SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA SO SÍDLOM V TRNAVE

Transcription

1 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA SO SÍDLOM V TRNAVE TVÁRNENIE LASEROVO ZVÁRANÝCH POLOTOVAROV DIPLOMOVÁ PRÁCA MTF Bc. Erika Hanicová

2 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA SO SÍDLOM V TRNAVE TVÁRNENIE LASEROVO ZVÁRANÝCH POLOTOVAROV DIPLOMOVÁ PRÁCA MTF Študijný program: zváranie Číslo a názov študijného odboru: výrobné technológie Školiace pracovisko: Katedra tvárnenia, ÚVTE, MTF STU Trnava Vedúci záverečnej práce/školiteľ: doc. Ing. Jozef Bílik, PhD. Konzultant: prof. Ing. Milan Marônek, CSc. Trnava 2011 Bc. Erika Hanicová

3

4 Poďakovanie Chcem sa poďakovať prof. Ing. Milanovi Marônkovi, CSc., doc. Ing. Jozefovi Bílikovi, PhD. za rady a pripomienky, ktoré mi poskytli pri vypracovávaní diplomovej práce a za pomoc pri realizácií experimentov. Zároveň chcem poďakovať Ing. Jozefovi Bártovi PhD., kolektívu pracovníkov spoločnosti PGS Automation, s.r.o. a spoločnosti Prvá zváračská a.s. Bratislava za pomoc pri príprave skúšobných materiálov a realizáciu niektorých experimentov.

5 SÚHRN Bc. Hanicová, Erika: Tvárnenie laserovo zváraných polotovarov [ diplomová práca ] Slovenská technická univerzita v Bratislave. Materiálovotechnologická fakulta so sídlom v Trnave; Ústav výrobných technológií; Katedra zvárania Vedúci: doc. Ing. Jozef Bílik, PhD. Trnava: MtF STU, strán Kľúčové slová: laser, na mieru šité polotovary prístrihy na mieru Tailored blanks, pretvorenie, hlbokoťažnosť Cieľom mojej práce je získanie a rozšírenie poznatkov z oblasti tvárnenia laserovo zváraných polotovarov, analýza technologických možností spracovania laserovo zváraných polotovarov tvárnením. V prvej časti práce sa čitateľ oboznámi s technológiou laserového zvárania od princípu technológie cez metódy zvárania laserom, základné rozdelenie laserov až po súčasný stav v laserovom zváraní. Druhá časť je zameraná na prípravu na mieru šitých polotovarov laserovým zváraním prístrihy na mieru Tailored blanks. Princípom je zváranie hrubých a tenkých plechov, príslušných tvarov a akostí, ktoré sú následne tvárnené. Prístrihy na mieru ( Tailored blanks ) sú artiklom a výrobnou metódou, ktorá je používaná najmä na výrobu vnútorných a vonkajších častí automobilov. V tretej časti práce sú v stručnosti opísané princípy jednotlivých technológií tvárnenia laserovo zváraných polotovarov a vznikajúce chyby pri realizácii týchto procesov tvárnenia. Štvrtá kapitola sa zaoberá realizáciou experimentov na mieru šitých laserovo zváraných polotovarov z rôznych základných materiálov a rôznej hrúbky plechu. Experimenty boli vykonané pomocou Erichsenovej skúšky, základnej ťahovej skúšky, skúšky ohýbaním a skúšky ťahaním. Táto práca sa venuje hodnoteniu deformačných charakteristík, lokalizácii deformácií základných materiálov TRIP HR 45 a DP 450 a ich priečne a pozdĺžne zvarených kombinácií.

6 ABSTRACT Bc. Hanicová, Erika: Forming of laser welded semi-products [ Diploma Thesis ] Slovak University of Technology in Bratislava. Faculty of Materials Science in Trnava; Institute of Production Technologies; Department of Welding Tutor: doc. Ing. Jozef Bílik, PhD. Trnava: MtF STU, pages Key words: laser, tailored semi-products Tailored blanks, remoulding, deep drawing The main aim of the thesis is widening the knowledge from the field of forming the laser welded semi-products, and analysing the possibilities of forming technology bound with further processing of laser welded semi-products. The first part describes laser welding technology, its basic principles, methods of laser welding, basic segmentation of lasers, and recent laser welding procedures. The second part is aimed at preparing the laser welded, tailored semi-products and so called tailored blanks. The principle is based on welding thick and thin sheets of appropriate shapes and qualities that further pass the forming procedures. The tailored blanks are articles as well as the production technology, which are mainly used for production of interior and exterior car parts. The third part briefly describes individual technologies for forming the laser welded semiproducts as well as the description of defects during the forming processes. The fourth chapter deals with experiments based on tailored semi-products made from different basic materials and different sheet thicknesses. The experiments were done on the principles of Erichsen, basic tensile, bending and drawing tests. The work evaluates characteristics of deformations, and their localization based on TRIP HR 45 and DP 450 basic materials as well as their crosswise and lengthwise welded combinations.

7 OBSAH ZOZNAM SYMBOLOV A SKRATIEK... 9 ZOZNAM ILUSTRÁCIÍ A TABULIEK ÚVOD TECHNOLÓGIA ZVÁRANIA LASEROM Princíp lasera Vlastnosti laserového lúča Fókusovanie a prenos laserového lúča Metódy laserového zvárania a rozdelenie laserov Pevnolátkové lasery Plynové lasery Polovodičové lasery Parametre zvárania Kontinuálny režim zvárania Pulzný režim zvárania Laserové zariadenia LASEROVO ZVÁRANÉ POLOTOVARY Príprava na mieru šitých laserovo zváraných polotovarov Tailored Blanks Chyby vznikajúce pri laserovom zváraní prístrihov Aplikácia laserovo zváraných polotovarov TECHNOLÓGIE TVÁRNENIA LASEROVO ZVÁRANÝCH POLOTOVAROV Rozbor procesov tvárnenia Ťahanie Ohýbanie Strihanie Metóda Hydroform Chyby vznikajúce pri tvárnení laserovo zváraných polotovarov EXPERIMENTÁLNE SKÚŠKY A ICH VYHODNOTENIE Zvárané materiály Príprava laserovo zváraných polotovarov Základná skúška ťahom Popis skúšky a výpočty

8 4.4 Technologická skúška Skúška hĺbenia plechov a pásov podľa Erichsena Popis skúšky meranie Mikroštruktúra a skúška tvrdosti podľa Vickersa Skúška ohýbaním Popis skúšky Skúška ťahaním Popis skúšky a výpočty Diskusia k dosiahnutým výsledkom ZÁVER ZOZNAM BIBLIOGRAFICKÝCH ODKAZOV

9 ZOZNAM SYMBOLOV A SKRATIEK P výkon...[w] E energia pulzu...[j] λ dĺžka pulzu...[ms] φ t tangenciálne pretvorenie...[ - ] φ r radiálne pretvorenie...[ - ] K stupeň ťahania...[ - ] R e R m medza klzu...[mpa] medza pevnosti...[mpa] S 0 plocha začiatočného priečneho prierezu...[mm 2 ] h krit F max. stredná hodnota hĺbky vtlačku...[mm] maximálna sila zaťaženia...[n] TOO teplom ovplyvnená oblasť ZK zvarový kov ZM základný materiál 9

10 ZOZNAM ILUSTRÁCIÍ A TABULIEK Obr. 1 Rozdielne vlastnosti šírenia svetla Obr. 2 Zosilňovanie laserového lúča Obr. 3 Schéma rozloženia energie pri zváraní laserovým lúčom Obr. 4 Porovnanie zvárania vedením tepla a hlbokého zvaru (keyhole) Obr. 5 TEM módy kruhového prierezu Obr. 6 TEM módy pravouhlého prierezu Obr. 7 Rozloženie intenzity žiarenia v lúči pre niektoré druhy módov Obr. 8 Mód nezfókusovaného laserového lúča CO 2 lasera do plexiskla Obr. 9 Fókusovanie laserového lúča Obr. 10 Fókusovanie laserového lúča zrkadlami Obr. 11 Princíp diskového lasera Obr. 12 Princíp vláknového lasera Obr. 13 Zváranie hliníka, nerez ocelí, medi Obr. 14 Závislosť výkonu od hrúbky vlákna Obr. 15 CO 2 laser so štvorcovým tvarom Obr. 16 Zariadenia Laser + Horúci drôt Obr. 17 Zariadenie Laser + Studený drôt Obr. 18 Zváracia hlava LaserHybrid Obr. 19 Zváracia hlavica LaserHybrid + Tandem Obr. 20 Typy presných polotovarov Obr. 21 Polotovar šitý na mieru Tailored Blanks Obr. 22 Vystrihovacie lisy na výrobu prístrihov Obr. 23 Nástrihový plán štandardný a TWB Obr. 24 Nástrihové plány pre jednotlivé dielce prístrihov Obr. 25 Redukcia hmotnosti dvoch stropných panelov rôznych konfigurácií Obr. 26 Defekt spôsobený nesprávnym uložením zváraných dielov Obr. 27 Prístrihy v stave navrhovania pre aplikáciu na motorové vozidlo Obr. 28 Princíp ťahania kruhového výťažku bez príruby Obr. 29 Schéma jednoduchého ohýbania do tvaru V a do tvaru U Obr. 30 Teoretický priebeh napätí v jednotlivých fázach Obr. 31 Skutočný priebeh napätí pri ohýbaní do tvaru V v mieste ohybu

11 Obr. 32 Uhol odpruženia Obr. 33 Základné fázy strihania Obr. 34 Charakter strižnej plochy a jednotlivé pásma pri strihaní Obr. 35 Schéma ťahania metódou Hydroform Obr. 36 Trhlina Typ Obr. 37 Trhlina Typ Obr. 38 Vznik trhliny po Erichsenovej skúške Obr. 39 Trhliny porušenia zvarov Obr. 40 Typy trhlín na laserovo zváraných výtvarkoch Obr Typy trhlín Obr. 48 TruDisk Obr. 49 Proces zvárania laserom TruDisk Obr. 50 Fixovanie základného materiálu Obr. 51 Stehovanie Obr. 52 Zváraný základný materiál TRIP HR45 a DP Obr. 53 Vystrihnutá skúšobná vzorka Obr. 54 Miesta merania skúšobnej vzorky Obr. 55 Pracovný diagram skúšobnej vzorky 1A Obr. 56 Skúšobné zariadenie pre Erichsenovu skúšku Obr. 57 Trhlina v pozdĺžnom smere zvaru s kolmým prechodom do zvaru Obr. 58 Pozdĺžna trhlina Obr Kolmá trhlina na zvar Obr Mikroštruktúra vzorky 1A Obr Mikroštruktúra vzorky 1B Obr. 75 Rozmiestnenie vpichov v líniach R Obr. 76 Grafický priebeh vyhodnotenia mikrotvrdosti Obr. 77 Ručná ohýbačka plechov typ XK-2000/2A Obr. 78 Ohyb vzorky 1B Obr. 79 Ohyb vzorky 1A Obr. 80 Ohyb vzorky 2B Obr. 81 Ohyb vzorky 2A Obr. 82 Skúšobné vzorky pre ťahanie Obr. 83 Ťažný nástroj

12 Obr. 84 Náčrt experimentálneho ťažníka Obr. 85 Princíp ťahania valcových výťažkov Obr. 86 Valcové výťažky Obr Miesta merania Obr. 89 Vzorka po skúške zváraná diskovým laserom Obr. 90 Vzorka po skúške zváraná vláknovým laserom Obr. 91 Vzorka 1B Obr. 92 Vzorka 1A Obr. 93 Vzorka 2B Obr. 94 Vzorka 2A Obr. 95 Zmena zvaru na výťažku po skúške Tab. 1 Porovnanie: Laser versus LaserHybrid Tab. 2 Chemické zloženie ocele DP Tab. 3 Požadované mechanické vlastnosti ocele DP Tab. 4 Chemické zloženie ocele HR Tab. 5 Požadované mechanické vlastnosti ocele HR Tab. 6 Použité zváracie parametre na prípravu polotovarov Tab. 7 Namerané a vypočítané hodnoty z ťahovej skúšky Tab. 8 Namerané a vypočítané hodnoty z Erichsenovej skúšky Tab. 9 Vyhodnotenie skúšky tvrdosti podľa Vickersa Tab. 10 Skúšobné vzorky na skúšku ohýbaním Tab. 11 Namerané hodnoty valcových výťažkov Tab. 12 Vypočítané hodnoty po skúške ťahaním

13 ÚVOD Napredovanie, rozvoj a potreby civilizácie boli krokom k vzniku primitívnych technológií spájania materiálov. Medzi najstaršie spôsoby spájania materiálov patrilo mechanické spájanie z prírodných materiálov a lepenie. Príchod kovov ako konštrukčných materiálov predstavoval pre ľudskú civilizáciu ďalší kvalitatívny skok uplatnenie technológie zvárania. V súčasnosti zváranie reprezentuje jeden z dôležitých technologických procesov v úzkom prepojení na ďalšie technológie ako je tvárnenie, obrábanie, odlievanie a pod. Zváranie definujeme ako proces vyhotovenia nerozoberateľných spojov dosiahnutím medziatomárnych väzieb medzi spájanými časťami pri ich ohreve alebo plastickej deformácii alebo pri spoločnom pôsobení jedného i druhého. Technológie zvárania môžeme rozdeliť do skupín podľa využitia tlaku, tepla, tepla a tlaku a prídavného materiálu. Medzi zváranie koncentrovanými zdrojmi energie patrí zváranie: plazmou, laserom, elektrónovým lúčom, ktoré sa kombinujú s klasickými technológiami zvárania a sú označované ako hybridné technológie. Laser vytvára široké možnosti využitia v technologických aplikáciach. Laserové spracovanie je označované ako fyzikálny spôsob spracovania vysoko čistým zdrojom, s vysokou hustotou energie. Umožňuje sústredenie energie na veľmi malú plochu, kde prívod energie je tak veľký, že je potlačený vplyv odvodu tepla do materiálu. Technologické procesy sa tak zrýchľujú a zasahujú oveľa menší objem materiálu. Zváranie laserovým lúčom možno aplikovať pri zváraní ocelí a neželezných kovov náchylných k tvorbe trhlín za tepla a za studena.(norma). Pokrok v aplikácii laserov bol podmienený prudkým rozvojom tuho fázových, plynných a osobitnú skupinu tvoriacich excimérových laserov. Rozvoj všetkých laserov napredoval veľmi rýchlo [1]. Zváranie laserom nachádza veľké uplatnenie vo veľmi širokom rozsahu aplikácii. Ide napr. o automobilový priemysel, kde okrem karosérií áut z oceľových plechov a hliníka sa zváranie laserom používa aj na zváranie funkčných prvkov, ale tiež komponentov prevodoviek, ráfikov kolies atď. Vhodným nastavením zváracích parametrov je možné zvárať bez trhlín aj ocele s vyšších obsahom uhlíka. Zváranie ľahkých kovov a ich zliatin laserom sa používa aj v leteckom priemysle, vojenskom priemysle a elektronike [2]. Spracovanie kombinovaných polotovarov technológiami plošného tvárnenia má v technickej praxi široké uplatnenie. Výroba výtvarkov z laserovo zváraných polotovarov 13

14 zložených z materiálov rovnakých vlastností s odlišnou hrúbkou, resp. odlišných vlastností má veľký význam pre získanie výliskov s novými presne definovanými a optimalizovanými vlastnosťami z hľadiska pevnosti, tuhosti, hmotnosti a ďalších úžitkových vlastností [3]. Cieľom mojej práce je získanie a rozšírenie poznatkov z oblasti tvárnenia laserovo zváraných polotovarov, analýza technologických možností spracovania laserovo zváraných polotovarov tvárnením. Jednotlivými základnými a technologickými skúškami sledovať správanie materiálu predovšetkým zvaru, určenie pretvorení v jednotlivých miestach experimentálnej vzorky, vplyv zmeny polohy rozhrania pred technologickou operáciou na pretvorenie po ťahaní a štúdium možností ovplyvnenia veľkosti pretvorení zmenou technologických parametrov. 14

