Como elemento que soporta las demás partes del automóvil, la tecnología de fabricación de la carrocería determina directamente la calidad general del vehículo. En el proceso de fabricación de carrocerías, la soldadura es un proceso de producción fundamental. Las tecnologías de soldadura que se utilizan actualmente para la fabricación de carrocerías incluyen principalmente la soldadura por puntos por resistencia, la soldadura MIG (soldadura por arco con gas inerte fundido) y la soldadura MAG (soldadura por arco con gas activo fundido), así como la soldadura láser.
Como tecnología de soldadura avanzada con integración óptico-mecánica, la soldadura láser presenta ventajas como una alta densidad de energía, una rápida velocidad de soldadura, bajas tensiones y deformaciones, y una buena flexibilidad en comparación con la tecnología tradicional de soldadura de carrocerías de automóviles.
La estructura de la carrocería es compleja, y sus componentes son principalmente de paredes delgadas y curvas. La soldadura de carrocerías presenta dificultades como variaciones en los materiales, diferentes espesores de las piezas, diversas trayectorias de soldadura y formas de unión. Además, la soldadura de carrocerías exige altos estándares de calidad y eficiencia.
Con parámetros de soldadura adecuados, la soldadura láser garantiza una alta resistencia a la fatiga y tenacidad al impacto en las piezas clave de la carrocería, asegurando así la calidad y la vida útil de la soldadura. Esta tecnología se adapta a la soldadura de piezas con diferentes formas de unión, espesores y materiales, satisfaciendo la demanda de flexibilidad en la fabricación de carrocerías. Por lo tanto, la soldadura láser constituye un medio técnico fundamental para el desarrollo de alta calidad de la industria automotriz.
Proceso de soldadura láser para carrocerías de automóviles
Principio del proceso de soldadura por fusión profunda láser: Cuando la densidad de potencia del láser alcanza un cierto nivel, la superficie del material se vaporiza, formando así un orificio. Cuando la presión del vapor metálico dentro del orificio alcanza el equilibrio dinámico con la presión estática y la tensión superficial del líquido circundante, el láser puede irradiar a través del orificio hasta el fondo, y con el movimiento del haz láser, se forma una soldadura continua. En el proceso de soldadura por fusión profunda láser, no es necesario añadir fundente ni material de aporte auxiliar para soldar el propio material de la pieza.
La soldadura obtenida mediante fusión profunda láser suele ser lisa y recta, con poca deformación, lo que contribuye a mejorar la precisión de fabricación de la carrocería. La alta resistencia a la tracción de la soldadura garantiza la calidad de la misma. Además, la velocidad de soldadura es elevada, lo que optimiza la eficiencia del proceso.
En el proceso de soldadura de carrocerías, la soldadura por fusión profunda láser reduce significativamente la cantidad de piezas, moldes y herramientas de soldadura, disminuyendo así el peso propio de la carrocería y los costos de producción. Sin embargo, este proceso es menos tolerante a la holgura de las piezas a soldar, la cual debe controlarse entre 0,05 y 2 mm. Si la holgura es excesiva, pueden producirse defectos de soldadura como porosidad.
Las investigaciones actuales demuestran que, en la soldadura de carrocerías de automóviles con el mismo material, mediante la optimización de los parámetros del proceso de soldadura láser por fusión profunda, es posible obtener una soldadura con buena formación superficial, menos defectos internos y excelentes propiedades mecánicas. Estas excelentes propiedades mecánicas de la soldadura cumplen con los requisitos de uso de los componentes soldados de la carrocería. Sin embargo, en la soldadura de carrocerías, el proceso de soldadura láser por fusión profunda de metales heterogéneos para la aleación de aluminio y acero, representativo del sector, aún no está completamente desarrollado. Si bien la adición de una capa de transición permite obtener un excelente rendimiento de la soldadura, el mecanismo de influencia de los diferentes materiales de la capa de transición sobre la capa de compuestos intermetálicos (IMC) y su efecto en la microestructura de la soldadura no están claros, lo que requiere un estudio más profundo.
