ou simplesmente levada a uma temperatura de difusão. No caso deste estado da técnica não se previu aliás que as duas fitas conduzidas em conjunto estejam desfasadas lateralmente em relação aos seus eixos e sobrepostas, com sobreelevação. Nesses casos, existe o perigo de a zona sobreposta da fita, mais macia, ser cortada na fenda de união.

Finalmente, é conhecido um processo para a união de fitas metálicas (JP-A--63 29 0694) que praticamente coincide com o descrito anteriormente. Neste processo, uma das fitas tem uma largura menor que a da outra e assenta com toda a sua largura na fita mais larga. Nas duas bordas, fica portanto saliente a fita mais larga. Na medida em que, das duas fitas, a fita que fica com o excesso lateral seja o material mais brando, ela pode ser cortada na zona saliente, na aresta da fita mais estreita, na fenda de união. A presente invenção tem por objecto proporcionar um processo para a ligação de fitas que se sobrepõem uma à outra, de matenais metálicos diferentes não susceptíveis ou dificilmente susceptíveis de fundir, que é menos dispendioso que o processo mencionado na introdução e no qual não se verifica um corte da zona sobrejacente da fita ou chapa formada pelo material mais brando.

Este problema resolve-se impedindo que, quando da compressão mútua, se 5 verifique o corte da zona sobrejacente da chapa/fita mais macia devido à contra--pressào. Em especial, aplica-se a contra-pressão necessária através de uma tira colocada por baixo ou de um cilindro calibrado apropriado, no lado da chapa/fita mais resistente. É então de grande importância evitar a fusão das fitas ou chapas que não têm qualquer superfície metálica com baixo ponto de fusão, como zinco, Ugas de zinco, alumínio ou cobre, em especial chapa de aço com elas revestida, visto que a fusão e a solidificação ulterior pode dar origem a uma fase dura e frágil, que prejudica substancialmente a resistência da ligação. Mas, desde que uma das fitas/chapas a ligar seja uma chapa de aço fina, com zinco ou com revestimento de uma liga de zinco, na realidade, devido ao ponto de fusão mais baixo desta superfície, podem verificar-se reacções de mistura, em especial com alumínio e ligas de alumínio, que se realizam parcialmente em fases líquidas por fusão, não se verificando ainda também nestes casos, para parâmetros de união idênticos, consequências inconvenientes para as características de utilização, em especial a corrosão, que actuem de maneira inconveniente no comportamento de deformação da ligação unida.

Deste modo, toda a energia aplicada fica disponível para a activação na superfície e não é transmitida para o interior da chapa ou da fita, aumentando-se a deformabilidade da peça em toda a espessura, se se pretender que os raios laser actuem na chapa o mais próximo possível do ponto de contacto físico da chapa/fita a ligar. Pelo aquecimento da chapa/fita na sua superfície exterior antes da entrada na fenda de união, as películas da superfície exterior ou as camadas de óxido do material sofrem rotura já sob uma pressão menor que nos processos tradicionais, de 6 modo que se verifica uma ligação aderente mais rápida que no estado frio. Deste modo, em comparação com o processo tradicional de soldadura por prensagem a frio, para a mesma pressão de compressão aumenta a resistência da ligação das superfícies do material, ou então será necessário uma pressão substancialmente menor para obter uma determinada resistência. Tipicamente, basta uma diminuição da espessura total de 0,3% a 30%, para obter uma ligação solidamente aderente.

No processo, a fita ou a chapa são ligadas entre si paralelamente aos seus eixos longitudinais, podendo o tipo de junta ser realizado, selectivamente, na forma de uma junta paralela ou na forma de uma junta sobreposta. De maneira particularmente vantajosa, o processo pode ser usado para a união de aço com alumínio ou ligas de alumínio, com cobre ou ligas de cobre, em especial latão. E importante a utilização da invenção na construção automóvel. Mediante a combinação de materiais e espessuras de chapa diferentes, produzem-se, com a tecnologia denominada de “tailored blanks”, peças de chapa em bruto optimizadas relativamente ao seu peso e à sua utilização. A presente invenção conduz a uma próxima geração de “tailored blanks”, na qual não só podem trabalhar-se materiais de aço diferentes e com espessuras diferentes para obter um “tailored blank”, como também se pode unir aos mesmos um flange de um outro material. Neste caso, pode realizar-se o processo de união, tal como o dos “tailored blanks”, em chapa plana. Só depois da estampagem se obtém o flange 3D, a que pode ligar-se directamente, na montagem.

