tit300pxProgresívne vysokopevné ocele sú súčasťou kombinovaných polotovarov (TWB – tailor-welded blanks, EB – engineering blanks) slúžiacich na výrobu výliskov s osobitnými vlastnosťami pre nosné štruktúry skeletov automobilov. Jednotlivé časti polotovarov sú spájané laserovým zváraním pre jeho úzku teplom ovplyvnenú oblasť základného materiálu. Štruktúrne zmeny v tejto oblasti však ovplyvňujú pretvárne vlastnosti použitých materiálov.


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

obr1
Obr. 1: Rozsah použitia TWB polotovarov v nosnej konštrukcii automobilu

 

Medzi veľmi často používané materiály kombinovaných polotovarov spolu s inými (DP, BH, TRIP) patria dvojfázové ocele DP-HCT. 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. 2c,d). [1]

obr2
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. Voľba vhodných technologických podmienok zvárania umožní udržať pretvárne vlastnosti oblasti zvarového spoja čo najbližšie základnému materiálu [2].

Podmienky experimentu
Na určenie vplyvu laserového zvaru na pretvárne vlastnosti a hlbokoťažnosť laserového spoja, resp. prievaru ocele DP – HCT 600 s medzou klzu Rp 0,2 = 330 ÷ 460 MPa, s medzou pevnosti Rm = 580 ÷ 670 MPa a ťažnosťou A = 22 % boli zvolené nasledovné podmienky:
• Vplyv rýchlosti zvárania bol sledovaný na vzorkách triedy A, B a C. Vzorky skupiny A boli zvárané 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 výkone 4 kW v ochrannej atmosfére argónu.
• Vplyv zloženia ochranného plynu na hlbokoťažnosť zvarového spoja bol sledovaný na vzorkách triedy D a E. 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.

Zvarový spoj – prievar
Pre experimenty bol zvarový spoj nahradený prievarom základného materiálu vzoriek (obr. 3). Na obr. 4 je zobrazená oblasť zvarového spoja ocele DP 600 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 oblasť zvaru (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].

obr3
Obr. 3: Zvarový prievar simulujúci zvarový spoj: a) výkon laserového lúča 4 kW, b) výkon laserového lúča 3 kW

 

Táto oblasť bola miestom primárneho vzniku trhlín na skúšaných vzorkách všetkých skupín. Tvrdosť zvarového spoja – prievaru sa pohybuje od 205HV0,1 po 410HV0,1 (obr. 4b). [5]

obr4
Obr.4: Zvarový spoj: a) makroštruktúra priečneho rezu, b) priebeh tvrdosti

 

Skúšky hlbokoťažnosti
Erichsenova skúška bola vykonaná na nástroji (obr. 5). Ťažník nástroja je v spodnej doske pevne upevnený na stole lisu. Ťažnica je upevnená na šmýkadle lisu. Pridržiavacia sila je vyvodená prostredníctvom spodného šmýkadla dvojčinného hydraulického lisu PYE 160 S. Na vzorkách zvarových spojov skupín A až E neboli pred vykonaním skúšky pozorované vonkajšie necelistvosti, prípadne chyby spojov, ktoré mohli ovplyvniť výsledok experimentov.

obr5
Obr. 5: Nástroj na Erichsenovu skúšku hlbokoťažnosti: a) rez konštrukciou, b) celkový pohľad

 

Na obr. 6 a obr. 7 je povrch vtlačkov a tvar trhlín na vzorkách skupín A, B, C, D, E a ZM, vzniknutých hĺbením. Parametre zvárania vzoriek jednotlivých skupín sú uvedené v tab. 1.

tab1
Tab. 1: Prehľad parametrov zvárania pre jednotlivé skupiny vzoriek

 

Q - prietok plynu [l.min-1]
ST - plocha interakcie laserového žiarenia s materiálom [cm2]
P - výkon laserového lúča [kW]
Ø - priemer laserového lúča v mieste interakcie [mm]
v - rýchlosť zvárania [mm.s-1]
I - hustota výkonu [kW.cm-2]
E - dodaná energia [kW.s.mm-1]

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. 8b) bol v porovnaní s tvarom trhliny vzorky s prievarom (obr. 8a) rovnaký. Smer rastu trhliny bol v smere valcovania plechu.

obr6
Obr. 6: 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
obr7
Obr. 7: 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
obr8
Obr. 8: Porovnanie veľkosti a tvaru trhliny prístrihu: a) obsahujúceho prievar, b) bez prievaru (vpravo)


V tab. 2 sú zaznamenané hodnoty Erichsenovho čísla – 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.

tab2
Tab. 2: Hodnoty hĺbky vtlačku IE [mm] pre jednotlivé vzorky

 

Vplyv rýchlosti zvárania laserovým lúčom na hlbokoťažnosť prievaru
Technologické podmienky boli sledované 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.

tab3
Tab. 3: Vplyv rýchlosti zvárania na hĺbku vtlačku IE (mm)

 

