Zváranie Mg a jeho zliatin sa spája s problémami – vo všeobecnosti sa vyskytujú defekty ako pórovitosť, solidifikačné praskanie a odparovanie legujúcich prvkov (Al, Zn) [1]. Potencionálnym riešením na zváranie Mg a jeho zliatin, vzhľadom na vysokú hustotu energie a nízky tepelný príkon, by mohlo byť laserové zváranie. Pri laserovom zváraní Mg zliatiny je možné získať zvar s úzkou tepelne ovplyvnenou zónou, čím by sa eliminovala hrubozrnná oblasť pri hranici stavenia a distribúcia tvrdosti by bola homogénnejšia v rámci teplom ovplyvnenej oblasti a zvarového kovu [2]. Pevnosť laserového zvaru Mg zliatiny by sa mohla priblížiť 90 % základného materiálu [3]. Minimálna medzera medzi plechmi je pri laserovom zváraní nevyhnutná kvôli malej stope laserového lúča. Pri laserovom zváraní tlakovo liatej Mg zliatiny AZ91D sa pevnosť zvaru znížila o 10 %, keď šírka medzery dosiahla 5 % hrúbky plechu [4]. Okrem toho, póry, ktoré už boli v základnom materiáli, sa ľahko zhromaždili a zväčšili, pretože roztavený horčík rýchlo stuhol v dôsledku rýchleho ochladzovania pri zváraní. Čím väčší je príkon tepla, tým vyššia je pórovitosť pri zváraní Mg a jeho zliatin [5].
S rýchlym vývojom vysokofrekvenčného galvanometrického skenera sa v poslednej dobe laserové oscilačné zváranie považuje za jednu z najsľubnejších zváracích metód kvôli presnejšej modulácii oscilačných parametrov, čo je dôležité pre dosiahnutie aplikácie sériového zvárania Mg zliatin v priemyselných odvetviach [6]. Pri laserovom oscilačnom zváraní hliníkovej zliatiny 6k21 sa pevnosť v šmyku zvýšila o 29 % v porovnaní s konvenčným laserovým zváraním [7]. Bolo tiež preukázané, že rozstrek zvarového kovu sa znížil buď zvýšením rýchlosti zvárania, alebo znížením výkonu lasera.
Laserovým oscilačným zváraním austenitickej nehrdzavejúcej ocele AISI 304 sa potvrdilo, že oscilačné správanie môže ovplyvniť vzhľad zvaru. So zvyšujúcou frekvenciou kmitov sa postupne menil tvar prierezu zvaru z tvaru V na tvar U [8]. Pri laserovom oscilačnom zváraní hliníkovej zliatiny 6061 sa zistilo, že sa dosiahlo viac ekviaxiálnych zŕn a pevnosť zvaru sa zvýšila o 38 % v porovnaní s konvenčným laserovým zváraním [9].
Spomenuté výskumy naznačujú, že laserové oscilačné zváranie má potenciál zlepšiť kvalitu zvarových spojov Mg zliatin vďaka presnej modulácii energie. Viac pozornosti by sa však malo venovať aj laserovému oscilačnému zváraniu Mg zliatin. Cieľom súčasnej štúdie je odhaliť účinky parametrov oscilácie laserového lúča a charakterizovať vlastnosti zvarových spojov z Mg zliatiny AZ31. Pre dosiahnutie požadovanej kvality zvarových spojov je nevyhnutné stanoviť parametre oscilačného zvárania.

Experiment
Pre výskum, ako základný materiál, sa použila 2 mm hrubá Mg zliatina AZ31 s chemickým zložením uvedeným v tab. 1. Rozmer plechu bol 100 mm na dĺžku a 50 mm na šírku. Pred zváraním boli plechy obrúsené oceľovou kefou, aby sa odstránila povrchová oxidačná vrstva, očistené acetónom a zostavené do konfigurácie na tupo.

Zariadenie na laserové zváranie pozostáva zo šesťosového robota Fanuc M-710, vláknového lasera IPG YLS-6000 a skenovacieho systému SCANNLAB hurrySCAN30, ako je znázornené na obr. 1. Maximálny výkon laserového zdroja bol 6 kW s parametrom kvality lúča 6,9 mm*mrad. Laserový lúč s vlnovou dĺžkou 1 070 nm bol najprv prenesený vláknom do kolimátora, odrazený medeným zrkadlom a nakoniec zaostrený na povrch plechu s priemerom stopy lúča 0,35 mm.

