UDK 621.791:669.715 Izvirni znanstveni članek/Original scientific article ISSN 1580-2949 MTAEC9, 42(5)211(2008) LASERSKO REPARATURNO VARJENJE TERMORAZPOK NA ORODJIH ZA TLAČNO LITJE ALUMINIJA LASER REPAIR WELDING OF THERMAL CRACKS ON ALUMINIUM DIE CASTING DIES Matej Pleterski1, Janez Tušek1, Ladislav Kosec3, Damjan Klobcar1, Mitja Muhic2, Tadej Muhic2 1Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana 2TKC, d. o. o., Trnovska 8, 1000 Ljubljana 3Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Aškerčeva 12, 1000 Ljubljana Prejem rokopisa — received: 2007-09-20; sprejem za objavo - accepted for publication: 2008-07-02 Sanacija poškodovanih in izrabljenih orodij je ukrep, s katerim lahko v veliki meri povečamo produktivnost in zmanjšamo proizvodne stroške. Zato se v zadnjem času vedno več uporablja laserska tehnologija, katere prednost je predvsem v ozkem lokalnem delovanju toplotne energije, majhni toplotno vplivani coni in zanemarljivih obrobnih zajedah. Orodja za tlačno litje so med delovanjem izpostavljena kompleksnim termomehanskim obremenitvam in s tem visokim napetostim na površini, ki povzročijo utrujanje materiala in nastanek razpok. V članku je predstavljena tehnologija sanacije razpok (žlebljenje, varjenje) z bliskovnim Nd:YAG-laserjem, vključno z analizo mikrotrdot ob sami razpoki, žlebu in varu. Rezultati kažejo na to, da je z laserjem mogoče relativno hitro in enostavno odstraniti utrujeno območje ob razpoki, ga navariti ter tako orodje usposobiti za obratovanje. Ključne besede: tlačno litje, orodja, razpoke, poprava, lasersko navarjanje, aluminij Repair welding of damaged and worn-out tools is a measure, which can increase productivity and lower production costs to a great extent. For this purpose, laser technology has recently been used with major benefits such as localized heating effect, narrow heat effected zone and negligible undercuts. In the die-casting process, dies are submitted to a complex thermo mechanical stressing and high stresses on the surfaces of dies are induced. That may lead to thermal fatigue cracking. In this paper, the technology of thermal cracks repair (grooving, welding) with pulsed Nd:YAG laser is described. A micro-hardness analysis of areas surrounding cracks, grooves and welds has been performed, also. The test results suggest that it is relatively fast and easy to eliminate the fatigue area surrounding the cracks, and with proper welding to reestablish the tool operability. Key words: die casting, dies, cracks, repairing, laser welding, aluminium 1 UVOD Lasersko varjenje je ena izmed prvih industrijskih aplikacij laserja. Ta alternativna tehnologija daje nove možnosti obdelave, dodelave in sanacije, kjer je varjenje z drugimi varilskimi metodami oteženo ali celo onemogočeno. V to vrsto laserske obdelave spada tudi lasersko reparaturno zvarjanje in navarjanje, ki je relativno nova tehnologija in se vedno bolj uveljavlja v livarski, orodjarski ter drugi strojni industriji za sanacijo in vzdrževanje orodij. Orodja za tlačno litje so izdelana iz kakovostnih jekel za delo v vročem, ki so dobro odporna proti toplotnim deformacijam, šokom ter termičnim razpokam na površini. Ena izmed najpomembnejših karakteristik orodja je trdota. Pri orodjih za tlačno litje barvnih kovin mora biti le-ta okoli HRc = 45. Za povečanje trajnostne dobe jih lahko še nitriramo in s tem povečamo njihovo površinsko odpornost proti obrabi. Orodja so med uporabo izpostavljena kompleksnim termomehanskim obremenitvam in s tem visokim napetostim na površini, ki povzročijo utrujanje materiala ter nastanek razpok