Caracterização de juntas de aço DP600 confeccionadas por soldagem a ponto por resistência elétrica


A soldagem a ponto por resistência elétrica, uma técnica comumente usada para unir aços em aplicações automotivas, precisa ser estudada com cuidado para que sejam melhoradas as propriedades mecânicas de uniões produzidas a partir dela. O objetivo deste trabalho é caracterizar as juntas confeccionadas por soldagem a ponto por resistência elétrica de chapas de aço do tipo DP600 (bifásicos). As propriedades mecânicas das juntas soldadas foram avaliadas por meio de ensaios de cisalhamento sob tração e de tração cruzada, sendo medida a evolução da temperatura ao longo do tempo durante o ciclo de soldagem. Foram correlacionadas as microestruturas observadas em diferentes partes das juntas com os seus registros térmicos realizados por termopares. Foi constatado que as trincas iniciaram na região periférica dos botões de solda com microestrutura martensítica, sendo observado modo de falha por arrancamento. Também foi constatado durante o processo que o revenimento foi o principal fator para a queda de dureza na zona termicamente afetada (ZTA).


A. Ramazani, K. Mukherjee, A. Abdurakhmanov, M. Abbasi e U. Prahl

Data: 24/11/2016

Edição: CCM Novembro 2016 - Ano - XII No 139

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Fig. 1 – Micrografia obtida por microscopia eletrônica de varredura do metal-base estudado neste trabalho

Atualmente o foco da indústria automotiva compreende a redução do peso dos carros, o aumento da sua segurança como, por exemplo, pela maior absorção de energia durante uma colisão e a redução de seu preço1-3. Em relação aos aços tradicionais de baixo carbono e de alta resistência e baixa liga, os aços bifásicos (dual phase, DP ) proporcionam boa combinação entre conformabilidade e alta resistência mecânica(4,5). Eles são atraentes às montadoras automotivas em razão de proporcionarem segurança, viabilidade econômica, eficiência energética e responsabilidade ambiental(6-8). Wang e outros(9) estudaram o comportamento dos aços bifásicos com alta resistência mecânica sob altas taxas de deformação. Eles constataram que, nos ensaios sob altas taxas de deformação, comparáveis a situações de colisão, os aços bifásicos falham em modo dúctil. A microestrutura dos aços bifásicos consiste em partículas de martensita dura dispersas em matriz de ferrita macia e dúctil. Foi constatado que uma razão bem balanceada entre as frações volumétricas de ferrita e martensita é o principal fator que afeta as propriedades mecânicas dos aços bifásicos(10,11). Outros fatores prejudiciais são a morfologia das ilhotas de martensita, o teor de carbono na martensita e a condição de deformação da ferrita(12,13).

A soldagem é a técnica de união mais importante na indústria automotiva, e suas condições possuem papel importante na determinação das propriedades mecânicas finais das juntas. O aporte local de calor proveniente da fonte de soldagem induz um alto gradiente de temperatura na peça que está sendo processada e pode afetar severamente a microestrutura e, consequentemente, as propriedades mecânicas dos aços(14). Isto é particularmente válido para os aços bifásicos, os quais contêm uma microestrutura ferrítica-martensítica específica(15,16). Portanto, é importante caracterizar a evolução da microestrutura durante a soldagem e sua influência sobre as propriedades mecânicas finais dos aços bifásicos.

A soldagem a ponto por resistência elétrica é o principal processo de união de chapas metálicas usado na manufatura de conjuntos automotivos(17). Os modos de fratura desse processo são o arrancamento do botão de solda, arrancamento parcial e fratura interfacial. Prefere -se o arrancamento do botão, uma vez que uma maior quantidade de energia é absorvida durante esse tipo de fratura(18). Zhang e outros(19) relataram que o modo de fratura depende, em princípio, do tamanho da zona de fusão; a falha tende a ocorrer sob modo de arrancamento à medida que o tamanho da zona de fusão aumenta. Ma e outros(20) descreveram a formação de “vazios” por contração na zona de fusão de um aço DP600 submetido à soldagem a ponto. De acordo com eles, esses espaços são formados devido à presença de significativos teores de elementos de liga nos aços bifásicos em comparação com os aços de baixo carbono.

