titulnyAnalýza bola zameraná na štúdium mikroštruktúry základného a laserového zvarového spoja komerčne čistého titánu (CP Grade 2: 0,1 hm. % C, 0,3 hm. % Fe, 0,015 hm. % H, 0,25 hm. % O, 99,5 hm. % Ti) pripraveného technológiou laserového zvárania pomocou transmisnej elektrónovej mikroskopie (TEM) na tenkých fóliách. Vo zvarovom kove boli pozorované acikulárne zrná α-fázy, resp. boli pozorované oblasti, kde mal zvarový kov jemnozrnnú polyedrickú štruktúru. Bola zaznamenaná zvýšená hustota dislokačných slučiek, ako aj zvýšená hustota dislokácií v porovnaní so základným materiálom.

Zváranie laserom je tavný proces spájania materiálov, ktorý využíva na ohrev a roztavenie základných materiálov vysoko koncentrovanú energiu [1]. Vďaka výhodám vysokej hustoty energie, malej oblasti natavenia, úzkej zvarovej húsenice, úzkej teplom ovplyvnenej oblasti (TOO), malej deformácii, hlbokej penetrácii, vysokej rýchlosti ohrevu a ochladzovania, efektívnosti výroby a flexibilnej kontrole je laserové zváranie široko používané v priemysle a prináša významné ekonomické výhody [2]. Laserové žiarenie je charakteristické veľmi malými rozmermi laserovej stopy, poskytuje vysokú intenzitu, a tým umožňuje hlbokú penetráciu žiarenia do kovových materiálov [3]. Laserové zváranie vedie k menšiemu vneseniu tepla do materiálu, ako je to pri iných konvenčných metódach zvárania, čím sa minimalizuje deformácia zváraných častí [4]. Výhodou použitia laserového zvárania je oveľa užšia TOO ako pri konvenčných technológiách zvárania. Ľahké kovy a ich zliatiny sú dôležité konštrukčné materiály s vysokým pomerom pevnosti k hmotnosti. Konštrukcie z Ti a jeho zliatin zvárané laserom sa stále viac používajú pre svoj vysoký pomer pevnosť/hmotnosť [5]. Titán má pomerne nízku tepelnú vodivosť a nízky koeficient teplotnej rozťažnosti, čo prispieva k jeho dobrej zvariteľnosti. Rozhodujúci vplyv na zvariteľnosť majú plyny O, H a N.
V α-fáze už malá koncentrácia rozpusteného kyslíka aj dusíka výraznejšie zvyšuje tvrdosť a znižuje jej plastické vlastnosti. Rozpustený vodík zníži húževnatosť zvarového kovu. Pri pozvoľnom ochladzovaní precipitujú hydridy ako tenké platničky v α-zrnách alebo na hraniciach α-zŕn, čo zvyšuje jeho vrubovú citlivosť a má vplyv na tvorbu pórov vo zvare [6]. Na odstránenie hydridov je vhodné pridať do zvarového kovu malé množstvo β-stabilizátorov, napr. železa (0,10 – 0,20 %). V takom prípade sa aj po ochladení zvaru bude v zrnách α-fázy vyskytovať malé množstvo β-fázy, ktorá má vysokú rozpustnosť vodíka a hydridy sa nevytvoria. Zvary bez pórov možno získať iba pri obsahoch vodíka pod 150 – 100 ppm.
Zvýšenie tvrdosti spôsobuje aj uhlík, ktorý pri zvýšených teplotách vytvára karbidy. Z toho hľadiska je nevyhnutná dokonalá ochrana tavného kúpeľa inertným plynom na vyhotovenie zvaru požadovanej kvality. Použitie ochrannej atmosféry má teda rozhodujúci vplyv na kvalitu zvarového spoja. Možno očakávať, že použitie rôznych ochranných plynov a prietokového množstva môže mať zásadný vplyv na ochranu pred kontamináciou ZK, a tým jeho skrehnutiu.
Tavný kúpeľ treba chrániť primárnou aj sekundárnou ochranou. Pri zváraní oblúkom (TIG) majú horáky namontovanú tzv. vlečnú ochranu s cieľom zabezpečiť dokonalú ochranu pred okolitou atmosférou. Túto ochranu treba dodržať, pokiaľ teplota zvarenca nepoklesne pod 250°C. Kvalita ochrannej atmosféry sa prejaví na sfarbení okolia zvaru. Pri nábehovej farbe mierne bronzovo-hnedej je kvalita dobrá, pri modrej je nevhodná. Úplne nevyhovujúca ochrana sa prejaví bielym sfarbením povrchu zvaru. Aby sme odstránili nebezpečenstvo vytvorenia tzv. plazmového oblaku nad miestom zvárania, treba použiť odfukovanie iónov inertným plynom, prednostne héliom [7].
Pri zváraní titánu a titánových zliatin pozorujeme v teplom ovplyvnenej oblasti štruktúrne zmeny, ktoré sú dané polymorfizmom titánu [8]. Pri najvyšších teplotách ovplyvnenia možno pozorovať prítomnosť β-fázy a v závislosti od chemického zloženia zváranej zliatiny, ako aj od rýchlosti ochladzovania, možno v tejto časti pozorovať rozličné formy premeny β→α, vrátane bezdifúznej martenzitickej premeny. Okrem toho možno v tejto zóne pozorovať aj väčší alebo menší rast β-zŕn. Po transformácii β→α môže mať α-fáza acikulárnu morfológiu alebo widmannstättenickú štruktúru v dvojfázových zliatinách [9].

