JÁRMŰIPARBAN ALKALMAZOTT NAGYSZILÁRDSÁGÚ ALUMÍNIUM ÖTVÖZETEK ELLENÁLLÁS PONTHEGESZTÉSE

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR ANYAGSZERKEZETTANI ÉS ANYAGTECHNOLÓGIAI INTÉZET JÁRMŰIPARBAN ALKALMAZOTT NAGYSZILÁRDSÁGÚ ALUMÍNIUM ÖTVÖZETEK ELLENÁLLÁS PONTHEGESZTÉSE Papp Zsolt, ZXDXYR 3532, Miskolc Győri kapu 108./B 3 em. 2 a Miskolci Egyetem

2 Tartalomjegyzék BEVEZETÉS IRODALMI ÁTTEKINTÉS AZ ALAPANYAG TULAJDONSÁGAI ALKALMAZÁSÁNAK ELŐNYEI AZ AUTÓIPARBAN SÚLYCSÖKKENÉS MÉRTÉKE ÉS ALKALMAZÁSI HELYE A JÁRMŰIPARBAN AZ ALUMÍNIUM SZILÁRDSÁGNÖVELÉSE Képlékeny hidegalakítás Ötvözetképzés Ötvözetek csoportosítása Az alakítható ötvözetek jelölései Az öntészeti ötvözetek jelölései További csoportosítási lehetőségek Hőkezelés Hőkezelések és hidegalakítások jelölései Néhány konkrét hőkezelési kísérlet AZ 5-ÖS, A 6-OS ÉS A 7-ES CSOPORTBA TARTOZÓ ALUMÍNIUM ÖTVÖZETEK RÉSZLETESEBBEN AZ ALUMÍNIUM HEGESZTHETŐSÉGE A HEGESZTÉS NEHÉZSÉGEI ÉS PROBLÉMÁI Oxidhártya Porozitás probléma Repedésérzékenység Kristályos repedés: Likvációs repedés: Hőhatásövezet és varrat problémái Fröcskölés problémája Elektród degradáció Szakirodalmi kísérlet a felületi érdesség, oxidréteg és pittingkopás hatásának vizsgálatára AZ ELLENÁLLÁSPONTHEGESZTÉS AZ ALUMÍNIUM ESETÉBEN Az ellenállásponthegesztés alapjai Ponthegesztés folyamata A hegesztő áramkör ellenállásai EGYÉB TULAJDONSÁGOK Mikroszerkezet... 40

3 Keménység ERŐ ÉS MEGHIBÁSODÁSI MÓD FOLYAMATPARAMÉTEREK HATÁSA KÖTÉSEK JAVÍTÁSÁNAK LEHETŐSÉGE KÍSÉRLETEK KIVITELEZÉSE MŰBIZONYLATOK PRÓBATESTEK ELŐKÉSZÍTÉSE: Hegesztés KÍSÉRLETEK KIÉRTÉKELÉSE SZAKÍTÓVIZSGÁLAT KEMÉNYSÉGMÉRÉS T6 ötvözet keménységeloszlása H22 ötvözet keménységeloszlása ötvözet keménységeloszlása MAKRO- ÉS MIKROSZERKEZET ERŐ ÉS TÖNKREMENETELI MÓDOK KÖVETKEZTETÉSEK ÖSSZEFOGLALÁS SUMMARY KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS IRODALOMI HIVATKOZÁSOK... 82

4 2017 Miskolci Egyetem

5 1 BEVEZETÉS Az alumíniumötvözet építőipari és egyéb szerkezeti célú felhasználása, valamint a gépjármű- és repülőgépgyártásban való alkalmazása egyre inkább fokozódik. A közúti járművek folyamatosan növekedő mennyisége különböző társadalmi és környezetvédelmi problémákhoz vezet. Ezért elég gyakori stratégia nagyszilárdságú acélt vagy alumínium ötvözetet használni a személygépkocsik súlycsökkentése érdekében, hogy ezáltal mérsékeljék az emissziót, hiszen a személygépkocsik súlycsökkentése gigatonnás megoldás lehet. [1] [35] Az antropogén üvegházhatást okozó gázok kibocsátásának az egyik legnagyobb forrása a fosszilis üzemanyagok elégetése. Ebből adódóan a közlekedési ágazat, mint a legnagyobb fosszilis üzemanyag fogyasztó, folyamatosan különböző stratégiákat próbál felfedezni az üzemanyag hatékonyságának fejlesztésére és az üvegházhatást okozó gázkibocsátás csökkentésére. Ezek közé a stratégiák közé tartozik a súlycsökkentés, a hagyományos motor teljesítmény fejlesztése, kidolgozni új és jobb energiahatékonyságú hajtásláncokat, mint például az elektromos és hibrid rendszerek és az alacsony CO2 kibocsátású üzemanyagok használata. Ezen módszerek közül a súlycsökkentést vélték a legköltséghatékonyabbnak, 2010 és 2050 között a személygépkocsik súlyának mérséklése, optimális körülmények között az üvegházhatást okozó gázok kibocsátásának csökkenéséhez vezethet, 9-18 gigatonna szén-dioxid kibocsátást megtakarítva ezzel. [33] [35] A személyes és tömegközlekedés, a környezetvédelmi hatékonyság és a kritikus széndioxid kibocsátás globális problémájának a megoldása érdekében innovatív jármű koncepciókra van szükség. Ennek ellenére számos vásárló igénye: a nagy teljesítmény, méret, extra kényelem, amelyek azonban növelik a súlyproblémákat. [1] Az autóipari cégek megpróbáltak erre egy új járműkoncepcióval válaszolni, amely alatt egy következetes könnyűsúlyú dizájnt értenek a széndioxid kibocsátásra vonatkozó szigorú törvényi előírások és a növekvő tudatos üzemanyag fogyasztás miatt. A járművek tömegének csökkentésével párhuzamosan rendkívül fontos, hogy fenntartsuk a teljesítményt, de mindenekfelett a biztonságot. Ilyen szempontok alapján megfelelő súlycsökkenés érhető el alumínium ötvözetek felhasználásával. [1]

6 2 1. IRODALMI ÁTTEKINTÉS 1.1. Az alapanyag tulajdonságai Az alumínium kis olvadáspontú (660 C), jól alakítható, könnyű, allotróp módosulata nincs. Lapközepes köbös kristályszerkezetű, ezért képlékeny alakíthatósága jó, mivel több csúszásra alkalmas kristálytani síkkal rendelkezik (nagy atomsűrűségű). Kitűnő elektromos és hővezető képességű, rugalmassági modulusa kicsi (E= MPa), mivel atomjai között kicsi a kötőerő. Szakítószilárdsága alacsony (Rm= MPa), ez azonban alakítással növelhető. Jó korrózióállósággal rendelkezik a felületén képződő vékony, összefüggő, nagy olvadáspontú Al2O3 oxidrétegnek köszönhetően, ezenkívül visszanyerhetősége miatt környezetbarát. [23] Az alumínium a felhasználás tekintetében a legfontosabb könnyűfém. A hazai iparban rendkívül nagy jelentősége van, mivel érce azaz a bauxit az egyetlen ma is jelentős mértékben előforduló fémes érc. Előállítását két lépésben végzik: először is a bauxitból vegyi tisztítással kinyerik a timföldet (Al2O3), amelyből ezután 1000 C-on végzett elektrolízissel előállítják a kohóalumíniumot, amelynek a tisztasága ,7%. [23] 1.2. Alkalmazásának előnyei az autóiparban Ahogy a bevezetésben említettem, az alumíniumnak a gépkocsiiparban való alkalmazása számos előnnyel jár: az alumínium előnyös az üzemanyag fogyasztás szempontjából, valamint a gazdaságosabb üzemeltetés fogyasztói követelményének is eleget tesz, továbbá csökken a jármű tömege, ezáltal a károsanyag kibocsátás mértéke is visszaesik. Az alumínium ötvözetekben a súlycsökkentés szempontjából rendkívüli lehetőségek rejlenek, mivel alacsony a sűrűségük és a súlyarányukhoz képest a szilárdságuk és merevségük jelentős. A legtöbb alkalmazás során 50% feletti súlymegtakarítást tesz lehetővé a hagyományos anyagokkal szemben, a szilárdság és a biztonság veszélyeztetése nélkül. Ezenkívül az alumínium ötvözetek még számos előnyös tulajdonsággal rendelkeznek, amelyek alkalmassá teszik őket az autóiparban való felhasználásra: kiváló korrózióálóság, alacsony energiájú alakíthatóság, jó ütközésállóság, magas hő- és elektromos vezetőképesség, nagy fény és hősugárzással szembeni visszaverőképesség, jó megmunkálhatóság és ésszerű árak melletti tömegtermelési képesség jellemzi őket. [33] [5] [9]

7 3 Továbbá rendkívüli újrahasznosíthatósággal és alacsony másodlagos energiaköltséggel rendelkeznek. Az autógyártási részlegben az alumínium rendkívüli mértékben, szinte minőségvesztés nélkül visszaforgatható, amely lehetővé teszi az alumínium ipar számára, hogy képes legyen újra hasznosítani az összes rendelkezésre álló hulladékot az új alumínium ötvözet előállításához szükséges energia mintegy 5%- ával. Az alumíniumintenzív kocsik esetén eredményezett kisebb tömeg mellett fokozott biztonsággal, nagyobb gyorsulással, fékteljesítménnyel, valamint jobb kormányozhatósággal rendelkeznek. [1] [33] [9] [5] 1.3. Súlycsökkenés mértéke és alkalmazási helye a járműiparban A legújabb kutatások szerint 57 kg tömegcsökkenéssel 0,09-0,21 liter üzemanyag spórolható meg kilométerenként, illetve egy tisztán alumíniumból gyártott karosszéria legalább 1 liter/100 km-es értékkel csökkenti az üzemanyagfogyasztást. Átlagosan egy jármű esetére, 100 kg-os tömegcsökkenés 9g-mal csökkenti a CO2 kibocsátást kilométerenként és általában minden 10%-os súlycsökkentésnél, a fajlagos üzemanyagfogyasztás 3-7%-kal csökken, miközben fennmarad ugyanaz a funkcionalitás. [2] [33] 1. ábra Az üzemanyagfogyasztás változása a tömeg szerint [9] A jövőbeli elvárások szerint az alumínium, mint elsődleges konstrukciós anyag felválthatja az acélt az autóiparban ban egy autónál felhasznált alumínium átlagos mennyisége körülbelül 32 kg volt, amelyen belül az öntött alumínium aránya 90%. Ezzel szemben 2008-ra az alumínium átlagos felhasználása már 130 kg-ra nőtt,

