titV príspevku je charakterizovaná mikroštruktúra tupých zvarových spojov pripravených pomocou pevnolátkového vláknového lasera. Zvárané boli pozinkované plechové polotovary z dvojfázových ocelí HCT980X s oceľami vytvrditeľnými pri vypaľovaní laku HX220BD s hrúbkou 1,2 mm.
Študovaný bol vplyv parametrov zvárania na mikroštruktúru v charakteristických oblastiach zvarových spojov a jej korelácia s profilom mikrotvrdosti spojov.


Lasery prinášajú široké možnosti v oblasti technologických aplikácií. Vývoj laserových technológií a lepšie vedomosti o základných aspektoch interakcie laserového lúča s materiálmi otvorili nové horizonty aj pri spájaní a delení materiálov laserom.

* * * * *
Laserové zváranie sa v stále väčšej miere uplatňuje pri výrobe zváraných komponentov v automobilovom priemysle, v leteckom priemysle, v kozmonautike a v elektrotechnike [1 – 3].
* * * * *

Rozvoj automobilového priemyslu určuje požiadavky pre výrobu karosárskych plechov, ktoré sú zameriavané na znižovanie hmotnosti vozidla a zvyšovanie bezpečnosti posádky. K hlavným požiadavkám na vlastnosti použitých materiálov okrem nízkej hmotnosti patrí dlhá životnosť, veľká pevnosť a ťažnosť, dobré deformačné správanie, vynikajúca odolnosť proti korózii, recyklovateľnosť, dobrá tvarovateľnosť a zvárateľnosť [3 – 5].

Nové výzvy
V súčasnej dobe je obrovskou výzvou používanie nových materiálov, ktoré sú zameriavané na znižovanie hmotnosti automobilov a zvyšovanie bezpečnosti. Najčastejšie sú pri výrobe karosérii automobilov používané vysoko pevné ocele patriace do skupiny AHSS ocelí. Tieto ocele sú v automobilovom priemysle využívané kvôli výborným vlastnostiam, najmä pevnosti, ťažnosti, húževnatosti a schopnosti absorbovať nárazovú energiu. Do tejto skupiny ocelí patria aj dvojfázové ocele (DP ocele), ktoré sú v automobilovom priemysle používané najmä na výrobu polotovarov, z ktorých sa pomocou technológie lisovania za studena vyrábajú rozličné diely automobilových karosérií. Pre niektoré diely karosérie je výhodné použiť polotovary zložené z DP ocelí s oceľami vytvrditeľnými pri vypaľovaní laku (BH ocele). Pri tejto materiálovej kombinácii DP oceľ zaručuje pevnostné vlastnosti karosérie a BH oceľ sa dá využiť na deformačnú zónu pri náraze automobilu. Prístrihy určené na tvárnenie zložených polotovarov sa najčastejšie zvárajú laserom, pričom sa s výhodou uplatňujú pevnolátkové vláknové lasery [6 – 9].

Použité materiály a experimentálny postup
Na prípravu zvarových spojov boli použité pozinkované plechy z DP ocelí HCT980X a z BH ocelí HX220BD s hrúbkou 1,2 mm a hrúbkou zinkovej vrstvy 100 g.m-2. Chemické zloženie experimentálnych ocelí je uvedené v tab.1 a tab. 2. Mechanické vlastnosti ocelí sú porovnané v tab. 3.

tab1

Z tabuliek 1 až 3 vyplýva, že DP oceľ obsahuje väčšiu koncentráciu uhlíka aj legujúcich prvkov, z čoho vyplývajú lepšie pevnostné vlastnosti v porovnaní s BH oceľou. BH oceľ sa vyznačuje podstatne väčšou ťažnosťou, ktorú možno využiť pri tvárnení zložených polotovarov a pri návrhu deformačných zón karosérie.
Zvarové spoje boli pripravené pomocou pevnolátkového vláknového lasera typu YLS 500 s maximálnym výkonom 5 kW, priemerom vlákna 0,1 mm a vlnovou dĺžkou 1,06 µm. Pripravené boli tupé spoje pri viacerých parametroch zvárania, ktoré sú sumarizované v tab. 4. V tejto tabuľke je vypočítaný pomer príkonu laserového lúča a rýchlosti zvárania. Na základe tohto pomeru možno zoradiť jednotlivé zvary podľa množstva vneseného tepla pri predpokladanej konštantnej účinnosti laserového zvárania. Spoje boli zvárané bez zvarovej medzery a bez použitia ochrannej atmosféry s rovnakou ohniskovou vzdialenosťou 250 mm a defokusom lúča v intervale 7 až 10 mm.

