Na výrobu výliskov nosnej štruktúry skeletov automobilov sa vo veľkej miere používajú kombinované polotovary tvorené materiálmi s odlišnými napäťovodeformačnými vlastnosťami alebo odlišnými hrúbkami. Úlohou je dosiahnuť požadovanú tuhosť, pevnosť, ale zároveň schopnosť pohltiť deformačnú prácu pri náraze pri čo najmenšej hmotnosti [1], obr.1.

Obr.1 Rozsah použitia TWB polotovarov v nosnej konštrukcii automobilu

Medzi veľmi často používané materiály kombinovaných polotovarov patria ocele BH, HSLA, DP-HCT, TRIP. Zmeny štruktúry v teplom ovplyvnenej oblasti zvarového spoja ovplyvňujú ich pretvárne vlastnosti a môžu byť zdrojom tvorby trhlín pri výrobe výliskov. Spájanie jednotlivých častí sa realizuje rôznymi spôsobmi zvárania, obr.2 [1].

Obr.2 Zváranie kombinovaných polotovarov a porovnanie šírky zvaru a teplom ovplyvnenej oblasti pri použití: a) laserového lúča, b) odporového švového zvárania, c) indukčného zvárania, d) elektrónového lúča

Najčastejším spôsobom vytvorenia spoja je laserové zváranie s najužšou teplom ovplyvnenou oblasťou. Vhodná voľba technologických podmienok zvárania umožní udržať pretvárne vlastnosti oblasti zvarového spoja čo najbližšie k základnému materiálu [2].

Podmienky experimentu
Na určenie vplyvu laserového zvaru na pretvárne vlastnosti a hlbokoťažnosť kombinovaného plechového polotovaru bola zvolená Erichsenova skúška hlbokoťažnosti na vzorkách, kde bol laserový spoj simulovaný prievarom plechu s hrúbkou 1,2 mm z ocele DP – HCT600 a vzorky z produkčného kombinovaného polotovaru tvoreného plechmi s hrúbkou 1 a 1,2 mm z ocele HX420 a TRIP780.
Erichsenova skúška sa urobila na nástroji, obr.3. Ťažník nástroja je v spodnej doske pevne upevnený na stole lisu. Ťažnica je upevnená na šmýkadle lisu. Rýchlosť pohybu šmýkadla bola 5 mm/s. Pridržiavacia sila je vyvodená prostredníctvom spodného šmýkadla dvojčinného hydraulického lisu PYE 160 S. Aby nedošlo k posuvu príruby, veľkosť pridržiavacej sily bola 320 kN.

Obr.3 Nástroj na Erichsenovu skúšku hlbokoťažnosti. a) rez konštrukciou, b) celkový pohľad

Skúšky hlbokoťažnosti plechu z materiálu HCT600 s prievarom
Na experimenty bol zvarový spoj nahradený prievarom základného materiálu vzoriek, obr.4.
Na obr.5 je zobrazená oblasť prievaru ocele HCT600 v reze rovinou kolmou na smer valcovania leptaná 4 % roztokom nitalu. Je rozdelená na tri časti: základný materiál (ZM) tvorený feritickou matricou s 15 až 25 % martenzitu a veľmi malým podielom zvyškového austenitu, teplom ovplyvnenú oblasť (TOO) a oblasťou s dendritickou štruktúrou – zvarový kov (ZK). Zvarový kov aj tepelne ovplyvnená oblasť majú heterogénnu štruktúru, pričom v zvarovom kove je heterogenita výraznejšia. Mikroštruktúra tepelne ovplyvnenej oblasti je tvorená jemným martenzitom. Na hranici tepelne ovplyvnenej oblasti a základného materiálu bol pozorovaný ferit vo forme bielych blokov. Mikroštruktúra zvarového kovu je heterogénna, tvorená väčšími martenzitickými doštičkami [3,4]. Táto oblasť bola miestom primárneho vzniku trhlín na skúšaných vzorkách všetkých skupín. Tvrdosť zvarového spoja – prievaru sa pohybuje od 205 HV0,1 po 410 HV0,1, Obr.6 [5].