8 4 illetve az öntött és alakítható alumínium ötvözetek aránya csaknem megegyezett. A jövő tekintetében, egy az észak-amerikai könnyű kialakítású jármű esetében, a nettó alumíniumtartalom 2015-beli 394 lb/jármű (kb. 178kg) értéke várhatóan 547 lb/jármű (kb. 248 kg) értékre fog emelkedni 2025-re. 2. ábra A személygépkocsik életciklus szintű károsanyagkibocsátásának megtakarítása (billió tonna széndioxidkibocsátás/ év) [35] Az alumíniumot számos helyen alkalmazzák a járművekben, például: tartalmazzák a karosszéria elemek, hajtás, alváz, fékházak, légterelő részei és az utastérben. Az alumínium alkalmazásával az alkatrészek tömege akár az eredeti tömeg 30-40%-ára is csökkenthető. A járművek esetében, rengeteg alkatrészben és alkalmazásban, optimalizált alumíniumorientált konstrukciót hoztak létre, amellyel az elért súlycsökkenés a következő táblázatban figyelhető meg [1] [22] [33]: 1. táblázat Az alumínium általi súlycsökkenés a járművekben [1] Helye a járműben Hajtóműben Alváz és felfüggesztés Karosszéria Súlycsökkenés 69 kg 7 kg 26 kg Helye a szerkezeti egységben motorblokk és hengerfej, sebességváltóház, üzemanyagrendszer, folyadékvezetékek, hűtők tengelyek, kerekek és felfüggesztések, kormányműrendszer motorháztető, ajtók, elülső szerkezet, törési részek, gyűrődési zónák, és különböző belső terek

9 5 A biztonsági követelmények egyre inkább fokozódnak minden tekintetben és ahhoz, hogy ezen elvárások teljesítése mellett csökkenteni tudjuk a személygépjárművek jókora részét kitevő karosszériaelemek tömegét, egyre nagyobb szilárdságú anyagokra lesz szükség. Azonban az anyagok szilárdságnövelésével egyidejűleg az alakíthatóságuk jelentős mértékben csökkenhet, amely természetesen hátrányt jelent az autóiparban, mivel a karosszéria komponenseinek gyártásánál az alakíthatóság egy kulcsfontosságú tényező. [23] 1.4. Az alumínium szilárdságnövelése Az alumínium nyúlása az acélokhoz képest, csaknem 50%-kal nagyobb. Ezzel szemben szilárdsága meglehetősen csekély: folyáshatára, szakítószilárdsága és keménysége a lágyacélénak alig negyede, ebből adódóan a szerkezeti anyagok között csak akkor állja meg a helyét és lehet versenyképes az acélokkal szemben, ha szilárdságát növelik, amelynek a lehetőségei az alábbiak: [23] ötvözés képlékeny hidegalakítás hőkezelés porkohászati úton részecske és szálerősítés módszerek kombinációja Képlékeny hidegalakítás Az alumínium keménységét gyakran hidegalakítással növelik. A hidegen alakított alumínium gyártmányokat kemény állapotúnak nevezzük, mert a növekvő diszlokációsűrűségük révén nagyobb szilárdsággal rendelkeznek, ez az állapot a 2.ábra a részén látható. 3. ábra A hidegalakítástól függő állapot [11]

10 6 Alacsony hőmérsékletű hőkezelés hatására, a szövetszerkezetben változások mennek végbe, amelyek hatására a diszlokációk sorokba rendeződnek. Ennek következtében egy olyan kristályszerkezet alakul ki, amelyet kisszögű szemcsehatárok alkotnak és ezt az állapotot nevezzük félkeménynek, amelyet a 2.ábra b része mutat be. Ha további hőkezelést alkalmazunk, akkor megindul az újrakristályosodás, amely hatására a keménység tovább csökken. Az újrakristályosodás lényegében a kedvező helyzetű kristályszemcsék növekedését jelenti (új, feszültségmentes szemcsék jönnek létre). Ezt nevezzük negyedkemény állapotnak (2.ábra c része). A hőkezelés végén pedig kialakul a teljesen újrakristályosodott, lágy állapot (2.ábra d része). [11] Ötvözetképzés A fémötvözet látszatra egynemű fémes anyag, amelyet két vagy több fém, fémekhez közelálló elemek vagy nemfémes elemek alkotnak. Az ötvözés többnyire a fémek megolvasztása útján megy végbe, általánosságban a fémek folyékony állapotban korlátlanul oldják egymást, azonban az alumínium egy kivétel. [11] Az ötvözetet alkotó elemek az alábbi módokon jelenhetnek meg az ötvözetben: a két elem egymással (korlátlan vagy korlátolt) szilárdoldatot alkot a két elem egymással vegyületet alkot a két elem egymással eutektikumot, illetve eutektoidot alkot Valamennyi ötvöző kis mértékben oldódik az alumíniumban. Az ötvözőelemekkel az alumínium a Si, Bi, Cd és Zn kivételével az oldhatósági határ felett kemény, rideg fémes vegyületet alkot, pl. Al2Cu, Al3Mg2, Al3Fe. Az ötvözők egymással is képezhetnek vegyületet. Az alumínium a legtöbb ötvözővel szilárd oldatot képez és az oldás mindig korlátolt. [24] 4. ábra Az alumínium ötvözetek jellemző kétalkotós állapotábrái [24]

11 7 A 4. ábrán az alumínium ötvözetekre jellemző kétalkotós állapotábrák láthatók. A legtöbb esetben a bal oldalon látható eutektikum képződés a jellemző (pl. Al-Cu, Al- Mg, Al-Si), de előfordulhat az ábra jobb oldalán található, a vegyület peritektikus képződésével jellemezhető állapotábra is (pl. AlCr). [23] Ahogy a bevezetésben is említésre került, az alumínium szilárdsága kicsi, ezért a gyakorlatban inkább különféle ötvözeteit használják. Az alumínium fő ötvözőelemei: Mn, Mg, Si, Cu és Zn növelik a színalumínium szilárdságát, csökkentik az olvadás pontját, az elektromos vezetését és hővezetőképességét. Nagyon jól ötvözhető, ötvözeteit alakítással vagy öntészeti úton dolgozzák fel. Ezenkívül megfelelő tulajdonságok érhetők el Li ötvözéssel is. [7] Ötvözetek csoportosítása Észak-Amerikában az alumínium ötvözetek osztályozásáért és nyilvántartásáért felelős Aluminium Association, Inc. több mint 400 alakítható alumíniumot és alumíniumötvözetet, illetve több mint 200 rudak vagy öntvények formájában jelenlévő alumíniumot regisztrált. Az alumínium ötvözeteket különböző számcsoportok alapján kategorizálhatjuk, amelyek rámutatnak az anyag tulajdonságaira. Az alumínium ötvözőit hatásuk szerint az alábbi 5 főbb csoportokba sorolhatjuk: [34] I. Szilárdságnövelő ötvözők: Cu, Mg, Si. II. Korrózióállóságot fokozó ötvözők: Mn, Sb. III. Szemcsefinomító ötvözők: Ti, Cr. IV. Hőszilárdságot növelő ötvöző: Ni. V. Forgácsolhatóságot javító ötvözők: Co, Fe, Bi. Ahogy említésre került, az alumínium a legtöbb ötvözőjével (köztük a szilárdság szempontjából jelentős rézzel, mangánnal és a szilíciummal is) eutektikus ötvözőrendszert alkot. Ez alapján az ipari alumínium ötvözetek osztályozásának ad lehetőséget az eutektikus ötvözőrendszer egyensúlyi diagramja. Az 5. ábrán látható I-II tartomány képlékenyen jól alakítható, ezek az ötvözetek a szilárd oldat maximális összetételénél kisebb ötvözőmennyiséget tartalmaznak. A III. tartományba az ennél nagyobb ötvözőtartalommal rendelkező heterogén öntészeti alumínium ötvözetek kerülnek. Az I. tartomány (a képlékenyen alakítható ötvözetek egyik csoportja) szobahőmérsékleten is teljesen homogén szilárd oldatot tartalmaz, ezért ezek lesznek a nem nemesíthető ötvözetek. A II. tartományba tartozók, a hőmérséklet függvényében különböző mennyiségű ötvözőt képesek oldani, ezért ezek lesznek az alakítható és egyben nemesíthető ötvözetek. [11] [24]

12 8 5. ábra Az alumínium egyensúlyi diagrammja [11] Az alakítható ötvözetek jelölései Az alakítható ötvözetek jelölésénél négy számjegyet alkalmazunk. Ebben az azonosító rendszerben az első szám (Xxxx) jelzi az anyag fő ötvözőelemét. A második számjegy (xxxx), ha nem nulla, akkor az azt jelenti, hogy valamilyen módosítás van az eredeti ötvözőelemben. Az utolsó két számjegy (xxxx) tetszőlegesen megadott számokból áll és ez segít azonosítani egy adott ötvözetet a sorozatban. Az egyetlen kivétel az 1xxx csoport, ahol az utolsó két számjegy azt jelöli, hogy az alumíniumtartalom mennyivel emelkedik 99% fölé (xx századnyival). [26][34]

13 9 6. ábra Az alumínium csoportosítása [4] 2/a. táblázat Az alumíniumok jelölése és csoportosítása [25] Jelölés 1xxx: Szuper és kereskedelmi tisztaságú alumínium 2xxx Al-Cu és Al-Cu-Mg ötvözetek 3xxx Al-Mn(-Mg) ötvözetek 4xxx Al-Si ötvözetek Jellemzők Nem hőkezelhető, legalább 99,0% alumíniumot tartalmazó ötvözetek. További jellemző ötvözőelem: Fe és Si Hőkezelhető ötvözetek, a fő ötvözőelem a réz Fő ötvözőként mangánt tartalmazó és nem hőkezelhető ötvözetek. Gyakoriak a szennyeződések pl. réz Körülbelül 12% szilíciumot tartalmazó nem nemesíthető ötvözetek. Általános tulajdonságok Jó hő- és elektromos vezetőképesség Gyenge mechanikai tulajdonságok Jól megmunkálható Kitűnő korrózióállóság Mechanikai tulajdonságai a lágyacélhoz hasonlóak Korrózióállósága nem túl jó és hajlamosak szemcseközi korrózióra Közepes szilárdsággal rendelkeznek Széles körben alkalmazzák hidegalakítással keményített termékekhez Jól hegeszthető Rossz duktilitású ötvözet, azonban Sr és P hozzáadásával ez javítható A vasszennyezés csökkenti az anyag duktilitását Példák

