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 preço (1-3). 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

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

 

 

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

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.

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

Análise

várias partes, de acordo com 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.

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 6mm.

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

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

Fig. 2 – Localização dos termopares

 

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.

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

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.

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

 

Análise

Resultados Experimentais e discussão

Microestruturas

A figura 4 (pág. 23) mostra uma macroestrutura 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 colunares; a zona termicamente afetada (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).

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

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

 

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

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

 

 

susceptíveis à ocorrência de fratura frágil.

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

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

 

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.

Fig. 8 – Perfil de dureza para a junta soldada estudada

 

Portanto, durante o resfriamento, a ZTA passou por transformação martensítica. Por sua vez, as temperaturas das outras zonas ficaram abaixo da temperatura A1, não ocorrendo a transformação martensítica. Conforme o diagrama TTT 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 metal base. As microestruturas dessas zonas são mostradas na figura 5 (pág. 24). É possível observar alguns carbonetos distribuídos na matriz ferrítica na microestrutura

Análise

do metal-base próximo à ZTA. Esse fato pode estar relacionado ao revenimento da martensita presente no metal-base durante a soldagem a ponto.

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, respectivamente, 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 importante 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 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 mi-

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.

 

croestrutura 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.

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).

 

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 botão de solda. Com base nos resultados da seção anterior, 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.

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

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

 

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 microestruturas e as propriedades mecânicas de juntas 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.

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 martensita, enquanto outras áreas apresentaram microestrutura típica do metal-base. Por outro lado, foram constatados carbonetos distribuídos na matriz ferrítica

Análise

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.

As análises da superfície de fratura dos corpos de prova rompidos nos ensaios de cisalhamento sob tração e de tração cruzada indicaram caráter predominantemente frágil, mas foi observada certa deformação plástica na superfície de 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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