ISIM Timisoara, proiect PN 09-160101, faza 8 1/9

PN  09‐160101  „Studiul  procesului  de  sudare  hibrid  laser  – WIG  / 

microWIG în regim pulsat (laser pulsat şi respectiv WIG pulsat)” 

 

Rezumat  PN  101/8:  „Cercetări  exploratorii  privind  îmbinarea  prin  sudare  cu  procedeul  laser‐

(micro)WIG pulsat a oțelurilor avansate utilizate în industria auto.” 

Raportul de cercetare este structurat pe 4 capitole: În capitolul 1: Introducere, sunt prezentate rezultatele obținute în fazele anterioare și cele preconizate a fi obținute în prezenta faza precum și modul lor de obținere.  În  capitolul  2:  Proiectare  program  experimental  pentru  sudare  materiale  de  tip  AHSS  specifice industriei  auto  cu  procedeul  LASER‐(micro)WIG  pulsat,  sunt  prezentate  câteva  date  referitoare  la oțelurile speciale de tip AHSS utilizate în industria auto, date pe baza cărora au fost selectate materiale ce au  fost  investigate  în  cadrul programului experimental. De asemenea este prezentată  strategia de experimentare abordată și modul de selectare și proiectare a programului experimental. O  tendință  importantă a producătorilor din  industria de automobile este  reducerea masei vehiculelor pentru obținerea unor performanțe mai bune în ceea ce privește reducerea consumului de combustibil, dar  și  reducerea  costurilor  concomitent  cu  îmbunătățirea  caracteristicilor  și  a  componentelor  ce furnizează gradul de siguranță. Pentru aceasta  industria oțelului a dezvoltat noi tipuri de oțeluri având cu plasticitate îmbunătățită şi cu rezistenței la rupere mare, în cadrul unei noi grupe de oțeluri avansate de  mare  rezistență  AHSS  (Advanced  High  Strength  Steels).  Grupa  AHSS  este  diferită  de  oțelurile tradiționale de mare rezistență HSLA (High Strength Low Alloy) cuprinzând mai multe tipuri şi categorii de materiale.  La  realizarea  caroseriilor  ultrauşoare  din  oțeluri  (ultra  light  steel  auto  body),  aproximativ  85%  din materialele  utilizate  sunt  reprezentate  de  oțelurile  AHSS,  iar  din  acestea  cca  74%  din  materialele utilizate  sunt  reprezentate  de  oțeluri  DP,  conform  figurii  1,  urmate  de  oțelurile  de  tip  BH  și  TRIP, materiale care sunt utilizate în general acoperite cu Zn.  

 Figura 1 Gradul de utilizare al diferitelor AHSS la realizarea elementelor de caroserii auto 

 

ISIM Timisoara, proiect PN 09-160101, faza 8 2/9

Pe  baza  celor  prezentate,  materialele  selectate  pentru  derularea  programului  de  experimentării exploratorii de îmbinare cu noul procedeul de sudare LASER‐(micro)WIG pulsat au fost: 

• oțel  „Dual Phase Steel”  ‐ DP500, 1.5mm grosime, acoperit  cu Zn, Rm măsurat 487,47 N/mm2 

• oțel „Bake‐Hardenable Steel” ‐ STE 220 BH, 1.2mm grosime acoperit cu Zn, Rm măsurat 684,69 N/mm2 

• oțel „Transformation‐Induced Plasticity” TRIP 700 HCT 690, 1.5mm grosime, acoperit cu Zn, Rm măsurat 759,05N/mm2 

 Deoarece,  în general aceste materiale necesită  îmbinări prin suprapunere, programul experimental s‐a focalizat pe dezvoltarea  și optimizarea de  tehnologii  cadru de  îmbinare prin  sudare  cu procedeul de sudare hibrid LASER‐(micro)WIG Pulsat prin suprapunere, îmbinări de materiale similare. Pentru  elaborarea  tehnologiilor  cadru  de  îmbinare  s‐a  apelat  la  modelarea  statistică,  iar  pentru  a acumula  informații  primare  asupra  comportării  la  sudare  cu  noul  procedeu  de  sudare  și  selectarea setului de parametrii de proces  inițiali  care  să  fie utilizați  ca  Factori de  Influență  în  cadrul modelării statistice  bazate  pe  utilizarea  experimentului  de  tip  factorial  s‐au  utilizat  informațiile  obținute  în programul  experimental  din  perioada  anterioară  la  îmbinarea  tablelor  subțiri  din  oțel  de  uz  general, informații obținute anterior la sudarea cu fascicul laser în regim pulsat a tablelor subțiri de tip AHSS, dar și un set de experimentări care sa permită determinarea zonei de experimentare. În urma evaluării rezultatelor obținute în programele experimentale anterioare au putut fi selectați trei factori de influență (FI) mai importanți pentru proiectarea experimentului de tip factorial, ținând cont de faptul  că prezentul program experimental  a  fost unul exploratoriu,  iar  ca  funcție obiectiv  (FO)  a  fost selectată rezistența la forfecare (Tf).  Cei trei FI selectați au fost: 