14 10 2/b. táblázat Az alumíniumok jelölése és csoportosítása [25] Jelölés 5xxx Al-Mg ötvözetek 6xxx Al-Mg-Si ötvözetek Jellemzők Fő ötvözőként magnéziumot tartalmazó nem nemesíthető ötvözet Magnéziumot és szilíciumot tartalmazó. hőkezelhető ötvözetek. Általános tulajdonságok Közepes-nagy szilárdság Jó korrózióállóság Jó hegeszthetőség 3% fölötti Mg tartalom felett feszültségkorrózióra hajlamos Jelentős, de a 2xxxx és 7xxxx ötvözeteknél kisebb szilárdságú Jól alakítható Jó korrózióállóság Példák xxx Al-Zn-Mg(-Cu) ötvözetek Fő ötvözőként cinket tartalmazó, nemesíthető ötvözetek, további jelentős ötvöző az Mg, Cu és Cr Nagyon nagy szilárdság Rossz korróziós viselkedés Közepes anyagkifáradási teljesítmény xxx Al-Li ötvözetek 9xxx Egyéb ötvözetek Fő ötvözőként Li-t tartalmaz Ezt a csoportot egyéb, kevésbé gyakori és nem túl jelentős ötvözeteknek tartják fent. Repülőgépvázak esetén alkalmazzák, kis sűrűség, nagy rugalmassági modulus AlFe1Si A táblázat alapján látható, hogy az 5, 6 és 7-es csoportban találhatók a közepes és nagy szilárdsággal rendelkező ötvözetek, emiatt leginkább ezeket alkalmaznak az autóiparban (6. ábrán ezért emeletem ki őket). Az ötös és hatos csoportban találhatók jól hegeszthetők, ezzel szemben a hetes csoport kevésbé hegeszthető, viszont rendkívüli szilárdsággal rendelkezik. Ezeken kívül még a 2-es csoportba tartozó ötvözeteket használják a karosszériagyártás terén, mivel a mechanikai tulajdonságai a lágyacélokéhoz hasonló, azonban a 7xxx ötvözetek kezdik kiváltani. [4] Az öntészeti ötvözetek jelölései Az öntészeti ötvözetek jelölésénél három számjegyet és egy azt követő tizedesjegyet alkalmaznak: xxx.x [34]

15 11 Az első szám a fő ötvözőelemet jelzi: Xxx.x A második és harmadik számjegy tetszőleges, ezek segítenek azonosítani egy adott ötvözetet a sorozatban: xxx.x Az utolsó számjegy értéke lehet 0, ha öntött alumínium vagy 1-2, ha rúdöntvény: xxx.x A számok előtt egy nagybetűs tag jelzi a módosításokat az adott ötvözetben: pl.: A, AA [34] 3. Táblázat Öntészeti alumínium ötvözetek [34] Ötvözet csoport Elsődleges ötvözőelem 1xx.x Minimum 99,000% alumíniumtartalom 2xx.x Réz 3xx.x Szilícium plusz réz és/vagy magnézium 4xx.x Szilícium 5xx.x Magnézium 6xx.x Nem használt osztály 7xx.x Cink 8xx.x Ón 9xx.x Egyéb elemek További csoportosítási lehetőségek Összetétel szerint DURAL (Al - Cu) ötvözetek HIDRONÁLIUM (Al - Mg) ötvözetek SZILUMIN (Al - Si) ötvözetek 4. táblázat Ötvözetek további csoportosítása [7] Alumínium ötvözetek Alakíthatóság alapján ALAKÍTHATÓ alumíniumötvözeteket ÖNTÉSZETI alumíniumötvözeteket Hőkezelhetőség szempontjából NEMESÍTHETŐ alumíniumötvözeteket NEM NEMESÍTHETŐ alumíniumötvözeteket

16 12 Az alakítható és nemesíthető alumínium ötvözetek három, vagy több alkotóból állnak. A dural ötvözeteket nagyobb szilárdsággal rendelkeznek, ennek okán elsősorban szerkezeti anyagok készítésénél alkalmazzák a gépiparban, viszont szükség van a korrózióállóságuk javítására például plattírozással. A Dural ötvözetek közé tartozó Al- Cu-Mg alkotókat tartalmazó ötvözetsor nemesíthető. Szakítószilárdsága kb. 500MPa, 4% rezet és 2% magnéziumot tartalmaz. Az Al-Cu-Ni hőszilárd ötvözet szintén nagy szilárdsággal rendelkezik, hőkezeléssel akár a 400Mpa-t is elérheti. Ez az ötvözet 4% rezet és 2% nikkelt tartalmaz. Azonban ezen típusú ötvözetek hátránya, hogy a nagy szilárdságot eredményező 4% réztartalom gyenge korrózióállóságot eredményez. [7] [23] A hidronálium ötvözeteket benzin- és olajcsővezetékek készítésénél, tartályok gyártásánál alkalmazzák, vagy lemezalakban vasúti kocsik, helyiségek elválasztó falaihoz használják. Általános jellemzőik, hogy nem nemesíthetők, közepes szilárdsággal rendelkeznek, emellett jól forgácsolhatók, hidegen is jól alakíthatók és hegeszthetők. [7] A szilumin ötvözetek jól önthetők, ezért sokszor használják őket robbanómotor dugattyúk készítéséhez. A szilumin ötvözetek közé tartozó Al-Si-Mg mivel nem tartalmaz nagy mennyiségben rezet, ezért jó korrózióállósággal rendelkezik és emellett szakítószilárdsága 300Mpa körüli értékre növelhető hőkezelés alkalmazásával. Az Al- Zn-Mg-Ti ötvözet szintén nagy szilárdságú, hegeszthető, és természetesen öregíthető. Hőkezelés alkalmazásával a szakítószilárdsága körülbelül 400MPa-ra növelhető. [7] [23] A nem nemesíthető ötvözetek esetében a szilárdságot meghatározza az alakítási keményedés hatása, és az olyan szilárd oldatot alkotó elemek szilárdság növelő hatása, mint a magnézium és a mangán. Ezek leggyakrabban az 1xxx, 3xxx és 5xxx ötvözetcsoportokban találhatók meg. A hegesztés során, ezen ötvözetek esetében az előzetes alakításkor kialakult szilárdságuk nagymértékben csökken, amely hatására a varrat menti hőhatásövezet kilágyulhat. [4] A nemesíthető ötvözetek esetében a szilárdság függ az ötvözet összetételétől, és a hőkezeltségi állapotától (oldó hőkezelés és hirtelen hűtést követő akár természetes vagy mesterséges öregítés), a hőkezelés az ötvözők egyenletes eloszlása érdekében szükséges). A fő ötvözőelemek tekintetében, ezek a 2xxx, 6xxx és 7xxx ötvözetcsoportok. Ömlesztő hegesztés esetén a szilárdságot növelő ötvözőelemek újra rendeződhetnek a hőhatásövezeten belül és ennek hatására helyileg csökkenhet a szilárdság. [4]

17 13 A természetesen öregíthető alumínium ötvözetek egyik jellemző képviselője az Al-Zn-Mg-Ti, amely hegeszthető is. A természetes öregíthetőség előnye, hogy a hőhatás övezet a hegesztés után külső behatás nélkül fog keményedni. A hőkezelés során a körülbelül 400 ᵒC-ról végzett gyors lehűtést követően az anyag pihentetése során megy végbe a keményedés. Közvetlenül a hőkezelés után még nem éri el maximális szilárdságát, az ötvözet egy-két napig még lágy, jól alakítható. Végleges szilárdságát napot követően éri el. Szakítószilárdsága közel 400MPa-ra, folyáshatára 200MPa-ra növekszik, ezenfelül fajlagos nyúlása még így is jelentős, mintegy 20-22%. Hátránya, hogy a Zn tartalom miatt korrózióra hajlamos. [11] Hőkezelés Alumínium nemesítése (kiválásos keményítés): Másnéven öregítés, amely egy alacsony hőmérsékleten végzett hőkezelés. Ennek az a célja, hogy a kivált fázisok megfelelő méretűek és eloszlásúak legyenek, növelve így a folyáshatárt és a szakítószilárdságot. Általában egy oldó izzító hőkezelés előzi meg. Alumínium esetében az öregítés hőmérséklete ᵒC, ha a hőkezelést hosszabb ideig, vagy magasabb hőmérsékleten végezzük, akkor a kivált szemcsék mérete megnőhet, ami a keménység és a szilárdság csökkenéséhez vezetne. [26] [28] A kiválásos keményítés lényege abban rejlik, hogy hőkezelésnek köszönhetően, az alumínium szilárd oldatában finom eloszlásban kemény vegyületfázis jön létre, amely az alakíthatóság megtartása mellett, javítja az ötvözet szilárdsági tulajdonságait. [28] Ezt a hőkezelő eljárást olyan ötvözeteknél használják, amelyek korlátozott szilárd oldatot hoznak létre. Ahogy szó esett róla, a legtöbb ötvöző az alumíniummal szilárd oldatot képez, az oldódás korlátozott, és a szilárd állapotban való kiválás vegyületek formájában történik. Egyensúlyi lehűlés során, a vegyületfázis előnytelen alakot formálva válik ki a krisztallit határon. Megfelelő, finom és egyenletes eloszlású kiválást úgy valósíthatunk meg, ha a hőkezelés folyamán legelőször oldatba visszük az ötvözőt, majd ezután a kiválás megakadályozása érdekében gyors hűtést alkalmazunk. A túltelített szilárd oldatból a vegyület az öregítés esetén nagyon finom formában válik ki. [26] [27] A következő ábra egy nemesíthető alumínium ötvözet hegesztett kötésének keménységeloszlását szemlélteti a varrat környezetében. (7. ábra)

18 14 7. ábra Keménységeloszlás a varrat mentén [26] A kiválásos keményítés fő lépései összefoglalva: I. Homogén szilárd oldat létrehozása (α szilárd oldat) izzítással, diffúziós folyamat révén, vagyis az ötvözetben már meglévő kiválások (vegyületfázisok) teljes oldatba vitele II. Az ötvözet gyors lehűtése szobahőmérsékletre, a kiválások létrejöttének elkerülése, ötvözőkben túltelített szilárd oldat létrehozása (α' túltelített szilárd oldat) III. Kiválásos keményítés (öregítés), ideális hőmérsékleten végzett (természetes öregítés esetén szobahőmérsékleten vagy mesterséges öregítés esetén magasabb hőmérsékleten: ᵒC) megeresztés eredményeként a túltelített szilárd oldatból ötvözőkben dús fázisok válnak ki [28] T T krit Homogenizálás Mesterséges öregítés C Természetes öregítés C t Edzés 8. ábra Az alumínium hőkezelése [26]

19 Hőkezelések és hidegalakítások jelölései Hőkezelés szempontjából az alumínium termékeket öt alapvető csoportba lehet sorolni: [34] F: Gyártási állapotú: o Olyan alakítási eljárásokra vonatkozik, ahol nem alkalmaznak speciális ellenőrzéseket a termikus vagy az alakítási keményedés esetében. O: Teljesen kilágyított o A legkisebb feszültség, jobb alakíthatóság és mérettartósság érdekében lágyítást alkalmaznak. T: Hőkezelt o Kiválással keményített alumínium ötvözet esetén H: Hideg alakítással szilárdított o A fő keményítést kiegészítő hőkezelés követheti, amely némi csökkenést eredményez a szilárdságban. A H betűt mindig követi két vagy több számjegy. W: Homogenizáló hőkezelés o Instabil szilárdítás, amelyet csak olyan ötvözeteknél alkalmaznak, amik a kezelést követően természetesen öregednek. A kiegészítő betűjelzést követő számjegy segítségével átfogóbban csoportosíthatjuk a nagyszilárdságú alumínium ötvözeteket. [34] 5. Táblázat Alakítással szilárdított ötvözetek jelölései. [29] [42] Kiegészítő betűjelzés H után lévő első számjegy jelöli az alapműveletet A második számjegy az alakítás fokát jelzi H1 Csak alakítással szilárdítva Hx2 Negyed kemény H2 Alakítással szilárdítva és részben lágyítva Hx4 Félkemény H3 Alakítással szilárdítva és stabilizálva Hx6 Háromnegyed kemény H4 Alakítással szilárdítva és lakkozva vagy festve Hx8 Teljesen kemény Hx9 Extra kemény

