NAGYSZILÁRDSÁGÚ VÉKONYLEMEZEK VEGYESKÖTÉSE MIG ELJÁRÁSSAL DISSIMILAR MIG WELDING OF ADVANCED HIGH STRENGTH STEEL SHEEETS Kalácska Eszter Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Anyagtudomány és Technológia Tanszék, 1111 Budapest, Bertalan Lajos u. 7. eszter.kalacska@gmail.com Fábián Enikő Réka Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Anyagtudomány és Technológia Tanszék, 1111 Budapest, Bertalan Lajos u. 7. fabianr@eik.bme.hu Májlinger Kornél Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Anyagtudomány és Technológia Tanszék, 1111 Budapest, Bertalan Lajos u. 7. welding@att.bme.hu Pasquale Russo Spena Free University of Bozen-Bolzano, Faculty of Science and Technology, Piazza Università 5., 39100, Bolzano, Italy pasquale.russospena@unibz.it Absztrakt A kutatás során egy automatizált MIG hegesztőgép segítségével készült TWIP (twinning induced plasticity) és TRIP (transformation induced plasticity) vékonylemezek vegyeskötését hoztuk létre. A hegesztés paramétereinek optimalizálása mellett az elkészült varratokat szemrevételezés, szakítóvizsgálat, mikrokeménységmérés, valamint kvantitatív metallográfia alapján elemeztük. A TRIP acél hőhatásövezetében jelen lévő martenzit és bénit miatt a keménység 450-500 HV0.1-re adódott. A kötés az ausztenites varratnál szakadt, a töretfelület szívósnak mutatkozott. Abstract Automated metal inert gas (MIG) welding process was used to weld the TWIP (twinning induced plasticity) and TRIP (transformation induced plasticity) steel sheets together. The welding parameters were successfully optimized for butt welded joints. The joints were investigated by visual examination, tensile testing, quantitative metallography and hardness measurements. The TRIP steel side of the joints showed increased microhardness up to (450-500 HV0.1) through increased fraction of bainite and martensite. Macroscopically the tensile specimen showed ductile behaviour, they broke in the austenitic weld material. 1. Bevezetés Az egyre nagyszilárdságú acélok egyre nagyobb teret nyernek a minél kisebb önsúlyú és kecsesebb hegesztett szerezetek alapanyagaként is [1, 2]. Az össztömegcsökkentés különös szerepet kap a modern autóiparban is, a személygépjárművek össztömegének és ezáltal az üzemanyag-fogyasztás, tehát a szennyezőanyag kibocsájtás csökkentése érdekében is. A tömeg csökkentés többek között nagyszilárdságú acéllemezek alkalmazásával a karosszéria építésénél is elérhető, ezzel párhuzamosan az utastér biztonsága is növek- 276
szik [3]. A TRIP és TWIP acélok megfelelnek a fent említett célnak, mivel nagy szilárdságuk mellett kiváló szívóssággal rendelkeznek. A TRIP acél ferrit-bénit mátrixba ágyazott maradék ausztenitből és martenzitből áll, míg a TWIP acél nagy mangántartalmának köszönhetően homogén ausztenites [4, 5]. A TRIP acél kiemelkedő mechanikai tulajdonságait a maradó alakváltozás közben martenzitté alakuló maradék ausztenitből nyeri [6]. A TWIP acél közkedvelt alkalmazásának oka ezzel szemben a kiemelkedően nagy szakítószilárdság képlékenység kombinációja. [7]. A korábbi, TWIP-TRIP vegyeskötésekkel foglalkozó vizsgálatok során a kötés létre hozásához nagyrészt lézersugaras eljárásokat alkalmaztak, folyamatos [6-9] és impulzus üzemű [5, 6] lézerforrással valamint ellenállás