SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA ZVÁRANIE DVOJFÁZOVÝCH OCELÍ LASEROVÝM LÚČOM

Transcription

1 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA ZVÁRANIE DVOJFÁZOVÝCH OCELÍ LASEROVÝM LÚČOM BAKALÁRSKA PRÁCA MTF Študijný program: výrobné technológie Číslo a názov študijného odboru: výrobné technológie Školiace pracovisko: UVTE Katedra zvárania, MTF STU Trnava Vedúci záverečnej práce/školiteľ: Ing. Miroslav Sahul Trnava 2011 Matej Šútovec

2 3

3 SÚHRN Kľúčové slová: Laserový lúč, Zváranie laserom, Laserové zdroje, Dvojfázové ocele, Zmäkčenie Predložená bakalárska práca sa zaoberá problematikou laserového zvárania dvojfázových ocelí. Práca poskytuje teoretické informácie o princípe lasera a laserovom zváraní vrátane moderných techník ako je skenerové zváranie. Zároveň popisuje klasické zváracie zdroje predstavované CO 2 alebo Nd:YAG lasermi, ale aj najprogresívnejšie vláknové a diskové lasery a ich priemyselné využitie pri zváraní so zameraním na automobilový priemysel. Snaha o zníženie spotreby paliva pri súčasnom zvýšení bezpečnosti posádky automobilu priniesla požiadavku na redukciu hmotnosti aplikáciou moderných vysokopevných materiálov, medzi ktoré sa zaraďujú aj dvojfázové ocele. V ďalšej časti bakalárskej práce sú preto charakterizované DP ocele. Na základe analýzy odbornej literatúry sú uvedené špecifiká zvárania DP ocelí, ako napr. vznik zmäkčenej oblasti v TOO. V záverečnej časti práce sú podrobne popísané parametre zvárania a navrhnuté možné metódy kontroly kvality zvarových spojov. ABSTRACT Keywords: Laser beam, Laser welding, Laser sources, Dual-phase steels, Softening This bachelor work deals with task of laser welding dual phase steels. The paper provides theoretical information on principles of laser action and on laser welding, including advanced methods such as scanner welding. It also describes traditional power sources represented by CO2 or Nd:YAG lasers and also most progressive fiber and disk lasers, including their industrial use in welding with a focus on the automotive industry. Endeavor to lower fuel consumption simultaneously with improving driver and passengers safety brings demand on reduction of the weight by application of modern high strength materials such as dual phase steels. Due to this fact in next part of the thesis are described DP steels. Based on analysis of specialized technical literature there are introduced particularities of DP steels welding such as formation of soft zone in HAZ. In the final part of the work are detailed welding parameters and proposed some methods to control the quality of welded joints. 4

4 OBSAH ÚVOD...5 ZOZNAM SYMBOLOV, SKRATIEK A ZNAČIEK SÚČASNÝ STAV V OBLASTI ZVÁRANIA LASEROVÝM LÚČOM Princíp laserov Fokusovanie laserového lúča Zváranie laserovým lúčom Základné režimy pri zváraní laserovým lúčom Kondukčné zváranie Zváranie s hlbokým prienikom žiarenia do materiálu Skenerové zváranie CHARAKTERISTIKA DVOJFÁZOVÝCH OCELÍ Moderná koncepcia automobilu Dvojfázové ocele Mechanické vlastnosti DP ocelí Vplyv objemového podielu martenzitu na mechanické vlastnosti Pomer medze klzu a medze pevnosti Deformačné spevnenie Bake hardening efekt Vlastnosti zváraných dvojfázových ocelí Priebeh mikrotvrdostí a mikroštruktúra zvaru Mechanické vlastnosti Metódy výroby dvojfázových ocelí Metóda interkritického žíhania Metóda as-hot-rolled VÝBER LASERA NA ZVÁRANIE Laserové zariadenia Pevnolátkové lasery Neodýmové lasery Polovodičové lasery Vláknové lasery Diskové lasery Plynové lasery Molekulové CO 2 lasery NÁVRH PARAMETROV A PODMIENOK ZVÁRANIA Parametre kontinuálneho režimu zvárania Prehľad parametrov zvárania publikovaných v dostupných prácach NÁVRH KONTROLY KVALITY ZVAROVÝCH SPOJOV Skúška ťahom Meranie mikrotvrdostí Svetelná mikroskopia EDX analýza...46 ZÁVER...48 BIBLIOGRAFICKÉ ODKAZY

5 ÚVOD Automobilový priemysel si vytýčil za svoje ciele znižovanie spotreby paliva za účelom redukcie emisií do ovzdušia a súčasné zvyšovanie bezpečnosti a komfortu posádky. Tieto požiadavky bolo možné naplniť jedine redukciou hmotnosti automobilu a použitím moderných materiálov pri výrobe. Na vzniknutú situáciu zareagoval hutnícky priemysel výskumom a výrobou progresívnych vysokopevných ocelí, medzi ktoré patria aj dvojfázové ocele. Tieto ocele sú špecifické feriticko-martenzitickou mikroštruktúrou, ktorá poskytuje vysokú pevnosť a zároveň dobrú tvárniteľnosť. V kombinácii so schopnosťou absorbovať nárazovú energiu majú teda vlastnosti ideálne pre automobilový priemysel. Spoje dvojfázových ocelí sa vyhotovujú predovšetkým zváraním laserovým lúčom. Tento druh zvárania umožňuje vysokú produktivitu výroby a dosiahnutie úzkej teplom ovplyvnenej oblasti vzhľadom na krátke teplotné cykly. Minimalizovanie TOO zachováva vhodné vlastnosti materiálu pre ďalšie technologické operácie, napr. tvárnenie. Moderné laserové zdroje akými sú vláknový alebo diskový laser, poskytujú vysokú kvalitu lúča, vysoký výkon a efektívnosť. Tieto a ďalšie vlastnosti, napr. možnosť prenosu lúča optickým vláknom, umožňuje aplikáciu progresívnej technológie zvárania, akým je skenerové zváranie. Pri skenerovom zváraní dochádza k výraznému nárastu produktivity práce redukciou neproduktívnych časov pri výrobe. Predkladaná bakalárska práca si kladie za cieľ na základe štúdia odbornej literatúry stručne zhrnúť problematiku laserového zvárania dvojfázových feriticko-martenzitických ocelí. Práca sa bude venovať princípu lasera, najpoužívanejších laserových zdrojov a samotnej technológii zvárania laserovým lúčom. Ďalej poskytne charakteristiku dvojfázových ocelí, špecifiká vyplývajúce z laserového zvárania týchto ocelí a prehľad parametrov zvárania na základe štúdia vykonaných experimentov rôznych autorov. Rovnako sa bude venovať možným metódam kontroly kvality zvarových spojov. 6

6 ZOZNAM SYMBOLOV, SKRATIEK A ZNAČIEK AHSS atď. BH BM DP EDX EN F FBG FZ HAZ HSLA ISO Laser M M s Nd:YAG Obr. SAV SEM SUV Tab. TM TOO TRIP tzv. WM Yb:YAG advanced high-strength steel (progresívne vysokopevné ocele) a tak ďalej bake hardening base metal (základný kov) dual-phase (dvojfázové ocele) energy dispersive x-ray európska norma ferit fiber Bragg gratings (vláknové Braggove mriežky) fusion zone (zvarový kov) heat affected zone (teplom ovplyvnená oblasť) high-strength low-alloy (vysokopevné nízkolegované ocele) International organization for standardization / norma ISO light amplification by stimulated emission of radiation (zosilňovanie svetla stimulovanou emisiou žiarenia) martenzit martenzit start YAG laser aktivovaný iónmi neodýmu Obrázok Slovenská akadémia vied scanning electron microscope (rastrovací elektrónový mikroskop) sport utility vehicle (športovo-úžitkové vozidlo, terénne vozidlo) Tabuľka tempered martensite (popustený martenzit) teplom ovplyvnená oblasť transformation induced plasticity (ocele s transformačne indukovanou plasticitou) takzvané weld material (zvarový kov) YAG laser aktivovaný iónmi yterbia 7