20 16 9. ábra Kialakult szilárdság a hidegalakítás fokának és a lágyítás idejének függvényében [29] [42] 6. Táblázat Termikus kezeléssel szilárdított ötvözetek jelölései [29] [42] Hőkezelések jelölései T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 Növelt hőmérsékletű alakítást követő hűtés majd természetes öregítés. Növelt hőmérsékletű alakítást követő hűtés majd hidegalakítás, ezt követően természetes öregítés Homogenizáló hőkezelés, hidegalakítás, végül természetes öregítés Homogenizáló hőkezelést követően természetes öregítés Növelt hőmérsékletű alakítást követő hűtés majd végül mesterséges öregítés Homogenizáló hőkezelés, majd mesterséges öregítés. Homogenizáló hőkezelés és stabilizálás (túlöregítés). Homogenizáló hőkezelés, majd hidegalakítás, végül mesterséges öregítés Homogenizáló hőkezelés, aztán mesterséges öregítés, majd utána hidegalakítás Növelt hőmérsékletű alakítást követő hűtés utána hidegalakítás, majd végül mesterséges öregítés. A további számjegy a feszültségcsökkentést jelzi

21 ábra Kialakult szilárdság, környezeti és növelt hőmérsékleten az idő függvényében. (a: Öregítés szobahőmérsékleten; b: Öregítés növelt hőmérsékleten 170 C). [29] [42] Néhány konkrét hőkezelési kísérlet Számos hegesztést követő hőkezelési kísérletet végeztek el különböző nagyszilárdságú alumínium ötvözeteken (AA2219, 2024-O, AA6061, AA7039). Az általánosságban vett tapasztalatok szerint: az összes alkalmazott utóhőkezelési eljárás növelte az α alumínium szemcsék méretét minden hegesztési zónában. A durvulás kiterjedése nagyobb volt a hőhatásövezetben mint az olvadt részben. A természetes öregítés finom eloszlású kiválásokat biztosított míg a mesterséges és lépcsős öregítés (tartalmaz egy oldó izzítást, majd egy előöregítést és végül egy fő öregítést) agglomerált, gömbölyű kiválásokat eredményezett. [6] [12] [18] 11. ábra Hegesztést követő hőkezelések hatására bekövetkező keménységnövekedés [12]

22 18 A teljes, hegesztéssel módosított zónában abnormális szemcsenövekedést figyeltek meg a mesterséges öregítéssel és az anélkül alkalmazott oldó izzítás esetében is. A mechanikai tulajdonságok a hegesztés utáni hőkezeléseket követően jelentősen javultak. [6] [12] [18] Végeredményben, a természetes öregítéssel kezelt kötések érték el a legmagasabb szakítószilárdságot (94.9%) és nyúlási hatékonyságot (174.2%), míg a mesterségesen öregített kötés eredményezte a legnagyobb folyáshatárt (96.7%). [6] [12] [18] 1.5. Az 5-ös, a 6-os és a 7-es csoportba tartozó alumínium ötvözetek részletesebben 5xxx ötvözetek: Az alumíniumlemez ötvözetek közül ezek, az úgynevezett természetesen keményedő 5000-es Al-Mg ötvözetek, amelyek szilárdságnövekedését képlékenyalakítással és hengerléssel érhetik el. Az alumínium/magnézium ötvözetek magnéziumtartalma 0,2-6,2% között változhat. Ezek az ötvözetek nem nemesíthetők, szakítószilárdságuk körülbelül ,5 MPa közé tehető. A nem nemesíthető alumínium ötvözetek közül ezek rendelkeznek a legnagyobb szilárdsággal. Jól hegeszthetők, ezért rendkívül széleskörű a felhasználásuk, alkalmazzák őket például hajógyártáshoz, nyomástartó edényekhez, hidakhoz stb. Az alapfém magnéziumtartalmának, illetve a hegesztett elem elvárásainak meghatározását követően, gyakran hegesztik saját hozaganyagukkal. A 3,0%-ot meghaladó magnézium tartalmú ötvözetek esetében nem előnyös, ha az alkalmazási hőmérséklet meghaladja a 65,5 C-t, mert fennáll a veszélye, hogy érzékenyebb lesz a feszültségkorróziós repedésre. 2,5%-tól alacsonyabb magnézium tartalmú alapanyag gyakran megfelelően hegeszthető 4xxx vagy 5xxx sorozatú hozaganyag segítségével. Az 5052 alumíniumötvözet rendelkezik azzal a maximális magnéziumtartalommal, amely még hegeszthető a 4xxx csoportba tartozó hozaganyaggal. Az eutektoidos olvadással és az ehhez társuló hegesztett kötés rossz mechanikai tulajdonságaival kapcsolatos problémák miatt, nem ajánlatos ettől magasabb magnézium tartalmú ötvözeteket 4xxx-es hozaganyaggal hegeszteni. Ezen ötvözetek esetében kizárólag 5xxx csoportból származó hozaganyaggot lehet használni, amelyek általában megegyeznek az alap ötvözet összetételével. [34] [23]

23 19 6xxx ötvözetek: Ezen csoportba tartozó ötvözetek hőkezelhetőek és a szakítószilárdságuk körülbelül Mpa közé esik. Ezek a kikeményíthető alumínium/magnézium-szilícium ötvözetek, amelyek magnézium és szilícium tartalma 1,0% körüli. Széles körben használják hegesztett gyártmányok készítéséhez és számos szerkezeti komponensbe építik be. Ha magnéziumot és szilíciumot adunk az alumíniumhoz, akkor magnéziumszilicid vegyület keletkezik, amely biztosítja, hogy a jobb szilárdság elérése érdekében hőkezelhető legyen az alumínium ötvözet. A szilárdság növekedése meghatározott gyártási állapotok esetén, speciális szárítási technológiával, melléktermékként jön létre. A szárítás hőmérsékletén az ötvöző elemek vegyületei kiválnak, amely folytán a szilárdság számottevően növekszik. Ezek az ötvözetek szilárduláskor repedésérzékenyek, ezért nem érdemes autogén ívhegesztési eljárást használni és az ívhegesztés során elengedhetetlen a megfelelő mennyiségű hozaganyag adagolása a repedések megakadályozása érdekében. Hegeszthetők 4xxx és 5xxx csoportba tartozó hozaganyagokkal a felhasználástól és a követelményektől függően. A növelt szilárdságú alumínium ötvözeteknek nagy az ötvözőfém tartalma, azonban az 5xxx-es és a 6xxx-es ötvözetek korrózióállósága (különösen a nagy kb. 1,2 2,0% réztartalmuk miatt) nem kedvező. [23] [34] 7xxx ötvözetek: Ide tartoznak a hőkezelhető alumínium/cink ötvözetek és ezek rendelkeznek a legnagyobb szilárdsággal. A cinktartalmuk 0,8 és 12%, míg a szakítószilárdságuk körülbelül Mpa közé esik. Ezeket az ötvözeteket gyakran használják olyan területeken, ahol szükség van a magas teljesítményre, mint például a repülőgépek, űrrepülőgépek és sporteszközök gyártásánál. A 2xxx csoporthoz hasonlóan ez is tartalmaz néhány olyan ötvözetet, amely alkalmatlan ívhegesztés esetén, de számos olyat is amely sikeresen hegeszthető. A rendszerint hegesztett ötvözetek közé tartozik például a 7005 jelű is, amelyet főleg az 5xxx osztályba tartozó ötvözetből készült hozaganyaggal hegesztenek. Az említett alumínium ötvözetek esetében a biztonságos felhasználás érdekében egy ellenőrzött gyártási folyamatlánc szükséges. Azonban ezeknél az anyagoknál is igaz az a jelenség, hogy ha a szerkezeti anyag nagy szilárdsággal, akkor korlátozott az alakíthatósága és az alakítás során nagy a visszarugózás. [23] [34]

24 20 7. Táblázat Nemesíthető és alakítható ötvözetek (5,6,7-es csoportból) [10] Az anyag- minőség jele AlMg 0,8 AlMg 2,5 AlMg 3 Alakít-hatóság Fényezhetőség Forgá-csolható-ság Hegeszthetőség Időjárásállóság jó jó jó jó kiváló Az ötvözet jellemző tulajdonságai Lágy állapotban jól alakítható. Nem nemesíthetők AlMg 4 AlMg 4.5Mn AlMg 5 AlMgSi 0.5 AlMg Si 0.5 Cu AlMgSiE AlMgSi 0.8 AlMgSi 1 AlMg 1 SiCu AlMg 1 Si 1 AlZn 5 Mg 1 AlZn 6 Mg 2 Cu 1.5 rossz jó jó jó jó jó jó jó jó jó jó megfelelő megfelelő jó megfelelő megfelelő megfelelő jó rossz rossz Közepesnél nagyobb szilárdságú ötvözetek. A tengervíz korróziójának jól ellenállnak. Nem nemesíthetők Közepes szilárdságú, jól hegeszthető és anódizálható ötvözetek, jó elektromos vezetők. Nemesíthető ötvözetek Közepesnél nagyobb szilárdságú, jól anódizálható, hegeszthető, lágy állapotban jól alakítható ötvözetek Nagy szilárdságú, jól kovácsolható, nemesíthető ötvözetek

25 21 2. AZ ALUMÍNIUM HEGESZTHETŐSÉGE 2.1. A hegesztés nehézségei és problémái Az 1xxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx és a 7xxx alumíniumcsoportokba tartozó közepes szilárdságú, alakítható ötvözetek nagyrésze hegeszthető Semleges védőgázos volfrámelektródos ívhegesztéssel (141), Védőgázos fogyóelektródás ívhegesztéssel (131) és Lánghegesztéssel is. (311). Az 5xxx csoportban lévő ötvözetek rendkívül jól hegeszthetők. A 2xxx és 7xxx csoportba tartozó nagyszilárdságú ötvözeteket (pl és a 7050) többnyire nem ajánlott hegeszteni, mert hajlamosak a likvációs és dermedési repedésre. [4] Sajnos szemben az acél ellenállás ponthegesztésével, mely esetében könnyen előállítható magas minőségű és tartós varrat, az alumínium ötvözetek ellenállás ponthegesztése némi nehézséget jelent. Ugyebár az alumínium ötvözetek kisebb anyagi ellenállással és magasabb hő- és elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, mint az acél, ez viszont magas hegesztési áram használatát teszi szükségessé, tipikusan 2 vagy 3-szor nagyobbat, mint amely acél esetében szükséges. Ráadásul az oxidréteg jelenléte az alumínium ötvözet felületén, magas érintkezési ellenállást és hőfejlődést indukál. Ezek az elektródcsúcs gyors degradációjához vezetnek és a kötésminőség következetlenségét okozzák. [34] A hegesztés nehézségei: [27] Hegeszthetőséget rontja: Si, Cu, Zn Hegeszthetőséget javítja: Mg, Mn Nagy zsugorodás és hőtágulás Olvadási hőmérséklet. = C Nagyon jó a hővezető képessége (nagyobb hőbevitelt eredményez) Fajhője az Al = 2,5-szerese az acél fajhőének Sűrűsége Al = 2-szerese az acél sűrűségének A színalumínium ömlesztő- és sajtolóhegesztéssel is kiválóan hegeszthető, azonban hegesztésekor azonban figyelembe kell venni, hogy: [10]