15 1 TECHNOLÓGIA ZVÁRANIA LASEROM Vznik stimulovanej emesie, ktorá sa stala základom všetkých kvantových zosilňovačov, ako prvý objavil Albert Einstein v roku Prvé experimentálne dôkazy o stimulovanej emisii podali v roku 1928 Ladengurg a Kopferman. Až v roku 1959 bol udelený patent V.A. Fabrikantovi na zosilnenie elektromagnetického žiarenia v látke v nerovnovážnom stave, získanom pomocným žiarením. Vytvorenie laserov LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiaton alebo zosilňovanie svetla stimulovanou emisiou žiarenia, bolo logickým pokračovaním výsledkov dosiahnutých v tejto oblasti. Výrazný pokrok v oblasti laserov možno badať po vytvorení prvého rubínového lasera v roku Žiarenie laserov svojou veľkou koherentnosťou a monochromatickosťou má veľkú smerovosť, možno ho veľmi účinne sfókusovať a získať neobyčajne veľkú hustotu v lúči (10 13 W.cm -2 ).Teplotné cykly ohrev chladnutie sú veľmi krátke. Pri rýchlom ohreve a chladnutí je materiál oveľa kratšiu dobu vystavený maximálnym teplotám v porovnaní s oblúkovým zváraním. Takéto teplotné cykly priaznivo vplývajú na zvarový spoj v dôsledku obmedzenia tvorby trhlín na minimum. Pevnosť zvarového spoja často prevyšuje pevnosť základných materiálov[1]. Na zvládnutie problematiky laserového zvárania je potrebné nadobudnúť poznatky o princípoch laserov a laserových zariadení, vlastnostiach laserového lúča, interakcii laserového žiarenia s materiálom, tvorbe zvarového spoja a fyzikálnych technológických parametroch procesu zvárania. Tieto poznatky treba mať aj pri návrhu parametrov zvárania a je dôležité poznať ich optimálnu kombináciu. Riešenie optimalizácie si vyžaduje na základe získaných poznatkov navrhnúť určitý rozsah parametrov, z ktorých sa experimentálnymi metódami určujú ich optimálne hodnoty a kombinácie [1]. 1.1 Princíp lasera Laserový lúč je vo svojej podstate vlnenie optického druhu, ktoré patrí do skupiny elektromagnetického žiarenia a od iných druhov žiarenia sa líši vlnovou dĺžkou. Bežné svetelné žiarenie je vlnenie, ktoré obsahuje vlny najrozmanitejších dĺžok a frekvencií, spontánne vychádzajúce rôznymi smermi obr. 1. V laseri sa prvý raz podarilo utvoriť podmienky, za ktorých sa vo vhodnom aktívnom prostredí vplyvom určitého stimulujúceho elektromagnetického žiarenia spontánna emisia potlačí na úkor emisie 15

16 vynútenej stimulujúcim žiarením. Takto získané laserové žiarenie je koherentné, môže interferovať, je extrémne monochromatické a divergencia žiarenia je veľmi malá pri vysokej spektrálnej hustote žiarenia obr.1 [4]. Obr. 1 Rozdielne vlastnosti šírenia svetla [26] Atóm za normálnych okolností vyžiari svetlo spontánnou emisiou. Jeden z elektrónov atómu absorbuje energiu. Pokiaľ v sebe udržuje energiu, je v nabudenom stave. Ak elektrón vydá prebytočnú energiu ( vo forme elektromagnetického žiarenia akým je svetlo) bez vonkajšieho impulzu, dochádza k spontánnej emisii. Ak atóm vyžiari energiu vo forme vlnenia a táto zasiahne ďalší atóm, dôjde ku stimulácii tohto atómu a emitovaniu energie vo forme druhej vlny. V prípade, že všetky vlny sú paralélne (rovnobežné) hovoríme o koherentnosti svetelného lúča. Tieto vlny sa stotožňujú a jedna druhú znásobujú obr. 2. S následným nárazom týchto vĺn do ďalších vybudených atómov tak vznikne koherentný lúč veľkého priemeru. Ak príde k nárazu vlny do nevybudeného atómu, dôjde k jej absorpcii, čím sa znižuje veľkosť lúča [2]. 16

17 Obr.2 Zosilňovanie laserového lúča [2] Pri dopade laserového lúča na zvárané materiály prebiehajú rôzne procesy, ktoré majú priamy vplyv na kvalitu zvaru. Medzi tieto procesy patrí absorpcia, ohrev, tavenie a vyparovanie materiálu, vznik paroplynového kanála a plazmového oblaku, hydrodynamické procesy a pod. [1]. Absorpcia žiarenia je ovplyvnená v praxi reflexiou materiálu. Kovové povrchy obyčajne preukazujú nižšiu reflexiu vplyvom nečistôt a makroskopických defektov. Veľký význam má ožiarenie laserovým lúčom vysokého výkonu. Výsledkom je veľmi rýchle (takmer okamžité) roztavenie materiálu, sprevádzané výrazným poklesom reflexie. Tepelné procesy absorpcia žiarenia a jeho transformácia na tepelnú energiu začína v tenkej povrchovej vrstve. Rozloženie teploty v materiáli pri laserovom spracovaní podlieha zákonom vedenia tepla a ich rozloženie pri zváraní možno interpretovať schémou obr

18 kde Obr. 3 Schéma rozloženia energie pri zváraní laserovým lúčom 1 laserový lúč, 2 základná kov, 3 paroplynový kanál, 4 tekutý kov, 5 zvarový kov, 6 plazmový oblak [1] Q 1 energia laserového lúča, Q f - energia pohltená plazmovým oblakom, Q o odrazená energia, Q r energia produktov rozrušenia, Q v energia roztaveného kovu, Q t energia odvádzaná tepelnou vodivosťou do materiálu, Q f, - energia odvádzaná do okolia z plazmového oblaku, Q 1, - energia pohltená na stenách kanála, Q f,, - energia pohltená konvekciou a žiarením Na prenos energie z laserového lúča do materiálu pri zváraní neslúži len vedenie tepla, ale aj prenos prúdením a žiarením. Prúdenie výrazne ovplyvňuje smer tepla a geometriu zvaru. Pri nižších hustotách zvaru nedochádza k vzniku paroplynového kanála. Pri povrchovom spracovaní je prenos tepla ovplyvňovaný do šírky a pri zváraní do hĺbky. Paroplynový kanál vzniká pri penetračnom režime zvárania pri vyšších hustotách energie, kedy prestáva byť prienik do hĺbky ohraničený vedením tepla a začínajú pôsobiť nové fyzikálne javy (odparovanie kovu s obsahom plynov), ktoré vplývajú na formovanie tvaru natavenej oblasti s veľkým pomerom hĺbky a šírky. Penetračný režim zvárania sa používa pri zváraní materiálov väčších hrúbok. Mechanizmus vzniku spoja pri penetračnou režime zvárania je nasledovný. Absorbovaná časť energie laserového lúča spôsobuje, vďaka vysokej hustote, rýchle tavenie a vyparovanie zváraného materiálu. Pri tomto režime vzniká impulz tlaku pár. Na povrchu zváraného materiálu sa tvorí dutina, ktorej tvar umožňuje efektívnejšie zachytávanie energie laserového lúča. Vytvorený paroplynový kanál je obklopený tenkou vrstvou roztaveného kovu obr. 4. Materiál na prednej stene 18

19 kanála je ohrievaný z teploty tavenia na teplotu vyparovania, pri ktorej reaktívny tlak výparov spôsobuje pretečenie taveniny okolo paroplynového kanála do zadných častí tavného kúpeľa. Roztavený kov v zadnej časti tavného kúpeľa chladne, zalieva dutinu po paroplynovom kanáli a po stuhnutí tvorí zvarový spoj [1]. Obr.4 Porovnanie zvárania vedením tepla a hlbokého zvaru (keyhole) 1 plazma, 2 roztavený materiál, 3 lokálna diera (keyhole), 4 hlboký prievar [5] Plazmový oblak vzniká so začiatkom tvorby paroplynového kanála, nad povrchom materiálu sa zjavuje svietiaci oblak, pozostávajúci z produktov vyparovanie a výstreku a kondenzovanej pary. Za určitých podmienok tento oblak môže zmenšovať intenzitu žiarenia vplyvom pohltenia a rozfókusovania lúča, následkom čoho môže byť zmenšenie hĺbky a zväčšenie šírky zvarového spoja. Plazmový oblak prekáža prechodu laserového lúča na povrch materiálu. Priezračnosť plazmy závisí od výkonu sfókusovaného lúča a od druhu použitého ochranného plynu Vlastnosti laserového lúča Laserový lúč má svoje energetické a priestorové vlastnosti. Medzi energetické vlastnosti zahrňujeme výstupný výkon lúča P [W] pre kontinuálne lasery a pre lasery pracujúce v pulznom režime je základnou energetickou charakteristikou energia pulzu E [J] a dĺžka pulzu λ [ms]. Ďalšou vlastnosťou je monochromatickosť, ktorá charakterizuje schopnosť laserov žiariť v úzkom rozmedzí vlnových dĺžok [1]. Polarizácia charakterizuje orientáciu vektora elektrického poľa v elektromagnetickej vlne a ovplyvňuje reflexiu žiarenia [1]. 19

20 Monochromatickosť a koherentnosť sú vlastnosti, ktoré z laserového svetla robia tiež optimálne riešenie nahrávania dát na optické média typu CD a DVD, prípadne ako zdroj svetla na veľkú vzdialenosť cez optické vlákna [2]. Priestorové charakteristiky ovplyvňujú prenos lúča na väčšie vzdialenosti a jeho koncentráciu na malé plochy. Ide o rozloženie intenzity žiarenia v lúči a divergenciu. V prípade, že laser pracuje v móde TEM 00 (Transverse ElectroMagnetic). TEM mód na rozdiel od TE, TM a hybridných módov nemá žiadne elektrické alebo magnetické polia v smere šírenia. Mód laserového lúča závisí od optického rezonátora. TEM módy môžu byť symetricky kruhového prierezu obr. 5 alebo pravouhlého prierezu TEM mn obr. 6, pričom m a n vyjadrujú horizontálnu a vertikálnu charakteristiku tvaru prierezu lúča. Tieto módy sa formujú v laseroch s použitím optického rezonátora, ktorých polarizáciu zabezpečuje polarizačný element ako napr. Brewsterove okno. Obr. 5 TEM módy kruhového prierezu [2] Obr.6 TEM módy pravouhlého prierezu [2] Rozloženie intenzity v lúči je opísané Gaussovou funkciou obr.7 Obr. 7 Rozloženie intenzity žiarenia v lúči pre niektoré druhy módov [1] r radiálna vzdialenosť od osi lúča, d definovaný priemer lúča, pri ktorom sa intenzita znižuje, I intenzita žiarenia lúča 20

21 Pre prenos lúča na veľké vzdialenosti je treba, aby divergencia bola čo najmenšia. Prenos laserového lúča pomocou optického vlákna problémy s divergenciou, čiže rozbiehavosťou lúča odstraňuje. Metóda prenosu laserového lúča optickým vláknom sa zatiaľ využíva pri aplikáciach Nd:YAG laserov, CO 2 lasery nie sú vhodné na vedenie optickým vláknom pre nevhodnú vlnovú dĺžku[1] Fókusovanie a prenos laserového lúča Nesfókusovaný lúč vo všeobecnosti nedáva dostatočnú hustotu energie, potrebnú na dosiahnutie teploty tavenia alebo varu spracovávaného materiálu obr. 8, preto je potrebné jeho sfókusovanie. Obr.8 Mód nezfokusovaného laserového lúča CO 2 lasera do plexiskla [26] Fókusovanie laserového lúča sa robí za pomoci optických šošoviek alebo zrkadiel. Výber vhodných optických prvkov na fókusovanie laserového lúča závisí hlavne od vlnovej dĺžky laserového žiarenia a intenzity výkonu. Laserový lúč nie je ovplyvňovaný elektromagnetickým ani statickým poľom, ktoré by vplývalo na fókusovanie lúča. Šošovky umožňujú fókusovať laserový lúč do menšieho symetrickejšieho bodu než zrkadlá, čo vplýva na zvýšenie intenzity výkonu v ohnisku pri použití šošoviek obr.9 [1]. 21

22 Obr. 9 Fókusovanie laserového lúča [1]) f ohnicková vzdialenosť šošovky, z 0 hĺbka ostrosti, d 0 priemer sfókusovanej stopy lúča Na fókusovanie CO 2 laserového lúča sa používajú šošovky z kombinovaných dielektrických materiálov, ktoré sú transparentné s vlnovou dĺžkou 10,6 µm (NaCl, K, ZnSe). Ohnisková vzdialenosť je v rozmedzí mm. Na fókusovanie Nd:YAG laserového lúča môžu byť použité šošovky z bežných materiálov. Materiál šošovky a ohnisková vzdialenosť ovplyvňujú výsledný efekt sfókusovaného laserového lúča. Nevýhodou šošoviek je, že sú použiteľné len do určitého výkonu ( asi 2 kw). Vysokovýkonným laserovým lúčom sú porušované a môžu zhorieť. Preto pri vyšších výkonoch (nad 2 kw) sa používajú optické zrkadlá s vrstvou kovov s vysokou reflexivitou pre danú vlnovú dĺžku laserového žiarenia Au,Ag,Cu. Používajú sa taktiež rôzne dielektrické vákuovo naparené vrstvy. Fókusovanie sa vykonáva konkávnymi a parabolickými zrkadlami obr. 10 [1]. Obr.10 Fókusovanie laserového lúča zrkadlami [1]) a klasické fókusačné systémy, b Aratové fókusačné systémy 22

23 Na základe Aratového fókusačného systému bol navrhnutý systém produkujúci laserový lúč s veľkým výkonom. Simultánnym fókusovaním viacerých lúčov je možné, napr. pre 10 kw lasery, získať hodnoty výkonu nad 50 až 100 kw. Na prenos laserového lúča od zdroja žiarenia k technologickému pracovisku sa využívajú dve metódy. Voľný prenos lúča a prenos optickým vláknom. Voľný prenos sa uplatňuje v CO 2 laseroch. Lúč sa voľne šíri vzduchom alebo je vedený teleskopickými púzdrami, v kĺboch ktorých sú upevnené zrkadlá. Táto metóda nezaručuje na dlhé vzdialenosti zachovanie kvality lúča, ktorá môže byť narušovaná poletujúcimi nečistotami a tak dochádza aj k z nečisteniu zrkadiel. Prenos optickým vláknom sa využíva v technologických aplikáciách Nd:YAG laserov. Spojenie medzi laserom a optickým vláknom zvyšuje flexibilitu procesu. Toto spojenie si vyžaduje vstupný a výstupný konektor a optické vlákno. Konektory sú tvorené koaxiálnými šošovkami, ktoré zabezpečujú fókusovanie lúča do vlákna a do pracovného priestoru. Optické vlákno pozostáva z Si jadra pokrytého silikónom. Uvedená zostava je uložená v ochrannom obale, ktorý bráni poškodeniu a nadmernému ohybu vlákna [1]. 1.2 Metódy laserového zvárania a rozdelenie laserov Metódy laserového zvárania a samotné lasery môžeme rozdeliť podľa materiálu, z ktorého je získaný laserový efekt na: Pevnolátkové rubínový laser, Nd:YAG, Nd: sklo, Nd: YVO4 Plynové He-Ne laser, CO 2 laser, argónový ionový laser, He-Cd laser.(héliumcadmium) Polovodičové Kvapalné Hybridné lasery - kombinované s inými metódami zvárania napr. MIG/MAG Podľa čerpania energie: optické, elektrické, chemické, termodynamické a jadernoenergetické. Podľa vlnovej dĺžky: infračervené, lasery v oblasti viditeľného svetla, ultrafialové a röntgenové. Podľa použitia: výskumné, meracie, lekárske, technologické, energetické a vojenské [2]. 23