7 1 LITERÁRNY PREHĽAD V OBLASTI LASEROVÉHO ZVÁRANIA Technológie zvárania prechádzajú neustálym vývojom. Inak to nie je ani v prípade zvárania materiálov laserovým lúčom. Výskum priniesol v posledných rokoch nové moderné laserové zariadenia a spôsoby zvárania, vďaka ktorým sa použitie zvárania laserovým lúčom rozširuje a nachádza široké uplatnenie napríklad v automobilovom priemysle. Súčasným trendom je neustále zvyšovanie kvality laserového lúča a účinnosti laserových zariadení. V tejto kapitole je stručne charakterizovaný samotný laserový lúč a technológia zvárania laserovým lúčom. 1.1 Princíp laserov Laserový lúč vo svojej podstate je vlnenie optického druhu, ktoré patrí do skupiny elektromagnetického žiarenia a od iných druhov žiarenia sa líši vlnovou dĺžkou. Slovo laser je skratka z anglického Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation zosilňovanie svetla stimulovanou emisiou žiarenia, v čom spočíva základ jeho činnosti. Bežné svetelné žiarenie je vlnenie, ktoré obsahuje vlny najrozmanitejších dĺžok a frekvencií, spontánne vychádzajúce rôznymi smermi. 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, 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. Vďaka koherentnosti lúča možno pomocou optického systému sústrediť žiarenie do veľmi malého bodu. Takto skoncentrovaná energia je schopná roztaviť prakticky každý známy materiál [1]. Hustota výkonu lúča môže dosiahnuť až W.cm -2 [2]. Princípom fungovania laserov je interakcia elektromagnetického poľa a látky. 8

8 Častica látky (molekula, atóm, ión) prijme energiu pôsobením vonkajšieho elektromagnetického poľa (čerpacieho zdroja). Takto vybudená častica potom odovzdáva prebytočnú energiu vo forme tepla, alebo vyžiarením fotónu do priestoru pri žiarivom prechode. Frekvencia vonkajšieho elektromagnetického poľa a žiarivého kvantového prechodu je rovnaká. Tento proces sa nazýva stimulovaná emisia a tvorí základ práce laserov [2]. 1.2 Fokusovanie laserového lúča Nesfokusovaný lúč vo všeobecnosti nedáva dostatočnú hustotu energie, potrebnú na dosiahnutie teploty, ako je bod tavenia, či bod varu. Jeho priemer býva rádovo v mm. Takýto priemer je veľmi veľký pre aplikácie, kde sa vyžaduje malá tepelne ovplyvnená oblasť. Preto je potrebné fokusovanie lúča [1]. Fokusovanie lúča sa robí za pomoci optických šošoviek alebo zrkadiel. Výber vhodných optických prvkov závisí hlavne od vlnovej dĺžky laserového žiarenia a intenzity výkonu. Šošovky umožňujú fokusovať laserový lúč do menšieho a symetrickejšieho bodu než zrkadlá, čo vplýva na zvýšenie intenzity výkonu v ohnisku pri použití šošoviek. Nevýhodou šošoviek je, že sú prakticky použiteľné asi len do výkonu 2 kw. Systém používajúci optické šošovky nemôže dlhšie pracovať pri vysokých výkonoch, pretože sú laserovým lúčom porušované a môžu zhorieť. Pri výkonoch nad 2 kw sa preto používajú optické zrkadlá konkávneho a parabolického tvaru [2]. Požiadavky na fokusáciu sa veľmi rôznia podľa charakteru zváracích úloh. Keď ide o dosiahnutie najvyššej kvality povrchu zvarovej húsenice, uprednostňuje sa kondukčné zváranie, pri ktorom sa nevytvorí paroplynový kanál - plytké zváranie s nízkou fokusovateľnosťou lúča. Pri takomto zváraní spravidla postačí aj výkon a kvalita diódových laserov. Pri zváraní karosérií sa na dosiahnutie dobre formovaných zvarov uprednostňuje stredná hodnota fokusovateľnosti, ktorá zároveň umožňuje aj dobré formovanie zvarového spoja i pri pomerne vysokej tolerancii zvarovej medzery. Na takéto aplikácie dostatočne vyhovujú aj výbojkami budené pevnolátkové lasery [3]. 9

9 Fokusovateľnosť je popri výkone najdôležitejšia vlastnosť laserového lúča vzťahujúca sa k jeho aplikácii pri zváraní. Jej zvyšovanie má niekoľko systémových predností, ako zvýšenie pracovnej vzdialenosti fokusačnej šošovky od zvarku, zväčšenie hĺbky ostrosti a s tým spojené väčšie polohové tolerancie. Zvýšenie fokusovateľnosti ďalej spôsobuje zoštíhlenie optických komponentov (Obr.1). V porovnaní so štandardnou optikou, aká sa dnes používa pre výbojkami budené pevnolátkové lasery, má kompaktná optika pre lúč s dvojnásobnou hodnotou fokusovateľnosti, pri rovnakom priemere ohniska a pri rovnakej vzdialenosti fokusačnej šošovky, iba 50 % jej priemeru a iba 25 % jej hmotnosti a objemu. To zmenšuje vplyv hmotnosti a zvyšuje dynamiku strojov. Pri skenerovom zváraní sa zvýšenie fokusovateľnosti prejaví priamo zväčšením pracovnej oblasti. Okrem systémových predností, prináša vyššie fokusovanie aj množstvo technických výhod: vyššiu rýchlosť zvárania, väčšiu hĺbku prievaru a užšie zvary. Obr. 1 Výhody vyššej fokusovateľnosti [3] Vývinom ostro-fokusovateľných CO 2 laserov sa umožnilo použitie laserového zvárania aj na zváranie prevodoviek (vďaka štíhlosti zvaru). Možnosti ďalšieho zlepšenia fokusovateľnosti CO 2 laserov sa čoskoro vyčerpajú, pretože sa blížime k ich neprekročiteľnej fyzikálnej hranici. Pri YAG-laseroch je, s ohľadom na krátku vlnovú dĺžku, táto hranica až desaťnásobne vyššia. V kilowattovej oblasti sa dosiahla samým diskovým laserom iba dvadsatina maximálne možnej hodnoty fokusovateľnosti [3]. 10

10 1.3 Zváranie laserovým lúčom Laser vytvára široké možnosti využitia v technologických aplikáciách. Laserové spracovanie je fyzikálny spôsob spracovania zdrojom s vysokou hustotou energie. Umožňuje sústredenie energie na veľmi malú plochu, kde prívod energie je taký veľký, že je potlačený vplyv odvodu tepla do materiálu. Technologické procesy sa tak zrýchľujú a zasahujú oveľa menší objem materiálu [2]. Využitie lasera pri zváraní má opodstatnenie kvôli nasledujúcim skutočnostiam: Teplotné cykly (ohrev-chladnutie) sú veľmi krátke. Materiál je oveľa kratšiu dobu vystavený maximálnym teplotám v porovnaní s oblúkovým zváraním, čo obmedzuje tvorbu trhlín na minimum. Objem zvarového kovu a tepelne ovplyvnenej oblasti je v porovnaní s oblúkovými metódami zvárania niekoľkonásobne menší. Napätia a deformácie sa zmenšujú 5 až 10 krát. Pevnosť zvaru často prevyšuje pevnosť základných materiálov. Krátke teplotné cykly umožňujú zvárať materiály s rozdielnym chemickým zložením. Pôsobením vysokej hustoty energie prebieha počas zvárania odparovanie roztaveného kovu a jeho rafinácia. Prednostne sa odparujú ľahko taviteľné nečistoty. Nepoužívajú sa elektródy, čo pozitívne vplýva na čistotu zvarku. Pri zváraní laserovým lúčom sa dosahujú štíhle zvary. Je možné presné dávkovanie energie, čím je zaručená dobrá reprodukovateľnosť [1,2]. Vďaka týmto vlastnostiam možno zváranie laserovým lúčom aplikovať pri zváraní ocelí a neželezných kovov náchylných k tvorbe trhlín za tepla a za studena, pri zváraní martenzitických a rôznych ťažko zvariteľných materiálov [2]. 11

11 Zváranie laserovým lúčom má dnes nezastupiteľné miesto v technologických procesoch metalurgického spájania kovov (Obr. 2). Obr. 2 Podiel technológií zvárania vo svete [4] Donedávna bolo laserové zváranie najmä doménou veľkosériovej a hromadnej výroby, napríklad v elektropriemysle (zváranie elektróniek elektrónových kanónov, vypínačov a relé), alebo stále rastúcom využití tejto technológie v automobilovom priemysle (karosérie, či komponenty ako vstrekovacie ventily a súkolesia prevodoviek) Tab. 1. Tab. 1 Porovnanie objemu spojov a podielu laserového zvárania a spájkovania na všetkých technológiách spájania pri výrobe niektorých automobilov koncernu VOLKSWAGEN, podľa [5,6] Model Laserové zváranie Podiel technológie Technológia spájania Celková dĺžka spojov Laserové spájkovanie Podiel technológie Celková dĺžka spojov Škoda Octavia II, ,43% 0,5 m 5,07% 1,6 m VW Golf A04 1,20% 1,26 m - - VW Polo A04 3,30% 3,4 m 3,10% 3,18 m SUV (VW Touareg, Porsche Cayenne) 7,00% 9,6 m 4,80% 3,18 m Audi Q7 nedostupné 1,8 m nedostupné 4,5 m V súčasnosti sa vďaka nenáročnému ovládaniu zváracích zariadení s jednoduchou automatizáciou, prípadne bez automatizácie, uplatňuje laserové zváranie aj v malosériovej výrobe (lekárska technika). Vďaka laserovému zváraniu dielov sa dosahuje nielen ich vyššia kvalita, ale súčasne sa znižujú aj výrobné náklady. Laserové zváranie pribúda najmä 12

