INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE SOLDAGEM NO COMPORTAMENTO
DAS TENSÕES RESIDUAIS EM JUNTAS SOLDADAS A LASER DE AÇO
DP600 SOB DOBRAMENTO
Tatiane de Campos Chuvas, chuvas@vm.uff.br Matheus Campos Martins, mateuscampos@id.uff.br Juan Manuel Pardal, juanpardal@vm.uff.br
Maria Cindra Fonseca, mcindra@vm.uff.br
Universidade Federal Fluminense, Departamento de Engenharia Mecânica/Pós Graduação em Engenharia Mecânica - PGMEC, Rua Passo da Pátria, 156, Bl. D, CEP 24210-240 – Niterói, RJ, Brasil.
Resumo: O processo de soldagem a laser, um dos processos mais modernos usados no setor automobilístico, tem
chamado a atenção na indústria devido à sua alta produtividade aliada as boas propriedades metalúrgicas das juntas soldadas, com zona termicamente afetada e zona fundida de extensões reduzidas. Entretanto, sendo as tensões residuais intrínsecas ao processo de soldagem, elas podem influenciar diretamente a vida em serviço do componente. O presente trabalho tem por objetivo avaliar a influência da velocidade de soldagem no comportamento das tensões residuais geradas no dobramento das juntas soldadas a laser de aço DP600. As tensões residuais foram medidas por difração de raios-X, pelo método do sen2ψ, usando radiação Crκα. Os resultados mostraram que as tensões residuais se apresentaram trativas em ambos os lados das juntas após a soldagem. Contudo, após os ensaios de dobramento essas tensões tornaram-se compressivas, provavelmente, decorrente do chamado efeito Bauschinger.
Palavras-chave: Tensões residuais, Aço DP600, Soldagem a Laser, Dobramento, Efeito Bauschinger
1. Introdução
O desenvolvimento de veículos cada vez mais leves e, consequentemente a redução no consumo de combustível, tem sido conseguido com a utilização de aços especiais, dentre eles os avançados de alta resistência (AHSS), como o aço bifásico (DP – Dual Phase), cuja microestrutura é constituída principalmente de ferrita e martensita e representa uma excelente escolha para aplicações onde elevada resistência à tração e alta ductilidade são necessárias (Rocha et al, 2005).
Em paralelo com a evolução dos aços de elevada resistência, o processo de soldagem a laser tem chamado a atenção devido ao baixo aporte térmico por unidade de volume, à facilidade de automação através da utilização de robôs, à alta produtividade, às boas propriedades metalúrgicas das juntas soldadas com zona termicamente afetada e zona fundida de extensões reduzidas (Rizzi et al, 2009; Lifang Mei et al, 2009; Farabi et al, 2010). As tensões residuais (TR) estão presentes em praticamente todas as peças rígidas, metálicas ou não, e são o produto da história metalúrgica e mecânica de cada ponto da peça ou da peça como um todo, durante o processo de fabricação (Cindra Fonseca, 2000). Em relação aos processos de conformação, a indústria automobilística utiliza de deformações plásticas nos blanks, contudo o comportamento das tensões residuais após processos severas de deformação plástica, principalmente em juntas soldadas pode ser um fator importante na integridade dos componentes, pois tensões residuais trativas na superfície do material são, geralmente, indesejáveis, uma vez que podem contribuir para fratura por fadiga e trincas de corrosão sob tensão (Kandil, 2001).
Wang & Gong, 2008 descrevem que quando um metal é plasticamente deformado, são criadas tensões internas no mesmo, principalmente devido à incompatibilidade de deformação (ao longo da espessura, por exemplo) em diferentes locais ao mesmo tempo. Essas tensões internas podem permanecer nos materiais depois do processo de conformação na forma de TR, resultante da heterogeneidade da deformação plástica, fenômeno denominado efeito Bauschinger e que pode levar a fragilização do material.
O presente trabalho apresenta uma avaliação sobre a influência da velocidade de soldagem na natureza e na magnitude das tensões residuais geradas no processo de soldagem a laser de juntas de aço avançado de alta resistência, usado na indústria automobilística, que constitui um dos processos mais modernos de soldagem usados neste setor. Também foi analisado o comportamento dessas tensões após um processo de deformação intenso obtido através do ensaio de dobramento Para caracterização do material e das juntas soldadas, foram realizados ensaios microdureza e análise metalográfica.
2. Materiais e métodos
O material estudado neste trabalho é uma chapa de aço avançado de alta resistência (AHSS – Advanced High Strenght Steel) com 4,0mm de espessura e denominação de USI-RW-600DP (Dual-Phase – Ferrita + Martensita),
produzida pela Usiminas. A composição química e as propriedades mecânicas do material estudado estão apresentadas nas Tab. (1) e (2), respectivamente.