24 1.2.1 Pevnolátkové lasery Aktívne prostredie tejto skupiny tvoria pevné kryštalické prípadne amorfné látky dopované vhodnou prímesou iónov. Pevná fáza tvorí vlastne iba nosný obal aktívneho prostredia a k optickému zosilneniu dochádza na elektrónových prechodoch iónov prímesi. Ich koncentrácia málokedy presahuje 1 %. V kryštalických materiáloch sú aktívne ióny zabudované v mriežke a majú stálu, orientovanú polohu v silovom poli mriežky. Z dôvodu anizotropie kryštálov musí byť výbrus presne orientovaný podľa optických osí [6]. Predstaviteľmi tejto skupiny sú: rubínový laser (prvý laser) Nd:YAG laser Diskový laser Vláknový laser Rubín, ako nosný materiál (Al 2 O 3 ) s iónmi Cr3+ s koncentráciou asi 0,05 %, je aj typickým predstaviteľom trojhladinových laserov. Má dva typické prechody (692,9 µm a 694,3 µm), čo je oblasť červenej. Rubínový laser pracuje predovšetkým v impulznom režime. Nd:YAG laser je jeden z najrozšírenejších pevnolátkových laserov pre jeho malú budiacu energiu a schopnosť pracovať efektívne v kontinuálnom režime. Nosné prostredie je ytriohlinitý granát (YAG) dopovaný aktívnymi iónmi Nd3+(neodym). Bežné budenie je kontinuálnou alebo pulznou xenónovou výbojkou podľa druhu prevádzky. Využitie: zváranie, rezanie, vŕtanie otvorov do tvrdých materiálov, gravírovanie a značenie do kovov a plastov, meranie vzdialenosti [6]. Pevnolátkový laser Nd:YAG má už prakticky vyčerpaný potenciál, pretože pri ďalšom zvyšovaní výkonu a kvality laserového lúča mu stoja v ceste niektoré jeho fyzikálnotechnické obmedzenia. S tým súvisí samozrejme aj cena, ktorá je pomerne vysoká a znemožňovala rýchlejšie zavádzanie laserovej technológie do priemyselnej praxe. Riešením je úplne nová koncepcia pevnolátkového lasera, ktorú charakterizuje aktívny materiál vo forme disku. Diskové lasery V súčasnosti sa v praktických priemyselných aplikáciách uplatňujú diskové lasery s aktívnym materiálom Yb:YAG (ytterbium doped ytrium aluminium garnet), ktorý je vo forme malého a veľmi tenkého krúžku s priemerom 15 mm a hrúbkou 0,2 mm. 24

25 Krúžok kryštálu sa nachádza na chladiči, ktorý z neho odvádza teplo a tým ho chladí. Zároveň vnútorná strana chladiča vytvára zrkadlo. Ako budiaci lúč slúži žiarenie diódového lasera, ktoré vniká do priestoru diskového lasery a vnútri dopadá na parabolické zrkadlo. Budiaci lúč sa ďalej odráža a dopadá na kryštál, ktorým prechádza a dopadá na spätné zrkadlo. Od spätného zrkadla sa odráža, prechádza spätne cez kryštál a znova dopadá na parabolické zrkadlo, od ktorého sa zase odráža smerom ku kryštálu. Toto sa celkovo zopakuje 16-krát. Je to preto, lebo kryštál je taký tenký, že len zlomok budiaceho žiarenia sa pri prechode absorbuje. Po poslednom prechode sa laserový lúč už šíri kolmo k ploche kryštálu a opúšťa diskový laser otvorom v strede parabolického zrkadla. Celý tento systém je samozrejme trochu zložitejší ako je opísané. Každý výrobca používa iné technické riešenia niektorých častí diskového lasera. Základný princíp je ale vždy rovnaký. Diskový laser je vybavený aj sústavou odrazových zrkadiel, ktoré zabezpečujú, aby lúč pri opätovnom prechode cez kryštál nedopadal stále na rovnaké miesto obr.11 [7]. Obr. 11 Princíp diskového lasera [8] Laserový lúč získavaný z diskového lasera má vysokú kvalitu, ktorou prekonáva pevnolátkové lasery Nd:YAG, pričom kvalita nie je závislá od výkonu. Za túto vynikajúcu vlastnosť vďačí diskový laser práve svojej konštrukcii. Pretože medzi vrchnou a spodnou stranou kryštálu vzniká len veľmi malý tepelný rozdiel, ktorého priebeh je navyše axiálny v smere laserového lúča. Preto nedochádza k jeho deformácii. Samozrejmosťou je práca v impulznom a kontinuálnom režime [7]. Ďalšou dobrou vlastnosťou je pomerne nízka požiadavka na budiaci laserový lúč získavaný z laserových diód, čo umožňuje výrazne znížiť výrobné náklady použitím cenovo výhodnejších laserových diód. Práve laserové diódy, ako zdroj budiaceho žiarenia, boli v minulosti slabou stránkou diskového lasera. Príčinou bola životnosť. Zatiaľ čo 25

26 v začiatkoch bola životnosť laserových diód do hodín, v súčasnosti je to oveľa viac. Výhodnosť diskového lasera je aj vo vysokej odolnosti voči spätným odrazom. Pri tyčových pevnolátkových laseroch Nd:YAG dochádzalo pri vysoko reflektujúcich materiáloch k prerušeniu výroby z dôvodu vypnutia rezonátora kvôli jeho ochrane. Pri diskových laseroch je to riziko omnoho menšie. Nezabudnuteľnou výhodou diskového lasera je aj kompaktnosť jeho konštrukcie a hlavne jeho modulárnosť [7]. Diskové lasery sa v súčasnosti používajú od gravírovania, cez mikroobrábanie až po obrábanie vyžadujúce vysoký výkon lasera. Dokáže obrábať širokú škálu materiálov. Okrem ocelí sú to aj nekovové materiály spekané karbidy, rôzne kryštály. Okrem klasického rezania plechov možno diskový laser nasadiť aj pri vysokorýchlostnom rezaní tenkých plechov. S obľubou je nasadzovaní pri zváraní a to ako tenkých fólií, tak aj hrubých plechov s využitím vysokého výkonu. Uplatnenie našiel predovšetkým v automobilovom priemysle, kde je požiadavka nielen na vysokú kvalitu a produktivitu, ale aj na nízke prevádzkové náklady. Môže byť použitý v procese skenerového zvárania prostredníctvom robotov alebo aj spájkovania [7]. Vláknové lasery Svojim dynamickým vývojom pomerne významné miesto vo zváraní zastávajú aj vláknové lasery. Veľkou výhodou vláknových laserov je vysoká účinnosť, nízka spotreba energie, nízke nároky na chladiaci okruh, výrazne menšie pôdorysné rozmery. Všetky tieto skutočnosti samozrejme vedú k výraznému zníženiu prevádzkových nákladov. Na obr. 12 je typická schéma výkonového vláknového lasera.[5] Výkon z budiacich laserových diód je priamo naviazaný do aktívneho jednovidového vlákna (SM Single-Mode-fiber) alebo mnohovidového vlákna (MM - Multi-Mode-fiber) rezonátora [30]. 26

27 Obr. 12 Princíp vláknového laseru [5] K stimulovanej emisii ale dochádza vo vnútri optického vlákna dopovaného vzácnymi zeminami napr. Ytterbium, Erbium, Thulium. Z tohoto dôvodu je rezonátor podstatne teplotne stabilnejší a rozmerovo menší. U týchto laserov je možné použiť rozbočovacie jednotky a tak je možné použiť viac vlákien na rôzne pracoviská a prepínať medzi nimi alebo rozdeliť výkon laseru na viac pracovísk súčasne. Vláknové lasery sa s úspechom používajú v celej škále hrúbok a použitých materiálov obr. 13 [5]. Obr. 13 Zváranie hliníka, nerez oceli, medi [5] Súčasné možnosti realizácie vláknových laserov v závislosti výkonu od hrúbky vlákna sú grafický znázornené na obr. 14.[29] 27

28 Obr. 14 Závisloť výkonu od hrúbky vlákna [29] Plynové lasery Aktívne prostredie tejto skupiny tvorí plyn alebo častejšie zmes plynov. Budenie je prevažne výbojom v plyne pri nízkom tlaku. HE-NE laser najrozšírenejší plynový laser, má pomerne jednoduchú konštrukciu a spôsob budenia. Ku generovaniu dochádza na neóne a hélium sa podieľa iba na prenose energie. CO 2 laser (obr. 15) generuje prevažne na µm. K zosilneniu dochádza na molekule oxidu uhličitého pri prechodoch medzi vibračnými hladinami. Významnou prímesou CO 2 laseru je dusík, ktorého molekuly sa dajú budiť do prvého excitovaného stavu zrážkami s elektrónmi v dútnavom výboji. Rezonančným prenosom z molekuly N 2 na CO 2 sa zväčší horná laserová hladina molekúl CO 2. Inverzná populácia sa ďalej zväčšuje depopuláciou spodných laserových hladín pomocou hélia. Aktívne prostredie CO 2 laserov teda obsahuje CO 2 : N 2 : He pri pomere tlakov 1 : 2 : 8. Svoje uplatnenie má hlavne v priemysle pre jeho vysoké výkony a účinnosť, rezanie kovu a dreva, gravírovanie a dekórovanie skla, chirurgické zákroky. 28

29 Obr. 15 CO 2 laser so štvorcovým tvarom [26] Argónový iónový laser (Ar + laser) je veľmi rozšíreným laserom a zároveň aj najvýkonnejším laserom generujúcim vo viditeľnej oblasti spektra. Je to v podstate klasický plynový laser, ale k dosiahnutiu inverznej populácie v argóne je nutná veľká hustota budiacich elektrónov. Pre dosiahnutie hornej laserovej hladiny je nutné použiť tzv. kaskádne budenie. V Ar + laseri pri budení ide už skôr o oblúkový výboj ako dútnavý. Pri dútnavom výboji preteká výbojovou trubicou prúd rádovo desiatok miliampér, ale pri Ar+ je to aj stovky ampérov. Prechodov, na ktorých je možné generovať je celkom asi 45, ale najvýznamnejšie prechody sú 514,5 µm (zelená), 488 µm (modrá) a 351,1 µm (ultrafialová). Použitie tohto lasera je hlavne pre vedu a výskum a lasershow [6] Polovodičové lasery Aktívne prostredie sa budí prevodom elektrónov z valenčného do vodivostného pásu. S ohľadom na veľké zosilnenie a veľký index lomu polovodičových materiálov sa ako zrkadlá môžu použiť rovnobežné konce kryštálu. K zosilneniu dochádza v pomerne úzkom prúžku prechodu PN. Pri tak veľkom zosilnení a tak malom rozmere ako u polovodičových laserov dochádza ku generovaniu rôznych módov, ktoré sa šíria v osi kryštálu rôznymi odrazmi od stien. To spôsobuje pomerne veľkú divergenciu (rozbiehavosť) zväzku. Tieto lasery majú uplatnenie vo vede, priemysle a v komerčnej elektronike. Kvalita zväzku je 29

30 malá, ale majú svoje prednosti kvôli jednoduchej modulácii, malým rozmerom, vysokej účinnosti a nízkym pracovným napätiam [6]. Bežne sa im hovorí minilasery. V súčasnosti asi najpredávanejší laserový produkt s najväčšou mierou využiteľnosti. Medzi najpreferovanejšie výhody rozhodne patrí rozmer a napájanie. Bežne sa rozmery pohybujú ako klasický ceruzkový monočlánok, avšak nájde sa aj veľmi miniatúrne prevedenie, ktoré takmer kopíruje samotnú laserovú diódu. Ďalšia z výhod je spotreba a ľahká modulovateľnosť takéhoto laserového zdroja. Výstupný zväzok je zväčša eliptický (jednoduchá optika), čiarový alebo kruhový. Taktiež je už dnes bežné, že takýto modul je možné jednoducho fókusovať. Kvalitu laserových modelov určuje hlavne samotná polovodičová laserová dióda, spoľahlivosť a životnosť výrazne ovplyvňuje riadiaca elektronika a posledným z prvkov, ktorý ovplyvňuje kvalitu je výstupná optika. Jej prevedenie je rôzne, od plastických kolimačných šošoviek cez sklom potiahnuté plasty až po trojprvkové sklenené objektívy [9]. 1.3 Parametre zvárania Parametre zvárania jednoznačne ovplyvňujú kvalitu zvaru. Tieto parametre podmieňujú efektívnosť využitia lasera na technologické procesy. Sú to hlavne časovo výkonové parametre, parametre fókusačného systému a tiež pomocné parametre Kontinuálny režim zvárania Základné parametre kontinuálneho režimu zvárania sú: Výkon laserového lúča P [W] Rýchlosť zvárania v [mm/s] Parametre fókusačného systému Sprievodné parametre: Dodaná energia vyjadruje energiu použitú na jednotku dĺžky Q = P/v Hustota výkonu pôsobenie výkonu lúča na plochu I [W/cm 2 ] Druh použitého ochranného plynu a prietok ochranného plynu Pre optimalizáciu parametrov v konkrétnych prípadoch je treba mať predstavu o všeobecných zákonitostiach ich vplyvu na kritéria kvality zvarového spoja. Geometria 30

31 zvaru, t.j. hĺbka a šírka zvaru, vo veľkej miere závisí od všetkých základných parametrov laserového zvárania. Optimálnym pre hlboký prievar je pomer hĺbka-šírka ďaleko väčší ako jedna. Na kvalitu zvaru pôsobia aj pomocné parametre. Ide hlavne o spôsoby ochrany zvarového kovu proti oxidácii. V praxi najrozšírenejším spôsobom je ochrana rôznymi plynmi. Najlepšie výsledky sa dosahujú pri ochrane zvarového kovu héliom. Dostatočnú efektívnosť možno dosiahnuť aj použitím CO 2 a Ar. Pridávanie Ar do He môže spôsobiť zmenšenie hĺbky prievaru. Na kvalitu ochrany na odpovedajúcej úrovni vplýva presné určenie prietoku plynu. Pri nedostatočnom množstve nie je zabezpečená kvalita ochrany. Pri nadbytočnom prívode dochádza k zbytočným ekonomickým stratám [1] Pulzný režim zvárania Základnými parametrami pulzného režimu zvárania laserovým lúčom sú: Energia pulzu E[J] Dĺžka pulzu λ [ms] Priemer sfókusovaného lúča d [mm] Poloha ohniska vzhľadom na povrch materiálu s [mm] Rýchlosť zvárania v [mm/s] Frekvencia pulzov f [Hz] Energia pulzu je základná energetická charakteristika, v podstatnej miere ovplyvňujúca proces zvárania. Vplýva ako na množstvo tepla privedeného do oblasti zvárania, tak aj na niektoré ďalšie charakteristiky. Dĺžka pulzu charakterizuje čas pôsobenia laserového lúča na materiál a tiež určuje čas v ktorom prebehne ohrev a tavenie kovu. Pre každý materiál a hrúbku, ktorú treba zvariť, existuje optimálny interval hodnôt dĺžok pulzu, pri ktorých možno zhotoviť kvalitný zvarový spoj bez výstreku. Zvýšenie energie pulzu zvyšuje hodnoty optimálnych dĺžok pulzu. Pri zvýšení výkonu cestou skrátenia pulzu získame väčšiu hĺbku prievaru, no zvyšuje sa množstvo odpareného kovu. Preto oblasť dĺžok pulzu pri konštantnej energii musí byť ohraničená minimom a maximom. Optimálne dĺžky pulzu sú rôzne podľa druhov materiálu. Presnejšie hodnoty dĺžky pulzu sa určujú experimentálne. Najprijateľnejšou formou priebehu pulzu pri zváraní je lichobežníková alebo trojuholníková forma [1]. 31

