Hliníkové zliatiny série 5xxx sú legované horčíkom, aby sa maximalizovalo ich spevnenie. Ak je obsah horčíka vyšší ako 3,5 %, vedie to k vytvoreniu β-fázy (Mg2Al3) [1]. Rovnovážny fázový diagram systému Al-Mg predstavuje dve intermetalické fázy, konkrétne β- Mg2Al3 a γ-Mg17Al12. Ich molekulové vzorce a kryštalické štruktúry sú nasledujúce: β-Al3Mg2 a γ-Al12Mg17 [2]. Fázový diagram Al-Mg pozostáva z taveniny, β-tuhého roztoku so štruktúrou hexagonálnych kryštálov, γ-tuhého roztoku so štruktúrou typu α-Mn, R fázy s romboedrickou štruktúrou pri 42 % Mg, Al tuhého roztoku s maximálnou rozpustnosťou 18,9 % Mg pri 723 K a tuhý roztok Mg s maximálnou rozpustnosťou 11,8 % Al pri 710K [3]. Mikroštruktúra týchto materiálov vykazuje presýtenie tuhým roztokom a môže nastať makrosegregácia vo forme centrálnych eutektík a mikro-segregácia, ktorá sa zmenšuje s rozostupom dendritov [4].
Z hľadiska zvariteľnosti je hlavným problémom skutočnosť, že vo zvare a v teplom ovplyvnenej oblasti dochádza k odstráneniu deformačného spevnenia, rozpusteniu precipitátov, a tým degradácii mechanických vlastností zvarového spoja v porovnaní so základným materiálom [5]. Tvorba a postupnosť precipitácie, počiatočné štádiá nukleácie precipitátov a ich štruktúra je koreláciou medzi tvrdosťou a mikroštruktúrou [6]. Zárodky precipitátov sa môžu vyskytovať homogénne (jednotné a nepreferenčné) a heterogénne (preferenčné) na konkrétnych miestach, ako sú hranice zŕn, dislokácie a vakancie. Veľkosť, morfológia a distribúcia precipitátov môže viesť k zlepšeniu mechanických vlastností [7].
Pri laserovom zváraní hrá ochranný plyn dôležitú úlohu pri minimalizácii pórovitosti vo zvarovom kove (ZK) a zvýšení hĺbky penetrácie [8]. Vysoká afinita hliníka ku kyslíku môže veľmi rýchlo viesť k vytvoreniu vrstvy oxidu na povrchu tavného kúpeľa, čo bráni úniku plynových bublín. Pórovitosť môže byť ďalej spôsobená odparovaním rozpustených plynov v roztavenom hliníku [9]. Póry vznikajú kolapsom paroplynového kanála, turbulentným prúdením vo zvarovom kúpeli a vytláčaním vodíka z tuhej fázy počas kryštalizácie. Pórovitosť tiež zmenší prierezovú plochu zvarového spoja, a preto bude mať vplyv na pevnosť, húževnatosť, únavovú odolnosť, odolnosť proti korózii a niektoré ďalšie mechanické vlastnosti zváraných konštrukcií [10].

Experiment
Ako experimentálny materiál sa použila Al zliatina AW5083 (AlMg4,5Mn). Hrúbka ZM bola 2 mm. Mechanické vlastnosti hliníkovej zliatiny sú uvedené v tabuľke 1 a chemické zloženie je uvedené v tabuľke 2. Tupé laserové zvary sa zhotovili pomocou zváracieho drôtu 5087 (AlMg4,5MnZr) s priemerom 1,2 mm. Zvárací drôt je určený na zváranie hliníka s maximálnym obsahom 5 % Mg a obsahuje zirkón, ktorý je prítomný vo zváracom drôte, vytvára jemnozrnnú mikroštruktúru ZK. V tabuľke 3 je uvedené chemické zloženie zváracieho drôtu 5087.