Vplyv ochranného plynu na hlbokoťažnosť prievaru
Vplyv ochranného plynu na hlbokoťažnosť zvarového spoja bol sledovaný na vzorkách triedy D a E. Erichsenova skúška bola realizovaná 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 tab. 4. Porovnaním hĺbky vtlačkov vzoriek skupiny D a E bol zaznamenaný minimálny rozdiel. Veľmi výrazný rozdiel je však pri porovnaní vzoriek zvarového spoja so ZM.

tab4
Tab. 4: Vplyv ochranného plynu na hĺbku vtlačku IE (mm)

 

Vplyv výkonu zvarového lúča na hlbokoťažnosť prievaru
Vplyv výkonu lúča na hlbokoťažnosť zvarového spoja bol vyhodnotený zo vzoriek skupiny A a E. Vzorky A boli zvárané 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 zvárané pri vyššom výkone dosiahli vyššiu hodnotu hĺbky vtlačku a lepšiu hlbokoťažnosť v porovnaní so vzorkami skupiny E pretavené pri nižšom výkone.

tab5
Tab. 5: Vplyv zmeny výkonu lúča na hĺbku vtlačku IE (mm)

 

Diskusia výsledkov
Hodnoty Erichsenovho čísla IE získané z pozorovania vplyvu rýchlosti zvárania na hlbokoťažnosť laserového spoja, ktoré boli sledované na vzorkách skupiny A, B a C, sú zaznamenané v tab. 3 a graficky na obr. 9. Pre každú skupinu je zobrazených päť vzoriek reprezentujúcich prvých päť stĺpcov s hodnotami hĺbok vtlačkov a ich priemerná hodnota je v poslednom stĺpci. Podľa obr. 9 zváranie pri rýchlosti vA = 20 mm.s-1 (vzorky A) znižuje hlbokoťažnosť 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 je možné konštatovať, že zváranie pri rýchlostiach v rozmedzí 20 – 40 mm.s-1 znižuje hlbokoťažnosť v mieste zvarového kovu o 6,7 – 7,3 %.

obr9
Obr. 9: Porovnanie vplyvu zmeny rýchlosti zvárania na hĺbku vtlačku prievaru (A – 20 mm.s-1, B – 30 mm.s-1, C – 40 mm.s-1, ZM – základný materiál)

 

Hodnoty Erichsenovho čísla IE získané z analýzy vplyvu ochranného plynu na hlbokoťažnosť prievaru, ktoré boli sledované na vzorkách skupiny D a E, sú zaznamenané v tab. 4, a graficky na obr. 10. Zvary vyhotovené v ochrannej atmosfére Ar (vzorky D) mali zníženú hlbokoťažnosť o 12,2 % a zvary vyhotovené v ochrannej atmosfére He (vzorky E) mali zníženú hlbokoťažnosť o 13,4 % v porovnaní so základným materiálom (vzorky ZM). Použitie ochranného plynu Ar sa javí mierne výhodnejšie v porovnaní s He (vzorky E).

obr10
Obr. 10: Porovnanie zmeny ochranného plynu na hĺbku vtlačku prievaru (D – argón, E – hélium, ZM – základný materiál)

 

Hodnoty Erichsenovho čísla IE získané z pozorovania vplyvu výkonu lúča na hlbokoťažnosť prievaru, ktoré boli sledované na vzorkách A, E a ZM, sú v tab. 5 a graficky na obr. 11.
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 %. Ako výhodnejšie sa javí zváranie pri vyššom výkone (vzorka A). Výkon laserového lúča, resp. hustota výkonu laserového lúča a množstvo dodanej energie, majú významný vplyv na rozsah a intenzitu pretavenia v oblasti prievaru.

obr11
Obr. 11: Porovnanie vplyvu zváracieho výkonu na hlbokoťažnosť prievaru (A – 4 kW, E – 3 kW, ZM – základný materiál)

 

Záver
Pri experimentoch mapujúcich vplyv laserového zvárania na hlbokoťažnosť ocele DP600 bolo vyhotovených päť skupín po päť skúšobných vzoriek z plechu hrúbky 1,2 mm. Vzorky boli pozdĺžne pretavené pri rôznych parametroch laserového lúča. Pretavenie sa realizovalo na pevnolátkovom Nd:YAG laseri s označením ROFIN-DY 044 a adaptívnej zváracej hlave SCANSONIC-ALO 3, ktorá je súčasťou robotického ramena KUKA. Pretavenie vzorky nahradilo zvarový spoj.

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 vplyv 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 prietavom zhotoveným pri nižšom výkone približne o 6 %.
5. Pozorovania charakteru, tvaru a veľkosti trhlín vzniknutých pri skúške hĺbením preukázali, 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.

TEXT/FOTO: Alexander SCHREK, Alena BRUSILOVÁ, Pavol SEJČ, Ernest Gondár, SjF STU Bratislava
Titulná FOTO: TRUMPF
Odborný príspevok recenzovali: doc. Ing. Harold MÄSIAR, CSc.; TUAD v Trenčíne, Ing. Ľubomír OLEXA, PhD.; TVIC, s. r. o., Prešov

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