SVAŘOVÁNÍ KOVOVÝCH MATERIÁLŮ LASEREM LASER WELDING OF METAL MATERIALS Petr AMBROŽ a, Jiří DUNOVSKÝ b a ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii, Horská 3, 128 00 Praha 2, Česká republika, p.ambroz@rcmt.cvut.cz b ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav strojírenské technologie, Technická 4, 166 07 Praha 6, Česká republika, jiri.dunovsky@fs.cvut.cz Abstrakt Cílem práce je prezentovat výsledky svařitelnosti kovových materiálů laserem. Svařování laserovým paprskem má řadu výhod, kterých nelze dosáhnout žádnou jinou technologií. To dává svařování laserem výjimečné postavení a záruku budoucího rozvoje této technologie. Mezi hlavní přednosti patří malá tepelně ovlivněná oblast okolí svaru, vysoká rychlost svařování, automatizace procesu, kvalita spoje a možnost provést svar při přístupu jen z jedné strany. Laserové svařování může být uskutečněno bez použití vakua nebo speciální inertní atmosféry a bez přídavného materiálu. Laserem je možno svařovat jinými metodami obtížně svařitelné materiály a jejich kombinace. Svařování laserem je tradičně využíváno převážně v automobilovém, lékařském, potravinářském a leteckém průmyslu, ale dnes i v mnoha dalších odvětvích. To je dáno jednak kompaktností a nenáročnou obsluhou nových moderních laserů, ale především klesajícími náklady na jejich pořízení. Práce se zabývá svařitelností konstrukčních a korozivzdorných ocelí, slitin hliníku a mědi, litin a jejich kombinací. Proces svařování byl optimalizován s ohledem na výslednou pevnost spoje jako hlavní kritérium. Vnitřní struktura svarů byla hodnocena metalografickou analýzou a sledován vliv laserového paprsku na proces svařování. Experimenty byly provedeny na pevnolátkovém Nd:YAG laseru GSI Lumonics JK 701H o výstupním výkonu 550W. Získané výsledky slouží k rozšíření technologie laserového svařování jako náhrady za jiné technologie svařování s dosažením často lepší kvality spoje a vyšší produktivity. Klíčová slova: laser, svařování, kovové materiály Abstract The aim of this work presents the results of the laser weldability of metal materials. Laser welding has a many advantages which cannot be achieved by another technology. That puts privilege place for laser welding and the guarantee to next expansion. Main merits are small heat effected zone of weld, high speed, automatization of process, quality of welds and possibility of access only one s side. Laser welding can be realized without vacuum or special inert atmosphere and without additional material. Laser can be welded materials with difficult weldability in comparison with another technologies. Laser welding is traditionallly used for automotive, medically,food processing industry and aerospace but nowadays in many another branches. Modern laser machinery are compact with unpretentious servicing and low acquisition costs. This work deals with weldability of steel, stainless steel, alluminium alloy, copper alloy, cast iron and their combination. Welding process was optimalized for the tensile strength as primary criterion. The internal structure was evaluated from metallographical analyse. The experiments were performed on the solid-state Nd:YAG laser GSI Lumonics JK 701H about output power 550W. The results were used for extend laser 1