12 pri spracovaní plechu (drezy, nádoby na potraviny, ochranné kryty atď.) [7] Základné režimy pri zváraní laserovým lúčom Samotný laserový lúč môže byť použitý v pulznom alebo kontinuálnom režime. Zvary v pulznom režime sú podobné ako pri bodovom odporovom zváraní, pri kontinuálnom režime pripomínajú použitie oblúkového zvárania. Kontinuálny režim sa bežne používa pri zváraní väčších konštrukčných zvarov a v praxi je jeho použitie najčastejšie [1,8]. Pulzný režim je rozšírený pre zváranie menších komponentov, ako sú napr. kardiostimulátory, batérie, senzory. Používa sa pre bodové, švové zváranie a mikrozváranie [8, 9]. Pri bodovom zváraní v pulznom režime je možné dosiahnuť priemer zvaru od 0,1 do 2,5 mm s hĺbkou prievaru až do 2 mm. Švové zváranie v tomto režime sa uskutočňuje radom vzájomne sa prekrývajúcich bodových zvarov. Výsledkom je zvar s vysokou integritou, spĺňajúci najnáročnejšie podmienky na hermetický zvar. Týmto spôsobom sú dosiahnuteľné priemery zvarov 0,1 až 3 mm s prievarom do hĺbky 4 mm [10]. Pri zváraní kovov laserovým lúčom, v závislosti od hustoty energie, poznáme nasledujúce základné režimy zvárania: Kondukčné zváranie Pri hustotách výkonu ešte nespôsobujúcich intenzívne vyparovanie (10 5 až 10 6 W.cm -2 ), dochádza k ohrevu tenkej povrchovej vrstvy, pričom natavenie do hĺbky je možné najmä vplyvom tepelných charakteristík materiálu. Hĺbka natavenej oblasti spravidla nepresahuje šírku (Obr. 3). Tento stav je charakteristický pre spracovanie kovov laserovým lúčom o výkone pod 1 kw. Používa sa najmä pre tenkostenné kovové materiály hrúbky do 1 mm [2] a tam, kde požadujeme najvyššiu kvalitu povrchu zvarovej húsenice [3]. 13

13 Zváranie s hlbokým prienikom žiarenia do materiálu (Key-hole) Nazývaný aj penetračný režim zvárania. Pri vyšších hustotách energie (10 6 až 10 7 W.cm -2 ) prestáva byť prienik do hĺbky ohraničený vedením tepla a začínajú pôsobiť nové fyzikálne javy, ktoré vplývajú na formovanie tvaru natavenej oblasti s veľkým pomerom hĺbka šírka. Používa sa pri zváraní materiálov väčších hrúbok. Absorbovaná časť energie laserového lúča spôsobuje, vďaka vysokej hustote, rýchle tavenie a vyparovanie zváraného materiálu vzniká impulz tlaku pár. Na povrchu materiálu sa tvorí dutina, ktorej tvar umožňuje efektívnejšie zachytávanie energie laserového lúča. Vzniká paroplynový kanál s hlbokou penetráciou, obklopený tenkou vrstvou roztaveného kovu. Materiál na prednej stene 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 kúpeľa chladne, zalieva dutinu po paroplynovom kanáli a po stuhnutí tvorí zvarový spoj (Obr. 3) [2]. Obr. 3 Základné režimy zvárania laserovým lúčom [11] Laserový lúč, dopadajúci na oblak produktov vyparovania, spôsobuje jeho ionizáciu a následnú tvorbu plazmy. Plazma sa objavuje periodicky. Keď je plazma vytvorená, lúč nemôže intenzívne žiariť na čelo paroplynového kanála. Čelo paroplynového kanála tmavne, vyparovanie nie je dostatočne intenzívne a plazma sa 14

14 stráca. Po zmiznutí plazmy sa čelo kanála stáva žiarivým, čo podporuje intenzívne vyparovanie s následným opätovným vznikom plazmy. Plazmový oblak prekáža prechodu laserového lúča na povrch materiálu. Použitie ochranného plynu (Ar, N 2, ideálne He) a správnom nastavení jeho množstva, tlaku a smeru, zabezpečuje prúdenie plazmy pozdĺž zadnej steny paroplynového kanála a umožňuje prechod laserového žiarenia bez strát. Ďalšou možnosťou eliminácie nepriaznivého vplyvu plazmy na geometriu zvarového spoja je použitie vákua a periodického pulzného režimu zvárania [2] Skenerové zváranie Skenerové zváranie je moderná technológia, ktorá sa využíva najmä v automobilovom priemysle pri zváraní dielov karosérie. Používajú ju popredné automobilky ako Audi, Volkswagen či Daymler Chrysler [12]. Princíp skenerového zvárania spočíva vo vedení laserového lúča pomocou zrkadiel priamo na miesto spracovania. Zrkadlá sú uložené vo vzdialenosti cca 1 m nad obrobkom. Malé vychýlenie zrkadla umožní veľký presun lúča po pracovnej ploche (Obr. 4). Obr. 4 Princíp skenerového zvárania 1-natočenie zrkadla umožňuje presun lúča v osiach x a y, 2-pohyb šošovky zabezpečuje presun v osi z, 3- pracovná oblasť, 4-presun lúča v rovine pri pohybe zrkadla [13] 15

15 Skenerový systém obsahuje laserový zdroj s vysokou kvalitou lúča (Obr. 5), skenerovú optiku, pracovný priestor a riadenie. Zrkadlá umožňujú pohyb na obrobku rýchlosťou vyššou ako 700 m.min -1. Pohyblivá fokusačná optika drží polohu ohniska konštantne na obrobku. Zariadenie umožňuje naprogramovať ľubovoľné pozície a postupy procesu zvárania a kontrola pozície zrkadla garantuje, aby bol bod zvaru v presne naprogramovanom bode. Výkon lasera je synchronizovanie riadený s pohybom optiky. Použitie lasera s vysokým výkonom a s vysokou kvalitou lúča (v súčasnosti hlavne diskový laser) umožňuje zvárať dielce z ocele, antikorového materiálu aj hliníka [14]. Obr. 5 Laserové zariadenia použiteľné pre skenerové zváranie (scanner, remote welding) [15] Výhody oproti konvenčnému zváraniu sú najmä v značne zvýšenej produktivite. Rýchly pohyb zrkadiel skenerovej optiky nahrádzajú inak obvyklé pozičné časy robota a výrazne znižujú dobu procesu. Odpadá nutnosť presúvať obrobok. V porovnaní s odporovým bodovým zváraním, pri ktorom sa zvára rýchlosťou v priemere asi 0,5 zvareného bodu za sekundu, umožňuje laserové skenerové zváranie 3 až 4 zvary za sekundu. Z toho vyplýva aj značne vyššia vyťaženosť laserového zdroja a tým aj zvýšenie hospodárnosti celého procesu [14,16]. 16

16 2 CHARAKTERISTIKA DVOJFÁZOVÝCH OCELÍ 2.1 Moderná koncepcia automobilu Koncepcia rozvoja v rámci automobilového priemyslu do roku 2020 obsahuje nasledovné ciele: zvyšovanie bezpečnosti posádky vozidla, znižovanie spotreby paliva, nárast komfortu a vybavenosti. V perspektíve rozvoja automobilu strednej triedy vytýčili ekonomické štúdie trend, dosiahnuť do spomínaného roku spotrebu paliva na úrovni 2,6 l/100 km. Dosiahnutie takto definovaných protikladných požiadaviek je možné len pomocou redukcie hmotnosti automobilu. V porovnaní s rokom 2000 (cca kg) by mala hmotnosť automobilu strednej kategórie poklesnúť v roku 2020 o 40%, na hodnotu 870 kg [17]. Z analýzy súčasných automobilov strednej triedy vyplýva, že v roku 2000 mal priemerný európsky automobil hmotnosť kg, pričom podiel ocele a liatin na jeho materiálovej skladbe dosahoval až 62%. Dôsledkom štúdií je, že intenzívna pozornosť automobilových konštruktérov sa zameriava predovšetkým na redukciu hmotnosti najviac používaného materiálu ocele, ktorá tvorí základ konštrukčných častí karoséria, podvozok, motor, atď. Podiel štruktúrnych zložiek auta je na Obr. 6. Príkladom je automobilka Chrysler, ktorá pre budúcnosť uvažuje zníženie hmotnosti karosérie a podvozku o 50%, motora o 10% a palivového systému o 55% [17]. Obr. 6 Štruktúrne zložky auta [18] 17

