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

Resumo Técnico: Comparação da Formação de Defeitos, Resistência Mecânica e Resistência à Corrosão de Juntas GTAW e LBW em Aço Duplo-Fase Pré-Deformado

Definição do Problema
A indústria automotiva utiliza cada vez mais Chapas de Soldagem Customizadas (TWBs) para otimizar o peso dos veículos e os custos de fabricação. Esses componentes frequentemente envolvem a união de chapas com diferentes espessuras e níveis de pré-deformação. Embora os aços Duplo-Fase (DP) ofereçam um excelente equilíbrio entre resistência e ductilidade, sua aplicação é complicada pela presença de revestimentos de zinco (galvanização) e pela pré-deformação necessária para a conformação. A combinação de pré-deformação, revestimentos de zinco de baixo ponto de fusão e ciclos térmicos durante a soldagem cria um alto risco de defeitos, como fragilização por metal líquido (LME), porosidade gasosa e trincas a quente. Além disso, a zona afetada pelo calor (ZAC) nos aços DP é propensa ao amolecimento devido ao revenimento do martensita. Embora a soldagem por eletrodo revestido com tungstênio (GTAW) e a soldagem a laser (LBW) sejam métodos de união comuns, a influência específica dos níveis de pré-deformação sobre os campos térmicos, a formação de defeitos, a evolução microestrutural e a resistência à corrosão do aço DP590 galvanizado permanece insuficientemente compreendida.

Metodologia
Este estudo empregou uma abordagem numérica-experimental combinada para avaliar os processos GTAW e LBW em chapas de aço DP590 galvanizado pré-deformadas (0,89 mm e 1,34 mm de espessura).

• Delineamento Experimental: Foi utilizado um delineamento experimental fatorial completo $2^3$ (DoE), com o processo de soldagem (GTAW vs. LBW), corrente de soldagem/potência do laser e nível de pré-deformação como fatores de controle.
• Caracterização: Macrografias e micrografias foram analisadas para avaliar a geometria da Zona de Fusão (ZF), razões de aspecto e defeitos internos (porosidade, trincas). A análise microestrutural foi realizada por Microscopia Óptica, MEV e EPMA para quantificar frações de fase e a degradação do revestimento de zinco. Perfis de microdureza foram medidos através do metal de base (BM), ZAC e ZF.
• Teste de Corrosão: Testes de polarização potentiodinâmica foram realizados em regiões isoladas de ZF e ZAC em uma solução de NaCl a 3,5% em peso para determinar as taxas e mecanismos de corrosão.
• Simulação Numérica: Um modelo térmico de Elementos Finitos (FE) foi desenvolvido para prever distribuições de temperatura transientes, taxas de resfriamento e acúmulo de calor. Diferentes modelos de fonte de calor (elipsoide duplo para GTAW e paraboloide elíptico para LBW) foram calibrados para considerar a morfologia modificada da ZF causada pela deflexão da chapa.

Principais Resultados

• Formação de Defeitos: A pré-deformação alterou significativamente a morfologia da ZF, transitando de formas elípticas para formas trapezoidais ou retangulares. Esse alargamento facilitou a fuga das bolhas de vapor de Zn, suprimindo efetivamente a porosidade. Altas taxas de resfriamento aceleraram a solidificação, prevenindo trincas a quente e minimizando o tempo de interação entre o metal solidificado e o Zn líquido residual, mitigando assim a LME. Não foram detectadas trincas de solidificação em nenhuma das soldas.
• Microestrutura e Dureza:
  • GTAW: As ZFs mais largas levaram ao acúmulo de calor e a uma permanência prolongada na faixa de temperatura intercrítica, promovendo a formação de ferrita. Isso resultou em uma microestrutura heterogênea (predominantemente ferrita de Widmanstätten e poligonal) com microdureza menor e não uniforme (média de ~326 HV) e amolecimento localizado.
  • LBW: A fonte de calor concentrada e as taxas de resfriamento mais elevadas suprimiram a nucleação de ferrita, promovendo uma microestrutura de bainita-ferrita refinada e homogênea, com uma fração de martensita mais alta. Isso resultou em valores de microdureza mais altos e uniformes (média de ~398 HV) em toda a ZF.
• Resistência à Corrosão:
  • GTAW: A microestrutura heterogênea (ferrita acoplada com bainita/martensita) criou inúmeros pares galvânicos microscópicos, levando a taxas de corrosão galvânica mais altas. A perda do revestimento de Zn resultou em corrosão uniforme.
  • LBW: Embora a ZF tenha sido suscetível à corrosão por pites induzida por cloretos devido à ausência de um filme passivo estável, as frações mais altas de martensita e bainita superior (que exibem comportamento eletroquímico mais nobre) resultaram em taxas de corrosão geral menores em comparação com as juntas GTAW. A ZAC no LBW foi negligenciável, preservando as propriedades do material base.

Significância e Conclusões
O estudo conclui que a soldagem a laser (LBW) é um processo de união mais adequado do que o GTAW para chapas de aço DP590 galvanizado pré-deformadas de baixa espessura. As principais vantagens do LBW decorrem de sua capacidade de gerar altas taxas de resfriamento, que refinam a microestrutura, homogeneizam as propriedades mecânicas e reduzem a suscetibilidade à corrosão galvânica. Embora a pré-deformação influencie significativamente a geometria da ZF e o acúmulo de calor, o processo LBW gerencia efetivamente esses efeitos térmicos para produzir juntas livres de defeitos com desempenho mecânico e de corrosão superiores. A pesquisa destaca que os ciclos térmicos específicos inerentes a cada processo de soldagem, e não apenas a energia de entrada, ditam a transformação de fase e o desempenho subsequente dos aços galvanizados DP soldados.