SANACIJA TERMORAZPOK NA ORODJIH ZA TLAČNO LITJE Z LASERSKO TEHNOLOGIJO
Matej Pleterski1, Janez Tušek1, Tadej Muhic2, Klemen Pompe2
1Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana 2TKC, d. o. o., Trnovska 8, 1000 Ljubljana
POVZETEK
Varjenje in nekatere sorodne tehnike so zdaj edine poznane tehnologije, s katerimi lahko poškodovana orodja popravimo in ponovno usposobimo za delo. Med poznanimi varilnimi postopki lahko v praksi uporabimo nekaj obločnih postopkov, lasersko varjenje, pa tudi varjenje z elektronskim curkom. Od poznanih postopkov v največji meri uporabljamo varjenje TIG in v novejšem času lasersko reparaturno varjenje.
Repair of thermal cracks on tools for die casting using laser technology
ABSTRACT
Welding and some other similar techniques have so far been the only technologies suitable for repairing of damaged tools and for their consequental implementation for work. Among the well-known welding techniques, some of the arc techniques can be applied in production, as well as laser welding and electron beam welding. The most widely applied procedure is the TIG welding, and in the last years also laser repair welding.
1 UVOD
Svetovna oziroma globalna konkurenca v industriji končnih izdelkov zahteva, da proizvajalci znižujejo stroške na vseh ravneh, povečujejo kakovost in dvigujejo produktivnost. Sanacija poškodovanih in izrabljenih orodij je ukrep, s katerim lahko v veliki meri znižamo stroške v proizvodnji, povišamo produktivnost ter povečamo dobiček. Zato se v zadnjem času vedno bolj uporablja laserska tehnologija, ki daje prednost predvsem ozkemu lokalnemu delovanju toplotne energije, majhni toplotno vplivani coni okoli vara in zanemarljivim obrobnim zajedam.
Za lasersko varjenje lahko zapišemo, da je sploh 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.
Orodja za tlačno litje so izdelana iz kakovostnih jekel ter nato še toplotno obdelana. Ena izmed najpomembnejših karakteristik orodja je trdota. Pri orodjih za tlačno litje barvnih kovin mora biti HRc okoli 45. Za povečanje trajnostne dobe jih lahko cementiramo ali nitriramo in jim s tem povečamo površinsko odpornost proti obrabi. Ne glede na vrsto materiala, toplotno obdelavo in vrsto oplemenitenja površine orodja se ta med uporabo obrabljajo, poškodujejo in na njihovi površini nastanejo razpoke, ki segajo v globino. Z nadaljnjo uporabo se te razpoke večajo in na ulitkih puščajo sledi, ki pa za mnoge uporabnike niso sprejemljive (slika 1).
2 OPIS PROBLEMA
Orodja za tlačno litje barvnih kovin so med uporabo močno obremenjena z mehansko silo in s toplotno energijo. Zaradi teh obremenitev se orodja obrabljajo in razpokajo. Razpoke, ki jih imenujemo termomehanske, nastanejo na površini in se s časom širijo in poglabljajo v material orodja. Ko se razpoka poveča do te mere, da na ulitem izdelku vidimo napako oz. ta ogrozi njegovo funkcionalnost, moramo orodje sanirati.
Toplotne razpoke nastanejo zaradi temperaturnih šokov in velikih pritiskov taline na orodje. Med tlačnim litjem se dogodi, da je temperatura na površini kratek čas pod srednjo temperaturo orodja, tako da nastanejo natezne napetosti, ki privedejo do toplotnega utrujanja in do nastanka posameznih ali mrežasto razporejenih toplotnih razpok.
Na sliki 1a je prikazan del površine orodja, na katerem se je pojavila razpoka. Zaradi razpoke na orodju dobimo na površini ulitega izdelka hrapavo in ne popolnoma gladko površino, kar je razvidno s slike 1b.