Laserové zariadenie a parametre zvárania
Zvary sa zhotovili v kontinuálnom režime 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 sa privádzal do fokusačnej optiky BEO D70 pomocou optického kábla s priemerom 400 μm. Veľkosť stopy lúča na povrchu základného materiálu bola 400 μm. Ohnisková vzdialenosť bola 200 mm. Fokusačná optika sa upevnila na 6 angulárnom priemyselnom robotovi Fanuc M-710iC/50. Parametre zvárania sú uvedené v tab. 4.

Výsledky
Vzhľad povrchov a koreňov zvarov vyhotovených pri rôznych druhoch ochranných plynov sú uvedené na obr. 1(a) až (h). Na obr. 1(a) a (b) je zobrazený povrch a koreň zvarového spoja vyhotoveného pri Ar 4.6 s prietokom OA 30 l/min. Povrch aj koreň zvaru má pravidelný tvar bez prítomnosti rozstreku. Zvarový spoj uvedený na obr. 1 (c) a (d) bol vyhotovený pri Aluline He5. Je zrejmé, že šírka zvarovej húsenice a koreňa spoja je podobná ako v predchádzajúcom prípade. Šírka a koreň zvaru boli pravidelné bez prítomnosti rozstreku. Zvarový spoj vytvorený pri He 4.6 je uvedený na obr. 1 (e) a (f). Šírka zvarového spoja je užšia ako predtým analyzované zvarové spoje. Na povrchu je prítomný rozstrek a oxidácia. Koreň zvaru vykazuje nepravidelnú šírku a kresbu zvarovej húsenice. Zvarová húsenica je zoxidovaná, pretože iba 2/3 OA sa dostane dýzou na povrch zvarového spoja. Zvyšok OA je privádzaný do koreňovej oblasti. Rýchla tvorba oxidickej vrstvy na roztavenom povrchu ZK je spojená s vysokou afinitou hliníka ku kyslíku, čo môže brániť úniku bublín zo ZK. Na obr. 1 (g) a (h) je uvedený povrch a koreň zvaru vyhotovený pri Aluline He30. Povrch zvaru vykazuje pravidelnú šírku zvarovej húsenice bez prítomnosti rozstreku. Naopak, koreň zvaru má nepravidelnú kresbu a šírku húsenice.

Obr. 1: Povrchy a korene zvarových spojov: (a-b): Ar 4.6; (c-d): Aluline He5; (e-f): He 4.6; (g-h): Aluline He30

Prierezy laserových zvarových spojov vytvorených pri rôznych druhoch OA sú uvedené na obrázku 2 (a-d). Z obrázkov je zrejmé, že použitie rôznych druhov OA malo vplyv na gemometriu zvarových spojov. Zvarový spoj vytvorený pri Ar 4.6 (obr. 2a) je mierne prevýšený (0,2 mm) a jeho koreň pretečený (0,37 mm). Šírka zvaru je 4,69 mm a šírka koreňa 4,02 mm. Aplikácia Aluline He5 (obr. 2b) viedla k miernemu poklesu šírky zvaru. Zaznamenaná šírka zvaru bola 4,11 mm a šírka koreňa 3,39 mm. V koreni zvaru bolo pozorované pretečenie 0,51 mm. Tiež sa zistilo, že zvarový spoj bol mierne prevýšený (0,18 mm). Zvarový spoj vyhotovený pri He 4.6 je uvedený na obr. 2(c). V tomto prípade bolo tiež pozorované pretečenie koreňa (0,68 mm) a povrch ZK je takmer v rovine so ZM. Taktiež bol zaznamenaný pór s priemerom 0,61 mm. Šírka zvaru v porovnaní s predchádzajúcim prípadom klesla na 3,27 mm a šírka koreňa zvaru klesla na 2,79 mm. Aplikácia Aluline He30 (obr. 2d) viedla k nárastu šírky zvaru. Šírka zvaru je 3,95 mm a šírka jeho koreňa 3,12 mm. Bolo zaznamenané pretečenie koreňa, a to 0,54 mm. V tomto prípade bol v ZK zachytený pór s priemerom 0,14 mm. Pórovitosť a praskanie zvarových spojov sú hlavné problémy pri zváraní hliníkových zliatin. Je to kvôli vysokému koeficientu tepelnej rozťažnosti Al, veľkej zmene objemu po stuhnutí a širokému teplotnému intervalu tuhnutia. Pórovitosť v ZK bola spôsobená vysokým obsahom horčíka, ktorý podporuje tvorbu plynových bublín a nestabilitu „kľúčovej dierky“. Príprava povrchu redukuje zdroj vodíka, ktorý je príčinou tvorby pórovitosti.

