Assessment of the fatigue strength of metallic components repaired by laser welding

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaA indústria portuguesa de moldes tem vindo a crescer, ocupando atualmente o 8º lugar de maior produtor de moldes para a injeção de plástico a nível mundial sendo o 3º maior produtor a nível europeu.Devido ao preço elevado associado ao fabrico de novos moldes e ferramentas, neste trabalho será estudado a possibilidade de recuperação dos moldes utilizando um processo de reparação por soldadura a laser que usa um cristal de Nd:YAG. Este tem a vantagem de obter uma menor alteração da composição do material na zona adjacente à região reparada. No decorrer do presente trabalho será apresentado um estudo da resistência à fadiga de três materiais amplamente utilizados na produção de moldes (AA5083-H111, AISI P20 e AISI H13). Os testes foram realizados a amplitude constante com R= 0,02 em provetes preparados com entalhes em V e preenchidos com os materiais de adição com dois parâmetros diferentes de soldadura. A gama de tensões aplicada foi escolhida a partir dos resultados obtidos em ensaios de tração previamente realizados. Os resultados da resistência à fadiga são apresentados sob a forma de curvas S-N obtidas para os materiais soldados e não soldados. São ainda comparadas com normas vigentes que fornecem curvas típicas para este tipo de junta soldada.Complementarmente ao estudo da resistência à fadiga foi também avaliada a metalografia, dureza e a superfície de fratura dos provetes.Em geral, verificou-se um elevado número de defeitos na metalografia e uma diminuição de dureza no material adicionado, provocado pelas temperaturas atingidas na fusão do material e descarbonizações do material fundido para a ZAC. Verificou-se uma diminuição das propriedades mecânicas dos materiais nos ensaios de tração provocadas pela adição do cordão de soldadura e pelos fatores referidos previamente o que, consequentemente, levou a uma diminuição da resistência à fadiga das séries soldadas.The Portuguese mold industry has been growing, currently occupying the 8th place as the largest producer of molds for plastic injection in the world, being the 3rd largest producer in Europe.Due to the high price associated with the manufacture of new molds and tools, this work aims to study the possibility of recovering the molds using a laser welding repair process that uses a Nd:YAG crystal. This laser process has the advantage of achieving a smaller modification in the composition of the material in the adjacent zone to the repaired region.In the present work, a study of the fatigue strength of three materials that are widely used in the production of molds (AA5083-H111, AISI P20 and AISI H13) will be presented. The tests were performed at constant amplitude with R = 0,02, where the welded specimens were prepared with in V-shaped notches and filled with laser welding deposits with two different welding parameters. The applied nominal stress range was chosen from the results obtained in previous tensile tests that were carried out. Fatigue resistance results are presented as S-N curves obtained for welded and non-welded materials. They are also compared to current standards that provide typical curves for this type of welded joint.In addition to the assessment of the fatigue strength, metallography, hardness and fracture surface of the test specimens were also evaluated.In general, a high number of metallographic defects were detected as well as a decrease in hardness of the laser welded deposits caused by the temperatures reached in them and also due to the decarbonizations to the ZAC. Besides this was detected a decrease in the mechanical properties of the materials in the tensile tests due to the addition of the welded seam and by the previously mentioned factors which, consequently, led to a decrease of the fatigue resistance of the welded series