Laserové zváranie s drôtom výrazne znižuje nároky na presnosť zvarovej medzery a zároveň redukuje potrebu presného upnutia zvarkov. Okrem toho môže laserové zváranie pomocou drôtu riešiť problém solidifikačného praskania. Vedci začali venovať pozornosť dynamike tavenia drôtu, ktorá je priamo spojená so stabilitou procesu a kvalitou zvaru, pomocou vysokorýchlostnej kamery. Yu [2] použil tento postup na skúmanie dynamiky tavenia drôtu s rôznymi rýchlosťami podávania drôtu. Dynamiku tavenia možno rozdeliť do troch typov: výbuch, obrovská kvapka a prúd roztaveného kovu. Podľa zistení by explózia alebo obrovská kvapka viedla k nestabilnému procesu zvárania a nízkej kvalite zvaru, zatiaľ čo v podobe prúdu roztaveného kovu by viedlo k stabilnému procesu zvárania a rovnomernej zvarovej húsenici. Vďaka zvýšenej stabilite zváracieho procesu je možné zabrániť vzniku pórov vyvolaných kolapsom a nestabilitou kľúčovej dierky [3]. Pre optimalizáciu procesu laserového zvárania a zabezpečenie dobrej kvality zvaru je potrebné pochopiť vplyv rýchlosti podávania drôtu na celkové vlastnosti zvarových spojov. V dôsledku toho sa výskum zameriava na vplyv rýchlosti podávania zváracieho drôtu na tvorbu pórovitosti v ZK.

Experiment
Na výskum bola použitá zliatina horčíka AZ31B-H24 vo forme plechu s rozmermi 30 x 100 x 2 mm. Označenie B označuje čistotu zliatiny a H24 vyjadruje spracovanie zliatiny – deformačne spevnená a čiastočne žíhaná. Najčastejšie používaná horčíková zliatina AZ31 obsahuje ako legujúce prvky Al a Zn. Z dôvodu intenzívneho odparovania legujúcich prvkov (Mg a Zn) v ZM, bol použitý zvárací drôt AZ31 s obsahom 3 % Al a 1 % Zn. Oba prvky zvyšujú pevnosť a tvrdosť, pričom Al zároveň zlepšuje zlievateľnosť zliatiny.

Laserové zariadenia a parametre zvárania
Tupé zvarové spoje boli vyhotovené pomocou diskového lasera TruDisk 4002 v kontinuálnom režime zvárania s maximálnym výkonom 2 kW. Vlnová dĺžka laserového žiarenia bola 1,03 μm a kvalita lúča (BPP) 8 mm mrad. Laserový lúč bol vedený cez optické vlákno do optiky BEO D 70 s priemerom 400 μm. Ohnisková vzdialenosť bola 200 mm. Optika bola namontovaná na 6 angulárnom robotovi Fanuc-710iC/50. Laserový lúč bol fokusovaný na povrch spájaných materiálov. Ako ochranný plyn bol použitý argón 4.6 s prietokom plynu 24 l/min. Chránený bol aj povrch aj koreň spoja. V tab. 4 sú uvedené parametre zvárania a obr. 1 znázorňuje schému procesu zvárania.

Obr. 1: Schéma procesu zvárania

Výsledky
Obr. 2 (a-f) zobrazuje povrchy a korene zvarových spojov. Povrch zvaru č. 1 (obr. 2a) má pravidelný tvar a šírku zvaru po celej dĺžke bez prítomnosti rozstreku, trhlín a zápalov. Koreň zvaru (obr. 2b) má tiež pravidelný tvar. Rozstrek nebol zaznamenaný. V prípade ďalšieho spoja (obr. 2 c-d), ktorý bol vyhotovený pri rýchlosti podávania drôtu 70 cm/min, nebola v porovnaní s predchádzajúcim prípadom pozorovaná výrazná zmena povrchu a koreňa zvaru. Ani v tomto prípade neboli na povrchu a v oblasti koreňa zvaru pozorované chyby. Posledný zvar (obr. 2 e-f) bol vyhotovený bez použitia drôtu. Šírka zvaru je rovnomerná po celej dĺžke. Na povrchu zvarovej húsenice bol pozorovaný mierny rozstrek ZK. Obr. 2 (f) vykazuje nepravidelný tvar koreňa zvaru a väčšie množstvo rozstreku ZK je prítomné v oblasti koreňa zvaru. Zvar č. 3 je oproti predchádzajúcim zvarom viditeľne užší. Je to spôsobené tým, že do tavného kúpeľa nebol pridaný zvárací drôt. Koreň zvaru vykazuje miernu heterogenitu svojej šírky. Táto heterogenita šírky v oblasti koreňa zvaru môže súvisieť s intenzívnym odparovaním legujúcich prvkov a turbulentným vírením ZK pri zváraní laserom bez použitia zváracieho drôtu.