ponthegesztést [2, 6, 8] és védőgázas wolfram elektródás ívhegesztést (GTAW) [5, 6, 8]. Roncery és társai [6] enegriadiszperzív röntgen spektroszkóp segítségével a varratban található mangán kiválásokat vizsgálták GTAW eljárással készített kötésekben. Megfigyelték, hogy a TWIP acél az alkalmazott eljárás esetén melegrepedésre hajlamos [3]. A varratban dendrites szerkezet várható, a hőhatásövezet nagymértékű szemcsedurvulást szenved [5]. A TRIP-TWIP acéllemezek lézersugaras hegesztését követően a TWIP szerkezete homogén ausztenites maradt, míg a TRIP martenzites-bénites szerkezetét a HAZ-ban a keménységeloszlással igazolták [9]. 2. Felhasznált anyagok és eljárások Vegyes kötéseket hoztunk létre 1 mm lemezvastagságú cinkkel bevont (I) HCT800T (1.0948), közismert nevén TRIP 800, valamint 1,5 mm lemezvastagságú, (II) 22Mn0.6C, kereskedelmi nevén TWIP 1000 acélokból. Hozaganyagként Ø 0.8 mm-es AWS ER 307 Si jelű huzalelektródát alkalmaztunk. Az alapanyagokon elektronmikroszkóp (SEM) és energiadiszperzív röntgen spektroszkópia segítségével összetétel vizsgálatot végeztünk, amely eredményét az 1. Táblázatban közöljük. A hegesztési kísérletekhez 100 50 mm-es darabokat vágtunk le. A lemezdarabokat a hegesztést megelőzően sorjáztuk és acetonnal tisztítottuk. A lemezek hengerlési irányára merőlegesen tompán hegesztett, 100 100 mm-es próbatesteket hoztunk létre egy Yamaha lineáris hajtás segítségével automatizált Rehm Mega PULS 300 fogyóelektródás védőgázas ívhegesztőgép segítségével. A hegesztési kísérletek során a pisztoly a lemezektől 10 mm távolságban, azokra merőlegesen helyezkedett el. Védőgázként mind a korona- mind a gyökoldalon, 10 l/min áramlási sebességű argont (99.996 % Ar) alkalmaztunk tehát 131-es eljárás (MIG metal inert gas). A lemezek mechanikus leszorító segítségével kerültek pozícionálásra, a próbatestek kifutó felén 1 mm hézaggal, az egytengelyű kötések létrehozása érdekében. Egyenes (DC-) polaritás mellett impulzus ívet alkalmaztunk. Változó paraméterek közé a hegesztés sebessége, az áramerősség, valamint a feszültség voltak. Alapanyag Kémiai összetétel (m %) Lemezvastagság Fe Si Mn Cr Ni Al (mm) (MPa) TWIP 1000 79.73 0.46 17.63 0.13-2.18 1.5 ± 0.05 1000 TRIP 800 95.83 1.73 2.45 - - - 1.0 ± 0.05 800 AWS 307 63.79 1.45 6.62 19.1 9.03 - Ø 0.8 650 1. táblázat A felhasznált alapanyagok kémiai összetétele és főbb tulajdonsága Rm névleges 277
A hegesztési paraméterek optimalizálása során a varrat makroszkópikus megjelenése volt a fő szempont: a teljes beolvadás mellett megfelelő varratmagasság (kb. 1-1,5 mm) a korona- és gyökoldalon. A szemrevételezésre jó minőségű varratokat metallográfiai és mechanikai (mikrokeménységmérés és szakítóvizsgálat) vizsgálatoknak vetettük alá. A hegesztési kísérletek után a varratokból készített maratott keresztcsiszolatokat fénymikroszkóppal vizsgáltuk. Maratás előtt a keresztcsiszolatokat folyamatos vízöblítés mellett P80, P120, P320, P600, P1200, valamint P2500 szemcsenagyságú SiC papírokkal csiszoltuk, ezt követően 1 µm és 0.5 µm szemcseméretű Al2O3 szuszpenzióval políroztuk. A TWIP 1000 acél teljesen ausztenites, a TRIP 800 acél négy szövetelemből (maradék ausztenit ferrit-bénit mátrixban, kis mennyiségű martenzit) épül fel. Ezek kimutatására különböző marószereket