Tento příspěvek se zaměřuje na problematiku laserového svařování vysokopevné oceli CP-W® 800 v kombinaci s kovanou ocelí. Ing. Jan Kašpar; Messer Technogas s.r.o.; Doc.Ing. Stanislav Němeček, Ph.D.; MATEX PM Hlav ním přínosem moderních vysokopevných CP (complex phase) ocelí je redukce hmotnosti součástí při zachování požadovaných pevnostních charakteristik. Není tedy divu, že se stále více uplatňují zejména v automobilovém průmyslu pro výrobu karosářských dílů. Oblast použití vysokopevných ocelí se však rychle rozšiřuje i na dynamicky namáhané díly s větší tloušťkou stěny (části podvozků, díly převodovek…). O dynamických vlastnostech laserových svarů je však velmi málo údajů, přitom se od konvenčních tavných spojů výrazně liší jak geometrií, tak strukturou. Navíc jsou dostupná data závislá také na typu laseru, ochranném plynu, průměru paprsku, kvalitě svazku atd. Při svařování CP ocelí konvenčními obloukovými metodami dochází ke vzniku široké tepelně ovlivněné oblasti (TOO) a degradaci původních vlastností materiálu. Velmi jemná mikrostruktura CP ocelí na bázi feritu a bainitu s obsahem martenzitu a precipitačních vytvrzujících fází je na teplotně vyvolané degradační procesy obzvlášť náchylná. Dosavadní výsledky ukazují, že nežádoucí účinky konvenčních metod svařování mohou být částečně potlačeny použitím koncentrované energie laserového paprsku. Tím je v kombinaci s vysokou rychlostí svařování redukováno vnesené teplo, které je jedním z hlavních faktorů ovlivňujících vlastnosti svarových spojů. Další výhodou laserového svařování je možnost svařovat materiály a slitiny různých druhů – heterogenní svarové spoje. Proto se tento příspěvek věnuje optimalizaci svařovacích parametrů heterogenního spoje vzhledem k vnesenému teplu. Svary jsou prováděny různými průměry svazku a je studován dopad na počet cyklů do vzniku lomu. Experiment Cílem experimentu bylo posouzení vlivu velikosti spotu (průměru paprsku) a svařovacích parametrů na únavové vlastnosti heterogenního svarového spoje zhotoveného laserem. Svařeny byly vzorky z kované oceli (půlkruhová část svařence, odebraná z kované kulaté tyče) a tvářené vysokopevné nízkolegované oceli CP-W® 800 (čtvercová část svařence), viz obr. 1. Tloušťka svařovaných materiálů byla 4 mm. Uhlíkový ekvivalent je u obou ocelí max. 0,72. Pro svařování vzorků byl použit diodový, vláknem vedený laser o výkonu 5,5 kW a velikosti spotu 0,4 a 0,8 mm. Svařování probíhalo v ochranné atmosféře argonu bez použití přídavného materiálu. V rámci experimentu bylo provedeno metalografické hodnocení vzorků a jejich mikrostruktury světelnou mikroskopií, zkoušky mikrotvrdosti HV při zatížení 1 N průběhem napříč svarem, klasické statické zkoušky tahem a únavové cyklické zkoušky míjivým zatížením tahem i tlakem při různém stupni zatížení. Byl sledován i vliv pozice svaru, na počátku svařování, kdy materiál je studený, v prostředku a na konci, kdy teplota svařovaného dílu dosahuje cca 50 °C. Doplňkové značky S a F označují počátek (S) a konec (F) svarového spoje, a tudíž i směr svařování. Značky jsou umístěny na horní straně svarového spoje (obr. 1.). Výsledky a diskuse: Metalografické výbrusy vzorků a měření mikrotvrdosti U vzorků A, kde je téměř dvojnásobné vnesené teplo, je svar i TOO širší. Další projev je v samotné tvrdosti svaru – vyšší vnesené teplo znamená nižší tvrdost svaru A oproti svaru B o přibližně 70 HV. To dokládají i