Obr. 2: Priečne rezy zvarových spojov: (a) Ar 4.6, (b) Aluline He5, (c) He 4.6, (d) Aluline He30

Svetelná a elektrónová mikroskopia
Na obr. 3 (a-f) sú zobrazené mikroštruktúry rôznych oblastí hliníkovej zliatiny AW5083. Mikroštruktúra ZM je uvedená na obr. 3 (a). Je zrejmé, že ZM je charakterizovaný jemnozrnnou mikroštruktúrou s priemernou veľkosťou zŕn 20 μm. Na obrázku 4(b) je uvedená mikroštruktúra rozhrania ZM – TOO. Priemerná veľkosť zŕn v TOO je 48 μm. Rozdiel vo veľkosti zŕn v TOO je spôsobený nízkou rýchlosťou zvárania (20 mm/s), ktorá spôsobila vyšší prívod tepla a pomalú rýchlosť ochladzovania, čo viedlo k rastu zŕn. Obr. 3(c) dokumentuje jemnú dendritickú mikroštruktúru ZK vyhotoveného pod ochrannou atmosférou Ar 4.6. Zachytený pór má priemer 41 μm. Mikroštruktúra ZK vyhotoveného pod ochranou atmosférou Aluline He5 je zobrazená na obr. 3(d). Je zrejmé, že mikroštruktúra ZK sa vyznačuje dendritickou morfológiou. V ZK došlo k zjemneniu zrna. Táto skutočnosť je spôsobená prítomnosťou Zr vo zváracom drôte 5087. V dôsledku heterogénnej nukleácie zirkón podporil rast nových zŕn v ZK. Preto je potrebné zdôrazniť, že Zr je príčinou zjemnenia zŕn v ZK. Zachytený pór v ZK má priemer 67 μm. Pri ochrane tavného kúpeľa pomocou He 4.6 (obr. 3e) je zaznamenaná väčšia pórovitosť. Najväčší pór má priemer 195 μm. Táto skutočnosť je pravdepodobne zapríčinená nedostatočnou ochranou tavného kúpeľa pred okolitou atmosférou. Rozhranie TOO – ZK je uvedené na obrázku 3(f). Zvar bol vyhotovený pri ochrane tavného kúpeľa pomocou Aluline He30. V TOO nastalo zhrubnutie zrna oproti ZM. Šírka TOO dosahovala hodnotu 995 μm. Trhliny neboli spozorované. Pórovitosť pravdepodobne vznikala v dôsledku rýchleho tuhnutia ZK. Priemer póru predstavoval hodnotu 175 μm. Plyny uviaznuté v ZK nemali dostatočný čas uniknúť na povrch. Na hranici stavenia boli pozorované kolumnárne zrná. Zrná rástli v normálnom smere k hranici stavenia. Pri epitaxiálnom raste je počiatočná šírka kolumnárnych zŕn tavnej oblasti určená veľkosťou zŕn ZM, susediaceho s rozhraním zvaru. Maximálna veľkosť zŕn v TOO sa vždy vyskytuje pozdĺž zvarového rozhrania, pretože maximálna teplota TOO sa zvyšuje so znižovaním vzdialenosti od rozhrania zvaru. Je zrejmé, že v ZK došlo k zjemneniu zrna. Je to spojené s prítomnosťou Zr vo zváracom drôte a s vysokou rýchlosťou ochladzovania, čo je charakteristické pre zváranie laserovým lúčom.