Termične poškodbe so najbolj pogoste in najbolj delikatne poškodbe na orodju ter so v veliki večini vzrok drugih poškodb na vseh delih orodja. Pri procesu tlačnega
Slika 1: Prikaz toplotne razpoke na površini orodja (a) in njihov vpliv na površino ulitega izdelka (b)
litja se pojavijo velika termična nihanja, t. i. termični šoki. Sprva priteče talina v ulivno votlino orodja s temperaturo od 650 °C do 720 °C, kar je za orodje prvi temperaturni šok. Po strjevanju se orodje odpre in temperatura začne padati; orodje doživi drugi temperaturni šok. Po odstranitvi odlitka se orodje ohladi na približno 350 °C, nato pa ga namažemo in ohladimo z mazalno emulzijo zaradi izmetavanja ulitka, pri čemer orodje doživi ponoven temperaturni šok; temperatura pade na približno (200 ±30) °C. Nato se cikel ponovi, orodje se zapre ter napolni s talino. Material orodja je tako izpostavljen velikim termičnim raztezanjem, ki so bolj izrazita, čim bolj je nehomogena struktura materiala in čim bolj je orodje razgibano.
Pogosto se dogodi, da se v razpokah na orodjih nahaja kovina, ki jo lijemo (aluminij ali magnezij), kar sanacijo orodja še otežuje. Z laserskim žarkom pa lahko razpoko izžlebimo in s tem iz razpoke odstranimo nečistoče in kovino, ki jo lijemo. Z žlebljenjem do neke mere odpravimo tudi napetostno stanje okoli razpoke in orodje pripravimo za lasersko varjenje z dodajnim materialom.
3 EKSPRIMENTALNI DEL
Rabljeno in razpokano orodje smo razrezali in iz nekaterih razpokanih delov izdelali makroobruse, da smo merili njihovo trdoto. Zanimalo nas je, kaj se dogodi z materialom orodja, ko je razpokano. Eno izmed pomembnih meril za oceno kakovosti materiala orodja je tudi trdota. Večina livarjev in orodjarjev, ki izdelujejo orodja za tlačno litje, se skoraj izključno pogovarjajo o trdoti, ki jo mora imeti orodje.
Z meritvami trdote smo ugotovili, da se le-ta okoli razpoke poveča. To je v splošnem poznano in teoretično tudi pojasnjeno. Večin raziskovalcev si povečanje trdote okoli razpoke razlaga z nakopičenjem dislokacij in s koncentracijo napetosti, ki nastanejo med uporabo orodja. Tretja razlaga za povišanje trdote pa temelji na difuziji legirnih elementov med ogrevanjem in ohlajanjem orodja. Predvsem krom, ki ima velik vpliv na trdoto, se s časom po orodju porazdeli neenakomerno in posledično je tudi trdota
Slika 2: Potek temperature na površini orodja in tik pod njo VAKUUMIST 27/4 (2007)
Slika 3: Makroobrus razpoke na rabljenem orodju in označena mesta preko razpoke, kjer je bila merjena trdota
neenakomerno porazdeljena. Pri tem se moramo zavedati, da se s povišanjem trdote zniža žilavost.
Kot je razvidno z diagrama na sliki 3, dosegajo trdote HV ob razpoki tudi do 780 (HRc = 62). Področje, ki že vsebuje razpoko, je s tako visoko trdoto in posledično tudi povečano krhkostjo še bolj občutljivo za toplotne šoke. Pri nadaljnjem obratovanju takega orodja se razpoka še hitreje širi, postaja vedno globlja in širša. Poleg tega vanjo čedalje bolj vdira liti material, prihaja do abrazije in adhezije. Tedaj v razpoki pogosto ostajajo odtrgani koščki odlitkov, tudi po izmetu iz orodja. Vse skupaj vodi do nesprejemljivih odlitkov, orodje pa pri nadaljnjem obratovanju v takem stanju poči po celotni globini. Tako poškodovana orodja se navadno sanirajo (če je sanacija sploh še stroškovno upravičena) po postopku TIG s predgrevanjem, zajede pa se nato popravijo z laserjem. Pri takšni sanaciji je potrebno veliko mehanske in toplotne obdelave.
Pri pripravi orodja za varjenje moramo razpoko izžlebiti. Najkvalitetnejše bi vsekakor bilo rezkanje utrjenega območja ob razpoki. Tako pripravljen žleb bi nato samo pretalili pri navadnih varilnih parametrih in ga pri teh parametrih tudi zavarili. Material se pri tem ne bi utrdil in trdota zvara bi bila enaka trdoti osnovnega materiala. V praksi se razpoke rezka zelo redko, še to navadno le predele razpok, kjer je odneseno veliko materiala in v notranjosti ostajajo kosi litine. Ročno rezkanje pa je prezahtevno (nevarnost poškodbe gravure), časovno potratno in pušča relativno velik žleb, ki pa ga je nato treba zapolniti.