Proceso de soldadura por relleno de alambre láser para carrocerías de automóviles
El proceso de soldadura por láser de relleno se basa en el siguiente principio: se forma una junta soldada rellenando previamente la soldadura con un alambre específico o alimentándolo simultáneamente durante el proceso de soldadura láser. Esto equivale a introducir una cantidad aproximadamente homogénea de material de alambre en el baño de fusión durante la soldadura por láser de fusión profunda. El diagrama a continuación muestra el proceso de soldadura por láser de relleno.
En comparación con la soldadura por fusión profunda láser, la soldadura láser de relleno tiene dos ventajas en la soldadura de carrocerías: en primer lugar, puede mejorar significativamente la tolerancia de la separación de montaje entre las piezas de la carrocería que se van a soldar y resolver el problema del requisito de una gran separación biselada para la soldadura por fusión profunda láser; en segundo lugar, puede mejorar la distribución del tejido en la zona de soldadura mediante el uso de alambres con diferente composición y, por lo tanto, regular el rendimiento de la soldadura.
En el proceso de fabricación de carrocerías, la soldadura láser con relleno se utiliza principalmente para soldar piezas de aleación de aluminio y acero. En particular, al soldar piezas de aleación de aluminio, la tensión superficial del baño de fusión es baja, lo que puede provocar fácilmente su colapso. La soldadura láser con relleno resuelve mejor este problema gracias a la fusión del alambre durante el proceso.
Proceso de soldadura láser de carrocerías de automóviles
El proceso de soldadura fuerte láser se basa en el siguiente principio: utilizando un láser como fuente de calor, el haz láser se enfoca e irradia sobre la superficie del alambre, el alambre se funde, el alambre fundido gotea y llena la pieza a soldar, y se producen efectos metalúrgicos como la fusión y la difusión entre el material de soldadura y la pieza, uniendo así las piezas. A diferencia del proceso de soldadura láser con relleno, la soldadura fuerte láser solo funde el alambre y no la pieza a soldar. La soldadura fuerte láser ofrece buena estabilidad, pero la resistencia a la tracción de la soldadura resultante es baja. La figura 3 muestra la aplicación del proceso de soldadura fuerte láser en la soldadura de la tapa del compartimento de equipaje de un automóvil.
En el proceso de soldadura de carrocerías, la soldadura láser se utiliza principalmente para unir las partes que no requieren una alta resistencia, como la unión entre la cubierta superior y los paneles laterales, la unión entre la parte superior e inferior de la tapa del maletero, etc. La cubierta superior de VW, Audi y otros modelos de gama media y alta utiliza el proceso de soldadura láser.
Los principales defectos en las uniones soldadas con láser de las carrocerías de los automóviles incluyen el desgaste de los bordes, la porosidad, la deformación de la soldadura, etc., y estos defectos pueden suprimirse significativamente regulando los parámetros del proceso y utilizando un proceso de soldadura láser multifocal.
Proceso de soldadura de materiales compuestos por arco láser para carrocerías de automóviles
El principio del proceso de soldadura compuesta láser-arco es el siguiente: dos fuentes de calor, láser y arco, actúan simultáneamente sobre la superficie de la pieza a soldar, fundiéndola y solidificándola para formar una costura de soldadura. El diagrama a continuación muestra el proceso de soldadura láser-arco.
La soldadura compuesta láser-arco combina las ventajas de la soldadura láser y la soldadura por arco: primero, bajo la acción de dos fuentes de calor, se puede aumentar la velocidad de soldadura, la entrada de calor es menor y la deformación de la soldadura es mínima, manteniendo las características de la soldadura láser; segundo, mejor capacidad de unión, mayor tolerancia de separación de ensamblaje; tercero, la velocidad de solidificación del baño fundido es menor, lo que favorece la eliminación de poros, grietas y otros defectos de soldadura, mejorando la organización y el rendimiento de la zona afectada por el calor; cuarto, gracias al arco, es capaz de soldar materiales con alta reflectividad y alta conductividad térmica, con una gama más amplia de materiales de aplicación.
En el proceso de fabricación de carrocerías, la soldadura compuesta láser-arco se utiliza principalmente para soldar componentes de aleación de aluminio y metales disímiles como aleación de aluminio y acero, especialmente en las zonas de mayor tamaño, como la puerta del automóvil. Esto se debe a que estas zonas favorecen el buen desempeño de la soldadura compuesta láser-arco. Además, la tecnología de soldadura compuesta láser-MIG también se aplica en la viga lateral del techo de la carrocería Audi.