welding technology instead of other welding technologies with better quality and high productivity of laser process. Klíčová slova: laser, welding, metal materials 1. ÚVOD Svařování laserovým paprskem patří mezi metody tavného svařování. Pro tavné svařování platí obecně princip, že pro vytvoření svarového spoje je velmi důležitý minimální energetický vstup do materiálu. Čím nižší je energie vstupující do technologického procesu, tím menším deformacím svarový spoj podléhá. Laserový paprsek poskytuje vysokou energii ve velmi zfokusované formě. Výsledkem jsou malé deformace a minimální zbytkové pnutí. Laserové svařování může být uskutečněno bez použití vakua nebo speciální inertní atmosféry a bez přídavného materiálu. Cílem našeho výzkumu bylo pokusit se vytvořit svar laserem na materiálech, které jsou jinými metodami svařování jen obtížně svařitelné nebo nesvařitelné a to s maximálním důrazem na výslednou jakost svaru. V rámci výzkumu byly provedeny zkoušky svařitelnosti materiálů laserem na zařízení GSI Lumonics JK701H. Jedná se pulzní pevnolátkový Nd:YAG laser o maximálním výstupním výkonu 550W. Svařovány byly jak konstrukční oceli, legované oceli tak i litiny a slitiny mědi a hliníku a jejich vzájemné kombinace. K vytvoření potřebné ochranné atmosféry byl použit plyn argon. 2. METODIKA EXPERIMENTU, OPTIMALIZACE SVAŘOVACÍHO PROCESU Pro každý experiment je důležité předem naplánovat metodiku jeho provedení. A to nejen pro odhadnutí doby trvání celého experimentu, časové náročnosti jednotlivých fází, ale především pro stanovení sledu jednotlivých operací, jejich návazností s dodržením určených pravidel umožňujících zhodnotit výsledky celého experimentu. Dále je nutné získat přehled o potřebném počtu zkušebních vzorků pro všechny části řešení a to s ohledem na celkovou minimalizaci prováděných zkoušek a s tím spojenou úsporu kapacit a nákladů. Existuje celá řada metod pro plánování experimentu, např. metoda DoE (Design of Experiment) nebo je možné naplánovat svoji vlastní metodu dle požadavků na experiment. Po zvážení požadavků nebyla pro experiment metoda DoE využita, ale byla naplánována vlastní. Metoda DoE je vhodná spíše pro finální optimalizaci parametrů u konkrétní aplikace. Tato metoda poskytuje velice přesné statistické výsledky, ale při více vstupních parametrech vyžaduje relativně hodně zkoušek. Z toho důvodu je použita vlastní metodika, která splňuje nutnou statistickou opakovatelnost a dává dostatečně přesné výsledky o procesu svařování. Při návrhu experimentů bylo nutné optimalizovat svařovací proces pro dosažení požadované jakosti svarů. To znamená, určit veškeré okolní faktory, které mají vliv na výsledný proces a pomocí jejich optimalizace dosáhnout požadované kvality svaru. Kvalita svaru byla posuzována jednak vizuálně a pomocí mikroskopického zvětšení posouzením vzniklé vnitřní struktury, ale především mechanickou zkouškou pevnosti v tahu. Vždy bylo cílem dosáhnout ve svaru a jeho okolí vyšší pevnost v tahu než vykazuje základní materiál. Při svařování kombinace materiálu dosáhnout pevnosti v tahu materiálu s nižší pevností. V experimentu bylo nutné optimalizovat zejména parametry nastavení vlastního laserového zařízení (výkon, délka pulsu, šířka pulsu, frekvence), rychlost svařování, užití vhodných plynů pro vytvoření dostatečné ochranné atmosféry a volba geometrie svařovaných dílů s vhodnou úpravou svařovaných ploch. Teoretické 2
poznatky a předchozí zkušenosti spolu s provedenými experimenty ukázaly, že na laseru Lumonics JK701H jehož výstupní výkon je 550W je možno svařovat materiály do tloušťky kolem 3mm (v závislosti na absorpci). Proto ve většině zkoušek svarů tloušťky 2 až 3mm se výkon laseru pohyboval na horní hranici a byla regulována hlavně rychlost svařování. Dále byl posuzován vliv defokusace paprsku, kde vlivem rozostření svazku a následnou nižší plošnou hustotou energie, často nedocházelo k hlubšímu provaření. Důležitým parametrem procesu svařování se ukázala i správná volba předehřevu popř. dohřevu