Horčík a jeho zliatiny je široko používaným neželezným kovovým konštrukčným materiálom vďaka jeho výhodám, ako je nízka hustota, vysoká špecifická pevnosť a vynikajúce schopnosti tlmenia zvuku [1]. V poslednej dobe sa venuje väčšia pozornosť zváraniu horčíkových zliatin kvôli rýchlemu rozvoju technológií, ktoré znižujú dopad na environmentálne prostredie. Avšak ich špecifické fyzikálne a chemické vlastnosti, ako je nízka teplota varu, vysoký tlak pár a veľké zmraštenie zvarového kovu počas tuhnutia, vedú k vážnym metalurgickým problémom, ako je preliačenie zvarového kovu, prepadnutý koreň zvaru, pórovitosť a veľké deformácie pri tavnom zváraní horčíkových zliatin, ktoré obmedzujú použitie horčíkových zliatin v priemysle.
V posledných desaťročiach sa využíva na spájanie horčíkových zliatin oblúkové zváranie, elektrónový lúč, laserový lúč, hybridné zváranie laser-oblúk a trecie zváranie [2-7]. Spomedzi týchto technológií zvárania sa laserové zváranie považuje za atraktívny a preferovaný tavný proces zvárania a spájania horčíka a jeho zliatin, vďaka vysokej rýchlosti zvárania, veľmi úzkej zvarovej húsenici a malej teplom ovplyvnenej oblasti (TOO). Sun a kol. [8], urobili niekoľko výskumov o laserovom zváraní odlievaných a tvárnených horčíkových zliatin pomocou Nd:YAG a CO2 lasera. V týchto štúdiách bola v ZK pozorovaná jemnozrnná mikroštruktúra. Skúškou pevnosti v ťahu bolo zistené, že u 90 % zvarových spojov nastal lom v ZM. Okrem toho bolo predmetom výskumu hybridné zváranie laser/elektrický oblúk, na spájanie a zváranie tvárnených horčíkových zliatin série AZ [9], ktoré kombinuje niektoré výhody, a tým sa minimalizovala tvorba metalurgických defektov v ZK. Ako celok, laserové zváranie ukázalo veľký potenciál pri zváraní horčíkových zliatin.
Vláknový laser, ako tretia generácia priemyselných laserov, sa v posledných rokoch rýchlo rozvíja vďaka množstvu výhod, akými sú kompaktné rozmery, veľká prenosová vzdialenosť, vysoká účinnosť, špičková kvalita lúča a vysoký výkon (až 50 kW). V oblasti spájania ocelí a zliatin hliníka zaznamenal vláknový laser veľký pokrok v experimentálnych štúdiách a priemyselných aplikáciách, pričom ukázal veľký potenciál nahradiť konvenčné Nd:YAG a CO2 lasery. Existuje však len málo výskumov o zváraní horčíkových zliatin vláknovými lasermi. Yu a kol. [10] zistili, že pórovitosť vo zvarových spojoch horčíkových zliatin AE42 a AS41 zváraných vláknovým laserom bola pripisovaná hlavne už existujúcim mikropórom v ZM. Liu a kol. [11] študovali mikroštruktúrne charakteristiky zvarov z horčíkových zliatin AZ91D a AMCa403 zváraných vláknovým laserom, ale mechanické vlastnosti zvarových spojov neboli uvedené. Je zrejmé, že tieto obmedzené výskumy nepostačujú na pochopenie charakteristík zvarových spojov z horčíkovej zliatiny pri zváraní vysoko výkonným vláknovým laserom.

Obr. 1: Schéma zvárania vláknovým laserom a experimentálneho usporiadania, (a) vláknový laser IPG a robot KUKA, (b) zváracia hlava

Experiment
Pre výskum bol použitý vláknový laser IPG YLR 6000 W a robot KUKA KR60, ako je znázornené na obr. 1a. Laserový lúč s vlnovou dĺžkou 1 070 nm a kvalitou lúča 6,9 mm*mrad bol vedený optickým káblom s priemerom 200 μm. Usporiadanie dýz prívodu ochranného plynu a laserového lúča je znázornené na obr. 1b. Uhol dopadu laserového lúča na vertikálnu rovinu bol 10° a fokusácia laserového lúča bola 0 mm. V procese zvárania bol povrch a koreň zvaru chránený ochranným plynom Ar s prietokom 10 l/min. Ako základný materiál bola použitá extrudovaná horčíková zliatina AZ31B s hrúbkami 5 mm, ktorej chemické zloženie a mechanické vlastnosti sú uvedené v tabuľke 1. Pred zváraním boli plechy vyfrézované na rozmer 100 × 75 mm a následne bol povrch vyčistený brúsnym papierom a acetónom.

