Caracterização e avaliação da soldabilidade a laser de aços avançados de alta resistência processados pelo método press hardening

A procura cada vez mais intensa por redução de peso visando sustentabilidade e diminuição da depreciação de recursos naturais, com consequente diminuição no consumo de combustíveis dos veículos comerciais, está ganhando cada vez mais importância, seguindo uma tendência já bastante estabelecida nas estruturas modernas dos automóveis. Enquanto os componentes usados em estruturas dos automóveis são projetados especialmente para distribuir a carga de impacto para outros componentes estruturais sem danificar a estrutura total do veículo, a principal preocupação no processamento de chapas grossas de aços avançados de alta resistência (AHSS), especialmente o aço 22MnB5, vem sendo obter peças de alta resistência, sem comprometer a tenacidade e a resistência à fratura. Estes aços se diferenciam de outros principalmente pela sua microestrutura após o processo de estampagem a quente, sendo capaz de produzir uma microestrutura totalmente martensítica durante o rápido resfriamento em prensa. Este trabalho apresenta a caracterização de um projeto de liga modificado para o processo de estampagem a quente, com o objetivo de reduzir a sensibilidade a trincas e fragilizações em processos com tempos de ciclo e calor maiores, como esperado para o caso de chapas grossas. Adicionalmente, visa avaliar o comportamento na soldagem a laser como alternativa de técnica de união para tais aços, propondo condições de processamento. Para tanto, foram estudadas duas ligas de aços para estampagem a quente, sendo a liga 22MnB5 (em seu estado convencional) e a liga 22MnB5 modificada com adições de nióbio e molibdênio. Numa primeira etapa se procurou determinar os níveis dos parâmetros adequados para a soldagem laser. Após definido o parâmetro ideal, sendo este o mesmo para ambas as ligas estudadas, a soldagem a laser foi avaliada através da caracterização microestrutural e comportamento mecânico das juntas soldadas, por análises metalográficas, MEV/EDS, EBSD, microdureza, ensaio de tração e fadiga. As amostras soldadas da variante do aço modificado com adições de Nb e Mo apresentaram uma microestrutura mais favorável na zona afetada pelo calor, resultando em propriedades mecânicas aprimoradas e comportamento de fratura dúctil. As melhorias estão relacionadas à inibição do engrossamento do grão de austenita na zona afetada pelo calor. Os mecanismos de limitação do crescimento de grãos durante a soldagem a laser do aço modificados serão descritos.The increasing demand for weight reduction focusing at sustainability and reduction of the natural resources depreciation, with consequent decrease in fuel consumption of commercial vehicles, is gaining more and more importance, following a well-established trend in modern commercial car structures. While components used in automobile structures are specially designed to distribute the impact load to other structural components without damaging the overall vehicle structure, the main concern in processing advanced high strength steel (AHSS) plates, especially the 22MnB5 steel, it has been obtaining high strength parts without compromising toughness and fracture resistance. These steels differ from others mainly in their microstructure after the hot stamping process, being able to produce a fully martensitic microstructure during rapid press cooling. This work presents the characterization of a modified alloy design for the hot stamping process, with the objective of reducing the sensitivity to cracks and brittleness in processes with longer cycle and heat times, as expected for the case of thick plates. In addition, it aims to evaluate the behavior in laser welding as an alternative of joining technique for such steels, proposing processing conditions. For this purpose, two alloys of hot stamping steels were studied, being the 22MnB5 alloy (at its conventional state) and the 22MnB5 alloy modified with niobium and molybdenum additions. In a first step, appropriated parameter levels for laser welding were defined. After the ideal parameter setup, which was the same for both studied alloys, laser welding was evaluated by microstructural characterization and mechanical behavior of welded joints, by metallographic analysis, SEM/EDS, EBSD, microhardness, tensile testing, and fatigue. The welded samples of the modified steel variant with Nb-Mo additions were found to have a more favorable microstructure in the heat affected zone resulting in improved mechanical properties and more ductile fracture behavior. The improvements are related to the inhibition of austenite grain coarsening in the heat affected zone. The mechanisms of grain growth limitation during laser welding of the modified steel will be outlined