na površini, ne glede na vrsto materiala, toplotno obdelavo in vrsto oplemenitenja površine orodja. Na sliki 1 je prikazana tipična termična razpoka, ki se močno izraža tudi na odlitku. Takšni odlitki so nesprejemljivi, zato je treba orodja med obratovalno dobo sanirati. Zato so se navadno uporabljali procesi, kot so brušenje, rezkanje in obločno varjenje. Z laserjem je mogoče razpoko izžlebiti, pa tudi Slika 1: Odtisi temen razpok zaradi termičnega razpokanja na ulitku Figure 1 : Imprints of cracks on a cast, as a result of thermal cracking Materiali in tehnologije / Materials and technology 42 (2008) 5, 211-214 211 M. PLETERSKI ET AL.: LASERSKO REPARATURNO VARJENJE TERMORAZPOK NA ORODJIH zavariti. Sun in sod. 12 so napravili študiji o trajnodina-mični in natezni trdnosti ter žilavosti po pretaljevanju razpok, ki so nastale pri trajni dinamični obremenitvi pri povišanih temperaturah. Treba je poudariti, da je šlo pri obeh njihovih raziskavah zgolj za pretaljevanje razpok brez dodajanja materiala. Vedani in sod. 3 so opravili študijo s poudarkom na razvoju mikrostuktur in metalurških problemih pri reparaturnem varjenju površinsko obdelanih orodnih jekel. Nekateri avtorji 4 5 so raziskovali lasersko reparaturno varjenje na različnih področjih. Brown in sod. domnevajo, da je lasersko reparaturno varjenje razpok na ladijskih pločevinah bolj učinkovito kot varjenje z obločnimi postopki zaradi krajših časov in nižjih stroškov. 2 EKSPERIMENTALNI DEL Eksperimenti so bili izvedeni na obrabljenem stranskem jedru orodja za tlačno litje koluta za navijanje varnostnega pasu v avtu, vzdolž katerega je potekala razpoka. Orodje iz materiala 1.2343 (X38CrMoV5-1), kaljeno na trdoto 45 ± 2 HRc (450 ± 30 HV) je prikazano na sliki 2. Orodje je bilo na začetku odrezano na rezu 1. Ta kos se je rabil za analizo trdote ob razpoki. Razpoko na preostalem delu orodja se je nato požlebilo z bliskovnim Nd:YAG-laserjem moči 120 W. Po žleblje-nju je bilo orodje odrezano na rezu 2. Drugi kos se je rabil za analizo trdote ob žlebu. Preostanek orodja je bil nato zavarjen z dodajnim materialom Uddeholm G3 premera 0,5 mm in odrezan na rezu 3. Uporabljeni parametri za žlebljenje in varjenje so prikazani v tabeli 1. Pri izžlebljenju z laserskim žarkom je treba izbrati parametre z visoko gostoto energije v gorišču laserskega žarka. Material, tj. jeklo, je bilo treba upariti in ga odstraniti iz razpoke. Za žlebljenje je zahtevana gostota energije več kot 1010 W/m2. To se doseže z nastavitvijo visoke moči na laserskem izvoru in izbiro leče s kratko goriščno razdaljo. Parametri za varjenje morajo biti prilagojeni predvsem velikosti izžlebljenega utora in premeru uporabljene žice. V obeh primerih je bil kot zaščitni plin uporabljen Ar čistote 99,9996 %. Iz odrezanih delov orodja so bili napravljeni makroobrusi, na katerih so bile nato opravljene meritve mikrotrdot po Razpola za robom 1 I t I I I 1 -, , I t , ,---: I I I tel Fez2 Fal Slika 2: Stransko jedro z označenimi področji razreza Figure 2: Test specimen with marked cuts Vickersu pri obremenitvi 100 g oz. sili 0,981 N. Vsi vzorci so bili jedkani z nitalom (4 %). Meritve so bile opravljene na treh globinah orodja: (0,3, 0,6 in 1) mm. Zaradi boljše preglednosti so v nadaljevanju predstavljene zgolj meritve trdot na globini 1 mm. Tabela 1: Prikaz nastavitvenih parametrov pri laserskem žlebljenju in varjenju razpok Table 1 : Parameters for laser grooving and welding Parameter Žlebljenje Varjenje Frekvenca las. bliskov y /Hz 6 7,4 Cas trajanja las. bliska tp /ms 6,2 6,2 Povprečna moč las. bliska Ppp/W 900 400 Povp. energija