Zváranie vybraných kombinovaných ocelí diskovým laserom

Zvarové spoje kombinovaných ocelí sa používajú najmä v ener­getickom priemysle. Napr. v tlakovodnom jadrovom reaktore sa zvary kombinovaných ocelí aplikujú za účelom spojenia tla­kovej nádoby reaktora z nízkolegovanej ocele so systémom potrubí z nehrdzavejúcej ocele [3].

Zváranie kombinovaných ocelí je v súčasnosti predmetom výskumu na celom svete. Na Iranian National Centre for Laser Science and Techno­logy bolo realizované zváranie pulzným Nd:YAG laserom nízkouhlíkovej ocele (s označením DIN 1.1010) s austenitickou nehrdzavejúcou oceľou (AISI 304 L). Zvárané ocele mali hrúbku 0,8 mm, pričom boli usporiada­né v preplátovanej konfigurácii. Ako horný plech sa zvolila austenitická CrNi nehrdzavejúca oceľ. Autori dokumentovali asymetrický tvar zvaro­vého kovu (ZK). Objem ZK bol v oblasti austenitickej CrNi nehrdzavejú­cej ocele väčší [4].

N. Arivazhagan a kol. sa zaoberali zváraním ocele AISI 304 s nízkolego­vanou oceľou (AISI 4140). Na zváranie uvedenej kombinácie ocelí použi­li GTAW, zváranie trením a elektrónovým lúčom. Zvary vyhotovené elek­trónovým lúčom vykazovali najvyššiu pevnosť v ťahu (Rm = 681 MPa) [5].

Changheui Jang a kol. študovali mechanické vlastnosti zvaru nízkolego­vanej ocele s austenitickou nehrdzavejúcou CrNi oceľou (AISI 316). Pred samotným zváraním boli na nízkouhlíkovú oceľ navarené 2 vrstvy zliati­ny Inconel 82 ručným GTAW. Zvyšná časť bola vyplnená prídavným ma­teriálom Inconel 182 (ROZ) [6]. G. F. Li a kol. študovali vplyv tepelného spracovania po zváraní na korózne praskanie pod napätím zvaru kom­binovaných ocelí [3]. Alenius a kol. analyzovali zvary vyhotovené bodo­vým odporovým zváraním austenitickej nehrdzavejúcej ocele (AISI 301 LN a AISI 304) s pozinkovanou oceľou ZStE260BH. Materiál elektród bol CuNi2Be. Mikroštruktúra v oblasti zvarovej šošovky bola úplne mar­tenzitická. Únavová pevnosť bodového zvaru sa zvyšovala so zvyšovaním hrúbky plechov [7].

Jamasri a kol. študovali bodové odporové zvary nízkouhlíkovej oce­le s austenitickou nehrdzavejúcou oceľou. Hrúbka nízkouhlíkovej ocele (SS400) bola 3 mm a austenitickej CrNi ocele (SS304) 1 mm. Na vyhoto­venie zvaru boli použité nasledovné parametre zvárania: zvárací prúd Izv = 4,7 kA, čas zvárania t = 20 periód a prítlačná sila F = 6 kN. Štruktúra zva­rovej šošovky bola obdobne tvorená martenzitom [8].

Autori z Department of Mechanical Engineering, Trakya University, Tu­recko riešili zváranie trením uhlíkovej ocele (AISI 1040) s austenitickou nehrdzavejúcou CrNi oceľou (AISI 304) [9].

Údaje, ktoré sa týkajú zvárania kombinácie nízkouhlíková oceľ s austeni­tickou nehrdzavejúcou CrNi oceľou laserovým lúčom sú v súčasnosti stá­le obmedzené. Príspevok sa zaoberá analýzou zvarových spojov kombino­vaných ocelí vyhotovených diskovým laserom.

CHARAKTERISTIKA ZVÁRANÝCH MATERIÁLOV

V rámci experimentu bola navrhnutá produkcia tupých zvarových spo­jov. S cieľom využitia kombinácie vlastností rôznych ocelí sa pristúpilo ku zváraniu kombinovaných ocelí. Ako základné materiály boli zvolené aus­tenitická CrNi nehrdzavejúca oceľ AISI 321 (stabilizovaná Ti) a nízkouh­líková oceľ DC 01. Hrúbka zváraných kovov je 2 mm. Chemické zloženie ocelí AISI 321 a DC 01 je uvedené v tab. 1 a 2.