Pesquisa aplicada & inovação

O processo de contínua atualização de tecnologias, processos e produtos, tem colocado a inovação no centro das discussões de diferentes instituições. Uma vez que a necessidade de se manter competitiva, e para além disso, estar na vanguarda dessas modificações, se tornou algo necessário para a sobrevivência das organizações, o processo de renovação dos portfólios de projetos, bem como o gerenciamento desses é fundamental para trilhar o caminho rumo a inovação. Diversas metodologias estão disponíveis para promover a geração de ideias e potencializar os processos já em curso. Dentre essas, o Mapa de Rotas Tecnológicas (MRT) se mostra uma importante ferramenta para a coleta de ideias, auxiliando tanto no processo de formulação estratégica, quanto na definição das ações relativas ao planejamento de novos produtos, processos e tecnologias. A utilização da metodologia do MRT permitiu a uma empresa do segmento metalmecânico delinear seu portfólio de projetos a partir do levantamento e priorização de ideias de forma colaborativa. Assim, o processo de estampagem a quente foi considerado no ano de 2019 como um processo alinhado ao direcionamento estratégico da empresa, sendo priorizado e incorporado ao portfólio de projetos. A partir da utilização de corpos de prova com o aço para estampagem a quente 22MnB5 com 8,00 mm de espessura, por meio da análise de taxa de resfriamento, microestrutura e microdureza foi possível verificar comportamento mecânico e metalúrgico satisfatórios, possibilitando a utilização do aço para estruturas de veículos rodoviários comerciai

Pesquisa aplicada & inovação

O processo de contínua atualização de tecnologias, processos e produtos, tem colocado a inovação no centro das discussões de diferentes instituições. Uma vez que a necessidade de se manter competitiva, e para além disso, estar na vanguarda dessas modificações, se tornou algo necessário para a sobrevivência das organizações, o processo de renovação dos portfólios de projetos, bem como o gerenciamento desses é fundamental para trilhar o caminho rumo a inovação. Diversas metodologias estão disponíveis para promover a geração de ideias e potencializar os processos já em curso. Dentre essas, o Mapa de Rotas Tecnológicas (MRT) se mostra uma importante ferramenta para a coleta de ideias, auxiliando tanto no processo de formulação estratégica, quanto na definição das ações relativas ao planejamento de novos produtos, processos e tecnologias. A utilização da metodologia do MRT permitiu a uma empresa do segmento metalmecânico delinear seu portfólio de projetos a partir do levantamento e priorização de ideias de forma colaborativa. Assim, o processo de estampagem a quente foi considerado no ano de 2019 como um processo alinhado ao direcionamento estratégico da empresa, sendo priorizado e incorporado ao portfólio de projetos. A partir da utilização de corpos de prova com o aço para estampagem a quente 22MnB5 com 8,00 mm de espessura, por meio da análise de taxa de resfriamento, microestrutura e microdureza foi possível verificar comportamento mecânico e metalúrgico satisfatórios, possibilitando a utilização do aço para estruturas de veículos rodoviários comerciai

Fatigue performance of laser welds in heavy-gage press hardening steels

This work investigates and compares the fatigue performance of laser-welded joints of two press hardening steels: a standard 22MnB5 and a variant modified by a combination of niobium and molybdenum (NbMo) alloying. The results indicate that joint geometry aspects, superposed to an intrusion-generated damage mechanism, were prevalent in causing a poor fatigue life in the case of peak stress values greater than 11% of the base metal's ultimate strength being around 1450 MPa. As identical process procedures were employed, the tests allowed investigating the influence of the alloy design on fatigue performance. The results of geometrical analysis and fatigue tests indicated that the NbMo modified alloy performed better than the standard 22MnB5 steel. The results also suggest that, if extremely tight quality limits are used in the manufacturing procedures, laser-welded joints of press hardened steels could offer a very favorable fatigue performance being considerably better than that of conventional and high strength structural steels

Análise microestrutural e avaliação mecânica de juntas soldadas por fricção e mistura mecânica (FSW) da liga de alumínio 5182-O