Tab. 1: Chemické zloženie (hmot. %) a mechanické vlastnosti základného materiálu

Po zváraní boli štandardným postupom pripravené vzorky pre metalografiu a leptané v roztoku: 4,2 g kyseliny pikrovej, 10 ml kyseliny octovej, 10 ml vody a 100 ml etanolu s dobou leptania 20 s.
Mikroštruktúra a povrch lomu boli pozorované optickým a rastrovacím elektrónovým mikroskopom (SEM). Chemické zloženie sa analyzovalo energeticky disperzným spektrometrom (EDS). Mikrotvrdosť v strednej oblasti priečneho rezu zvaru bola meraná pri zaťažení 200 g a dobe zaťaženia 15 s. Parametre zvárania pre vyhotovenie tupých zvarových spojov sú uvedené v tab. 2.

Tab. 2: Parametre zvárania

Vzhľad zvaru
Na obr. 2 sú uvedené zvarové spoje z horčíkovej zliatiny AZ31B, ktoré majú typický tvar pre zvary vytvorené laserom. Hĺbka penetrácie je priamo úmerná výkonu lasera s prírastkom takmer 2-3 mm na kW. V porovnaní s tým je vplyv rýchlosti zvárania na hĺbku penetrácie zvaru menšia ako vplyv výkonu lasera, hoci hĺbka penetrácie zvaru sa zvyšuje s klesajúcou rýchlosťou zvárania. Bolo zistené, že hĺbka penetrácie zvaru sa zväčší len o 0,5 mm ak rýchlosť zvárania klesá zo 4 m/min na 2 m/min, keď výkon lasera je konštantný.

Obr. 2: Vplyv parametrov zvárania na penetráciu

Hoci hĺbka penetrácie sa zvýšením výkonu laserového lúča zväčší, vzhľad zvarovej húsenice sa zhorší. Ako je znázornené na obr. 3, defekty na zvarovej húsenici (pretečený zvarový kov a čiastočne prevarený koreň) sa vytvorili pri výkone laserového lúča 6 kW, zatiaľ čo nie sú spozorované, keď sa výkon laserového lúča zníži na 3,5 kW. Tento jav je spôsobený spätným tlakom plazmy nad povrchom tavného kúpeľa. Počas laserového zvárania je spätný tlak plazmy hlavnou silou pôsobiacou na tavný kúpeľ. Tento spomínaný spätný tlak môže vytlačiť roztavený kov z tavného kúpeľa a vytvoriť tak rozstrek ako aj pretečenie zvarového kovu po okrajoch zvarovej húsenice. Okrem iného, rozstrek môže narušiť dopadajúci laserový lúč a následne znížiť stabilitu prenosu laserového lúča, čo spôsobí kolaps kľúčovej dierky, a tým sa vytvorí nesúvislý koreň, ako je znázornené na obr. 3b. Zvyčajne čím vyšší je výkon laserového lúča, tým väčší je spätný tlak plazmy pôsobiaci na tavný kúpeľ. Preto vysoký výkon laserového lúča nepriaznivo pôsobí na kvalitu a vzhľad zvarovej húsenice. V tejto štúdii bolo zistené, že keď bol výkon laserového lúča väčší ako 4,0 kW, povrch mal nepravidelnú kresbu aj šírku a koreň bol diskontinuálny.

Obr. 3: Povrchy a korene spojov

Obr. 4 znázorňuje morfológiu priečnych rezov tupých zvarových spojov. Je zrejmé, že tvar zvarovej húsenice je akceptovateľný, keď je výkon lasera v rozsahu 2,5 až 4,0 kW. V opačnom prípade sa na zvare objavia makro-defekty, ako sú zápaly, preliačený a prepadnutý zvar, ako je znázornené na obr. 4a a f. Keď je výkon lasera nižší ako 2,5 kW, rýchlosť zvárania musí byť nižšia, aby nastala úplná penetrácia. Nadmerný tepelný príkon vedie k odparovaniu Mg a iných legujúcich prvkov, čo má za následok rôzne defekty. Keď je výkon lasera vyšší ako 4,0 kW, spätný tlak plazmy je dostatočne silný na to, aby sa tvoril rozstrek ZK, čo znižuje množstvo roztaveného kovu v roztavenom kúpeli a vedie k vyššie uvedeným metalurgickým defektom.

Obr. 4: Morfológia priečnych rezov zvarových spojov, (a) #1, (b) #2, (c) #3, (d) #4, (e) #5, (f) #6.

Na obr. 5 je mikroštruktúra ZM, ktorá je tvorená α-Mg zrnami s priemernou veľkosťou zŕn 50 μm. Tepelný príkon má významný vplyv na šírku TOO. Pri tepelnom príkone 85,7 J/mm je priemerná šírka zrna v TOO takmer 50 μm. Keď sa však zníži na 44 J/mm, TOO nie je pozorovateľná, teda vidieť len prechod zo ZM do ZK.