alkalmaztunk. A marószerek összetételeit a maratási időket és az egyes szövetelemekre kifejtett hatásukat a 2. Táblázat foglalja össze és az 1. ábra szemlélteti. Marószer Marószer kémiai összetétele Maratás ideje (s) Nital 2% 98 ml etanol + 2 ml HNO3 10-15 Le Pera 100 ml H2O + 1 g Na2S2O5, 100 ml etanol + 4 g C6H3N3O7 7-12 Riggsbee & 2 g (NH4)2S2O8 + 2 ml HF + 50 ml Vander Arend CH3COOH + 150 ml H2O 20-60 Kalling 2 g CuCl2 + 40 ml HCl +40 ml C2H6O 10-12 Marder & Benscoter előmaratás Nital 2%-ban 100 ml H2O + 10 g Na2S2O5, 1-2 20 Marószer A szövetelemek színe maratás után Ausztenit Ferrit Martenzit Bénit Nital 2% nem marja. világos sötét nem marja Le Pera nem marja barnás fehér fekete Riggsbee & világosabb Vander Arend a ferritnél. világos sötét nem marja Kalling Marder & Benscoter fehér világosbarna fekete barnás fehér tört fehér sötét nem marja 2. táblázat A TRIP 800 acéllemezen alkalmazott marószerek [11] A kvantitatív fázisanalízist a különböző technikákkal maratott keresztcsiszolatokról készült szürkeárnyalatos felvételek alapján képelemző szoftver segítségével végeztük el. A TRIP alapanyag esetében Le Pera marószert alkalmaztunk, ezt a marószert a szemcseméret meghatározásánál is felhasználtuk; a bénit (sötétszürke) mennyiségének meghatározására, Marder & Benscoter-t a maradék ausztenit (fehér) kimutatására, valamint Nitalt a martenzit (fekete) detektálására (1. ábra ahol az alapanyag BM, a hőhatásövezet HAZ, valamint a varrat FZ). A ferrit mennyiségét kiadódó módon adtuk meg. A Riggsbee & Vander Arend reagens szintén alkalmas lehet a maradék ausztenit maratására. 278
1. ábra A különböző marószerek szövetelemekre kifejtett hatásai A hegesztés utáni szövetszerkezet kvantitatív elemzésére egy másik maratási technológia bizonyult megfelelőnek a hőhatásövezetben (HAZ). A Kalling reagens mutatta ki a legkontrasztosabban a feketére mart martenzitet, a Nital segítségével a ferrit fehér színűre maródott, a Marder & Benscoter szer ismét alkalmas volt a fehér színűre mart maradék ausztenit mennyiségének meghatározására. Ezt a marószert a TWIP oldal esetén is alkalmazni tudtuk. A szemcseméreteket a hőhatásövezetben és alapanyagokban egyaránt ISO 643:2012, valamint ASTM E112-12 meghatároztuk. A metallográfiai mintákon egy Buehler 1105 keménységmérő berendezés segítségével 100 g-os terheléssel Vickers mikrokeménységmérést (HV0.1) is végeztünk, amivel meghatároztuk a kötés keménységeloszlását. A szabványos szakító vizsgálatok során megállapítottuk a kötések szakítószilárdságát, szakadási nyúlását és a kontrakciót. Szabványos (l0=5 d0), lapos próbatesteket alkalmaztunk, amelyeket a vizsgálatok előtt a metallográfiai próbatestekhez hasonló módon csiszoltunk. A szakítás sebessége 10 mm min -1 volt. Az eltört szakítópróbatestek töretfelületét EDAX EDS detektorral felszerelt Philips XL30 SEM elektronmikroszkóp segítségével vizsgáltuk. 3. Eredmények és kiértékelésük 3.1 A hegesztési paraméterek optimalizálása Előzetes vizsgálatok eredményei alapján a hegesztési kísérletek paraméterei a következő értékek között változtattuk: áramerősség I=30 37 A, feszültség U=16 17.3 V illetve a hegesztési sebesség vheg=4.4 4.6 cm min -1. A hőbevitel mennyiségét (Q) az 1. egyenlet alapján határoztuk meg, ahol k az eljárás hatásfoka (k=0.8). A varratokat elsődlegesen szemrevételezéssel minősítettük: nagy hibának számított az átégett, átroskadt, vagy át nem olvadt varrat, kis hibának hívtuk a kis varratgeometriai eltéréseket (túl széles varrat a 279