las. bliska Ep /J 15,3 11,9 Goriščna razdalja leče fl /mm 160 200 3 REZULTATI IN DISKUSIJA Na sliki 3 je prikazan makroobrus razpoke. Z meritvami trdote, prikazanimi na sliki 4 a, smo ugotovili, da je trdota okoli razpoke višja, kar je razvidno tudi iz diagrama na sliki 4 b, kjer je trdota ob razpoki v povprečju za HV = 200 višja od normalne trdote orodja. To sicer ni značilno za področja ob termičnih razpokah, tako da lahko sklepamo, da je bilo to orodje pred našo analizo verjetno že sanirano. Navadno trdota materiala ob neposredni bližini termične razpoke rahlo pade, kar je posledica kemijske nehomogenosti jekla v območju ob površini razpoke. Železovi atomi iz sloja pod površino razpoke difundirajo na površino proti kisiku, na prazna mesta pa difundirajo legirni elementi (Cr, Mo, V). Na površini razpoke se tako pojavi plast, ki je v veliki meri sestavljena iz železovih oksidov in oksidov aluminija in silicija, kar je posledica reakcije aluminijeve zlitine in kisika. Na meji te oksidne plasti in osnovnega materiala pa se kopičijo predvsem oksidi kroma. Slaba stran oksidne plasti je nizka temperaturna razteznost, večji volumen in krhkost. Oksidi in aluminijeve zlitine v razpokah povečajo natezne napetosti v klinu razpoke, kar povzroča njihovo rast6. Razpoke v nadaljevanju delujejo kot kanali za dovajanje aluminijeve zlitine v razpoko in Slika 3: Makroskopska slika termične razpoke Figure 3: Macro section of a thermal crack 214 Materiali in tehnologije / Materials and technology 42 (2008) 5, 211-214 M. PLETERSKI ET AL.: LASERSKO REPARATURNO VARJENJE TERMORAZPOK NA ORODJIH - Globina 1 mm 1 \ \ 1 L Slika 4: Merilna mesta (a) in profil trdote pravokotno na razpoko (b) Figure 4: Location of measurements (a) and the hardness profile in direction perpendicular to the crack (b) omogo~ajo penetracijo kisika do konice razpoke, kjer povzro~i oksidacijo. Pri nadaljnjem obratovanju takega orodja se razpoka {e hitreje {iri, postaja vedno globlja in {ir{a. Vse skupaj vodi do nesprejemljivih ulitkov, orodje pa lahko pri nadaljnjem obratovanju v takem stanju po~i po celotni globini. Tako po{kodovana orodja se navadno sanirajo (~e je sanacija sploh {e stro{kovno upravi~ena) z rezkanjem razpoke in varjenjem po postopku TIG s predgrevanjem, zajede pa se nato popravijo z laserjem. Pri tak{ni sanaciji je treba veliko mehanske in toplotne obdelave. Na sliki 5 je prikazan makroobrus izžlebljene razpoke, na katerem je lepo vidno toplotno vplivano področje in tisto, kije bilo med žlebljenjem pretaljeno in ponovno zakaljeno (svetel rob tik ob žlebu). Ta, pri- 900 800 Ž 700 Ssoo O E 1-500 400 -2-10 1 2 Oddaljenost od žleba /«/mm Slika 6: Profil trdote ob zvarnem žlebu Slika 6: Hardness profile in the direction perpendicular to the groove bližno 0,2 mm {irok pas se izraža tudi v diagramu meritev trdot, ki je prikazan na sliki 6. Trdote so v tem pasu tudi do HV = 300 večje od normalne trdote orodja (izstopajoča meritev, ki sega nad HV = 850, je posledica kemične nehomogenosti jekla v tem območju). Iz diagrama je tudi razvidno, da trdota z oddaljenostjo od zvarnega žlebu naglo pada in po 0,2 mm do 0,3 mm doseže normalno trdoto orodja. Razlog za tako visoke trdote je predvsem v relativno veliki gostoti vnesene energije, kar je pogoj za uspe{no žlebljenje območja ob razpoki. Ker se orodja v primeru laserskega reparatur-nega varjenja varijo v hladnem, se segreti material in talina, ki se ne odstrani iz žleba, znova zakalita. Zaradi velikega temperaturnega gradienta med tem območjem, segretim nad temperaturo tali{ča jekla, in osnovnim materialom (sobna