Obr. 5: Mikroštruktúra zvarových spojov, (a) #1, (b) #6

Na obr. 6 je zobrazená mikroštruktúra ZK, ktorá je tvorená jemnými dendritmi. Jemnozrnná mikroštruktúra sa vytvorila z dôvodu vysokej rýchlosti tuhnutia ZK počas zvárania. Stojí za povšimnutie, že dendrity v ZK vykazujú typickú hexagonálnu štruktúru, kde uhol medzi primárnymi ramenami je 60°. Podľa predchádzajúcich štúdií [12], tento tvar je z dôvodu HCP mriežky. Priemerná dĺžka polosi hexagonálych dendritov sa zvyšuje so zvyšujúcim sa tepelným príkonom alebo klesajúcou rýchlosťou zvárania. Ako je znázornené na obr. 6a až c, priemerná dĺžka polosi spoja #1, #2 a #4 je 45, 37 a 30 μm, čo zodpovedá tepelnému príkonu 85,7, 62,5 a 44 J/mm. Keďže vyšší tepelný príkon znamená dlhší čas tuhnutia, dendrity v rozmedzí s vyšším tepelným príkonom majú viac času na rast, aby dosiahli väčšiu dĺžku polosi. Okrem toho rýchlosť zvárania má tiež významný vplyv na veľkosť dendritov, keď je tepelný príkon konštantný. Jemnejšie dendrity sa vytvoria pri vyšších rýchlostiach zvárania. Ako je znázornené na obr. 6c a d, priemerná dĺžka polosi hexagonálych dendritov je 30 a 12 μm pre spoj #4 a #6 pri rýchlosti zvárania 4,8 a 6,6 m/min. Znamená to, že aj keď je vypočítaný rovnaký tepelný príkon, vyššia rýchlosť zvárania pravdepodobne spôsobí skutočne vyššiu rýchlosť tuhnutia a v ZK sa vytvorí jemnejšia štruktúra.

Obr. 6: Mikroštruktúra ZK (a) #1, (b) #2, (c) #4, (d) #6.

Mechanické vlastnosti
Z obr. 7 je možné vidieť, že vo väčšine spojov nastal lom v ZM. Najmenšia priemerná nameraná pevnosť v ťahu bola 227 MPa a zaznamenaná hodnota predĺženia bola 7,2 %. Tepelný príkon má významný vplyv na pevnosť v ťahu. Keď bol tepelný príkon nižší ako 48 J/mm, u všetkých vzoriek nastal lom v ZM, čím bolo preukázané, že pevnosť týchto spojov bola väčšia ako pevnosť ZM.
Na zistenie skutočnej pevnosti ZK bol do zvaru č. 6 vyfrézovaný vrub, aby lom nastal v ZK. Výsledok testu preukázal, že skutočná pevnosť v ťahu ZK dosahuje 265 MPa, takmer 113 % pevnosti ZM.

Obr. 7: Skúška ťahom zvarových spojov

Charakteristika lomových plôch

Obr. 8: Morfológia pórov na povrchu lomu, (a) #1, (b) #2, (c) #6.

Ako je znázornené na obr. 8, na lomovej ploche ZK je prítomných množstvo pórov (podiel plochy pórov k celej lomovej ploche). Bolo zaznamenané, že so znižovaním tepelného príkonu klesal priemer pórov. Keď sa tepelný príkon znížil z 85,7 na 62,5 a 44 J/mm, pórovitosť sa postupne znížila z 10,6 % na 2,2 % a 0,4 %. Je zrejmé, že vysoký podiel pórovitosti je jedným z kľúčových faktorov znižujúci pevnosť zvarových spojov (č. 1 a č. 2). Vo všeobecnosti póry nielen zmenšujú prierezovú plochu, ale narúšajú aj štrukturálnu konzistenciu ZK. Počas skúšky ťahom sa mikrotrhliny zvyčajne iniciujú z týchto najslabších pozícií v dôsledku koncentrácie napätia. Na druhej strane, keď je tepelný príkon nižší ako 48 J/mm, spoje sa stávajú pevnejšími ako ZM v dôsledku jemnozrnnej štruktúry a menšieho podielu pórovitosti v ZK.
Na obr. 9 je možné pozorovať, že na povrchu lomov sú prítomné jamky a krehké oblasti, čo charakterizuje zmiešaný lom. Póry a vyzrážaná krehká fáza v zrnách alebo na hraniciach zŕn znižujú ťažnosť koncentráciou napätia a vedú ku kvázi húževnatému lomu. Ako je znázornené na obr. 9d, vo vnútri jamiek je pozorovaných niekoľko sekundárnych častíc. EDX analýzou bolo zistené, že tieto častice sú bohaté na prvok Al a Mn a obsahujú 57,79 at. % Mg,
27,52 at. % Al a 14,69 at. % Mn. Pretože vzájomná rozpustnosť medzi Mg a Mn je takmer nulová, tieto častice by mali byť zmesou eutektika Mg-Al (α-Mg + β-Mg17Al12) a fázy Al-Mn. Pretože obsah Mn v ZM je veľmi nízky (iba 0,2-0,6 %), túto časticu bohatú na Mn je v ZK ťažké pozorovať.