Conforme as normas industriais, o tamanho mínimo das juntas soldadas a ponto que garante a fratura pelo arrancamento segue a relação

D = K √t

onde “D” é o diâmetro do botão de solda (em mm), “K” é uma constante que depende do processo, cujo valor varia de 3 até 6, e “t” é a espessura mínima da chapa (em mm)(21, 22).

Pouranvari e outros(23) discutiram um novo critério para assegurar a falha por arrancamento do botão no caso dos aços avançados com alta resistência mecânica (advanced high strength steels, AHSS). Khan e outros(24) estudaram os efeitos dos elementos de liga e as técnicas de processamento sobre os modos de fratura das juntas soldadas a ponto confeccionadas em aços AHSS. Eles concluíram que os aços com maior teor de carbono apresentam maior dureza na zona de fusão, demonstrando forte relação entre a composição química e as propriedades mecânicas. Eles compararam a fratura característica de juntas soldadas a ponto confeccionadas em chapas de aço DP600 galvanizadas com outras feitas com chapas galvannealed de aço DP780. O aço DP600 falhou pelo modo interfacial, enquanto o aço DP780 galvannealed falhou pelo modo de arrancamento de botão. Hayat e outros(25) estudaram o efeito dos parâmetros de soldagem sobre a tenacidade sob fratura de juntas soldadas a ponto em chapas de aço automotivo DP600 galvanizadas. Eles concluíram que a tenacidade sob fratura de juntas desse tipo depende do diâmetro do botão, espessura da chapa, força de tração para causar a ruptura, tempo e corrente de soldagem. Hernandez e outros(26) estudaram o comportamento de juntas soldadas dissimilares de aço DP600 e de outros aços AHSS. Eles relataram o modelo de falha pelo arrancamento quando o aço DP600 foi unido a outros aços AHSS.

Fig. 2 – Localização dos termopares

Este trabalho analisa a microestrutura e propriedades mecânicas de juntas soldadas a ponto por resistência elétrica do aço DP600. Foram analisadas as diferentes microestruturas presentes em várias partes, de acordocom a sua evolução térmica durante o processo de soldagem. Além disso, foram investigadas as propriedades mecânicas de juntas soldadas a ponto por meio de ensaios de cisalhamento sob tração e tração cruzada, bem como de dureza. Foi realizada fratografia para revelar o modo da fratura.

Técnicas experimentais

Caracterização do material

O material usado, fornecido pela divisão automotiva da ThyssenKrupp Steel AG (Alemanha), estava na forma de chapas galvanizadas laminadas a frio de aço DP600, com 1,5 mm de espessura. Conforme pode ser visto na tabela 1 (pág. 21), este material apresenta baixo teor de carbono, com adições de um teor relativamente alto de manganês, além de silício e cromo para facilitar a formação da microestrutura bifásica e para promover as propriedades objetivadas.

Fig. 3 – Geometria dos corpos de prova: (a) ensaio de cisalhamento sob tração; e (b) ensaio de tração cruzada. Todas as dimensões estão expressas em milímetros.

Os resultados de uma análise por microscopia eletrônica de varredura (figura 1, pág. 21) mostrou que as microestruturas iniciais consistiam de 85% de ferrita e 15% de martensita, e apresentaram tamanho médio de grão ferrítico igual a 7 mícrons.

Ensaios de soldagem

Foi usada uma pistola de soldagem a ponto robotizada, em formato de “C”, com transformador de média frequência-corrente contínua, disponível na Escola Superior Técnica RWTH (Alemanha). Nos ensaios de soldagem foram usadas pontas de eletrodo refrigeradas a água do tipo G16, de acordo com a norma técnica DIN ISO 5821, com área de contato de 6 mm.

