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

Sintesi Tecnica: Confronto tra la formazione di difetti, la resistenza meccanica e la resistenza alla corrosione dei giunti GTAW e LBW in acciaio Dual-Phase pre-incrudito galvanizzato

Problematica
L'industria automobilistica utilizza sempre più spesso lamiere saldate su misura (Tailor-Welded Blanks - TWB) per ottimizzare il peso dei veicoli e i costi di produzione. Questi componenti coinvolgono spesso l'unione di lamiere con spessori e livelli di pre-incrudimento differenti. Sebbene gli acciai Dual-Phase (DP) offrano un eccellente equilibrio tra resistenza e duttilità, la loro applicazione è complicata dalla presenza di rivestimenti di zinco (galvanizzazione) e dal pre-incrudimento richiesto per la formatura. La combinazione di pre-incrudimento, rivestimenti di zinco a basso punto di fusione e cicli termici durante la saldatura crea un alto rischio di difetti come l'infragilimento da metallo liquido (LME), la porosità da gas e la cricca a caldo. Inoltre, la zona termicamente alterata (HAZ) negli acciai DP è soggetta a rammollimento a causa del tempering della martensite. Sebbene la saldatura ad elettrodo di tungsteno con gas (GTAW) e la saldatura a fascio laser (LBW) siano metodi di unione comuni, l'influenza specifica dei livelli di pre-incrudimento sui campi termici, sulla formazione di difetti, sull'evoluzione microstrutturale e sulla resistenza alla corrosione dell'acciaio DP590 galvanizzato rimane insufficientemente compresa.

Metodologia
Questo studio ha impiegato un approccio combinato numerico-sperimentale per valutare i processi GTAW e LBW su lamiere di acciaio DP590 galvanizzato pre-incrudito (spessori di 0,89 mm e 1,34 mm).

• Disegno Sperimentale: È stato utilizzato un disegno degli esperimenti (DoE) fattoriale completo $2^3$, con il processo di saldatura (GTAW vs. LBW), la corrente di saldatura/potenza del laser e il livello di pre-incrudimento come fattori di controllo.
• Caratterizzazione: Macrografie e micrografie sono state analizzate per valutare la geometria della zona di fusione (FZ), i rapporti d'aspetto e i difetti interni (porosità, cricche). L'analisi microstrutturale è stata condotta tramite microscopia ottica, SEM ed EPMA per quantificare le frazioni di fase e la degradazione del rivestimento di zinco. I profili di microdurezza sono stati misurati attraverso BM, HAZ e FZ.
• Test di Corrosione: Test di polarizzazione potenziodinamica sono stati eseguiti su regioni isolate di FZ e HAZ in una soluzione di NaCl al 3,5 % in peso per determinare i tassi e i meccanismi di corrosione.
• Simulazione Numerica: È stato sviluppato un modello termico a elementi finiti (FE) per prevedere le distribuzioni di temperatura transitorie, i tassi di raffreddamento e l'accumulo di calore. Diversi modelli di sorgente di calore (doppio ellissoide per GTAW e paraboloide ellittico per LBW) sono stati calibrati per tenere conto della morfologia modificata della FZ causata dalla deflessione della lamiera.

Risultati Chiave

• Formazione di Difetti: Il pre-incrudimento ha alterato significativamente la morfologia della FZ, facendola passare da una forma ellittica a forme trapezoidali o rettangolari. Questo allargamento ha facilitato la fuga delle bolle di vapore di Zn, sopprimendo efficacementamente la porosità. Gli elevati tassi di raffreddamento hanno accelerato la solidificazione, prevenendo la cricca a caldo e minimizzando il tempo di interazione tra il metallo solidificato e lo zinco liquido residuo, mitigando così l'LME. Non sono state rilevate cricche di solidificazione in nessuna delle saldature.
• Microstruttura e Durezza:
  • GTAW: Le FZ più ampie hanno portato all'accumulo di calore e a una permanenza prolungata nell'intervallo di temperatura intercritica, promuovendo la formazione di ferrite. Ciò ha prodotto una microstruttura eterogenea (prevalentemente ferrite Widmanstätten e poligonale) con microdurezza inferiore e non uniforme (media ~326 HV) e rammollimento localizzato.
  • LBW: La sorgente di calore concentrata e gli elevati tassi di raffreddamento hanno soppresso la nucleazione della ferrite, promuovendo una microstruttura bainitica-ferritica raffinata e omogenea con una frazione di martensite più elevata. Ciò ha prodotto valori di microdurezza più elevati e uniformi (media ~398 HV) in tutta la FZ.
• Resistenza alla Corrosione:
  • GTAW: La microstruttura eterogenea (ferrite accoppiata con bainite/martensite) ha creato numerosi accoppiamenti micro-galvanici, portando a tassi di corrosione galvanica più elevati. La perdita del rivestimento di Zn ha causato una corrosione uniforme.
  • LBW: Sebbene la FZ fosse suscettibile al pitting indotto da cloruri a causa dell'assenza di un film passivo stabile, le frazioni più elevate di martensite e bainite superiore (che esibiscono un comportamento elettrochimico più nobile) hanno garantito tassi di corrosione complessivi inferiori rispetto ai giunti GTAW. La HAZ in LBW era trascurabile, preservando le proprietà del materiale di base.

Significatività e Conclusioni
Lo studio conclude che la saldatura a fascio laser (LBW) è un processo di unione più adatto rispetto alla GTAW per lamiere di acciaio DP590 galvanizzato pre-incrudite di basso spessore. I vantaggi primari della LBW derivano dalla sua capacità di generare elevati tassi di raffreddamento, che raffinano la microstruttura, omogeneizzano le proprietà meccaniche e riducono la suscettibilità alla corrosione galvanica. Sebbene il pre-incrudimento influenzi significativamente la geometria della FZ e l'accumulo di calore, il processo LBW gestisce efficacemente questi effetti termici per produrre giunti privi di difetti con prestazioni meccaniche e di corrosione superiori. La ricerca evidenzia che i cicli termici specifici inerenti a ciascun processo di saldatura, piuttosto che solo l'energia immessa, determinano la trasformazione di fase e le prestazioni successive degli acciai DP galvanizzati saldati.