Pórovitosť laserových zvarov Mg zliatin je jedným z hlavných problémov pri dosahovaní vysoko kvalitných spojov. Jednou z príčin tvorby pórov je prítomnosť už existujúceho povlaku na povrchu Mg zliatiny, ako sú oxidická vrstva. Skúmané boli jednolúčové a dvojlúčové laserové zváranie vo vzťahu k zmierneniu pórovitosti v dôsledku prítomnosti oxidickej vrstvy na povrchu Mg zliatiny AZ31B.
Jedným z najväčších problémov automobilového priemyslu sú ciele v oblasti emisií CO2 stanovené vládami na celom svete. Horčík je jednou z najideálnejších možností pre úsporu hmotnosti, pretože je najľahším konštrukčným materiálom a má najlepší pomer pevnosti k hmotnosti.
Spájanie Mg zliatin sa môže vykonávať rôznymi procesmi ako je laserové zváranie, oblúkové zváranie, zváranie trením a zváranie elektrónovým lúčom. Avšak laserové zváranie pritiahlo väčšiu pozornosť vďaka jeho výhodám – nízky tepelný príkon, pomer šírka/penetrácia zvaru, úzka oblasť natavenia, dobré mechanické vlastnosti a vysoko automatizovaný proces zvárania [1].
Pri zváraní Mg zliatin sa vyskytujú problémy ako pórovitosť a trhliny, ktoré si vyžadujú optimalizáciu parametrov zvárania na zmiernenie týchto typov defektov. Tvorba pórov v ZK je spôsobená rôznymi príčinami, ako sú vodíkové póry, povlak na povrchu zliatiny, už existujúce póry v materiáli odlievanom pod tlakom a kolaps kľúčovej dierky [2].
Na zmiernenie pórovitosti počas laserového zvárania Mg zliatiny možno použiť rôzne techniky. Dvojlúčová laserová technika sa používa na zmiernenie pórovitosti pri rôznych zliatinách, ako je Al, galvanizovaná oceľ, zváranie Mg s Al a Al s oceľou [3]. Miyashita [4] použil dvojlúčový laser na vyhotovenie preplátovaného spoja Mg/Al. Uviedol, že použitie dvojlúčového lasera znížilo tvorbu krehkých intermetalických zlúčenín na rozhraní spoja. Tiež numericky modeloval prúdenie taveniny a zistil, že prúdenie je silnejšie v prípade dvojlúčového laserového zvárania. Laukant [5] vykonal dvojlúčové laserové zváranie Al a pozinkovanej ocele. Uviedol, že pomocou tejto techniky môže kombinovať laserové zváranie s laserovým spájkovaním, aby sa kontrolovala hrúbka intermetalickej zlúčeniny, čo má za následok vyššiu pevnosť spoja v ťahu. Xie [6] skúmal dvojlúčové laserové zváranie Al a ocele. Uviedol, že pri oboch materiáloch sa dosiahli priaznivé výsledky, ako je zníženie tvrdosti, pórovitosti a nepravidelnosti. Haboudou [7] študoval vplyv dvojlúčového zvárania na pórovitosť pri zváraní Al zliatiny. Zistil, že zmenou vzdialenosti medzi dvoma laserovými bodmi je možné výrazne znížiť tvorbu pórov. Vplyv oxidickej vrstvy na kvalitu zvaru Mg zliatiny AZ31B v konfigurácii preplátovaného spoja s nulovou medzerou skúmal Harooni [8]. Zistilo sa, že použitím predhrevu plazmovým oblúkom pred laserovým zváraním sa účinne zmiernila tvorba pórovitosti, pretože hydroxid horečnatý sa rozkladá na horčík a vodnú paru, čo umožňuje únik pár cez kľúčovú dierku, čím sa dosahuje vysoko kvalitný zvar.
