influência da velocidade de soldagem no comportamento das

8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
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INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE SOLDAGEM NO COMPORTAMENTO
DAS TENSÕES RESIDUAIS EM JUNTAS SOLDADAS A LASER DE AÇO
DP600 SOB DOBRAMENTO
Tatiane de Campos Chuvas, [email protected]
Matheus Campos Martins, [email protected]
Juan Manuel Pardal, [email protected]
Maria Cindra Fonseca, [email protected]
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),
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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).
Figura 1. Analisador de tensões: (1) Unidade de controle; (2) Tubo de raio-X; (3) Software e (4) Amostra.
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(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).
Perfil transversal - Topo
400
200
100
0
-15
-10
-5
0
5
-100
-200
10
15
20
Tensão Residual (MPa)
0.2 m/min
0.6 m/min
1.0 m/min
300
Tensão Residual (MPa)
Perfil trasnversal - Raiz
400
0.2 m/min
0.6 m/min
1.0 m/min
300
200
100
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
-100
-200
-300
-400
-300
Distância (mm)
(a)
-400
Distância (mm)
(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).
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Transversal - plana
400
400
300
200
100
0
-100
Transversal - dobrada
500
50
100
150
200
250
300
350
400
-200
-300
-400
0.2 m/min
0.6 m/min
1.0 m/min
-500
Profundidade (µ m)
-600
Tensão Residual (MPa)
Tensão Residual (MPa)
500
300
0.2 m/min
0.6 m/min
1.0 m/min
200
100
0
-100
50
100
150
200
250
300
350
400
-200
-300
-400
-500
Profundidade (µm)
-600
(a)
(b)
Figura 4. Perfil em profundidade das tensões residuais transversais na zona fundida (a) cp plano; (b) após o
ensaio de dobramento.
500
400
300
200
100
0
50
100
150
200
250
300
350
400
-200
300
0.2 m/min
0.6 m/min
1.0 m/min
200
100
0
-100
50
100
150
200
250
300
350
400
-200
-300
-300
-400
-500
-600
Tensão Residual (MPa)
Tensão Residual (MPa)
400
-100
Longitudinal - dobrada
500
Longitudinal - plana
Profundidade (µm)
(a)
0.2 m/min
0.6 m/min
1.0 m/min
-400
-500
-600
Profundidade (µm)
(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
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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.
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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.
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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
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído neste trabalho.
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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.
Palavras-chave: Residual stresses, DP600 steel, Laser welding, Bending test, Bauschinger efect.