Laserové zariadenie a parametre zvárania

Zvar bol vyhotovený v kontinuálnom režime zvárania pomocou diskového lasera TruDisk 4002 s maximálnym výkonom 2 kW. Vlnová dĺžka laserového žiarenia 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. Veľkosť stopy lúča na povrchu základného materiálu bola 200 μm. Ohnisková vzdialenosť bola 200 mm. Fokusačná optika bola upevnená na 6 angulárnom priemyselnom robotovi Fanuc M-710iC/50. Prietokové množstvo ochrannej atmosféry bolo 30 l/min. Počas zvárania bol pred okolitou atmosférou chránený povrch a koreň zvaru. Parametre zvárania boli konštantné: výkon 1,5 kW, rýchlosť zvárania 50 mm/s a fokusácia 0 mm.

Obr 1 Mikroštruktúra zvarového kovu
Obr. 1: Mikroštruktúra zvarového kovu

Experimentálne výsledky

Na obr. 1 je uvedená mikroštruktúra zvarového spoja Ti Grade 2. Mikroštruktúra TOO má polyedrický charakter, zatiaľ čo zvarový kov pri povrchu má najmä acikulárnu morfológiu. Vo vysoko vyhriatej teplom ovplyvnenej oblasti možno pozorovať výrazné zhrubnutie zrna, pričom väčšina hraníc zŕn je zvlnená. Ojedinelo boli pozorované zrná s acikulárnou morfológiou. Li a kol. dosiahli rovnakú morfológiu zvarového kovu. Zistili, 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 zvarový kov 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 vo zvarovom kove.

TEM analýza

Vzhľadom na hrúbku vzorky (2 mm) sa museli pripraviť tenké kovové fólie z pozdĺžneho rezu zvarového spoja. Tenké fólie boli pripravené metódou finálneho elektrolytického stenčovania v zariadení Tenupol 5, v roztoku: 300 ml CH3OH + 175 ml 2-butanol + 30 ml HClO4, teplota -10°C a napätie 40 V. Na pozorovanie pomocou TEM sa aplikoval transmisný elektrónový mikroskop JEOL 200CX s urýchľovacím napätím 200 kV. Analýza bola doplnená o selekčnú elektrónovú difrakciu (ED) na kvalitatívnu fázovú analýzu.

Obr 2 Detail na malé polyedrické zrno β fázy s minimálnou hustotou dislokácií
Obr. 2: Detail na malé polyedrické zrno β-fázy s minimálnou hustotou dislokácií
Tab 1 Vyhodnotenie difrakčného spektra získaného elektrónovou difrakciou
Obr 3 Detail na doštičkové útvary s prednostnou orientáciou a kotvenie dislokácií
Obr. 3: Detail na doštičkové útvary s prednostnou orientáciou a kotvenie dislokácií malými časticami pravidelného tvaru

Základný materiál

Mikroštruktúra základného materiálu bola pozorovaná pomocou TEM na tenkých kovových fóliách. Mikroštruktúra mala polyedrický charakter a matrica bola tvorená a-fázou (t. j. tuhý roztok legujúcich prvkov v a-titáne). V základnom materiáli bola pozorovaná mierna heterogenita v hustote dislokácií, boli pozorované zrná s relatívne nízkou hustotou dislokácií a na druhej strane boli pozorované zrná s vyššou hustotou dislokácií. Ojedinelo sa pozorovali malé polyedrické zrná s minimálnou hustotou dislokácií (obr. 2), ktoré boli elektrónovou difrakciou identifikované ako b-fáza (t. j. tuhý roztok legujúcich prvkov v b-titáne). Vo väčšine polyedrických zŕn boli pozorované doštičkovité útvary s prednostnou orientáciou vo vylúčení (obr. 3) alebo malé častice pravidelného tvaru. Na základe výsledkov TEM pozorovania možno predpokladať, že ide o koherentné zhluky legujúcich prvkov (začiatočné štádium precipitácie). Malé častice pravidelného tvaru môžu byť kolmým rezom na doštičkové útvary. Z charakteru difrakčných spektier a zo zobrazenia v svetlom poli možno predpokladať, že tieto zhluky sa prednostne vylučujú v habitových rovinách typu {100}a (obr. 4 a tab. 2). Tieto roviny sú v hexagonálnej najtesnejšie usporiadanej kryštálovej štruktúre (hcp) vzájomne kolmé, a preto sa možno domnievať sa, že v prípade malých častíc pravidelného tvaru ide o kolmý rez doštičkových útvarov.