32 Uvedené základné parametre komplexným spôsobom ovplyvňujú kvalitu zvarového spoja. Kritériá kvality zvarových spojov sú rôzne a závisia od technologických požiadaviek na súčiastku. Všeobecné kritériá kvality sú: Geometria zvaru a teplom ovplyvnenej oblasti Štruktúra zvaru Neprítomnosť vnútorných a vonkajších defektov Mechanické vlastnosti [1]. 1.4 Laserové zariadenia Na proces zvárania laserom sa používajú rozmanité zváracie zariadenia klasického typu ako aj určitých modifikácií. Zariadenie na zváranie laserovým lúčom sa skladá z generátora lúča a sústavy šošoviek.generátor lúča musí obsahovať: Aktívne médium Budiaci mechanizmus Vysokoodrazivé zrkadlo Polopriepustné zrkadlo Aktívne médium je možné si predstaviť ako optický zosilňovač. Budiaci mechanizmus je zdroj energie, ktorý budí atómy aktívneho média z nižších hladín na vyššie. Vysoodrazivé zrkadlá majú za účel neustály odraz koherentného svetla cez aktívne médium.polopriepustné zrkadlo dovoľuje časti laserového svetla odrážajúceho sa medzi dvomi zrkadlami opustiť laser vo forme lúča [2]. Zariadenia podľa aktívneho média delíme: pevnolátkové, plynné, kvapalné, polovodičové (diódové). Okrem týcho klasických typov sú pre priemysel dôležité ich kombinácie a robotizácie. Laser hotwire - laser + horúci drôt Laserový lúč ohrieva základný materiál, privedie sa predhriaty dôt a realizuje sa proces zvárania alebo spájkovania obr. 16 [10]. 32

33 Obr. 16 Zariadenie Laser + Horúci drôt [10] Laser Codwire Laser + studený drôt Laserový lúč zohrieva aj základný materiál aj prídavný materiál a tým sa dosahuje najvyššia možná stabilizácia procesu obr. 17 [10]. Obr. 17 Zariadenie Laser + Studený drôt [10] 33

34 Laser Hybrid Laser + MIG Pri postupe LaserHybrid pôsobí na pásmo zvaru súčasne laserový lúč a oblúk, pričom sa vzájomne ovplyvňujú. Výsledkom sú vítané synergické efekty: najvyššia možná rýchlosť pri najvyššej možnej kvalite, stabilizácia procesu a zváranie bez odstrekujúceho kovu a spájkovanie aj pri maximálnom tempe, zníženej deformácií a preto aj zníženie prácnosti následného opracovania, skrátenie výrobných časov. Zváracia hlava novo vyvinutá na tento účel pre plnoautomatické aplikácie podľa obr. 18 vykazuje minimálne geometrické rozmery, preto sú aj ťažko zvariteľné diely ľahko prístupné. Postupom LaserHybrid možno zvárať hliník, oceľ, pozinkovanú oceľ a ušľachtilé ocele s hrúbkou materiálu do 4 mm. Obr. 18 Zváracia hlava LaserHybrid [10] Synergické efekty : Laser - hlboký prievar, vysoká rýchlosť zvárania, nízke tepelné zaťaženie, vysoká pevnosť; Oblúk cenovo prístupný zdroj energie, prísun prídavného materiálu, premostiteľnosť zvarovej medzery, možnosť ovplyvňovať zloženie zvarového kovu; Laser Hybrid vyššia stabilita procesu, vyššia zváracia rýchlosť, dobrá roztekavosť na okrajoch zvaru, veľký objem zvaru, dobré metalurgické vlastnosti [10]. 34

35 Tab.1 Porovnanie: Laser versus Laser Hybrid [10] Laser Laser Hybrid nízka Stabilita procesu vysoká nie je možné Oddelené riadenie výkonu možné menej dobrá Roztekavosť na okrajoch zvaru veľmi dobrá nie tak dobré Metalurgické vlastnosti veľmi dobré Výhľad do budúcnosti tohto zariadenia možno zhrnúť do týchto bodov: Vysoká zváracia rýchlosť 1 zváracia hlava 3 spojovacie postupy dvojnásobné tolerancie oproti laserovému zváraniu Laser-Hybrid: 1 6 mm na materiáloch Al, oceľ, CrNi Laserové spájkovanie pre pozinkované oceľové materiály [10]. Technické údaje Hmotnosť (bez optiky) 19 kg; Rozmery d x š x v v mm - 769,5/59/415,7 ; Doba zapnutia pri 10 min/40 C (104 F) % ED pri 250 A; Výkon lasera - 4 kw; Laser Hybrid + Tandem U zvárania LaserHybrid + Tandem ide o automatizovaný vysokovýkonný zvárací postup, pri ktorom sa kombinuje postup LaserHybrid so zváracím postupom Tandem obr. 19. Spojenie laserového lúča s troma oblúkmi otvára úplne nové možnosti spojovacích technológií pre kovové materiály v oblasti hrubých plechov (vysoké rýchlosti zvárania súčasne s dobrým preklenutím škáry a dobrými metalurgickými vlastnosťami). Predbežný postup LaserHybrid s jedným oblúkom zabezpečuje veľmi úzku tepelne ovplyvnenú zónu s vysokým pomerom hĺbky závaru a šírky zvaru. Následný zvárací postup Tandem vykazuje podstatne nižšiu hustotu energie a charakterizuje sa veľmi vysokým výkonom odtavovania. So zvýšenou rýchlosťou zvárania tak možno zvárať aj oceľové plechy napr. s hrúbkou steny 8 mm. 35

36 Obr. 19 Zváracia hlavica Laser Hybrid + Tandem [10] Technické údaje Hmotnosť (bez optiky) 25 kg; Rozmery d x š x v v mm - 769,5/79/780 ; Doba zapnutia pri 10 min/40 C (104 F) - 60 % ED pri 350 A ; Výkon lasera - 4 kw; [10]. 36

37 2 LASEROVO ZVÁRANÉ POLOTOVARY Pri zváraní tenkých plechov klasickými technológiami dochádzalo veľmi často k znehodnocovaniu týchto materiálov v dôsledku deformačného a tepelného cyklu, ako aj k vytváraniu prepalov. Tento nedostatok bol eliminovaný laserovým zváraním, ktoré spĺňa tie najnáročnejšie požiadavky na zvarový spoj. [11]. Laserové zváranie je významné, či už ide o zváranie priebežných alebo prievarkových spojov a tento význam zreteľne narastá s uvádzaním nových modelov automobilov. Význam laserového zvárania narastá aj pri výrobe komponentov karosérií a ich polotovarov metódou zváraných prístrihov ( Tailored Welded Blanks TWB) [12]. Laserové zváranie a laserové automatizované linky sú dnes už samozrejmou súčasťou pri výrobe automobilov v popredných svetových automobilkách. Je snahou znížiť hmotnosť karosérií použitím plechov z vysokopevných ocelí, ako sú napríklad dvojfázové a TRIP ocele. Ďalšie možnosti zníženia hmotnosti karosérie poskytuje laserové zváranie prístrihov na mieru ( Tailored Blanks) [15]. U vysokopevných ocelí TRIP sa dosahuje zvýšená deformačná schopnosť v širokom spektre teplôt a deformačných rýchlostí. Tieto vlastnosti ich predurčujú pre použitie do nárazníkových zón, resp. do výstuží aplikovaných v rôznych častiach automobilov, ale aj ako rúry pre airbagy [3]. Dôležitú úlohu pri stavbe automobilov zohráva čas. Preto je snahou používať čo najefektívnejšie najrýchlejšie spôsoby zvárania pri výrobe dielov, alebo pri konštrukcii celej karosérie. Rýchlosť zvárania však nesmie rásť na úkor kvality zvarov. Automobilová výroba je jedným z motorov rastu svetovej ekonomiky. Výroba niektorých z rozhodujúcich častí automobilov náprav a iných podvozkových častí, ale najmä kompletných karosérií je založená na širokom využití technológií zvárania a tvárnenia. Karoséria automobilu je považovaná za tenkostennú konštrukciu, ktorá má užívateľom automobilov zaručiť vysoký stupeň bezpečnosti pri efektívnej prevádzke a dostupnej cene. Pri výrobe karosérií automobilov sa v čoraz väčšej miere uplatňujú trendy úspor materiálov a energií. Produkcia automobilov s nižšou hmotnosťou a tým i s menšou spotrebou paliva tak sleduje ekologické požiadavky zníženia emisií v ovzduší. Z týchto požiadaviek vyplýva potreba spájania plechov rôznych hrúbok a akostí (prístrihy na mieru v známom projekte ultraľahkej oceľovej automobilovej karosérie ULSAB), či už pokovovaných alebo nepokovovaných, ale aj spájania železných a neželezných kovov. Ich uplatnenie v 37

38 automobilovom priemysle otvára pre konštruktérov nové možnosti. Tie spočívajú v optimálnom využití vlastností rôznych druhov plechov, ktoré možno kombinovať do jedného celku a ovplyvňovať tak v rôznych častiach výlisku jeho pevnosť, tuhosť alebo odolnosť voči korózii[13]. Na obr. 20 môžeme vidieť rôzne typy polotovarov, ktoré nám ponúkajú na mieru zvárané materiály. Presné polotovary rozdeľujeme do týchto základných skupín: Tailored Blanks na mieru šité prístrihy Tailored Tubes na mieru šité rúry Tailored Coils na mieru šité zvitky na mieru šité prístrihy na mieru šité rúry na mieru šité zvitky Obr. 20 Typy presných polotovarov[14] Použitie laserového zvárania prináša tieto výhody: nízky špecifický tepelný príkon zvárania konzistentné zvary nie je nutné použiť preplátované zvary možno použiť veľkú rýchlosť zvárania možnosť viacnásobného zvárania pri jednom upnutí možnosť použiť nelineárne zvary [21] Výhody laserovo zváraných prístrihov : zníženie hmotnosti optimalizácia využitia materiálu menej odpadu vďaka správnemu rozloženiu dielcov pri návrhu nástrihového plánu zisk pri kompletnej montáži druh a hrúbka materiálu podľa potreby na mieru šité riešenia pre konkrétnu časť návrhu a zníženie hmotnosti lepšie absorpcie energie 38

39 vyššia tuhosť kratší výrobný proces [20] 2.1 Príprava na mieru šitých laserovo zváraných polotovarov Tailored Blanks Tailored Blanks je možné preložiť ako prístrihy šité na mieru. Ide o polotovary zvárané z dvoch a viac materiálov s rozdielnymi vlastnosťami. Tieto materiály môžu mať rozdielnu pevnosť, rozdielnu hrúbku alebo rozdielnu povrchovú úpravu. Používaním polotovarov Tailored Blanks dochádza k zníženiu hmotnosti a k zníženiu ceny karosérie, čo so sebou na druhej strane prináša vyššie požiadavky kladené na nástroje ako aj ich vyššiu cenu [16]. Prístrihy Tailored Blanks sú artiklom a výrobnou metódou, ktorá je používaná najmä na výrobu vnútorných a vonkajších častí automobilov. Princípom je laserové zváranie hrubých a tenkých plechov, príslušných tvarov a akostí, ktoré sú následne tvárnené obr. 21 [17]. Obr.21 Polotovar šitý na mieru Tailored Blanks [20] Výrobcovia automobilov požadujú, aby karosérie automobilov boli čoraz ľahšie, ale pevnejšie a mali predĺženú životnosť. Aby sa tieto požiadavky mohli splniť, treba zásadným spôsobom zmeniť spôsob navrhovania a technológiu ich výroby. Jednotlivé dielce karosérií sa skladajú z plechov rôznej pevnosti, ale aj hrúbky a aj rôznej povrchovej úpravy. To si vyžaduje pripraviť dielce pred ich zváraním tak, aby obsahovali optimálnu medzeru. Jednotlivé časti nastrihaných plechov na vystrihovacích lisoch obr. 22, sa potom zvárajú laserom. 39

40 Obr. 22 Vystrihovacie lisy na výrobu prístrihov [18] Výhodou laserových technológií je univerzálnosť liniek, ktoré sa dajú ľahko adaptovať na novú výrobu. Okrem CO 2 laserov sa na zváranie používajú aj Nd:YAG laserové zdroje, ktorých výhodou sú nižšie straty pri prenášaní lúča svetelnými káblami na miesto aplikácie. Laserový lúč iodinových laserov možno transportovať svetelnými vláknami. Obidva typy zdrojov sa používajú predovšetkým na rezanie otvorov do hotových karosérií [21]. Automobilový priemysel ukázal, že použitie strihaných zváraných plechov (Tailor Welded Blanks TWB) znižuje hmotnosť a cenu vozidiel a výroba TWB predpokladá nárast používania tejto technológie. Vysokopevné ocele ponúkajú alternatívnu koncepciu na zníženie hmotnosti vozidiel, pretože hrúbka plechu môže byť pri tých istých podmienkach pevnosti a tuhosti menšia [21]. Pre vytvorenie správnych riešení prístrihov podľa požiadaviek zákazníka, je potrebné venovať veľkú pozornosť už pri navrhovaní nástrihového plánu. Pri minimalizácii medzier medzi jednotlivými vystrihovanými dielcami, ich správnom uložení, dochádza k zníženiu nákladov na materiál až o 25 % a hovoríme o optimalizácii využitia materiálu obr. 23 a obr. 24 [20]. Obr. 23 Nástrihový plán štandardný a TWB [20] 40

41 Obr. 24 Nástrihové plány pre jednotlivé dielce prístrihov [20] Technológia Tailored Blanks zaručuje aj požadované zníženie hmotnosti laserovo zváraných polotovarov a to kombináciou plechov rôznych hrúbok, ktoré zabezpečujú požadovanú pevnosť jednotlivých dielcov zváraného polotovaru obr. 25 [20]. Obr. 25 Redukcia hmotnosti dvoch stropných panelov rôznych konfigurácii [20] Napriek tomu, že na zníženie hmotnosti a nákladov na výrobu boli navrhnuté rôzne technické alternatívy v materiáloch, žiadne nepreukázali takú všestrannosť ako ocele. Tieto ponúkajú širšiu škálu riešení požiadaviek než akýkoľvek konkurenčný materiál. To je dôvodom, prečo sa vlastne prístrihy, ktoré sa skladajú z dvoch alebo viacerých samostatných polotovarov z ocele s najlepšími vlastnosťami, ukázalo ako účinné konštrukčné riešenie k zníženiu hmotnosti vozidla [20]. 41