V našom prípade sa laserový lúč a plazmový oblúk ako zdroj predhrevu nahradil dvojlúčovým laserovým zváraním. Vedúci laserový lúč predhrieva vzorku a oneskorený laserový lúč zvarí dva prekrývajúce sa plechy. Na základe rešerše sa neuskutočnil žiadny výskum použitia dvojlúčového lasera na zmiernenie pórovitosti spôsobenej oxidmi na povrchu. Tento výskum je významný, pretože čistenie povrchu pred laserovým zváraním je časovo náročný a nákladný postup pre priemyselné aplikácie.
Experiment
Na zvarenie horčíkových plechov AZ31B v konfigurácii preplátovaného spoja bol použitý vláknový laser s maximálnym výkonom 4 kW. Plechy z Mg zliatiny AZ31B s hrúbkou 1,5 mm boli narezané vodným lúčom na požadovaný rozmer. Nominálne chemické zloženie tejto zliatiny je uvedené v tabuľke 1. Dva prekryté Mg plechy AZ31B boli upnuté v 4-bodovom upínacom prípravku. Na ochranu tavného kúpeľa pred okolitou atmosférou a na potlačenie tvorby plazmového oblaku sa použil Ar ako ochranný plyn. Na prívod argónu bola použitá dýza, ktorá bola pod uhlom sklonu 30° a prietokom ochranného plynu 30 l/min. Smer dýzy ochranného plynu bol nastavený proti smeru zvárania. Laserový lúč bol transformovaný na dvojlúčový pomocou optického hranola. Optický hranol môže rozdeliť laserový lúč na dva samostatné laserové lúče. Je potrebné poznamenať, že priemer lúča v zaostrenej polohe bol 0,6 mm. Vzdialenosť medzi dvoma lúčmi bola tiež 0,6 mm a pomer výkonu lasera pre každý lúč sa dal nastaviť. Parametre zvárania ako aj pomery lúčov sú uvedené v tabuľke 2.
Vplyv dvojlúčového zvárania na kvalitu povrchu zvaru
Kvalita povrchu zvarových húseníc pri jednolúčovom a dvojlúčovom laserovom zváraní bola hodnotená pomocou optického profilometra, aby sa zistila drsnosť povrchu zvarovej húsenice. Zvarová húsenica bola naskenovaná v dĺžke 15 mm. Obr. 1 predstavuje profily zvarovej húsenice vyhotovenej počas procesu laserového zvárania s dvoma konfiguráciami lúča. Zistilo sa, že povrch zvarovej húsenice pri laserovom zváraní s dvomi lúčmi je rovnomernejší a hladší ako pri zvarovej húsenici, ktorá bola vyhotovená laserovým zváraním s jedným lúčom. Z uvedeného možno konštatovať, že pri zváraní s dvomi lúčmi je kvalita povrchu zvarovej húsenice lepšia z dôvodu nižšej drsnosti povrchu zvarovej húsenice. Zlepšenie kvality povrchu by sa dalo opísať bezrozmerným hydrodynamickým Froudeovým číslom ako pomer dynamickej sily ku gravitačnej sile vyjadrený rovnicou:
kde V je rýchlosť zvárania, g je gravitačné zrýchlenie a l je charakteristická dĺžka roztaveného zvarového kovu. Nižšie hodnoty Froudeho čísla zodpovedajú lepšej kvalite povrchu. Tým, že pri dvojlúčovom laserovom zváraní sú dva in-line laserové body, zväčšuje sa dĺžka roztaveného kúpeľa a v dôsledku toho sa Froudeho číslo znižuje; t.j. zlepšuje sa kvalita povrchu zvarovej húsenice. Zvýšenie rýchlosti zvárania zvyšuje Froudeho číslo, čo vedie k zníženiu kvality povrchu zvarovej húsenice, ako potvrdil aj Harooni [8].
