CLADDING: Noves tecnologies de làser cladding per processos de conformat (2015-2017)

• Línea de ayudas:
  NUCLIS DE INVESTIGACIÓN INDUSTRIAL Y DESARROLLO EXPERIMENTAL
• Título del proyecto:
  NUEVAS TECNOLOGÍAS DE LÁSER “CLADDING” PARA PROCESOS DE CONFORMADO
• Acrónimo:
  CLADDING
• Empresas:
  GESTAMP SOLBLANK, AUTOTECH ENGINEERING, TALLERES MECÁNICOS S COMAS S.L Y PROQUIMIA S.A

El proyecto CLADDING tiene como objetivo principal aumentar la vida útil de las matrices usadas en los procesos de conformado en caliente para la fabricación de piezas de automoción, a través de la investigación, desarrollo y aplicación de técnicas de laser cladding no existentes en la actualidad en el sector de la automoción para la aplicación de refuerzos localizados de material en las zonas más expuestas al desgaste en cada pieza y la minimización de fenómenos de corrosión bajo tensión de las matrices mediante el tratamiento del agua del circuito de refrigeración.

Las problemáticas principales a las que se hará frente en este proyecto vienen dadas, principalmente, por la naturaleza del propio proceso de conformado en caliente. La conformación en caliente consiste en la estampación de formatos de acero al boro recubierto de aluminio-silicio. Uno de los problemas observados durante los trabajos de estampación es la adhesión y la abrasión por parte del recubrimiento en la superficie de la matriz.

Este efecto abrasivo provoca una reducción de la vida útil de la matriz, provocando que sea necesario realizar varias reparaciones durante su ciclo de vida mediante soldadura TIG (Tungsten Inert Gas) manual.

En la actualidad, el coste de la fabricación de las matrices utilizadas durante el proceso de estampación en caliente es muy elevado y sólo es posible repararlas un determinado número de veces. Esto se debe a su diseño, que incluye una red de canales de refrigeración cercanos a la superficie, encargados de mantener la matriz a una temperatura controlada. Tradicionalmente, la reparación de una matriz consiste en rebajar el acero en aquellas zonas donde se ha presentado desgaste, grietas o cualquier otro tipo de defecto y aportar mediante soldadura TIG un material similar al de la matriz.

Sin embargo, cada vez que se rebaja el material, el circuito de refrigeración queda más cerca de la superficie de la matriz, hasta el momento en que ya es imposible volverla a reparar. La elevada frecuencia de este tipo de reparaciones acarrea unos costes elevados, por el simple hecho de que, inevitablemente, implica la sustitución completa de la matriz afectada, y en consecuencia, supone paros generalizados en la actividad normal de negocio de la empresa.

Es por esta razón que resulta indispensable disponer de una técnica propia de reparación de las matrices de conformado en caliente, que evite por un lado, los trámites y costes de reemplazamiento de las piezas dañadas con el proveedor, y por otro, permita a la empresa disponer del nivel de flexibilidad y autosuficiencia necesarios para llevar acabo sus propias reparaciones sin actuar en detrimento de su actividad comercial. Con este proyecto, se busca implementar una técnica nueva para aumentar la vida útil de estas matrices, mediante la aplicación de un recubrimiento de propiedades mecánicas superiores en materia de dureza y resistencia al desgaste, tanto de adhesión como de abrasión.

Para conseguir alcanzar el objetivo general del proyecto, se han definido una serie de objetivos tecnológicos específicos asociados:

• Definir las variables involucradas en el proceso de laser cladding, tanto para la generación de matrices
• Obtener un sistema de control de calidad online del proceso de laser cladding
• Implantar la nueva metodología, avances y resultados a nivel internacional en todas las líneas de estampación en caliente
• Desarrollar un nuevo sistema de tratamiento físicoquímico del agua de refrigeración utilizada en las matrices del proceso de conformado en caliente, con el fin de minimizar los defectos ocasionados por la corrosión bajo tensión

Definir las variables involucradas en el proceso de laser cladding, tanto para la generación de matrices

El proceso de laser cladding es susceptible de verse afectado por muchos parámetros, siendo todos ellos altamente influyentes en el resultado final. Es importante, por tanto, establecer claramente cuáles son estos parámetros y definir unos rangos de validez aproximados para la obtención de cordones estables.

Los factores claves, a nivel técnico, que influyen en el proceso de aplicación de laser cladding son los siguientes:

• Potencia del láser (en W)
• Tasa de alimentación del polvo (en g/min)
• Velocidad de soldadura (en mm/s)
• Posicionamiento de la boquilla (velocidad e inclinación respecto a la superficie de trabajo) Además, como otros agentes influyentes en el proceso se pueden listar:
• Boquilla (influye en la distribución del polvo metálico en el baño fundido)
• Calidad del polvo y tipo de aleación utilizada
• Tipo del láser (distribución de potencia al haz láser) y potencia usada

El objetivo es la identificación, dimensionamiento y posterior reforzamiento de las zonas más sensibles en las piezas finales obtenidas con el proceso de conformado en caliente. Estas piezas se trabajarán con unas nuevas aleaciones de acero que entrarán al mercado en breve y, por tanto, no se han probado aún en producción, lo que aumenta considerablemente la complejidad y el riesgo del proceso.

Obtener un sistema de control de calidad online del proceso de laser cladding

En la actualidad, no existe ningún sistema comercial que realice un control de calidad online y en tiempo real de los cordones creados con laser cladding. Este nuevo sistema permitiría controlar la presencia de poros, grietas, faltas de fusión o de dilución en la generación del cordón mediante el análisis del espectro de emisión del plasma generado por el láser.

Implantar la nueva metodología, avances y resultados a nivel internacional en todas las líneas de estampación en caliente

Como objetivo a posteriori, se pretende llevar a cabo una diseminación de los resultados del proyecto a su conclusión, de tal forma que se inicie así un proceso de implantación a nivel internacional en todas las plantas de producción de la nueva técnica de laser cladding desarrollada.

Esta difusión tendrá inicialmente un carácter interno, impulsado por numerosos procesos formativos destinados a operarios y técnicos de los nuevos procedimientos de laser cladding.

Desarrollar un nuevo sistema de tratamiento físicoquímico del agua de refrigeración utilizada en las matrices del proceso de conformado en caliente, con el fin de minimizar los defectos ocasionados por la corrosión bajo tensión

Los circuitos cerrados de refrigeración ubicados en el interior de las matrices del proceso de conformado en caliente tienen la función de disipar parte del calor a eliminar en el proceso, mediante una circulación continua de líquido refrigerante (en este caso, agua). No hay ningún proceso de evaporación en este circuito primario cerrado, sino que el agua que ha absorbido el calor se enfría a través del intercambio de calor con otro circuito externo de refrigeración que, en este caso, elimina el calor sobrante mediante aerorefrigeradores, torre de refrigeración, etc.

Debido a las elevadas temperaturas y presiones a que están sometidas las matrices, los circuitos de refrigeración están sujetos a fenómenos de corrosión bajo tensión. Estos fenómenos se inician en la superficie de intercambio de calor del circuito de refrigeración y se trasladan rápidamente a lo largo del material, provocando roturas. Dada la proximidad entre los circuitos de refrigeración y la superficie de la matriz, necesaria para obtener un buen rendimiento del proceso de refrigeración, el fenómeno de corrosión bajo tensión ocasiona deterioros de la matriz que la inutilizan.

Mediante el desarrollo de un tratamiento físicoquímico específico del agua utilizada en el circuito primario de refrigeración, se pretende minimizar los fenómenos de corrosión bajo tensión, aumentando la vida útil de las matrices.