26 22 Egyetlen hőmérsékleten ömlik, illetve dermed, A folyamat során nincs elszíneződés, Megömlött állapotában erőteljesen nyeli a hidrogént, Nagy az oxigén iránti affinitása; Az alumíniumoxid olvadáspontja rendkívül magas: 2053 C, Alkalmazható hegesztőeljárások Ívhegesztések o pl. Semleges védőgázos volfrámelektródos ívhegesztés (SWI) o Védőgázos fogyóelektródás ívhegesztés (VFI) Elektronsugaras hegesztés Lézersugaras hegesztés Plazmahegesztés o pl. Plazma MÍG hegesztés Sajtolóhegesztés o pl. Ellenállás ponthegesztés o Lineáris dörzshegesztés [10] Hegesztési problémák: A megfelelő óvintézkedések megtétele után, az alumínium és ötvözetei jól hegeszthetők. A továbbiakban az alumínium hegesztése során fellépő leggyakoribb problémákat kutattam fel: [4] Oxidhártya Porozitás képzés Repedés érzékenység Hőhatás övezet Varrat Oxidhártya Mivel ez egy hatalmas eltérés az acéloktól, ezért érdemes rá nagyobb hangsúlyt fordítani. Ha az alumínium felülete a levegővel érintkezik, akkor rögtön oxidréteget képez (Al2O3), ami két rétegből áll: [15]

27 23 Egy csaknem tömör amorf alumíniumoxid alap és egy porózus, víztartalmú, kristályos alumínium-hidroxidból és Bayeritet tartalmazó takaró rétegből. Mivel az oxidhártya olvadás pontja (Al2O3 olvadáspontja=2032 C) háromszor nagyobb, mint az alumínium olvadás pontja ezért csak az erre képes berendezésekkel és pálcákkal lehet megfelelő varratot készíteni. A felületek előkészítése során az oxidréteget mechanikai vagy kémiai úton el kell távolítani, mivel a felületi oxidréteg hatására az egyes varratpontok szilárdsága eltérő lesz, illetve felgyorsítja az elektródok kopását, a rendkívüli keménysége miatt. Az oxidréteg eltávolításának folyamata megnöveli a gyártási időt és költséget ezért, ha van rá lehetőség általában kihagyják ezt a műveletet az ipari gyakorlatban. [15] 12. ábra Alumíniumoxid [15] Oxidréteg eltávolítása az egyes hegesztésieljárások esetén eltérő lehet: A hegesztés előtt (lehetőleg közvetlenül előtte az újra képződés megakadályozása miatt) a felületet mechanikus vagy vegyi úton meg kell tisztítani. Az oxidréteget lúgos vagy savas pácolással el lehet vékonyítani. [15] A pácoláshoz ajánlott savas oldat: 3 rész 54%-os salétromsav + 1 rész <50%- os hidrogén-fluorid. A folyamatot követően a felületet vízzel alaposan le kell mosni. A lúgos pácolásnál: 5-20% nátrium-hidroxidot, amelyet 3 percig, C-on kell alkalmazni. A darabot az oldatba való mártás után hideg folyó vízben le kell öblíteni, majd 15-20%-os salétromsavban semlegesíteni, ezt követően újabb lemosás után száraz levegőn megszárítani. [15] Lánghegesztés esetében a szokásos eljárás a felület tisztítása, csiszolása és folyósító anyagokkal való maratása. A folyósító anyagot a hegesztést megelőzően, vagy akár közben is lehet alkalmazni. Mivel az oxidhártya kémiailag nagyon ellenálló,

28 24 így agresszív porokat kell használni. A por a hegesztési hőmérsékleten kémiailag oldja az oxidréteget aztán befedi a folyékony fémet és ennek köszönhetően megakadályozza az oxidréteg újra képződését is. Természetesen ez nem csak a lánghegesztés esetében alkalmazható. A porok alkotórészei legtöbb esetben alkálifémek kloridjai és fluoridjai, amely főbb összetevői: [27] LiCl (5-30%) KF (5-15%) KCl (10-60%) K2SO4 (5-15%) Na3AlF6 NaHSO4 KHSO4 Ívhegesztés esetében katódporlasztással és kémiai bontással távolíthatjuk el az oxidréteget. A hegesztésnél amatronos pálca használata ajánlott, aminek a belsejében oxidbontó por van. VFI esetében fordított polaritású egyenáram használatával végzik a katódporlasztást. SWI hegesztésnél az oxidot a váltakozó áram és az argon gázbombázása bontja fel. Egyenes polaritás esetén az energiasűrűség kevés az oxidhártya megolvasztásához. A fordított polaritásnál argon ionok bombázzák az oxidréteget, aminek a hatására mechanikusan feltöredezik, illetve az alapanyagból kilépő elektronok fel is lazítják a réteget. Erre csak az ionok alkalmasak, mert az alumíniumoxid kissűrűségű elemi cellákkal rendelkezik, amelyen az elektronok kis méretükből adódóan ütközés és elnyelődés nélkül tudnak átjutni. Mivel a védőgázból keletkező pozitív ionok jóval nagyobb mérettel rendelkeznek, így nem tudnak áthatolni az oxidhártyán, hanem abba becsapódva, kinetikai energiájuk segítségével az oxidhártyát részben felbontják, részben elgőzölögtetik, és ez által összetördelik. Ahhoz, hogy ez bekövetkezzen a munkadarabnak kell lenni a negatív póluson és a pozitív ionoknak az alapanyagba kell csapódniuk. [27] [14] [15]

29 ábra Áramnem/ polaritás [15] A lineáris dörzshegesztésnél az oxidhártyát a sajtolóerő segítségével távolítják el, azonban a munkadarabok érintkezési felületein lévő oxidot csak olyan szerszámmal lehet megszüntetni, amelyik vertikális anyagáramlást biztosít, ha ez nem történik meg, akkor az Al2O3 oxidréteg a varratban szétszóródva jelenik meg. [20] Ellenállás hegesztésnél az oxidhártyát az elektródák és a munkadarab között fellépő koncentrált erő, hő és a képlékeny alakváltozás töri fel. Eltekintve a tisztítástól, a megnövekedett elektróderő előnyösnek bizonyult az oxidréteg összenyomásában és lebontásában, ezáltal csökkentve az érintkezési ellenállást. Továbbá arról számoltak be, hogy kismértékű (néhány mikron) relatív rotáció vagy elcsúszás a lemezek között nagymértben csökkentette a felületi ellenállást. Például, 1 -os relatív rotáció elegendő ahhoz, hogy 1kN alatti axiális irányú erő alatt a felületi ellenállást az érintkező felületeknél 7000-ről 110 µohm-ra csökkentse az 5754-es alumínium ötvözet esetében. Azonban, ennek a módszernek nehéz a végrehajtása az ipari tömeggyártás során az összeszerelt lemezek adott pozícióban történő megfelelő rögzítése miatt. Ebből adódóan egy Leo nevezetű kutató, alacsony áramú előmelegítés alkalmazását javasolta az oxidréteg káros hatásának visszaszorítására. Ahogy az 14. ábra mutatja, a 8 ka-es előmelegítés árama 50ms-os időtartammal jelentős csökkenést eredményezett a felületi ellenállásban az érintkező felületeknél egy AA5052-es alumínium ötvözet esetében és javította az eloszlást is. Ennek következtében a kötés minősége és a következetesség is jelentős mértékben javult. [27] [33]

30 Porozitás probléma 14. ábra Előmelegítés alkalmazása [33] Pórusképződésről általánosan 15. ábra Ellenállás hegesztés [31] A porozitást a hegfürdő hidrogénelnyelő képessége okozza, mivel a hidrogén elkülönülő gázpórusokat hoz létre a megszilárdult varratfémben. A hidrogén több helyről származhat, mint például a szénhidrogénekből, az alapanyag vagy a hozaganyag szennyeződéséből adódó nedvességből, illetve a védőgáz atmoszférájából bekerülő vízgőzből. Az alumínium az egyik leginkább porozitás érzékeny fém, mivel még a nagyon kis koncentrációban jelenlévő hidrogén is képes meghaladni a küszöbértéket és gázpórusokat alkotni a varratfémben. A folyékony fém sok hidrogént képes elnyelni, ezért kerülni kell a túlhevítést. [4] [27]

31 27 Tehát a hidrogén bekerülhet: Felületi szennyeződésekből Nedvességből Védőgázból Bevonatokból és fedőporokból 16. ábra Hidrogéntartalom a hőmérséklet függvényében [32] Pórusképződés ellenállás ponthegesztés esetén: Az ellenálláshegesztés során is, a pórusképződést több tényező okozza, mint például az előbb is emlegetett felületi szennyeződés, a szilárdulás során történő hidrogén elnyelődés, illetve ezenkívül az alapfémben meglévő pórusok, zsugorodási deformáció és a fröcskölés. Egyes szakirodalmakban alumínium ötvözet ellenállás pontkötését vizsgálták és ennek során a heglencsében porozitást figyeltek meg. Például 2mm vastagságú 6061-T6 alumínium ötvözetből készített ellenállás pontkötés töretfelületének esetében, körülbelül 60μm átmérőnél volt megfigyelhető nagymértékű porozitás. Hasonló vizsgálatokat végeztek és lényeges porozitást fedeztek fel az 1,2 mm-es alumínium ötvözet heglencséjében, különösen alacsony elektróderő alkalmazásával hegesztett próbatestek esetében. A 17. ábra számos hibát mutat, beleértve a porozitást AA6022-T4 pontkötés heglencséjében, amelyet 31kA-es hegesztési árammal és 133ms hegesztési idővel készítettek el. Azt észlelték, hogy a porozitás csökken az elektróderő növelésével. Például Hassanifard megállapította a pórusfrakciót (a porozitás aránya vagy az üres terület aránya a heglencse egészéhez képest.) és 1,5mm-es 5083-O alumínium ötvözet ellenállás ponthegesztése során, azt