Tabela Erro! Nenhum texto com o estilo especificado foi encontrado no documento.1. Composição química do aço (em % de peso) fornecida pelo fabricante.
C Si Mn P S Al Cu Nb V
0,0485 1,03 1,17 0,015 0,001 0,04 0,01 0,004 0,003
Ti Cr Ni Sn N As B Ca Fe
0,003 0,07 0,02 0,002 0,0028 0,002 0,0001 0,0011 Balanço
Tabela 2. Propriedades mecânicas do material (obtidas experimentalmente).
Limite de Escoamento σLE (MPa) Limite de Resistência σLR (MPa) Alongamento (%) Energia Absorvida a 25ºC (J) 330 550 18 33
As amostras foram obtidas a partir de processos de corte e soldagem a laser na empresa TRUMPF. No processo de corte a laser o feixe é convergente, concentrando toda a energia na região do corte, gerando uma pequena zona termicamente afetada (ZTA). O gás de assistência, N2, foi utilizado para minimizar a ação de agentes externos. Os
cortes foram feitos na direção transversal de laminação da chapa. As juntas foram soldadas pelo processo laser, na direção de laminação, com três velocidades: 0,2m/min; 0,6m/min e 1,0m/min, sendo os demais parâmetros mantidos constantes, conforme apresentado na Tab. (3).
Tabela 3. Parâmetros da soldagem a laser.
Fonte de laser Nd:YAG
Condução Fibra Ótica
Diâmetro do feixe (mm) 1,0
Fluxo de Ar (L/min) 20,0
Distância Focal (mm) - 0,5
A análise das tensões residuais foi realizada no Laboratório de Análise de Tensões - LAT, do Departamento de Engenharia Mecânica da UFF, utilizando o analisador de tensões portátil da Stressrad (Fig. (1)). As tensões residuais foram medidas nas juntas soldadas a laser, para verificação do nível de tensões gerado pelo processo de soldagem tanto na raiz quanto no topo das juntas e, posteriormente, foi avaliado o comportamento das tensões residuais em profundidade na condição plana e após ensaios de dobramento no cordão de solda, no sentido longitudinal (L) e transversal (T). A Fig. (2ª) detalha o dimensionamento das amostras após soldagem e os locais de medição das TR superficiais. O dimensionamento dos corpos de prova (cp’s) para dobramento está representado na Fig. (2b).
(a) (b)
Figura 2. (a) Dimensionamento das amostras após soldagem e locais de medição das TR; (b) Detalhamento do cp de dobramento.
Os ensaios de dobramento foram realizados conforme a norma ASTM E290. Para a análise microestrutural das juntas foi utilizado Nital 2% após a preparação através de lixamento e polimento.
3. Resultados e discussões
Após a soldagem das juntas, as tensões residuais superficiais foram medidas por difração de raios-X tanto no topo quanto na raiz na direção transversal ao cordão de solda. Os resultados estão apresentados na Fig. (3).
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 T e n sã o R e si d u al ( M P a ) Distância (mm) Perfil transversal - Topo
0.2 m/min 0.6 m/min 1.0 m/min -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300
400 Perfil trasnversal - Raiz
T en sã o R es id u al (M P a) Distância (mm) 0.2 m/min 0.6 m/min 1.0 m/min (a) (b)
Figura 3. Tensões residuais transversais (a) Topo; (b) Raiz.
Conforme apresentado na Fig. (3), valores de TR em tração com elevadas magnitudes foram observados na região da zona fundida das juntas, esse fenômeno pode ser decorrente da contração que ocorre no resfriamento das juntas após a fusão, ressaltando que todo o processo foi feito com restrição das juntas para diminuir os níveis de deformações. Entretanto, também se pode notar que quanto menor a velocidade de soldagem maiores são os valores em tração das juntas, atingindo cerca de 300MPa para a condição de 0,2m/min. Tal fato pode estar ligado a energia de soldagem aplicada durante o processo, que resulta em níveis de concentração de calor mais elevados para velocidade de soldagem menores.
Para cada condição foram obtidos 2 cp’s de dobramento e uma nova medição foi realizada apenas na região do cordão de solda no topo da junta, que seria posteriormente a região mais solicitada por deformação plástica través do ensaio de dobramento. Os perfis em profundidade das TR medidas em cada cp: um na condição plana e o outro após o dobramento, nas direções transversal e longitudinal ao cordão estão apresentado nas Fig. (4) e (5).