Fig. 4 – Macroestrutura da junta a ponto soldada por resistência elétrica de aço DP600

Foram preparados corpos de prova a partir das chapas laminadas a frio. Estas foram usinadas obtendo dimensões de 83 x 45 x 1,5 mm e soldadas entre si. Os valores de força, corrente e tempo usados neste trabalho estão listados na tabela 2. Os valores desses parâmetros foram selecionados de forma tal que fossem obtidos botões com diâmetro mínimo igual a

4*√t,

onde “t” é a espessura da chapa, após a soldagem a ponto por resistência elétrica, e que eles correspondessem a parâmetros de soldagem próximos dos aplicados sob condições industriais. Foi feita uma análise metalográfica de cada corpo de prova para revelar a microestrutura. Foram executados ensaios de cisalhamento sob tração, tração cruzada e de dureza para caracterizar as propriedades mecânicas. Foram executados três ensaios de cisalhamento sob tração e três ensaios de tração cruzada.

Termopares

A taxa de resfriamento exerce influência importante sobre a formação da microestrutura no botão de solda e na ZTA. Para registrar os ciclos térmicos nos diferentes locais foram fixados três termopares do tipo K (cromel-alumel) a diferentes distâncias a partir da junta soldada a ponto. As distâncias selecionadas foram iguais a 2,9 mm, 3,5 mm e 4,3 mm, conforme mostrado na figura 2 (pág. 22). Os termopares foram localizados distantes dos eletrodos para minimizar os danos.

Ensaios de tração e análise dos corpos de prova

Fig. 5 – Microestruturas da (a) zona de fusão; (b) ZTA; (c) metal-base

Os ensaios de tração foram feitos numa máquina servohidráulica sob temperatura ambiente. Os ensaios de tração estáticos dos corpos de prova submetidos à soldagem a ponto por resistência elétrica foram executados sob velocidade de 5 mm/min para caracterizar melhor o escoamento dos materiais. As geometrias do corpo de prova para o ensaio de cisalhamento sob tração e de tração cruzada são mostradas na figura 3. A direção do ensaio de cisalhamento sob tração ocorreu ao longo do comprimento do corpo de prova soldado. Já para o ensaio de tração cruzada a direção do ensaio foi perpendicular ao plano do corpo de prova.

Foram feitas análises de microscopia óptica e eletrônica de varredura para caracterizar a macro e microestruturas, além das superfícies de fratura dos corpos de prova. As amostras foram submetidas a ataque metalográfico com solução de nital a 2%. Foram feitos ensaios de micro-dureza Vickers usando carga de endentador igual a 1.000 t e tempo de espera de 15 s para obter um perfil diagonal de dureza. As linhas transversais de medição de dureza foram feitas na direção normal à superfície de contato.

Resultados experimentais e discussão

Microestruturas

A figura 4 (pág. 23) mostra uma ma cro e s t r u tura da seção transversal da junta soldada. É possível observar na microestrutura a zona de fusão (FZ), que se fundiu e voltou a se solidificar durante a soldagem, a qual mostra uma estrutura bruta de fusão com grãos coluna-res; a zona termicamenteafetada (HAZ), a qual não se fundiu, mas sofreu alterações microestruturais; e o metal base (BM), o qual não teve nenhuma alteração microestrutural.

As microestruturas da zona de fusão e da ZTA são mostradas na figura 5. Ambas apresentam microestrutura martensítica, embora os grãos da zona de fusão sejam colunares. Isto pode estar relacionado com a evolução térmica e de resfriamento dessas zonas durante a soldagem. A zona de fusão se fundiu e a ZTA foi aquecida acima da temperatura A1. A taxa de resfriamento severo que foi aplicada a essas duas zonas resultou na formação de martensita. Já foram registradas taxas de resfriamento superiores a 400°C/s para a zona de fusão e a ZTA durante a soldagem a ponto por resistência elétrica(17).

