Analýza zvarových spojov Mg zliatiny ZE 41 vyhotovených diskovým laserom

Práve uvedené vlastnosti Mg a jeho zliatin spôsobujú, že horčík a jeho zliatiny sa čoraz častejšie uplatňujú v rôznych konštrukciách. Hustota Mg predstavuje približne len ¼ hustoty ocele a 2/3 hustoty hliníka [1, 2]. Vzhľadom na širokú oblasť aplikácie Mg zliatin v rôznych oblastiach je potrebné zaoberať sa metalurgickým spájaním Mg a Mg zliatin [3, 4, 5]. Jednou z možností je použitie zvárania koncentrovanými zdrojmi energie. Zvarové spoje vyhotovené zváraním koncentrovanými zdrojmi energie ako napríklad zváranie laserovým lúčom, elektrónovým lúčom a plazmovým oblúkom (ktoré sú charakteristické vysokou hustotou energie, malým tepelným príkonom a vysokými rýchlosťami ochladzovania) majú úzku, teplom ovplyvnenú oblasť (TOO), veľkú hĺbku pretavenia (koeficient formy zvaru býva pri zváraní v režime „key-hole“ mnohonásobne vyšší ako 1), malé deformácie a zvyškové napätia a v oblasti zvarových spojov dochádza k vzniku jemnozrnných štruktúr.
Mg zliatiny však majú relatívne široký interval kryštalizácie. V kombinácii s prítomnosťou nízkotaviteľných eutektík pri zváraní Mg zliatin často dochádza k horúcemu praskaniu [6, 7]. Výskum v oblasti zvárania Mg a jeho zliatin v súčasnosti prebieha na viacerých vedeckých pracoviskách vo svete. Čo sa však týka informácií o zvariteľnosti Mg zliatiny ZE 41 sú veľmi limitované. Al Kazzaz a kol. realizovali zváranie Mg zliatiny ZE 41A – T5 s hrúbkou 2 a 6 mm Nd: YAG laserom. Autori pozorovali, že plocha zvarového kovu sa zmenšovala s narastajúcou rýchlosťou zvárania. Pri analýze prievarov zároveň pozorovali znižovanie hĺbky pretavenia s nárastom rýchlosti zvárania [8, 9].
Cieľom príspevku je vyhotovenie zvarových spojov na Mg zliatine ZE 41 s prísadou prvkov vzácnych zemín a následná analýza vlastností vyhotovených zvarov.

EXPERIMENT
Mg zliatina ZE 41 s hrúbkou 2,0 mm bola navrhnutá ako experimentálny materiál. Chemické zloženie Mg zliatiny je uvedené v tab. 1. Okrem Mg, boli v zliatine detegované prvky Zn, Zr, La a Ce. Presné chemické zloženie bolo zistené pomocou EDX analýzy.

Povrch Mg zliatiny bol pred zváraním brúsený pomocou brúsneho kotúča zrnitosti 1 200 s cieľom odstránenia povrchového oxidu MgO prítomného na povrchu zliatiny ZE 41. Zvarové plochy boli následne očistené v acetóne.
Na vyhotovenie zvarových spojov bol použitý diskový laser TruDisk 4002 s maximálnym výkonom 2,0 kW a vlnovou dĺžkou 1,03 μm. Za účelom fokusácie laserového lúča bola použitá fokusačná optika D70, ktorá je namontovaná na 6-osovom robotickom ramene FANUC. Ohnisková vzdialenosť bola 200 mm. Laserové žiarenie bolo vedené zo zdroja k miestu technologického spracovania optickým káblom s priemerom jadra vlákna Ø 400 μm. Priemer sfokusovaného laserového lúča bol Ø 400 μm. Zvarové spoje boli vyhotovené bez použitia prídavného materiálu.
Zvarové spoje boli vyhotovené pri rôznych parametroch zvárania. Parametre zvárania sú uvedené v tab. 2.