17 Na požiadavky automobilového priemyslu reagovalo hutníctvo výskumom a vývojom materiálov a technológií na báze Al a ocele, ktoré sú vhodné pre stavby ultraľahkých karosérií. Keďže energetická náročnosť výroby ocelí v porovnaní s hliníkom je nižšia [17], čo sa priaznivo odráža na cene a taktiež environmentálnom hľadisku výroby, existuje svetová tendencia preferovať výskum a vývoj práve oceľových materiálov. Hlavnými dôvodmi používania ocelí sú ich pevnostné vlastnosti, spracovateľnosť či recyklovateľnosť [19]. 2.2 Dvojfázové ocele Naplnenie cieľov koncepcie moderného automobilu je možné použitím takých moderných materiálov, ktoré znížia hmotnosť jednotlivých častí konštrukcie (a tým celkové zníženie hmotnosti automobilu, zníženie spotreby) a zároveň poskytnú pevnostné vlastnosti rovnaké, alebo vyššie ako mali predchádzajúce použité materiály (bezpečnosť, komfort). Ďalšími požiadavkami sú úspora materiálu a energie vynaloženej pri výrobe a zvýšenie životnosti automobilu [19]. Medzi materiály zodpovedajúce uvedeným požiadavkám patria tzv. dvojfázové ocele, vyvíjané od 80. rokov 20. storočia [19]. Patria do skupiny AHSS (Advanced high strenght steels), teda progresívnych vysokopevných ocelí [17]. Dvojfázové ocele bývajú označované aj skratkou DP, z anglického výrazu dual-phase. Charakteristickým rysom dvojfázových ocelí je mikroštruktúra, ktorá pozostáva z feritickej matrice (70 až 90 %) a tvrdej sekundárnej fázy vo forme ostrovčekov martenzitu (10 až 30%) (Obr. 7) [18]. Prítomné môže byť aj malé množstvo bainitu, perlitu a zvyškového austenitu [20]. Obr. 7 Mikroštruktúra dvojfázovej ocele. M martenzit, F ferit. [18] 18

18 DP ocele majú nízky obsah uhlíka pod 0,15% čo zaručuje dobrú zvariteľnosť. Ocele na báze molybdénu a vanádu majú zvýšený obsah mangánu až do 1,5%, pričom obsah kremíka dosahuje až 1,6%. Ocele na báze chrómu majú zvýšený obsah mangánu a kremíka tak, aby pomer Mn a Si bol zhruba 1:1, ale obsah kremíka nepresiahol obsah mangánu. Kremík ako substitučne legujúci prvok výrazne zlepšuje pevnosť pri minimálnom zhoršení húževnatosti a ťažnosti. Dezoxidáciu ocele zabezpečuje koncentrácia Al na úrovni min. 0,02% [18]. Legovanie vanádom, chrómom a molybdénom má za cieľ potlačiť feritickú a perlitickú transformáciu, čoho dôsledkom je zmenšenie ochladzovacej rýchlosti pre transformáciu austenitu na martenzit. Obsah legúr je obmedzený na 0,5% V, 0,5% Cr a 0,1% Mb. Vyšší obsah má za následok silné precipitačné spevnenie, ktoré spôsobuje nárast medze klzu a zníženie ťažnosti [18]. 2.3 Mechanické vlastnosti DP ocelí Vplyv objemového podielu martenzitu na mechanické vlastnosti Rozhodujúci parameter určujúci pevnostnú hladinu materiálu je objemový podiel martenzitu. Jeho rast spôsobuje zvýšenie medze klzu, medze pevnosti a vrubovej húževnatosti dvojfázových ocelí. Tento efekt však bol pozorovaný len pre objemový podiel martenzitu do ƒ m = 55%. Za uvedenou hranicou bol naopak zaznamenaný pokles pevnostných vlastností, ktorý bol vysvetlený znížením koncentrácie uhlíka v martenzite [18]. S rastúcim objemovým podielom martenzitu rovnako rastie aj nebezpečenstvo spájania ostrovčekov martenzitu a vzniku spojitej martenzitickej fázy, čo má degradačný vplyv na pevnostne-plastické charakteristiky materiálu [21]. Podľa [21] sa v súvislosti s objemovou zmenou, ktorá sprevádza martenzitickú transformáciu, deformuje feritická matrica. Vznikajú tak vnútorné napätia, aktivizujú sa dislokačné zdroje, sklzové roviny a zvyšuje sa hustota pohyblivých dislokácií. Tento jav spôsobuje zníženie medze klzu. Medza klzu klesá s rastúcim objemovým podielom martenzitu (do 10-20%), potom lineárne rastie (Obr. 8). 19

19 Obr. 8 Závislosť medze pevnosti a medze klzu na objemovom podieli martenzitu vo feritickomartenzitickej oceli [21] Prítomnosť martenzitu zvyšuje pevnosť základného materiálu a feritická matrica zabezpečuje dobré tvárne vlastnosti, v dôsledku čoho sú takéto ocele považované za ideálne materiály pre automobilový priemysel. V prevažnej miere sa používajú na výrobu častí karosérií, podvozkov a diskov kolies. Ide väčšinou o diely, ktoré sú schopné absorbovať nárazovú energiu [22] Pomer medze klzu a medze pevnosti Výhodou DP ocelí je veľmi dobrý pomer medzi medzou klzu a medzou pevnosti, ktorá sa pohybuje okolo hodnoty 0,6, zatiaľ čo klasické konštrukčné ocele majú tento pomer nad 0,75 a zvarové kovy aj nad 0,9 [23]. Ocele tak vykazujú vyššiu schopnosť pohlcovať nárazovú energiu v porovnaní s konvenčnými HSLA. Porovnanie napäťovodeformačných kriviek rôznych ocelí na Obr

20 Obr. 9 Ťahové diagramy DP, TRIP a HSLA ocelí [25] Deformačné spevnenie Deformačné správanie materiálu možno hodnotiť na základe stanovenia exponenta deformačného spevnenia n. Tento koeficient charakterizuje schopnosť ocele rovnomerne rozložiť deformáciu po celej dĺžke namáhanej súčiastky. Vyššia hodnota exponenta znamená rovnomernejšie rozloženie deformačného napätia, väčší odpor ocele proti zúženiu a lepšiu tvárniteľnosť (Obr. 10)[20]. Obr. 10 Ohybnosť DP ocele DUAL-TEN 590 [24] a) vnútorný rádius blízky nule b) vnútorný rádius blízky polovici ohýbaného materiálu Ohýbanie s takmer nulovým rádiusom je možné bez porušenia materiálu na vonkajšej línii. 21

21 Správanie deformačného spevnenia pri DP oceliach je charakteristické tým, že exponent n rapídne vzrastie pri nízkej hodnote deformácie a pri vysokom pretvorení už klesá [23,25]. Pri deformácii v rozmedzí 2-3% vzrastie medza klzu približne o MPa [26]. Na Obr. 11 sa nachádza porovnanie deformačných charakteristík HSLA, DP a TRIP ocelí. Obr. 11 Charakteristiky deformačného spevnenia HSLA, DP a TRIP ocele [25] Bake hardening efekt Dvojfázové ocele sú žiarovo spevniteľné (tzv. bake hardening - BH). Ide o spôsob zvýšenia pevnosti pri vypaľovaní laku karosérie automobilu pri optimálnych podmienkach 170 C počas 20 minút. Po tvárnení a žiarovom spevnení je možné zvýšiť medzu klzu DP ocele až o 140 MPa (Obr. 12) [26,27]. Obr. 12 Zvýšenie medze klzu DP a HSLA ocele žiarovým a deformačným spevnením [27] 22