Obr. 2: Povrchy a korene zvarov: (a-b) 130 cm/min, (c-d) 70 cm/min, (e-f) 0 cm/min

Prierezy zvarových spojov vyhotovených pri rôznych rýchlostiach podávania drôtu sú znázornené na obr. 3 (a-c). Na priereze spoja č. 1 (obr. 3a) je vidieť mierne prevýšenie ZK (0,19 mm) a prepadnutý koreň (0,34 mm). Šírka zvaru je 2,25 mm a šírka koreňa je 2,01 mm. Na obr. 3b je znázornený zvar vyhotovený pri nižšej rýchlosti podávania drôtu, a to 70 cm/min. Z obrázku je zrejmé, že profil zvaru je podobný predchádzajúcemu zvaru, ale v tomto prípade klesla šírka zvaru na 2,09 mm a šírka koreňa zvaru na 1,89 mm. V porovnaní s predchádzajúcim zvarom bolo namerané menšie prevýšenie ZK (iba 0,09 mm). Rovnako ako pri zvare č. 1 bol zaznamenaný prepadnutý koreň, a to 0,28 mm. Posledný zvar (obr. 3c) bol vyhotovený bez použitia drôtu. Z obr. 3c je možné pozorovať preliačený ZK (0,17 mm) a prepadnutý koreň (0,09 mm). Šírka zvaru klesla na 1,92 mm a šírka koreňa klesla na 1,66 mm. Zmena rýchlosti podávania drôtu mala významný vplyv na geometriu zvaru. Podobné výsledky získali Chen a kol. [4], keď menili rýchlosť podávania drôtu. Quan a kol. [5] skúmali vplyv vneseného tepla na geometriu. Na základe výsledkov dospeli k záveru, že vnesené teplo do materiálu má významný vplyv na geometriu a kvalitu zvarov vyhotovených z Mg zliatiny AZ31. Tadamalle a kol. [6] skúmali vplyv parametrov laserového zvárania na geometriu zvarovej húsenice. Z výsledkov štúdie zistili, že výkon laserového lúča do 1,7 kW má väčší vplyv na šírku zvarovej húsenice a menej výrazný vplyv je pri použití vyššieho výkonu.

Obr. 3: Prierezy zvarov: (a) 130 cm/min, (b) 70 cm/min, (c) 0 cm/min

Obr. 4 zobrazuje vplyv rýchlosti podávania drôtu na šírku zvaru. Z obrázku je zrejmé, že najväčší vplyv na šírku zvaru bol zaznamenaný, keď bola rýchlosť podávania drôtu najvyššia. Naopak, ako sa očakávalo, pokles šírky zvaru o 14,67 % oproti zvaru č. 1 (2,25 mm), t.j. na hodnotu 1,92 mm, bola zaznamenaná, ak nebol použitý drôt. Percentuálny pokles šírky zvaru medzi zvarom č. 1 a č. 2 je 7,11 %.