NÁVRH LASERA NA ZVÁRANIE

Na zváranie bol použitý pevnolátkový diskový laser TruDisk 8002 (obr. 1) s vlnovou dĺžkou λ = 1,030 μm a maximálnym výkonom 8 kW. Experi­mentálne zvary boli vyhotovené v spolupráci so spoločnosťou Prvá Zvá­račská, a. s. v Bratislave.

Dôvodom aplikácie pevnolátkového lasera TruDisk 8002 je kratšia vlno­vá dĺžka λ, ktorá je charakteristická vyššou absorpciou žiarenia kovmi. Okrem toho, bola do úvahy vzatá aj vysoká účinnosť lasera, čo priaznivo prispieva k zníženiu celkových nákladov na produkciu zvarových spojov.

PARAMETRE A PODMIENKY ZVÁRANIA

Tupé zvary kombinovaných ocelí boli vyhotovené pri rôznych paramet­roch zvárania. Boli použité výkony lasera z intervalu P = 1,0 až 2,0 kW. Rýchlosť zvárania bola zvolená v intervale vzv = 15 až 35 mm/s. Paramet­re zvárania kombinovaných ocelí AISI 321 s DC 01 sú uvedené v tab. 3.

Ako ochranný plyn bol navrhnutý Ar (tlak plynu p = 0,2 MPa) s čistotou 4.6. Zváralo sa bez použitia prídavného materiálu. Ohnisková vzdialenosť bola vo všetkých prípadoch konštantná f = 200 mm. Fokusácia lasero­vého lúča bola na povrch zváraných ocelí. Priemer stopy laserového lú­ča bol Ř 400 μm. Žiarenie bolo zo zdroja TruDisk 8002 transportované na miesto technologického spracovania kovov optickým káblom s ozna­čením LLK-D 04/20 m (Laser Licht Kabel) s priemerom vlákna Ř 400 μm a dĺžkou 20 m.

Na vyhodnotenie kvality zvarov kombinovaných ocelí sa použila optic­ká mikroskopia, meranie mikrotvrdosti cez rozhranie zvarových spojov a EDX mikroanalýza. Kvalitatívna fázová analýza bola vykonaná EBSD analýzou.

VÝSLEDKY

Na obr. 2 sú dokumentované makroštruktúry vyhotovených zvarových spojov kombinácie ocelí DC 01 – AISI 321.

Zvarové spoje majú asymetrický charakter. Uvedená skutočnosť súvisí s rozdielnymi fyzikálnymi vlastnosťami zváraných ocelí. Vo všetkých prí­padoch bola pozorovaná širšia TOO na strane nízkouhlíkovej ocele DC 01.

V ďalšej fáze hodnotenia kvality zvarových spojov kombinovaných ocelí bolo realizované meranie mikrotvrdosti cez rozhrania zvarov. Bol doku­mentovaný nárast tvrdosti smerom zo základného materiálu (nízkouhlí­kovej ocele DC01) cez TOO až po maximálne hodnoty namerané v ZK. Maximálne hodnoty mikrotvrdosti boli v prípade všetkých tupých zvarov zistené v oblasti ZK (obr. 3).

S cieľom detailnejšieho štúdia zvarových spojov bola realizovaná EDX analýza. Na obr. 4 je uvedené miesto vykonania EDX analýzy tupého zvaru kombinácie ocelí AISI 321 – DC 01. Možno pozorovať priebeh zme­ny koncentrácie Cr a Ni v smere z ANO cez ZK a oceľ DC 01. Zvar bol vy­hotovený pri najmenšom tepelnom príkone.