Obr. 9: Morfológia lomov, (a) húževnatá oblasť v spoji č. 2, (b) krehká oblasť v spoji #2, (c) povrch lomu pri zvare s vrubom, (d) detail oblasti ohraničenej obdĺžnikom na obr. 9c

Záver
V rozsahu 2,5 až 4,0 kW je možné dosiahnuť stabilný proces zvárania a zvary bez makrodefektov. Hĺbka prievaru zvaru sa zvyšuje o 2-3 mm na kW. Typické hexagonálne dendrity sú pozorované v ZK, ktorých priemerná dĺžka polosi sa zvyšuje so zvyšujúcim sa tepelným príkonom alebo klesajúcou rýchlosťou zvárania. Minimálna medza pevnosti v ťahu zvarových spojov dosahuje 227 MPa. V porovnaní so ZM je zaznamenaná vyššia pevnosť spojov, keď je tepelný príkon nižší ako 48 J/mm. Počiatočné, už existujúce mikropóry hrajú veľkú úlohu pri tvorbe pórov, keď je tepelný príkon vyšší 85,7 J/mm a viac, zatiaľ čo kolaps kľúčovej dierky je hlavným dôvodom tvorby pórov, keď je tepelný príkon nižší ako 62,5 J/mm.

text/foto Ing. Maroš Vyskoč, PhD., IWE, Ústav výskumu progresívnych technológií 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] H.E. Friedrich, B.L. Mordike. Magnesium technology. Springer, Berlin (2006)
[2] X. Cao, M. Jahazi, J.P. Immarigeon, W. Wallace. A review of laser welding techniques for magnesium alloy. J Mater Process Technol, 171 (2006), pp. 188-203
[3] Y.J. Quan, Z.H. Chen, Z.H. Yu. Defects analysis of AZ31 magnesium alloy joints by laser beam welding. Hot Work Tech, 36 (3) (2007), pp. 33-36
[4] N . Xu, J. Shen, W.D. Xie, L.Z. Wang, D. Wang, D. Min. Abnormal distribution of microhardness in tungsten inert gas arc butt welded AZ61 magnesium alloy plates. Mater Charact, 61 (2010), pp. 713-719
[5] H. Wohlfahrt, M. Rethmeier, H.B. Bouaifi Metal-inert gas welding of magnesium alloy. Weld Cutt, 55 (2003), pp. 80-84
[6] C.T. Chi, C.G. Chao, T.F. Liu, C.C. Wang. Optimal parameters for low and high voltage electron beam welding of AZ series magnesium alloys and mechanism of weld shape and pore formation. Sci Technol Weld Joining, 13 (2) (2008), pp. 199-211
[7] C.T. Chi, C.G. Chao, T.F. Liu. Relational analysis between parameters and defects for electron beam welding of AZ-series magnesium alloys, Vacuum, 82 (2008), pp. 1177-1182
[8] Z. Sun, D. Pan, J. Wei. Comparative evaluation of tungsten inert gas and laser welding of AZ31 magnesium alloy. Sci Technol Weld Joining, 7 (2002), pp. 343-351
[9] R.S. Coelho, A. Kostka, H. Pinto. Microstructure and mechanical properties of magnesium alloy AZ31B laser beam welds. Mater Sci Eng A, 485 (2008), pp. 20-30
[10] Y.J. Quan, Z.H. Chen, Z.H. Yu. Characteristics of laser welded wrought Mg–Al–Zn alloy. Mater Charact, 59 (2008), pp. 1799-1804
[11] L .M. Liu, J.F. Wang, G. Song. Hybrid laser-TIG welding, laser beam welding and gas tungsten arc welding of AZ31B magnesium alloy. Mater Sci Eng A, 381 (1–2) (2004), pp. 129-133
[12] M. Gao, Y. Cao, X.Y. Zeng, T.X. Lin. Mechanical properties and microstructures of hybrid laser MIG welded dissimilar Mg–Al–Zn alloys. Sci Technol Weld Joining, 15 (7) (2010), pp. 638-645