Obr 4 Detail na doštičkové útvary a častice pravidelného tvaru vylúčené v matrici
Obr. 4: Detail na doštičkové útvary a častice pravidelného tvaru vylúčené v matrici
Tab 2 Vyhodnotenie difrakčného spektra získaného elektrónovou difrakciou

Zvarový kov

Na základe mikroštruktúry zvarového kovu pozorovaného pomocou TEM na tenkých fóliách zisťujeme, že mikroštruktúra stratila polyedrický charakter a zrná nadobudli najmä acikulárnu morfológiou. Vo väčšine zŕn bola pozorovaná zvýšená hustota dislokácií v porovnaní so základným materiálom. Prípadne boli pozorované oblasti s veľmi jemným polyedrickým zrnom. Na rozdiel od základného materiálu neboli vo zvarovom kove pozorované doštičkové útvary, ale v matrici sa pozoroval zvýšený obsah dislokačných slučiek, ktoré môžu byť výsledkom kondenzácie vakancií, alebo tvorba zhlukov intersticiálnych atómov.

Obr 5 Detail na matricu dokumentovaná oblasť je tvorená najmä acikulárnymi zrnami ktoré sú tvorené väčším počtom subzŕn s malouhlovými hranicami MUH
Obr. 5: Detail na matricu – dokumentovaná oblasť je tvorená najmä acikulárnymi zrnami, ktoré sú tvorené väčším počtom subzŕn s malouhlovými hranicami (MUH)
Obr 6 Detail na doštičkové útvary a dislokačné slučky v matrici
Obr. 6: Detail na doštičkové útvary a dislokačné slučky v matrici
Tab 3 Vyhodnotenie difrakčného spektra získaného elektrónovou difrakciou

Záver
Na základe TEM analýzy zvarového spoja komerčne čistého Ti CP Grade 2 možno skonštatovať nasledujúce závery:
1. mikroštruktúra základného materiálu je polyedrická, je tvorená a-fázou s charakteristickou hustotou dislokácií,
2. v matrici boli pozorované doštičkové útvary, ktoré boli koherentné s matricou a zachovávali prednostnú orientáciu vo vylúčení, možno predpokladať, že ide o zhluky prísadových atómov,
3. vo zvarovom kove boli pozorované acikulárne zrná a-fázy, resp. boli pozorované oblasti, kde mal zvarový kov jemnozrnnú polyedrickú štruktúru,
4. vo zvarovom kove sa len ojedinelo pozorovali doštičkové útvary, ale pozorovala sa zvýšená hustota dislokačných slučiek, ako aj zvýšená hustota dislokácií v pozorovaní so základným materiálom.

text/foto Ing. Maroš Vyskoč, PhD., IWE, MTF STU v Trnave

Poďakovanie
Tento článok vznikol vďaka podpore v rámci operačného programu Výskum a inovácie pre projekt: Vedeckovýskumné centrum excelentnosti SlovakION pre materiálový a interdisciplinárny výskum, kód projektu v ITMS2014+: 313011W085 spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Literatúra
[1] 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.
[2] J. Ning., L. Zhang., X. Yin., J. Zhang., S. Na. Mechanism study of the effects of power modulation on energy coupling efficiency in infrared laser welding of highly-reflective materials. Materials and Design, Vol. 178, 15 September 2019, 107871
[3] F. Caiazzo, V. Alfieri, F. Cardaropoli, G. Corrado, V. Sergi, Characterization of Disk-Laser Dissimilar Welding of Titanium Alloy Ti-6Al-4 V to Aluminium Alloy 2024, Proc. SPIE 8603, High-Power Laser Materials Processing: Lasers, Beam Delivery, Diagnostics, and Applications II, February 22, 2013
[4] S. Chen, L. Li, Y. Chen, J. Dai, and J. Huang, Improving Interfacial Reaction Nonhomogeneity during Laser Welding—Brazing Aluminium to Titanium, Mater. Des., 2011, 32, p 4408–4416
[5] H.T. Kashani, P. Kah, J. Martikainen, Laser overlap welding of zinc-coated steel on aluminum alloy. Physics Procedia 78 (2015) 265 – 271
[6] A. Wu, Z. Song, K. Nakata, J. Liao, and L. Zhou, Interface and Properties of the Friction Stir Welded Joints of Titanium Alloy Ti6Al4V with Aluminium Alloy 6061, Mater. Des., 2015, 71, p 85–92
[7] J. Blackburn, C. Allen, P. Hilton, and L. Li, Nd:YAG Laser Welding of Titanium Alloys Using a Directed Gas Jet, J. Laser Appl., 2010, 22, p71–78
[8] S. Katayama , Y. Kawahitoa , M. Mizuta, Elucidation of laser welding phenomena and factors affecting weld penetration and welding defects. In Physics Procedia 5 (2010) 9–17
[9] X. Li, J. Humbeck, P. Kruth. 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