Numa outra forma de realização podem, depois da união de juntas de transição nos “tailored blanks'’, unir outras chapas do segundo material, também com espessuras diferentes, por exemplo de aço e alumínio. 7

U A potência necessária do laser não precisa de ser muito elevada, bastando uma densidade de energia inferior a cerca de 3 KWh/m2, para activar termicamente a superfície. Interessam portanto laser de C02, laser de estado sólido ou agregados de laser de díodos.

Uma outra vantagem essencial que foi verificada no ensaio do processo é que a chapa/fita a unir tem de facto de estar seca e sem gorduras, e isenta de escamas de ferro na sua superfície exterior, mas além disso não necessita de qualquer limpeza mecânica complicada, por meio de escovas ou rectifícação. Para a obtenção dos reduzidos requisitos de limpeza das superfícies exteriores dos materiais, recomendas-se proteger as superfícies dos materiais nas quais se aplicam os raios laser, antes do contacto físico, por meio de um gás de protecção, em especial por gases inertes, como o árgon ou o azoto, contra a oxidação.

Numa outra forma de realização vantajosa do processo, utiliza-se um feixe de raios laser focado linearmente, paralelamente à fenda de união. Por meio da sua focagem, pode determinar-se com precisão a largura da zona de união, por meio da disposição geométrica rígida e pelo acoplamento contínuo, ou por impulsos, dos raios laser. A largura da zona de união pode aumentar-se deslocando, por meio de um sistema de exploração por varrimento, paralela e repetidamente o feixe de raios laser, focados na fenda de união. A ligação dos materiais formada pode sujeitar-se a tratamento ulterior de diferentes tipos. Assim, pode, num punção de laminagem seguinte, a ligação dos materiais formada sofrer uma outra redução da espessura, por laminagem a frio ou, também levar-se a uma deformabilidade maior, neste estado, por meio de recozimento. 8 8

A seguir, descreve-se o processo de acordo com a invenção, com mais pormenor, com base numa representação esquemática. Na tabela anexa podem obter-se parâmetros típicos do processo, para uma ligação de junta paralela e para uma ligação de junta sobreposta.

Na representação esquemática está representado o processo de união de duas chapas, numa junta sobreposta. Para isso coloca-se o material de base, com uma tira colocada por baixo, paralela, ao mesmo plano, e o material de revestimento, que é colocado para revestir o material de base a tira colocado por baixo, na fenda de união, segundo um ângulo agudo. A tira colocada por baixo serve para apoiar o material de revestimento na fenda de união. Ela impede que a zona do material de revestimento que se sobrepõe ao material de base seja trilhada.

Os raios laser são focados paralelamente ao plano da fenda de união. Pode trabalhar-se com um feixe de raios laser polarizado paralelamente ou perpendicularmente ao plano de incidência. Os raios polarizados paralelamente permitem trabalhar com uma densidade de energia mais baixa. O eixo do feixe de raios laser linear situa-se fundamentalmente centralmente na fenda de união. Mas pode desviar-se ligeiramente no sentido do parceiro com menor resistência. A densidade de energia a escolher para os dois parceiros depende dos materiais e da velocidade de deslocamento. Para a distribuição da densidade de energia pelos dois parceiros é válido, em princípio, que o parceiro com a maior resistência receba uma menor densidade de energia. Obtêm-se bons resultados com uma distribuição de densidade de energia de 30% a 45% no aço e 55% a 70% no alumínio.

Força de laminagem Fw kN Grau de deformação sh % 9

Espessura total antes da laminagem ho mm Espessura total depois da laminagem hi mm Espessura do revestimento antes da laminagem h<)A mm Espessura do revestimento depois da laminagem hlA mm Comprimento comprimido L mm Largura de focagem do laser (= largura de aderência) Ib mm Avanço da fita -Vb mm/min Potência do laser Pcw- kW Pressão de laminagem P kN/mrn2 Densidade de energia Ef kWh/m2 Largura da fita do material de base bi mm Largura da banda do material de revestimento b2 mm Diâmetro do cilindro D mm _ ho ~hi