Obr. 4: Vplyv rýchlosti podávania drôtu na šírku zvarov

Na obr. 5 (a-d) je zobrazená mikroštruktúra (a) ZM, (b) zvar vyhotovený pri rýchlosti posuvu drôtu 130 cm/min, (c) 70 cm/min, (d) 0 cm/min. Mikroštruktúra ZM je charakterizovaná polyedrickými zrnami s miernou heterogenitou vo veľkosti zrna. Priemerná veľkosť zrna je 32,7 μm. Mikroštruktúra rozhrania ZK-TOO-ZM (zvar č. 1) je na obr. 5b. Je vidieť, že zváraním sa transformovala počiatočná polyedrická mikroštruktúra na dendritickú. Na rozhraní ZM-ZK, kde je TOO ťažko pozorovateľná, možno zrná charakterizovať ako kolumnárne a smerom k stredu zvaru sa transformujú na ekviaxiálne. Je zrejmé, že ZK je tvorený jemnou mikroštruktúrou s priemernou veľkosťou zrna 19,8 μm. V spodnej časti obrázku je zachytený pór v ZK s priemerom 20,4 μm. Coelho a kol. [7] zistili, že mikroštruktúru v strede ZK tvoria ekviaxiálne zrná s veľkosťou zŕn 16 μm, zatiaľ čo v blízkosti hranice stavenia je mikroštruktúra charakterizovaná kolumnárnymi zrnami s veľkosťou zŕn 27,4 μm. Quan a kol. [5] uviedli, že so zvyšujúcim sa tepelným príkonom sa zmenila šírka pásma kolumnárnych zŕn. Rozdiel vo veľkosti zŕn v ZM a v ZK je spôsobený vysokou rýchlosťou zvárania (35 mm/s), ktorá spôsobila nižší tepelný príkon a vysokú rýchlosť ochladzovania, čo viedlo k tvorbe jemnej dendritickej mikroštruktúry.
Táto skutočnosť je typickým javom pri zváraní laserom. TOO bola veľmi úzka a ťažko pozorovateľná svetelnou mikroskopiou. Kvôli vysokej tepelnej vodivosti sa teplo veľmi rýchlo odvádzalo z miesta ZK. Chowdhury a kol. [8] pozorovali, že v TOO došlo k rekryštalizácii a rastu zŕn. V oblasti hranice stavenia pozorovali kolumnárne dendrity. Gao a spol. [9] uviedli, že osciláciou lúča možno znížiť rast kolumnárnych zŕn na okraji zvaru a dosiahnuť rovnomernejší teplotný gradient, čo vedie k tvorbe a rastu ekviaxiálnych zŕn. Zvar vyhotovený pri nižšej rýchlosti podávania drôtu (70 cm/min) je znázornený na obr. 5(c). Mikroštruktúra ZK má dendritickú morfológiu s jemnými dendritmi. Dá sa predpokladať, že dendrity sú tvorené tuhým roztokom Al v Mg a v interdendritickom priestore je vylúčená γ-fáza Mg17Al12 a β-fáza Mg2Al3. Na hranici stavenia sa v oblasti kolumnárnych zŕn nachádza pór s priemerom 73,6 μm. Zvar, ktorý bol vyhotovený bez použitia drôtu, je znázornený na obr. 5(d).
Obr. 5(d) zobrazuje mikroštruktúru rozhrania ZK-ZM zvaru č. 3, kde ZK je tiež charakterizovaný dendritickou morfológiou, zatiaľ čo ZM je tvorený polyedrickými zrnami.

Obr. 5: Mikroštruktúra (a) BM, (b) ZK-TOO zvaru č. 1, (c) ZM-TOO-ZK zvaru č. 2, (d) ZK-TOO-ZM zvaru č. 3

Ako je zrejmé z obrázku, v ZK došlo k zjemneniu zrna. Podľa Kou [10] súvisí mikroštruktúra v oblasti ZK s podchladením. Morfológia ZK sa pri znížení teplotného gradientu zmenila z polyedrických zŕn na kolumnárne a následne na ekviaxiálne. Na hranici stavenia boli zachytené tri póry. Najväčší z nich, v hornej časti obrázku, má priemer 128,4 μm. Pór, ktorý je viditeľný v strede, má priemer 42,6 μm. Posledný pór, ktorý je v spodnej časti obrázku, má najmenší priemer, a to 38,4 μm. Zachytenie pórov v ZK bolo pravdepodobne spôsobené vyparovaním ľahkých legujúcich prvkov.

Počítačová tomografia
Pórovitosť identifikovaná pri laserovom zváraní Mg a Al zliatin pozostáva najmä zo štyroch typov: póry obsahujúce vodík, pórovitosť spôsobená kolapsom kľúčovej dierky, pórovitosť spôsobená zachytením plynov povrchovou turbulenciou ZK a pórovitosť spôsobená zmršťovaním [11]. Počas zvárania kľúčovou dierkou, keďže odparovanie legujúcich prvkov v kľúčových dierkach nie je rovnomerné a poloha kľúčovej dierky sa mení s časom, môže byť kľúčovou dierkou zachytený ochranný plyn alebo dokonca vzduch v dôsledku nedokonalej ochrany ZK. Na vznik pórov majú veľký vplyv parametre zvárania. Nízky výkon lasera, vysoká rýchlosť zvárania a malý priemer stopy lúča môžu zvýšiť rýchlosť tuhnutia a viesť k tvorbe pórov. So zvyšujúcou sa rýchlosťou ochladzovania sa znižuje čas na vznik pórov. Pri vysokých rýchlostiach zvárania, ako je to zvyčajne pri laserovom zváraní, póry nebudú mať dostatok času na rast [12].