puterea fasciculului laser în puls – Pp (W)  curentul mediu de sudare – Iav (A)  distanța dintre tablele de îmbinat (rostul îmbinării pentru expulzarea vaporilor de Zn)– a 

(mm)  Matricea de experimentare utilizată pentru modelarea statistică prin experiment de tip factorial de tipul EFC 2^3 +1 este prezentată în tabelul 1.  

Tabelul 1. Matricea codificată EFC 2^3+1

FI  FO Nr. inc.  Pp  Iav deschidere_rost Rf 1  ‐1.0  ‐1.0 ‐1.0 Rf1 2  1.0  ‐1.0 ‐1.0 Rf2 3  ‐1.0  1.0 ‐1.0 Rf3 4  1.0  1.0 ‐1.0 Rf4 5  ‐1.0  ‐1.0 1.0 Rf5 6  1.0  ‐1.0 1.0 Rf6 7  ‐1.0  1.0 1.0 Rf7 8  1.0  1.0 1.0 Rf8 9  0.0  0.0 0.0 Rf9 

   Conform logicii de selecție și control al parametrilor de proces și respectiv a factorilor de influență, zona primară de experimentare este prezentată în tabelul 2.  

ISIM Timisoara, proiect PN 09-160101, faza 8 3/9

Tabelul 2. ‐ Zona de experimentare primară conform strategiei de experimentare Nr.  Parametri proces pe nivele convenabile1  vs [mm/s]  3.572  debit Ar 99.9% [l/min] 12.03  ahibrid [mm]  1.04  unghi hibrid [°]  455  ratWIG [%]  506  FWIG [Hz]  197  diam. spot laser [mm] 0.88  poziție focar  supraf. tablei superioare9  durata puls laser [ms] 3.410  FPL [Hz]  23

FI selectați pentru control și optimizare1  Pp [W] 2  Iav [A] 3  deschidere_rost [mm]

 Pentru fiecare material și grosime în parte avute în vedere a fost derulat un program de experimentări preliminare  pentru  determinarea  zonei  de  experimentare  prin  utilizarea  unor  regimuri  de  îmbinare extreme din punct de vedere energetic. Astfel, prin experimentări succesive au fost stabiliți parametri de proces  (Iav,  dechidere  rost,  Pp,  etc.)  pentru  care  s‐a  obținut  o  îmbinare  sudată  acceptabilă  (pentru fiecare material în parte), iar de la acel punct au fost efectuate încercări cu combinații extreme din punct de vedere energetic, adică cu energie liniară introdusă mare și respectiv mică cu evitarea unor situații de tăiere  și  respectiv  lipsa  îmbinării,  dar  pentru  toate  încercările  fără  pătrundere  totală  pentru  a  evita afectarea stratului protector de Zn de la rădăcină. Experimentările  preliminare  efectuate  au  permis  stabilirea  zonei  de  experimentare  necesare  pentru optimizare  prin  utilizarea  experimentului  de  tip  factorial  pentru  trei  tipuri  de material  și  respectiv îmbinări.  Câteva imagini cu aspectul acestora după încercarea de debutonare sunt prezentate în tabelul 3.  

Tabelul 3. Imagini rezultate teste preliminare  

Aspectul la suprafața sudurii  Aspectul la interfață/rădăcina sudurii după încercarea de debutonare 

DP 500

‐ 

 

ISIM Timisoara, proiect PN 09-160101, faza 8 4/9

STE 220 BH

 TRIP 700

Una  dintre  matricile  de  experimentare  determinate  pentru  cele  trei  îmbinări  pentru  optimizare  și determinare  tehnologii  cadru  de  îmbinare  cu  procedeul  de  sudare  hibrid  LASER‐(micro)WIG  Pulsat, varianta cu WIG procedeu conducător este prezentată in tabelul 4.  