50 100 150 200 250 300 350 400 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 Transversal - plana T en sã o R es id u al ( M P a) Profundidade (µm) 0.2 m/min 0.6 m/min 1.0 m/min 50 100 150 200 250 300 350 400 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 Transversal - dobrada 0.2 m/min 0.6 m/min 1.0 m/min T en sã o R es id u al ( M P a) Profundidade (µm) (a) (b)
Figura 4. Perfil em profundidade das tensões residuais transversais na zona fundida (a) cp plano; (b) após o ensaio de dobramento. 50 100 150 200 250 300 350 400 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 0.2 m/min 0.6 m/min 1.0 m/min T en sã o R es id u al ( M P a) Profundidade (µm) Longitudinal - plana 50 100 150 200 250 300 350 400 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 Profundidade (µm) T en sã o R es id u al ( M P a) 0.2 m/min 0.6 m/min 1.0 m/min Longitudinal - dobrada (a) (b)
Figura 5. Perfil em profundidade das tensões residuais longitudinais na zona fundida (a) cp plano; (b) após o ensaio de dobramento.
Com relação ao processo de dobramento, as TR superficiais, ao contrário do que se esperava, apresentaram natureza compressiva em todas as condições de soldagem na direção transversal, conforme apresentado nas Fig. 4b. Wang & Gong 2008 mostraram que o efeito Bauschinger é um dos principais responsáveis por essa característica dos materiais metálicos após deformações plásticas severas. Observando o comportamento de tensões residuais através da espessura de um componente deformado plasticamente por forças de tração, mostraram que para manter o equilíbrio, tensões de tração devem ser equilibradas por tensões de compressão, ou seja, em certa profundidade serão observados valores de TR em tração, profundidade essa diretamente dependente do grau de deformação imposto. Também concluíram que uma superfície plasticamente expandida resulta em um estado de tensão compressivo, enquanto uma superfície plasticamente compactada resulta em um estado de tensão residual de tração. Assim, o padrão de comportamento da TR após o processo de dobramento é coerente com a literatura. Entretanto, isso pode não significar um resultado benéfico tendo em consideração que o efeito Bauschinger reflete em um desvio com relação ao comportamento elastoplástico ideal do material, resultando em uma redução do limite de escoamento do mesmo na direção oposta à deformação, o que leva a uma fragilização do material.
Analisando os gráficos apresentados na Fig. (4) e (5) fica evidente a influência do processo de dobramento no comportamento das tensões residuais em profundidade. O processo de soldagem a laser leva o material a diferentes temperaturas com condições de resfriamento não controladas, o que resulta tensões residuais muito heterogêneas, conforme apresentam as Fig. (4a) e (5ª). Entretanto, quando se impõe ao material um processo de deformação plástica
uniforme, neste caso um dobramento, o resultado é um gradiente de deformação ao longo da espessura com maiores valores na superfície até atingir um valor em profundidade onde não há mais a deformação permanente, o que gera uma tendência a reorganização das tensões residuais. Neste caso, sabendo que o processo de dobramento impõe deformações plásticas através de tracionamento das camadas mais externas, com a atuação do efeito Bauschinger, as tensões residuais se apresentam com natureza compressiva após o dobramento, conforme esperado.
Os perfis em profundidade das TR apresentados nas Fig. (4b) e (5b) mostraram que o padrão de comportamento das tensões resíduas transversais é compressivo, mesmo para profundidades de cerca de 350µm, o que pode ser em decorrência da severidade do processo de dobramento (até 160°) que pode ter atingindo plasticamente camadas muito profundas. Contudo, não se observa uma diferença significativa do comportamento das TR com a variação de velocidade de soldagem. Particularmente, para as condições de 0,6m/min e 1,0m/min na direção longitudinal as tensões residuais superficiais apresentaram-se trativas. Entretanto a deformação durante o ensaio de dobramento se dá no sentido transversal.
As macrografias mostradas na Fig. (6) descrevem como a velocidade de soldagem influencia o perfil de fusão e solidificação das juntas, o que está diretamente ligado a formação do estado de tensões residuais pós soldagem. Observa-se a tendência de formação de grãos dentríticos com o aumento da velocidade de soldagem.
(a)
(b)
(c)
Figura 6. Macrografia das juntas soldadas: (a) 0,2m/min; (b) 0,6m/min; (c) 1,0 m/min.
