Comparison of defect formation, mechanical strength and corrosion resistance of GTAW and LBW joints performed in pre-strained sheets of galvanized dual-phase steel

Technische Zusammenfassung: Vergleich der Defektbildung, mechanischen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit von GTAW- und LBW-Verbindungen in vorverformtem verzinktem Duplex-Stahl

Problemstellung
Die Automobilindustrie setzt zunehmend auf Tailor-Welded Blanks (TWBs), um Fahrzeuggewicht und Herstellungskosten zu optimieren. Diese Komponenten beinhalten oft das Fügen von Blechen mit unterschiedlichen Dicken und Vorverformungsgraden. Obwohl Duplex-Stähle (DP-Stähle) ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Duktilität bieten, wird ihre Anwendung durch das Vorhandensein von Zinkbeschichtungen (Verzinkung) und die für die Umformung erforderliche Vorverformung erschwert. Die Kombination aus Vorverformung, niedrigschmelzenden Zinkbeschichtungen und den thermischen Zyklen während des Schweißens erzeugt ein hohes Risiko für Defekte wie Flüssigmetallversprödung (LME), Gasporosität und Heißrisse. Zudem ist die Wärmeeinflusszone (WEZ) bei DP-Stählen aufgrund der Martensit-Temperung anfällig für Erweichung. Obwohl das WIG-Schweißen (GTAW) und das Laserschweißen (LBW) gängige Fügeverfahren sind, bleibt der spezifische Einfluss der Vorverformungsgrade auf die thermischen Felder, die Defektbildung, die mikrostrukturelle Entwicklung und die Korrosionsbeständigkeit von verzinktem DP590-Stahl unzureichend verstanden.

Methodik
In dieser Studie wurde ein kombinierter numerisch-experimenteller Ansatz angewandt, um die GTAW- und LBW-Prozesse auf vorverformte verzinkte DP590-Stahlbleche (Dicken von 0,89 mm und 1,34 mm) zu evaluieren.

• Experimentelles Design: Ein vollständiger faktorieller $2^3$ Versuchsplan (DoE) wurde verwendet, wobei das Schweißverfahren (GTAW vs. LBW), der Schweißstrom/die Laserleistung und der Vorverformungsgrad als Kontrollfaktoren dienten.
• Charakterisierung: Makro- und Mikroaufnahmen wurden analysiert, um die Geometrie der Schmelzzone (FZ), die Aspektverhältnisse und interne Defekte (Porosität, Risse) zu bewerten. Die mikrostrukturelle Analyse erfolgte mittels Lichtmikroskopie, REM und EPMA, um Phasenanteile und den Abbau der Zinkbeschichtung zu quantifizieren. Mikrohärteprofile wurden über den Grundwerkstoff (BM), die WEZ und die Schmelzzone (FZ) gemessen.
• Korrosionstests: Potentiodynamische Polarisationsmessungen wurden an isolierten FZ- und WEZ-Regionen in einer 3,5 Gew.-% NaCl-Lösung durchgeführt, um Korrosionsraten und -mechanismen zu bestimmen.
• Numerische Simulation: Ein Finite-Elemente-Thermalkmodell (FE) wurde entwickelt, um transiente Temperaturverteilungen, Abkühlraten und Wärmestau vorherzusagen. Verschiedene Wärmequellenmodelle (doppel-ellipsoid für GTAW und elliptisches Paraboloid für LBW) wurden kalibriert, um die durch Blechverformung modifizierte FZ-Morphologie zu berücksichtigen.

Wesentliche Ergebnisse

• Defektbildung: Die Vorverformung veränderte die FZ-Morphologie signifikant und führte zu einem Übergang von elliptischen zu trapezförmigen oder rechteckigen Formen. Diese Verbreiterung erleichterte das Entweichen von Zn-Dampfblasen, wodurch Porosität effektiv unterdrückt wurde. Hohe Abkühlraten beschleunigten die Erstarrung, verhinderten Heißrisse und minimierten die Wechselwirkungszeit zwischen dem erstarrten Metall und dem verbleibenden flüssigen Zn, wodurch LME gemildert wurde. In keinem der Schweißnähte wurden Erstarrungsrisse festgestellt.
• Mikrostruktur und Härte:
  • GTAW: Die breiteren FZs führten zu Wärmestau und einem längeren Verbleib im interkritischen Temperaturbereich, was die Ferritbildung förderte. Dies resultierte in einer heterogenen Mikrostruktur (vorwiegend Widmanstätten- und polygonales Ferrit) mit geringerer und ungleichmäßiger Mikrohärte (Durchschnitt ~326 HV) sowie lokaler Erweichung.
  • LBW: Die konzentrierte Wärmequelle und die höheren Abkühlraten unterdrückten die Ferritkeimbildung und förderten eine verfeinerte, homogene bainitisch-ferritische Mikrostruktur mit einem höheren Martensitanteil. Dies lieferte höhere und gleichmäßigere Mikrohärtewerte (Durchschnitt ~398 HV) in der gesamten FZ.
• Korrosionsbeständigkeit:
  • GTAW: Die heterogene Mikrostruktur (Ferrit kombiniert mit Bainit/Martensit) erzeugte zahlreiche mikrogalvanische Kopplungen, was zu höheren galvanischen Korrosionsraten führte. Der Verlust der Zn-Beschichtung resultierte in Gleichmäßigkeitskorrosion.
  • LBW: Obwohl die FZ aufgrund des Fehlens eines stabilen Passivfilms anfällig für chloridinduzierte Lochfraßkorrosion war, führten die höheren Anteile an Martensit und oberem Bainit (die ein edleres elektrochemisches Verhalten aufweisen) zu niedrigeren Gesamtkorrosionsraten im Vergleich zu den GTAW-Verbindungen. Die WEZ bei LBW war vernachlässigbar, wodurch die Eigenschaften des Grundwerkstoffs erhalten blieben.

Bedeutung und Schlussfolgerungen
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass das Laserschweißen (LBW) ein geeigneteres Verbindungsverfahren als das WIG-Schweißen (GTAW) für vorverformte verzinkte DP590-Stahlbleche geringer Dicke ist. Die Hauptvorteile von LBW liegen in der Fähigkeit, hohe Abkühlraten zu erzeugen, welche die Mikrostruktur verfeinern, die mechanischen Eigenschaften homogenisieren und die Anfälligkeit für galvanische Korrosion reduzieren. Während die Vorverformung die FZ-Geometrie und den Wärmestau signifikant beeinflusst, kann der LBW-Prozess diese thermischen Effekte effektiv steuern, um defektfreie Verbindungen mit überlegener mechanischer und korrosionsbeständiger Leistung zu erzeugen. Die Forschung hebt hervor, dass die spezifischen thermischen Zyklen, die jedem Schweißprozess eigen sind, und nicht nur die Energiezufuhr, die Phasenumwandlung und die anschließende Leistung der geschweißten verzinkten DP-Stähle bestimmen.