 |
| Obr. 1: Profily zvarových húseníc pri rýchlosti zvárania 30 mm/s a výkone lasera 1 kW s (a) jednolúčové zváranie (b) dvojlúčové zváranie pri pomere energie 20:80 |
Na kvantifikáciu kvality povrchu bola drsnosť povrchu skúmaná pomocou optického profilometra. Výsledky prezentované na obr. 2, ako aj v tabuľke 3 ukazujú, že všetky parametre drsnosti povrchu, ako je maximálna výška bodu prevýšenia (Rp), maximálna hĺbka bodu preliačenia (Rv), aritmetický priemer absolútnych hodnôt (Ra) a stredná kvadratická hodnota (Rq) sú uvedené nižšie pre zvar vyhotovený dvojlúčovým zváraním, čo ukazuje, že jeho povrch zvarovej húsenice je hladší a rovnomernejší.
 |
| Obr. 2: Parametre drsnosti povrchu vyhotovené (a) jednolúčovým zváraním a (b) dvojlúčovým zváraním s pomerom energie lúčov 20:80 |
 |
Vplyv dvojlúčového zvárania na kvalitu zvaru
Na vyhodnotenie oxidickej povrchovej vrstvy na horčíkovej zliatine AZ31B sa použila energeticky disperzná spektrometria (EDS) pre vzorky s povrchovou oxidickou vrstvou a bez nej. Použil sa mechanický postup (brúsny papier) na odstránenie vrstvy oxidu z povrchu horčíkovej zliatiny. Obr. 3 dokumentuje výsledky analýzy EDS o chemickom zložení oxidickej vrstvy. Z výsledkov EDS je zrejmé, že veľké množstvo kyslíka bolo výrazne znížené pri vzorke, kde bol oxid odstránený pomocou brúsneho papiera. Hrubá vrstva oxidu sa vytvára na horčíkovej zliatine počas výrobného procesu (valcovanie za tepla). Horčík má vysokú afinitu ku kyslíku, ktorý dokáže na svojom povrchu ľahko vytvoriť vrstvu oxidu, takže mechanický postup s použitím brúsneho papiera vrstvu oxidu výrazne zníži, ale nedokáže ju úplne odstrániť, ako ukazujú výsledky EDS.
 |
| Obr. 3: EDS analýza vrstvy povlaku na horčíkovej zliatine AZ31B |
Vplyv oxidu horečnatého na kvalitu zvaru skúmal Harooni [8], ktorý dospel k záveru, že oxidická vrstva spôsobuje pórovitosť nasledujúcim mechanizmom. Na rozdiel od Al2O3 je MgO porézny a vytvára na povrchu horčíkovej zliatiny nesúvislú vrstvu, ktorá ľahko absorbuje vlhkosť z atmosféry. Vlhkosť zachytená na povrchu horčíkového plechu ľahko reaguje s MgO, čo vedie k tvorbe Mg(OH)2, ktorý je stabilnejší ako MgO [9]. Okrem toho je teplota rozkladu Mg(OH)2 približne 200°C a pri tejto teplote uvoľňuje vodu nasledujúcou reakciou:
Uvoľnená vodná para spôsobuje, že vodík sa dostáva do zvarového kúpeľa, kde vodík je jediným plynom, ktorý sa môže rozpustiť v roztavenom tavnom kúpeli horčíka. Rozpustnosť vodíka klesá s tuhnutím roztaveného horčíka, čo spôsobuje, že vodík vytvára póry vo vnútri zvarového kovu [3]. Na vyriešenie tohto problému Harooni [8] navrhol použitie predhrevu a ako zdroj tepla bol použitý laserový lúč na rozklad Mg(OH)2 pred laserovým zváraním, čím sa umožní únik vodnej pary kľúčovou dierkou. Vzhľadom na mechanizmus tvorby pórov pri laserovom zváraní horčíkovej zliatiny AZ31B sa navrhuje, aby sa na zmiernenie tvorby pórov mohlo použiť dvojlúčové zváranie. Pre tento výskum boli vybrané štyri rôzne pomery energie lúča, (viď tabuľka 