Obr.4 Zvarový prievar simulujúci zvarový spoj: a) výkon laserového lúča 4 kW, b) výkonObr.4 Zvarový prievar simulujúci zvarový spoj: a) výkon laserového lúča 4 kW, b) výkonlaserového lúča 3 kW

Obr. 5 Makroštruktúra priečneho rezu prievaru HCT600

Obr. 6 Priebeh tvrdosti prievaru

Prievar plechu z ocele HCT600 s technologickými vlastnosťami podľa Tab.1 bol vytvorený za týchto podmienok:
- Na vzorkách skupiny A pri rýchlosti vA = 20 mm.s-1, skupiny B pri rýchlosti vB = 30 mm.s-1 a skupiny C pri rýchlosti vC = 40 mm.s-1 a zváracom výkone 4 kW v ochrannej atmosfére argónu.
- Vzorky skupiny D boli zvárané v ochrannej atmosfére hélia a vzorky skupiny E v ochrannej atmosfére argónu. Zvárací výkon bol 3 kW, proces zvárania prebiehal pri rýchlosti v = 20 mm.s-1.

Tab. 1 Technologické vlastnosti materiálu HCT600 zistené statickou skúškou v ťahu

Na vzorkách zvarových spojov skupín A až E neboli pozorované pred vykonaním skúšky vonkajšie necelistvosti, prípadne chyby v mieste prievaru, ktoré mohli ovplyvniť výsledok experimentov. Hĺbky vtlačkov, Erichsenov index, ako kritérium hlbokoťažnosti, bol porovnaný s vtlačkami na vzorkách bez prievaru označených ZM.

Meranie Erichsenovho indexu
Na obr.7 a 8 je povrch vtlačkov a tvar trhlín na vzorkách skupín A, B, C, D, E a ZM, vzniknutých hĺbením. Vzhľad povrchu z vnútornej strany vtlačku je na vzorkách všetkých skupín lesklý. Na vonkajšej strane zvaru je matný. Na vzorkách A až E vznikli trhliny vysokou rýchlosťou v oblasti zvarového kovu. Ich vznik bol sprevádzaný charakteristickým zvukom. Šírenie trhliny bolo ukončené v teplom ovplyvnenej oblasti. Tvar trhliny vzorky ZM bez prievaru (obr.9b) bol v porovnaní s tvarom trhliny vzorky s prievarom (obr.9a) rovnaký. Smer rastu trhliny bol v smere valcovania plechu.
V tab.2 sú zaznamenané hodnoty Erichsenovho indexu – hĺbky vtlačku IE [mm] pre vzorky skupín A, B, C, D, E a ZM. Percentuálny pokles hĺbky vtlačku vzoriek tried A až E oproti hĺbke vtlačku vzoriek ZM je v poslednom stĺpci.

Tab. 2 Hodnoty hĺbky vtlačku IE [mm] pre jednotlivé vzorky

Obr. 7 Vzhľad vtlačkov a trhlín vzoriek z vonkajšej strany (A-20 mm.s-1, B-30 mm.s-1, C-40 mm.s-1, D-argón, E-hélium, ZM-základný materiál)

Obr. 8 Vzhľad vtlačkov a trhlín vzoriek z vnútornej strany (A-20 mm.s-1, B-30 mm.s-1, C-40 mm.s-1, D-argón, E-hélium, ZM-základný materiál)

Obr. 9 Porovnanie veľkosti a tvaru trhliny prístrihu: a) obsahujúceho prievar, b) bez prievaru (vpravo)

Vplyv rýchlosti zvárania laserovým lúčom na hlbokoťažnosť prievaru
Technologické podmienky sa sledovali na vzorkách skupín A, B a C. Skúškou hĺbením podľa Erichsena bola hĺbka vtlačku vyjadrená číslom IE [mm]. Výsledky sú uvedené v tab.3, hodnota IE pre každú skupinu je vyjadrená aritmetickým priemerom hodnôt hĺbky vtlačku piatich vzoriek, vyhotovených v rámci jednej skupiny. Rozdiel vo výsledkoch vzoriek A, B a C je minimálny. Výraznejší rozdiel dokumentujúci zníženú hlbokoťažnosť vznikol len medzi vzorkami zvarových spojov a vzorkami ZM.

