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

Résumé technique : Comparaison de la formation de défauts, de la résistance mécanique et de la résistance à la corrosion des joints GTAW et LBW dans l'acier DP galvanisé pré-étiré

Énoncé du problème
L'industrie automobile utilise de plus en plus les tôles à soudage différencié (TWB) pour optimiser le poids des véhicules et les coûts de fabrication. Ces composants impliquent souvent l'assemblage de tôles présentant des épaisseurs et des niveaux de pré-étirement variables. Bien que les aciers à deux phases (DP) offrent un excellent équilibre entre résistance et ductilité, leur application est complexifiée par la présence de revêtements de zinc (galvanisation) et par le pré-étirement requis pour le formage. La combinaison du pré-étirement, des revêtements de zinc à bas point de fusion et des cycles thermiques lors du soudage crée un risque élevé de défauts tels que la fragilisation par liquide métallique (LME), la porosité gazeuse et la fissuration à chaud. De plus, la zone affectée thermiquement (ZAT) des aciers DP est sujette à l'adoucissement dû au revenu de la martensite. Bien que le soudage TIG (GTAW) et le soudage par faisceau laser (LBW) soient des méthodes d'assemblage courantes, l'influence spécifique des niveaux de pré-étirement sur les champs thermiques, la formation de défauts, l'évolution microstructurale et la résistance à la corrosion de l'acier DP590 galvanisé reste insuffisamment comprise.

Méthodologie
Cette étude a employé une approche combinée numérique-expérimentale pour évaluer les processus GTAW et LBW sur des tôles d'acier DP590 galvanisées pré-étirées (épaisseurs de 0,89 mm et 1,34 mm).

• Plan d'expérience : Un plan d'expérience factoriel complet $2^3$ a été utilisé, avec le procédé de soudage (GTAW vs LBW), le courant de soudage/puissance laser et le niveau de pré-étirement comme facteurs de contrôle.
• Caractérisation : Les macrographies et micrographies ont été analysées pour évaluer la géométrie de la zone de fusion (ZF), les rapports d'aspect et les défauts internes (porosité, fissures). L'analyse microstructurale a été réalisée par microscopie optique, MEB et EPMA afin de quantifier les fractions de phases et la dégradation du revêtement de zinc. Des profils de microdureté ont été mesurés à travers le métal de base (BM), la ZAT et la ZF.
• Tests de corrosion : Des tests de polarisation potentiodynamique ont été effectués sur des régions isolées de la ZF et de la ZAT dans une solution de NaCl à 3,5 % en poids pour déterminer les taux de corrosion et les mécanismes.
• Simulation numérique : Un modèle thermique par éléments finis (FE) a été développé pour prédire les distributions de température transitoires, les taux de refroidissement et l'accumulation de chaleur. Différents modèles de source de chaleur (double ellipsoïde pour le GTAW et paraboloïde elliptique pour le LBW) ont été calibrés pour tenir compte de la morphologie modifiée de la ZF causée par la déflexion de la tôle.

Résultats clés

• Formation de défauts : Le pré-étirement a considérablement modifié la morphologie de la ZF, passant d'une forme elliptique à des formes trapézoïdales ou rectangulaires. Cet élargissement a facilité l'échappement des bulles de vapeur de Zn, supprimant ainsi efficacement la porosité. Les taux de refroidissement élevés ont accéléré la solidification, empêchant la fissuration à chaud et minimisant le temps d'interaction entre le métal solidifié et le zinc liquide résiduel, atténuant ainsi la LME. Aucune fissure de solidification n'a été détectée dans les soudures.
• Microstructure et dureté :
  • GTAW : Les ZF plus larges ont entraîné une accumulation de chaleur et un séjour prolongé dans la plage de température intercritique, favorisant la formation de ferrite. Cela a conduit à une microstructure hétérogène (principalement de la ferrite de Widmanstätten et polygonale) avec une microdureté plus faible et non uniforme (moyenne ~326 HV) et un adoucissement localisé.
  • LBW : La source de chaleur concentrée et les taux de refroidissement plus élevés ont supprimé la nucléation de la ferrite, favorisant une microstructure bainitique-ferritique raffinée et homogène avec une fraction de martensite plus élevée. Cela a produit des valeurs de microdureté plus élevées et plus uniformes (moyenne ~398 HV) dans toute la ZF.
• Résistance à la corrosion :
  • GTAW : La microstructure hétérogène (ferrite couplée à la bainite/martensite) a créé de nombreux couples micro-galvaniques, entraînant des taux de corrosion galvanique plus élevés. La perte du revêtement de Zn a entraîné une corrosion uniforme.
  • LBW : Bien que la ZF soit susceptible de présenter une corrosion par piqûres induite par les chlorures en raison de l'absence d'un film passif stable, les fractions plus élevées de martensite et de bainite supérieure (qui présentent un comportement électrochimique plus noble) ont entraîné des taux de corrosion globale plus faibles par rapport aux joints GTAW. La ZAT en LBW était négligeable, préservant les propriétés du matériau de base.

Signification et conclusions
L'étude conclut que le soudage par faisceau laser (LBW) est un procédé d'assemblage plus approprié que le GTAW pour les tôles d'acier DP590 galvanisées pré-étirées de faible épaisseur. Les principaux avantages du LBW découlent de sa capacité à générer des taux de refroidissement élevés, ce qui affine la microstructure, homogénéise les propriétés mécaniques et réduit la sensibilité à la corrosion galvanique. Bien que le pré-étirement influence considérablement la géométrie de la ZF et l'accumulation de chaleur, le processus LBW gère efficacement ces effets thermiques pour produire des joints sans défaut avec des performances mécaniques et de corrosion supérieures. Cette recherche souligne que les cycles thermiques spécifiques inhérents à chaque procédé de soudage, plutôt que simplement l'énergie d'apport, dictent la transformation de phase et les performances ultérieures des aciers DP galvanisés soudés.