2), v kombinácii s dvoma nastaveniami výkonu lasera a rýchlosťami zvárania a výsledky boli porovnané s výsledkami s jednolúčovým zváraním, aby sa vyhodnotil účinok konfigurácie dvojlúčového zvárania. Priečne rezy zvarových spojov pri jednolúčovom zváraní vykazovali póry nachádzajúce sa na rozhraní pre obe kombinácie výkonu lasera a rýchlosti zvárania, obr. 4 (i) a (j). Zavedenie dvojlúčového zvárania pri relatívne vysokých pomeroch medzi predhrievacím a zváracím lúčom pri parametroch zvárania 900 W pri 30 mm/s a 1 000 W pri 50 mm/s tiež vykazovalo tvorbu pórov nachádzajúcich sa na priereze zvaru pri hranici stavenia, obr. 4 (a)-(c) a (e)-(g). Až keď sa pomer výkonu medzi lúčmi upravil na 20:80, tvorba pórov na rozhraní prierezu zvaru sa účinne zmiernila; obr. 4 (d) a (h), pre parametre zvárania 900 W pri 30 mm/s a 1 000 W pri 50 mm/s. Pomer medzi lúčmi 20:80 pre výkon predhrievajúceho lúča k výkonu zváracieho lúča sa teda javí ako optimálny na zmiernenie tvorby pórovitosti na rozhraní zvarového spoja.
 |
| Obr. 4: Pohľady na priečne rezy zvarov s rôznymi pomermi lúčov a parametrami laserového zvárania (a)-(d) a (i) P=900 W, V=30 mm/s, (e)-(h) a (j) P=1 000 W, V=50 mm/s |
Je zrejmé, že dvojlúčové laserové zváranie zväčšuje plochu roztaveného kúpeľa, čo vedie k zvýšeniu času interakcie (času tuhnutia), ktorý je definovaný nasledujúcim podielom: priemer lúča/rýchlosť zvárania. Toto predĺženie času umožňuje väčšiemu množstvu plynu uniknúť cez roztavený zvarový kov predtým, ako stuhne a zachytí plyn tvoriaci pórovitosť. Avšak v súčasnom výskume, ako je znázornené na obr. 4, je podiel pórovitosti nižší pri dvojlúčovom laserom zváraní len pre optimalizovaný pomer lúčov, čo naznačuje, že okrem zväčšenia plochy roztaveného zvarového kovu môže existovať aj iný mechanizmus zapojený do zníženia podielu objemu pórovitosti. Ako bolo uvedené vyššie, keď lúč, určený ako predhrievací, má 20 % výkonu lasera, zvyšných 80 % výkonu lasera sa použije na zváranie a postačuje na vytvorenie stabilnej kľúčovej dierky. Stabilná kľúčová dierka potom slúži ako tunel pre odvod plynného vodíka z rozloženého Mg(OH)2, ako je znázornené na obr. 5. Pre ostatné pomery lúčov poskytuje lúč predhrevu viac než dostatok energie na predhriatie vzorky, avšak lúč na zváranie nie je schopný vytvoriť stabilnú kľúčovú dierku, čím sa zvyšuje pravdepodobnosť, že sa plynný vodík zachytí v stuhnutom zvarovom kúpeli.
Na dosiahnutie vysokej kvality zvaru sú teda potrebné dva mechanizmy. Prvým je postup predhrievania na rozklad Mg(OH)2, ktorý sa uskutočňuje vedúcim lúčom pred laserovým zváraním. Druhým je vytvorenie stabilnej kľúčovej dierky na odvod plynného vodíka počas laserového zvárania zváracím lúčom. S pomerom lúčov 20:80 poskytuje zvárací proces vytvorenie stabilnej kľúčovej dierky a optimálne rozloženie tepla, výsledkom čoho je vysokokvalitný zvar. Obr. 5 znázorňuje schematický pohľad na mechanizmus, ktorý zmierňuje tvorbu pórovitosti vo zvarovom kove počas dvojlúčového laserového zvárania.