Obr. 1: Schéma pre laserové oscilačné zváranie

V tejto štúdii bola použitá oscilácia lúča s kruhovou dráhou. Parametre zvárania sú uvedené v tab. 2. Metalurgická príprava vzoriek pozostávala z brúsenia, leštenia a leptania v roztoku kyseliny pikrovej (3 g), kyseliny octovej (20 ml), destilovanej vody (20 ml) a alkohole (50 ml). Mikroštruktúra bola pozorovaná elektrónovým mikroskopom FEI Quanta-200. Skúška ťahom bola realizovaná na vzorke s rozmermi uvedenej na obr. 2.

Obr. 2: Schéma vzorky pre skúšku ťahom

Vzhľad zvarovej húsenice
Ako je znázornené na obr. 3, chyby vo zvarových spojoch v Mg zliatinách sa vo všeobecnosti vyskytujú, či už pri použití oscilácie lúča alebo bez, pretože roztavený zvarový kov v dôsledku nízkeho koeficientu povrchového napätia má tendenciu stekať, a teda vytvárať defekty, ako prepadnutý povrch a pretečený koreň ZK. Moduláciou pozdĺžneho teplotného gradientu a intenzity vírivých a konvekčných efektov v roztavenom ZK je možné prostredníctvom oscilácie laserového lúča zmeniť dynamiku správania taveniny, a tým zlepšiť vzhľad zvarovej húsenice [10].

Obr. 3: Makroprofily povrchov a prierezov zvarov, (a) bez oscilácie lúča, (b) r = 1,0 mm a f = 10 Hz, (c) r = 1,0 mm a f = 25 Hz, (d) r = 1,0 mm a f = 50 Hz, (e) r = 1,0 mm a f = 75 Hz, (f) r = 1,0 mm a f = 100 Hz, (g) r = 1,0 mm a f = 150 Hz , (h) r = 0,5 mm a f = 50 Hz, (i) s r = 1,5 mm a f = 50 Hz, (j) r = 2,0 mm a f = 50 Hz, (k) r = 2,5 mm a f = 50 Hz.

Okrem toho možno vidieť, že profil povrchu zvaru sa zmenil z vlnitého tvaru na lineárny už pri frekvencii 50 Hz a polomere 1,0 mm. Zápaly sa vytvárali pri frekvencii 75 Hz a kolaps zvarového spoja nastal pri frekvencii 150 Hz. Pri laserovom zváraní s osciláciou lúča austenitickej nehrdzavejúcej ocele bola frekvencia až 500 Hz pri vertikálnej oscilácií s amplitúdou 1,0 mm, pričom profil tvaru povrchu zvaru bol lineárny [11]. Pri laserovom oscilačnom zváraní hliníkovej zliatiny 6061 (frekvencia 200 Hz, polomer 1,0 mm) bol vzhľad povrchu zvarovej húsenice podobný ako v našom prípade pri zvarovom spoji (obr. 3d) [12]. V našom prípade bol zaznamenaný lineárny tvar zvarovej húsenice pri nižšej frekvencii.

Charakteristika mikroštruktúry
Ako je znázornené na obr. 4, kolumnárna oblasť na rozhraní ZM-ZK pri zváraní bez použitia oscilácie laserového lúča (obr. 4a) je súvislá, zatiaľ čo oblasť s osciláciou lúča (obr. 4b-d) je diskontinuálna. Ako je znázornené na obr. 5, dĺžka kolumnárneho zrna dosahuje 21 μm pri polomere 0,5 mm a frekvencii 50 Hz, čo predstavuje približne o 33 % menej ako pri vzorke bez použitia oscilácie lúča. So zvyšujúcim sa polomerom oscilácie narastá dĺžka zrna na 34 μm a na 42 μm s meniacou sa frekvenciou a polomerom 1,0 mm. Možno konštatovať, že dĺžka kolumnárneho zrna je pravdepodobne ovplyvnená polomerom oscilácie lúča, ale frekvencia je takmer irelevantná z hľadiska dĺžky kolumnárnych zŕn.

Obr. 4: SEM obrázky rozhrania ZM-ZK, (a) bez oscilácie lúča, (b) r = 0,5 mm a f = 50 Hz, (c) r = 1 mm a f = 50 Hz, (d) r = 1 mm a f = 75 Hz

Obr. 5: Priemerná dĺžka kolumnárnych zŕn, (a) vplyv polomeru oscilácie lúča pri frekvencii 50 Hz, (b) vplyv frekvencie oscilácie lúča pri polomere 1,0 mm

Ako je znázornené na obr. 6, podiel ekviaxiálnej oblasti v rámci zvaru klesá z 85 % na 42 % so zvyšujúcou sa frekvenciou pri polomere 1,0 mm, pričom priemerná veľkosť zrna dosahuje maximum 37,5 μm pri 75 Hz. Na druhej strane, podiel ekviaxiálnej oblasti klesá z 92 % na 14 % a veľkosť zrna sa zvyšuje z 21 μm na 42 μm so zvyšovaním polomeru pri frekvencii 50 Hz.