22 2.4 Vlastnosti zváraných dvojfázových ocelí Priebeh mikrotvrdostí a mikroštruktúra zvaru Príbuzným znakom zváraných dvojfázových ocelí rôznych tried je prítomnosť tzv. zmäkčenej oblasti (soft zone) v teplom ovplyvnenej oblasti zvarku (TOO). Zmäkčenie sa nachádza vo vonkajšej časti TOO v blízkosti základného materiálu a vykazuje nižšiu hodnotu tvrdosti ako základný materiál (Obr. 13), čo je zapríčinené predovšetkým v dôsledku popustenia martenzitickej fázy. Mikroštruktúra zmäkčenej oblasti obsahuje popustený martenzit a bainit vo feritickej matrici so zvyškovým austenitom (Obr. 14a) [28]. Na Obr. 13 je znázornená rozdielna veľkosť zmäkčenia rôznych DP ocelí. Podľa [29] môže byť tento rozdiel zapríčinený vyšším podielom martenzitu v základnom materiáli, čo vedie k vyššiemu množstvu popusteného martenzitu a tým aj k väčšiemu a závažnejšiemu mäknutiu materiálu v oblasti. Rozmery zmäkčenej oblasti sú podľa [30] nepriamo úmerné rýchlosti zvárania (vplyv rýchlosti zvárania bude podrobnejšie charakterizovaný v kapitole 4, týkajúcej sa parametrov zvárania). Obr. 13 Priebeh mikrotvrdostí zváraných ocelí. a) DP600 (0,09%C, 25% martenzitu v základnom kove), b) DP980 (0,15%C, 52% martenzitu) [29] 23

23 Vyššie hodnoty tvrdosti ako v základnom materiáli je možné pozorovať v zvarovom kove (Obr. 13), ktorého mikroštruktúra obsahuje predovšetkým martenzit a ihlice bainitu a feritu (Obr. 14b). Vznik martenzitu je dôsledkom rýchleho ochladenia zvarového kúpeľa počas zvárania [28]. U dvojfázovej ocele s vyšším pôvodným obsahom martenzitu bol pozorovaný len mierny nárast tvrdosti zvarového kovu oproti základnému materiálu [29]. Obr. 14 Mikroštruktúrne zmeny v laserom zváranej oceli DP600 na snímkach z elektrónovej mikroskopie. a) zvarový kov, b) oblasť zmäkčenia, c) základný materiál [28] Mechanické vlastnosti Na rozdiel od nevýraznej medze klzu na deformačnom diagrame základného materiálu je naopak v prípade zvareného materiálu DP600 medza klzu viditeľná pri všetkých testovaných rýchlostiach deformácie (Obr. 15). U vzoriek podľa [28] došlo k počiatku klzu práve v zmäkčenej oblasti a väčšina plastickej deformácie sa nahromadila v tejto zóne až do porušenia materiálu. Všetky ťahové skúšky skončili pretrhnutím v oblasti 24

24 zmäkčenia. Zvarové spoje vykazujú vyššiu medzu klzu, ale zároveň mierne nižšiu medzu pevnosti ako základný materiál. Medza klzu a medza pevnosti mierne rástla v závislosti od rýchlosti deformácie (Obr. 15) [28]. Obr. 15 Ťahový diagram ocele DP600 pri rôznych rýchlostiach deformácie. a) základný materiál, b) zvarok [28] 2.5 Metódy výroby dvojfázových ocelí V súčasnosti poznáme dve metódy výroby dvojfázových feriticko-martenzitických ocelí a to metódou interkritického žíhania (stacionárne, kontinuálne), alebo technológiou as-hot-rolled, umožňujúce dosiahnuť požadované objemové podiely feritu a martenzitu [21,22] Metóda interkritického žíhania Výroba dvojfázových feriticko-martenzitických ocelí touto metódou je v súčasnosti najrozšírenejšia a zaručuje homogénne plastické vlastnosti po dĺžke i šírke pásu. Je vhodná pre ocele valcované za tepla i za studena. Metóda interkritického žíhania spočíva v ohreve valcovaného materiálu na teplotu v intervale A C1 až A C3 s minimálnou výdržou na tejto teplote, ktorá zaisťuje rovnováhu medzi fázami α a γ a v následnom ochladzovaní nadkritickou rýchlosťou, ktorá zaisťuje tvorbu 25

25 požadovaných objemových podielov feritu a martenzitu (Obr. 16). Pri ohreve za studena valcovaného materiálu na teplotu žíhania v α-γ oblasti dochádza najprv k rekryštalizácii feritu. Pretože pri vysokých teplotách nad 700 C prebieha rekryštalizácia veľmi rýchlo, je ukončená skôr, ako je dosiahnutá predpísaná teplota žíhania. Pri dosiahnutí teploty A C1 dochádza k rozpadu perlitu a s ďalším rastom teploty žíhania k čiastočnej transformácii feritu na austenit. Podiel transformovaného feritu je daný predovšetkým teplotou žíhania a obsahom uhlíka. S rastúcou teplotou žíhania rastie podiel austenitu a klesá podiel feritu. Až pri dosiahnutí teploty A C3 je štruktúra plne austenitická. Pretože výška teplôt A C1 a A C3 je ovplyvnená obsahom uhlíka a legujúcich prvkov je podiel fáz závislý na celkovom chemickom zložení a teplote žíhania [20,21]. Obr. 16 Transformačný diagram vzniku feriticko-martenzitickej štruktúry dvojfázovej ocele metódou interkritického žíhania [31] Pri stacionárnom interkritickom žíhaní v poklopových peciach (materiál je v tvare zvitkov) je rýchlosť ochladzovania z teploty žíhania veľmi nízka - cca 28 K.hod -1. Aby sa zabezpečila homogenita, sú potrebné približne 3 hodiny zotrvania v interkritickej oblasti, nasledované veľmi pomalým ochladzovaním. Práve kvôli vysokým dobám chladnutia je nevyhnutné použitie oveľa vyššieho obsahu legujúcich prvkov pre dosiahnutie 26

26 prekaliteľnosti (2,5% Mn, 1,5% Si, 1% Cr). Zvýšené použitie legúr sa nepriaznivo odráža na cene a naviac môže dochádzať k segregačným problémom, ktoré zapríčiňujú zmeny vlastností ocele. V praxi sa táto metóda príliš nepoužíva [20,21]. Narozdiel od predchádzajúcej metódy, pri kontinuálnom žíhaní je rýchlosť ochladzovania relatívne vysoká a dobre regulovateľná, čo v praxi znamená nižšie nároky na obsah legujúcich prvkov. Ochladzovanie sa uskutočňuje prostredníctvom prúdu plynu, na vzduchu, alebo ochladením - zakalením do vody. Pri kontinuálnom žíhaní dochádza k rýchlemu ohrevu materiálu nad teplotu A 1 s krátkou výdržou na tejto teplote a následnému ochladeniu materiálu. Vysoká teplota žíhania zapríčiňuje rýchlejšiu difúziu mangánu a obohatenie austenitickej fázy. Pri nižšom obsahu Mn je vplyv teploty nižší, pretože rovnováha medzi fázami α a γ je dosiahnutá difúziou uhlíka. Teplota žíhania musí byť dostatočne vysoká pre zaistenie úplného rozpadu karbidov a vytvorenie dvojfázovej štruktúry v krátkom čase [20,21]. Pre výrobu dvojfázových ocelí valcovaných za studena je vhodné kontinuálne žíhanie s veľkými rýchlosťami ohrevu do dvojfázovej oblasti, s krátkou dobou výdrže a následným rýchlym ochladením až zakalením do vody v závislosti na chemickom zložení [21] Metóda as-hot-rolled Dvojfázová mikroštruktúra je v tomto prípade dosiahnutá priamo pri výrobe riadeným valcovaním plechov za tepla, prostredníctvom dôkladnej kontroly chemického zloženia a výrobných podmienok. Valcovanie je ukončené vo fáze, kedy je sformovaných 80 až 90% feritu. Zvyškový austenit sa potom na martenzit transformuje priamo počas zvinutia valcovaných pásov (teplota M s < 400 C), alebo zvinutie prebieha v priestore medzi feriticko-perlitickou a bainitickou oblasťou a transformácia prebehne až po ochladení pod teplotu M s (Obr. 17) [21,32]. 27

27 Obr. 17 Transformačný diagram vzniku rôznych druhov ocelí. [33] 28

28 3 VÝBER LASERA NA ZVÁRANIE 3.1 Laserové zariadenia V súčasnosti sa v priemyselnej praxi využívajú rôzne druhy laserov. Vo všeobecnosti ich možno rozdeliť podľa skupenského stavu aktívneho prostredia na: tuhé, kvapalné a plynné [2]. V ďalšej časti práce sú stručne charakterizované zdroje používané pre priemyselné spracovanie materiálov. 3.2 Pevnolátkové lasery Pre pevnolátkové lasery sa ako aktívne látky používajú monokryštalické alebo amorfné látky, do ktorých sa pridávajú prímesi aktivačných prvkov. Kvanty energie sa vyžarujú a absorbujú pri zmene energetických stavov prímesových atómov. Patria sem: Neodýmové lasery Ako aktívne látky sa používajú materiály, ktoré sú aktivované iónmi Nd 3+. Ide najmä o YAG, Y 3 Al 5 O 2, CaWo 4. Potrebujú relatívne malú energiu na čerpanie a sú vhodné na prácu v pulznom aj kontinuálnom režime [2]. V technickej praxi je najviac používaný Nd:YAG laser. Najintenzívnejšie vyžaruje pri vlnovej dĺžke 1,064 µm. Táto vlnová dĺžka umožňuje prenos lúča vláknovou optikou a fókusáciu bežnými šošovkami, čo umožňuje použiť laser pre zváracie roboty [34]. Budenie môžu zabezpečovať budiace lampy (Obr. 18), alebo laserové diódy [35]. Laser môže pracovať v pulznom aj kontinuálnom režime v rozsahu 0,1 W až niekoľko 100 W [2]. 29

