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

Resumen Técnico: Comparación de la formación de defectos, resistencia mecánica y resistencia a la corrosión de las uniones GTAW y LBW en acero de fase dual galvanizado con pre-deformación

Planteamiento del problema
La industria automotriz utiliza cada vez más los Blancos de Medida Adaptados (TWBs) para optimizar el peso del vehículo y los costes de fabricación. Estos componentes suelen implicar la unión de láminas con diferentes espesores y niveles de pre-deformación. Aunque los aceros de Fase Dual (DP) ofrecen un excelente equilibrio entre resistencia y ductilidad, su aplicación se complica por la presencia de recubrimientos de zinc (galvanizado) y la pre-deformación requerida para el conformado. La combinación de la pre-deformación, los recubrimientos de zinc de bajo punto de fusión y los ciclos térmicos durante la soldadura crea un alto riesgo de defectos como la fragilización por metal líquido (LME), porosidad por gas y agrietamiento en caliente. Además, la zona afectada por el calor (HAZ) en los aceros DP es propensa al ablandamiento debido al revenido de la martensita. Aunque la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW) y la soldadura por haz de láser (LBW) son métodos de unión comunes, la influencia específica de los niveles de pre-deformación sobre los campos térmicos, la formación de defectos, la evolución microestructural y la resistencia a la corrosión del acero DP590 galvanizado sigue siendo insuficientemente comprendida.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque numérico-experimental combinado para evaluar los procesos GTAW y LBW en láminas de acero DP590 galvanizado con pre-deformación (espesores de 0,89 mm y 1,34 mm).

• Diseño Experimental: Se utilizó un Diseño de Experimentos (DoE) factorial completo $2^3$, con el proceso de soldadura (GTAW frente a LBW), la corriente de soldadura/potencia del láser y el nivel de pre-deformación como factores de control.
• Caracterización: Se analizaron macrografías y micrografías para evaluar la geometría de la Zona de Fusión (FZ), las relaciones de aspecto y los defectos internos (porosidad, grietas). El análisis microestructural se realizó mediante microscopía óptica, SEM y EPMA para cuantificar las fracciones de fase y la degradación del recubrimiento de zinc. Los perfiles de microdureza se midieron a través del metal base (BM), la HAZ y la FZ.
• Pruebas de Corrosión: Se realizaron pruebas de polarización potenciodinámica en regiones aisladas de FZ y HAZ en una solución de NaCl al 3,5 % en peso para determinar las tasas y mecanismos de corrosión.
• Simulación Numérica: Se desarrolló un modelo térmico de elementos finitos (FE) para predecir las distribuciones de temperatura transitorias, las tasas de enfriamiento y la acumulación de calor. Se calibraron diferentes modelos de fuente de calor (elipsoide doble para GTAW y paraboloide elíptico para LBW) para tener en cuenta la morfología modificada de la FZ causada por la deflexión de la lámina.

Resultos Clave

• Formación de Defectos: La pre-deformación alteró significativamente la morfología de la FZ, pasando de formas elípticas a formas trapezoidales o rectangulares. Este ensanchamiento facilitó la escape de las burbujas de vapor de Zn, suprimiendo eficazmente la porosidad. Las altas tasas de enfriamiento aceleraron la solidificación, evitando el agrietamiento en caliente y minimizando el tiempo de interacción entre el metal solidificado y el Zn líquido residual, mitigando así la LME. No se detectaron grietas de solidificación en ninguna de las soldaduras.
• Microestructura y Dureza:
  • GTAW: Las FZs más anchas provocaron acumulación de calor y una estancia prolongada en el rango de temperatura intercrítica, promoviendo la formación de ferrita. Esto resultó en una microestructura heterogénea (predominantemente ferrita de Widmanstätten y poligonal) con una microdureza menor y no uniforme (promedio ~326 HV) y ablandamiento localizado.
  • LBW: La fuente de calor concentrada y las mayores tasas de enfriamiento suprimieron la nucleación de ferrita, promoviendo una microestructura de bainita-ferrita refinada y homogénea con una mayor fracción de martensita. Esto produjo valores de microdureza más altos y uniformes (promedio ~398 HV) en toda la FZ.
• Resistencia a la Corrosión:
  • GTAW: La microestructura heterogénea (ferrita junto con bainita/martensita) creó numerosos pares galvánicos micro, lo que condujo a tasas de corrosión galvánica más altas. La pérdida del recubrimiento de Zn resultó en una corrosión uniforme.
  • LBW: Aunque la FZ fue susceptible al picado inducido por cloruros debido a la ausencia de una película pasiva estable, las mayores fracciones de martensita y bainita superior (que exhiben un comportamiento electroquímico más noble) resultaron en tasas de corrosión general más bajas en comparación con las uniones GTAW. La HAZ en LBW fue insignificante, preservando las propiedades del material base.

Significancia y Conclusiones
El estudio concluye que la soldadura por haz de láser (LBW) es un proceso de unión más adecuado que GTAW para láminas de acero DP590 galvanizado con pre-deformación de bajo espesor. Las principales ventajas de LBW radican en su capacidad para generar altas tasas de enfriamiento, lo que refina la microestructura, homogeneiza las propiedades mecánicas y reduce la susceptibilidad a la corrosión galvánica. Si bien la pre-deformación influye significativamente en la geometría de la FZ y la acumulación de calor, el proceso LBW gestiona eficazmente estos efectos térmicos para producir uniones libres de defectos con un rendimiento mecánico y de corrosión superior. La investigación destaca que los ciclos térmicos específicos inherentes a cada proceso de soldadura, más que solo la energía de entrada, dictan la transformación de fase y el rendimiento posterior de los aceros DP galvanizados.