A procura cada vez mais intensa por redução de peso e consequente diminuição do consumo de combustível dos veículos automotores e aeronaves, tem proporcionado um crescimento constante na utilização do alumínio e suas ligas nos diversos setores da indústria de manufatura. No entanto, a dificuldade de união em juntas de alumínio que atendam requisitos de alta resistência à fratura e à fadiga, tem intensificado as pesquisas por novas tecnologias em seu processo de soldagem. Neste contexto, o processo de soldagem denominado Friction Stir Welding (FSW), vem ganhando espaço nas pesquisas e também na indústria. Neste processo, uma ferramenta não consumível é projetada especialmente para ser introduzida nas juntas das chapas a serem soldadas, gerando calor e misturando mecanicamente o material da junta, consolidando a solda. Este trabalho teve como objetivo avaliar os efeitos dos parâmetros de soldagem FSW, na consolidação das propriedades mecânicas das soldas produzidas, na microestrutura, além de buscar a otimização do processo para a liga em estudo. Para tanto, a geometria da ferramenta foi projetada, fabricada e testada, de forma a definir os parâmetros ideais para obtenção de juntas soldadas sem defeitos. Uma máquina fresadora CNC foi utilizada para a execução dos testes. As soldas foram produzidas em chapas de alumínio da liga Al 5182-O com espessura de 3,25mm, com velocidade rotacional da ferramenta mantida constante em 500 rpm e velocidades de soldagem de 50, 100, 150, 200 e 250 mm/min. A ferramenta foi inclinada em um ângulo de 1º, todas as soldas foram realizadas com sentido horário de rotação, após a realização dos testes as juntas soldadas foram submetidas a uma série de ensaios destrutivos e não destrutivos caracterizando cada teste realizado. Juntas de topo com penetração completa e livre de defeitos foram produzidas com velocidades de soldagem de 100, 150, 200 e 250 mm/min, enquanto com a velocidade de soldagem de 50 mm/min resultou em defeito do tipo vazio na zona da mistura no lado do avanço, defeito este caracterizado através de inspeção por microtomografia, o que fez com que as soldas produzidas com esta velocidade de soldagem rompessem na junta soldada. Em todas as velocidades de soldagem a caracterização através de microscopia óptica na seção transversal das soldas revelou um refino microestrutural, obtido pelo fenômeno de recristalização dinâmica, que resultou em um aumento nos valores de dureza na zona da mistura. Os resultados obtidos demostram que soldas de boa qualidade podem ser produzidas com este processo. Além disso, foi estabelecida uma correlação entre a história térmica associada ao processo de FSW, a microestrutura produzida e o desempenho mecânico das juntas soldadas.The increasingly intense demand for weight reduction and consequent reduction of the fuel consumption of motor vehicles and aircraft , has provided a steady growth in the use of aluminum and its alloys in various sectors of the manufacturing industry , but the difficulty in joining together aluminum that meet high fracture resistance and fatigue , has intensified the research for new technologies in the process of welding. In this context , the welding process called Friction Stir Welding ( FSW ) has been gaining ground in research and also in industry . In this process , non-consumable tool is specially designed to be inserted in the joints of the plates to be welded, generating heat and mechanically mixing the gasket material, consolidating the weld. This study aimed to evaluate the effects of welding parameters FSW , the consolidation of the mechanical properties of the welds produced, microstructure, and seek to optimize the process for the alloy under study. For this, the geometry of the tool is designed, manufactured and tested in order to define the optimal parameters for obtaining welded joints without defects. A milling machine CNC was used for the tests. The welds were produced in sheets of aluminum alloy Al 5182-O with a thickness of 3,25mm with rotational speed of the tool maintained constant at 500 rpm and welding speeds of 50, 100, 150, 200 and 250 mm / min, the tool was tilted at an angle of 1°, all welds were performed with clockwise direction of rotation, after the tests the welded joints were subjected to a series of destructive testing and nondestructive characterizing each test performed. Butt welding with full penetration and free defects were produced with welding speeds of 100, 150, 200 and 250 mm / min, while with the welding speed 50 mm / min resulted in failure of the void type in the zone of the mixture side of the advance, this defect characterized by inspection by microtomography, which has meant that the welds produced with this welding speed would break the joint weld. In all welding speeds characterization by optical microscopy in cross section of welds revealed a microstructure refining, obtained by dynamic recrystallization phenomenon, for which resulted in an increase in the hardness values in the mixing zone. The results demonstrate that good quality welds can be produced with this process. Moreover, a correlation between the thermal history associated with the process produced the microstructure and mechanical performance of welded joints was established