Id *b2 _ pw * 100 F 6 * Ib * Vb I<i =VD/2*(h 0A-h1A) QUA. 10

CHAPEAMENTO DE UMA FITA ASSISTIDO POR LASER - EXEMPLOS DE REALIZAÇÃO .IniUii .limlii paí.ild.i so^rcpusla I-.nwi.. »lc me*»'· l.ugur Jn |iri«lutu l:>pc*%urada laminagetM 1-sçx-v.nia OvlhiÍc tla l-cnsa Jv LUiu ilc <.\wl^VÍ«K(U« Avatu;» lOoaãu iXltMdad·.’ UlIMUttll» laminagem Jcliiliuayâ» cutiiptianid» da hla d<» cilimJm Jc ctwigia MaUiial ile lUVCMÍlIKIItl. Maiciial KcwsiinicRii. IlcvcMimciilt. T.dal lUicilimcnlo Tnlal IV l4 V* li, bav; nun nu» nsi. (MIM nmi mni ΙΛ ♦. mm Rttnia IN-nim* UVh 1 IH· LM X 4Γf\í (1.(0 ’5 1« 1.9 2.0 o.y.i l.V.l lo 2.5 120 4.1) 1.31 1.4 l IX' IM X 4l'r\i 11-10 .10 11 1.0 2.0 0.06 1.16 I» 10 1.7.1 4.0 1.15 1.2 IV LM X4CrXi ll-Ui 10 1.0 J.5 0.·4·Ι .1.40 20 0.2 0.17 5.0 3.46 IA 1»’ 1)4 L'iiplt'r 1» 10 1.3 4 0 α.1,1 2.12 65 20.3 I.DI 2b O.SO 2.3 \ IX’ cM ΛΙ '.»·» i.i 10 I..1 4.0 0.64 2.02 50 26. P 1.03 15 0.6) 2.2 c, IK’ (14 ΛΙ '>·> 1J IU 1.5 4.0 2.02 5o 2M 7.70 2b 0.64 1.7 7 IV 04 ,\i 2.1 10 J.J 2.5 .051 145 50 30.1 1.6’ 2.5 ObK 2.2 1 IX’ IM AlM<*.l >1 1» 1.5 3.5 o.so 2.6’ 60 >1 i 7.15 15 o.si 1.2 1 M- IM AlMu.l >1 10 2.5 0.S2 2.50 (•(0 26.1 7.14 2.5 0.S4 2.2 IU IV (M Al vi .'ah 5U l..i 2.5 l.l 7 2.16 K5 1.6 4.07 2.5 0.34 2.2 H IX’ (M Ai 'T> :-'M · 2\'1~ >5 1.3 2.5 l.i«2 2.17 45 IS.O 6,0o 15 0.57 12 1» IV (U ,\l .VH <’!»)** 11 1.3 2.5 1.04 j.UI M 12.0 5.Í7 1_< 0.41 2.2 ij |V IM AlMe 3 21 U .1.5 t.’t 1.11 70 7.7 4.66 15 0.00 2.0 14 X 4iTN'i IK.|0 AlW 3'X · 20)»* .10 1.5 2.0 1.14 164 RO 12.0 5.20 15 0.31 2.9 15 Χΐι'ιΧί !B.|0 AlMis 2 ;·χ2·.η— 10 1.5 2.7 1.15 2.65 11)0 1.4 1.04 2.3 1.0,1 1.7 11. 1X204/. AIMbOASÍ 20(· ·:Ml)** .10 1.2 2.0 1.01 2.67 60 II. 0 3.57 )_( 0.56 2.7 17 IX04Z AIMb0.4SÍ >nC .10)·· .10 1.2 2.0 I.IU 167 75 11.0 3.46 2.5 0.72 2.2 11 IX’04 /1·- AlMjjO,4Si ’ιχ· ;οι·* M) U 2.7 l.»l 2.46 75 I," .1.77 2.5 0.66 2.3 21 IV04/.H AlMu0.4M 2ΙΗ·.!ΙΙ)*· .10 >1 i.o i 2.61 75 0.3 3.77 15 0.0(1 13 Z: Galvanizado ao fogo ZF : Recozido galvanicainente ZE ; Galvanizado ao fogo *) Valor médio das Espessuras calculadas metalograficamente **) 20/30 mm de fita removida depois do chapeamento Diâmetro do cilindro : 150 mm