29 Obr. 18 Schéma výbojkami budeného Nd:YAG lasera [36] Polovodičové lasery Napriek tomu, že nebývajú často zahrnuté do pevnolátkových laserov, patria do skupiny pevnolátkových laserových zariadení [37]. Aktívnou látkou sú hlavne GaAs, AlGaAs, GaInP, GaN, PbSe a väčšinu polovodičových laserov tvoria diódové lasery [38]. Čerpanie diódového laseru sa zabezpečuje elektrickým prúdom tečúcim P-N prechodom v priepustnom stave [39]. Diódové lasery majú v porovnaní s inými zariadeniami menšie rozmery a ich cena je nižšia vzhľadom na ich jednoduchosť. Pre aplikáciu pri zváraní však majú určitý nedostatok typický diódový laser dokáže produkovať maximálne niekoľko Wattov výstupného výkonu [40]. Výkon potrebný pre spracovanie materiálov sa dá dosiahnuť jedine zoskupením viacerých lúčov, z čoho vyplýva aj zníženie fokusovateľnosti, ktoré sa dnes nedá ekonomicky prijateľne zlepšiť [3]. Väčšina diódových laserov s vyšším výkonom vykazuje relatívne nízku kvalitu lúča, vysokú divergenciu, asymetriu v priemere a kvalite lúča v dvoch na seba kolmých smeroch. Tieto vlastnosti v kombinácii so slabou fokusovateľnosťou neumožňujú penetračný, ale iba kondukčný režim zvárania [3,40] Vláknové lasery Aktívnou látkou je viacvrstvové optické sklené vlákno dopované iónmi vzácnych zemín (Obr. 19), napr.: erbiom Er3+, neodýmom Nd3+, yterbiom Yb3+, túliom Tm3+, 30

30 alebo prazeodýmom Pr3+, ktoré je budené diódami [41]. Obr. 19 Viacvrstvové dopované optické vlákno [42] Energia z diód sa cez multimódové vlákna spletené do viacvrstvovo povlečenej cievky usmerňuje do aktívneho dopovaného vlákna. Samotný laserový lúč potom vystupuje cez pasívne jednomódové vlákno (Obr. 20). Paralelnou kombináciou viacerých jednomódových vláknových laserov sa vyrobí vláknový laser s výkonom až desiatok kw. Obr. 20 Schéma vláknového lasera [43] FGB (Fiber Bragg Gratings) tzv. Braggove mriežky, odrážajú len svetlo určitej vlnovej dĺžky, ostatné prepustia. V iných konštrukciách vláknového lasera sa používa aj pár zrkadiel nepriepustné a polopriepustné. Výhodou sú nízke náklady na prevádzku a údržbu v porovnaní s ostatnými laserovými systémami a veľká mobilita zdroja ako celku [44]. Podobne ako pri diódových laseroch, vzhľadom na zvyšovanie výkonu pomocou združovania lúčov (inkoherentné spriahnutie viacerých jednotlivých vláknových laserov), je však fokusovateľnosť vláknových laserov principiálne obmedzená [3]. 31

31 3.2.4 Diskové lasery Pracujú na báze yterbiom aktivovanými látkami. Najpoužívanejším je Yb:YAG diskový laser s vlnovou dĺžkou 1,030 µm. Aktívne médium kryštál je vo forme veľmi tenkého disku (pre Yb:YAG má hrúbku 0,2 mm), z ktorého je kolektorom odvádzané teplo. Chladená rubová strana je zrkadlová, odráža laserový lúč a budiace svetlo. Budiacim svetlom je žiarenie laserovej diódy (Obr. 21). Pre dostatočnú absorbciu budiaceho žiarenia diskom, sa budiaci lúč vedie pomocou zrkadiel cez disk až 16-krát [46]. Obr. 21 Princíp práce diskového lasera [45] Budiaci lúč najskôr prichádza na parabolické zrkadlo, ktoré ho smeruje na disk. Časť, ktorú budiaci lúč vyžiari, sa označuje ako budiace miesto. Budiaci lúč prechádza diskom, je odrazený zrkadlovou zadnou stranou, prechádza cez disk druhýkrát a vystupuje (vychádza) z disku. Znova sa dostáva na parabolické zrkadlo. Toto ho spája a vedie na pár odrazových zrkadiel. Tento pár posiela budiaci lúč trochu posunutý znova na parabolické zrkadlo. Odtiaľ ide odznova na disk, k parabolickému zrkadlu a tak ďalej. Po 2 ďalších odrazových pároch zrkadiel a 8 prechodoch cez disk končí lúč na spätnom zrkadle, ktoré ho necháva prejsť celú cestu naspäť. Potom je budiace žiarenie takmer celkom absorbované. Laserový lúč sa šíri kolmo k ploche disku a opúšťa dutinu otvorom v strede parabolického zrkadla. Usmerňovacie zrkadlo rezonátora sa nachádza mimo dutiny (Obr. 22) [46]. Laserový lúč diskového lasera sa vyznačuje vysokou kvalitou. Jeho kvalita je oveľa vyššia ako pri klasicky usporiadanom pevnolátkovom laseri a nezávislá od výkonu. Je to zapríčinené tým, že na disku sa netvorí takmer žiadna tepelná šošovka, ktorá by preformovala laserový lúč. Pracuje v kontinuálnom aj pulznom režime [45,46]. 32

32 Výstupný výkon je momentálne vďaka možnosti zapojiť niekoľko diskov do série na úrovni až 16 kw [47]. Obr. 22 Schéma diskového lasera [46] 3.3 Plynové lasery Ako aktívnu látku používajú plyny alebo zmes plynov a pár. Sú schopné emitovať žiarenie vo veľmi širokom pásme vlnových dĺžok od ultrafialového po infračervené pásmo [2,48]. Podľa typu energetických prechodov možno lasery rozdeliť na: atómové (He-Ne, Ar) iónové (Ar, Kr, He-Cd, He-Se) molekulové (CO 2, CO, H 2 O. N 2 O, HCN, HF) s parami kovov a iných prvkov (Cu, Au, Mn, Pb) rekombinačné (Sr, Ca, Eu) excimérové (Ar 2, Kr 2, Xe 2 ) excipelové (ArF, KrCl, KrF, XeCl, XeF) Vo zváraní sa najčastejšie používajú molekulové CO 2 lasery a iónové Ar lasery [2]. 33

33 3.3.1 Molekulové CO 2 lasery Na čerpanie týchto laserov je možné použiť elektrický výboj. Sú schopné vyvinúť veľký kontinuálny alebo pulzný výkon s relatívne vysokou účinnosťou, cca 20 % [2,49]. Aktívnu látku tvorí zmes plynov CO 2, N 2, He. Vlnová dĺžka výstupu je zvyčajne 10,6 µm. Nevýhodou je situovanie žiarenia v neviditeľnej oblasti, čo zvyšuje reflexiu žiarenia od povrchu materiálu. Lúč je prenášaný zrkadlami [2,15]. Schéma CO 2 lasera na Obr. 23, porovnanie účinnosti na Obr. 24. Obr. 23 Schéma CO 2 lasera 1-laserový lúč, 2-formovanie lúča, 3-polopriepustné zrkadlo, 4-chladiaca kvapalina, 5-vysoká frekvencia, 6- chladiaca kvapalina, 7-spätné zrkadlo, 8-laserový plyn, 9- elektródy [50] CO 2 lasery používané v technologických aplikáciách možno rozdeliť do troch skupín: CO 2 laser s pomalým, pozdĺžnym prúdom plynu (Slow Axial Flow). Dosahuje výstupné výkony do 1200 W pri kontinuálnom režime. Pri pulznom režime sú výkony niekoľkonásobne väčšie. Excitácia je prevádzaná zvyčajne jednosmerným prúdom. Poskytuje stabilný výkon a mód lúča. CO 2 laser s rýchlym, pozdĺžnym prúdom plynu (Fast Axial Flow). Dosahuje výstupné výkony do 5000 W pri excitácii jednosmerným prúdom a do W pri excitácii striedavým prúdom. Excitácia striedavým prúdom zabezpečuje kvalitnejšiu výkonovú aj módovú stabilitu. CO2 laser s priečnym prúdom plynu (Fast Transverse Flow). Dosahuje výstupné 34