En el proceso de soldadura de carrocerías, la soldadura compuesta por láser y arco ofrece una mayor tolerancia a la separación en comparación con la soldadura láser simple. Sin embargo, requiere una consideración integral de la posición relativa del láser y el arco, los parámetros de soldadura láser, los parámetros del arco y otros factores. El comportamiento de la transferencia de calor y masa en el proceso de soldadura por láser y arco es complejo, especialmente la regulación de la energía en la soldadura de materiales heterogéneos y el mecanismo de regulación del espesor y la estructura de los compuestos intermetálicos (IMC), que aún no están claros y requieren mayor investigación.
Otros procesos de soldadura láser de carrocerías de automóviles
La soldadura por fusión profunda láser, la soldadura láser de relleno, la soldadura fuerte láser y la soldadura compuesta láser-arco, entre otros procesos de soldadura, cuentan con una teoría más consolidada y una amplia gama de aplicaciones prácticas. A medida que aumentan las exigencias de la industria automotriz en cuanto a la eficiencia de la soldadura de carrocerías y la demanda de soldadura de materiales diferentes en la fabricación ligera, la soldadura láser por puntos, la soldadura láser oscilante, la soldadura láser multihaz y la soldadura láser de haz variable han cobrado mayor relevancia.
Proceso de soldadura por puntos láser
La soldadura láser por puntos es una tecnología avanzada que ofrece ventajas excepcionales como alta velocidad y precisión. Su principio básico consiste en enfocar el haz láser en un punto de la pieza a soldar, de modo que el metal se funde instantáneamente. Ajustando la densidad del láser, se logra la soldadura por conducción térmica o la soldadura por fusión profunda. Al cesar el haz láser, el metal líquido refluye, se solidifica y forma una unión.
Existen dos formas principales de soldadura láser por puntos: soldadura láser pulsada y soldadura láser continua. En la soldadura láser pulsada, el haz láser tiene una alta energía pico, pero su tiempo de acción es corto, y se utiliza generalmente para soldar metales ligeros como aleaciones de magnesio y aluminio. En la soldadura láser continua, el haz láser tiene una alta potencia media y un tiempo de acción prolongado, y se utiliza principalmente para soldar acero.
En la soldadura de carrocerías de automóviles, en comparación con la soldadura por puntos por resistencia, la soldadura por puntos láser presenta las ventajas de no requerir contacto y de permitir una trayectoria de soldadura por puntos personalizada, lo que puede satisfacer la demanda de soldadura de alta calidad con diferentes holguras de solape en los materiales de la carrocería.
Proceso de soldadura por oscilación láser
La soldadura láser por oscilación es una nueva tecnología de soldadura láser propuesta en los últimos años que ha recibido gran atención. El principio de esta tecnología consiste en lograr una oscilación rápida, ordenada y pequeña del haz láser mediante la integración de un espejo oscilante en el cabezal de soldadura láser, consiguiendo así el efecto de agitación del haz durante el avance del proceso de soldadura.
Las principales trayectorias de oscilación en el proceso de soldadura por láser oscilante incluyen: oscilación transversal, oscilación longitudinal, oscilación circular y oscilación infinita. Este proceso ofrece ventajas significativas en la soldadura de carrocerías, ya que la oscilación del haz láser modifica considerablemente el estado de flujo del baño de fusión. De esta forma, se pueden eliminar los defectos de fusión incompleta, lograr un refinamiento del grano y suprimir la porosidad en la soldadura de materiales idénticos para carrocerías, además de mejorar los problemas de mezcla insuficiente de diferentes materiales y las deficientes propiedades mecánicas de la soldadura en la unión de materiales distintos.
Proceso de soldadura por haz multiláser
Actualmente, los láseres de fibra pueden dividir un único haz láser en múltiples haces mediante un módulo divisor de haz instalado en el cabezal de soldadura. La soldadura con múltiples haces láser equivale a aplicar múltiples fuentes de calor en el proceso de soldadura. Al ajustar la distribución de energía del haz, cada haz puede cumplir una función distinta: el haz con mayor densidad energética es el haz principal, responsable de la soldadura por fusión profunda; el haz secundario, con menor densidad energética, limpia y precalienta la superficie del material, aumentando así la absorción de la energía del haz láser por el material.
