Estudo de parâmetros de soldadura em aços HSLA

Abstract

Os ganhos de eficiência energética e a sustentabilidade estão na base do desenvolvimento de materiais com melhores propriedades específicas. Este é o caso das ligas leves e dos aços de baixa liga e elevada resistência (High Strength Low Alloy -HSLA- steels) que substituíram aços tradicionais, com teores mais elevados de elementos de liga. No caso da indústria automóvel, os aços HSLA têm utilização numa grande diversidade de componentes estruturais e permitem reduções significativas de peso e também de custo. O fabrico destes componentes envolve várias operações de enformação plástica e também de soldadura, estando esta última muitas vezes na origem de defeitos que podem ser detetados imediatamente ou, na pior situação possível, apenas após a entrada em serviço. É por isso fundamental identificar a contribuição de cada etapa do processamento para a origem destes defeitos. O estágio curricular foi realizado na empresa metalomecânica Epedal – Indústria de componentes metálicos S.A., que se dedica à produção de componentes para o sector automóvel. O presente trabalho teve como objetivo a identificação da origem de defeitos de soldadura por protuberâncias entre uma chapa de aço estampada (HX340LAD Zn100, com quatro protuberâncias produzidas por deformação plástica) e um bloco de aço (S355MC), ambos aços HSLA. O estudo efetuado teve como base o trabalho prévio realizado pela Epedal, que consistiu na alteração não sistemática de parâmetros do robot de soldadura até que o número de defeitos fosse diminuído. Neste trabalho estudou-se sobretudo o efeito da pressão e da intensidade de corrente aplicadas durante a soldadura. A caracterização consistiu na análise da forma das protuberâncias produzidas, antes e após aplicação da pressão, numa análise microestrutural das zonas soldadas, na sua caracterização mecânica através de microdureza Vickers (200 gf) e em ensaios mecânicos de arrancamento para avaliação da integridade estrutural das zonas soldadas. Uma tarefa nova consistiu na análise topográfica por microscopia ótica 3D através da técnica de variação de foco, das protuberâncias produzidas por deformação plástica da chapa metálica com 1,75 mm de espessura, antes e após a aplicação de pressão. Verificou-se que os topos das protuberâncias tal como produzidas não estavam centrados com a base circular das mesmas. Após a aplicação de pressão (2,5 bar, 4,5 bar e 6,0 bar) resultam áreas de contacto entre as quatro protuberâncias da chapa e o bloco de 5,09 mm2, 11,66 mm2 e 19,76 mm2, respetivamente. As pressões efetivas de contato foram obtidas após calibração da força aplicada com uma célula de carga. Conclui-se que no início da aplicação da corrente a tensão compressiva de contacto (1,07, 1,39 e 1,87 GPa) diminui com o aumento da pressão aplicada pela máquina, pois há maior deformação plástica da protuberância. Verificou-se também que as áreas de cada protuberância também não são iguais entre si, o que indica que durante a sua produção não se garantiu uma altura uniforme das mesmas. Foram realizadas várias soldaduras com intensidades de corrente de 17,5 kA, 35 kA e 44 kA, obtendo-se valores de densidade de corrente inicial entre 1,77 kA/mm2 e 6,88 kA/mm2. Mediram-se as áreas da zona termicamente afetada (ZTA) e o comprimento das mesmas, de acordo com o controlo de qualidade exigido pelo cliente. Através da análise microestrutural foi possível observar que as amostras produzidas com menor densidade de corrente apresentam maior teor em martensite, enquanto as amostras produzidas com densidade de corrente de 3,77 kA/mm2 e 6,88 kA/mm2 possuem mais austenite residual. A área da ZTA e o comprimento da união destas duas amostras são também as únicas que obedecem aos critérios mínimos do cliente das peças. Os perfis de microdureza mostram que estas duas amostras, tal como as restantes têm maior dureza nas zonas termicamente afetadas. As duas melhores amostras têm no entanto valores máximos na zona de fusão menores (~250 HV0.2) do que as restantes (~350 HV0.2), indicando que estas últimas terão uma soldadura mais frágil. Os ensaios de arrancamento mostraram que apenas as duas amostras com densidade de corrente de 3,77 kA/mm2 e 6,88 kA/mm2 obedecem inteiramente aos critérios de qualidade do cliente, o que não acontece com os parâmetros atuais da empresa. Chegou-se então à conclusão que a causa da falta de qualidade das peças soldadas ocorrida na Epedal estaria relacionada com a combinação inadequada de pressão de contacto e intensidade de corrente que resultariam em valores demasiado baixos de densidade de corrente. A geometria não uniforme das protuberâncias origina também densidades de corrente diferentes em cada protuberância, o que poderá resultar em protuberâncias com uma boa união com o bloco e outras sem qualquer transferência de material, numa mesma peça, agravando ainda mais o problema. Desta forma recomendou-se à Epedal a correção da ferramenta de estampar, por forma a proporcionar uma uniformização das protuberâncias. Identificou-se como densidade de corrente mínima pra a obtenção de uma boa soldadura o valor de 3,77 kA/mm2, que pode ser conseguido com uma intensidade de corrente de 35 kA para um valor de pressão mínima de 2,5 bar. Esta poderá ser aumentada para garantir a deformação completa da protuberância, mas garantindo sempre o valor mínimo da densidade de corrente.

