Rotura diferida em soldadura laser de materiais dissimilares

Abstract

O interesse pela soldadura laser de metais dissimilares, para a produção de componentes de transmissão, tem vindo a aumentar no seio da indústria automóvel, uma vez que permite aliar excelentes propriedades e requisitos de projeto a custos reduzidos. As juntas dissimilares, apesar de atenderem a requisitos de projeto complexos, apresentam problemas de soldabilidade, relacionados com as diferenças nas propriedades físicas, químicas e mecânicas dos metais envolvidos na ligação.No fabrico das caixas de velocidades, é utilizada a ligação por soldadura para acoplar a coroa à caixa diferencial. A coroa é fabricada em aço 27MnCr5 sujeito a um tratamento térmico super profundo de carbonitruração. A caixa diferencial é maquinada em ferro fundido dúctil, FCS 600-3. O material de adição utilizado é uma liga de crómio-níquel, NiCr20Mn3Nb.Este estudo tem como objetivo otimizar o processo de soldadura laser das caixas diferenciais, bem como avaliar o fluxo de hidrogénio difusível no aço, antes de este ser soldado. O cordão de soldadura estudado apresenta uma geometria circular, havendo uma zona de sobreposição, designada por zona do recobrimento. Esta zona foi identificada como crítica e de elevada contribuição para o fenómeno da fissuração a frio, pelo que foi realizado um plano de ensaios recorrendo à soldadura de várias amostras e testando diferentes parametrizações do sistema de alimentação do material de adição. As amostras foram inspecionadas através de ultrassons e, posteriormente, recorrendo à análise destrutiva.Relativamente ao fluxo de hidrogénio difusível no aço, este foi medido durante o tratamento térmico de revenido com a finalidade de avaliar se o hidrogénio se difunde para o exterior do material durante o revenido, como é que essa difusão reage ao aumento da temperatura e se a duração de 3h de revenido é suficiente para reduzir o nível de hidrogénio abaixo do nível considerado crítico para evitar a fissuração a frio.Com a realização desta investigação foi possível concluir que a zona do recobrimento é propícia ao surgimento de defeitos de soldadura, nomeadamente fissuras. Conclui-se ainda que grandes quantidades de hidrogénio são absorvidas pelo aço durante o tratamento térmico de carbonitruração, que depois é libertado durante o revenido. Contudo, ao fim de 3h de revenido o fluxo de hidrogénio é superior a 1000 pL/s, que ainda assim, é prejudicial e favorece a fissuração a frio.

The interest in laser welding of dissimilar metals, to produce transmission components, has been increasing within the automotive industry, since it allows to combine excellent properties and design requirements at reduced costs. Dissimilar joints, despite meeting complex design requirements, presents weldability problems related to differences between physical, chemical and mechanical properties of the metals involved in welded joint.In the manufacture of gearboxes, welding is used to attach the crown to the differential housing. The crown is made of 27MnCr5 steel subject to a carbonitriding heat treatment. The differential case is machined in cast iron, FCS 600-3. The filler material used is a chromium-nickel alloy, NiCr20Mn3Nb.This study aims to optimize the laser welding process of the differential boxes, as well as to evaluate the flux of diffusible hydrogen in steel before welding. The welding bead studied presents a circular geometry with an overlap zone. This area was identified as critical with a high contribution to the phenomenon of cold cracking, so a test plan was carried out using the welding of several samples and testing different parameterizations of the feeding system of the filler material. The samples were inspected by ultrasound and subsequently using destructive analysis.The diffusible hydrogen flux in steel was measured during tempering for the purpose of assessing whether hydrogen diffuses to the outside of the material during heat treatment, how this diffusion reacts to the temperature increase and whether the duration of 3h of tempering is sufficient to reduce the level of hydrogen below the level considered critical to avoid cold cracking.With this investigation, it was possible to conclude that the overlap zone is prone to the appearance of welding defects, more precisely, cold cracks. It is also concluded that large amounts of hydrogen are absorbed by steel during the heat treatment of carbonitriding and that it is then released during tempering. However, after 3 hours of tempering the hydrogen flux is greater than 1000 pL/s, which is prone to cold cracking.