El proceso de soldadura por múltiples haces láser puede mejorar el comportamiento de evaporación del vapor de zinc y el comportamiento dinámico del baño de fusión durante la soldadura de chapas de acero galvanizado, mejorar el problema de las salpicaduras y aumentar la resistencia a la tracción de la soldadura.
Proceso de soldadura láser por vuelo
La tecnología de soldadura láser de trayectoria es una nueva tecnología que ofrece alta eficiencia y un diseño autónomo de la trayectoria de soldadura. El principio básico de la soldadura láser de trayectoria consiste en que, cuando el haz láser incide sobre los espejos X e Y del sistema de escaneo, el ángulo de estos espejos se controla mediante programación autónoma para lograr la desviación del haz láser en cualquier ángulo.
Tradicionalmente, la soldadura láser de carrocerías se basa principalmente en un robot de soldadura que acciona el cabezal láser para lograr un movimiento síncrono y conseguir el efecto de soldadura deseado. Sin embargo, el movimiento repetitivo y alternativo del robot limita considerablemente la eficiencia de la soldadura de carrocerías debido a la gran cantidad y longitud de las soldaduras. En cambio, la soldadura láser de vuelo permite realizarla dentro de un rango determinado simplemente ajustando el ángulo del reflector. Por lo tanto, esta tecnología mejora significativamente la eficiencia de la soldadura y tiene un amplio potencial de aplicación.
Resumen
Con el desarrollo de la industria automotriz, el futuro de la tecnología de soldadura de carrocerías seguirá evolucionando tanto en el proceso de soldadura como en la tecnología inteligente.
La carrocería de los automóviles, especialmente la de los vehículos de nueva energía, está evolucionando hacia la reducción de peso. Las aleaciones ligeras, los materiales compuestos y los materiales heterogéneos se utilizarán cada vez más en la carrocería. El proceso de soldadura láser convencional tiene dificultades para cumplir con sus requisitos, por lo que los procesos de soldadura de alta calidad y eficiencia se convertirán en la tendencia de desarrollo futura.
En los últimos años, los procesos emergentes de soldadura láser, como la soldadura láser oscilante, la soldadura láser multihaz y la soldadura láser de vuelo, se han centrado en la investigación teórica inicial y la exploración de procesos para mejorar la calidad y la eficiencia de la soldadura. En el futuro, será necesario combinar estrechamente estos procesos emergentes con materiales ligeros para carrocerías de automóviles, soldadura de materiales heterogéneos y otros escenarios. Asimismo, se requerirá una investigación profunda sobre el diseño de la trayectoria oscilante del haz láser, el mecanismo de acción de la energía del haz láser multihaz y la mejora de la eficiencia de la soldadura de vuelo, entre otros aspectos, para desarrollar un proceso maduro de soldadura láser ligera para carrocerías de automóviles.
La tecnología de soldadura láser para carrocerías se está integrando profundamente con la tecnología inteligente. La detección en tiempo real del estado de la soldadura láser y el control de retroalimentación de los parámetros del proceso desempeñan un papel decisivo en la calidad de la soldadura. Actualmente, la tecnología inteligente de soldadura láser se utiliza principalmente para la planificación y el seguimiento de la trayectoria de soldadura, así como para la inspección de calidad posterior a la soldadura. La investigación nacional e internacional sobre la detección de defectos de soldadura y la regulación adaptativa de parámetros aún se encuentra en sus inicios, y la tecnología de control adaptativo de los parámetros del proceso de soldadura láser no se ha aplicado en la fabricación de carrocerías.
Por lo tanto, para la aplicación de la tecnología de soldadura láser en las características del proceso de soldadura de carrocerías de automóviles, en el futuro se debe desarrollar un sistema avanzado de detección inteligente de soldadura láser con múltiples sensores y un sistema de control de robot de soldadura de alta velocidad y alta precisión para garantizar que la tecnología inteligente de soldadura láser funcione en tiempo real y con precisión en cada etapa, a través del enlace "planificación de la trayectoria previa a la soldadura - control adaptativo de los parámetros de soldadura - inspección de calidad en línea posterior a la soldadura", para garantizar un procesamiento eficiente y de alta calidad.
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Fecha de publicación: 9 de diciembre de 2022