Fig. 6 – Evolução da temperatura ao longo do tempo registrada pelos termopares mostrados na figura 2

A evolução de temperatura registrada pelos termopares é apresentada na figura 6, na qual pode ser observado que o termopar localizado na ZTA apontou temperatura de 900°C e taxa de resfriamento acima de 400°C/s. Nos demais termopares, localizados no metal-base e próximos à ZTA, a temperatura máxima registrada ficou abaixo de 600°C. Na soldagem a ponto por resistência elétrica a taxa de resfriamento da junta é muito alta. Neste caso, que envolveu o uso de chapas com espessura de 1,5 mm, foi estimado que a taxa de resfriamento ficou acima de 600°C/s. Estas taxas de resfriamento são muito maiores que os valores mínimos necessários para ocorrer a formação de martensita (os quais se encontram em torno de 40 a 120°C/s) na junta soldada e ZTA de aços bifásicos(27,28). O tempo para difusão de carbono torna-se insuficiente sob essas altas taxas de resfriamento. Obviamente, este processo, sob as taxas de resfriamento estimadas, levará à formação de frações significativas de martensita na zona de fusão e na ZTA. Elas se tornam susceptíveis à ocorrência de fratura frágil.

A equação mostrada a seguir permite calcular a temperatura de austenitização(29):

Sua aplicação à composição química do aço estudado neste trabalho permite prever que sua temperatura de austenitização é de aproximadamente 870°C. A partir daí deduz-se que a temperatura da ZTA ficou acima da necessária para a austenitização. Portanto, durante o resfriamento, a ZTA passou por transformação mar tensític a. Po r sua vez, as temperaturas das outras zonas ficaram abaixo da temperatura A1, não ocorrendo a transformação martensítica. Conforme o diagrama T T T do aço DP600, mostrado na figura 7, e as taxas de resfriamento medidas em ambas as partes, a ZTA deveria apresentar microestrutura martensítica, enquanto as outras áreas devem apresentar microestruturas similares à do metalbase. As microestruturas dessas zonas são mostradas na figura 5 (pág. 24). É possível observar alguns carbonetos distribuídos na matriz ferrítica na microestrutura do metal-base próximo à ZTA. Esse fato pode estar relacionado ao revenimento da mar tensita presente no metal-base durante a soldagem a ponto.

Fig. 7 – Diagrama TTT do aço estudado (28)

Os resultados das medições de dureza são mostrados na figura 8, (pág. 25) sendo os valores medidos na zona de fusão e no metal base de aproximadamente 400 HV e 200 HV, respec tivamente, enquanto as faixas de dureza da ZTA são da ordem de 310 HV. Uma vez que os valores de dureza superiores a 400 HV – 450 HV – e 300 HV – 350 HV – podem estar associados à presença da martensita e bainita, respectivamente, os valores de dureza menores que 300 HV0.8 podem ser atribuídos à ferrita(30), pode ser confirmada a presença de martensita na ZTA e de ferrita no metal-base, o que está de acordo com as observações metalográficas. A baixa dureza da ZTA em relação à zona de fusão pode estar relacionada com a alta distorção elástica no volume cristalino presente nos grãos da zona de fusão. Tal distorção, resultante da transformação martensítica, é um fator que eleva a dureza da martensita(31).

O mapa de dureza é muito impor tante para identificar as propriedades mecânicas das diferentes zonas desenvolvidas durante a soldagem. Ele é necessário para estudar o efeito das microestruturas formadas sobre as propriedades sobre as propriedades mecânicas finais do material(32,33) e para avaliar as suas propriedades micro mecânicas(32) . O mapa de dureza superficial da estrutura soldada é mostrado na figura 9. A heterogeneidade na dureza pode estar relacionada com a microestrutura das zonas que não são homogêneas. As principais causas disso foram associadas à distribuição não-homogênea dos elementos de liga durante a ressolidificação na zona de fusão e às diferentes fases na ZTA e no metal-base (34) . Conforme mostra a figura 9, o valor de dureza do metal-base é de cerca de 200 HV e os valores de dureza da zona de fusão e da ZTA são de aproximadamente 400 HV e 250 a 350 HV, respectivamente.