42 2.2 Chyby vznikajúce pri laserovom zváraní prístrihov Kritériom kvality zvarových spojov je ich celistvosť, tvar a požadované chemické a fyzikálne vlastnosti. Na jednotlivé druhy zváraných konštrukcií sú vypracované normy kvality, v ktorých sa definuje prípustnosť jednotlivých defektov v konkrétnych prevádzkových podmienkach. Stupeň kvality zvaru teda predstavuje konštruktér so zreteľom na umiestnenie zvaru, veľkosť a spôsob namáhania, druh prevádzky a vyžadovanú bezpečnosť. Chyby môžu byť: Povrchové, ktoré často vidieť aj voľným okom, prípadne sa na ich zistenie využívajú jednoduchšie skúšky napr. kapilárna Vnútorné, ktoré sa zisťujú použitím objemovej defektoskopie napr. ultrazvukom Povrchové chyby: nepravidelný povrch, pretečený povrch, zápaly, nedostatočné prekrytie hrán zvarových plôch, neprevarený koreň, trhliny Vnútorné chyby: bubliny, dutiny, póry, vtrúseniny, neprevarený koreň, trhliny, chyby štruktúry, chyby pri nevhodnom nastavení plameňa Trhliny vznikajú vo vnútri zvarového kovu alebo v teplom ovplyvnenej oblasti (TOO). Príčinou vzniku týchto chýb je nedodržanie teploty predhrevu, použitie nevhodného prídavného materiálu, segregácia nečistôt (síra, fosfor atď.) Trhliny bývajú pozdĺžne, priečne, lúčovité, ako aj rozvetvené.[31] Pri prevádzkovom zaťažení dochádza k spájaniu nadväzujúcich trhlín a mikrotrhlín a k vytvoreniu veľkorozmerovej trhliny. Zvary obsahujúce vnútorné trhliny sa považujú za nevyhovujúce. [13] Najčastejšie chyby pri zváraní laserom vznikajú z dôvodu nepresného ustavenia zváraných dielcov a nečistôt. Pri nesprávnom uložení dielcov sa tvorí medzera, ktorá pri zváraní laserom bez prídavného materiálu môže iniciovať trhliny vo zvare obr. 26. Aby sme zabránili ich vzniku je potrebné presné zlícovanie dielcov a presné navádzanie lasera. 42

43 Obr. 26 Defekt spôsobený nesprávnym uložením zváraných dielov Ďalším dôvodom vzniku defektov vo zvaroch je znečistený zváraný materiál alebo znečistená zváracia optika optickej cesty najčastejšie ostriaca optika. Pri znečistení zváraného materiálu dochádza k horeniu nečistôt (olej), ktorý pri kontakte s laserovým lúčom exploduje a vznikajú póry vo zvarovom kove. Znečistenie ostriacej optiky zapríčiňuje zmenšenie hĺbky požadovaného prievaru a môže dochádzať až k jeho úplnému zániku. Laserové svetlo je pohlcované splodinami na ostriacej šošovke následkom čoho sa šošovka prehreje a praskne. Optická sústava je chránená ochranným sklom a ofukom. 2.3 Aplikácia laserovo zváraných polotovarov Použitie prístrihov je predovšetkým zaznamenané pri výrobe karosérií automobilov, kde sa môžu konštruktéri zamerať na materiálové riešenie jednotlivých častí podľa mechanických a bezpečnostných požiadaviek na ich kvalitu obr. 27 [20]. 43

44 Obr. 27 Prístrihy v stave navrhovania pre aplikáciu na motorové vozidlo [20] 44

45 3 TECHNOLÓGIE TVÁRNENIA LASEROVO ZVÁRANÝCH POLOTOVAROV Spracovanie kombinovaných polotovarov technológiami plošného tvárnenia má v technickej praxi široké uplatnenie. Tvárnenie kombinovaných polotovarov zložených z materiálov rovnakých vlastností s odlišnou hrúbkou, resp. odlišných vlastností má veľký význam pre získanie výliskov s novými presne definovanými a optimalizovanými vlastnosťami z hľadiska pevnosti, tuhosti, hmotnosti a ďalších úžitkových vlastnosti. Kladú však zvýšené nároky na predvýrobné etapy konštrukcie zariadenia, nastavenia a optimalizácie tvárniaceho procesu. Nevýhodami spracovania kombinovaných polotovarov je nielen náročnosť ich prípravy vyžadujúca technologické operácie ich delenia, polohovania a zvárania, ale hlavne problémy spojené so samotným tvárnením zloženého plošného polotovaru do podoby priestorového telesa. Prejavy zníženia tvárniteľnosti, nerovnomernosti plastického toku a nestability polohy materiálového rozhrania polotovaru sú najdôležitejšie faktory ovplyvňujúce tvárniaci proces. Cieľom analýzy technologického spracovania zložených polotovarov je definovanie správania materiálu s rozdielnou hrúbkou v deformačnej zóne, určenie pretvorení v jednotlivých miestach experimentálneho výťažku, vplyv zmeny polohy rozhrania pred technologickou operáciou na pretvorenia po procesoch tvárnenia využívaných pri tvárnení laserovo zváraných polotovarov. Súčasťou je aj štúdium možností ovplyvnenia veľkosti pretvorení zmenou technologických parametrov. [3] 3.1 Rozbor procesov tvárnenia Široké uplatnenie prístrihov v praxi nám ponúka možnosť využitia kombinácií výrobných technológií. Jedná sa o využitie procesov tvárnenia a to: ťahanie ohýbanie strihanie nekonvenčná metóda Hydroform 45

46 3.1.1 Ťahanie Je technologický proces plošného tvárnenia, pri ktorom sa z rovinného polotovaru (prístrihu) v jednom alebo v niekoľkých ťahoch vyrobí dutý výťažok požadovaného tvaru a rozmerov. Ide o zložitý napäťovo-deformačný proces, pri ktorom sa veľkosť napätí a pretvorení v rôznych fázach ťahania mení. V praxi sa najčastejšie používajú operácie obyčajného ťahania. Pri ťahaní v prvom ťahu sa prstencová časť prístrihu so šírkou h 0 = (D-d) zmení vťahovaním do ťažnice na valcovú časť s priemerom d a výškou h. Nakoľko aj pri ťahaní platí zákon konštantnosti objemu, bude výška výťažku h väčšia ako šírka prstencovej časti h 0.Pri ťahaní sa presúva objem materiálu vyznačený na obr. 28 vyšráfovanými kruhovými výsekmi (kvázi trojuholníkmi) a tým sa zväčšuje výška výťažku. Pri obyčajnom ťahaní pre zanedbaní zmeny hrúbky steny možno výšku výťažku vypočítať z rovnosti plochy polotovaru a výťažku. Obr. 28 Princíp ťahania kruhového výťažku bez príruby 1 ťažník, 2 polotovar, 3 ťažnica, 4 výťažok [22] 46

47 Pre výpočet výška výťažku pri ťahaní kruhových výťažkov bez príruby obyčajným ťahaním možno napísať vzťah: 2 2 D0 di - hi = [ mm] (1) 4. d i h i výška výťažku v i-tom ťahu, d i priemer výťažku po i-tom ťahu, pričom i = 1 až n, n počet ťahov V skutočnosti sa aj pri obyčajnom ťahaní hrúbka steny mení. Hrúbka steny valcového výťažku na hornom okraji môže byť až o 20 % väčšia, ako je hrúbka polotovaru. Najväčšie pretvorenie pri ťahaní je na hornom okraji valcového plášťa výťažku. Pri ťahaní pravouhlých výťažkov je napätosť zložitejšia, lebo o analógii schém napätí a pretvorení s ťahaním valcového výťažku možno hovoriť iba v rohoch pravouhlého výťažku. Rovné úseky stien pri pravouhlých výťažkoch sa totiž neťahajú, ale sa vlastne ohýbajú. Nebezpečným prierezom pri ťahaní z hľadiska možnosti porušenia výťažku je prechod medzi dnom a plášťom výťažku.[22] Ohýbanie Ohýbanie je proces tvárnenia, pri ktorom sa pôsobením ohybového momentu na polotovar vyvolá trvalé pretvorenie a vytvára sa oblá hrana alebo oblá plocha na výtvarku. Základnou operáciou je jednoduché ohýbanie a to ohýbanie do tvaru V a ohýbanie do tvaru U obr. 29. Obr. 29 Schéma jednoduchého ohýbania do tvaru V (a) a do tvaru U (b)[23] 47

48 Pri jednoduchom ohýbaní ide o tvárnenie rovinného polotovaru na výlisok s plochami rôzne voči sebe orientovanými a to vytváraním oblých hrán s určitým polomerom ohybu. Pri ohýbaní nastáva pružno-plastická deformácia materiálu. Materiál sa na vnútornej strane ohybu vplyvom tlakových napätí stláča v pozdĺžnom smere a rozširuje v priečnom smere a na vonkajšej strane ohybu sa vplyvom ťahových napätí rozťahuje v pozdĺžnom smere a zužuje v priečnom smere. Vzhľadom na to, že vrstvy materiálu na vonkajšej strane ohybu sú namáhané ťahovými napätiami, by mala hrana ohybu prechádzať naprieč vlákien, t.j. kolmo na smer valcovania plechu. Medzi stláčanými a naťahovanými vrstvami materiálu teda existuje vrstva, v ktorej je tangenciálne napätie nulové a preto sa jej dĺžka pri ohýbaní nemení. Túto vrstvu nazývame neutrálna vrstva a slúži najmä na výpočet veľkosti polotovaru a výpočet veľkosti pretvorenia v mieste ohybu. Ohýbanie možno rozdeliť na niekoľko fáz, ktoré sú uvedené na obr. 30. Prvá fáza je dovtedy, kým napätie v krajných vláknach σ 0 < R e a dochádza iba k pružnej deformácii. Druhá fáza začína, keď napätie v krajných vláknach dosiahne hodnotu σ 0 = R e. Potom prebieha pružno-plastická deformácia až do ukončenia ohýbania. Priebeh napätí na obr. 16 je teoretický, nakoľko nezohľadňuje spevnenie materiálu. Skutočný priebeh napätí pri ohýbaní do tvaru V je na obr. 31. [23] Obr. 30 Teoretický priebeh napätí v jednotlivých fázach[23] 48

49 Obr. 31 Skutočný priebeh napätí pri ohýbaní do tvaru V v mieste ohybu[23] Nakoľko pri ohýbaní ide o pružno-plastické pretvorenie, pričom nedochádza k prekročeniu medze pevnosti materiálu v celom ohýbanom priereze, pružná deformácia je dosť výrazná a prejaví sa po odľahčení výlisku uhlom odpruženia. Uhol odpruženia je rozdiel medzi uhlom ohybu α a skutočným uhlom ohnutia výlisku α, meraným po ohnutí a odľahčení obr. 32. [23] Obr. 32 Uhol odpruženia α uhol ohybu, α - skutočný uhol ohnutia výlisku, r 0 pomerný polomer, δ uhol nástroja [23] 49

50 3.1.3 Strihanie Strihanie je základná práca, ktorá nespĺňa definíciu tvárnenia, nakoľko dochádza k porušeniu súdržnosti materiálu a sprievodná plastická deformácia nie je úmyselná. Strihanie sa do technológie tvárnenia zaraďuje ako základná práca z dôvodu používania tvárniacich strojov pri jej realizácii. Strihanie je definované ako postupné alebo súčasné oddeľovanie častí materiálu pôsobením protiľahlých strižných hrán pozdĺž čiary strihu. Strižná čiara môže mať tvar priamky alebo otvorenej či uzatvorenej krivky podľa tvaru výstrižku. Celý priebeh procesu môžeme rozdeliť do troch základných fáz, pričom strihanie začína dosadnutím strižníka na strihaný materiál. Prvá fáza pružný aj plastický ohyb bez oddeľovania časti materiálu. V materiáli až do prekročenia medze sklzu v ploche strihu vzniká pružná deformácia. Po prekročení medze sklzu v ploche strihu dochádza k plastickému ohybu. Táto fáza býva 5 8% z hrúbky materiálu v závislosti od jeho mechanických vlastností. Druhá fáza plastický strih (čistý strih), pri ktorom sa materiál oddeľuje šmykovými napätiami. Hĺbka vniknutia strižnej hrany do materiálu v tejto fáze je závislá od pevnostných a plastických vlastností materiálu. Táto fáza tvorí bežne % z hrúbky strihaného materiálu. Tretia fáza oddelenie častí materiálu odtrhnutím. V tejto fáze prevažujú v oddeľovanom priereze ťahové napätia, ktoré pôsobia rýchle šírenie sa trhlín a lom, čím dôjde k oddeleniu častí materiálu. Strihanie sa ukončí vytlačením výstrižku z polotovaru, kedy hovoríme o tzv. štvrtej fáze, ktorá prebieha po oddelení materiálu. Jednotlivé fázy strihania sú na obr. 33. [23] Obr. 33 Základné fázy strihania I. pružný a plastický ohyb, II. čistý strih, III. odtrhnutie, IV. vytlačenie výstrižku [23] 50

51 Základnou operáciou strihania je jednoduché strihanie strihanie na nožniciach čiara strihu je otvorená a priamková, ide vlastne o delenie materiálu ( plechov, pásov, tyčí) na požadované rozmery. Charakter strižnej plochy a jednotlivé pásma pri strihaní sú znázornené na obr. 34. [23] Obr. 34 Charakter strižnej plochy a jednotlivé pásma pri strihaní [23] Tak z technického ako aj z ekonomického hľadiska je potrebné venovať zvýšenú pozornosť už v začiatkoch technickej prípravy výroby výstrižkov nástrihovému plánu. Je to vlastne spôsob umiestnenia výstrižkov na polotovare s cieľom dosiahnuť čo najlepšie využitie materiálu. Pri návrhu nástrihového plánu sa niekedy musí zohľadňovať aj smer vlákien ak sa napríklad bude po strihaní ohýbať Metóda Hydroform Táto metóda je z metód ťahania nepevným prostredím dosť rozšírená a bola vyvinutá firmou Cincinnati Milling Machine Co. Ohio. Patrí medzi nekonvenčné metódy tvárnenia. V tomto prípade je ťažnica nahradená kvapalinou, ktorá je uzatvorená gumenou membránou v nádobe. Pevný ťažník, na ktorom je položený polotovar, je zatláčaný tlakovou kvapalinou do nádoby s kvapalinou a uzatvorenou gumenou membránou, pričom vyvoláva protitlak kvapaliny. Protitlak kvapaliny je regulovaný prepúšťacím ventilom. Kvapalina uzatvorená gumovou membránou pritláča svojím tlakom polotovar na ťažník a súčasne pôsobí aj ako pridržiavač. Preto sa táto metóda môže použiť aj na ťahanie hlbších a zložitejších tvarov výťažkov. Životnosť gumenej membrány je pritom relatívne vysoká, asi až kusov výťažkov. Schéma ťahania metódou Hydroform je uvedená na obr. 35. [22] 51

52 Obr. 35 Schéma ťahania metódou Hydroform vľavo pred ťahaním, vpravo na konci ťahania 1- nádoba, 2-kvapalina, 3-gumová membrána, 4-polotovar, 5-ťažník s piestom, 6-valec, 7-pracovný hydraulický valec s piestom[22] 3.2 Chyby vznikajúce pri tvárnení laserovo zváraných polotovarov Prístrihy je možné ďalej spracovávať technológiou tvárnenia a to ako aj konvenčnými metódami, tak i nekonvenčnými metódami tvárnenia. Použitím kombinácie dvoch technológií zvárania a tvárnenia a kombinácie materiálov, získavame výtvarky požadovaných tvarov, rozmerov, kvality a hmotnosti. Pri tvárnení laserovo zváraných polotovarov vznikajú problémy a chyby priamo vo zvaroch alebo dochádza k porušeniu základného materiálu. V súvislosti s orientáciou poznáme dva typy trhlín: Typ 1 paralérne trhliny so zvarom - sa nachádzajú v bezprostrednej blízkosti zvaru 1 3 mm. Na strane tenšieho materiálu s nižšou pevnosťou sa šíri po celej dĺžke plochy. Tento typ poruchy je pozorovaný v nesymetrických polotovaroch. V reálnom polotovare tento druh trhliny je vyvolaný maximálnym napätím kolmým na zvar. Môže byť spôsobený miestnymi koncentráciami napätí, ktoré menia vlastnosti kovov vo zvare a v teplom ovplyvnenej oblasti a menia smer (obr. 36) Typ 2 trhlina kolmá na zvar šíri sa mierne cez dva druhy susedných materiálov, môže zmeniť smer o 90 a šíri sa rovnobežne so zvarom, takže sa stáva podobnou trhline typu 1. Tento typ poruchy sa pozoroval aj v symetrických aj nesymetrických polotovaroch. V reálnom polotovare sa vyskytuje v oblastiach, kde je zvar silne 52