tab4

Vzhľad zvarových húseníc bol hodnotený pozorovaním na streomikroskope Zeiss. Priečne rezy zvarov boli štandardným metalografickými postupmi pripravené na hodnotenie štruktúry a meranie mikrotvrdosti zvarových spojov. Makroštruktúra a mikroštruktúra boli pozorované pomocou svetelnej mikroskopie na mikroskope Axiovert 40MAT. Presnejšia identifikácia štruktúrnych zložiek bola realizovaná na rastrovacom elektrónovom mikroskope JEOL JSM-IT300. Veľkosť zrna bola meraná pomocou obrazovej analýzy. Mikrotvrdosť na priečnych rezoch bola meraná pomocu Vickersovej metódy zo zaťažením 50 g.

Dosiahnuté výsledky
Makroštruktúra zvarov
Príklad makroštruktúry študovaných laserových spojov je dokumentovaný na obr. 1. Spoj bol pripravený pevnolátkovým vláknovým laserom pri príkone laserového lúča 2 760 W a rýchlosti zvárania 70 mms-1 a predstavuje zvar číslo 4 v tab. 4. Hodnotené boli aj ostatné spoje uvedené v tab. 4. Keďže rozdiely medzi spojmi boli malé, v príspevku sú podrobnejšie uvedené výsledky pre spoj číslo 4. Tento umožnil zvárať najvyššou rýchlosťou zvárania 70 mms-1, pri ktorej bola dodržaná geometria zvarovej húsenice. Štruktúra TOO na strane DP ocele HCT980X je na obr. 2 a štruktúra TOO na strane BH ocele HX220BD je na obr. 3.

obr1

Obr. 1 Priečny rez laserovým zvarovým spojom ocelí HCT980X s HX220BD

obr2

Obr. 2 Štruktúra TOO na strane DP ocele HCT980X

obr3

Obr. 3 Štruktúra TOO na strane BH ocele HX220BD

 

Na obr. 1 až 3 vidno, že zvarový spoj je bez makroskopických defektov, s malým preliačením čela a pretečením koreňa zvaru. Možno rozoznať charakteristické oblasti zvarového spoja. Základný materiál (ZM) DP ocele HCT980X je v ľavej časti obr. 1. Je výraznejšie naleptaný v porovnaní so ZM BH ocele HX220BD v pravej časti obrázka. Oblasť zvarového kovu (ZK) je charakterizovaná kolumnárnou štruktúrou orientovanou v smere odvodu tepla. Teplom ovplyvnená oblasť (TOO) na strane DP ocele HCT980X je výraznejšie naleptaná ako TOO na strane BH ocele HX220BD. Šírky jednotlivých oblastí boli ovplyvnené množstvom vneseného tepla a zmenšovali sa s jeho zmenšovaním. Najväčšie šírky boli namerané v prípade spoja číslo 1 a najmenšie u spojov číslo 4 a 5, pri ktorých bolo množstvo vneseného tepla približne rovnaké. Na obr. 2 a 3 možno pozorovať zhrubnutie pôvodného austenitického zrna v blízkosti zóny stavenia a zmenšovanie veľkosti zrna smerom k obom základným materiálom.

Mikroštruktúra zvarov
Pri pozorovaní mikroštruktúry bola pozornosť zameraná na všetky charakteristické oblasti spoja zváraného pri príkone laserového lúča 2 760 W a rýchlosti zvárania 70 mm.s-1, ako to bolo uvedené vyššie. Mikroštruktúra DP ocele je dokumentovaná na obr. 4. Skladá sa z feritickej matrice, v ktorej sú martenzitické útvary s ekvivalentným pomerom feritu a martenzitu a s priemernou veľkosťou zrna menším ako 1 µm. BH oceľ dokumentovaná na obr. 5 má feritickú polyedrickú štruktúru s priemernou veľkosťou zrna 14 µm.

obr4

Obr. 4 Mikroštruktúra DP ocele HCT980X

obr5

Obr. 5 Mikroštruktúra BH ocele HX220BD

 

