Vplyv ochranných plynov na pórovitosť zvarových spojov

Pri laserovom zváraní zohráva ochranný plyn dôležitú úlohu z hľadiska minimalizácie pórovitosti zvaru a pri zvyšovaní penetrácie. Nestabilita tavného kúpeľa v koreňovej oblasti môže spôsobiť dutiny s plynom. Vysoká afinita titánu ku kyslíku môže veľmi rýchlo zapríčiniť tvorbu oxidickej vrstvy na tavenine, čo zabraňuje unikaniu plynových bublín zo ZK [1].
Pri zváraní materiálov s hlbokou penetráciou sa zvyšuje riziko procesných chýb. To môže viesť k nestabilite kľúčovej dierky, napr. k zúženiu alebo jej kolapsu. Navyše, pórovitosť môže byť spôsobená odparovaním legujúcich prvkov z roztaveného zvarového kúpeľa [2]. Pórovitosť tiež znižuje plochu zvaru, a preto bude mať vplyv na pevnosť, húževnatosť a únavovú odolnosť zváraných konštrukcií. Katayama študoval tvorbu pórov pri zváraní Al zliatiny A5083 a ocele 304 s vysoko výkonným YAG laserom. Zistil, že v dôsledku odparovania kovu zo spodnej časti kľúčovej dierky sa vytvorilo veľa pórov, pričom pary boli zachytené počas tuhnutia v ZK. Analýza plynu ukázala, že hlavným z plynov v dutinách bol ochranný plyn, čo potvrdilo, že dutiny boli primárne tvorené vírivým ochranným plynom spolu s kovovými parami. Do procesu bol pridaný aj zvárací drôt, čo komplikuje dynamiku kľúčovej dierky a tavného kúpeľa, čím sa zvyšuje pravdepodobnosť tvorby pórov [3]. Katsuna ukázal, že tendencia tvorby pórovitosti je silne ovplyvnená odparovaním a segregačným správaním Mg ako aj vodíka rozpusteného v roztavenom kove [4]. OA má veľký vplyv na tvar zvarovej húsenice a penetráciu. Použitie rôznych OA môže viesť k rôznym penetračným a zvarovým profilom. Póry môžu byť začiatkom šírenia trhlín a môžu výrazne znížiť životnosť spojov pri dynamických zaťaženiach.
Z vyššie uvedeného vyplýva, že vhodný výber procesných OA je dôležitým faktorom pre účinnosť, kvalitu a celkovú prijateľnosť zvaru [5]. Ar a He sú inertné plyny, ktoré nemajú žiadny vplyv na metalurgické procesy počas zvárania. Oba sa často používajú na ochranu zvarového kúpeľa
pred okolitou atmosférou, kde Ar je zvyčajne preferovanou voľbou kvôli jeho nižším nákladom. Zloženie OA ovplyvňuje rozloženie tepla vo zvare, a preto vplýva na tvar zvaru a rýchlosť zvárania [6].

Experiment
Ako experimentálny materiál bol použitý Ti Grade 2. Hrúbka ZM bola 2 mm. Pomocou diskového lasera sa vyhotovili tupé zvarové spoje. Chemické zloženie ZM a jeho mechanické vlastnosti sú uvedené v tab. 1 a 2.

Laserové zariadenie a parametre zvárania
Zvary boli vyhotovené v kontinuálnom režime zvárania pomocou diskového lasera TruDisk 4002. Vlnová dĺžka laserového lúča je 1,03 μm a kvalita lúča (BPP) 8 mm mrad. Laserový lúč bol privádzaný do fokusačnej optiky BEO D70 pomocou optického kábla s priemerom 200 μm. Ohnisková vzdialenosť bola 200 mm. Fokusačnú optiku niesol 6 angulárny priemyselný robot Fanuc M-710iC/50. Z hľadiska zistenia vplyvu rôznych OA na vlastnosti zvarov bol použitý Ar 4.6, He 4.6, Ar + 5 % obj. He, Ar + 30 % obj. He, pričom posledný zvar bol vyhotovený bez použitia OA. Parametre zvárania sú uvedené v tab. 3.