53 zaťažený v pozdĺžnom smere ( blízko pozdĺžneho pretiahnutia polotovaru, kedy je ťažnosť významne znížená o kalenie vo zvare) obr. 37 [20] Zvar Trhlina Zvar Trhlina Obr. 36 Trhlina Typ 1[20] Obr. 37 Trhlina Typ 2 [20] Na stanovenie zmeny vlastností materiálov s vyčerpanou projektovou životnosťou je pre odhad zvyškovej životnosti potrebný súbor údajov, ktoré možno zatriediť do troch skupín: 1. veľkosť namáhania nominálne napätie v posudzovaných častiach, pri výpočtovom stanovení napätí sa musia uvažovať skutočné hrúbky materiálu 2. veľkosť, rozloženie, orientácia a typ defektov 3. súčasné vlastnosti materiálov, najmä medza klzu R e, medza pevnosti R m, rázová húževnatosť KV, prechodová teplota húževnato-krehkého porušenia, prípadne aj lomová húževnatosť K IC, J IC, σ IC [19] Predĺženie životnosti vyžaduje úspešné vykonanie ťahovej príp. tlakovej skúšky. Životnosť možno predĺžiť, ak nenastalo výrazné zhoršenie vlastností materiálov a posudzované chyby trhliny v priebehu posudzovanej životnosti nenarastú do nebezpečných rozmerov a nemôžu spôsobiť porušenie [19]. Ako je uvedené, zisťujú sa dva typy chýb. Prvým sú praskliny alebo poškodenia, ktoré vznikli zaťažením a okolitým prostredím počas prevádzky. Sú lokalizované v miestach s koncentráciou napätia, vplyvu okolitého prostredia alebo v miestach, v ktorých je materiál tenší (slabší) obr. 38. Zvary sa považujú za slabší materiál a sú kritickými, keď sú umiestnené do miest koncentrácie napätí obr.39. Druhým typom chýb sú výrobné chyby, ktoré neboli zistené pri kontrole kvality. Tieto sú ťažšie zistiteľné, pretože 53

54 sa objavujú v miestach, ktoré neboli zahrnuté do plánu kontrol po výrobe použili sa iné alebo zdokonalené metódy NDT, ktoré umožnili ich zistenie výrobné chyby iniciovali rast trhliny Zvyčajnou praxou je odstránenie chýb, ale diskutuje sa o tom, či je to nutné aj v prípade malých alebo podpovrchových malých chýb. Je to preto, že kontrola často zisťuje množstvo takých indikácií, ktorých odstraňovanie alebo oprava je prácne. Ďalej opravy často znovu praskajú spôsobom, ktorý nevieme presne vysvetliť [19]. Obr. 38 Vznik trhliny po Erichsenovej skúške [19] Obr. 39 Trhliny porušenia zvarov [19] 54

55 Prehľad typov trhlín na laserovo zváraných výtvarkoch je uvedený na nasledujúcich obrázkoch 40, 41, 42,43, 44, 45, 46, 47. typ 2 typ 7 typ 1 typ 3 typ 5 typ 6 typ 4 Obr.40 Typy trhlín na laserovo zváraných výtvarkoch [24] Typ 1 trhlina tvaru V vychádzajúca zo zvaru postupujúca do materiálu Typ 2 trhlina vo zvare definovaná ako problém zvaru Typ 3 trhlina vo zvare definovaná ako problém zvaru Typ 4 priečne trhliny vo zvare Typ 5 nedostatočné prevarenie zvaru Typ 6 vonkajšie porušenia prístrihu (oxidácia, odlupovanie zinkovej vrstvy) Typ 7 trhlina spôsobená nedostatočným preváraním prístrihov Obr.41 Typ trhliny 1 [24 ] Obr.42 Typ trhliny 2 [24 ] Obr.43 Typ trhliny 3 [24] 55

56 Obr.44 Typ trhliny 4[24] Obr.45 Typ trhliny 5 [24] Obr.46 Typ trhliny 6 [24] Obr.47 Typ trhliny 7 [24] Pri tvárnení sa používajú ako konvenčné nástroje, tak nástroje špeciálne vyvinuté pre lisovanie polotovarov Tailored Blanks. Obidve skupiny nástrojov majú svoje prednosti a nedostatky. Použitie klasických nástrojov je značne limitované tým, že sa jedná o polotovar, ktorý sa skladá z dvoch a viac materiálov. Nevýhoda použitia klasických nástrojov spočíva v neúplnom dosadnutí pridržiavača na tenšiu časť polotovaru. Preto môžu byť klasické nástroje upravené tak, že sú na nich vytvorené stupňovité tvarové plochy, ktoré kompenzujú rozdielnu hrúbku polotovaru. U takýchto nástrojov sa mení kvalita pridržiavania následkom rozdielnych tolerančných polí na rozdielnych hrúbkach plechu. Dochádza potom k neúplnému dosadnutiu pridržiavača na tenšiu časť polotovaru, v dôsledku čoho nebude vyvíjaný pridržovací tlak dostatočne veľký, čo môže spôsobovať problémy počas procesu lisovania. Môžu vzniknúť dva druhy chýb: Trhliny pri posunutí hrubšej časti polotovaru smerom k hrane, v ktorej sa mení hrúbka medzery medzi hornou a dolnou časťou nástroja Zvlnenie pri posune zvaru smerom od drážky dochádza k vzniku nežiaduceho zvlnenia [16]. 56

57 4 EXPERIMENTÁLNE SKÚŠKY A ICH VYHODNOTENIE Na experimentálne skúšky boli použité skúšobné vzorky z konštrukčných zvariteľných ocelí v kombinácii duplexnej ocele DP 450 s hrúbkou 1,3 mm a vysokopevnej ocele TRIP HR 45 s hrúbkou 1,9 mm vo forme plechov. Základné materiály mali rozdielnu hrúbku a boli zvárané diskovým laserom TruDisk 1000 s výkonom 1 000W a vláknovým laserom IPG YRL 4500 a maximálnym výkonom W. 4.1 Zvárané materiály Duplexné ocele sú dvojfázové (DP Dual Phase), feriticko-martenzitické ocele. Ich mikroštruktúra sa skladá z mäkšej feritickej matrice, v ktorej sú prítomné ostrovy martenzitu. Jedna možnosť vzniku martenzitu je, že po ukončení valcovania sa ochladzovanie zintenzívnilo natoľko, že časť austenitu netransformovala na perlit, ale sa zakalila. Druhou možnosťou je už hotové plechy s feriticko-perlitickou mikroštruktúrou opätovne nahriať tesne nad teplotu Ac1 (do interkritickej teplotnej oblasti A1-A3) a potom rýchlejšie ochladiť. Vysokouhlíkový austenit, ktorý je pri interkritickej teplote prítomný v heterogénnej zmesi, transformuje na martenzit, alebo tvrdšiu rozpadovú zmes. Môžu obsahovať % Cr a 5 % Ni a môžu ďalej byť legované molybdénom. Obsah uhlíka v nich býva nízky, pod 0,03 %. Duplexné ocele sú mierne magnetické a nedajú sa spevňovať tepelným spracovaním. Sú ďalej menej vrubovo citlivé ako feritické typy. Ich tranzitná teplota do húževnato-krehkého stavu sa môže znížiť na -100 C a maximálna prevádzková teplota je limitovaná na +300 C. Ďalšie zliatinové prísady v týchto oceliach môžeme rozdeliť na austenitotvorné a feritotvorné; Cr a Mo sú feritotvorné, zatiaľ čo Ni, C, N a Cu sú austenitotvorné.výhodou takýchto ocelí je veľmi výhodný pomer medzi medzou sklzu a medzou pevnosti, okolo 0,6, zatiaľ čo klasické konštrukčné ocele majú tento pomer nad 0,75 a zvarové kovy aj nad 0,9. Tieto ocele majú oproti austenitickým nehrdzavejúcim oceliam zvýšenú koróznu odolnosť, najmä v prípade jamkovej korózie a korózneho praskania. Dvojfázové ocele sú žiarovo spevniteľné (BH, Bake Hardening karosérie automobilov z nich vyrobené sa ďalej spevnia pri prechode nalakovanej karosérie vypaľovacou linkou) [27]. Zvariteľnosť súčasných dvojfázových ocelí je dobrá. Upozorniť treba na to, že základný materiál, ale aj zvarový kov musia mať vysokú metalurgickú čistotu s obsahom síry 57

58 a fosforu pod 0,03 %. Kryštalizácia zvarového kovu cez ferit a nízky obsah nečistôt znižujú pravdepodobnosť horúceho praskania zvaru. Zvariteľnosť v súčasnosti vyvinutých ocelí je blízka zvariteľnosti austenitických ocelí, ale líši sa od nich zmenami v tepelne ovplyvnenej oblasti a zvarovom kove. Pri teplotách nad asi 1050 C zrná rastú a vylučuje sa ferit. Pri ochladzovaní v tepelne ovplyvnenej oblasti nastávajú opačné zmeny na hraniciach feritických zŕn, ale aj intergranulárne sa znovu tvorí austenit. Tieto zmeny v tepelne ovplyvnenej oblasti sú pre vlastnosti zvarov výhodné, pretože austenit dáva tepelne ovplyvnenej oblasti nielen dobrú húževnatosť, ale aj koróznu odolnosť. Na zváranie možno použiť oblúkové metódy, ktoré sa používajú aj na zváranie austenitických ocelí, ďalej elektrónovolúčové a laserové zváranie (vtedy treba zvary tepelne spracovať), a tiež niektoré fyzikálne spôsoby zvárania (difúzne zváranie a zváranie trením). Zvára sa nízkymi tepelnými príkonmi. Výber prídavných materiálov. Pre väčšinu dvojfázových nehrdzavejúcich ocelí sa na zváranie používajú dva druhy prídavných materiálov: - také, ktoré dávajú rovnaké zloženie, ako má základný materiál, - mierne prelegované prídavné materiály, najmä niklom. [27] Tab. 2 Chemické zloženie ocele DP 450 Označenie C Mn Si P S Al Nb Ti V Cr DP450 0,05 0,10 0,05 1,60 <0,40 <0,04 <0,015 0,02 0,08 <0,01 <0,01 <0,01 <0,80 Tab. 3 Požadované mechanické vlastnosti ocele DP 450 R p0,2 V smere valcov. [MPa] Kolmo na smer valcov. Pozdĺž R m [MPa] Prieč. A[%] 20x80 R e /R m n r r ,7 0,17 0,90 1 Ocele TRIP sú prednostne trojfázové ocele s dvomi majoritnými fázami ferit + bainit a minoritnou fázou zvyškový austenit. TRIP ocele vykazujú dobrú hlbokoťažnosť. Ťažnosť klesá so zvyšujúcim sa podielom martenzitu. TRIP (Transformation Induced Plasticity) ocele sú tiež založené na mäkkom ferite podobne, ako DP ocele, s tým rozdielom, že DP ocele vykazujú okrem feritu iba jeden 58

59 komponent martenzit, zatiaľ čo TRIP ocele majú štruktúru s kombináciou feritu, martenzitu, bainitu a zvyškového austenitu. Rôzny pomer komponentov v týchto oceliach umožňuje získať vyváženú mikroštruktúru s výnimočnými vlastnosťami. TRIP (transformačne indukovaná plasticita) efekt bol prvotne pozorovaný u vysokolegovaných metastabilných austenitických ocelí, následne aj u nízkolegovaných multifázových ocelí. Ocele s TRIP efektom sú predovšetkým vhodné pre absorbovanie vysokej energie rázu počas deformácie (crash testy), nakoľko vykazujú vynikajúcu kombináciu vysokej pevnosti a dobrej ťažnosti. Tieto vlastnosti ich predurčujú k použitiu do nárazníkových zón, resp. do výstuží aplikovaných v rôznych častiach automobilov, ale aj ako rúry pre airbagy. Podmienkou pre dosiahnutie TRIP efektu je tvorba podielu reziduálneho (zvyškového) austenitu (RA) vo finálnej (F+B+M) štruktúre, ktorý sa pôsobením deformácie a napäťového stavu mení na martenzit, nachádzajúci sa v polygonálnej feritickej matrici s obsahom bainitu, čo štruktúre zaisťuje vynikajúcu tvárniteľnosť. Na rozdiel od DP ocelí, v ktorých exponent deformačného spevnenia pri vysokom pretvorení už klesá, sa v TRIP oceliach, naopak, ešte zvyšuje. Veľkosť deformácie pri premene austenitu na martenzit v TRIP oceliach možno korigovať zmenou obsahu uhlíka. Pri nízkom obsahu uhlíka začína premena zvyškového austenitu na začiatku procesu tvárnenia, čo má za následok veľmi dobrú tvárniteľnosť a rozloženie deformácie pri danej hladine aplikovaných napätí. Pri vyšších obsahoch uhlíka je zvyškový austenit v TRIP oceliach stabilnejší a pretrváva aj v konečnej etape, po tvárnení. K premene austenitu tak môže dôjsť pri kolapse konštrukcie (nehode automobilu), čo vedie k väčšej absorpcii energie. Pri vhodnom legovaní majú tieto ocele dokonca lepšiu zvariteľnosť ako DP ocele [27]. Tab. 4 Chemické zloženie ocele HR 45 [hm.%] Označenie C Mn Si P S Al HR 45 0,13 až 0,17 0,9 0,03 0,02 0,01 0,02 Tab. 5 Požadované mechanické vlastnosti ocele HR 45 R p0,2 V smere valcovania [MPa] Kolmo na smer valcov. V smere valcov. R m [MPa] Kolmo na smer valcov. A[%] 20x ,17 n r 0,90 59

60 4.2 Príprava laserovo zváraných polotovarov Príprava základného materiálu na polotovary bola realizovaná metódou laserového zvárania v spolupráci s firmou PGS Automation, s.r.o. diskovým laserom a v spolupráci so spoločnosťou Prvá zváračská, a.s. vláknovým laserom. Zváracie parametre sú uvedené v tab.6. Tab. 6 Použité zváracie parametre na prípravu polotovarov Názov spoločnosti Druh a typ lasera Výkon [W] Zváracia rýchlosť [mm/s] Prietok ochranného plynu Ar [l/min] PGS Automation, s.r.o. Prvá zváračská, a.s. Diskový laser TruDisk 1000 (obr.46) Vláknový laser IPG YRL Obr. 48 TruDisk 1000 Základný materiál musí byť čistý, s rovnými plochami a bez ohybov. Z dôvodu rozdielnych hrúbok plechov nebolo možné pristúpiť k zváraniu s kolmou polohou horáka. Na dostatočné natavenie materiálu DP 450 bolo potrebné pristúpiť k šikmému zváraniu s odklonom 10 (obr. 49). 60

61 Obr. 49 Proces zvárania laserom TruDisk Pred samotným procesom zvárania boli plechy fixované na ploche pracovného stola a následne zastehované šiestimi stehmi so vzdialenosťou 80 mm (obr. 50 a obr. 51). Stehy boli realizované pri výkone diskového lasera 600 W, pri vyšších výkonoch dochádzalo k vzniku kráterov. Obr. 50 Fixovanie základného materiálu Obr. 51 Stehovanie Zo zvareného základného materiálu (obr. 52 a,b) sa strihaním, pripravili vzorky na experimentálne skúšky. Všetky vzorky strihané z polotovarov firmy PGS Automation, s.r.o. boli označené ako vzorky skupiny A. Vzorky z polotovarov spoločnosti Prvá zváračská, a.s. boli označené ako vzorky skupiny B. 61