32 28 tapasztalta, hogy 4,6-ról 3,7 majd 2,4%-ra csökkent, ha az elektróderőt először 2,5-ről 3-ra, majd 3,5 kn-ra emelték. [33] 17. ábra Porozitás a heglencsében [33] Elkerülésének lehetőségei: Mechanikai tisztítás: Tulajdonképpen megegyezik az oxidréteg eltávolításánál említettekkel. Drótkefézéssel, hántolással, vagy reszeléssel el lehet távolítani a felületi oxidréteget és ezzel együtt a szennyeződéseket is. A mechanikai tisztítás előtt zsírtalanítást kell végezni. [4] Oldószer: A szerves oldószerbe való mártással, az oldószer rászórásával, vagy törlésével el lehet távolítani a zsíros, olajos szennyeződéseket. [4] Kémiai maratás: Szintén, az oxidréteg eltávolításánál már tárgyalt lehetőséget lehet alkalmazni, mint például 5%-os nátrium-hidroxid oldat használata a tisztításhoz (és ahogy az előzőekben említésre kerül, az oldat használatát követően NHO3-mal és vízzel le kell mosni a felületet a reakciótermék eltávolítása érdekében). [4]

33 Repedésérzékenység A repedés az egyik legnagyobb probléma az alumínium ötvözet hegesztése során a jelenlévő kis olvadáspontú eutektikum, mint például az Al-Cu, Al-Mg és az Al-Mg-Si, a szilárdulás során bekövetkező nagymértékű zsugorodás és a nagy hőtágulási együttható következtében. [33] Kristályos repedés: Az alumínium ötvözetek hegesztésénél a repedést a varratban fellépő nagy feszültség okozza, amit az alumínium nagy hőtágulása, és jelentős dermedés közbeni zsugorodása eredményez (körülbelül 5%-kal több, mint a megegyező méretű acélvarratok esetén). A kristályosodási repedés a varrat középvonalában képződik és általában a varrat középvonala mentén növekszik a szilárdulás során. [4] [27] Kristályos repedés fő okai: Rosszul megválasztott alapanyag/hozaganyag kombináció Rossz varratgeometria Ha a hegesztendő darabok mozgásukban erőteljesen korlátozva vannak (be vannak fogva) 18. ábra Ellenállás ponthegesztés során keletkezett repedés [30] A repedés kockázata csökkenthető, ha az alapanyagtól eltérő, repedésnek ellenálló hozaganyagot alkalmazunk (4xxx és 5xxx csoportba tartozó hozaganyagok). Azonban az így létrejövő varratfém szilárdsága alacsonyabb lesz, mint az alapanyagé és utólag nem hőkezelhető. Ha a varrat nem rendelkezik megfelelő vastagsággal, akkor nem képes ellenállni a zsugorodásból eredő feszültségnek. A darabok befogásából adódó

34 30 feszültség minimalizálható helyes élelőkészítéssel, a kötés pontos beállításával és a helyes hegesztési sorrenddel. [4] Likvációs repedés: Az alumínium ötvözet ellenállás ponthegesztése során, az ötvözet szisztémás olvadása és a hőhatásövezetben lévő szemcsék körül a másodlagos fázisok megszűnése következtében kialakuló folyékony réteg, kedvező feltételeket biztosítanak a repedésekhez. A kristályhatárokon kialakult alacsony olvadáspontú vékony réteg nem tud ellenállni a varrat szilárdulása közben fellépő zsugorodási feszültségeknek és így a hőhatásövezetben kialakul a likvációs repedés. A hőkezelhető ötvözetek (főképp a 6xxx és 7xxx csoport), a legérzékenyebbek az ilyen jellegű repedésekre. A szakirodalomban AA 5754 alumínium ötvözet ellenállás ponthegesztésén tanulmányozták a likvációs repedéseket. Habár bizonyos porozitást figyeltek meg a minták heglencséiben, repedéseket nem tapasztaltak ezeken a helyeken. Azonban a minták hőhatásövezetében rengeteg repedést lehetett megfigyelni. Ahogyan a 19. ábra mutatja, a repedések a hőhatásövezetben, a varrat felületének közelében indulnak, ahol a hegesztés során az ötvözet a szoliduszlikvidusz hőmérséklettartományon belül marad. Ezt követően a repedések tovább terjednek az alapanyagra. Ahogy a mirkofelvételen észlelhető, a legtöbb repedés szélesebb a kiindulópontjában és keskenyebbé válik az alapanyag irányában ismétlődésre hajlamos alakban és orientációban. Az általuk elvégzett termomechanikus elemzés felfedte, hogy az anyagáramlás, a termikus feszültség fejlődés és a lokalizált feszültség következtében, a kötés repedt oldalán húzófeszültségek épültek fel. [4] [33]

35 ábra Likvációs repedés AA5754 Al ötvözet hőhatásövezetében [33] A likvációs repedés kockázata csökkenthető, ha az alapanyagénál alacsonyabb olvadáspontú hozaganyagot használunk, például a 6xxx ötvözet a 4xxx csoportba tartozó hozaganyaggal való hegesztése. Azonban a 4xxx csoportba tartozó hozaganyag nem használható magas magnézium tartalmú ötvözetek hegesztéséhez (mint az 5083), mert túl sok magnézium-szilicid keletkezhet a beolvadási határon, ami csökkenti a képlékenységet, és növeli a repedésérzékenységet. [4] Hőhatásövezet és varrat problémái A hőhatásövezet esetén: [4] Hidegen alakított állapotban kilágyulhat az alapanyag Nemesített alapanyagnál a hőhatásövezet kilágyul A varrat esetén: [4] Heterogén varrat Eltérő mechanikai tulajdonságok A korrózióállóság romlik a varratban. Ha a hegesztési paraméterek rosszul vannak megválasztva vagy nem megfelelő a hegesztési technika, akkor az a varratprofil hibához vezethet, mint például a beolvadási hiba, átolvadási hiba, vagy a szélbeégés. Mivel a hegfürdő az alumínium esetén gyorsan szilárdul meg, így rendkívül érzékeny a varratprofil hibákra. [4]

36 Fröcskölés problémája A fröcskölés, vagyis az olvadt fém kilövellése a heglencse területéről egy gyakori jelenség az ellenállás ponthegesztés során. Ez történhet az elektróda/munkadarab felületén (felületi fröcskölés) vagy az érintkező felületeknél (határfelületi fröcskölés), főként a rövid időtartam esetén alkalmazott nagy áramerősség következtében. A felületi fröcskölés súlyosan befolyásolhatja a felületi minőséget és az elektród élettartamát, de a szilárdságot nem. Viszont a határfelületi fröcskölés befolyásolhatja a kötés szilárdságát a heglencséből elvesztett folyékony fém következtében, amely nagyon nemkívánatossá teszi, különösen a hegesztett kötésben, ahol a kötésvonal integritása veszélyeztetett lehet. A nagymértékű fröcskölés nagyméretű üreget okozhat a heglencsében a térfogathiány következtében [33] A fröcskölés veszélye különösen magas az alumínium ötvözetek ellenállás ponthegesztése esetében, az oxidréteg jelenléte következtében és a kemény munkarend alkalmazásának szükségessége miatt. Egy tudományos cikkben elemezték az ellenállás ponthegesztésben résztvevő erőket és kifejlesztettek egy kritériumot a határfelületi fröcskölésre, amelyet később A5754 alumínium ötvözeten elvégzett kísérletek alapján ellenőriztek is. A kritériumot úgy határozták meg, hogy Fröcskölés akkor következik be, ha a folyékony heglencséről a szilárd részre ható erő megegyezik, vagy meghaladja a tényleges elektróderőt. A fröcskölést indukáló legjelentősebb tényező, a hegesztési áram, amelyet az elektróderő követ. Az is kiderült, hogy az elektróderő növelése előnyös a fröcskölés megszüntetése szempontjából. [33] Elektród degradáció Az ellenállás ponthegesztés szintén nagy problémája a kis elektród élettartam, amely nagyban függ az elektród kialakításától, bevonatától, egyéb beállításaitól, a lemezektől és az elektród felületi állapotától. [36] A forrásban megjelölt cikkben, elektród élettartam teszteket végeztek el, hogy vizsgálják az elektród degradáció hatását az elektród tönkremenetelre, az adott ötvözetből készült lemezek ellenállás ponthegesztésén keresztül. Ezenkívül megfigyelték a rézelektród és az alumíniumlemez közötti metallurgiai kölcsönhatásokat is. A vizsgálatok során közép-frekvenciás, egyenáramú hegesztő gépet alkalmaztak, az elektród 50mm görbületi sugárú csúcsfelülettel rendelkezett, az átmérője pedig 10mm volt. [36] A vizsgálatok kimutatták, hogy az elektród tönkremenetel 4 lépésből tevődik össze, méghozzá: alumínium felvétel, az elektród ötvöződése alumíniummal, elektród csúcsfelületének pitting kopása és végül a kavitáció. Az alumínium transzfer az első hegesztésből keletkezik, ahogy az apró megolvadt alumínium cseppek átjutnak a lemez felületéről az elektród csúcsára. Ez a megolvadt alumínium rátapad és reakcióba

37 33 lép az elektróddal, összetett Cu-Al ötvözetet kialakítva (főként CuAl2 és nyomokban Cu9Al4). A Cu-Al keverék felbomlik és ennek eredményeképpen, pitting (anyagvesztés a csúcsfelületről) következik be, alapvetően egy gyűrűn, közel az érintkezési zóna perifériájához ott, ahol a legmagasabb felületi hőmérsékletet érte el. Végül kisebb gödrök alakulnak ki, amelyek egyesülnek és nagy üregeket alakítanak ki (kavitáció). Az elektród tönkremenetel jelentősebbnek bizonyult a felső elektródon, mint az alsóelektródon a Peltier effektus következtében (a felső elektród pozitív míg az alsó negatív), amely nagyobb hőfejlődést eredményez a felső elektródon. A korrigálás költsége vagy az elektród cseréje és a leállások ideje hatással van a termelés költségére és a hatékonyságra. Ezáltal rendkívül fontossá válik az elektród élettartamának növelése. Mivel a pitting és a kavitáció az alumínium felvételének és ötvöződésének eredménye, ezért a periódikus elektródtisztítás meghosszabbíthatja az elektródcsúcs élettartamát, az elektród csúcsfelületébe történő alumínium beépülésének korlátozásával. [33] [36] A tesztek során feljegyezték a maximális szakítóerőt, amelyet a kötési szilárdság jelzésére használtak fel. Az elektród élettartamot úgy definiálták, hogy az első hegesztési szám addig amíg a kötés szilárdsága nem esik a kezdeti érték 80%-a alá. [36] A megfigyelt elektród élettartam számos vizsgálat esetén körülbelül 400 és 900 hegesztés közötti tartományban változott, annak ellenére, hogy a folyamat összes állapotát szándékosan állandó értéken tartották. Azonban, a nagy élettartam eltérések ellenére, különféle mintákat találtak az elektród tönkremenetelének és az elektród degradációjának kapcsolatában, tekintve a változásokat a csúcsfelületen és az érintkezési területen, mind az elektród/lemez és lemez/lemez határfelületeken. [36] Elektród degradáció szakaszai: I. Az elektród élettartamának a kezdetén a csúcsfelület és a kötés szilárdsága viszonylag állandó volt II. III. Ebben a periódusban, a kötés szilárdsága emelkedett és csúcsosodott. Mielőtt a szilárdság elérte volna a csúcsot, kezdetleges elektród pittinget figyeltek meg. A névleges csúcsfelület területe, és ennélfogva az érintkezési felület mind az elektród/lemez és lemez/lemez esetén növekedni kezdett az elektród pitting fellépését követően. A pittingelt területek tovább növekedtek és nagy üregekké egyesültek, aminek következtében a csúcsfelület és az érintkezési területek tovább növekedtek és így a kötés szilárdsága csökkenni kezdett [36]