Mikroštruktúru ZK je dokumentovaná na obr. 6 a 7. Pri pozorovaní mikroštruktúry bola zistená podobná charakteristika pri všetkých parametroch zvárania, menilo sa len podielové zastúpenie vzniknutých štruktúrnych zložiek. Štruktúra ZK bola ovplyvnená parametrami zvárania, ktoré súvisia s teoretickým množstvom vneseného tepla uvedeným v tab. 4. Znižovanie hodnoty teoretického množstva vneseného tepla spôsobilo zvyšovanie rýchlosti ochladzovania v ZK. V dôsledku rýchleho ochladzovania vznikla zmes acikulárneho feritu, horného a dolného bainitu a martenzitu. Väčší podiel tvrdších štruktúrnych zložiek vznikol v spojoch zváraných pri väčšom príkone a väčšej rýchlosti zvárania, ktoré zabezpečili menšie množstvo privedeného tepla a z toho rezultujúcu vyššiu rýchlosť chladnutia spojov a vznik nerovnovážnejšej štruktúry.

obr6
Obr. 6 Mikroštruktúra ZK s dominantným zastúpením acikulárneho feritu
obr7

Obr. 7 Mikroštruktúra ZK s vysokým podielom dolného bainitu

 

V ZK na obr. 6 možno pozorovať dominantnú prítomnosť acikulárneho feritu a menšie oblasti s výskytom štruktúrnych zložiek s latkovou morfológiou. Tieto menšie oblasti boli identifikované ako horný a dolný bainit, ojedinelo bol pozorovaný aj martenzit. Mikroštruktúra s vysokým podielom dolného bainitu je dokumentovaná na obr. 7.
Podobná mikroštruktúra ako v ZK bola pozorovaná aj v TOO na strane DP ocele HCT980X, ako je to dokumentované na obr. 8. Tento zobrazuje vysoko vyhriatu hrubozrnnú oblasť. Jemnozrnnú oblasť dokumentuje obr. 9. Najväčšie oblasti TOO ocele HCT980X boli tvorené acikulárnym feritom a menšie oblasti tvorili predovšetkým dolný bainit. Identifikovaný bol aj horný bainit a martenzit. Podielové zastúpenie dolného bainitu bola väčšie ako v prípade ZK.
TOO na strane BH ocele HX220BD je dokumentovaná na obr. 10. Mikroštruktúra sa vyznačuje zhrubnutým zrnom a je tvorená feritom a acikulárnym feritom.

obr8

Obr. 8 Mikroštruktúra hrubozrnnej TOO na strane DP ocele HCT980X

obr9

Obr. 9 Mikroštruktúra jemnozrnnej TOO na strane DP ocele HCT980X 

obr10

Obr. 10 Mikroštruktúra hrubozrnnej TOO na strane BH ocele HX220BD

 

Profil mikrotvrdosti zvarov
Profily mikrotvrdosti spojov zváraných pri rôznych parametroch mali podobný nesymetrický tvar, aký je dokumentovaný na obr. 11 pre spoj zváraný s príkonom laserového lúča 2 760 W a rýchlosťou zvárania 70 mms-1.

obr11
Obr. 11 Profil mikrotvrdosti zvarovým spojom HCT980X s HX220BD

 

Spoje vykazovali mierny nárast tvrdosti v jednotlivých oblastiach spojov so zväčšovaním príkonu laserového lúča a rýchlosti zvárania, ktoré boli spojené so zmenšovaním teoretického množstva vneseného tepla. Hodnoty mikrotvrdosti namerané v jednotlivých zónach spoja dobre korelovali s pozorovanou mikroštruktúrou. Mikrotvrdosť menšia ako 150 HV0,05 nameraná v ZM BH ocele HX220BD zodpovedala feritickej mikroštruktúre tejto ocele (obr. 5). Mikrotvrdosť DP ocele HCT980X bola v intervale 320 až 340 HV0,05. Tieto hodnoty boli v dobrej zhode s feriticko-martenzitickou mikroštruktúrou dokumentovanou na obr. 4. Mikrotvrdosť v intervale 350 až 440 HV0,05 nameraná v ZK potvrdzuje vznik bainitu a martenzitu v tejto oblasti. TOO na strane DP ocele HCT980X obsahovala najväčší podiel dolného bainitu (obr. 8) a dosiahla najväčšiu mikrotvrdosť dosahujúcu 490 HV0,05. V tejto oblasti bola v blízkosti ZM ocele HCT980X nameraná mikrotvrdosť 300 HV0,05., ktorá reprezentuje zónu zmäkčenia v porovnaní s hodnotami tvrdosti DP ocele HCT980X. Mikrotvrdosť v TOO na strane BH ocele HX22BD bola v intervale 150 až 370 HV0,05. Jej hodnoty klesali so vzdialenosťou od ZK. Menšie hodnoty mikrotvrdosti v TOO na strane BH ocele v porovnaní so ZK a TOO na strane DP ocele potvrdili vznik mäkších štruktúrnych zložiek.