62 HR 45 DP mm µm HR 45 DP mm 1 000µm Obr. 52 Zvarený základný materiál TRIP HR45 a DP 450 a.) zo strany koreňa b.) zo strany zvaru 62

63 4.3 Základná skúška ťahom Táto skúška bola realizovaná na plochých skúšobných vzorkách podľa STN EN Kovové materiály, Skúška ťahom 1. časť: Skúška ťahom pri teplote okolia. Skúšobné tyče pre trhaciu skúšku boli pripravené z plechov, ktoré boli valcované aj v pozdĺžnom smere aj v priečnom smere. Na obr. 53 je pohľad na skúšobnú vzorku vyhotovenú strihaním z pásu polotovaru laserom zváraných konštrukčných ocelí pomocou strižného nástroja na excentrickom lise LEN 25P. Obr. 53 Vystrihnutá skúšobná vzorka Základné rozmery skúšobnej vzorky: - plech DP 450 s hrúbkou 1,3 mm, - plech TRIP HR 50 s hrúbkou 1,9 mm, - dĺžka hlavy vzorky 55 mm, - dĺžka drieku skúšobnej vzorky 80 mm. Ťahová skúška bola vykonaná na ciachovanom trhacom skúšobnom stroji EU 40 so zaťažovacím rozsahom 0 4 kn. Rýchlosť pohybu priečnika bola 5 mm/min Popis skúšky a výpočty Pri ťahovej skúške pri daných parametroch boli použité vždy tri skúšobné vzorky. Všetky skúšobné vzorky boli pred realizáciou základnej skúšky ťahom zmerané v miestach vyznačených na obr. 54 digitálnym posuvným meradlom Mitutoyo. Údaje budú použité na potrebné výpočty základných charakteristík a ukazovateľov. 63

64 HR 45 DP 450 zvar Obr. 54 Miesta merania skúšobnej vzorky Zo získaného pracovného diagramu pri jednotlivých skúškach skúšobných telies bola odčítaná veľkosť zaťažovacej sily F. Z hodnôt boli vypočítané medza klzu R e, medza pevnosti R m. materiálu, na ktorom sa skúšobná vzorka deformovala až do porušenia. Z pracovného diagramu a výpočtov bola vyhodnotená aj maximálna zaťažujúca sila zvaru F max. Numerické hodnoty pre výpočet prierezov, medze klzu, medze pevnosti boli vypočítané na základe vťahov : - S 0 = b 03. s 02 [mm 2 ] (2) - F Re R e = [MPa] (3) S 0 - FRm Rm = [MPa] (4) S 0 Výpočty pre skúšobnú vzorku 1A smer valcovania 90 : Plocha prierezu S 0 b 03 s 02 b 03 = 12,7 mm s 02 = 1,3 mm - S 0 = b 03. s 02 = 12,7. 1,3 = 16,5mm 2 (5) Medza klzu R e = R p0,2 dohovorená medza klzu za trvalej deformácie 0,2% 64

65 - F = 5000N (6) Re R e = [MPa] 302MPa 2 S0 16,51mm = F Re - zaťažujúca sila odčítaná z diagramu, S 0 - plocha prierezu vzorky pred skúškou. Medza pevnosti R m - FRm Rm = [MPa] = 7620N 461,5MPa 2 16,51mm = (7) S 0 F Rm - prislúchajúca sila odčítaná z diagramu F Rm = F max = N = 7,62 kn R e /R m = 0,65 Diagram z ťahovej skúšky pre vzorku 1A je uvedený na obr. 55 sila F Obr. 55 Pracovný diagram skúšobnej vzorky 1A predĺženie 65

66 Tab. 7 Namerané a vypočítané hodnoty z ťahovej skúšky Označenie vzorky/ smer valcovania [ ] 1A./90 2A./0 1B./90 2B./0 Šírka drieku vzorky [mm] Sila [N] S 0 b 01 b 02 b 03 F Re F Rm [mm 2 ] R e [MPa] R m [MPa] F max [N] R e /R m 12,69 12,70 12, , , ,65 12,55 12,58 12, , ,64 12,71 12,56 12, , , ,7 12,29 12,37 12, , , ,68 12,75 12,74 12, ,54 329, ,69 12,42 12,31 12, ,94 291,7 474, ,7 12,37 12,37 12, ,00 318,7 462, ,69 12,59 12,62 12, , , ,67 12,80 12,81 12, ,63 312, ,66 12,76 12,78 12, ,64 312,5 468, ,66 12,77 12,74 12, ,51 316,7 469, ,67 12,56 12,60 12, ,39 320,3 466, , Technologická skúška Skúška hĺbenia plechov a pásov podľa Erichsena Táto skúška je stanovená normou STN , ST SEV Zkoušení kovů, Zkouška hloubením plechů a pásů podle Erichsena. Ku skúške bolo použité skúšobné teleso podľa normy STN so šírkou pásu 90 mm a dĺžkou pásu 500 mm. Z dôvodu kombinovaných materiálov rozdielnej hrúbky skúšobnej vzorky bol použitý starší typ skúšobného zariadenia obr. 56. Parametre zariadenia: - priemer ťažníka s pólguľovým zakončením 20 ± 0,05 mm, - vnútorný priemer ťažnice 27 ± 0,05 mm, - vnútorný priemer pridržiavacieho krúžku 33 ± 0,1 mm, - pridržiavacia sila N 66

67 Obr. 56 Skúšobné zariadenie pre Erichsenovu skúšku Popis skúšky a meranie Skúška bola vykonaná na štyroch skúšobných vzorkách v smere valcovanie 90 a 0 zváraných diskovým a vláknovým laserom. Na skúšobnú vzorku sme z oboch strán naniesli stredovú čiaru s bodmi pre umiestnenie vtlačkov vo vzdialenosti 60 mm. Skúšobnú vzorku sme vložili medzi ťažnicu a pridržiavač a nadstavili na vyznačený bod a pritiahli sme pridržiavač. Rozdielna hrúbka materiálu bola, z dôvodu potrebného uchytenia tenšieho materiálu pridržiavačom, doplnená pomocným plechom. Po vynulovaní stupnice sa vytiahla poistka a pomocou ťažníka sme do skúšobnej vzorky vytvorili vtlačok až do porušenia (vzniku trhliny). Rýchlosť pohybu ťažníka je v rozmedzí 5 až 20 mm/min pričom pohyb ťažníka je plynulý. Potom sme zo stupnice odčítali hĺbku vtlačku. Tento postup sa zrealizoval na každej skúšobnej vzorke šesťkrát, a to tak, že každý druhý vtlačok bol z opačnej strany skúšobnej vzorky. Hlavné kritérium skúšky je stredná hodnota hĺbky vtlačku, na základe ktorej bola vypočítaná hodnota kritickej hĺbky h krit podľa vzťahu - 6 hkriti = 1 h = i krit [mm] (8) 6 67

68 Vedľajšie kritérium skúšky je tvar vzniknutých trhlín. Skúšobná vzorka 1A smer valcovania 90 Namerané hodnoty jednotlivých hĺbok vtlačkov: h kri1 = 9,95 mm, h krit2 = 9,4 mm, h krit3 = 9,8 mm, h krit4 = 9,5 mm, h krit5 = 9,65 mm, h krit6 = 9,4 mm 6 hkriti i 1 9,95 + 9,4 + 9,8 + 9,5 + 9,65 + 9,4 - hkrit = = = = 9,62[ mm] 6 6 (9) Hlavné kritérium: Stredná hodnota hĺbky vtlačku h krit = 9,62 mm Vedľajšie kritérium: Tvar trhlín trhlina sa tvorila v pozdĺžnom smere zvaru s kolmým prechodom do zvaru obr. 57 Obr. 57 Trhlina v pozdĺžnom smere zvaru s kolmým prechodom do zvaru 68

69 Namerané a vypočítané hodnoty z Erichsenovej skúšky sú uvedené v tab.8 spolu s typom trhliny a vzdialenosťou vzniknutej pozdĺžnej trhliny od stredu zvaru. Tab. 8 Namerané a vypočítané hodnoty z Erichsenovej skúšky Označenie vzorky/smer valcovania [ ] 1A/90 (obr. 57) 2A/0 (obr. 58) 1B/90 (obr. 59) 2B/0 (obr. 60) Vtlačok Hĺbka vtlačku [mm] 1 9,95 2 9,4 3 9,8 4 9,5 5 9,65 h krit Stredná hodnota h krit [mm] 9,62 Typ trhliny a vzdialenosť trhliny od stredu zvaru [mm] pozdĺž zvaru s kolmým prechodom do zvaru 3,1 pozdĺž zvaru s kolmým prechodom do zvaru 3,0 pozdĺž zvaru s kolmým prechodom do zvaru 3,2 pozdĺž zvaru s kolmým prechodom do zvaru 3,3 pozdĺž zvaru s kolmým prechodom do zvaru 3,2 pozdĺž zvaru s kolmým prechodom do zvaru 2,7 pozdĺžne so zvarom 3,4 6 9,4 1 9,8 2 9,4 pozdĺžne so zvarom 2, ,73 pozdĺžne so zvarom 3,3 4 9,2 pozdĺžne so zvarom 3,2 5 9,95 pozdĺžne so zvarom 3, pozdĺžne so zvarom 3,0 1 8,6 kolmo na zvar 2 9,4 kolmo na zvar 3 7,9 8,74 kolmo na zvar 4 9,3 kolmo na zvar 5 8,3 kolmo na zvar 6 8,95 kolmo na zvar 1 7 kolmo na zvar 2 8,9 kolmo na zvar 3 8,35 8,47 kolmo na zvar 4 7,95 kolmo na zvar 5 8,65 kolmo na zvar 6 9,95 kolmo na zvar 69

70 Obr. 58 Pozdĺžna trhlina Obr. 59 Kolmá trhlina na zvar Obr. 60 Kolmá trhlina na zvar Mikroštruktúra a skúška tvrdosti podľa Vickersa Vzhľadom k odlišnému vzniku trhlín bola sledovaná aj mikroštruktúra v oblasti zvarového spoja na svetelnom mikroskope Neophot 30. Vzorky boli pripravené mechanickým brúsením brúsnym papierom s veľkosťou zŕn od 220 do 1200 zr., leštené diamantovými pastami so zrnitosťou 9,6 a 3 µm a leptané v 3% Nitale po dobu 5 s. Vzorka 1A základný materiál zváraný diskovým laserom s výkonom 1 kw Obr. 61 Mikroštruktúra materiálu ZM vz.1a (HR45) Obr. 65 Mikroštruktúra materiálu ZM vz.1a (DP450) 70

71 Obr. 62 Mikroštruktúra TOO materiálu vz.1a (HR45) Obr. 66 Mikroštruktúra TOO materiálu vz.1a (DP450) Obr. 63 Mikroštruktúra prechodu zvarový kov TOO materiálu vz.1a (HR45) Obr. 67 Mikroštruktúra prechodu zvarový kov TOO materiálu vz.1a (DP450) Obr.64 Mikroštruktúra zvarového kovu vz.1a Popis mikroštruktúry vzorky 1A Mikroštruktúra základného materiálu HR 45 je tvorená feritom a riadkovito vylúčeným perlitom (obr.61). V teplom ovplyvnenej oblasti (TOO) nastalo výrazné zjemnenie zrna a miktorštruktúra v tejto oblasti je tvorená najmä polyedrickým feritom (obr. 62). Vo vysoko vyhriatej TOO je pozorované čiastočne zhrubnutie pôvodného austenitického zrna. Mikroštruktúra je tvorená najmä acikulárnym feritom, polyedrickým feritom a ojedinele 71

72 možno pozorovať hrubý acikulárny ferit (obr.63). Zvarový kov je tvorený najmä acikulárnym feritom a ojedinele sa vyskytujúcim horným bainitom (obr. 64). Mikroštruktúra základného materiálu DP450 tvorená feritom a terciálnym cementitom (obr. 65). V TOO nastalo výrazné zjemnenie zrna a mikroštruktúra je tvorená najmä polyedrickým feritom (obr. 66). Vo vysoko vyhriatej TOO je pozorované čiastočne zhrubnutie pôvodného austenitického zrna. Mikroštruktúra je tvorená najmä acikulárnym feritom, polyedrickým feritom a ojedinele možno pozorovať hrubý acikulárny ferit (obr.67). Vzorka 1B základný materiál zváraný vláknovým laserom s výkonom 2,2 kw Obr. 68 Mikroštruktúra materiálu ZM vz.1b(hr45) Obr. 72 Mikroštruktúra materiálu ZM vz.1b (DP450) Obr. 69 Mikroštruktúra TOO materiálu vz.1b (HR45) Obr. 73 Mikroštruktúra TOO materiálu vz.1b (DP450) 72

73 Obr. 70 Mikroštruktúra prechodu zvarový kov TOO materiálu vz.1b (HR45) Obr. 74 Mikroštruktúra prechodu zvarový kov TOO materiálu vz.1b (DP450) Obr. 71 Mikroštruktúra zvarového kovu vz.1b Popis mikroštruktúry vzorky 1B Mikroštruktúra základného materiálu HR45 je tvorená feritom a riadkovito vylúčeným perlitom (obr.68). V TOO nastalo výrazné zjemnenie zrna a mikroštruktúra je tvorená najmä polyedrickým feritom (obr. 69). Vo vysoko vyhriatej TOO je pozorované čiastočne zhrubnutie pôvodného austenitického zrna. Mikroštruktúra je tvorená najmä acikulárnym feritom, polyedrickým feritom a ojedinele možno pozorovať hrubý acikulárny ferit (obr.70). Zvarový kov je tvorený dolným bainitom a ostrovčekmi martenzitu (obr.71). Mikroštruktúra základného materiálu DP450 je tvorená feritom a terciálnym cementitom (obr. 72). V TOO nastalo výrazné zjemnenie zrna a mikroštruktúra je tvorená najmä polyedrickým feritom (obr. 73). Vo vysoko vyhriatej TOO je pozorované čiastočne zhrubnutie pôvodného austenitického zrna. Mikroštruktúra je tvorená najmä acikulárnym feritom, polyedrickým feritom a ojedinele možno pozorovať hrubý acikulárny ferit (obr.74). 73

74 Ďalej bola na uvedených vzorkách vykonaná aj skúška tvrdosti na skúšobnom zariadení tvrdomer typ BUEHLER INDENTAMET 1105 a skúšobná metóda podľa Vickersa metóda odtlačku vpichu diamantovým ihlanom s uhlom stien v zmysle STN EN ISO Skúšobné parametre: - zaťaženie 9,804 N (HV 1) - doba zaťaženia 10 s - miesto merania podľa STN EN v líniach R1 obr Obr. 75 Rozmiestnenie vpichov v líniach R1 ZM základný materiál, HS hranica stavenia (hranica natavenia) prechod medzi TOO a ZK, ZK zvarový kov ZM1HR45 ZM2DP450 TOO ZK Obr.76 Grafický priebeh vyhodnotenia mikrotvrdosti 74