Tab. 3 Vplyv rýchlosti zvárania na hĺbku vtlačku IE [mm]

Vplyv ochranného plynu na hlbokoťažnosť prievaru
Vplyv ochranného plynu na hlbokoťažnosť zvarového spoja sa sledoval vzorkách triedy D a E. Erichsenova skúška sa realizovala na piatich vzorkách pre každú skupinu vzoriek. Hodnoty zo skúšok vyjadrené Erichsenovým číslom IE [mm] pre vzorky tried D, E a ZM sú uvedené v tabuľke č. 4. Porovnaním hĺbky vtlačkov vzoriek skupiny D a E bol zaznamenaný minimálny rozdiel. Výrazný rozdiel je však pri porovnaní vzoriek zvarového spoja so ZM.

Tab. 4 Vplyv ochranného plynu na hĺbku vtlačku IE [mm]

Vplyv výkonu zvarového lúča na hlbokoťažnosť prievaru
Vyhodnotený bol zo vzoriek skupiny A a E. Vzorky A boli prevárané pri výkone 4 kW a E vzorky pri výkone 3 kW. Rýchlosť pretavenia bola v = 20 mm.s-1 v ochrannej atmosfére argónu. Porovnanie výsledkov skúšky hlbokoťažnosti pre vzorky tried A, E a ZM sú uvedené v tab.5. Vzorky A pri vyššom výkone dosiahli vyššiu hodnotu hĺbky vtlačku a lepšiu hlbokoťažnosť v porovnaní so vzorkami skupiny E pretavené pri nižšom výkone.

Tab. 5 Vplyv zmeny výkonu lúča na hĺbku vtlačku IE [mm]

Diskusia výsledkov
Hodnota Erichsenovho indexu IE získaná z pozorovania vplyvu rýchlosti tvorby prievaru sa pri rýchlosti vA = 20 mm.s-1 (vzorky A) znižuje o 6,8 % v porovnaní s hlbokoťažnosťou základného materiálu. Pri rýchlosti vB = 30 mm.s-1 (vzorky B) o 6,7 % a pri rýchlosti vC = 40 mm.s-1 (vzorky C) o 7,3 %.
Zo získaných hodnôt vyplýva, že zváranie pri rýchlostiach v rozmedzí 20 - 40 mm.s-1 znižuje hlbokoťažnosť v mieste zvarového kovu o 6,7 - 7,3 %.
Hodnoty Erichsenovho indexu IE získané z analýzy vplyvu ochranného plynu na hlbokoťažnosť prievaru, ktoré sa sledovali na vzorkách skupiny D, E vplyvom ochrannej atmosféry Ar (vzorky D) mali zníženú hodnotu o 12,2 % a prievary zhotovené v ochrannej atmosfére He (vzorky E) mali zníženú hlbokoťažnosť o 13,4 % v porovnaní so základným materiálom (vzorky ZM). Použitie ochranného plynu Ar sa ukazuje mierne výhodnejšie v porovnaní s He (vzorky E).
Hodnoty Erichsenovho indexu IE získané z pozorovania vplyvu výkonu lúča na hlbokoťažnosť prievaru sa sledovali na vzorkách A, E a ZM,
Prievar vyhotovený pri výkone P = 4 kW (vzorky A), znižuje hlbokoťažnosť prievaru o 6,8 % v porovnaní s hlbokoťažnosťou základného materiálu (vzorky ZM). Prievar zhotovený pri výkone P = 3 kW (vzorky E), znižuje hlbokoťažnosť spoja oproti základnému materiálu až o 12,4 %. Výhodnejšie sa ukazuje použitie vyššieho výkonu (vzorka A). Výkon laserového lúča, resp. hustota výkonu laserového lúča a množstvo dodanej energie, majú významný vplyv na rozsah a intenzitu pretavenia v oblasti.