Na zváranie boli použité výkony lasera v intervale od 0,6 do 1,2 kW, pričom rýchlosť zvárania bola konštantná 70 mm/s. Ako ochranný plyn bol použitý Ar s prietokovým množstvom 12 l/min.

DOSIAHNUTÉ VÝSLEDKY
Makroštruktúry vybraných zvarových spojov sú dokumentované na obr. 1. Zvarové spoje sú charakteristické pre zváranie laserovým lúčom. Koeficient formy zvaru je vyšší ako 1. Hlavným problémom pri zváraní Mg zliatiny ZE 41 bolo horúce praskanie vo zvarovom kove.

Vysoká rýchlosť ochladzovania v procese zvárania laserom spôsobila výrazné zjemnenie zrna v oblasti zvarového kovu. V TOO nebolo pozorované výrazné zhrubnutie zrna, čo je spôsobené malým tepelným príkonom, ktorý je charakteristický pre zváranie laserom. Vplyv výkonu lasera možno pozorovať na obr. 2. Ako je zrejmé, pri zvýšení výkonu z hodnoty 0,6 kW na hodnotu 1,2 kW narástla priemerná veľkosť zrna v oblasti zvarového kovu. Je to spôsobené nárastom tepelného príkonu použitého na zváranie Mg zliatiny ZE 41.

Vo zvarovom kove boli ojedinele pozorované póry a horúce trhliny (obr. 3). V uvedenom prípade bol aplikovaný vyšší tepelný príkon. Preto bolo potrebné za účelom odstránenia horúcich trhlín znížiť tepelný príkon.

Priebeh mikrotvrdosti naprieč zvarovým spojom vyhotoveným parametrami zvárania: P = 0,9 kW, v = 70 mm/s a fokusácii f = 0 mm je uvedený na obr. 4. Zaťaženie použité pri meraní bolo 100 g a pôsobilo počas 10 s. Vzdialenosť medzi vtlačkami je 100 μm. Z priebehu mikrotvrdosti vyplýva, že vplyvom procesu zvárania došlo k poklesu mikrotvrdosti vo zvarovom kove v porovnaní so základným materiálom. Priemerná mikrotvrdosť Mg zliatiny ZE 41 bola 66 HV0,1. Priemerná mikrotvrdosť vo zvarovom kove vyhotovenom uvedenými parametrami zvárania dosahovala hodnotu približne 60 HV0,1.

Pre detailnejšiu analýzu zvarových spojov bola použitá EDX analýza. Analýza chemického zloženia bola vykonaná v miestach označených Spectrum 1 až 6 (obr. 5). Tmavšie oblasti (označené ako Spectrum 1 až 3) sú charakteristické vyšším obsahom Mg v porovnaní s medzidendritickými priestormi. Matrica obsahovala až 96,6 hmot. percent horčíka. V tejto oblasti bol prítomný tuhý roztok α-Mg. Navyše, bola detegovaná aj prítomnosť prvkov Zn a Zr. Pokles koncentrácie Mg bol zaznamenaný v medzidendritických priestoroch. Okrem toho, boli v medzidendritických priestoroch detegované prvky La a Ce. Možno predpokladať, že v uvedenej oblasti sa vyskytuje fáza Mg9RE, kvôli nízkej rozpustnosti prvkov vzácnych zemín v Mg.

Výsledky chemickej analýzy sú uvedené v tab. 3.