ZÁVER

V príspevku sú analyzované zvarové spoje kombinovaných ocelí AISI 321 a DC 01. Hrúbka základných materiálov bola 2,0 mm. Uvedená kombi­nácia materiálov má uplatnenie najmä v energetickom priemysle. Na zá­klade analýzy makroštruktúr tupých zvarov možno konštatovať, že zvary majú asymetrický tvar. Táto skutočnosť súvisí s rozdielnymi vlastnosťami zváraných ocelí. Zároveň bola pozorovaná širšia TOO na strane nízkouh­líkovej ocele DC 01. V TOO na strane ocele DC 01 bolo dokumentované zjemnenie feritického zrna. Pri meraní mikrotvrdosti naprieč zvarovými spojmi boli maximálne hodnoty mikrotvrdosti zistené v ZK. Detailnejšie štúdium zvarových spojov bolo vykonané EDX analýzou. Bol zaznamena­ný priebeh zmeny koncentrácie prvkov Cr a Ni naprieč zvarovým spojom. Bol dokumentovaný pokles koncentrácie Cr a Ni v smere z austenitic­kej CrNi nehrdzavejúcej ocele cez zvarový spoj až k nízkouhlíkovej oceli DC 01. V ďalšej fáze hodnotenia kvality zvarových spojov kombinovaných ocelí sa budú realizovať korózne skúšky.

POĎAKOVANIE

Príspevok je súčasťou riešenia projektov VEGA MŠVVŠ SR a SAV 1/2594/12 a 1/1035/12.

LITERATÚRA

[1] HALDAR, A., SUWAS, S., BHATTACHARJEE, D.: Microstructure and Texture in Steels: And Other Materials. London: Springer, 2009. 488 p. ISBN 978-84882-453-9

[2] KOLÁŘ, V., BREZINA, M., VESELÝ, P., DUNOVSKÝ, J., KOLAŘÍK, L.: Heterogenní svarové spoje ve výrobě kolejových vozidel. In Svařování, dělení, spojování materiálů. 2007, roč. V (IX), č. 5-6, s. 28-31. ISSN 1212-4044.

[3] LI, G. F., CHARLES, E. A., CONGLETON, J.: Effect of Post Weld Heat Treatment on Stress Corrosion Cracking of Low Alloy Steel to Stainless Steel Transition Weld. In Corrosion Science, 2001, Vol. 43, No. 10, p. 1963 – 1983.

[4] TORKAMANY, M. J., SABBAGHZADEH, J., HAMEDI, M. J.: Effect of Laser Welding Mode on the Microstructure and Mechanical Performance of Dissimilar Laser Spot Welds between Low Carbon and Austenitic Stainless Steels. In Materials and Design, 2012, Vol. 34, p. 666 – 672.

[5] ARIVAZHAGAN, N., SINGH, S., PRAKASH, S., REDDY, G. M.: Investigation on AISI 304 Austenitic Stainless Steel to AISI 4140 Low Alloy Steel Dissimilar Joints by Gas Tungsten Arc, Electron Beam and Friction Welding. In Materials and Design, 2011, Vol. 32, No. 5, p. 3036–3050.

[6] JANG, CH., LEE, J., KIM, J. S., JIN, T. E.: Mechanical Property Variation within Inconel 82/182 Dissimilar Metal Weld between Low Alloy Steel and 316 Stainless Steel. In International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2008, Vol. 85, No. 9, p. 635–646.

[7] ALENIUS, M., POHJANNE, P., SOMERVUORI, M., HÄNNINEN, H.: Exploring the Mechanical Properties of Spot Welded Dissimilar Joints for Stainless and Galvanized Steels. In Welding Journal, 2006, p. 305 – 313.

[8] JAMASRI, ILMAN, M. N., SOEKRISNO, R., TRIYONO: Corrosion Fatigue Behavior of Resistance Spot Welded Dissimilar Metal Welds between Carbon Steel and Austenitic Stainless Steel with Different Thickness. In Procedia Engineering, 2011, Elsevier, p. 649–654. ISSN 1877-7058.

[9] SAHIN, M., AKATA, H. E.: An Experimental Study on Friction Welding of Medium Carbon and Austenitic Stainless Steel Components. In Industrial Lubrication and Tribology, 2004, Vol. 56, No. 2, p. 122 – 129. ISSN 0036-8792.

TEXT/FOTO ING. MIROSLAV SAHUL, PHD., ING. MARTIN SAHUL, PROF. ING. MILAN TURŇA, CSC. IWE, MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA STU, ÚSTAV VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ, TRNAVA FOTO ARCHÍV TRUMPF