Obr. 3: Mikroštruktúra oblastí (a) ZM, (b) ZM-TOO, (c) ZK chránený Ar, (d) ZK chránený Aluline He5, (e) ZK chránený He, (f) ZK-TOO chránený Aluline He30

Na obrázku 4(a) je pomocou SEM zobrazené rozhranie ZK-TOO zvarového spoja vytvoreného pri Ar 4.6. Zváraná zliatina je za studena valcovaná, čo znamená, že v TOO dochádza k rekryštalizácii a rastu zrna. Vlastnosti pevnosti a tvrdosti rekryštalizovanej TOO strácajú výhody získané valcovaním za studena a pevnosť zvarového spoja sa blíži pevnosti žíhanej zliatiny. Z mikroštruktúry je zrejmé, že v TOO zmizli, v dôsledku zmienenej rekryštalizácie, zrná valcované za studena. Mikroštruktúra ZK je tvorená tuhým roztokom α. Interdendritické oblasti sú obohatené o legujúce prvky. V ZK sú pozorované svetlejšie oblasti, ktoré dokazujú prítomnosť prvkov s vyšším atómovým číslom. Obr. 4(b) dokumentuje väčšie priblíženie častíc prítomných v ZK. Pravdepodobne sa jedná o zlúčeninu γ-Al12Mg17.

Obr. 4: SEM rozhranie (a) ZK-TOO, (b) väčšie priblíženie predchádzajúcej oblasti ZK-TOO

Záver
Na základe dosiahnutých výsledkov je možné uviesť, že zvar vyhotovený pri Ar 4.6 mal najväčšiu šírku zvarovej húsenice (4,69 mm). Naopak, najmenšia šírka zvarovej húsenice bola zaznamenaná, ak sa použil He 4.6 (3,27 mm). Mikroštruktúra ZK mala vo všetkých prípadoch dendritickú morfológiu. Táto skutočnosť je pripisovaná prítomnosti Zr vo zváracom drôte. Taktiež, zváranie laserovým lúčom, a tým spojená vysoká rýchlosť ochladzovania zvaru, spôsobuje zjemnenie zrna v ZK.

Poďakovanie
Táto publikácia vznikla 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.

text/foto Ing. Maroš Vyskoč, PhD., IWE, Ústav výskumu progresívnych technológií MTF STU v Trnave

Literatúra
[1] H.T. Kashani, P. Kah, J. Martikainen, Laser overlap welding of zinc-coated steel on aluminum alloy. Physics Procedia 78 (2015) 265 – 271
[2] M. Vyskoč, M. Sahul, M. Sahul. Effect of shielding gas on the properties of AW 5083 aluminum alloy laser weld joints. Journal of Materials Engineering and Performance, June 2018, Vol 27, Issue 6, pp 2993-3006
[3] V. Schultz, T. Seefeld, F. Vollertsen, Gáb bryzgni ability in laser beam welding of thin aluminium sheets. Physics Procedia 56 (2014) 545 – 553.
[4] 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
[5] K. Kalaiselvan, A. Elango, N. Nagarajan, and N. Mathiyazagan, Studies on Ti/Al Sheet Joint using Laser Beam Welding—A Review, Int. J. Chem. Nucl. Mater. Metall. Eng., 2014, 8, p 795–798
[6] C. Mittelstädt, T. Seefeld, P. Woizeschke, F. Vollertsen. Laser welding of hidden T-joints with lateral beam oscillation. Procedia CIRP, Vol. 74, 2018, p. 456-460
[7] K. Kalaiselvan and A. Elango, Mechanical Properties on Ti/Al Dissimilar Metal Butt Joint using Laser Beam Welding, J. Chem. Pharm. Sci., 2015, 6, p 65–68
[8] 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
[9] M. Sahul, M. Sahul, M. Vyskoč, Ľ. Čaplovič, M. Pašák, Disk laser weld brazing of AW5083 aluminium alloy with titanium grade 2. Journal of Materials Engineering and Performance. March 2017, Vol. 26, Issue 3, pp 1346-1357.
[10] S.H. Chen, L.Q Li, Y.B. Chen, D.J. Liu, Si diffusion behavior during laser welding-brazing of Al alloy and Ti alloy with Al-12Si filler wire [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2010, 20: 64-70.