Largura da zona de ligação : IO mm = Largura de focagem

Lisboa, 22 de Setembro de 2000

Claims (11)

1. Reivindicações / l. Processo para a união de fitas e/ou chapas de materiais metálicos, no qual se conduzem pelo menos duas fitas e/ou chapas, deslocadas uma em relação à / outra, relativamente aos seus eixos longitudinais e sobrepostas uma à outra, com sobreelevação, deslocando-se continuamente formando um certo ângulo agudo uma com a outra, numa fenda de união, e são comprimidas num punção deformador, de modo que são ligadas solidamente uma à outra nas suas superfícies postas em contacto, de maneira total ou parcial, aquecendo-se, total ou parcialmente, por meio de radiação de raios laser, no caso de nenhuma das fitas e/ou chapas que apresentam superfícies metálicas que fundem a baixa temperatura, uma chapa e/ou fita das chapa/fíta a pôr em contacto, na sua superfície, imediatamente antes do contacto físico, na fenda de união, mas não fundindo, caracterizado por se impedir, quando da compressão mútua, um corte da zona situada por cima, devido à contrapressão.
2. 2. Processo para a união de fitas e/ou de chapas de materiais metálicos, no qual se conduzem pelo menos duas fitas e/ou chapas, deslocadas uma em relação à outra, relativamente aos seus eixos longitudinais e sobrepostas uma à outra com sobrelevação, deslocando-se continuamente formando um ângulo agudo uma com a outra, numa fenda de união, e são comprimidas num punção deformador, de modo que são ligadas solidamente uma à outra nas suas superfícies postas em contacto, de maneira total ou parcial, aquecendo-se total ou parcialmente, por meio de raios laser, no caso de fitas e/ou chapas que apresentam superfícies metálicas que fundem a temperaturas comparativamente baixas, pelo menos uma chapa e/ou fita das chapas/fitas a pôr em contacto, na sua superfície superior, imediatamente antes do contacto físico, na fenda de união que não funde, mas com excepção da sua ? / / --//1- superfície que/fundé a temperaturas baixas, caracterizado por se impedir, quando da / compressão mútua, um corte da chapa^ita mais branda, na zona de sobreposição, / /' devido à contra-pressão. /
3. 3. Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por a densidade do feixe de raios laser ser inferior a 3 KWh/m2, na zona da superfície onde incidem os raios laser.
4. 4. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado por se aplicar a contra-pressão necessária através de tiras colocadas por baixo ou de um cilindro convenientemente calibrado, no lado da chapa/fita mais resistente.
5. 5. Processo de acordo com qualquer das reivindicações l a 4, caracterizado por as superfícies onde incidem os raios laser, antes do contacto físico, serem protegidas contra a oxidação por meio de um gás de protecção.
6. 6. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 5, caracterizado por se utilizar um feixe de raios laser que pode ser focado linearmente, paralelamente à fenda de união, cuja largura de focagem, no caso de uma disposição geométrica rígida e com um acoplamento contínuo ou por impulsos, define a largura da zona de união.
7. 7. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 6, caracterizado por a largura da zona de união ser aumentada fazendo deslocar o feixe de raios laser focados na fenda de união, paralelamente à fenda de união.
8. 8. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o feixe de raios laser ser deslocado paralelamente à fenda de união por um sistema de exploração por varrimento.
9. 9. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 8, caracterizado por o material compósito fabricado no punção deformador sofrer uma outra redução de espessura por laminagem a frio.
10. 10. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 9, caracterizado por o material compósito ser levado a um estado de maior deformabilidade, por recozimento.
11. 11. Utilização do processo de acordo com as reivindicações 1 a 10 para a ligação de chapas/fitas de aço, alumínio, cobre ou latão. Lisboa, 22 de Setembro de 2000

    1 Resumo “Chapeamento de uma fita assistido por laser” Processo para unir tiras e/ou placas de materiais metálicos. As tiras/placas são fornecidas, formando entre si um ângulo, na abertura para a união. Precisamente antes de estabelecerem contacto físico, as superfícies a unir são aquecidas, mas não fundidas, com um feixe de raios laser. Isso é seguido por uma passagem na qual as tiras/placas são apertadas mutuamente, donde resulta que as superfícies dos materiais colocadas em contacto são ligadas firmemente. Figura única

    Lisboa, 22 de Setembro de 2000