METALOGRAFICKÉ HODNOCENÍ SVAROVÝCH SPOJŮ OCEL / HLINÍK SVOČ FST 2008 Autor: Karel ŠTĚPÁN, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika Vedoucí práce: Ing. Aleš FRANC, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT S vývojem nových materiálů a jejich kombinací v rámci jedné konstrukce vznikají na přelomu 20. a 21. století nové technologie svařování použitelné pro spojování heterogenních materiálů. Zejména oblast automobilového průmyslu požaduje technologie použitelné pro svařování hliníku s ocelí. Poměrně novou technologií v této oblasti je metoda ColdArc. Tato technologie obloukového svařování je vhodná zejména pro svařování tenkých plechů a vyznačuje se nízkým tepelným ovlivněním spojovaných materiálů. Cílem této práce je navrhnout parametry svařování pro tuto metodu, výsledné svarové spoje podrobit metalografickému šetření a na základě zjištěných vad zvolit optimální variantu parametrů svařování. Jako základní materiál byla použita pozinkovaná ocel ČSN 41 1331 a hliníková slitina ČSN 42 4400. Přídavným materiálem je svařovací drát AlSi5. KLÍČOVÁ SLOVA heterogenní svarové spoje, svařování hliníku s ocelí, ColdArc, metalografie 1. ÚVOD Problematika svařování oceli s hliníkem je poměrně nová, neboť použitelné technologie svařování byly vyvíjeny až v posledním desetiletí 20. století a do sériové výroby jsou zapojovány během několika posledních let. Svařování oceli s hliníkem je velice technologicky náročné a to zejména díky odlišným fyzikálním, mechanickým a chemickým vlastnostem obou kovů. Vzhledem k odlišné teplotě tavení hliníku a železa je nutné používat technologie s nízkým přísunem tepla. Ve většině případů je pak vzniklý spoj ze strany hliníku svarový a ze strany oceli pájený. V současné době existuje několik použitelných metod svařování hliníku s ocelí. Zejména v automobilovém průmyslu se používají metody obloukového svařování CMT a ColdArc. Pro méně zatěžované spoje je možné zvolit metodu třecího svařování (tzv. FSW). Doménou loďařského průmyslu je pak metoda explozivního svařování (tzv. Triplate). Pro vyhodnocování svarových spojů ocel/hliník lze s úspěchem použít metalografii, kterou dále dělíme na metalografii makroskopickou a mikroskopickou. Zejména metody metalografické mikroskopie dokáží odhalit vady svarového spoje, pozorované nejčastěji na příčném řezu svarem. 2. PROBLEMATIKA SVAŘOVÁNÍ HLINÍKU S OCELÍ 2.1 Rozdílná teplota tavení hliníku a železa Teplota tavení hliníku je více jak dvakrát menší než teplota tavení železa. Konkrétně se jedná o teplotu 660 C oproti 1538 C. Nelze proto vytvořit klasický svarový spoj natavením obou základních materiálů a jejich propojením pomocí přídavného materiálu. Pro svařování hliníku s ocelí musí být použity takové metody, které tepelně nedegradují hliníkovou slitinu, ale přesto zajistí její spojení s ocelí. Proto se používají technologie svařování s nízkým přísunem tepla. Ve většině případů je výsledný spoj ze strany hliníku svarový a ze strany oceli pájený. 