Povrchy a korene zvarových spojov
Povrchy a korene zvarových spojov Ti Grade 2 sú uvedené na obr. 1(a) až (f). Na obr. 1(a) a (b) je zobrazený povrch a koreň zvaru. Zvarová húsenica má pravidelný tvar bez prítomnosti rozstreku. Koreň zvaru je taktiež pravidelný s prítomnosťou oxidácie. Ďalší zvar obr. 1(c) a (d) bol vyhotovený pri rovnakých parametroch zvárania ako v predošlom prípade, ale na ochranu tavného kúpeľa bol použitý Ar + 5 % He. Je zrejmé, že šírka zvaru je podobná ako v predošlom prípade a koreň zvaru je tiež zoxidovaný.
Obr. 1(e) a (f) dokumentuje spoj vyhotovený pri He 4.6. Zvarová húsenica a ani koreň nemá pravidelnú šírku. V koreni je viditeľná prítomnosť oxidácie. Keď bol použitý Ar 4.6 na ochranu ZK, obr. 1 (g) a (h), šírka zvaru bola väčšia v porovnaní s predchádzajúcim prípadom. Zvarová húsenica mala pravidelný tvar, zatiaľ čo koreň spoja bol zoxidovaný. Posledný spoj, ktorý bol vyhotovený bez použitia OA je uvedený na obr. 1(i) a (j). Ako je vidieť z obrázka, povrch zvaru je preliačený a zoxidovaný. Jeho koreň je prepadnutý a tiež zoxidovaný.

Obr. 1: Povrch a koreň zvarov (a-b): Aluline He30; (c-d): Aluline He5; (e-f). He 4.6; (g-h): Ar 4.6; (h-i): bez OA

Priečne rezy zvarov vyhotovené pri rôznych typoch OA sú uvedené na obr. 2. Povrch zvaru (obr. 2a) vyhotoveného pri Aluline He30 je takmer rovnomerný s povrchom ZM. Jeho koreň je pretečený (17 mm). Šírka zvaru je 1,78 mm a šírka koreňa 0,93 mm. Pri použití Aluline He5 (obr. 2b) nedošlo k výraznej zmene oproti predošlému prípadu. Nameraná šírka povrchu zvaru bola 1,85 mm a jeho koreňa 0,98 mm. Povrch zvaru (obr. 2c) vyhotovený pri použití He 4.6 bol preliačený a jeho koreň pretečený (0,25 mm). Šírka zvarovej húsenice klesla na hodnotu 1,59 mm a šírka koreňa na 0,64 mm. Zvar na obr. 2d bol vyhotovený pri použití Ar 4.6. Šírka zvaru je 1,92 mm a šírka koreňa 1,04 mm. Povrch ZK je rovnomerný so ZM, zatiaľ čo jeho koreň je pretečený (0,21 mm). Na obr. 2e je uvedený spoj, pri ktorom nebola použitá OA. Ako je vidieť z obrázka, tak v strede ZK je zachytený pór a koreň spoja je pretečený (0,24 mm).

Obr. 2: Priečne rezy zvarov (a) Aluline He30, (b) Aluline He5, (c) He 4.6, (d) Ar 4.6, (e) bez OA