75 Tab. 9 Vyhodnotenie skúšky tvrdosti podľa Vickersa Vzorka 1A HR45-DP450 Vzorka 1B HR45-DP450 Vpich u (µm) HV 1 Miesto Vpich u (µm) HV 1 Miesto 1 118,7 145,6 ZM1HR ,2 146,3 ZM1HR ,7 138,4 ZM1HR ,3 143,4 ZM1HR ,1 138,9 ZM1HR ,8 146,1 ZM1HR ,3 224,4 HS1HR ,8 290,3 HS1HR ,8 194,5 HS1HR ,0 306,2 HS1HR ,8 225,2 HS1HR ,4 302,9 HS1HR ,8 285,8 ZK 7 71,0 324,9 ZK 8 91,8 223,9 HS2DP ,9 274,1 HS2DP ,1 253,4 HS2DP ,4 281,1 HS2DP ,4 233,6 HS2DP ,5 258,5 HS2DP ,8 176,3 ZM2DP ,7 158,8 ZM2DP ,6 145,0 ZM2DP ,5 155,5 ZM2DP ,6 139,2 ZM2DP ,0 157,7 ZM2DP450 kde, ZM základný materiál, HS hranica stavenia (hranica natavenia) prechod medzi TOO a ZK, ZK zvarový kov 4.5 Skúška ohýbaním Na uvedenú skúšku boli použité skúšobné vzorky už z pripravených laserovo zváraných polotovarov s rozmermi: dĺžka 500 mm, šírka 2 x 65 mm a rozdielnou hrúbkou 1,9 mm (mat. HR45) a 1,3 mm (mat. DP 450) s priečnym 90 a pozdĺžnym 0 smerom valcovania. Skúšobné vzorky s rozmermi 70 mm x 130 mm boli pripravené strihaním. Skúška bola vykonaná na ručnej ohýbačke typ XK 2000/2A. Je to jednoduchý stroj na ohýbanie plechu, ktorý má prestaviteľný pracovný stôl. Masívna liatinová konštrukcia stroja zaručuje vysokú presnosť ohybov. Umožňuje ohýbanie plechu s max. šírkou 2050 mm do 135 uhla. Maximálny uhol ohybu pre ostré pravítko je 135 a doraz pre rovnaké uhly ohybu je obr

76 Obr. 77 Ručná ohýbačka plechov Typ XK 2000/2A [28] Po realizácii skúšky bol zmeraný uhol ohybu na vzorkách optickým uhlomerom PZO s presnosťou merania na Popis skúšky Skúška ohýbaním bola realizovaná na štyroch vzorkách zváraných na vláknovom a diskovom laseri s rozdielnymi parametrami zvárania tab. 10. Tab. 10 Skúšobné vzorky na skúšku ohýbaním Označenie Parametre zvárania Druh použitého lasera vzorky 1B P=2,2 kw, v=23 mm/s, Ar=15 l/min. Vláknový laser IPG YRL A P=1 kw, v=10 mm/s, Ar=15 l/min. Diskový laser TruDisk1000 2B P=2,2 kw, v=23 mm/s, Ar=15 l/min. Vláknový laser IPG YRL A P=1 kw, v=10 mm/s, Ar=15 l/min. Diskový laser TruDisk

77 Vzorka 1B smer valcovania 0 v pozdĺžnom smere, uhol ohybu nameraný optickým uhlomerom s veľkosťou obr. 78 Obr. 78 Ohyb vzorky 1B Vzorka 1A - smer valcovania 90 v priečnom smere, uhol ohybu nameraný optickým uhlomerom s veľkosťou 134 obr. 79. Obr. 79 Ohyb vzorky 1A 77

78 Vzorka 2B smer valcovania 0 v pozdĺžnom smere, uhol ohybu s veľkosťou 180 bez použitia vložky obr. 80. Obr. 80 Ohyb vzorky 2B Vzorka 2A smer valcovania 0 v pozdĺžnom smere, ohybu s veľkosťou 180 bez použitia vložky obr. 81 Obr. 81 Ohyb vzorky č.2a 78

79 4.6 Skúška ťahaním Pri prezentovanom experimente boli použité skúšobné vzorky pre ťahanie kruhového tvaru s priemerom 120 mm zvárané diskovým aj vláknovým laserom obr. 82. Obr. 82 Skúšobné vzorky pre ťahanie Skúška ťahaním bola vykonaná na mechanickom lise Typ LEXN 100C s menovitou silou 1000 kn, pracovným tlakom vzduchu 6 MPa. Ťažný nástroj s priemerom ťažníka 59,6 mm a priemerom ťažnice 65 mm obr. 83. ťažník pridržiavač ťažnica Obr. 83 Ťažný nástroj 79

80 Pre experimentálny výskum výťažkov z kombinovaných materiálov rozdielnej hrúbky, bol navrhnutý a vyrobený experimentálny pridržiavač (obr. 84) na zabezpečenie rovnomerného pôsobenia sily ťažníka na skúšobnú vzorku. Obr. 84 Náčrt experimentálneho ťažníka Popis skúšky a výpočty Skúška bola vykonaná na štyroch vzorkách z jednotlivej skupiny polotovarov. Skúšobná vzorka bola spolu s pridržiavačom upevnená na ťažnicu obr.85. Pohybom ťažníka a pôsobením sily na materiál vzorky bol vytvorený výťažok obr.86. Pri ťahaní valcového výťažku sa časť prístrihu zmení vťahovaním do ťažnice na valcovú časť s priemerom d a výškou h. Nakoľko aj pri ťahaní platí zákon konštantnosti objemu, objem materiálu sa presúva a tým sa zväčšuje výška výťažku. 80

81 Obr. 85 Princíp ťahania valcových výťažkov a) b) Obr. 86 Valcové výťažky a) zvar diskový laser b) zvar vláknový laser 81

82 Výpočty Na jednotlivých skúšobných vzorkách boli namerané hodnoty priemerov výťažkov v dvoch úrovniach bez ohľadu na prechodové polomery: 1. úroveň - oblasť prechodu valcovej steny do dna nádoby (obr. 87) meranie 1.1. hodnota nameraná kolmo na zvar meranie 1.2. hodnota nameraná v smere zvaru 2. úroveň - horný okraj plášťa valcového výťažku meranie 2.1. hodnota nameraná kolmo na zvar meranie 2.2. hodnota nameraná v smere zvaru (obr. 88) Obr. 87 Miesta merania Obr. 88 Miesta merania 82

83 Tab. 11 Namerané hodnoty valcových výťažkov Označenie vzorky Priemer kolmo na zvar [mm] 1.1. Priemer v smere zvaru [mm] 1.2. Priemer kolmo na zvar [mm] 2.1. Priemer v smere zvaru [mm] 2.1. Výška výťažku [mm] 1B 63, ,3 22,6 2B 63,8 63,5 65,1 65,4 30 3B 63,4 63,6 64, ,6 4B 63,3 63, A 63,3 63,5 65, ,8 2A 63,1 63,5 65,4 65,2 37 3A 63,4 63,6 65,2 64,8 38,4 4A 62,8 64,7 64,2 64,4 43,2 Tangenciálne pretvorenie φ t a radiálne pretvorenie φ r vypočítané na základe vzťahu: na valcových výťažkoch boli Dp - φ t,r= ln (10) dv kde, D p priemer polotovaru a d v priemer výťažku ďalej nasledujúcim vzťahom boli počítané aj stupeň ťahania d0 120mm - K = = = 2, 01 d 59,6mm v (11) kde, d 0 = D p priemer polotovaru, dv priemer výťažku po prvom ťahu 4.7 Diskusia k dosiahnutým výsledkom Základnou skúškou ťahom sme hodnotili plastické vlastnosti materiálov a zvaru skúšobnej tyče. Teoreticky sa predpokladá, že napätie je rozložené po priereze tyče rovnomerne. V skutočnosti to tak nie je, lebo materiál je anizotropný (zrná sú usporiadané 83

84 nerovnomerne a ich mechanické vlastnosti sú preto v rôznych smeroch rôzne). Predĺženie tyče nie je po celej dĺžke rovnaké. Na obr. 89 je zdokumentovaná vzorka po skúške, kde je viditeľné predĺženie vzorky a vytvorenie krčka na základnom materiáli DP 450 s tenšou hrúbkou 1,3 mm. Zvar tejto vzorky bol vytvorený na diskovom laseri. HR 45 DP 450 Obr. 89 Vzorka po skúške zváraná diskovým laserom Z uvedeného dôvodu bola vyhodnocovaná ťahová skúška na základe požadovaných mechanických vlastností ocele DP 450. Skúška bola vykonaná aj na skúšobnej vzorke zváranej na vláknovom laseri obr. 90. Predĺženie a miesto vzniku krčka bolo taktiež na základom materiáli DP 450 s hrúbkou 1,3 mm. HR 45 DP 450 Obr. 90 Vzorka po skúške zváraná vláknovým laserom Hodnoty medze pevnosti R m na skúšobných vzorkách 1A a 1B, ktoré boli valcované priečnym smerom 90 sa nachádzali v intervale 460,9 469 MPa. Pri porovnaní s intervalom požadovaných hodnôt mechanických vlastností MPa pre tento smer valcovania môžeme potvrdiť, že kombinácia uvedených základných materiálov a spôsob ich spájania diskovým aj vláknovým laserom, je vhodná na tvárnenie hlbokým ťahaním. Skúšky vzoriek 2A a 2B s pozdĺžnym smerom valcovania 0, ktorých hodnoty medze pevnosti R m sa nachádzajú v intervale 466,7 474 MPa, taktiež potvrdili vhodnosť prístrihov tvárnenie hlbokým ťahaním. Požadované hodnoty sú v intervale MPa. Skúškou hĺbenia plechov a pásov podľa Erichsena hodnotíme hlbokoťažnosť oceľových plechov, kde prevládajúcim namáhaním je ťahanie materiálu z pôdorysnej plochy. 84

85 Mierou hlbokoťažnosti je hĺbka vtlačku, ktorá závisí od hrúbky plechu, mechanických vlastností, spôsobu merania a deformácie. Na skúšobných vzorkách číslo 1A a 2A, ktoré boli zvárané diskovým laserom sa pri hĺbke vtlačkov 7 7,5 mm začal vytvárať krčok na vtlačku lokálne zúženie. Na skúšobných vzorkách číslo 1B a 2B, ktoré boli zvárané vláknovým laserom vznikalo lokálne zúženie pri hĺbke vtlačkov 6 6,5 mm. K úplnému poškodeniu materiálu vzniku trhlín, dochádzalo pri nameraných hodnotách v intervaloch 7 10 mm. Trhliny na skúšobnej vzorke 1A zváranej diskovým laserom a smerom valcovania 90, vznikali na všetkých vtlačkoch v pozdĺžnom smere zvaru s miernym priečnym prechodom do zvaru zo strany tenšieho základného materiálu DP 450. Trhliny na skúšobnej vzorke 2A zváranej diskovým laserom a smerom valcovania 0, vznikali na všetkých vtlačkoch iba v pozdĺžnom smere zvaru v základnom materiáli DP 450. Trhliny na skúšobnej vzorke 1B zváranej vláknovým laserom so smerom valcovania 90, vznikali kolmo na zvar s prechodom do TOO hrubšieho materiálu HR 45. Trhliny na skúšobnej vzorke 2B zváranej vláknovým laserom so smerom valcovania 0, mali tú istú tendenciu vzniku ako trhliny na skúšobnej vzorke 1B. Pri realizácii skúšky na všetkých skúšobných vzorkách a vykonaných vtlačkoch dochádzalo k miernemu viditeľnému posunu zvaru z tenšieho základného materiálu DP 450 do hrubšieho základného materiálu HR 45. Na základe výsledkov z mikroštruktúry vzoriek zváraných diskovým aj vláknovým laserom, sme zistili vznik rozdielnych fáz vo zvarových kovoch. Zvarový kov pri zváraní diskovým laserom, je tvorený najmä acikulárnym feritom a ojedinele sa vyskytujúcim horným bainitom, čo vplýva na dobré plastické vlastnosti. Zvarový kov pri zváraní vláknovým laserom, je tvorený dolným bainitom a ostrovčekmi martenzitu. Štruktúrne zmeny smerom k presýteným mikroštruktúram bainiticko-martenzitickým vedú k spevneniu ZK oproti ZM. Pevnosť závisí od jemnej charakteristiky martenzitických a bainitických latiek a prevyšuje aj prípadné zmäkčenie spôsobené rastom zŕn. Porovnaním získaných hodnôt zo skúšky tvrdosti podľa Vickersa z jednotlivých vzoriek môžeme konštatovať, že zvar zváraný diskovým laserom vykazuje nižšiu tvrdosť HV1 285,8 a v TOO HR45 v intervale od 194,5 do 225,2 (zvar je húževnatý) ako zvar zváraný vláknovým laserom HV1 324,9 a v TOO HR45 v intervale od 290,3 do 306,2 (zvar je krehký). 85

86 Výsledkom Erichsenovej skúšky je, že najvhodnejšie kritéria hlbokoťažnosti vykazuje skúšobná vzorka 2A zváraná diskovým laserom a smerom valcovania 0, kedy nedochádza pri zaťažení k vzniku trhlín a defektov vo zvare. Pri ohýbaní nastáva pružno-plastická deformácia materiálu, dochádza k trvalému pretvoreniu a vytváraniu oblých hrán na výtvarkoch. Materiál sa na vnútornej strane ohybu vplyvom tlakových napätí stláča a na vonkajšej strane ohybu sa vplyvom ťahových napätí rozťahuje. Vzorky boli vyhodnocované zo strany vonkajšej, kde pôsobia ťahové napätia na zvar a vzniká nám oblasť náchylná na trhliny a porušenia. Pomocou zariadenia DinoLite AM 413T sme mohli vyhodnotiť prípadný vznik trhlín. Na nasledujúcej fotodokumentácii je detailne zaznamenané správanie zvarov po skúške. Na obr. 91,92,94 je veľmi dobre viditeľná a zaznamenaná odolnosť zvarov namáhaných ťahovými napätiami a odolnosť voči vzniku trhlín a defektov vo zvaroch vykonaných diskovým aj vláknovým laserom s rozdielnymi parametrami zvárania. Zmena zvaru a vznik povrchovej trhliny bol výsledkom ohýbania skúšobnej vzorky 2B (obr. 93), ktorá bola zváraná vláknovým laserom a následne ohýbaná pod uhlom s veľkosťou 180. Povrchová trhlina vznikla na rozhraní zvaru a teplom ovplyvnenej oblasti (TOO) základného materiálu konštrukčnej ocele TRIP HR 45 s hrúbkou 1,9 mm. Obr.91 Vzorka 1B 86

87 Obr. 92 Vzorka 1A Trhlina Obr. 93 Vzorka 2B Obr.94 Vzorka 2A 87

88 Na základe zistených skutočností môžeme konštatovať, že laserovo zvárané polotovary v kombinácii dvoch základných materiálov konštrukčnej ocele DP 450 s hrúbkou 1, 3 mm a ocele TRIP HR 45 s hrúbkou 1,9 mm, zvárané diskovým laserom s použitými zváracími parametrami sú vhodné na ohýbanie až do maximálneho uhla ohybu bez použitia vložky s veľkosťou 180. Experimentálnou skúškou sme zistili, že polotovary zvárané vláknovým laserom pri ohybe s veľkosťou uhla 135 nevykazujú žiadne poškodenie zvaru, takže sú vhodné na ohýbanie. Polotovar skúšaný ohybom s veľkosťou uhla 180 bez použitia vložky vykazoval vznik jemných povrchových trhlín. Z uvedeného dôvodu môžeme zhodnotiť tento polotovar ako nevhodný pre ohýbanie až do maximálneho uhla ohybu 180. Skúškou ťahaním kombinovaného polotovaru s rozdielnou hrúbkou a kvázi rovnomerne rozloženým pridržiavacím tlakom pridržiavača sa zvar na dne výťažku všeobecne posúva smerom k hrubšiemu materiálu (obr. 95/1.). Dôsledkom je zvýšený plastický tok z príruby tenšej časti polotovaru do ťažnice. Najnepriaznivejšie napätia sú v oblasti prechodu valcovej steny do dna nádoby a v tomto mieste dochádza aj k najväčšiemu stečeniu materiálu a prípadne k porušeniu (obr. 95/2.). Najväčšie tangenciálne pretvorenie φ t je na okraji plášťa valcového výťažku s prírubou (obr. 95/3.) Obr. 95 Zmeny zvaru na výťažku po skúške 88