Laserové svary se od konvenčních tavných spojů výrazně liší. Veliké rozdíly jsou zejména v geometrii svarového spoje, ale mohou se lišit i strukturou a mechanickými vlastnostmi. Výsledné vlastnosti laserového svaru jsou závislé na mnoha faktorech. Mezi nejvýznamnější patří typ a výkon laseru, průměru paprsku, kvalita svazku a použitý ochranný plyn. Ing. Jan Kašpar, Messer Technogas, s. r. o.
Experiment Cílem experimentu bylo posouzení vlivu ochranných plynů na geometrii průvaru, rychlost svařování a mechanické vlastnosti svarového spoje zhotoveného laserem. Vzorky z oceli S355 o tloušťce 5 mm byly svařeny ve firmě MATEX PM v Plzni, kde bylo poskytnuto i potřebné zázemí a technické vybavení pro realizaci experimentu. Svařování probíhalo v ochranné atmosféře bez použití přídavného materiálu. Svařeno bylo šest vzorků s použitím různých ochranných plynů (viz tab. 1) o jmenovitém průtoku 15 l/min. Maximální rychlost svařování při zachování plného průvaru byla 0,75 m/min při výkonu laseru 3,1 kW. V rámci experimentu bylo provedeno metalografické hodnocení vzorků a jejich mikrostruktury pomocí světelné mikroskopie, zkoušky mikrotvrdosti HV průběhem napříč svarem a zkoušky tahem. Průběh svařovacího procesu byl monitorován vysokorychlostní kamerou. Metalografické výbrusy a zhodnocení průvaru Mikrostruktura svarů v příčném řezu je dokumentována na obr. 1. Strukturní stav je u všech vzorků shodný. Vlevo je feriticko perlitická struktura oceli S355, v pravé části pak martenzitická struktura svarového kovu. Porovnáme-li závar na vzorcích 1–6 (obr. 2), je zřejmé, že u všech vzorků došlo k plnému provaření základního materiálu. Šířka průvaru se u jednotlivých vzorků mírně liší. Nejužších svarů (šíře 2 mm) bylo dosaženo při použití ochranných plynů Aluline He50 (vzorek č. 2), helia (vzorek č. 3) a Ferroline C6X1 (vzorek č. 5). Naopak nejširšího průvaru 2,5 mm bylo dosaženo s ochranným plynem Inoxline He3H1 (vzorek č. 4) a Ferroline C12X2 (vzorek č. 6). U vzorku č. 1 (argon) má průvar šířku 2,3 mm. Výše uvedené výsledky ukazují na vliv většího obsahu aktivní složky (CO2 a O2) na šířku průvaru. Již malé množství vodíku přináší podobný efekt. Očekávaný výrazný rozdíl při použití čistého argonu a helia nebyl pozorován. Rozdílný ionizační potenciál těchto plynů (a tím i náchylnost k tvorbě plynové plazmy) se ukázal při svařování diodovým laserem o výkonu 3,1 kW jako bezvýznamný. Měření mikrotvrdosti Měření mikrotvrdosti probíhalo 1 mm pod povrchem a jednotlivé vtisky mají rozestupy 0,1 mm. Místo měření a průběh mikrotvrdosti vzorku č. 2 je dokumentován na obr. 3. Průběh mikrotvrdosti koresponduje se strukturním stavem v daných oblastech. Tvrdost v základním materiálu dosahuje hodnot 160–170 HV a v TOO směrem ke svarovému kovu postupně stoupá až na hodnoty 450–470 HV. Tvrdost ve svaru je poměrně konstantní. Výsledky měření neprokázaly významný rozdíl tvrdosti HV při použití různých ochranných atmosfér. Z hlediska naměřených hodnot tvrdosti lze rozdíl mezi použitými ochrannými plyny považovat za zanedbatelný. Zkoušky tahem Ze svařených vzorků 1–6 byla zhotovena vždy dvě zkušební tělíska o rozměru 10 x 5 x 300 mm a provedena zkouška tahem. Cílem bylo nejen zjistit pevnost spoje, ale také místo, ve kterém k lomu dochází. U všech vzorků došlo k lomu vždy v základním materiálu, mimo svar i tepelně ovlivněnou oblast. Tahové zkoušce byla podrobena také dvě zkušební tělíska odebraná ze základního materiálu. Výsledky zkoušky tahem jsou uvedeny v tab. 2. Norma uvádí pro ocel jakosti S355 J2 mez pevnosti 470 MPa. Všechny vyhodnocené vzorky normě vyhovují. Záznam z vysokorychlostní kamery Záznamy z vysokorychlostní kamery ukázaly rozdílnou tvorbu kouře a zplodin při použití jednotlivých plynů. Nejmenší oblak zplodin a nejvyšší stabilita svařovacího procesu byla dosažena při použití helia (vzorek č. 3). Argon (vzorek č. 1) se chová velmi podobně jako plyny s přísadou aktivní složky CO2 a O2 či vodíku. Dochází ke zneklidnění svařovacího procesu. Na výsledné vlastnosti svarového spoje to však při výkonu laseru 3,1 kW nemá vliv. Závěr Experiment ukázal, že při použití diodového laseru o výkonu 3,1 kW nemá ochranný plyn významný vliv na geometrii průvaru a mechanické vlastnosti laserového svarového spoje. Záznam svařovacího procesu vysokorychlostní kamerou sice ukázal rozdíly ve stabilitě svařovacího procesu při použití jednotlivých plynů, ale vliv na výsledné vlastnosti laserového svarového spoje nebyl prokázán. K větším rozdílům by pravděpodobně došlo při použití laseru s vyšším výkonem, kde by se mohl více projevit rozdílný ionizační potenciál jednotlivých plynů.