ZÁVER
Príspevok sa zaoberá zváraním Mg zliatiny s obsahom prvkov vzácnych zemín. Ako experimentálny materiál bola navrhnutá Mg zliatina ZE 41 s hrúbkou 2,0 mm. Horúce praskanie vo zvarovom kove bolo hlavným problémom pri zváraní uvedenej Mg zliatiny. Aplikáciou vhodných parametrov zvárania sa však horúce praskanie podarilo eliminovať. Na základe analýzy makroštruktúry zvarových spojov možno konštatovať, že s nárastom výkonu lasera dochádza k zväčšovaniu plochy ZK. Maximálna šírka ZK bola dokumentovaná pri použití výkonu lasera P = 1,2 kW. Vysoká rýchlosť ochladzovania pri zváraní laserom mala za následok zjemnenie zrna v oblasti ZK. V TOO nebolo pozorované zhrubnutie zrna. Tmavé oblasti v ZK boli charakteristické vyšším obsahom Mg v porovnaní so svetlejšími oblasťami. Matrica bola tvorená až 96,9 hmot. percentami Mg. V uvedenej oblasti bola dokumentovaná prítomnosť tuhého roztoku α-Mg. Okrem toho, boli v ZK detekované prvky Zn a Zr. Pokles v koncentrácii Mg bol naopak pozorovaný v medzidendritických priestoroch, kde boli navyše detekované prvky La a Ce. Bol pozorovaný mierny pokles mikrotvrdosti ZK v porovnaní s mikrotvrdosťou Mg zliatiny ZE 41.

Poďakovanie
Príspevok vznikol s podporou projektov grantovej agentúry VEGA Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu SR a Slovenskej Akadémie Vied, projekt č. 1/2594/12 (Výskum metalurgického spájania a ďalších technologických procesov spracovania horčíkových a iných ľahkých zliatin progresívnymi a ekologicky vhodnými technológiami) a projekt č. 1/1035/12.

Literatúra
[1] GUPTA, M.; SHARON, N. M. L.: Magnesium, Magnesium Alloys and Magnesium Composites. John Wiley & Sons, 2011. 257 p. ISBN 978-0-470-49417-2
[2] H. E. FRIEDRICH, B.; MORDIKE, L.: Magnesium Technology: Metallurgy, Design Data, Applications. Springer, 2006. 699 p. ISBN 978-3-540-30812-6
[3] HAROONI, M. J. MA; CARLSON, B.; KOVACEVIC, R.: Two-Pass Laser Welding of AZ31B Magnesium Alloy. In Journal of Materials Processing Technology, No. 216 (2015), p. 114 – 122.
[4] HAROONI, M.; CARLSON, B.; STROHMEIER, B. R.; KOVACEVIC, R.: Pore Formation Mechanism and its Mitigation in Laser Welding of AZ31B Magnesium Alloy in Lap Joint Configuration. In Materials and Design, No. 58 (2014), p. 265 – 276.
[5] PADMANABAN, G.; BALASUBRAMANIAN, V.: Effects of Laser Beam Welding Parameters on Mechanical Properties and Microstructure of AZ31B Magnesium Alloy. In Transactions of Nonferrous Metals Society in China, No. 21 (2011), p. 1917 – 1924.
[6] SHEN, J.; WEN, L.; LI, Y.; MIN, D.: Effects of Welding Speed on the Microstructures and Mechanical Properties of Laser Welded AZ61 Magnesium Alloy Joints. In Materials Science & Engineering, A578 (2013), p. 303 – 309.
[7] WAHBA, M.; MIZUTANI, M.; KAWAHITO, Y.; KATAYAMA, S.: Laser Welding of Die-Cast AZ91D Magnesium Alloy. In Materials and Design, No. 33 (2012), p. 569 – 576.
[8] Al-KAZZAZ, H.; MEDRAJ, M.; CAO, X.; JAHAZI, M.: Nd:YAG Laser Welding of Aerospace Grade ZE41A Magnesium Alloy: Modeling and Experimental Investigations. In Materials Chemistry and Physics, No. 109 (2008), p. 61 – 76.
[9] JAGERČÍK, M.: Analýza zvarových spojov Mg zliatiny s prísadou prvkov vzácnych zemín vyhotovených laserom. Trnava: MTF STU, 2014.

TEXT/FOTO ING. MIROSLAV SAHUL, PHD., ING. MARTIN SAHUL, PHD., PROF. ING. MILAN TURŇA, CSC. IWE, MATERIÁLOVO-TECHNOLOGICKÁ FAKULTA, TRNAVA