2.2 Oxidická vrstva Al 2 O 3 na povrchu hliníku a hliníkové slitiny Hliník a jeho slitiny vytvářejí na povrchu oxidickou vrstvu Al 2 O 3, která zabraňuje tvorbě koroze, ale její přítomnost v průběhu svařování je nežádoucí. Tato vrstva má vysokou teplotní stabilitu (teplota tavení je 2050 C), nerozpouští se v roztaveném kovu, způsobuje špatné formování svaru, vznik neprůvarů, špatné zapalování oblouku, nedostatečné vedení elektrického proudu atd. Proto je nutné tuto oxidickou vrstvu před svařováním odstranit v celé oblasti svarového spoje. Po odstranění této nežádoucí vrstvy by svařování mělo započít do 3 hodin [1]. Rychlost vzniku oxidické vrstvy se zvyšující se teplotou stoupá, a proto je nutné během svařovacího procesu svarovou lázeň a teplem ovlivněnou oblast dostatečně chránit např. ochranným plynem nebo taveninou. V případě použití ochranného plynu je nejvhodnější použití plynu inertního. 2.3 Omezená rozpustnost hliníku v železe Hliník se v železe rozpouští jen omezeně. Výsledkem je přítomnost křehkých intermetalických fází, jak názorně ukazuje binární diagram Al-Fe na obr. 2-1. Jejich přítomnost ve svarovém kovu je proto nežádoucí a lze ji do jisté míry omezit použitím přídavného materiálu na bázi zinku [2]. 1
Obr. 2-1 Binární diagram Fe-Al [3] 3. METODA ColdArc PRO SVAŘOVÁNÍ HLINÍKU S OCELÍ Svařování metodou ColdArc je založeno na technologii obloukového svařování MIG/MAG. Od ní se odlišuje zejména energetickou regulací oblouku. Jedná se o svařování krátkým obloukem za použití nižšího proudu a napětí než u klasické metody MIG/MAG. Svařování probíhá ve třech neustále se opakujících fázích, které jsou znázorněny na obrázku 3-1, včetně průběhu proudu a napětí. Obr. 3-1 Princip metody ColdArc [4] 2
Výsledkem celého procesu je nízké tepelné ovlivnění spojovaných materiálů. Oblouk je krátký a hoří mezi základním a přídavným materiálem ve formě drátu (fáze 1). Přídavný materiál se natavuje a vlivem povrchového napětí svarové lázně se z něj začne uvolňovat kapka. V okamžiku, kdy se kapka dostane do kontaktu se svarovou lázní dochází ke zkratu a oblouk uhasne (fáze 2). Uvolněná kapka vytvoří most mezi elektrodou a základním materiálem. Ke konečnému oddělení kapky od elektrody pomáhají Lorentzovy síly a tepelný efekt způsobený prudkým zvýšením proudové hustoty. Jakmile k tomu dojde, oblouk je znovu zažehnut (fáze3). [2] Průběh proudu a napětí při výše popsaném procesu uvolňování kapky znázorňuje obr. 3-1. Na počátku zkratu se napětí prudce snižuje v důsledku toho, že elektrický odpor vytvořeného mostu je nižší než v případě oblouku ve fázi 1. V tom samém okamžiku se začíná zvyšovat proud. Jakmile dojde k zániku mostu a kapka se oddělí od elektrody, napětí začne prudce narůstat a proud naopak klesat. Nárůst napětí umožní zažehnutí oblouku, které je díky digitálnímu řízení,,nenásilné. Poté pozvolna klesá. Bezprostředně po opětovném zažehnutí oblouku je proud znovu navýšen, ale pouze na přesně stanovený krátký časový okamžik, při kterém dochází k natavení základního materiálu. Díky tomu je následně možné proud extrémně snížit tak, aby k dalšímu tavení již nedocházelo. Tímto je dosaženo velmi nízkého tepelného ovlivnění, neboť proud zůstává na extrémně nízké úrovni až do okamžiku oddělování kapky. Obr. 3-2 Hoření oblouku, uvolnění kapky a opětovné zažehnutí oblouku [2] Díky nízkému tepelnému ovlivnění spojovaných materiálů zde dochází ke vzniku dvou druhů spojů. Ze strany hliníku je to svarový spoj a ze strany oceli spoj pájený. Jako přídavný materiál se nejčastěji používá zinkový drát. Výsledkem je bezrozstřikový spoj, který není nutné dále povrchově upravovat [2]. Obr. 3-3 Svařený 0.7 mm pozinkovaný ocelový plech a 1.0 mm hliníkový plech AlMg, svařováno drátem AlSi5 o průměru 1.0 mm, svařováno rychlostí 1.1 m/min, U=14.5 V, I=60 A [2] 4. METALOGRAFIE