Tabel 4. Matricea EFC 2^3+1 pentru  îmbinare prin suprapunere table subțiri din DP500 1.5mm acoperite cu Zn 

Nr. încercare  Iav [A]  Pp [W] rost [mm] 

1  42  1350 0,15

2  48  1350 0,15

3  42  1420 0,15

4  48  1420 0,15

5  42  1350 0,3

6  48  1350 0,3

7  42  1420 0,3

8  48  1420 0,3

9  45  1385 0,225 Capitolul  3,    prezintă  programul  experimental  de  optimizare  și  de  dezvoltare  tehnologii  cadru  de îmbinare cu noul procedeu de sudare hibrid LASER‐(micro)WIG pulsat. Una din matricele de experimentare utilizate pentru DP500 precum și valorile obținute pentru rezistența la  forfecare  după  efectuarea  încercărilor  și măsurătorilor  necesare,  este  prezentată  în  tabelul  5,  în tabelul 6 sunt prezentate observațiile din timpul derulării programului experimental, iar în tabelul 7 sunt prezentate aspectul  la  suprafață,  la  rădăcină  (pentru evaluarea gradului de afectare a  stratului de Zn 

ISIM Timisoara, proiect PN 09-160101, faza 8 5/9

protector)  și  respectiv  aspectul  macroscopic  în  secțiune  transversală  pentru  câteva  dintre  probele realizate.  Tabel 5. Matricea EFC 2^3+1 pentru îmbinare prin suprapunere table subțiri din DP500 1.5mm acoperite cu Zn 

Nr. încercare  Iav [A] Pp [W] rost [mm] Τf [N/mm2] 

1  42  1350 0,15 429,79 

2  48  1350 0,15 593,34 

3  42  1420 0,15 439,49 

4  48  1420 0,15 503,74 

5  42  1350 0,3 364,65 

6  48  1350 0,3 452,09 

7  42  1420 0,3 357,12 

8  48  1420 0,3 282,39 

9  45  1385 0,225 421,99 Din  punct  de  vedere  fenomenologic,  unele  regimuri  au  fost  stabile,  iar  altele  instabile,  funcție  de combinațiile de parametri de proces,  instabilități care au putut fi corelate cu suflajul magnetic datorat dezechilibrului electric al sistemului experimental, dar mai ales datorită acumulării vaporilor de zinc  în zona băii de sudare și a micilor explozii cu stropiri mai intense ce au crescut foarte puternic temperatura în  zona  electrodului  și  au  dus  la  topirea  acestuia  (Fig.  2),  deși  curenții  de  sudare medii  utilizați  pe parcursul programului experimental au  fost  relativ de valoare  redusă, comparativ cu curenții necesari sudării tablelor utilizate.  

Tabel 6. Observații proces EFC 2^3+1 pentru îmbinare prin suprapunere table subțiri dinDP500 1.5mm acoperite cu Zn

Nr. încercare  Observații 

1  Foarte stabil, puțini stropi

2  Extrem de stabil, fără stropi și devieri

3  Stropi și consum electrod

4  Minim stropi spre final

5  Minim stropi spre final

6  Extrem de stabil 

7  Deviere arc, stropi 

8  Stropi  

9  3 explozii, stropi puternici, consum electrod 

ISIM Timisoara, proiect PN 09-160101, faza 8 6/9

 Fig. 2 – Electrodul WIG topit și încărcat cu stropi 

 Corelarea  cu  acumularea  vaporilor de  zinc  în  zona băii de  sudare  a  fost  întărită de  faptul  că, pentru situațiile în care a fost utilizat un rost de sudare mai mare (0.2 – 0.3) – rost care a permis evacuarea mai facilă a vaporilor și respectiv a regimurilor cu energie  liniară mai slabe (Iav cu valori reduse sau cuplaj mai bun hibrid), fenomenul a fost mult mai puțin  intens și chiar a  lipsit, procesul fiind unul extrem de stabil, fără stropiri și explozii de material.  

Tabelul 7. Aspectul probelor sudate pentru oțelul DP 500, 1.5mm grosime Nr. 

probă  Aspectul suprafeței sudurii  Aspectul tablei inferioare  Aspect macroscopic secțiune transversală

1D 

2D 

ISIM Timisoara, proiect PN 09-160101, faza 8 7/9

3D 

4D 

 Rezultatele obținute în urma încercărilor la forfecare – funcția obiectiv (FO) selectată pentru optimizare ‐   pentru  fiecare material  studiat  în parte au  fost prelucrate  și analizate  cu un  software  specializat – Statgraphics, câteva dintre principale graficele privind evoluția FO selectată, fiind prezentate în figurile 3 – 6.   