Skúška hlbokoťažnosti kombinovaných polotovarov TRIP780 - HX420
Polotovar bol kombináciu plechov TRIP780 s hrúbkou 1,2 mm a HX420 s hrúbkou 1mm podľa Obr. 10 použitý pre výlisky predných nosníkov skeletu osobného automobilu Obr.11, 12.

Obr. 10 Kombinovaný polotovar

Obr. 11 Výlisky predného nosníka z kombinovaného polotovaru

Obr. 12 Výlisky na skelete automobilu

Kombinované polotovary boli podrobené skúške hlbokoťažnosti. Index hlbokoťažnosti IE bol porovnaný so základnými materiálmi.

Základný materiál HX420
Ide o vysokopevnú mikrolegovanú oceľ triedy HSLA (High-Strength Low-Alloy Steels), jej vlastnosti sú kombináciou procesu precipitácie a zjemnenia zrna. Vyznačuje sa veľmi dobrou zvaritelnosťou, mechanickými vlastnosťami, vysokou únavovou a rázovou pevnosťou. Obsah uhlíka (C) od 0,12 hm%, mangán (Mn) 1,6 hm%, kremík (Si) okolo 0,6 hm%, Ti 0,015 hm%, Al 0,015%, Nb 0,1%. Najdôležitejšie mikrolegujúce prvky Ti), Nb a Al sa podieľajú na zjemnení zrna [1]. Namerané napäťovo-deformačné vlastnosti sú v Tab.6.

Tab. 6 Technologické vlastnosti materiálu HX420 zistené statickou skúškou v ťahu

Skúška hlbokoťažnosti podľa Erichsena sa vykonala na dvoch prístrihoch s rozmermi 180x180 mm a hrúbkou 1mm s nameranými hodnotami podľa Tab.7. Vzhľad vtlačkov z vonkajšej a vnútornej strany je na obr.13, 14. Trhlina vznikla v „nepodopretej“ - časti vtlačku mimo ťažník a ťažnicu a šírila sa v smere valcovania plechu.

Tab. 7 Hodnoty hĺbky vtlačku IE pre materiál HX420

Obr. 13 Vzhľad vtlačkov a trhlín na vzorkách z HX420 z vonkajšej strany

Obr. 14 Vzhľad vtlačkov a trhlín na vzorkách z HX420 z vnútornej strany

Základný materiál TRIP780
TRIP ocele majú vďaka mikroštruktúre vynikajúcu kombináciu pevnosti a ťažnosti. Sú vhodné na konštrukčné a výstužné časti skeletov automobilov.
Mikroštruktúra týchto ocelí sa skladá z globúl tvrdého zvyškového austenitu a bainitu bez dizpergovaných karbidov uložených v mäkkej feritickej matrici. Austenit sa počas plastického pretvorenia transformuje na martenzit (TRIP - Transformation Induced Plasticity effect), čím sa dosiahne väčšie plastické pretvorenie pri vysokej pevnosti výlisku. Technologické vlastnosti sú v tabuľke 8.
Tieto ocele majú vysokú schopnosť spevňovania. V dôsledku deformačného spevnenia sú mechanické vlastnosti a najmä medza klzu hotového komponentu výrazne vyššie ako pri základnom polotovare. Vysoká schopnosť spevnenia a mechanická pevnosť umožňujú týmto oceliam vynikajúcu absorpciu energie.
V dôsledku svojej vysokej absorpčnej kapacity a únavovej pevnosti sú ocele TRIP obzvlášť vhodné pre konštrukčné a bezpečnostné časti automobilov, ako sú priečne nosníky, pozdĺžne nosníky, vystuženia B stĺpikov a výstuže nárazníkov [1].

Tab. 8 Technologické vlastnosti materiálu TRIP780 zistené statickou skúškou v ťahu

Meranie Erichsenovho indexu
Skúška hlbokoťažnosti podľa Erichsena sa urobila na dvoch prístrihoch s rozmermi 180 x 180 mm s hrúbkou materiálu 1,2 mm. Namerané hodnoty IE sú v tab.9. Vzhľad vtlačkov z vonkajšej a vnútornej strany je na obr.15, 16. Trhlina vznikla v „nepodopretej“ – časti vtlačku mimo ťažníka a ťažnicu a šírila sa v smere valcovania plechu a čiastočne i v smere kolmom na smer valcovania, čo je spôsobené takmer žiadnou plošnou anizotropiou (r = 1,02).