Vplyv OA na šírku zvarov je uvedený na obr. 3. Ako vyplýva z výsledkov, najužší spoj bol vyhotovený pri použití He 4.6. Naopak, najširší zvar bol zaznamenaný pri použití Ar 4.6. Pridanie He na získanie zmesi plynov Aluline He 5 a Aluline He30 sa prejavilo malým poklesom šírok zvarových húseníc v porovnaní s čistým He. Tento fakt je pripisovaný vyššiemu ionizačnému potenciálu hélia, a teda ťažšie sa vytvorí plazma. V tomto prípade laserový lúč nie je defokusovaný plazmou nad porvchom materiálu. Hustota energie je vyššia, t. j. laserový lúč je koncentrovaný do malého bodu, čoho výsledkom je vyhotovenie úzkeho a hlbokého spoja. Navyše, nízka molekulová hmotnosť hélia zvyšuje rekombináciu medzi kovovými iónmi a plazmatickými elektrónmi, čím sa vytvorí menej hustý plazmatický mrak. Naopak, Ar sa ionizuje pomerne ľahko, pretože má nízku ionizačnú energiu (15,8 eV) a je náchylnejší na vytvorenie plazmy. Plazma vytvorená nad kovovým povrchom spôsobuje rozostrenie dopadajúceho laserového lúča. Hustota energie klesá, zvar sa stáva plytší.
Katayama, ktorý skúmal vplyv defokusovanej vzdialenosti na penetráciu laserových zvarov zistil, že plazma sa tvorí emisiou neutrálnych kovových atómov vychádzajúcich z kľúčovej dierky počas zvárania, zatiaľ čo pri Ar alebo N2 sa vytvára pod dýzou popri kľúčovej dierke [3]. Ahn zistil, že šírka zvaru bola o čosi väčšia ak sa použil Ar ako ochranný plyn pri rýchlosti zvárania 3 m/min, fokusácii 0 mm a výkone lasera 4,9 kW. Rovnaký výsledok sa zistil pri porovnaní šírky koreňov uvedených zvarov. Naopak, zvar bol širší, keď sa použil He ako ochranný plyn pri rýchlosti zvárania 4 a 5 m/min. Autor to vysvetlil tým, že vyšší tepelný potenciál a vyššia tepelná vodivosť He zvýšila tepelnú energiu vnesenú do materiálu pri vyšších rýchlostiach zvárania 4 a 5 m/min [7].
Reisgen pozoroval, že zvar vyhotovený pri Ar mal plytkú penetráciu. Bolo to spôsobené nestabilitou procesu zvárania ako výsledok vytvorenia plazmy, ktorá pozostávala z interakcie medzi plazmou materiálu a plazmou Ar ochranného plynu. Pri Ar sa často vytvorí rozstrek, čo spôsobí nesprávny vzhľad povrchu zvarovej húsenice. Avšak zvar vyhotovený v čistom He mal kontinuálnu a rovnakú povrchovú morfológiu zvarovej húsenice spolu so stabilným procesom zvárania s plnou penetráciou [8].