Obr. 6: (a) vplyv frekvencie oscilácie lúča pri polomere 1,0 mm, (b) vplyv polomeru oscilácie lúča pri frekvencii 50 Hz

Uvedené výsledky ukazujú, že oscilácia lúča môže nielen obmedziť tvorbu kolumnárnych zŕn pri hranici stavenia a znížiť ich veľkosť, ale tiež podporiť tvorbu ekviaxiálnych zŕn. Pri použití vyššej frekvencie alebo polomeru však môžu byť ekviaxiálne zrná v strede zvaru nahradené zhrubnutými kolumnárnymi zrnami. Účinky oscilačného správania na mikroštruktúru zvaru možno teda vysvetliť nasledovne.
Ako je znázornené na obr. 7a, teplotný gradient nie je homogénny pri zváraní bez oscilácie lúča, pretože teplo sa prenáša z „Keyhole“ na okraj tavného kúpeľa. Kolumnárne zrná sa tvoria na okraji v dôsledku dostatočne vysokého teplotného gradientu. Kolumnárne zrná sa však začínajú lámať kvôli kritickému podchladeniu spôsobenému poklesom gradientu. Potom sa polámané zrná pohybujú v tavnom kúpeli a opäť prebieha ich nukleácia. V tomto prípade sa vytvorí len malé množstvo ekviaxiálnych zŕn.

Obr. 7: Schematický nákres tvorby mikroštruktúry, (a) bez oscilácie lúča, (b) oscilácia s príslušnými parametrami, (c) oscilácia s frekvenciou vyššou ako 75 Hz, (d) oscilácia s polomerom väčším ako 1,5 mm.

Ako je znázornené na obr. 7b, keyhole sa pohybuje pozdĺž oscilačnej dráhy lasera a teplo sa prenáša z keyhole do okolitých oblastí Marangoniho tokom. Podľa výsledkov simulácie Wang a Gao [13], gradient v tavnom kúpeli má tendenciu byť homogénny a podchladenie sa ľahšie dosiahne pri vhodných oscilačných parametroch. Tento jav bol pozorovaný aj pri oblúkovom oscilačnom zváraní zliatiny AZ31 Mg [14]. Vírivé a konvekčné efekty sú teda zosilnené Marangoniho tokom taveniny. Z vyššie uvedených dôvodov sa pri vhodných oscilačných parametroch s veľkou pravdepodobnosťou vytvoria ekviaxiálne zrná v strede zvaru. Pri frekvencii vyššej ako 75 Hz, ako je znázornené na obr. 7c, je gradient v strede zvaru homogénnejší v dôsledku koncentrovanejšej distribúcie tepla, čo podporuje tvorbu ekviaxiálnych zŕn. Pri polomere väčšom ako 1,5 mm, ako je znázornené na obr. 7d, je tavný kúpeľ zjavne väčší. Roztavený kov na konci tavného kúpeľa prúdi pozdĺž smeru zvárania a prenáša teplo do okolitých oblastí, najmä na okraj tavného kúpeľa. Tým sa gradient na okraji tavného kúpeľa zníži a kolumnárne zrná sa rozbijú. Okrem toho sa predlžuje čas na vysokej teplote v strede zvaru a v dôsledku väčšieho tavného kúpeľa a nižšej rýchlosti tuhnutia sa stred zvaru skladá hlavne z kolumnárnych zŕn s malým podielom ekviaxiálnych zŕn.

Statická skúška ťahom
Po statickej skúške ťahom, u všetkých zvarových spojov, nastal zlom pozdĺž hranice stavenia. Treba poznamenať, že pevnosť zvaru sa nedá zlepšiť osciláciou lúča, ale je zjavne ovplyvnená, ako je znázornené na obr. 8. Pevnosť v ťahu klesá z 240 na 208 MPa s polomerom oscilácie zväčšujúcim sa z 0,5 na 2,0 mm pri frekvencii 50 Hz, pričom miera predĺženia klesá z 9,6 % na 7,5 %. So zvyšovaním frekvencie pri polomere 1,0 mm dosahuje predĺženie maximum 9,2 % pri 75 Hz, zatiaľ čo pevnosť v ťahu si pri frekvencii nižšej ako 75 Hz udržiava okolo 232 MPa a pri zvýšení na 100 Hz klesá na 222 MPa.

