Efeito da modulação de potência na soldagem autógena a laser dos aços SAE 1020, 1045 e 4140

Abstract

A utilização do laser com emissão de potência contínua como fonte de energia na soldagem revolucionou a indústria. Sua energia altamente concentrada trouxe precisão e versatilidade, acelerando a produtividade e reduzindo custos com defeitos de soldagem e falhas humanas. O controle preciso da energia aplicada pelo laser através de um uso adequado de aparato de hardware, capacidade de processamento e software abriu uma gama de possibilidades em relação à interação feixe-peça. Porém, alguns desafios no que se refere a redução de defeitos de soldagem e de tensões residuais ainda são desafios a comunidade acadêmica. Nesse sentido, o presente estudo se propõe a avaliar o efeito da modulação da potência de saída do laser, ou seja, o uso da pulsação em baixa frequência da energia entregue às amostras, durante união de materiais metálicos, a fim de observar as diferenças e possíveis melhorias provenientes do método no cordão de solda. Assim sendo, os objetivos deste trabalho constituem, principalmente, avaliar alguns aspectos gerais das soldas provenientes da soldagem a laser de potência modulada, como profundidade de soldagem, porosidade, tamanho de grão e tensões residuais em três diferentes aços SAE, 1020, 1045 e 4140. O projeto de pesquisa partiu da soldagem a laser de pulso contínuo e modulado de corpos de prova de aço SAE 1020 para a confirmação, através de microscopia óptica, da premissa principal da pesquisa: obtenção de cordões de solda de qualidade (à nível de defeitos e profundidade) similar ou superior aos de potência contínua utilizando-se sempre potências médias equivalentes. Os resultados foram divididos em seções. Na primeira seção, a frequência de pulso foi variada, com o objetivo de avaliar a morfologia da solda e a presença de porosidade no aço SAE 1020 através do método radiográfico. Em seguida, soldas contínuas e moduladas foram produzidas em aços SAE 1045 e SAE 4140, visando a análise das tensões residuais através do método do furo cego. A terceira parte apresenta a tentativa de análise de tamanho de grão da solda de aços SAE 1045 através da técnica de EBSD e microdureza Vickers. Por fim, diferentes formatos de entrega de potência são aplicados a fim de avaliar, via microscopia óptica, a profundidade de penetração e a porosidade dos cordões. Os resultados da aplicação da modulação de potência mostraram, para todos os ensaios no regime keyhole, cordões de solda mais profundos. Com relação à porosidade, para velocidades de soldagem de 1 m/min, as soldas apresentaram diferentes quantidades de poros para diferentes frequências de modulação, com a amostra soldada a 50 Hz demonstrando menor presença. Os ensaios de furo cego demonstraram valores semelhantes de tensões residuais entre os cordões produzidos via regimes contínuos e modulados, o que sugere uma vantagem do método, visto que os cordões modulados se apresentaram aproximadamente duas vezes mais profundos. As medidas de tamanho de grão, devido à estrutura complexa e ao alto grau de dureza na região da solda, não puderam ser quantificadas via análise de imagem ou EBSD, mas ensaios de dureza Vickers sugeriram, por exclusão, uma possível redução no tamanho médio dos grãos na região da zona fundida. Por fim, a variação do formato da potência modulada mostrou pouca variação de penetração da solda e todos os ensaios realizados à velocidade de 0,75 m/min se apresentaram livre de poros. A modulação de potência trouxe diversas mudanças nas características morfológicas e de defeitos em cordões de solda produzidos a laser, obtendo-se melhorias nos aspectos acima citados, muito devido a sua maior capacidade de controle dos fenômenos oscilatórios presentes durante a soldagem, gerando maior estabilização do processo através de frequências de pulso bem determinadas e rampas de aplicação de potência.

Abstract: The use of laser with continuous power emission as an energy source in welding has revolutionized the industry. Its highly concentrated energy brought precision and versatility, accelerating productivity and reducing costs with welding defects and human faults. The precise control of the energy applied by the laser through an appropriate use of hardware apparatus, processing capacity and software has opened up a range of possibilities regarding the beampiece interaction. However, some challenges regarding the reduction of welding defects and residual stresses are still challenges to the academic community. In this sense, the present study proposes to evaluate the effect of the modulation of the laser output power, that is, the use of low frequency pulsation of the energy delivered to the samples, during the union of metallic materials, in order to observe the differences and possible improvements from the method in the weld bead. Therefore, the objectives of this work are, mainly, to evaluate some general aspects of welds from laser welding with modulated power, such as welding depth, porosity, grain size and residual stresses in three different SAE, 1020, 1045 and 4140 steels The research project started from laser welding of continuous and modulated pulse of SAE 1020 steel specimens to confirm, through optical microscopy, the main premise of the research: obtaining quality weld beads (at the level of defects and depth) similar or superior to those of continuous power, always using equivalent average powers. The results were divided into sections. In the first section, the pulse frequency was varied, in order to assess the weld morphology and the presence of porosity using the radiographic method. Then, continuous and modulated welds were produced in SAE 1045 and SAE 4140 steels, aiming at the analysis of residual stresses through the drilled hole method. The third part presents the attempt to analyze the grain size of the SAE 1045 steel weld using the EBSD technique and Vickers microhardness. Finally, different power delivery formats are applied in order to assess, through optical microscopy, the depth of penetration and the porosity of the welds. The results of the application of power modulation showed, for all tests in the keyhole regime, deeper weld beads. With regard to porosity, for welding speeds of 1 m / min, the welds showed different amounts of pores for different modulation frequencies, with the sample welded at 50 Hz showing less presence. The drilled hole tests showed similar values of residual stresses between the beads produced via continuous and modulated regimes, which suggests an advantage of the method, since the modulated welds were approximately twice as deep. Grain size measurements, due to the complex structure and high degree of hardness in the weld region, could not be measured via image analysis or EBSD, but Vickers hardness tests suggested, by exclusion, a possible reduction in the average size of the weld grains in the melted zone region. Finally, the variation in the shape of the modulated power showed little variation in the penetration of the weld and all tests performed at a speed of 0.75 m / min were free of pores. The power modulation brought several changes in the morphological characteristics and defects in weld beads produced by laser, obtaining improvements in the aspects mentioned above, largely due to its greater ability to control the oscillatory phenomena present during welding, generating greater stabilization of the process through well-determined pulse frequencies and power application ramps.