Nejčastěji se podrobuje metalografickému šetření příčný řez svarem. Ten je před samotným pozorováním vybroušen, vyleštěn a naleptán. Poté lze pozorovat vady svarového kovu, vady na hranici svarového kovu a základního materiálu a charakter tepelně ovlivněné oblasti (TOO). V případě leptání heterogenního svarového spoje, jako je např. svar oceli s hliníkem, nastává problém s výběrem vhodného leptadla a samotného způsobu leptání vzorku, neboť každý z kovů na leptadlo reaguje jinak. To znamená že se rozpouští s různou intenzitou a každý z kovů je leptán do jiné hloubky, což znesnadňuje samotné pozorování a pořizování snímků. 4.1 Makroskopie Makroskopické zkoušky spočívají v pozorování daných vzorků pouhým okem, lupou nebo mikroskopem při zvětšení max. 50:1. Zkoumané vzorky je ve většině případů potřeba vybrousit a vyleštit, případně naleptat. 4.2 Světelná mikroskopie Metalografické výbrusy se pozorují v odraženém světle metalografického mikroskopu. Světlo se odráží od vyleštěného povrchu vzorku a prochází objektivem, kde dochází ke zvětšení Z 1, a následně okulárem se zvětšením Z 2. Výsledné zvětšení Z je rovno součinu Z 1.Z 2. Rozlišovac schopnost světelných mikroskopů se pohybuje v rozmezí 1 až 10 2 µm, přičemž zvětšení dosahuje běžně hodnot až 1500:1. Metalografické vzorky je možno zkoumat v polarizovaném světle, které mnohdy dokáže pozorovanou strukturu zvýraznit a barevně rozlišit jednotlivé strukturní fáze. Spojením moderních mikroskopů se systémem schopným zaznamenávat obraz je dnes běžné a velmi efektivní. Díky tomu je možné snímat strukturu vzorků na planfilm, pořizovat digitální fotografie nebo pomocí vhodného softwaru provádět obrazovou analýzu. 3
5. EXPERIMENT 5.1 Použité základní a přídavné materiály Pozinkovaný ocelový plech ČSN 41 1331 o tloušťce 1mm C Mn Si P S Ti Rm [MPa] 0,04 0,2 0,01 0,006 0,012 0,001 357 Vzhledem k chemickému složení je tato ocel svařitelná Hliníková slitina AlMgSi ČSN 42 4400 o tloušťce 1mm Cu Mg Mn Si Fe Ti Zn Cr Rm [MPa] 0,021 1,049 0,618 1,008 0,225 0,029 0,010 0,064 117,7 Vzhledem k chemickému složení je tato hliníková slitina svařitelná Svařovací drát AlSi5 o průměru 1,2 mm Si Mn Cu Ti Be Fe Zn Mg Rm [MPa] 5,1 0,01 0,01 0,06 0,0002 0,1 0,01 0,02 165 5.2 Volba parametrů svařování pro metodu ColdArc Č. vzorku U [V] I [A] v sv [m/min] v pod dratu [m/min] 1 13,8 45 0,50 4,2 4 14,3 54 0,75 5,5 7 14,5 66 1,00 5,9 5.3 Příprava vzorků Odebrané vzorky byly broušeny pod vodou na brusných metalografických papírech odstupňovaných od drsnosti 80 do drsnosti 1200. Poté následovalo leštění na leštících kotoučích potřených brusnou pastou o zrnitosti 3 a následně 1 mikron. Vzhledem k tomu, že je hliník měkčí než ocel, je náchylnější k přeleštění, což se projevuje se zakulacováním hran viz obrázek 5-1. Obr. 5-1 Přeleštěný vzorek 4
Závěrečnou fází přípravy vzorků bylo leptání. Zde, u heterogenního svarového spoje, nastává problém s výběrem vhodného leptadla a samotného způsobu leptání vzorku, neboť každý z kovů na leptadlo reaguje jinak a rozpouští se do jiné hloubky. Testované leptadlo nenese žádné konkrétní pojmenování a má následující složení: 20 ml kyseliny fluorovodíkové 16 ml kyseliny dusičné 30 ml glycerynu Při dodržení doby leptání 6-8 sekund vykazuje uspokojivé výsledky. Obr.5-2 Vzorek před naleptáním Obr. 5-3 Vzorek po naleptání 5.4 Předběžné výsledky makroskopického pozorování Při pozorování pouhým okem a pod