Obr. 8: (a) vplyv frekvencie oscilácie lúča pri polomere 1 mm, (b) vplyv polomeru oscilácie lúča pri frekvencii 50 Hz

Podľa uvedených výsledkov možno konštatovať, že pevnosť zvaru úzko súvisí s podielom ekviaxiálnych zŕn a veľkosťou zrna. Podiel ekviaxiálnych zŕn klesá, zatiaľ čo veľkosť zrna sa zvyšuje so zvyšovaním polomeru oscilácie pri frekvencii 50 Hz, čo zodpovedá poklesu pevnosti v ťahu a predĺženia. S nárastom frekvencie pri polomere 1,0 mm klesá aj podiel ekviaxiálnych zŕn a veľkosť zrna dosahuje maximum pri 75 Hz, ale vyššia pevnosť a predĺženie možno dosiahnuť naopak.

Záver
Lineárny povrch zvaru sa dosiahne pri frekvencii 50 Hz a defekty sa objavia pri frekvencii vyššej ako 75 Hz alebo polomere väčšom ako 1,5 mm. Podiel ekviaxiálnej oblasti v rámci zvaru klesá z 85 % na 42 % so zvyšujúcou sa frekvenciou pri polomere 1,0 mm, pričom priemerná veľkosť zrna dosahuje maximum 37,5 μm pri 75 Hz. Na druhej strane, ekviaxiálna oblasť klesá z 92 % na 14 % a veľkosť zrna sa zvyšuje z 21 μm na 42 μm so zvyšujúcim sa polomerom pri frekvencii 50 Hz. Pevnosť zvaru sa nedá zlepšiť osciláciou lúča, ale je, samozrejme, ovplyvnená, čo úzko súvisí s podielom ekviaxiálnych zŕn a ich veľkosťou.

Poďakovanie
Táto publikácia vznikla vďaka podpore v rámci operačného programu Integrovaná infraštruktúra 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] Kulekci K. Magnesium and its alloys applications in automotive industry. Int J Adv Manuf Technol 2008; 39:851-65.
[2] Coelho S, Kostka A, Pinto H, Riekehr S, Koc¸ak M, Pyzalla R. Microstructure and mechanical properties of magnesium alloy AZ31B laser beam welds. Mater Sci Eng A2008; 485:20-30.
[3] Cao X, Jahazi M, Immarigeon J, Wallace W. A review of laser welding techniques for magnesium alloys. J Mater ProcessTechnol 2006; 171:188-204.
[4] Lehner C, Reinhart G, Schaller L. Welding of die-casted magnesium alloys for production. J Laser Appl1999; 11:206-10.
[5] Wang Z, Gao M, Tang HG, Zeng Y. Characterization ofAZ31B wrought magnesium alloy joints welded by high power fiber laser. Mater Charact 2011; 62:943-51.
[6] Liu M, Wang F, Song G. Hybrid laser-TIG welding, laserbeam welding and gas tungsten arc welding of AZ31B magnesium alloy. Mater Sci Eng A 2004; 381:129-33.
[7] Gao M, Mei W, Wang M, Li Y, Zeng Y. Process and joint characterizations of laser-MIG hybrid welding of AZ31magnesium alloy. J Mater Process Technol 2012; 212:1338-46
[8] Yuan T, Luo Z, Kou S. Grain refining of magnesium welds by arc oscillation. Acta Mater 2016; 116:166-76.
[9] Vanska M, Salminen A. Laser welding of stainless steel self-steering tube-to-tube joints with oscillating mirror. P IMech Eng B-J Eng 2011; 226:632-40.
[10] Kim H, Kang H, Oh T, Kim H, Kim H, Kim S. Effects of weaving laser on weld microstructure and crack for Al 6k21-T4 alloy. J Mater Sci Technol 2011; 27:93-6.
[11] Schweier M, Heins F, Haubold W, Zaeh F. Spatter formation in laser welding with beam oscillation. Phys Procedia 2013; 41:20-30.
[12] Wang WH. Numerical simulation of laser oscillating welding of aluminum alloy. Huaz Uni Sci Technol 2016.
[13] Wang L, Gao M, Zhang C, Zeng XY. Effect of beam oscillating pattern on weld characterization of laser welding ofAA6061-T6 aluminum alloy. Mater Design 2016; 108:707-17.
[14] Gao S, Wu S, Goecke F, Kugler H. Numerical simulation of temperature field, fluid flow and weld bead formation in oscillating single mode laser-GMA hybrid welding. J Mater Process Technol 2017; 242:147-59.