Análise microestrutural e avaliação mecânica de juntas soldadas por fricção e mistura mecânica (FSW) da liga de alumínio 5182-O

A procura cada vez mais intensa por redução de peso e consequente diminuição do consumo de combustível dos veículos automotores e aeronaves, tem proporcionado um crescimento constante na utilização do alumínio e suas ligas nos diversos setores da indústria de manufatura. No entanto, a dificuldade de união em juntas de alumínio que atendam requisitos de alta resistência à fratura e à fadiga, tem intensificado as pesquisas por novas tecnologias em seu processo de soldagem. Neste contexto, o processo de soldagem denominado Friction Stir Welding (FSW), vem ganhando espaço nas pesquisas e também na indústria. Neste processo, uma ferramenta não consumível é projetada especialmente para ser introduzida nas juntas das chapas a serem soldadas, gerando calor e misturando mecanicamente o material da junta, consolidando a solda. Este trabalho teve como objetivo avaliar os efeitos dos parâmetros de soldagem FSW, na consolidação das propriedades mecânicas das soldas produzidas, na microestrutura, além de buscar a otimização do processo para a liga em estudo. Para tanto, a geometria da ferramenta foi projetada, fabricada e testada, de forma a definir os parâmetros ideais para obtenção de juntas soldadas sem defeitos. Uma máquina fresadora CNC foi utilizada para a execução dos testes. As soldas foram produzidas em chapas de alumínio da liga Al 5182-O com espessura de 3,25mm, com velocidade rotacional da ferramenta mantida constante em 500 rpm e velocidades de soldagem de 50, 100, 150, 200 e 250 mm/min. A ferramenta foi inclinada em um ângulo de 1º, todas as soldas foram realizadas com sentido horário de rotação, após a realização dos testes as juntas soldadas foram submetidas a uma série de ensaios destrutivos e não destrutivos caracterizando cada teste realizado. Juntas de topo com penetração completa e livre de defeitos foram produzidas com velocidades de soldagem de 100, 150, 200 e 250 mm/min, enquanto com a velocidade de soldagem de 50 mm/min resultou em defeito do tipo vazio na zona da mistura no lado do avanço, defeito este caracterizado através de inspeção por microtomografia, o que fez com que as soldas produzidas com esta velocidade de soldagem rompessem na junta soldada. Em todas as velocidades de soldagem a caracterização através de microscopia óptica na seção transversal das soldas revelou um refino microestrutural, obtido pelo fenômeno de recristalização dinâmica, que resultou em um aumento nos valores de dureza na zona da mistura. Os resultados obtidos demostram que soldas de boa qualidade podem ser produzidas com este processo. Além disso, foi estabelecida uma correlação entre a história térmica associada ao processo de FSW, a microestrutura produzida e o desempenho mecânico das juntas soldadas.The increasingly intense demand for weight reduction and consequent reduction of the fuel consumption of motor vehicles and aircraft , has provided a steady growth in the use of aluminum and its alloys in various sectors of the manufacturing industry , but the difficulty in joining together aluminum that meet high fracture resistance and fatigue , has intensified the research for new technologies in the process of welding. In this context , the welding process called Friction Stir Welding ( FSW ) has been gaining ground in research and also in industry . In this process , non-consumable tool is specially designed to be inserted in the joints of the plates to be welded, generating heat and mechanically mixing the gasket material, consolidating the weld. This study aimed to evaluate the effects of welding parameters FSW , the consolidation of the mechanical properties of the welds produced, microstructure, and seek to optimize the process for the alloy under study. For this, the geometry of the tool is designed, manufactured and tested in order to define the optimal parameters for obtaining welded joints without defects. A milling machine CNC was used for the tests. The welds were produced in sheets of aluminum alloy Al 5182-O with a thickness of 3,25mm with rotational speed of the tool maintained constant at 500 rpm and welding speeds of 50, 100, 150, 200 and 250 mm / min, the tool was tilted at an angle of 1°, all welds were performed with clockwise direction of rotation, after the tests the welded joints were subjected to a series of destructive testing and nondestructive characterizing each test performed. Butt welding with full penetration and free defects were produced with welding speeds of 100, 150, 200 and 250 mm / min, while with the welding speed 50 mm / min resulted in failure of the void type in the zone of the mixture side of the advance, this defect characterized by inspection by microtomography, which has meant that the welds produced with this welding speed would break the joint weld. In all welding speeds characterization by optical microscopy in cross section of welds revealed a microstructure refining, obtained by dynamic recrystallization phenomenon, for which resulted in an increase in the hardness values in the mixing zone. The results demonstrate that good quality welds can be produced with this process. Moreover, a correlation between the thermal history associated with the process produced the microstructure and mechanical performance of welded joints was established

