Caracterização e avaliação da soldabilidade a laser de aços avançados de alta resistência processados pelo método press hardening

Abstract

A procura cada vez mais intensa por redução de peso visando sustentabilidade e diminuição da depreciação de recursos naturais, com consequente diminuição no consumo de combustíveis dos veículos comerciais, está ganhando cada vez mais importância, seguindo uma tendência já bastante estabelecida nas estruturas modernas dos automóveis. Enquanto os componentes usados em estruturas dos automóveis são projetados especialmente para distribuir a carga de impacto para outros componentes estruturais sem danificar a estrutura total do veículo, a principal preocupação no processamento de chapas grossas de aços avançados de alta resistência (AHSS), especialmente o aço 22MnB5, vem sendo obter peças de alta resistência, sem comprometer a tenacidade e a resistência à fratura. Estes aços se diferenciam de outros principalmente pela sua microestrutura após o processo de estampagem a quente, sendo capaz de produzir uma microestrutura totalmente martensítica durante o rápido resfriamento em prensa. Este trabalho apresenta a caracterização de um projeto de liga modificado para o processo de estampagem a quente, com o objetivo de reduzir a sensibilidade a trincas e fragilizações em processos com tempos de ciclo e calor maiores, como esperado para o caso de chapas grossas. Adicionalmente, visa avaliar o comportamento na soldagem a laser como alternativa de técnica de união para tais aços, propondo condições de processamento. Para tanto, foram estudadas duas ligas de aços para estampagem a quente, sendo a liga 22MnB5 (em seu estado convencional) e a liga 22MnB5 modificada com adições de nióbio e molibdênio. Numa primeira etapa se procurou determinar os níveis dos parâmetros adequados para a soldagem laser. Após definido o parâmetro ideal, sendo este o mesmo para ambas as ligas estudadas, a soldagem a laser foi avaliada através da caracterização microestrutural e comportamento mecânico das juntas soldadas, por análises metalográficas, MEV/EDS, EBSD, microdureza, ensaio de tração e fadiga. As amostras soldadas da variante do aço modificado com adições de Nb e Mo apresentaram uma microestrutura mais favorável na zona afetada pelo calor, resultando em propriedades mecânicas aprimoradas e comportamento de fratura dúctil. As melhorias estão relacionadas à inibição do engrossamento do grão de austenita na zona afetada pelo calor. Os mecanismos de limitação do crescimento de grãos durante a soldagem a laser do aço modificados serão descritos.

The increasing demand for weight reduction focusing at sustainability and reduction of the natural resources depreciation, with consequent decrease in fuel consumption of commercial vehicles, is gaining more and more importance, following a well-established trend in modern commercial car structures. While components used in automobile structures are specially designed to distribute the impact load to other structural components without damaging the overall vehicle structure, the main concern in processing advanced high strength steel (AHSS) plates, especially the 22MnB5 steel, it has been obtaining high strength parts without compromising toughness and fracture resistance. These steels differ from others mainly in their microstructure after the hot stamping process, being able to produce a fully martensitic microstructure during rapid press cooling. This work presents the characterization of a modified alloy design for the hot stamping process, with the objective of reducing the sensitivity to cracks and brittleness in processes with longer cycle and heat times, as expected for the case of thick plates. In addition, it aims to evaluate the behavior in laser welding as an alternative of joining technique for such steels, proposing processing conditions. For this purpose, two alloys of hot stamping steels were studied, being the 22MnB5 alloy (at its conventional state) and the 22MnB5 alloy modified with niobium and molybdenum additions. In a first step, appropriated parameter levels for laser welding were defined. After the ideal parameter setup, which was the same for both studied alloys, laser welding was evaluated by microstructural characterization and mechanical behavior of welded joints, by metallographic analysis, SEM/EDS, EBSD, microhardness, tensile testing, and fatigue. The welded samples of the modified steel variant with Nb-Mo additions were found to have a more favorable microstructure in the heat affected zone resulting in improved mechanical properties and more ductile fracture behavior. The improvements are related to the inhibition of austenite grain coarsening in the heat affected zone. The mechanisms of grain growth limitation during laser welding of the modified steel will be outlined.