Obr. 3: Vplyv OA na šírky zvarov

Svetelná a elektrónová mikroskopia
Na obr. 4 sú uvedené mikroštruktúry zvarov Ti Grade 2 vyhotovené pri rôznych OA. Na obr. 4(a) je zvar vyhotovený pri Aluline He30. Mikroštruktúra TOO má polyedrický charakter, zatiaľ čo ZK pri povrchu má najmä acikulárnu morfológiu. Li zistil, že acikulárna štruktúra je výsledkom rýchleho ochladzovania β-fázy z oblasti nad β tranzusovou teplotou 890°C, pričom pri pomalšom ochladzovaní došlo k zhrubnutiu zrna [9]. V strednej a koreňovej časti je ZK tvorený kolumnárnymi zrnami s prednostnou orientáciou, ktorá kopíruje smer odvodu tepla v priebehu zvárania. V kolumnárnych zrnách možno pozorovať prítomné jemné ihlice a dvojčatá, čo môže byť spôsobené existenciou α´ martenzitu v ZK. Pri ďalšom zvare, obr. 4(b), ktorý bol vyhotovený pri Aluline He5, možno pozorovať mikroštruktúru tvorenú prevažne polyedrickými zrnami s miernou textúrou a s výrazne zvlnenými hranicami zŕn. Taktiež sú prítomné ihlice a dvojčatá vedúce naprieč zrnami, čo môže byť spôsobené prítomnosťou martenzitickej štruktúry. Pri treťom zvare obr. 4(c), na ktorom je zobrazená mikroštruktúra prechodu TOO-ZK-TOO vyhotovenom pri He 4.6, možno pozorovať, že ZK má acikulárnu morfológiu a je tvorený najmä α´ martenzitom a v TOO sú veľké polyedrické zrná α titánu. Zvar 4(d), ktorý bol vyhotovený pri Ar 4.6, má polyedrickú mikroštruktúru so zvlnenými hranicami zŕn.
Li dosiahol podobné výsledky, keď pri použití čistého Ar boli v mikroštruktúre ZK prítomné polyedrické zrná a jemná acikulárna štruktúra [9]. V ZK je viditeľný uviaznutý pór nepravidelného tvaru s priemerom 245 μm. Mikroštruktúra zvaru na obr. 4(e) vyhotoveného bez OA zobrazuje jemnú acikulárnu martenzitickú štruktúru v ZK a zhrubnuté zrno v TOO. V oblasti ZK sa nachádzajú póry. Väčší pór mal priemer 250 μm. Z dôvodu nezabezpečenia žiadnej ochrany tavného kúpeľa, ZK bol kontaminovaný prvkami z okolitej atmosféry, čo spôsobilo pórovitosť ZK. Vznik martenzitickej štruktúry v ZK bol zapríčinený rýchlym chladnutím roztaveného kovu. V oblasti TOO došlo k zhrubnutiu zrna vplyvom pomalého odvodu tepla. Na poslednom obrázku 4(f) je zobrazená prechodová oblasť zo ZM do TOO. Autor chcel poukázať na rozdiel vo veľkosti zrna v ZM (40-60 μm) v porovnaní s veľkosťou zrna v TOO (200-300 μm).

Obr. 4: Mikroštruktúry zvarov (a) Aluline He30, (b) Aluline He5, (c) He 4.6, (d) Ar 4.6, (e) bez OA, (f) ZM-TOO

Na obr. 5 sú zobrazené zvary získané z elektrónového mikroskopu, ktoré dokumentujú rôzne oblasti. Na obr. 5(a) je zobrazený ZK, ktorý je tvorený polyedrickými zrnami α titánu s prítomnosťou ihlíc a dvojčiat naprieč zrnami. Obr. 5(b) dokumentuje prechodovú oblasť z TOO do ZM, pričom v TOO je veľké zhrubnuté polyedrické zrno zapríčinené pomalým chladnutím. Keď je ZM spracovaný za studena, ako v našom prípade, v TOO nastane rekryštalyzácia a rast zrna. Tvrdosť a pevnostné vlastnosti rekryštalizovaného TOO strácajú výhody vyplývajúce zo spracovania materiálu za studena a pevnosť zvaru sa blíži k pevnosti žíhanej zliatiny. Ako vyplýva z mikroštruktúry v TOO, smer valcovaných zŕn sa rozplynul v dôsledku uvedených procesov rekryštalyzácie a rastu zŕn. Mikroštruktúra ZK pozostáva hlavne z matrice tuhého roztoku α titánu. Posledný obrázok dokumentuje ZM titánu Grade 2, ktorý je tvorený polyedrickým zrnom s priemerom 50 μm.