Evaluation of Fatigue Performance of Press Hardening Steel Joints Welded by GMAW-CSC and PAW Processes

The application of press hardening steels is spreading from automobiles, where crashworthiness demands are critical, to other segments, such as the agricultural and road transport industries. However, the operational conditions to which such equipment is exposed requires the application of heavier sheet gages and adapted joining processes. In this context, fatigue is recognized as the critical failure mode. The present article describes the procedures and results of fatigue testing performed on GMAW-CSC and PAW butt-welded specimens of 1500 MPa press hardening steel. Both methods are suitable alternatives to laser welding when joining relatively heavy-gaged components. The obtained fatigue results are also related to heat-affected zone characteristics and weld bead surfaces. Additionally, some ground-flush GMAW-CSC specimens were tested. The test results indicate that both welding procedures provide suitable fatigue performance. As-welded GMAW-CSC joints on this ultra-high strength steel accomplished a fatigue performance similar to welds of conventional steel. However, a remarkable performance increase was observed after flush grinding the weld beads. The plasma welding process presented less good results due to the more extensive manufacturing and geometric variability. The results indicate that adopting a suitable arc welding process, in association with post-weld geometry improvement, provides a fatigue performance that is competitive with laser-welded press hardening steels

Evaluation of Fatigue Performance of Press Hardening Steel Joints Welded by GMAW-CSC and PAW Processes

The application of press hardening steels is spreading from automobiles, where crashworthiness demands are critical, to other segments, such as the agricultural and road transport industries. However, the operational conditions to which such equipment is exposed requires the application of heavier sheet gages and adapted joining processes. In this context, fatigue is recognized as the critical failure mode. The present article describes the procedures and results of fatigue testing performed on GMAW-CSC and PAW butt-welded specimens of 1500 MPa press hardening steel. Both methods are suitable alternatives to laser welding when joining relatively heavy-gaged components. The obtained fatigue results are also related to heat-affected zone characteristics and weld bead surfaces. Additionally, some ground-flush GMAW-CSC specimens were tested. The test results indicate that both welding procedures provide suitable fatigue performance. As-welded GMAW-CSC joints on this ultra-high strength steel accomplished a fatigue performance similar to welds of conventional steel. However, a remarkable performance increase was observed after flush grinding the weld beads. The plasma welding process presented less good results due to the more extensive manufacturing and geometric variability. The results indicate that adopting a suitable arc welding process, in association with post-weld geometry improvement, provides a fatigue performance that is competitive with laser-welded press hardening steels

Fatigue Performance of Laser Welds in Heavy-Gage Press Hardening Steels

This work investigates and compares the fatigue performance of laser-welded joints of two press hardening steels: a standard 22MnB5 and a variant modified by a combination of niobium and molybdenum (NbMo) alloying. The results indicate that joint geometry aspects, superposed to an intrusion-generated damage mechanism, were prevalent in causing a poor fatigue life in the case of peak stress values greater than 11% of the base metal\u27s ultimate strength being around 1450 MPa. As identical process procedures were employed, the tests allowed investigating the influence of the alloy design on fatigue performance. The results of geometrical analysis and fatigue tests indicated that the NbMo modified alloy performed better than the standard 22MnB5 steel. The results also suggest that, if extremely tight quality limits are used in the manufacturing procedures, laser-welded joints of press hardened steels could offer a very favorable fatigue performance being considerably better than that of conventional and high strength structural steels