34 výkony do W pri kontinuálnom režime. Nie je vhodný pre prácu v pulznom režime, z dôvodu obtiažnej kontroly výboja pri excitácii jednosmerným prúdom. Má horšiu módovú kvalitu a väčšiu divergenciu. Výstupný laserový lúč je použiteľný len do menších vzdialeností [2]. 100% 90% 80% 70% 60% 64% 73% účinnosť 50% 40% 30% 20% 20% 25% 10% 6% 0% Nd:YAG CO2 Yb vláknový laser Yb:YAG diskový laser Diódový laser Obr. 24 Porovnanie účinnosti jednotlivých laserových zariadení [44,49,51,52] Pre výber laserového zariadenia je dôležité zhodnotiť mnoho faktorov ekonomické (jeho cena, cena zváracích a ochranných plynov, veľkosť a teda plocha, ktorú zaberie v prevádzke atď.) a technologické (výkon, možnosti dopravy lúča, kvalita lúča, efektívnosť, ďalšie technologické spracovanie). V prvom rade je však potrebné zhodnotiť v akej oblasti sa bude laser používať. V mojej práci som kládol dôraz na využitie laserového zvárania dvojfázových ocelí v automobilovom priemysle. Z tohto dôvodu budem aj pri výbere uvažovať použitie laserového zdroja použiteľného práve v tejto špecifickej oblasti. Ďalším významným parametrom pri voľbe lasera je jeho vlnová dĺžka. Vzhľadom na to, že žiarenie s kratšou vlnovou dĺžkou je účinnejšie absorbované povrchom kovových materiálov, je vhodné zvoliť pevnolátkový laser. V prípade realizácie experimentu preto navrhujem použiť diskový laser. 35

35 Diskové lasery dokážu poskytnúť veľmi vysoký výkon, vysokú kvalitu lúča, lúč je možné dopravovať prostredníctvom optického vlákna, majú kompaktné rozmery, vysokú efektivitu. Kvôli ich výhodným vlastnostiam je možné uplatnenie skenerového zvárania vo výrobe, čo výrazne vplýva na zvýšenie efektivity výroby. 36

36 4 NÁVRH PARAMETROV A PODMIENOK ZVÁRANIA Parametre zvárania jednoznačne ovplyvňujú kvalitu zvaru. Podmieňujú efektívnosť využitia lasera na technologické procesy. Sú to hlavne časovo výkonové parametre, parametre fokusačného systému a tiež pomocné parametre [2]. 4.1 Parametre kontinuálneho režimu zvárania Základné parametre kontinuálneho režimu zvárania sú: výkon laserového lúča P [W] rýchlosť zvárania v [mm.s -1 ] parametre fokusačného systému Výkon laserového lúča teplotný parameter, vyjadrujúci vplyv laserového lúča na materiál v procese zvárania. Pod výkonom chápeme žiarenie zamierené do fokusačného systému. Význam výkonu a zadanie tohto parametra je oprávnené iba pri známych parametroch lúča (mód, polarizácia, divergencia). Prechodom od jedného modelu lasera k druhému sa môže meniť optimálna hodnota výkonu potrebného na zváranie. Výkon laserového lúča vplýva na schopnosť pretavenia a charakter formovania zvaru. Rýchlosť zvárania Označuje dráhu prejdenú zdrojom ohrevu v dotyku s materiálom za jednotku času. Pri konštantnom výkone charakterizuje množstvo energie dodanej materiálu. Rýchlosť zvárania ovplyvňuje rozloženie teploty v materiáli. Od tohto parametra v značnej miere závisí geometria zvaru, štruktúra, vlastnosti a chemické zloženie materiálu v teplom ovplyvnenej oblasti. Parametre fokusačného systému Sú charakterizované priemerom sfokusovaného lúča, usporiadaním šošoviek alebo objektívu, konštrukciou fokusačného systému a divergenciou lúča. 37

37 Optimálny priemer lúča sa pohybuje v intervale hodnôt 0,5 až 1 mm. Pri priemere menšom ako 0,5 mm je dodaná energia príliš veľká, kov sa prehrieva a zvar sa formuje s veľkým množstvom defektov. Priemer lúča väčší ako 1 mm sa znižuje efektívnosť lúča ako koncentrovaného zdroja. Rozloženie šošoviek sa vyberá v praxi z rozsahu 100 až 200 mm. Divergencia je charakterizovaná fokusačným systémom. Sprievodné parametre: dodaná energia (vyjadruje energiu použitú na jednotku dĺžky) Q = P / v hustota výkonu (pôsobenie lúča na plochu) I [W.cm -2 ] druh a prietok použitého ochranného plynu [2] 4.2 Prehľad parametrov zvárania publikovaných v dostupných prácach Výskum v oblasti zvárania vysokopevných ocelí prebieha na celom svete. Z dostupných publikovaných zdrojov som sa preto snažil zhromaždiť parametre zvárania použité pri niektorých experimentoch, ktoré môžu poslúžiť ako pomôcka pri návrhu parametrov v budúcnosti (Tab. 2). Autori z University of Waterloo [30] v úvode spomínajú prácu, v ktorej bolo porovnávané zváranie laserom s výkonom 6 kw pri rýchlosti 7 m.min -1 a laserom o výkone 3 kw a zváracej rýchlosti 4 m.min -1. V prvom prípade bolo zaznamená menšia šírka oblasti zmäkčenia. V článku [30] ďalej prezentujú vlastný výskum, kde porovnávajú dva rôzne laserové zdroje s rôznymi výkonmi a rozličnými rýchlosťami zvárania oceľových plechov DP 980. Pre diódový laser Nuvonyx ISL-4000 s výkonom 4 kw volili rýchlosti v intervale 0,7 až 1,9 m.min -1. Dôvodom bolo, že podľa autorov zváracia rýchlosť menšia ako 0,7 m.min -1 vedie k neprimeranej veľkosti zvaru a jeho preliačeniu. Rýchlosť nad 1,9 m.min -1 má za následok nedostatočné pretavenie materiálu. Pevnolátkový laser Nd:YAG Haas 38

38 HL3006D s výkonom 3 kw bol použitý pri rýchlostiach 1 až 6 m.min -1 pri ktorých bol dosiahnutý penetračný režim zvárania. Rýchlosť menšia ako 1 m.min -1 viedla k rezaniu materiálu a > 6 m.min -1 k nedostatočnej penetrácii. Ostatné parametre zvárania sú uvedené v Tab. 2 (stĺpce č. 2 a 8). Tab. 2 Prehľad zváracích parametrov Číslo * Autor [29] [30] [53] [53] [55] [54] [56] [30] [57] Laserové zariadenie Nuvonyx ISL Nuvonyx ISL n n Trumph TruFlow 7000? 6kW Trumpf HL 2000D Haas HL3006 D Trumpf TruDisk 6002 Laserový zdroj Výkon [kw] Rýchlosť zvárania [m.min -1 ] Ohnisková vzdialenosť [mm] Rozmer lúča [mm 2 ] Ochranný plyn dióda dióda CO 2 CO 2 CO 2 CO 2 Nd:YAG Nd:YAG Yb:YAG disk , ,7-1, ,5-3 2, , n n n x 0,9 12 x 0,5 n n n n n 0,6 (priemer 0,6 mm) argón argón hélium hélium hélium hélium argón x argón Prietok ochranného plynu [l.min -1 ] 16,5 ; 14, x 30 Režim zvárania kondukčný kondukčný key-hole key-hole key-hole key-hole key-hole key-hole key-hole Zváraný materiál DP600, DP980 DP980 DP590 DP780 DP600 DP600 HDT580 X DP980 DP980/ TRIP780 Hrúbka materiálu [mm] 1,2 ; 1,2 1,17 1,4 1,8 4,0 2,5 2,4 1,17 1,5 / 1,0 * - zvárané bez a s použitím induktora (rýchlost ohrevu 2 m.min -1, max. teplota 795ºC, pri zachovaní rovnakých zváracích parametrov x zadaný paramater nevystupoval v procese zvárania, n - neuvedené Spomínaný výskum viedol k nasledovným výsledkom pri použití oboch typov laserov, pri všetkých študovaných rýchlostiach zvárania od nízkych po vysoké sa tvorila zmäkčená oblasť vo vonkajšej TOO (Obr. 25). Rozmery zmäkčenia (hĺbka a šírka) boli 39