Obr. 5: Mikroštruktúra a) ZK (b) TOO-ZM (c) ZM

Počítačová tomografia
Na obrázku 6(a) a (b) je zobrazený 3D pohľad na zvar, ktorý bol chránený Aluline He30. Najväčší pór mal priemer 0,64 mm a objem pórov predstavoval hodnotu 0,12 mm3. Zvar vyhotovený pri Aluline He5 je zobrazený na obr. 6(c) a (d). Najväčší pór mal priemer 0,48 mm, objem pórovitosti v ZK bol 0,29 mm3. Na ďalšom obrázku 6(e) a (f) bol zvar vyhotovený pri He 4.6. Objem pórovitosti bol 0,47 mm3 a najväčší priemer póru bol 0,77 mm. Zvar, ktorého tavný kúpeľ bol chránený pomocou Ar 4.6 je zobrazený na obr. 6(g) a (h). Priemer najväčšieho póru bol 0,97 mm a objem pórovitosti bol 0,81 mm3. Pri poslednom zvare (obr. 6 i-j), vyhotovenom bez použitia OA bol objem pórovitosti 1,45 mm3 a najväčší pór mal priemer 1,28 mm.

Obr. 6: Výsledky pórovitosti z počítačovej tomografie

Záver
Zvary vyhotovené pri He 4.6 mali najmenšiu šírku zvarovej húsenice. Na druhej strane, zvar mal najväčšiu šírku ak bol zvarový kúpeľ chránený pomocou Ar 4.6. Mikroštruktúra ZK mala polyedrický charakter ak boli použité zmesné plyny a Ar 4.6. Pri použití He 4.6 a zvar vyhotovený bez použitia OA vykazoval acikulárnu martenzitickú štruktúru. Najmenšia pórovitosť bola zaznamenaná pri Aluline He30 a najvyššia ak sa nepoužila OA.

TEXT/FOTO Ing. Maroš Vyskoč, PhD., IWE; Slovenská technická univerzita v Bratislave, Materiálovotechnologická fakulta so sídlom v Trnave, Ústav výskumu progresívnych technológií

Poďakovanie
Táto publikácia vznikla vďaka projektu 313011BUH7: Výskum fyzikálnych, technických a materiálových aspektov vysokoteplotných reaktorov s potenciálom výroby vodíka.

Literatúra
[1] Vyskoč, M., Sahul, M., Sahul, M. Effect on shielding gas on the properties of AW 5083 aluminum alloy laser weld joints. Journal of Materials engineering and Performance. Volume 27, Issue 6, pp 2993 – 3006, 2018.
[2] L. Reis, V. Infante, M. Freitas, F. Duarte, P. Moreira, P. Castro, Fatigue behaviour of aluminium lap joints produced by laser beam and friction stir welding. Procedia Engineering 74 (2014) 293 – 296.
[3] S. Katayama, S. Kohsaka, M. Mizutami, K. Nishizawa, A. Matsunawa, Pulse shape optimization for defect prevention in pulsed laser welding of stainless steels. Proceedings of Icaleo, pp. 487 – 497.
[4] M. Katsuna, Y. Qu, Study on porosity formation in laser welds of aluminium alloys (report 2). Mechanism of porosity formation by hydrogen and magnesium. Journal of Light Metal Welding and Construction 1998, 36 (11) 1 – 17
[5] LI, X., HUMBEECK, J., KRUTH, P. Selective laser melting of weak-textured commercially pure titanium with high strength and ductility: A study from laser power perspective. In Materials and Design 116 (2017) 352-358
[6] ZINELIS, Spiros. Effect of pressure of helium, argon, krypton and xenon on the porosity, microstructure and mechanical properties of commercially pure titanium castings. November 2000, Vol 84, Issue 5, p 575-582
[7] J. Ahn, E. He, L. Chen, J. Dear, C. Davies, The effect of Ar and He shielding gas on fibre laser weld shape and microstructure in AA 2024-T3. Journal of Manufacturing Processes 29 (2017) 62–73.
[8] U. Reisgen, M. Schleser, O. Mokrov, E. Ahmed, Shielding Gas Influences on Laser Weldability of Tailored Blanks of Advanced Automotive Steels. Applied Surface Science, 2010, 257, p 1401-1406
[9] X. Li, J. Xie, Y. Zhou. Effects of oxygen contamination in the argon shielding gas in laser welding of commercially pure titanium thin sheet. In Journal of Material Science 40 (2005) 3437 – 3443.