Záver
Tupé spoje plechov z DP ocelí HCT980X a BH ocelí HX220BD s hrúbkou 1,2 mm boli pripravené pevnolátkovým laserovým zváraním. V ZK laserových spojov bola pozorovaná dominantná prítomnosť acikulárneho feritu a menšie oblasti s výskytom štruktúrnych zložiek s latkovou morfológiou. Tieto menšie oblasti boli identifikované ako horný a dolný bainit, ojedinelo bol pozorovaný aj martenzit. V hrubozrnnej TOO na strane DP ocele HCT980X boli identifikované podobné štruktúrne zložky s väčším podielovým zastúpením dolného bainitu ako v prípade ZK. Hodnoty mikrotvrdosti namerané v jednotlivých zónach spoja dobre korelovali s pozorovanou mikroštruktúrou. Najväčšia mikrotvrdosť dosahujúca 490 HV0,05 bola nameraná v TOO na strane DP ocele HCT980X, ktorá obsahovala najväčší podiel tvrdých štruktúrnych zložiek s latkovou morfológiou.

TEXT/FOTO prof. Ing. Pavol Švec, PhD., a kol., Ústav technológií a materiálov, Strojnícka fakulta, Slovenská technická univerzita v Bratislave

Ďalší spoluautori: Ing. Tomáš Csicsó, doc. Ing. Alexander Schrek, PhD.,Ing. Alena Brusilová, PhD. – Ústav technológií a materiálov, Strojnícka fakulta, Slovenská technická univerzita v Bratislave

Poďakovanie
Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-0281-12.

Literatúra
[1] Farabi, N. – Chen, D. L. – Zhou, Y.: Microstructure and mechanical properties of laser welded dissimilar DP600/DP980 dual-phase steel joints. Journal of Alloys and Compounds, 509, 2011, p. 982 – 989
[2] Wang, J. – Yang, L. – Sun, M. – Liu, T. – Li, H.: Effect of energy input on the microstructure and properties of but joints in DP1000 steel laser welding. Materials and Design, 90, 2016, p. 642 – 649
[3] Meško, J. – Zrak, A. – Mulczyk, K. – Tofil, S.: Microstructure analysis of welded joints after laser welding. Manufacturing Technology, 14, 2014, p. 355 – 359
[4] Bandyopandyay, K. – Panda, S. K. – Saha, D. C. – Baltazar-Hernandez, V. H. – Zhou, Y. N.: Microstructure and failure analyses of DP980 laser welded blanks in formability context. Materials Science and Engineering A, 652, 2016, p. 250 – 263
[5] Mei, L. – Chen, G. – Jin, X. – Zhang, Y. – Wu, Q.: Research on laser welding of high-strength galvanized automobile steel sheets. Optics Laser Technology, 47, 2009, p. 1 117 – 1 124
[6] Rossini, M. – Russo Spena, P. – Cortese, L. – Matteis, P. – Firrao, D.: Investigation on dissimilar laser welding of advanced high strength steel sheets for the automotive industry. Materials Science & Engineering A, 628, 2015, p. 288 – 296
[7] Parkes, D. – Xu, W. – Westerbaan, D. – Nayak, S. S. – Zhou, Y. – Goodwin, F. – Bhole, S. – Chen, D. L.: Microstructure and fatigue properties of fiber laser welded dissimilar joints between high strength low alloy and dual-phase steels. Materials and Design, 51, 2013, p. 665 – 675
[8] Viňáš, J. – Ábel, M.: Analysis of Laser Welds on Automotive Steel Sheets. Materials Science Forum, 818, 2015, p. 239 – 242
[9] Saha, D. C. – Westerbaan, D. – Nayak, S. S. – Biro, E. – Gerlich, A. P. – Zhou, Y.: Microstructure-properties correlation in fiber laser welding of dual-phase and HSLA steels. Materials Science and Engineering A, 607, 2014, p. 445 – 453

Odborný príspevok recenzovali: Ing. Andrej Mašlonka, REMOS Zvolen, s. r. o.,
Ing. Pavol Radič, VÚZ – PI SR