39 nepriamo úmerné rýchlosti zvárania. Pri vyšších rýchlostiach zvárania a key-hole režime Nd:YAG lasera boli pozorované kratšie tepelné cykly, čo zapríčinilo menšiu oblasť zmäkčenia, ktorá poskytovala lepšiu tváraniteľnosť zvarkov. Autori nezistili rozdiel v tvárniteľnosti pri zmene orientácie zvárania vzhľadom na smer valcovania plechov. Tvárniteľnosť zvarku podľa záverov najviac ovplyvnila práve oblasť zmäkčenia. Obr. 25 Prierez zvaru a mikroštruktúra zmäkčenej oblasti pri zváraní a) Nd:YAG laserom s rýchlosťou zvárania 6 m.min -1 b) diódový laser 0,7 m.min -1 [30] Podľa autorov [53] (zváracie parametre v Tab. 2, stĺpce č. 3,4) dôjde pri zváraní nevyhnutne k zmäkčeniu aj v prípade zníženia tepelného príkonu do zváraného materiálu. Kolektív autorov na Univerzite v Aachene [54] pri zváraní ocele DP600 (DP/DP) a TRIP700 (TRIP/TRIP) CO 2 laserom s parametrami uvedenými v Tab. 2, stĺpec č. 6 pozoroval vzrast tvárniteľnosti zvarku s rastúcou rýchlosťou zvárania, vďaka redukcii tepelného príkonu do materiálu. Tvrdosť dosiahla maximálnu hodnotu v zvarovom kove a TOO v jeho blízkosti a ďalej klesala smerom k základnému materiálu. Priebeh nameraných mikrotvrdostí naprieč zvarovými spojmi dokumentuje Obr

40 Obr. 26 Priebeh mikrotvrdostí zváraných ocelí pri rôznych rýchlostiach zvárania a) DP600, b) TRIP700 [54] Autori zo Slovenskej Technickej Univerzity [55] preukázali, že je možné výrazne znížiť tvrdosť v zvarovom kove prostredníctvom dohrevu (Obr. 27), čo prispieva k zlepšeniu mechanických vlastností zvaru (zníženie krehkosti a pod.). Zváracie parametre sú uvedené v Tab. 2, stĺpec č. 5. Obr. 27 Priebeh mikrotvrdostí bez použitia a s použitím ohrevu [55] Rýchlosť zvárania ovplyvňuje šírku zvarového kovu, ako aj teplom ovplyvnenej oblasti. Šírka zvaru narastá, pri poklese rýchlosti zvárania (Obr. 28) [54]. 41

41 Obr. 28 Vplyv rýchlosti zvárania na šírku zvaru a TOO [54] Vo všetkých prípadoch boli zvárané oceľové plechy s hrúbkami, ktoré sú bežné pre použitie v automobilovom priemysle (1,17 až 4 mm). Z uvedeného vyplýva, že pri návrhu parametrov zvárania pre konkrétny experiment je potrebné voliť (s prihliadnutím na výkon) vyššie rýchlosti zvárania pre dosiahnutie menšej šírky oblasti zmäkčenia v TOO. Menšia šírka tejto oblasti má za následok lepšie tvárniace vlastnosti materiálu. Zníženie tvrdosti zvarového kovu pomocou dohrevu induktorom prináša pokles krehkosti a napätosti materiálu. 42

42 5 NÁVRH KONTROLY KVALITY ZVAROVÝCH SPOJOV Zvarové spoje predstavujú najpravdepodobnejšie miesto porušenia materiálu z hľadiska zváranej konštrukcie a ich kvalita sa výrazne podieľa na životnosti zváraných konštrukcií. Z toho dôvodu je potrebné preukázateľne určiť kvalitu zvarov, odhaliť a vylúčiť možné chyby, ktoré sa môžu v zvare vyskytnúť. Na toto posúdenie používame rozličné odborné skúšky. Môžeme ich rozdeliť na deštruktívne a nedeštruktívne. Medzi základné skúšky, ktorými je možné kontrolovať zvarový spoj dvojfázových ocelí vyhotovený laserovým lúčom by som navrhol nasledovné ťahová skúška, skúška tvrdosti (priebeh mikrotvrdostí), svetelná a elektrónová mikroskopia (EDX analýza). 5.1 Skúška ťahom Skúška jednoosovým ťahom je základná mechanická skúška. Ťahovým namáhaním možno každý materiál porušiť (rozdeliť na dve časti), kým pri namáhaní tlakom alebo ohybom nastáva porušenie len pri krehkých materiáloch. Cieľom ťahových skúšok je získanie týchto mechanických charakteristík: medza klzu Re (Rp0,2) medza pevnosti Rm (MPa) ťažnosť A5 (A10) (%) kontrakcia Z (%) Prvé dve charakteristiky sú napäťové a získame ich z grafického záznamu ťahovej skúšky, ktorý vykreslí zapisovacie zariadenie skúšobného stroja počas skúšky. Tento záznam sa nazýva pracovný alebo trhací diagram. Ťažnosť a kontrakcia sú deformačné charakteristiky a často sa považujú za kritérium plasticity materiálu [58]. 43

43 Po vykonaní ťahovej skúšky je možné porovnať mechanické vlastnosti pôvodného materiálu a zvarku. K porušeniu skúšobného telieska (Obr. 29) dochádza práve v najslabšom mieste zvarku, ktoré môžeme týmto spôsobom identifikovať. Obr. 29 Pretrhnutie skúšobného telieska z ocele DP600 [28] Po vykonaní ťahovej skúšky je možné zaradiť ako ďalšiu skúšku pozorovanie lomových plôch na elektrónovom mikroskope. 5.2 Meranie mikrotvrdostí Skúškami mikrotvrdosti sa stanovuje tvrdosť jednotlivých zložiek štruktúry kovu, predovšetkým Vickersovou metódou. Slúži ako kontrola následkov tepelného zásahu vo zvarovom spoji. Skúšanie tvrdosti sa vykoná v súlade s normami ISO , ISO alebo EN a musí sa vykonávať tak, aby sa zabezpečilo určenie najvyššej a najnižšej hladiny tvrdosti tak základného materiálu, ako aj zvarového kovu. Skúšky tvrdosti možno vykonať vo forme radu vpichov R alebo ako jednotlivé vpichy E (Obr. 30). Ak nie je určené inak, skúška sa vykoná pri teplote okolia 23 (± 5) C. 44

44 Obr. 30 Meranie mikrotvrdosti. a) rad vpichov R, b) rad vpichov E [59,60] Prierez skúšobnej vzorky sa musí odobrať mechanickým rezaním, obyčajne priečne zvarovým spojom. Táto operácia a nasledujúca príprava povrchu sa musí vykonať starostlivo tak, aby sa tvrdosť skúšaného povrchu metalurgicky neovplyvnila. Skúšaný povrch sa dôkladne pripraví a prednostne naleptá tak, aby sa dali dosiahnuť presné merania diagonály vpichov v rozličných oblastiach zvarového spoja [58]. Pri meraní mikrotvrdostí zváraných dvojfázových ocelí je potrebné dbať na vhodne zvolené vzdialenosti medzi bodmi merania, aby bolo možné identifikovať oblasť zmäkčenia v TOO. 45

45 5.3 Svetelná mikroskopia Svetelná mikroskopia sa zaoberá získavaním kvantitatívnych a kvalitatívnych informácií o mikroštruktúre materiálu na jeho dvojrozmernom reze, ako napr. stanovenie percentuálneho podielu fázy v matrici alebo veľkosti fázy v štruktúre. Samotnej mikroskopii predchádza príprava vzorky, pri ktorej sa vykonávajú nasledovné operácie: rez vzorky, brúsenie, leštenie a leptanie. Je potrebné zabezpečiť, aby jednotlivé štruktúrne zložky boli dostatočne kontrastné, čo je dosiahnuteľné vhodnou technikou leptania [22]. Podľa autorov z Ústavu materiálového výskumu SAV v Košiciach [22], ktorí sa zaoberali testovaním rôznych druhov leptadiel, boli najlepšie výsledky (najvyšší kontrast medzi feritom a martenzitom) dosiahnuté pri dvojstupňovom leptaní 5 s v 3% nitale (HNO 3 ) a následne 30 s v 10% roztoku Na 2 S 2 O 5 (Obr. 31). Obr. 31 Mikroštruktúra ocele DP600 po leptaní [22] 5.4 EDX analýza Pre detailnejšie štúdium situácie v oblasti zvarového spoja by sa mohla použiť EDX (Energy Dispersive X-ray) analýza. 46