Energy efficiency gains and sustainability are the base of the development of materials with increased specific proprieties. This is the case for light alloys and high strength low alloy (HSLA) steels, which replaced conventional steels, with higher levels of alloy elements. In the automobile industry, HSLA steels are used in a large diversity of structural components that account for significant reduction of the weight and also of material costs. The production of this components several plastic forming and welding operations. For the latter defects may appear immediately or, in the worst scenario, only after the entry into service. It is thus fundamental to identify the contribution of each step of the process in the origin of the defect. The internship was performed in a metalworking company named Epedal - Indústria de componentes metálicos S.A., whose main products are components for the automotive industry. The objective of the work was to identify the origin of projection welding defects between a HSLA steel sheet (HX340LAD Zn100, with four projections) and another HSLA steel block (S355MC). The study was performed based on previous work done by Epedal, which consisted on a non-systematic change of the robot’s welding parameters until the number of defects was reduced. In the present work the effect of pressure and current intensity applied during welding on the weld quality were assessed. The characterization consisted in the analysis of the shape of the projections produced before and after the application of pressure, a microstructural analysis of the welded areas, in the mechanical characterization by Vickers microhardness (200gf) measurements and by a mechanical pullout test for evaluating the structural integrity of the welded parts. A new task consisted in the topographical analysis by optical microscopy 3D using focus variation technique, of the projections produced by plastic deformation of the metal plate 1,75 mm thick before and after application of pressure. It was found that the tops of the projections produced were not centered with their circular base. After the application of pressure, 2,5 bar, and 4,5 bar 6,0 bar, the resulting contact areas between the four projections of the plate and the block are 5,09 mm2, 11,66 mm2 and 19,76 mm2, respectively. The effective contact pressures were obtained after calibration of the forces with a load cell. It was concluded that, just before current application, the actual contact pressure (1,07, 1,39 and 1,87 GPa) decreases with the increasing of the pressure applied by the machine, as there is a larger plastic deformation of the projections. It was also found that the areas of each projection are also not equal, which indicates that the stamping does not ensure neither the centering nor uniform height of the four projections. Several welding tests were carried out with current intensities of 17,5 kA, 35 kA and 44 kA, for initial current density values between 1,77 kA/mm2 and 6,88 kA/mm2. The areas of the heat affected zone (HAZ) and the joint length were measured, according to the quality control required by the customer. Through microstructural analysis it was observed that the samples produced with lower current density have a higher content of martensitic phase, while the samples produced with current density of 3,77 kA/mm2 and 6,88 kA/mm2 have more retained austenite. The area of the HAZ and the joint’s length of these two samples are also the ones that meet the minimum criteria of the customer’s requirements. Microhardness profiles showed that these samples, as well as the others, are harder in the heat affected zones. However this two samples have lower (~ 250 HV0,2) maximum values than the others (~ 350 HV0,2) in the melting zone, indicating that the latter weldings will be more brittle. The pullout tests showed that only two samples with current density of 3,77 kA/mm2 and 6,88 kA/mm2 fully satisfy the customer's quality criteria, which does not happen with the actual parameters used by the company. Finally, it can be concluded that the lack of quality of these welded parts at Epedal was related to an inadequate combination of contact pressure and current intensity that would result in too low values of current density. The non-uniform geometry of the projections also creates different current densities on each projection. So, in the same part, some projections may have a good bond with the block while for others there is no transfer of material, which can further worsen the problem. It was thus recommended to Epedal the correction of the geometry of the stamping tool in order to provide uniform projections. The minimum current density of 3,77 kA/mm2 was established for obtaining a good welding. This can be achieved with a current intensity of 35 kA for a minimum pressure value of 2,5 bar. The pressure can be increased to ensure complete deformation of the projection, but always guaranteeing the minimum value of the current density.