korona- vagy gyök, nem teljesen egytengelyű kötés, egyenetlen varratdudor). A hegesztési kötések minőségét a hőbevitel függvényében a 2. ábra mutatja. Q=k U I vheg -1 (1) A 2. ábrából látható, hogy ezen acélokból létre hozott kötés minősége érzékeny a védőgáz használatára. A lemezek vékonysága miatt fontos a gyökvédelem, valamint, hogy az ív a két lemez között, nem pedig a vastagabb lemez felett égjen. A varratok szemrevételezése alapján az optimális hőbeviteli tartomány Q=0,5 0.65 kj mm-1 között található. Az általunk legmegfelelőbbnek ítélt hegesztési paraméterek a következők: I=37 A, U=16.3 V és vheg= 4.4 cm min -1. 3.2 Mikroszerkezetvizsgálatok A kötésről készült sztereo illetve fénymikroszkópos felvétel a 4. ábrán látható, az egyes tartományokban található szemcseméreteket és szövetszerkezeteket a 3. táblázat közli. A TWIP lemez és a hozaganyag szerkezete teljesen ausztenites maradt. A TWIP alapanyag szemcsmérete ~Ø 5 μm-ről Ø 20 μm-re változott a HAZ2 és ~Ø 50 μm-re a HAZ1 tartományban. (A HAZ1 és HAZ2 tartományok a hőhatásövezet durva- ill. finomszemcsés részeit jelentik.) A varrat dendrites szerkezettel rendelkezett. A TRIP oldal hőhatásövezete nagyobb mértékű szemcsedurvulást szenvedett. A ~Ø 3 μm-es szemcsenagyságú BM a HAZ2-ben Ø 50 μm-esre, míg a HAZ1-ben Ø 76 μm-esre durvult. Az egyes szövetelemek mennyisége is szignifikánsan változott a hőhatásövezet mentén. A ferrit ~60%-ról 16%-ra valamint ausztenit mennyisége ~12%-ról 2%-ra csökkent. A kemény és rideg martenzit és alsó bénit 2.4% és 25%-ról ~46% ill. ~36% -ra növekedett. A TRIP oldali nagyobb mértékű szemcsedurvulás magyarázata a TWIP lemezéhez képest 50%-kal kisebb vastagság. 2. ábra A kötések minősége a hőbevitel függvényében (szemrevételezés alapján) 3. ábra Makrofotó a hibátlan varrat korona és gyök oldalról 280
4. ábra Makrofotó és fénymikroszkópos felvételek a hegesztett kötések egyes tartományairól (a TRIP oldal és a varrat Kalling a TWIP Marder & Benscoter reagenssel maratva) Pozíció Szemcseméret Szövetelem d, (µm) ASTM Ferrit Bénit Martenzit Ausztenit TRIP BM 2.6 14.0 60.2 25.2 2.4 12.2 TRIP HAZ2 50.1 5.5 29.8 28.9 33.9 7.4 TRIP HAZ1 75.6 4.5 16.5 35.6 45.8 2.1 Varrat n/a. n/a. - - - 100 TWIP HAZ1 47.4 6.0 - - - 100 TWIP HAZ2 20.9 8.0 - - - 100 TWIP BM 4.9 12.5 - - - 100 3.táblázat A kötések különböző tartományaiban található szemcseméretek és szövetelemek.3 A kötések mechanikai tulajdonságai A kötések keménységeloszlásából (5. ábra) látható, hogy az anyagokban jelentős változások következtek be. A TRIP alapanyag ~250 HV0.1 keménysége a HAZ2 tartományban ~300 HV0.1-re majd a HAZ1-ben tovább, ~500 HV0.1-re növekedett. Ez igazolja a metallográfiai vizsgálatok során kimutatott martenzit és bénit jelenlétét. A TWIP oldal és a varrat keménységértékei nem mutattak nagymértékű változásokat, mindkét anyag keménysége 200 és 250 HV0.1 körül ingadozott, mivel mindkettő homogén ausztenites szerkezettel bírt. A kötések szakítószilárdsága relatív nagy szórású volt: Rm=707±155 (MPa). Ez valamivel kisebb, mint a TRIP alapanyag névleges szakítószilárdsága. A törés minden esetben a varrat helyén következett be. A szakadási nyúlás, valamit a kontrakció alapján igazolható a szívós viselkedés: A5.56=22±14 (%) és Z=13±3 (5). A szívósságot a sztereo mikroszkópos felvételek is alátámasztják (6. a) ábra), ahol érzékelhető az ausztenites TWIP oldal jelentős mértékű maradó alakváltozása. A SEM felvételeken (6. b) ábra) szintén a töretfelület szívós jellege. 281