 Figura 3. Diagrama Pareto – DP500, 1.5mm 

 

Pareto Chart for Tf

Effect

+-

0 30 60 90 120 150

BC

AC

A:Iav

B:Pp

AB

C:deschidere_rost

Main Effects Plot for Tf

Tf

Iav42.0 48.0

Pp1350.0 1420.0

deschidere_rost0.15 0.3

360

390

420

450

480

510

ISIM Timisoara, proiect PN 09-160101, faza 8 8/9

Figura 4. Graficele principalelor efecte – DP500, 1.5mm 

 Figura 5. Suprafața de răspuns – DP500, 1.5mm 

 Figura 6. Proiecții ale suprafeței de răspuns – DP500, 1.5mm 

 Din  analiza  rezultatelor  pentru  sudarea  prin  suprapunere  a  îmbinărilor  studiate,  pentru  domeniile multifactoriale investigate, se menționează câteva observații pentru materialul DP500: • DP 500 de 1.5mm grosime: 

o deschiderea  rostului pare să  fie aibă mai mare  influență asupra  rezistenței  la  forfecare,  în sens negativ, urmată de o interacțiune dintre Iav și Pp 

o interacțiunea dintre  Iav si Pp poate  fi asociată utilizării unor regimuri relativ puternice din punct  de  vedere  energetic,  dar  mai  ales  cu  instabilitățile  observate  în  timpul experimentărilor 

o zona de extrem pentru rezistența de forfecare este relativ îngustă în spațiul multifactorial și necesită reglaje precise ale parametrilor de proces 

o pentru  creșterea  valorilor  rezistenței  la  forfecare  trebuie  utilizate  combinații  de  curenți medii  de  sudare,  dar  și  deschideri  de  rost  relativ mici  ceea  ce  poate  pune  probleme  în evacuarea vaporilor de zinc 

 Lucrarea se încheie cu capitolul 4 în care sunt prezentate principalele concluzii:  programul  de  experimente  exploratorii  de  aplicare  a  noului  procedeu  hibrid  de  sudare  LASER‐

(micro)WIG Pulsat a demonstrat faptul că acest procedeu poate fi aplicat cu rezultate bune în ceea ce  privește  îmbinarea  prin  suprapunerea  a  unor  oțeluri  speciale  acoperite  cu  zinc  utilizate  în industria auto, oțeluri de tip AHSS. 

pe baza gradului de utilizare a principalelor  tipuri de AHSS au  fost selectate  trei materiale pentru care au fost dezvoltate tehnologii cadru de  îmbinare cu procedeul hibrid LASER‐(micro)WIG Pulsat, varianta cu WIG proces conducător 

strategia  experimentală  utilizată  a  permis  pentru  fiecare  material  în  parte  determinarea parametrilor  de  proces  ce  influențează  în mod  semnificativ  valoarea  funcției  obiectiv  selectată pentru optimizare – rezistența de forfecare 

Estimated Response SurfacePp=1385.0

Iav

deschidere_rost

Tf

370.0-386.0386.0-402.0402.0-418.0418.0-434.0434.0-450.0450.0-466.0466.0-482.0482.0-498.0498.0-514.0514.0-530.0530.0-546.042434445464748

0.140.180.220.260.3360400440480520560

Contours of Estimated Response Surfacedeschidere_rost=0.225

Iav

Pp

Tf370.0-386.386.0-402.402.0-418.418.0-434.434.0-450.450.0-466.466.0-482.482.0-498.498.0-514.514.0-530.

42 43 44 45 46 47 481350

1370

1390

1410

1430

ISIM Timisoara, proiect PN 09-160101, faza 8 9/9

modelele matematice  determinate  permit  determinarea  parametrilor  de  proces  necesari  pentru obținerea  unor  valori  optime  pentru  rezistența  de  forfecare,  în  condiții  de  stabilitate  ridicată  cu afectarea minimă a stratului de zinc protector (atât la suprafață cât și la rădăcina îmbinării) 

  Obiectivele  propuse  a  fi  realizate  în  această  fază  au  fost  realizate  integral,  iar  rezultatele  obținute recomandă  studierea  și  optimizarea  aplicării  noului  procedeu  de  sudare  hibrid  dezvoltat  pentru  alte tipuri  de  materiale  AHSS,  dar  și  pentru  cele  studiate  în  condiții  de  îmbinări  reale,  focalizate  pe dezvoltarea  de  tehnologii  de  îmbinare  cu  laser  și  respectiv  laser‐arc  pentru materiale  de  tip  AHSS utilizate în industria auto.  

Responsabil proiect 

              Dr.Ing. Valentin Bîrdeanu