Pri sanaciji bi poleg rezkanja omenili še varjenje razpok z različnimi materiali. Z dodajanjem mehkega materiala v koren zvara (notranjost žleba) bi ugodno vplivali na trdoto, saj kljub utrjevanju oz. zakalitvi zvar ne bi dosegel previsoke trdote. Poleg tega bi po dodajanju močno znižali visoko trdoto ob zvarnem žlebu, zvar pa bi pridobil tudi na žilavosti, kar bi zaviralo širjenje razpoke. Temenski zvar bi
opravili z materialom, primernim osnovnemu, kar bi verjetno ob~utno izbolj{alo u~inkovitost sanacije ter s tem pove~alo cikle med reparaturami.
4 ŽLEBLJENJE IN VARJENJE RAZPOK 4.1 Žlebljenje razpok
Če želimo razpoko izžlebiti z laserskim žarkom, moramo izbrati parametre z visoko gostoto energije v fokusu laserskega žarka. Material, tj. jeklo, je treba upariti in ga odstraniti iz razpoke. Na sliki 4 je shematsko prikazana laserska naprava, ki se zdaj najve~ uporablja za sanacijo razpok na orodjih za tla~no litje barvnih kovin. To je pulzni Nd-YAG laser, ki omogo~a varjenje in žlebljenje razpok v razli~nih legah in na zapletenih povr{inah orodja, ker laserski žarek lahko vodimo po opti~nem vlaknu, kar pomeni poljubno po prostoru.
Za žlebljenje je potrebna gostota energije nad 1010 W/m2. To dosežemo z nastavitvijo visoke mo~i na laserskem izviru in izbiro le~e s kratko gori{~no razdaljo (posledi~no je manj{i premer fokusirane to~ke na obdelovancu). Na za~etku se nastavi fokus žarka na povr{ino, lahko pa tudi malo pod njo (0,5 mm) in se ga med žlebljenjem {e spu{~a. Ugodno je, da je porazdelitev energije v žarku Gaussova s ~im manj{im raztrosom okoli sredine žarka. Za žlebljenje je tak{na porazdelitev energije prednost, za varjenje z dodajno okroglo žico pa ni najprimernej{a.
Na sliki 5 sta prikazana dva makroobrusa z izžleblje-nima razpokama, ki sta nastali na njegovi povr{ini med uporabo orodja za tla~no litje barvnih kovin. Z laserskim žarkom smo uparili del osnovnega materiala okoli razpoke, vse ne~isto~e in material, ki se je nahajal v razpokah. Tako izdelamo zvarni žleb za varjenje. Poleg tega se s toplotno lasersko energijo, ki u~inkuje na material okoli razpoke, nekoliko odpravi zaostale napetosti, kar ugodno vpliva na napetostno stanje v orodju. Slabost pa je v tem, da se podro~je okoli izžlebljene razpoke, kar je razvidno s slike 5, med žlebljenjem raztali in nato zelo hitro ohladi ter strdi, kar mo~no pove~a trdoto. To podro~je se med varjenjem ponovni raztali in delno razme{a z dodajnim materialom. Po varjenju se "relativno" po~asi ohlaja, kar pomeni, da ne dobimo martenzitne strukture.
Slika 4: Shematski prikaz naprave za lasersko varjenje: 1 -aktivni medij (Nd:YAG-kristal) za ustvarjanje laserskega žarka, 2 - bliskovna luč, 3 - neprepustno zrcalo, 4 - polprepustno zrcalo, 5 - optični kabel, 6 -fokusirni optični sistem, 7 - varje-nec, 8 - fokus laserskega žarka, 9 - sistem za časovno delitev žarka, 10 - sistem za energijsko delitev žarka
Slika 5: Prikaz dveh makroobrusov izžlebljenih razpok na površini rabljenega orodja, na katerih je tudi vidno toplotno vplivano področje (TVP)
4.2 Izbira dodajnega materiala
Kemična sestava zvara je odločilnega pomena za njegove mehanske lastnosti in s tem tudi vpliva na trajnostno dobo reparaturno varjenega orodja. Na kemično sestavo vara pa vpliva sestava dodajnega materiala, sestava osnovnega materiala in temperatura segretja osnovnega in dodajnega materiala med varjenjem oziroma varilni parametri. Dodajni material se mora optimalno mešati z raztaljenim osnovnim materialom. O optimalnem razme-šanju govorimo, kadar je to minimalno in zadosti visoko, da ne nastane luščenje vara iz osnovnega materiala. Poleg mehanskih lastnosti mora dodajni material zagotoviti visoko čistočo vara in ne sme povzročati poroznosti in lunkerjev ali drugih napak v varu. Orodna jekla so s svojo visoko trdoto še posebno občutljiva za lome v bližini nečistoč in por. Var mora imeti tudi primerne lastnosti za nadaljnjo mehansko obdelavo. Tu moramo dodati še to, da je obdelava laserskih varov na orodjih mnogo bolj preprosta kot obdelava varov, izdelanih s postopkom TIG.