Propriedades mecânicas

Os resultados dos ensaios de cisalhamento sob tração e de tração cruzada são mostrados na figura 10. Foi constatado modo de falha por arrancamento, sendo que a fratura iniciou a partir de um ponto periférico em torno do bo tão de solda. Com base nos resultados da seção ante rior, a área apontada possui microestrutura martensítica. Acredita-se que a concentração de tensões decorrente da força exercida pelo eletrodo durante a soldagem ao redor da periferia do botão de solda resultou na nucleação de trincas em pontos que apresentam microestrutura martensítica. Uma vez que essa fase não é deformável, não se pode esperar uma fratura dúctil.

Fig. 8 Perfil de dureza para a junta soldada estudada

A superfície de fratura obtida é mostrada na figura 11 (pág. 26), a qual apresenta características de fratura frágil e evidências de deformação plástica. As curvas de carga versus deslocamento associadas aos ensaios de cisalhamento sob tração e de tração cruzada são mostradas na figura 12. A carga média para falha no caso dos corpos de prova submetidos à tração cruzada foi igual a 6,8 kN, enquanto o deslocamento médio foi igual a 11,5 mm. O deslocamento médio no caso dos ensaios de tração cruzada foi muito maior que o observado nos ensaios de cisalhamento sob tração. Este deslocamento, nesses últimos ensaios, foi igual a 2,5 mm, com carga média para falha igual a 7,9 kN. Neste estudo o diâmetro do botão de solda foi de aproximadamente 4,5 mm.

Resumo e conclusões

Foram caracterizadas as micro es truturas e as proprie dad es me c ânic as de junt as confeccionadas por soldagem a ponto por resistência elétrica do aço bifásico DP600. Para tanto, foram feitas análises metalográficas por microscopia óptica e eletrônica, levantamento do mapa de dureza e ensaios de tração.

Fig. 9 – Mapa de dureza superficial da junta soldada estudada

Fig. 10 – Corpos de prova após ensaio de (a) cisalhamento sob tração e (b) tração cruzada.

A zona de fusão na junta soldada apresentou microestrutura colunar constituída de martensita com alta dureza, da ordem de 400 HV. A ZTA foi constituída principalmente de mar tensita, enquanto outras áreas apresentaram microestrutura típica do metal-base. Por outro lado, foram constatados carbonetos distribuídos na matriz ferrítica na microestrutura do metal-base próximo à ZTA, como resultado de revenido.

Os corpos de prova fraturados apresentaram o modo característico de falha por arrancamento, enquanto as trincas iniciais foram nucleadas a partir de pontos periféricos ao redor da região da junta soldada.

Fig. 11 – (a) superfície de fratura de aço DP600 soldado a ponto por resistência elétrica após ensaio de tração cruzada; e (b) aparência de detalhe da superfície de fratura mostrada em (a).

Fig. 12 – Curvas de carga versus deslocamento associadas aos ensaios de cisalhamento sob tração e tração cruzada da junta soldada estudada

As análises da super fície de fratura dos corpos de prova rompidos nos ensaios de cisalhamento sob tração e de tração cruzada indicaram caráter predominantemente frágil, mas foi obser vada cer ta deforma ç ão plás tic a na sup er fície d e fratura.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Associação dos Grupos de Trabalho em Pesquisa Industrial (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen, AiF) pelo financiamento e apoio. Este estudo foi desenvolvido dentro do escopo do Projeto AiF 15548 N.

Contribuições dos autores

Ulrich Prahl foi o principal investigador deste projeto de pesquisa. Aydemir Abdurakhmanov e Mahmoud Abbasi conduziram os ensaios de soldagem. Krishnendu Mukherjee efetuou a caracterização da microestrutura dos corpos de prova soldados. Ali Ramazani executou os ensaios mecânicos, confeccionou o mapa de dureza, efetuou a fratografia e escreveu o texto.

Conflitos de interesse

Os autores declaram a inexistência de conflitos de interesse.

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