materiálů. Tím předejdeme skokovým změnám teplotního pole a vnesením napětí do svařovaného dílu. Předehřev a dohřev materiálu byl zajištěn rozfokusovaným laserovým paprskem, kdy svazek působí na větší plochu a má již nižší hustotu energie. To umožňuje tepelně ovlivnit svařovaný materiál. Pro zjištění teplot nejen předehřevu a dohřevu, ale i teplot vlastního procesu svařování byla využita termovizní kamera snímající pracovní prostor. Takto bylo možno sledovat rozdílnou odezvu (teplotu) na rozdílné nastavení vstupních parametrů. Obr. 1. Snímání teplotního pole termovizní kamerou Fig. 1. Scanning of thermal field with thermal camera 3. VÝSLEDKY A ZHODNOCENÍ 3.1 Šedé litiny ČSN 42 2420 a ČSN 42 2425 Při zkouškách svařování šedé litiny ČSN 42 2420 a ČSN 42 2425 se podařilo nalézt optimální parametry svařování zajištující dodržení požadované pevnosti v tahu. Důležitým parametrem byla vhodná volba předehrěvu a dohřevu materiálu. Při tahové zkoušce došlo k porušení mimo oblast svaru a svar tak vykázal lepší mechanické vlastnosti než vlastní základní materiál. Výsledná průměrná pevnost v tahu Rm je 248,2 MPa pro litinu ČSN 42 2420 a 217,4 MPa pro litinu ČSN 42 2425 což plně odpovídá tabulkovým hodnotám (Rm 200-250MPa). Metalografická analýza neobjevila žádné skryté vady. Svařovací proces při zkouškách opakovatelnosti vykazoval dostatečnou stabilitu. Na laseru JK701H je možno provádět tupé svary šedé litiny ČSN 42 2420 a ČSN 42 2425 do tloušťky 3mm. Obr. 2. Svar šedé litiny ČSN 42 2425 Fig. 2. Weld of grey iron ČSN 42 2425 3
Obr. 3. Svar šedé litiny 42 2425 ČSN 42 2425 - metalografický výbrus Fig. 3. Weld of grey iron ČSN 42 2425 - scratch pattern 3.2 Hliníkový bronz CuAl10FeNi5, kombinace ocel ČSN 11 523 - hliníkový bronz CuAl10FeNi5 Zkoušky svařitelnosti hliníkového bronzu CuAl10FeNi5 prokázaly, že tento materiál je laserem JK701H svařitelný do tloušťky 2mm. Nalezené optimální svařovací parametry umožňují vytvořit svar, kdy jeho pevnost v tahu odpovídá tabulkovým hodnotám pro celistvý materiál. Nicméně k porušení při zkouškách pevnosti v tahu dochází v řadě vzorků v místě tepelného ovlivnění vlivem svařování. Důležitým předpokladem pro vytvoření svaru odpovídající pevnosti je nutné volit předehřev materiálu. Poté dochází k lepší absorpci paprsku na povrchu bronzu. Bez zvoleného předehřevu byla pevnost svaru znatelně nižší. Výsledná naměřená pevnost v tahu Rm = 584,5MPa se blíží tabulkovým hodnotám pro daný materiál. Bronz CuAl10FeNi5 je možno na laseru JK701H svařovat. Obr. 4. Svar bronzu CuAl10FeNi5 Fig. 4. Weld of aluminium bronze CuAl10FeNi5 Experiment svařování dvou různorodých materiálů hliníkového bronzu CuAl10FeNi5 a oceli ČSN 11 523 pomohl nalézt vyhovující svařovací parametry pro maximální pevnost svaru. Pevnost v tahu výsledného spoje se blíží hodnotě materiálu o nižší pevnosti, tedy oceli, jejíž min. hodnota v tahu Rm je od 450MPa. z provedených zkoušek na trhacím zařízení nám pro kombinaci těchto materiálů vyšla pevnost v tahu Rm 405,6MPa. To je dáno především rozdílnou strukturní fází obou složek, kdy ve výsledné tavenině dochází k degradaci mechanických vlastností. Ve výsledku byl vytvořen svar tl. 2mm, který vykazoval zhruba o 10% menší pevnost v tahu Rm proti tabulkové hodnotě oceli ČSN 11 523. Takový to svarový spoj je možno využít jako pojistný svar v konstrukčních celkách z těchto dvou materiálů kdy svarový spoj může nahradit konstrukční řešení (např. pomocí zámků) nebo kdy napětí působí v tlaku. 4