temperatura) se to območje izredno hitro ohladi in s tem močno zakali. Mikrostruktura, ki nastane v takem primeru, je prikazana na SEM-posnetku na sliki 7. Na sliki 8 je prikazan makroobrus zavarjene razpoke. Meritve trdot na varu so prikazane v diagramu slike 9. Eden izmed ciljev pri reparaturnem varjenju je, da se doseže trdota zvara čim bolj enaka trdoti osnovnega materiala. Na to pa lahko vplivamo predvsem z izbiro Slika 5: Makroskopska slika izžlebljene razpoke Figure 5: Macro section of the groove Slika 7: Mikrostruktura jekla ob zvarnem žlebu (Sl. 5): A-osnovni material; B-TVP; C-meja nataljevanja; D-območje celične mikrostrukture, E-območje aksialnih dendritov; SEM (SEI) Figure 7: Image of microstructure at the groove: A-base material; B-HAZ; C-solidification line; D-cellular dendrite area; E-axial dendrite area; SEM (SEI) Materiali in tehnologije / Materials and technology 42 (2008) 5, 211-214 213 M. PLETERSKI ET AL.: LASERSKO REPARATURNO VARJENJE TERMORAZPOK NA ORODJIH Slika 8: Makroskopska slika navarjenega zvarnega žleba Figure 8: Macro section of the welded groove soo Oddaljenost od sredine vara ymm Slika 9: Profil trdote preko zvara Figure 9: Hardness profile across the weld primernega dodajnega materiala in varilnimi parametri. Zaradi majhne količine taline in velikega gradienta temperature uporabljamo pri laserskem reparaturnem varjenju dodajne materiale, ki imajo znižan delež C (0,2 %) in zvišano vsebnost Cr (1,5 %) in Mo (3 %) glede na osnovni material. Prav tako moramo biti pazljivi pri nastavitvi parametrov, da vnesena energija ni prevelika, vendar še tolikšna, da se dodajni material pretali in v celoti zlije z osnovnim. Na sliki 10 je prikazan SEM-posnetek območja na robu zvara, ki je z mešano celično-dendritno mikrostrukturo podobno tistemu ob zvarnem žlebu, zato so tudi trdote v tem prehodnem področju visoke. Mikrostruktura v sredini vara pa je prikazana na sliki 11. Gre za martenzitno mikrostrukturo z redkejšimi neizrazitimi dendriti in trdoto rahlo višjo od osnovnega materiala. 4 SKLEPI Rezultati raziskave kažejo, da je z lasersko tehnologijo mogoče relativno hitro in enostavno sanirati razpo-kano orodje. Z ustreznimi parametri laserskega žarka je mogoče razpoko izžlebiti ter tako odstraniti utrujeni material ob razpoki. Čeprav se ob tako pripravljenem Slika 10: Mikrostruktura jekla na robu zvara: A-osnovni material; B-TVP; C-območje celično-dendritne mikrostrukture; D-pasovi toplotnega vpliva zaradi večvarkovnega polnjenja žleba; SEM (SEI) Figure 10: Microstructure at the weld boundary: A-base material; B-HAZ; C- dendrite area; D-layers of heat effect of multi-pass groove filling; SEM (SEI) Slika 11: Mikrostruktura v varu; fina dendritna mikrostruktura; SEM (SEI) Figure 11: Microstructure in the weld; Fine dendritic microstructure; SEM (SEI) žlebu pojavi ozko pretaljeno področje, ki se močno zakali, je mogoče ob nastavitvi primernih laserskih parametrov in izbiri pravega dodajnega materiala orodje zvariti tako, da je trdota zvara blizu trdoti osnovnega materiala. 5 LITERATURA 1 Y. Sun, S. Hanaki, M. Yamashita, H. Uchida, H. Tsujii: Vacuum 73 (2004), 655-660 2 Y. Sun, H. Sunada, N. Tsujii: ISIJ International, 41 (2001) 9, 1006-1009 3 M. Vedani: Journal of Materials Science (2004), 241-249 4E. Capello, D. Colombo, B. Previtali: Journal of Materials Processing Technology 164-165 (2005), 990-1000 5 P. M. Brown, G. Shannon, W. Deans, J. Berd: Weld World (1999), 33 6F. Kosel, L. Kosec: Mechanical Engineering Journal 29, (1983), E1-E8 214 Materiali in tehnologije / Materials and technology 42 (2008) 5, 211-214