38 34 A kötés szilárdságcsökkenését a méreten aluli heglencse képződés okozta a növekvő érintkezési felület és az ennélfogva csökkenő áramsűrűség következtében. Az elektród degradáció ellenőrizhető lehet a három terület növekedése által (csúcsfelület területe, elektród/lemez, illetve a lemez/lemez érintkezési területe), de az elektród/lemez érintkezési terület lehet a legmegfelelőbb, mert ennek a méréséhez kell a legkevesebb plusz munka. [36] Szakirodalmi kísérlet a felületi érdesség, oxidréteg és pittingkopás hatásának vizsgálatára AA5182 típusú alumínium ötvözet gömbölyű elektródával történő ellenállás ponthegesztésének kísérletei során vizsgálták a felületi érdesség és az oxidréteg befolyását az elektród és munkadarab határfelületének érintkezési ellenállására vonatkozóan, illetve az elektród pitting kopás viselkedését. [16] Az oxidréteg jellege és a munkalemez felületi érdessége hatással van az elektród/munkadarab határfelületének elektromos felületi ellenállására. A kettő küzül az oxidréteg hatása a dominánsabb, mivel az összes kezelt felületű munkadarab, függetlenül az érdességi viszonyoktól, kisebb elektromos felületi ellenállást mutatott az elektród/munkadarab határfelületen, mint a kezelés nélküli darabok. Úgy vélték, hogy az ellenállás ponthegesztési folyamat során, a munkalemez felületének kiterjed plasztikus deformációja társul az elektród/munkadarab határfelületéhez és ebből arra következtettek, hogy az elektromos felületi ellenállás és a felület érdessége közötti kapcsolat valószínűleg összefüggésben van azzal, hogy hogyan deformálódik az oxidréteg a terhelés alatt. [16] Az alapállapotú munkadarabok felületének csiszolása és dörzsölése/karcolása eltávolítja és/vagy csökkenti a méretét a magnézium gazdag helyeknek, illetve az oxidréteget vékonyabbá és egyenletesebbé teszi. Úgy vélik, hogy a csökkentett vastagságú, frissen újra alakult oxidréteg és a felület lecsiszolása a fő felelős ezen területek kis érintkezési ellenállásának összehasonlítva az alapállapotú felületekkel szemben. Azt várták és végül tapasztalták is meg, hogy a magas elektromos felületi ellenállás következtében, magas hőtermelés és gyorsabb pitting arány társult az alapállapotú lemezekhez. Ez arra engedte őket következtetni, hogy az AA5182-es lemez esetében, a hegesztés előtti elektromos felületi ellenállás mérésével (statikus ellenállás), képesek lehetnek megjósolni, hogy hogyan fog viselkedni az anyag az ellenállás ponthegesztési folyamat során ezen típusú alumínium esetében. A következő ábrán a csiszolás és dörzsölés hatása látható AA5182 felületi oxidrétegének esetében: (a) Csiszolás 600 szilícium-karbid csiszolópapírral, (b) Csiszolás Scotch-brite márkájú felületkezelő koronggal és (c) Alapállapot [16]

39 ábra Csiszolás és dörzsölés hatása AA5182 felületi oxidrétegére [16] Továbbá, Rashid egy vékony rétegű kenőanyag alkalmazását javasolta az elektród és munkadarab érintkezési felülete között, hogy befolyásolhassa az elektród élettartamát. AA5182 alumínium ötvözet ellenállás ponthegesztésének esetében különböző fémkenéseket alkalmaztak. Azonos hegesztési körülmények között kimutatták, hogy az egyik típusú kenőanyag meghosszabbítja az elektród élettartamát 730 hegesztésre, amely majdnem kétszerese annak az értéknek, amelyet kenőanyag nélkül mértek. A kenőanyag elvékonyítja a felületi oxidréteget és így csökkenti a hőtermelést, amely az ötvöződés és pitting fokának csökkenéséhez vezet. Azonban akadtak egyéb kenőanyagok, amelyek negatív hatást mutattak az elektród tönkremenetelével kapcsolatban. [16] [34] [36] 2.2. Az ellenállásponthegesztés az alumínium esetében Az ellenálláshegesztés lehetséges eljárásai [21] Ellenállás-ponthegesztés (21) Ellenállás-vonalhegesztés (22) Ellenállás-dudorhegesztés (23) Leolvasztó ellenállás-tompahegesztés (24) Zömítő ellenállás tompahegesztés (25) Ezek közül alumínium esetében a leggyakrabban az ellenállás-ponthegesztést alkalmazzák. Ez az eljárás az egyik legvonzóbb összeszerelési módszer, illetve a legszélesebb körűen használt kötési eljárás a lemezek esetében, különösképpen az autóiparban, számos előnyének köszönhetően, mint például az alacsony költsége, megbízhatósága, rendkívüli gyorsasága, műveletének egyszerűsége és automatizálhatósága, illetve alkalmassága a tömegtermelésben való használatra. Hozzávetőlegesen 5000 pontkötés található egy egyszerű autóban. A folyamat során nem használnak sem hozaganyagot, sem folyasztószereket. A minőség, a strukturális teljesítmény, az élettartam, a biztonsági tervezés, az erő, a merevség és a jármű

40 36 integritása nem csak a lemezek mechanikai tulajdonságaitól, hanem a ponthegesztések minőségétől is függenek. Továbbá a jármű törésbiztonsága, amelyet úgy definiáltak, mint az autószerkezet azon képessége, hogy megfelelő védelmet nyújtson az utasok sérüléseinek elkerülése érdekében egy baleset során, nagymértékben függ az integritástól és a ponthegesztések mechanikai tulajdonságaitól. [33] [36] [37] A hegesztés ezen módját használhatjuk autók alvázához vagy karosszériákhoz, buszoknál, teherautók, pótkocsik, vasútikocsik szerkények, bútorok és számos más termék esetében is. A variálhatósági tényezőkből adódó komplexitása bonyolítja az automatizálást, csökkenti a hegesztés minőségét és megnöveli a termelési költségeket, azonban mostanában, növekszik az érdeklődés az alumínium ötvözetek nagyvolumenű ellenállás ponthegesztésére. Azonban az alumínium ötvözetek ellenállás ponthegesztése a rendellenes folyamat körülményekre, mint például az axiális eltolódás, szögeltolódás és a rossz illeszkedés érzékenyebb, mint az acél. Ebből adódóan, a növekvő érdeklődést az alumínium ötvözetek magas volumenű ellenállás ponthegesztésére egy kihívás kísérte, hogy jobban megértsék és fejlesszék a folyamat, a struktúra, a tulajdonságok és a teljesítmény kapcsolatát. [33] [38] Az ellenállásponthegesztés alapjai Ponthegesztés folyamata Az ellenállásponthegesztés (MSZ EN ISO szerinti 21-es eljárás) jellemzői: Az ellenállás ponthegesztés egy olyan fémeket egyesítő művelet, amely a munkadarabok határfelületén lévő diszkrét pontok összeolvadásával valósul meg. Ez a folyamat egy termikus, kohászati és mechanikai deformációs folyamat, amely egy megolvadt területet, másnéven heglencsét és körülötte egy hőhatásövezetet eredményez. A legtöbb hegesztési eljárással ellentétben, az ellenálláshegesztés elektróda erőt igényel, mivel az elektródát rá kell nyomnunk a munkadarabra. Ezért az ellenállás hegesztés a sajtoló hegesztések csoportjába tartozik. [21] [38]

41 ábra Ellenállás ponthegesztés [14] Ahogy a 21. ábrán látható, az ellenállásponthegesztés folyamata tipikusan két vagy több átlapoltan elhelyezett fémlemezt tartalmaz két vízhűtött elektróda között. A folyamat során nyomást gyakorolnak az elektródákra annak érdekében, hogy a munkadarabokat összefogja és még szorosabb kapcsolatot alakítson ki közöttük. Ezután a munkadarabokon elektromos áramot vezetnek át egy adott időperióduson keresztül a két elektród segítségével. A lemezek ellenállása a lokalizált elektromos áram áramlása végett hőt generál és ennek következtében olvadt heglencse formálódik az érintkező feleületeknél. Az áramot végül kikapcsolják, de az elektróderőt még egy adott ideig fenntartják, miközben a heglencse elkezd kihűlni, majd megszilárdul. A hűlést a hővezetés segíti a két vízzel hűtött elektródán keresztül. Tehát az ellenálláshegesztés során a varrat létrejöttéhez erő- és hőhatás együttesen szükséges. Elve a fémek elektromos ellenállásán alapszik, mivel a szükséges hő úgy fejlődik, hogy a fémeken átvezetett áram ellenállásba ütközik és ezáltal felmelegíti a munkadarabokat. A pontkötés elkészítése során a lemezekbe vezetett hő az áramkörben fejlődő Joule-hővel fog megegyezni, amely az átfolyó I áram, a t hegesztési idő, illetve a munkadarabok és elektródák R ellenállásainak függvénye. [21] [34] Ahol, Q=I² R t [J] (1) Q: a hőbevitel Jouleban I: az áramerősség Amperban R: az ellenállás Ohmban t: pedig az idő másodpercben kifejezve

42 38 Tehát a generált hő mennyisége függ az áramtól, az ellenállástól és a hegesztési áram alkalmazásának időtartamától. Ezenkívül az elektródák által közvetített, a lemezeket összeszorító F erő szintén befolyásolja a keletkező varratpontok minőségét. [21] A szakirodalom alapján a jó elektromos vezető anyagok esetében, így az alumínium ellenálláshegesztése során is, úgynevezett kemény munkarendet kell használni. A kemény munkarend esetében a hegesztendő munkadarabokon rövid hegesztési idő alatt, nagy áramerősséget vezetnek keresztül. Ezenkívül szükséges még utánsajtoló erőt és felületi előkészítést is alkalmazni. A 22. ábrán található az alumínium ellenálláshegesztésénél alkalmazott általános ciklusdiagram, amelyen jól látszik az utánsajtoló erő és a rövid hegesztési idő alkalmazása is. A folyamathoz nagyteljesítményű transzformátor és gyors szabályozhatóság szükséges, mivel ahhoz, hogy a rövid hegesztési időt biztosítani lehessen, a hálózati áramot nagyon gyorsan kell több ezer amperre feltranszformálni és a beállított áramerősségen tartani. [21] 22. ábra Alumínium hegesztésére használt általános ciklusdiagram [21] Az utánsajtoló erő (Fus) alkalmazása elengedhetetlen az anyag hűlésekor végbemenő nagymértékű zsugorodás miatt. Ennek az erőnek a létrehozásához szükség van egy úgynevezett proporcionális szelepre, amelyet a hegesztőgép pneumatikus rendszerébe építenek be. Ez az alkotórész rendkívül költséges, így megdrágítja a gép árát és nem is alkalmazható megfelelően hozzáillő pneumatikus csőrendszer nélkül. Ezenkívül az elektróderő feltöredezi a hegesztés számára előnytelen oxidréteget. [21]

