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 Samenvatting: Vergelijking van defectvorming, mechanische sterkte en corrosiebestendigheid van GTAW- en LBW-verbindingen in voorgestreepte gegalvaniseerde Dual-Phase staalplaten

Probleemstelling
De automotive industrie maakt steeds vaker gebruik van Tailor-Welded Blanks (TWB's) om het voertuiggewicht en de productiekosten te optimaliseren. Deze componenten omvatten vaak het samenvoegen van platen met variërende diktes en pre-strain niveaus. Hoewel Dual-Phase (DP) staal een uitstekende balans tussen sterkte en ductiliteit biedt, wordt de toepassing ervan bemoeilijkt door de aanwezigheid van zinkcoatings (galvanisatie) en de pre-straining die vereist is voor vormgeving. De combinatie van pre-straining, laagsmeltend zink en thermische cycli tijdens het lassen creëert een hoog risico op defecten zoals vloeibaar metaal-brosheid (LME), gasporositeit en heet scheuren. Bovendien is de warmtebeïnvloede zone (HAZ) in DP-staal gevoelig voor verweking door martensiet-tempering. Hoewel Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) en Laser Beam Welding (LBW) veelgebruikte lasmethoden zijn, blijft de specifieke invloed van pre-strain niveaus op de thermische velden, defectvorming, microstructuurontwikkeling en corrosiebestendigheid van gegalvaniseerd DP590 staal onvoldoende begrepen.

Methodologie
Deze studie maakte gebruik van een gecombineerde numerieke-experimentele benadering om de effecten van GTAW- en LBW-processen op voorgestreepte gegalvaniseerde DP590 staalplaten (0,89 mm en 1,34 mm dikte) te evalueren.

• Experimenteel ontwerp: Een volledige factoriële $2^3$ Design of Experiments (DoE) werd toegepast, waarbij het lasproces (GTAW vs. LBW), de lasstroom/laservermogen en het pre-strain niveau als controlevactoren dienden.
• Karakterisering: Macrofoto's en microfoto's werden geanalyseerd om de geometrie van de smeltzone (FZ), aspectratio's en interne defecten (porositeit, scheuren) te beoordelen. Microstructuuranalyse werd uitgevoerd met behulp van optische microscopie, SEM en EPMA om fasefracties en de degradatie van de zinkcoating te kwantificeren. Microhardheidsprofielen werden gemeten over de BM, HAZ en FZ.
• Corrosietesten: Potentiodynamische polarisatietests werden uitgevoerd op geïsoleerde FZ- en HAZ-regio's in een 3,5 wt.% NaCl-oplossing om corrosiesnelheden en -mechanismen te bepalen.
• Numerieke simulatie: Een eindige elementen (FE) thermisch model werd ontwikkeld om de transiënte temperatuurverdelingen, afkoelsnelheden en warmteaccumulatie te voorspellen. Verschillende warmtebronmodellen (dubbel-ellipsoïde voor GTAW en elliptisch paraboloïde voor LBW) werden gekalibreerd om rekening te houden met de door plaatvervorming aangepaste FZ-morfologie.

Belangrijkste resultaten

• Defectvorming: Pre-straining veranderde de FZ-morfologie aanzienlijk, waarbij deze transformeerde van elliptisch naar trapeziumvormig of rechthoekig. Deze verbreding vergemakkelijkte het ontsnappen van Zn-dampbellen, waardoor porositeit effectief werd onderdrukt. Hoge afkoelsnelheden versnelden de stolling, wat heet scheuren voorkwam en de interactietijd tussen het gestolde metaal en residueel vloeibaar Zn minimaliseerde, waardoor LME werd beperkt. Er werden geen stollingsscheuren gedetecteerd in de lassen.
• Microstructuur en hardheid:
  • GTAW: De bredere FZ's leidden tot warmteaccumulatie en een langdurig verblijf in het interkritische temperatuurbereik, wat de vorming van ferriet bevorderde. Dit resulteerde in een heterogene microstructuur (voornamelijk Widmanstätten- en polygonale ferriet) met een lagere en niet-uniforme microhardheid (gemiddeld ~326 HV) en lokale verweking.
  • LBW: De geconcentreerde warmtebron en hogere afkoelsnelheden onderdrukten de ferrietnucleatie, wat leidde tot een verfijnde, homogene bainitisch-ferritische microstructuur met een hoger martensietgehalte. Dit leverde hogere en meer uniforme microhardheidswaarden op (gemiddeld ~398 HV) door de gehele FZ.
• Corrosiebestendigheid:
  • GTAW: De heterogene microstructuur (ferriet gekoppeld aan bainiet/martensiet) creëerde talrijke micro-galvanische koppelingen, wat leidde tot hogere galvanische corrosiesnelheden. Het verlies van de Zn-coating resulteerde in uniforme corrosie.
  • LBW: Hoewel de FZ gevoelig was voor chloride-geïnduceerde pitting door de afwezigheid van een stabiele passieve film, resulteerden de hogere fracties van martensiet en boven-bainiet (die een edeler elektrochemisch gedrag vertonen) in lagere algehele corrosiesnelheden vergeleken met de GTAW-verbindingen. De HAZ bij LBW was verwaarloosbaar, waardoor de eigenschappen van het basismateriaal behouden bleven.

Betekenis en Conclusies
De studie concludeert dat Laser Beam Welding (LBW) een geschiktere lasmethode is dan GTAW voor voorgestreepte gegalvaniseerde DP590 staalplaten van lage dikte. De belangrijkste voordelen van LBW komen voort uit het vermogen om hoge afkoelsnelheden te genereren, wat de microstructuur verfijnt, de mechanische eigenschappen homogeniseert en de gevoeligheid voor galvanische corrosie vermindert. Hoewel pre-straining de FZ-geometrie en warmteaccumulatie aanzienlijk beïnvloedt, beheert het LBW-proces deze thermische effecten effectief om defectvrije verbindingen met superieure mechanische en corrosieprestaties te produceren. Het onderzoek benadrukt dat de specifieke thermische cycli die inherent zijn aan elk lasproces, in plaats van alleen de toegevoerde energie, de fase-transformatie en de daaropvolgende prestaties bepalen van gelaste gegalvaniseerde DP-stalen.