Propriedades Mecânicas e Comportamento à Fadiga de Chapas de Aço HSLA Soldadas por Laser

Abstract

The present research focuses on the fatigue behaviour and mechanical properties of a laser welded thin high-strength low-alloy (HSLA) steel. Under a maximum laser power of 2 kW, single pass and double pass butt welded joints were developed by autogenous laser welding (ALW) on 3 mm thick Strenx® 700MCE steel. This steel has a minimum yield strength at 700 MPa and its typical applications include elements and parts of trailer, trucks, crane, cars and wagon. This work aims to understand the effect of weld bead geometry, imperfections and local properties such as microstructure, hardness and residual stresses in the fatigue strength, fatigue lives and tensile strength of the butt welded joints. It also sought to establish the laser welding parameters for the development of single pass ALW as well as to determine their influence on the main factors that affect fatigue behaviour and mechanical properties.

Design of experiments and analysis of variance (ANOVA) was used to establish and validate the effect of the welding parameters on the weld bead geometry. Extensive experimental work was carried out, including, among others: the welding of two sets of butt joints in addition to previous tests; the determination of S-N curves, fatigue crack growth rate (FCGR) curves and residual stresses for four welded series and the base metal (BM). The finite element method (FEM) was used in order to determine the stress concentration factor (SCF). The main novel contributions achieved by the research carried out include:

(1) Determination of the effect of the main laser welding parameters on the weld bead geometry in low ranges of laser power (1-2 kW), welding speed (1.5-2.5 m/min) and heat inputs (20-80 J/mm);

(2) Development of single pass ALW with B quality level according to the ISO 13919-1 welding quality standard, with a detailed description of imperfections including undercuts and porosity distributions and faithful geometric modeling of weld bead profiles either real or based on average dimensions for a better determination of SCFs by FEM.

(3) Understanding the effects of laser welding parameters on main factors that influence fatigue behaviour and the mechanical properties of the HSLA steel. A low HI in the heat-affected zone (HAZ) and fusion zone (FZ) where fatigue cracks started and propagated, achieves the following positive effects: smaller width of these zones, bainitic microstructure that retards the growth of cracks, high hardness in the FZ and less softening in the HAZ, low residual tensile stresses and even residual compressive stresses in the center of the FZ, however it also causes a slight increase in porosity and underfill.

(4) Understanding the influence of the main factors on fatigue behaviour and mechanical properties of the HSLA steel. It was demonstrated that in the fatigue limit assessment, where the crack initiation period prevails, the stress-concentrating approach and the consideration of the local properties of hardness and residual stress and an appropriate SCF that reflects the weld bead profile, achieves a close estimate of the fatigue limits thus explaining the small differences between the welded joints.

(5) The application of the crack propagation approach, assuming an initial crack size and appropriate FCGRs at high stress levels to joints welded with thin plates where the fatigue life is strongly influenced by the quantity, size and location of crack-like imperfections which determines the formation of characteristic surface cracks leading to neglect the crack initiation period.

O presente trabalho estuda o comportamento à fadiga e as propriedades mecânicas de chapas finas de aço de baixa liga e alta resistência, soldadas a laser. Usando uma potência máxima do laser de 2 kW, as juntas são soldadas de topo a topo com uma só passagem e dupla passagem, em aço Strenx® 700MCE de 3 mm de espessura. Esse aço tem limite de escoamento mínimo de 700 MPa e suas aplicações típicas são elementos e peças de reboques, camiões, guindastes, carros e vagões.

O trabalho visa compreender o efeito da geometria do cordão de solda, imperfeições e propriedades locais como microestrutura, dureza e tensões residuais na resistência à fadiga, vida à fadiga e resistência à tração das juntas soldadas de topo. Pretende-se também estabelecer os parâmetros da soldadura a laser autógena de passe único e determinar sua influência nos principais fatores que afetam o comportamento à fadiga e as propriedades mecânicas.

Plano de experimento e análise de variância foram usados para estabelecer e validar o efeito dos parâmetros de soldadura na geometria do cordão de solda. Foi realizado um extenso trabalho experimental que incluiu: a soldadura de dois conjuntos de juntas de topo em adição aos testes anteriores; a determinação das curvas S-N, a obtenção de curvas da velocidade de crescimento de fendas por fadiga e tensões residuais para quatro séries soldadas e o metal base, entre outras. O método dos elementos finitos foi utilizado na determinação do fator de concentração de tensão. As principais contribuições do trabalho realizado, são:

(1) Determinação do efeito dos principais parâmetros de soldadura a laser na geometria do cordão para baixas faixas de potência do laser (1-2 kW), velocidade de soldadura (1,5-2,5 m / min) e entradas de calor (20-80 J / mm).

(2) Desenvolvimento do procedimento de soldadura a laser autógena de passagem única com nível de qualidade B de acordo com a norma de qualidade ISO 13919-1, com a descrição detalhada de imperfeições, incluindo defeitos na raiz do cordão e distribuições de porosidade e modelação geométrica dos perfis de cordão de soldadura, reais ou, baseados em dimensões médias para uma melhor determinação dos fatores de concentração de tensão pelo método dos elementos finitos.

(3) Compreender o efeito dos parâmetros de soldadura a laser nos principais fatores que influenciam o comportamento à fadiga e as propriedades mecânicas. Uma entrada de calor baixa, na zona afetada pelo calor e na zona de fusão onde as fissuras de fadiga se iniciam e propagam, produz os seguintes efeitos positivos: menor largura dessas zonas, microestrutura bainítica que retarda o crescimento das fendas, alta dureza na zona de fusão e menos amaciamento na zona afetada pelo calor, baixas tensões residuais de tração e até tensões compressivas residuais no centro da zona de fusão. No entanto, também causa um ligeiro aumento da porosidade e falta de enchimento.

(4) Analisar a influência dos principais fatores de soldadura no comportamento à fadiga e nas propriedades mecânicas do aço de baixa liga de alta resistência. Foi demonstrado que na avaliação da tensão limite de fadiga, onde o período de iniciação da fenda prevalece, a abordagem baseada na concentração de tensão e na consideração das propriedades locais de dureza e tensão residual conduz a uma estimativa adequada dos limites de fadiga, permitindo explicar as pequenas diferenças entre as juntas soldadas.

(5) A aplicação da abordagem baseada na propagação de fendas, assumindo um tamanho de fenda inicial e taxas de crescimento de fenda de fadiga apropriadas em altos níveis de tensão para juntas soldadas de chapa fina, onde a vida à fadiga é fortemente influenciada pela quantidade, tamanho e localização de fissuras ou imperfeições que determinam a formação de fissuras superficiais características que reduzem o período de iniciação da fenda.