lupou byla odhalena výrazná pórovitost svarového kovu, způsobená pravděpodobně odpařováním zinkové vrstvy. Jiné vady nebyly zjištěny. Obr. 5-4 Vzorek při pozorování pod lupou Při makroskopickém pozorování s využitím mikroskopu o zvětšení 50:1 byla potvrzena již zmíněná pórovitost svarového kovu. V kořeni svaru byla odhalena přítomnost poměrně velké trhliny. Dobře patrné jsou také dutiny a dekoheze na rozhranní svarového kovu a ocelového základního materiálu. Obr. 5-5 Makroskopické pozorování s využitím mikroskopu o zvětšení do 50:1 5.5 Předběžné výsledky mikroskopického pozorování Při mikroskopickém pozorování byl použit mikroskop se zvětšením do 500:1. Byla potvrzena přítomnost pórů ve svarovém kovu, způsobená pravděpodobně odpařováním zinkové vrstvy. Zaznamenán byl ojedinělý výskyt pórů na rozhranní svarový kov a ocelový základní materiál. Naproti tomu na rozhranní svarový kov a hliníkový základní materiál nebyly zjištěny žádné vady. Podrobnější prozkoumání trhliny v kořeni svaru naznačuje, že se jedná spíše o dutinu vytvořenou vysokou lokální koncentrací zinkových par. Vyskytuje se totiž v místě odkud se zinkové páry obtížně dostávají do okolní atmosféry. 5
Zejména v krajních polohách rozhranní svarový kov / ocelový základní materiál se místy vyskytují dutiny a dekoheze. Na obrázcích 5-10 a 5-11 je dobře patrný dvojitý charakter spoje, který je ze strany hliníku svarový a ze strany oceli pájený. Obr. 5-6 Pórovitost svarového kovu Obr. 5-7 Výskyt pórů ojediněle i na rozhranní svarový kov / ocelový základní materiál Obr. 5-8 Trhlina nebo spíše dutina v kořeni svaru 6
Obr. 5-9 Dekoheze na rozhranní svarový kov ocelový základní materiál Obr. 5-10 Spoj je ze strany hliníku svarový Obr. 5-11 Spoj je ze strany oceli pájený 7
6. ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Cílem této práce bylo provést metalografické šetření svarových spojů ocel / hliník provedených metodou ColdArc se třemi různými parametry svařování a na základě výsledků pozorování určit optimální variantu svařovacích parametrů. Metalografické hodnocení provedených svarových spojů odhalilo výraznou pórovitost svarového kovu doprovázenou poměrně velkou protáhlou dutinou v kořeni svaru. Obojí je pravděpodobně způsobeno odpařováním zinkové vrstvy z ocelového základního materiálu. Místy se na rozhranní svarový kov a ocelový základní materiál objevují drobné póry a dekoheze. Naproti tomu přechod svarového kovu do hliníkového základního materiálu je bez dutin, pórů a jiných vad. Tyto vady a jejich charakteristiky jsou vlastní pro všechny tři zkoumané vzorky, avšak v rozdílné míře. Po dokončení experimentu proto bude možné určit optimální variantu parametrů svařování na základě měření četnosti a velikosti pórů a na základě měření velikosti dutin a dekohezí na rozhranní svarový kov / ocelový základní materiál. LITERATURA [1] NEUŽIL, V., FLEISCHMAN, P., STACH, Z. Problematika svařování hliníku. http://www.tmvydavatelstvi.cz/svarovani/0402/str_28.pdf Milevsko: ZVVZ [2] GOECKE, S.-F. EWM-ColdArc. http://www.saigonwelding.com/vn/product.php?cid=382&start=90 [3] POTESSER, M. a kol. The Characterization of the Intermetallic Fe-Al Layer of Steel- Aluminum Weldings http://www.unileoben.ac.at/~nem/dexkverpar/download/papers/the Characterization of the intermetallic Fe-Al Layer of Steel-Aluminum Weldings.pdf [4] GOECKE, S.-F. ColdArc. http://www.intercut.cz/texty/co-je-coldarc.pdf 8