5. ábra A kötések keménységeloszlása a varrat keresztcsiszolatának középvonala mentén mérve 6. ábra Az elszakított próbatestről készült a)sztereo mikroszkópos és b)a töretfelület SEM felvétele 4. Következtetések A fent tárgyalt vizsgálatok alapján az alábbi következtetések vonhatók le: A TRIP 800 és TWIP 1000 vékonylemezek (1 1.5 mm lemezvastagság) hegesztése MIG eljárással, valamit AWS 307 Si huzalelektódával Q=0,5 0.65 kj mm -1 hőbevitel mellett sikeres. A TRIP 800 hőhatásövezetében növekedő bénit és martenzit mennyiség, illetve az ezzel párhuzamosan növekvő keménység (~450 500 HV0.1) ellenére a varrat szívósan viselkedik és a törést megelőzően jelentős mértékű maradó alakváltozást (> 10%) szenved. Az elérhető szakítószilárdság a TRIP 800 alapanyag névleges szakító szilárdságától valamivel kisebb (~700 MPa). Köszönetnyilvánítás PASQUALE Russo Spena szerzőtárs köszöni a Project TN2001 projekt támogatását. 282
Irodalomjegyzék [1] Dobossy Á. Lukács J.: S690QL jelű acélok hegeszthetőségének és fáradással szembeni ellenállásának vizsgálata. Hegesztéstechnika 1 (2015), p. 51-59 [2] Meilinger Á., Lukács J., Kuzsella L., Koncsik Zs., Gáspár M.: Role of the Physical Simulation for the Estimation of the Weldability of High Strength Steels and Aluminum Alloys, Materials Science Forum; 812, p. 516. [3] S. Oliver, T.B. Jones, G. Fourlaris, Dual phase versus TRIP strip steels: Microstructural changes as a consequence of quasi-static and dynamic tensile testing, Materials Characterization, (2007), p. 390-400. [4] S. Brauser, L.A. Pepke, G. Weber, M. Rethmeier, Deformation behaviour of spotwelded high strength steels for automotive applications, Materials Science and Engineering, (2010), p. 7099-7108. [5] L-l. Ma, Y-h. Wei, L-f. Hou, B. Yan, Microstructure and Mechanical Properties of TWIP Steel Joints, Journal of Iron and Steel Research, International, (2014), p. 749-756. [6] L. Mújica, S. Weber, W. Theisen, Welding of twinning-induced plasticity steels, Scripta Materialia, (2012), p. 997-1001. [7] U. Reisgen, M.S., O. Mokrov, E. Ahmed, Uni- and bi-axial deformation behaviour of laser welded advanced high strength steel sheets, Journal of Materials Processing Technology, (2010), p. 2188 2196. [8] M. Amirthalingam, Microstructural Development during Welding of TRIP Steels, PhD Thesis, Delft University of Technology (2010), p. 8-12 [9] L. Mujica, S. Weber, H. Pinto, C. Thomy, F. Vollertsen, Microstructure and mechanical properties of laser-welded joints of TWIP and TRIP steels, Materials Science and Engineering, (2010), p. 2071-2078. [10] S.S. Nayak, V.H. Baltazar Hernandez, Y. Okita, Y. Zhou, Microstructure hardness relationship in the fusion zone of TRIP steel welds. Materials Science and Engineering, (2012), p. 73-81. [11] G. F. Vander Voort, Metallography: Principles and Practice, ASM International, (1984), Függelék 283