 |
| Obr. 5: Mechanizmus na zmiernenie tvorby pórovitosti počas procesu dvojlúčového laserového zvárania |
Pevnosť zvarov v šmyku
Hoci pohľad na priečne rezy zvarov dokumentujú profily a chyby vo zvare, mechanické vlastnosti používajú konštruktéri pre hodnotenie akéhokoľvek nového materiálu alebo procesu spájania. Preto bola vykonaná skúška pevnosti v šmyku pre zvarové spoje pri konfigurácii jednolúčového aj dvojlúčového zvárania. Obr. 6 predstavuje výsledky pevnosti šmyku, ktoré ukazujú, že spoje vyhotovené dvojlúčovým zváraním dosahujú väčšie maximálne pevnosti v šmyku ako pri spojoch vyhotovených jednolúčovým zváraním. Ako je znázornené na obr. 4, spoje pri konfigurácii dvoch lúčov s pomerom výkonu 20:80 vykazovali zanedbateľnú pórovitosť v ZK v porovnaní s jednolúčovým zváraním. Ako je dobre známe, prítomnosť pórovitosti zhoršuje mechanické vlastnosti zvaru.
 |
| Obr. 6: Pevnosť v šmyku pre jednolúčové a dvojlúčové zváranie (pomer energie lúčov 20:80) pri rôznych rýchlostiach zvárania a výkonoch lasera |
Záver
Z predloženého výskumu možno konštatovať, že dvojlúčové laserové zváranie s pomerom energie lúčov 20:80 poskytuje lepšiu kvalitu zvaru s ohľadom na pórovitosť. Drsnosť povrchu zvaru vyhotovená dvojlúčovým laserovým zváraním je hladšia a rovnomernejšia ako drsnosť povrchu zvaru vyhotovenom pri jednolúčovom laserovom zváraní. Pevnosť v šmyku bola vyššia pri dvojlúčovom zváraní najmenej o 13,4 % a najviac o 21 %.
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] M. Pastor, H. Zhao, T. DebRoy. Continuous wave-Nd: yttrium-aluminum-garnet laser welding of AM60B magnesium alloy. Journal of Laser Applications, 12 (2000), pp. 91-100
[2] X. Cao, M. Jahazi, J. Immarigeon, W. Wallace. A review of laser welding techniques for magnesium alloys. Journal of Materials Processing Technology, 171 (2006), pp. 188-204
[3] D. Min, J. Shen, Sh. Lai, J. Chen. Effect of heat input on the microstructure and mechanical properties of tungsten inert gas arc butt-welded AZ61 magnesium alloy plates. Materials Characterization, 60 (2009), pp. 1583-1590
[4] Y. Miyashita, R. Borrisutthekul, J Chen, Y. Mutoh. Application of twin laser beam on AZ31/A5052 Dissimilar metals welding Key Engineering Materials, 353-358 (2007), pp. 1956-1959
[5] H. Laukant, C. Wallmann, M. Korte, U. Glatzel. Flux-less joining technique of aluminum with zinc-coated steel sheets by a dual-spot-laser beam. Advanced Materials Research, 6-8 (2005), pp. 163-170
[6] J. Xie. Dual beam laser welding. Welding Journal, 81 (2002), pp. 223s-230s
[7] A. Haboudou, P. Peyre, A. Vannes, G. Peix. Reduction of porosity content generated during Nd:YAG laser welding of A356 and AA5083 aluminum alloys. Journal of Materials Science and Engineering A, 363 (2003), pp. 40-52
[8] M. Harooni, F. Kong, B. Carlson, R. Kovacevic. Mitigation of pore generation in laser welding of magnesium alloy AZ31B in lap joint configuration. ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition, Houston, TX (2012)
[9] V. Fournier, P. Marcus, I. Olefjord. Oxidation of magnesium. Surface and Interface Analysis, 34 (2002), pp. 494-497