Tab. 9 Hodnoty hĺbky vtlačku IE pre materiál TRIP780

Obr. 15 Vzhľad vtlačkov a trhlín z vonkajšej strany

Obr. 16 Vzhľad vtlačkov a trhlín z vnútornej strany

Na kombinovanom polotovare z ocelí TRIP780 a HX420 sa urobila makroskopická analýza zvaru obr.17 a meranie tvrdosti 21 vtlačkami s krokom 0,2mm. Orientácia valcovania plechu z ocele TRIP780 je v smere rezu, plechu z ocele HX420 kolmo na rovinu rezu leptaného 4% roztokom nitalu. Priebeh mikrotvrdosti kombinovaného polotvaru je na obr.18.

Obr. 17 Makroštruktúra priečneho rezu kombinovaného polotovaru HX420-TRIP780

Obr. 18 Priebeh mikrotvrdosti kombinovaného polotovaru

V tabuľke 10 a 11 sú uvedené hodnoty indexu IE pre základný materiál a kombinovaný polotovar. Skúšky sa realizovali na štyroch polotovaroch A, B, C, D; pričom z každého bolo pripravených 5 vzoriek. Na obr.19 a 20 je povrch vtlačkov a tvar a poloha trhlín na vzorkách skupín ZM, C, D, E, F vzniknutých hĺbením.

Tab. 10 Priemerné hodnoty indexu IE a percentuálne vyjadrenie kombinovaného polotovaru v porovnaní s HX420

Tab.11 Priemerné hodnoty indexu IE a percentuálne vyjadrenie kombinovaného polotovaru v porovnaní s TRIP780

Obr. 19 Vzhľad vtlačkov a trhlín kombinovaného polotovaru z vonkajšej strany

Obr. 20 Vzhľad vtlačkov a trhlín kombinovaného polotvaru z vnútornej strany

Diskusia výsledkov
Hlbokoťažnosť základných materiálov kombinovaných polotovarov HX420 a TRIP780 charakterizovaná Erichsenovým indexom je takmer rovnaká 25,67 vs. 26,23. Namerané hodnoty na vzorkách so zvarom predstavovali výrazný pokles. V porovnaní s HX420 49,55% až 51,58% a s TRIP780 bol nameraný pokles IE 48,49% až 50,48%.

Záver
Experimenty mapujúce vplyv laserového zvárania na hlbokoťažnosť boli orientované na vyhodnotenie a porovnanie výsledkov Erichsenovej skúšky hlbokoťažnosti na vzorkách z ocele HCT600 s hrúbkou 1.2 mm kde bol zvar simulovaný prievarom, a vzorkách z produkčného kombinovaného polotovaru tvoreného materiálmi HX420 a TRIP780 s hrúbkami 1 a 1.2 mm. Z ocele HCT600 bolo vyhotovených päť skupín po päť skúšobných vzoriek. Vzorky boli pozdĺžne pretavené pri rôznych parametroch laserového lúča. Pretavenie sa realizovalo na pevnolátkovom Nd:YAG lasere s označením ROFIN-DY 044 použitím adaptívnej zváracej hlavy SCANSONIC-ALO 3, ktorá je súčasťou robotického ramena KUKA. Z kombinovaných polotovarov, ktoré boli produktom fy. Arcelor Mittal Tilored blanks Senica boli vyrobené štyri skupiny po päť vzoriek.