průběhy tvrdosti (Graf 1. a 2.), kde tvrdost přesahuje 400 resp. 470 HV. Měření probíhalo zhruba 1 mm po povrchem a vtisky pro měření mají rozestupy 0,2 mm. Tvrdost ve svaru je poměrně konstantní, stejně jako na straně vysokopevnostního plechu. Na straně kované oceli (vlevo) se v tepelně ovlivněné oblasti vyskytuje lokální maximum (cca 600HV), způsobené vyšším obsahem uhlíku v této oceli. Geometrie svaru a místo měření průběhu tvrdosti dokumentují obr. 2. a 3. (v dolní části je hlava svaru, nahoře je kořen svaru). Linie A1–A2 značí průběh měření. A1 začátek, A2 konec řady tvrdostí. U vzorků A i B má svar tvar amfory, tj. nejširší v oblasti hlavy. Nejbližší okolí svaru vykazuje rekrystalizaci, větší na straně vysokopevnostního plechu CP-W 800. Tvrdost v přetavené oblasti svaru je naprosto konstantní jak u vzorků A tak B (nebyl používán přídavný materiál). Vysokopevný plech CP W800 i jeho TOO má tvrdost vždy nižší na úrovni 300HV. Tvrdost kovaného materiálu je 250HV, avšak šířka TOO je téměř dvojnásobná a strmě roste nad tvrdost svarového kovu. Zkoušky tahem Ze svařených vzorků série A a B byly provedeny vždy dvě tahové zkoušky. Cílem bylo zjistit pevnost spoje i místo, ve kterém k lomu dochází, neboť se jedná o spoj kombinovaný ze dvou různě pevných ocelí. K lomu došlo vždy v základním materiálu tvářené oceli mimo svar i teplem ovlivněné okolí. Naměřené hodnoty Rm jsou vysoké, kolem 750 MPa. Nepatrně vyšší pevnosti bylo dosaženo u vzorků A s vyšším vneseným teplem. Únavové cyklické zkoušky Vzorky série A i série B byly podrobeny únavovým cyklickým zkouškám. Pro sestrojení únavových křivek, dle kterých by se daly varianty porovnat, bylo zvoleno několik zatěžovacích hladin v rozpětí ±650 N až ±1000 N. Vzorky byly upnuty a zatěžovány ohybem střídavou silou o zatěžovací frekvenci 15 Hz. Jak je patrné z únavových křivek v grafu 3., podstatně lepší dynamické vlastnosti vykazují vzorky série A s téměř trojnásobkem cyklů do vzniku trhliny. Trhlina se u všech vzorků šířila na linii ztavení laserového svaru, vždy na straně kované oceli (obr. 4.). K iniciaci trhliny došlo téměř u všech vzorků uprostřed mezi počátkem a koncem svaru na straně kořene (červená šipka na obr. 4.). Z prostředka desky je nejrychlejší odvod tepla, protože je obklopena masou studeného kovu. Stejně tak kořen svaru je užší oproti hlavě a proto je náchylnější na vznik počáteční trhliny. Třetím faktorem je vyšší obsah uhlíku u kované oceli a tím vyšší tvrdost v TOO oproti CP W800 plechu, takže lom je vždy na straně kovaného materiálu. Pravděpodobnou příčinou je tedy vyšší rychlost odvodu tepla, které má vliv na zvýšení tvrdosti a tím i křehkosti, což může výrazně přispět ke vzniku trhliny právě v tomto místě. V příčném řezu mikrostrukturou (obr. 4 dole) je dokumentována trhlina šířící se těsně vedle linie ztavení, tedy v místě s nejvyšší tvrdostí (jak dokumentují maxima v grafech 1. a 2.). Závěr Experiment ukázal, že svar laserem ovlivňuje pevnost svařených dílů jen minimálně. Při tahových zkouškách došlo k lomu vždy v základním materiálu kované oceli (mimo svar a TOO). Únavové cyklické zkoušky prokázaly lepší dynamické vlastnosti vzorků série A (vzorků svařených s menší velikostí spotu a vyšší plošnou hustotou výkonu), ale díky svařovacím parametrům s vyšším vneseným teplem a širším svarem. Únavové trhliny iniciují vždy v kořeni svaru, na straně kovaného materiálu s vyšším obsahem uhlíku.