Obr. 5 Svar kombinace ocel ČSN 11 523 - bronz CuAl10FeNi5 Fig. 5. Weld of steel ČSN 11 523 - aluminium bronze CuAl10FeNi5 3.3 Dural AW 2017A a kombinace ocel ČSN 11 523 - dural AW 2017A Dural jako slitina hliníku odráží velké množství energie od povrchu materiálu. Námi dosahovaná maximální energie paprsku na výstupu 510W dovolovala ovlivnit materiál jen do 0,7mm hloubky. To je pro vytvoření hlubšího svaru nedostačující. Hlavním problémem svařování bylo chování této slitiny při vlastním procesu, kdy svarový kov vykazoval velmi křehkou strukturu. Vlivem vneseného tepla dochází k degradaci mechanických vlastností slitiny, kdy dochází k jejímu postupnému vytvrzování. Takovýto spoj se vyznačuje sníženou pevností v tahu oproti základnímu materiálu. Daleko lepších výsledků bylo dosaženo u zkoušek svařitelnosti kombinace materiálů ocel ČSN 11 523 - Dural AW 2017A. Opět zde byla vyzkoušena obtížně svařitelná slitina duralu. Jak již bylo uvedeno, problémem při svařování laserem se ukázala vysoká odrazivost povrchu slitiny hliníku. Zde v kombinaci s ocelí bylo využito toho, že laserový paprsek je dobře pohlcován ocelí a ta vedením tepla předá energii duralu. Paprsek byl i přesto vyosen 0,2mm do duralu, aby nedocházelo k nežádoucímu odpařování oceli. Takto se podařilo vytvořit svary o tloušťce až 2mm. Obr. 6. Svar kombinace ocel ČSN 11 523 a dural AW 2017A Fig. 6. Weld of steel ČSN 11 523 - dural AW 2017A 3.4 Korozivzdorná ocel ČSN 17 240 a ČSN 17 246 Požadavkem bylo vytvoření bodového svaru elektrických kontaktů z materiálu ČSN 17 240, který je odolný pro vysoce korozivní prostředí. Svar ve výsledku splňoval požadovanou pevnost a dostatečnou elektrickou vodivost. Metalografická analýza vnitřní struktury svarů neodhalila žádné vnitřní porušení svarů. Z výsledků je patrné, že došlo k dobrému protavení spojovaných dílů. Výsledná struktura neobsahuje žádné trhliny, dutiny, vměstky nebo póry. 5
Obr. 7. Svar oceli ČSN 17 240 - metalografický výbrus Obr. 8. Svar austenitické Cr-Ni oceli ČSN 17 246 Fig. 7. Weld of steel ČSN 17 240 - scratch pattern metalografický výbrus Fig. 8. Weld of steel ČSN 17 246 - scratch pattern 3.5 Nástrojová ocel ČSN 19 312 a ČSN 19 436 Nástrojovou ocel ČSN 19 312 a ČSN 19 436 se podařilo svařit v celém průřezu pouze na zapůjčeném laseru DL 301Q při maximálním výkonu 3100 W, rychlosti posuvu pod hodnotou 500 mm/min. Výkon laseru JK 701H byl v tomto případě nedostatečný a vzniklý svar se vyznačoval velmi malým průřezem a nízkou pevností. Obr. 9. Svar oceli ČSN 19 312 - metalografický výbrus Fig. 1. Weld of steel ČSN 19 312 - scratch pattern 4. ZÁVĚRY Rozsáhlé experimenty svařování výše uvedených materiálů laserem napomohli stanovit vhodné svařovací parametry pro vytvoření kvalitních svarů. Důraz byl kladen především na výslednou pevnost spoje v tahu, kde bylo cílem dosáhnout vyšší pevnosti svaru a jeho okolí oproti základnímu materiálu. Ve výsledku se podařilo vytvořit svar i na obtížně svařitelných materiálech jinou technologií svařování a to často s vyšší kvalitou svaru a lepší produktivitou procesu. Nespornou výhodou laserového svařování je možnost zhotovit svar spoje kombinace různorodých materiálů a získat tak nové postupy při spojování dílů. Veškeré zde prezentované výsledky jsou centrem VCSVTT nabízeny pro průmyslovou spolupráci. PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek byl získán za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci podpory projektu výzkumu a vývoje 1M0507. LITERATURA [1] AMBROŽ, P. Svařování obtížně svařitelných materiálů pevnolátkovým Nd:YAG laserem. Výzkumná zpráva. Praha, VCSVTT. 2009. [2] AMBROŽ, P. Laserové svařování v nových projektech RBCB. Diplomová práce. Praha, ČVUT. 2009. [3] KOSEK, P. Výzkum svařování obtížně svařitelných materiálů. Výzkumná zpráva. Praha, VCSVTT. 2006. 6