Pri varjenju TIG v splošnem velja, da naj bi bila kemična sestava dodajnega materiala podobna osnovnemu. Pri laserskem reparaturnem varjenju pa ni tako. V primeru dodajanja materiala, enakega osnovnemu, dosežemo občutno višjo trdoto vara, kot jo ima osnovni material (pribl. HV 50-100). To je posledica zapletenih metalurških procesov, ki se odvijajo v majhnem volumnu taline in izredno kratkem času (pribl. 6 ms) segrevanja in pri hitrem ohlajanju. Zaradi majhne količine taline in velikega
Slika 6: Shematični prikaz laserskega reparaturnega varjenja in žlebljenja
gradienta temperature pride tako do prekomerne zakalitve raztaljenega materiala. Da bi se temu problemu izognili, uporabljamo pri laserskem reparaturnem varjenju dodajne materiale, ki imajo znižano vrednost ogljika in zvišano vrednost kroma ter molibdena glede na osnovni material.
4.3 Varjenje izzlebljenih razpok
Izžlebljene razpoke nato zavarimo. Parametre laserskega žarka določimo na laserski napravi. Prilagojeni morajo biti velikosti izžlebljenega utora in premeru žice, ki jo uporabimo. Najpomembnejša parametra sta moč in čas trajanja laserskega bliska. Premer žarka v žarišču pa določimo na laserskem optičnem sistemu (slika 4).
V splošnem razpoke varimo z dodajnim materialom ene kemične sestave, včasih pa za varjenje razpok uporabimo dva različna materiala (slika 7). Za koren vara (tj. za varke v spodnjem delu izžlebljene razpoke) uporabimo mehak in žilav material, da preprečimo nastajanje novih razpok in širjenje starih, ki so morda še ostale v notranjosti orodja. Vrhnje (temenske) varke pa varimo s tršim materialom, da po varjenju dobimo na površini saniranega orodja ustrezno trdoto.
5 SKLEPI
Sklepamo lahko, da je laserski žarek zelo primerno sredstvo za sanacijo razpokanih orodij in da z njim lahko izvajamo zelo ustrezno tehnologijo. Z ustreznimi parametri laserskega žarka je mogoče razpoko izžlebiti ter tako
Slika 7: Makroobrus zavarjene razpoke z različnima dodajnima materialoma (a) in razpoke, zavarjene z enim dodajnim materialom (b)
odstraniti utrujeno območje materiala. Tak žleb se nato zavari, kvaliteta zvara pa je v veliki meri odvisna tudi od izbire dodajnega materiala. Razvoj reparaturnega laserskega varjenja je bistveno pripomogel k zmanjšanju stroškov vzdrževanja orodij in podaljševanju njihove trajnostne dobe, prav tako pa se je zmanjšal tudi izpad proizvodnje zaradi poškodovanih orodij v livarnah, pri preoblikovanju materialov in v industriji umetnih snovi.
6 LITERATURA
1 Dawes C.: Laser welding; Abington Publishing, Abington, 1992
2Vollrath K., Der Praktiker 55(9) (2003), 276-281
3Matsunawa A., El-Batahgy A., Zaghloul B.: Laser beam welding of lap
joints of dissimilar materials; Transactions of J W R I, 27, (1998) 2, str.
13-19
4Brockmann R. Honekamp M., Dickmann K., Meier S., Letsch H., Matthes K.-J., Schweißen & Schneiden, 53(9) (2001), 596-603 5Duley W. W.: Laser welding; John Wiley & Sons, Inc., NY, 1999 6Thompson S.: Handbook of mould, tool and die repair welding; Abington Publishing, Cambridge, 1999