Através da análise microestrutural, realizada por microscopia óptica, foi confirmado que o metal de base (MB) é constituído por ilhas de martensita dispersas na matriz ferrítica (poligonal), como apresentado na Fig. (7). Entretanto, a microestrutura bifásica e equilibrada do MB foi modificada pelo processo de soldagem, apresentando zonas termicamente afetadas (ZTA’s) constituídas, predominantemente, por ferrita poligonal em todas as condições. A Figura 8a apresenta uma microscopia na região da ZTA da amostra soldada a 0,2m/min. Na zona fundida (ZF), a microestrutura original bifásica torna-se completamente ferrítica, sendo composta por ferrita poligonal, ferrita acicular e ferrita de segunda fase alinhada para a amostras soldada a 0,2m/min, conforme apresentado na Fig. 8b.
Figura 7. Microestrutura do metal de base.
(a) (b)
Figura 8. Amostras soldada a 0,2m/min: (a) ZTA e (b) ZF (aumento de 40x).
4. Conclusões
O estudo realizado sobre a influência da velocidade de soldagem nas tensões residuais geradas na soldagem a laser permite concluir que:
1. As tensões residuais transversais superficiais oriundas da soldagem a laser apresentaram-se trativas na região da zona fundida, sendo os maiores obtidos com menores velocidades de soldagem (0,2m/min), tanto no topo quanto na raiz das juntas.
2. Após o dobramento, as juntas deformadas plasticamente apresentaram tensões residuais superficiais compressivas, de magnitude significante na direção transversal (direção de aplicação da deformação) em todas as condições. Entretanto, na direção longitudinal mostraram um comportamento mais heterogêneo, resultando em tensões trativas em duas condições (0,6 m/min e 1,0m/min).
3. Os perfis em profundidade descreveram que as tensões residuais medidas nos cp’s planos tem comportamento muito heterogêneo. Contudo, os cp’s dobrados apresentaram TR compressivas estáveis até 350µm. Esse nível e alcance do campo tensões compressivas nas camadas subsuperficiais do material são indicativo de domínio do efeito Bauschinger.
4. As macrografias mostraram que velocidade de soldagem influencia o perfil de fusão e solidificação das juntas, o que está diretamente ligado a formação do estado de tensões residuais pós soldagem.
5. As microscopias mostraram o deterioramento da estrutura bifásica do aço DP600 pelo processo de soldagem a laser, apresentando zonas termicamente afetadas (ZTA’s) constituídas, predominantemente, por ferrita poligonal em todas as condições.
5. Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq, à CAPES e à FAPERJ pelo suporte financeiro, que permitiu a realização do presente trabalho. A empresa TRUMF pelo corte e soldagem a laser e a USIMINAS pela doação do aço DP600.
6. Referências
Cindra Fonseca, M.P. 2000, “Evolução do Estado de Tensões Residuais em Juntas Soldadas de Tubulação Durante Ciclos de Fadiga”, Tese de Doutorado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, COPPE/UFRJ.
Farabi, N., Chen, D.L., Li, J., Zhou, Y. and Dong, S.J., 2010, “Microstructure and mechanical properties of laser welded DP600 steel joints”. Materials Science and Engineering, Vol. A527, pp. 1215-1222.
Kandil, F.A.; Lord, J.D.; Fry, A.T.; Grant, P.V., 2001, “A Review of Residual Stress Measurement Methods” Reino Unido.
Lifang Mei, Genyu Chen, Xiangzhong Jin, Yi Zhang and Qiang Wu, 2009, “Research on laser welding of high-strength galvanized automobile steel sheets”, Optics and Lasers in Engineering, Vol. 47, pp. 1117-1124.
Rizzi, P., Bellingeri, S., Massimino, F., Baldissin, D. and Battezzati, L., 2009, “Microstructures in laser welded high strength steels”, The 13th International Conference on Rapidly Quenched and Metastable Materials. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 144.
Wang Z., Gong B., 2008. “Residual Stress in the Forming of Materials”. Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel” 3rd Printing, ASM International, pp. 141- 149, Ohio.
7. Direitos autorais
INFLUENCE OF SPEED WELDING ON THE RESIDUAL STRESSES
BEHAVIOR IN THE LASER WELDING OF DP600 STEEL UNDER BENDING
TEST
REFERÊNCIA: COF2015-0486
Resumo: The laser welding process, one of the most modern processes used in the automotive sector, has attracted
attention in the industry due to its high productivity with good metallurgical properties of welded joints with heat affected zone and fusion zone of reduced extensions. However, residual stresses generation is intrinsic to the welding process and can directly influence the life of the component service. This study aims to evaluate the influence of welding speed on the behavior of residual stresses generated in the bending processes of laser welded joints of DP600 steel. Residual stresses were measured by X-ray diffraction at sen2ψ method, using Crκα radiation. The results showed that the tensile residual stresses are present on both sides of the joints after welding. However, after the bending tests these tensions became compressive probably due to the called Bauschinger effect.