Obr. 6: Počítačová tomografia zvarov (a) 0,06 mm3, (b) 0,2 mm3, (c) 0,63 mm3

Obr. 6 (a-c) ukazuje 3D zobrazenie pórov prítomných vo zvaroch vyhotovených pri rôznych rýchlostiach podávania drôtu. Na obr. 6 (a) je uvedený zvar vyhotovený pri rýchlosti posuvu drôtu 130 cm/min. Z obrázku je zrejmé, že objem pórovitosti v ZK bola najnižší, a to 0,06 mm3. To možno pripísať skutočnosti, že pri zváraní Mg zliatin dochádza k intenzívnemu odparovaniu zliatinových prvkov a k turbulentnému víreniu ZK. Pridanie drôtu pomáha stabilizovať dynamiku zvarového kúpeľa a súčasne legovať ZK. Vo zvare, ktorý bol vyhotovený pri rýchlosti posuvu drôtu 70 mm/min, bola nameraná vyššia hodnota objemu pórovitosti v porovnaní s predchádzajúcim zvarom. Je to pravdepodobne spôsobené nižšou rýchlosťou podávania drôtu. V tomto prípade bola hodnota objemu pórovitosti v ZK 0,2 mm3. Vo zvare vyhotovenom bez použitia zváracieho drôtu bol zaznamenaný najvyšší objem pórovitosti v ZK. V tomto prípade bolo detegovaných niekoľko väčších pórov. Hodnota objemu pórovitosti je 0,63 mm3.

Záver
Pri všetkých zvaroch je mikroštruktúra ZK tvorená jemnými dendritmi, pričom ZM je charakterizovaný polyedrickými zrnami. Najväčšia šírka ZK bola nameraná pri zvare č. 1 (2,12 mm). Naopak, najmenšia šírka (1,57 mm) bola zaznamenaná pri zvare č. 3. Najnižší objem pórovitosti bol zaznamenaný pri zvare č. 1 (0,06 mm3). Najvyšší podiel objemu pórovitosti bol detegovaný pri zvare č. 1 (0,63 mm3).

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.

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

Literatúra
[1] H. Haferkamp, M. Goede, A. Bormann, P. Cordini, Laser beam welding of magnesium alloys – new possibilities using filler wire and arc welding, Proc. LANE: Laser Assist. Net Shape Eng. 3 (2001) 333-338
[2] Y. Yu, W. Huang, G. Wang. Investigation of melting dynamics of filler wire during wire feed laser welding, J. Mech. Sci. Technol. 27 (4) (2013) 1097-1108
[3] J. Ahn, L. Chen, E. He, C. Davies, J. Dear. Effect of filler metal feed rate and composition on microstructure and mechanical properties of fibre laser welded AA 2024-T3. Journal of Manufacturing Processes 25 (2017) 26-36
[4] Q. Chen, H. Yan, J. Chen, P. Zeng, Z. Yu, B. Su. Laser beam welding of AZ31 magnesium alloy with filler strip. Materials and Manufacturing Processes, 25: 1227-1232, 2010
[5] Y. Quan, Z. Chen, X. Gong, Z. Yu. Effects of heat input on microstructure and tensile properties of laser welded magnesium alloy AZ31. Materials Characterization, Vol. 59, Issue 10, 2008, pp 1491-1497
[6] A. Tadamalle, Y. Reddy, E. Ramjee. 2013. Influence of laser welding process parameters on weld pool geometry and duty cycle. Advances in Production Engineering and Management, 8 (1), pp 52-60
[7] R. Coelho, A. Kostka, H. Pinto, S. Riekehr, M. Kocak, A. Pyzalla. Microstructure and mechanical properties of magnesium alloy AZ31B laser beam welds. Materials Science and Engineering A 485 (2008) 20-30
[8] S. Chowdhury, D. Chen, S. Bhole, E. Powidajko, D. Weckman, Y. Zhou. Fiber Laser Welded AZ31 Magnesium Alloy: The Effect of Welding Speed on Microstructure and Mechanical Properties. Metallurgical and Materials Transactions A volume 43, pages 2133-2147 (2012)
[9] M. Gao, H. Wang, K. Hao, H. Mu, X. Zeng. Evolutions in microstructure and mechanical properties of laser lap welded AZ31 magnesium alloy via beam oscillation. Journal of Manufacturing Processes, Volume 45, September 2019, pages 92-99
[10] S. Kou. Welding metallurgy (Second ed), Hoboken, New Jersey (2003)
[11] X. Cao, W. Wallace, C. Poon, J.P. Immarigeon, Research and progress in laser welding of wrought aluminum alloys. I. Laser welding processes, Mater. Manufact. Process. 18 (1) (2003) 1-22.
[12] M. Marya, G.R. Edwards, The laser welding of magnesium alloy AZ91, Weld. World 44 (2) (2000) 31-37