Výsledky experimentov:
1. Hlbokoťažnosť pretavenej oblasti bola oproti základnému materiálu nižšia v rozmedzí od 6,7 % do 13,4 %.
2. Rôzna rýchlosť pretavenia nemá výraznejší dopad na hlbokoťažnosť zvarových spojov.
3. Hlbokoťažnosť vzoriek zhotovených v ochrane Ar bola nepatrne vyššia ako hlbokoťažnosť vzoriek zhotovených v ochrane He.
4. Vplyv výkonu laserového lúča na hlbokoťažnosť pretavenej oblasti bola posudzovaná pri výkone 3 kW a 4 kW. Pretavená oblasť vytvorená pri vyššom výkone laserového lúča, mala lepšiu hlbokoťažnosť v porovnaní so základným materiálom, oproti prievarom zhotoveným pri nižšom výkone približne o 6 %.
5. Pozorovania charakteru, tvaru a veľkosti trhlín vzniknutých pri skúške hĺbenímukázali, že vzorky zhotovené pri zvolených parametroch mali vysoký stupeň anizotropie.
6. Vzorky A a B, vytvorené pri najvyššom výkone laserového lúča preukázali najvyššiu hlbokoťažnosť, najviac sa blížili hlbokoťažnosti základného materiálu a boli najvhodnejšie na ďalšie spracovanie tvárnením.
7. Na všetkých vzorkách sa trhlina začala šíriť od stredu prievaru, kde bola nameraná najvyššia tvrdosť a je predpokladaná najmenšia plasticita a kolmo na rovinu prievaru.
8. Kombinované polotovary s laserovým zvarom jednotlivých častí sa vyznačovali oveľa výraznejším poklesom indexu IE. V porovnaní s oboma základnými materiálmi HX420 aj TRIP780, ktorých plasticita je takmer rovnaká, bol pokles IE cca 50 %.
9. Trhlina na všetkých vzorkách vznikla v mieste tenšieho materiálu HX420 orientovaná rovnobežne so zvarom, v smere valcovania plechu mimo teplom ovplyvnenej oblasti.
10. Poloha zvaru na vzorkách sa po skúške posunula na stranu hrubšieho plechu v dôsledku väčšieho stenčenia steny na strane materiálu HX420.
Z výsledkov vyplýva, že je potrebné tvárniteľnosť hodnotiť priamo na produkčných polotovaroch, pretože skutočný zvar zásadne ovplyvňuje výsledky skúšky hlbokoťažnosti. Parametre tvorby prievaru – rýchlosť, výkon a ochranná atmosféra nie sú také dominantné pri znížení hlbokoťažnosti.

Literatúra:
[1] Kinsey, L. B.- Wu,.X.: Tailor-welded blanks for advanced manufacturing. Woodhead publishing, ISBN 978-0-85709-385-1, Cambridge, 2011, p. 202
[2] Ševčík, P.- Ďuríček, D.- Iždinská, Z.: Vplyv technologických parametrov laserového zvárania na veľkosť a tvar zvarového spoja vysokopevnej dvojfázovej ocele DP 600. Medzinárodná konferencia Technológia 2011, SjF STU v Bratislave, september 2011, pp. 454-459, ISBN978-80-227-3545-2
[3] Evin, E.- Tomáš, M.: Deformation behaviour of laser welded advanced high strength steels, Kovárenství 2017, pp. 6 -11
[4] Bílik, J.- Balážová, M.- Kršiaková, Ľ.- Šuba, R.: Analýza vlastností a tvárniteľnosť duplexnej ocele DP 450, Hutnícke listy 4, 2010, pp. 74 - 77.
[5] Schrek, A.- Činák, M.- Švec, P.- Kostka, P.- Gajdošová, V.: Vplyv napäťovo-deformačnej charakteristiky na celkovú tvárniteľnosť zváraných polotovarov, Metallurgical journal, 4, 2014, pp. 41 - 44

Poďakovanie
Príspevok vznikol s podporou Grantovej agentúry MŠSR VEGA s registračným číslom 1/0405/19 a Univerzitného vedeckého parku „ITMS kód 26240220084“.

Text/Foto Ing. Alena BRUSILOVÁ, PhD., Doc. Alexander SCHREK, PhD., Slovenská technická univerzita v Bratislave, SjF, Ústav technológií a materiálov, Bratislava

Odborný príspevok recenzoval: doc. Ing. Ondrej HÍREŠ, CSc.; Dubnica nad Váhom; Ing. Ivan KOVÁČ, PhD., Katedra kvality a strojárskych technológií, Technická fakulta SPU v Nitre