43 39 8. Táblázat Egyéb ütemezési példák [8] Egy impulzusú hegesztés Több impulzusú hegesztés Emelkedő és lejtő Áramprogram Erő- és áramprogram A hegesztő áramkör ellenállásai Joule törvényének alapján látszólag csak egy ellenállás van. Azonban valójában több különböző ellenállás létezik a hegesztő áramkörben. A hegesztési folyamat során két fontos ellenállás típus figyelhető meg, mégpedig az anyagi ellenállások és a felületi ellenállások. [8]

44 40 A felső és alsó elektród ellenállása (R3: anyag) A felső és alsó munkadarab ellenállása (R5: anyag) A felső, illetve alsó elektród és a lemezek felületének érintkezése (R4: felületi) A két munkadarab érintkezése (R6: felületi) 23. ábra Ellenállás ponthegesztés ellenállásai [8] Ezek az ellenállások mind hozzáadódnak a teljes ellenálláshoz, amely az összes ellenállás összegeként írható fel: R=R1+R2+R3+R4+R5+R6 (2) Az összes ellenállás közül az R3 a legjelentősebb, mivel itt kezdődik a heglencse kialakulása. Ha ez túl alacsony, akkor elégtelen lesz a hőfejlődés és nem alakul ki megfelelően a heglencse. Másrészről, ha túl nagy akkor túlzott lesz a hőképződés, ami szintén hátrányos a folyamat során. [33] 2.3. Egyéb tulajdonságok Mikroszerkezet A kötés mikroszerkezetét az alapötvözet összetétele és annak hőtörténete határozza meg. Ezenkívül még befolyásolja a fennálló termikus állapot összetétele és a

45 41 kristályok növekedésének mértéke, amely közvetlenül összefüggésben van a kötésben lévő termikus gradienssel. [33] Általában az alumínium ötvözet ellenállás pontkötésének mikroszerkezete három különböző részre osztható: az alapanyag, a hőhatásövezet és a keveredett zóna vagy másnéven heglencse. Továbbá az alumínium ötvözetből készített ellenállás pontkötések mikroszerkezetének elemzése azt mutatta, hogy a heglencse két különböző szerkezetet tartalmaz: egyrészt oszlopos szemcseszerkezet van a heglencse élénél, illetve globulitos figyelhető meg a heglencse középpontjában. A két különböző szemcseszerkezet kialakulásának oka azzal lehet összefüggésben, hogy a heglencse különböző részein, eltérő hűlési sebességek vannak. Egy tanulmány során, amelyben egy 3 lemezből álló AA5052 alumínium ötvözet ponthegesztését vizsgálták, az volt a tapasztalat, hogy 50ms-os hegesztési időnél, egy nagyon vékony oszlopos kristályzóna volt a heglencsék élénél, viszont a közepén globulitos alakult ki (alfa és béta alumínium szemcséket tartalmazott). Továbbá a kialakuló heglencsék között részlegesen megolvadt zónát fedeztek fel. 200ms-nál, amikor a heglencse formája teljes lett, sejtszerű dendrites zóna volt megfigyelhető a heglencse szélénél a magasabb csúcshőmérséklet miatt. Amikor a folyadékban elegendő globulitos szemcse keletkezik az oszlopos előtt, akkor ezeknek a formációja gátolni fogja az oszlopos legelejének mozgását, és ezáltal átmenet figyelhető meg a két szerkezet között. A globulitos szemcsék sokkal finomabbak, több izotróp szerkezetük van, kisebb az ötvözet elemeinek elkülönülése és ezenkívül jobb mechanikai tulajdonságokat is garantál, ezért fontos, hogy elősegítsük a formálódásukat, szemben az oszlopos dendrites szerkezettel. [33] Keménység Általában, a hőkezelhető 6xxx-es alumínium ötvözetekben a keménység jelentős csökkenése figyelhető meg a hőhatásövezetben (HHÖ) és a heglencsében. Ez a jelenség annak tudható be, hogy a szilárdságnövelő kiválások feloldódnak, különösképpen a T6-os állapotban, az alakítási keményedés csökkenésének révén. A keménységcsökkenés főként a heglencsében összpontosul, ahol az alapanyag megolvadása a szilárdságnövelő kiválások teljes feloldódásához vezet. Hasonló megfigyelést tapasztaltak a 6082-T6, AA6111-T4 és AA6022-T4 alumínium ötvözetek ellenállás ponthegesztésekor a szakirodalomban. [33] Azonban 6xxx szériás alumíniummal ellentéten a nem nemesíthető 5xxx széria esetén minimális eltérést figyeltek meg a keménységben. A 24. ábra összehasonlítja az AA5754 és az AA6111-T4 alumíniumok keménységprofilját. Ahogy látható, az átlagos keménységérték az AA6111 alapanyaga esetén jelentősen nagyobb, mint az

46 42 AA5754-es alumínium esetében. Azonban, a keménységérték az AA6111-nél a heglencse esetében jelentősen csökkent, sőt értéke az AA5754 keménysége alá esett, mert az olvadás és az azt követő újra szilárdulás az alapanyag esetén létező kiválásos keményedés eltávolításához vezetett. [33] 24. ábra Keménységértékek összehasonlítása [33] 2.4. Erő és meghibásodási mód A ponthegesztések mechanikai teljesítményét általában kvázi-statikus és dinamikus igénybevételi körülmények között tanulmányozzák. A nyíró-szakító vizsgálat a legszélesebb körben használt teszt a minták előkészítésének egyszerűsége miatt. A ponthegesztések hiba módja a teherbírás és az energiaabszorpció kapacitásának mutatója és a mechanikai teljesítmény minőségi mérőszáma. A ponthegesztések általában három különböző módon hibásodnak: határfelületi, részleges határfelületi és kigombolódásos tönkremeneteli mód. [33] A határfelületi mód során, a törés a heglencsén keresztül terjed, elkülönítve a két lemezt. A részleges határfelületi mód esetében, a törés először végig terjed a határfelületen és ezt követően merőlegesen átirányul a középvonal felé, a vastagság irányában. A kigombolódásos mód esetén az egyik lemez kiválik a heglencséből, a törés pedig kezdődhet az alapanyagban, a hőhatásövezetben vagy akár a heglencsében is. [33]

47 43 A határfelületi módot kis plasztikus deformáció is kíséri és ebből adódóan nem kívánatos, mivel ez alacsony energiájú abszorpciós képességet jelent. Másik részről a kigombolódásos mód a legkívánatosabb, mert ez több plasztikus deformációt, nagyobb energiaabszorpciót és ezenfelül jobb csúcsterhelést jelent. Nagyszilárdságú acélok esetében végeztek kísérleteket a tönkremeneteli mód és a terhelés előre jelzésére a szakítóvizsgálat során. A teljes kigombolódásos tönkremenetelhez szükséges erőt arányosnak találták az alapanyag szakítószilárdságával és vastagságával, valamint a heglencse átmérőjével. A nyíródást okozó erő a kötés szívósságával, a lemezvastagsággal és a heglencse átmérővel függ össze. Ezenkívül rájöttek, hogy a hegesztések teherbíró képességét nem befolyásolja a tönkremeneteli mód. Ebből adódóan nem lehet csak ezzel az egy kritériummal meghatározni a pontkötés minőségét. [33] [39] Tönkremeneteli mód megjóslása: Sokan arról számoltak be a szakirodalomban, hogy a szakítóvizsgálatok során (mind alumínium mind acél esetében) van egy kritikus heglencseátmérő, amely felett csak kigombolódásos tönkremenetel történik és van egy, amely alatt csak nyíródás. A két átmérő között mindkét tönkremeneteli mód előfordult. A kigombolódás a leggyakrabban az alapanyagon kívül a hegesztés peremén kezdődik. A határfelületi tönkremenetel esetében találtak egy összefüggést a feszültség intenzitásának becslésére a hegesztés bemélyedési pontjánál. Ezen kapcsolatot felhasználásával kifejlesztettek egy egyenletet annak érdekében, hogy meghatározzák azokat a változókat, amelyek befolyásolják a tönkremenetel módját és a szakítóvizsgálat terhelését. [38] [39] (3) (4) Ahol, FPO: a meghibásodási terhelés kigombolódás esetére FIF: a meghibásodási terhelés nyíródás esetére kpo és kif: konstansok, : az alapanyag szakítószilárdsága d: a heglencse átmérője t: lemezvastagság

48 44 A kigombolódás biztosítására az AmericanWelding Society/American National Standard Institute/Society of Automotive Engineers a következő egyenletet ajánlotta: Ahol, d: a kritikus heglencse átmérő t: pedig a lemezvastagság Azonban sokan azt tapasztalták, hogy ez az egyenlet nem ad biztos eredményt 1-1,5 mm-es lemezvastagságon túl, illetve az acélok esetében sokkal kisebb átmérőnél is bekövetkezik a kigombolódás. Ennek okán Sun, 5182-O és 6111-T4 alumínium ötvözetek esetében a következő egyenletet hozta létre: [38] (4) Ahol, t: a lemezvastagság f: pedig a porozitási tényező Ezután, olyan egyenleteket próbáltak származtatni, amelyek hőkezelhető alumínium ötvözet esetében is használhatók a tönkremeneteli mód megjóslására. A tönkremenetel mindig a leggyengébb részeken következik be, azaz a heglencsében vagy a hőhatásövezetben. Feltételezve, hogy a feszültség egyenletesen oszlik el a heglencse területén, a határfelületi tönkremenetel kifejezésére a következő egyenletet írták fel: [38] (5) Ahol, τn: a heglencse nyírószilárdsága A kigombolódásos tönkremenetel bekövetkezése előtt a darab jelentős elhajlása figyelhető meg a szakítóvizsgálat során, míg a határfelületinél csak kezdetleges hajlás tapasztalható. A kigombolódásnál több szerző úgy vélte, hogy a tönkremenetel a hőhatásövezeten megy végbe. [38] (6)

49 45 (7) Ahol, τhhö: a hőhatásövezet nyírószilárdsága Ezen két egyenlet alapján hozták létre a kritikus heglencseátmérő megjóslására a következő összefüggést: [38] Ha a heglencse a kritikus érték alatt lesz, akkor a határfelületi tönkremenetel lesz a domináns, míg ellenkező esetben a kigombolódásos. Sajnos azonban a heglencse és hőhatásövezet ezen tényezőinek a mérése rendkívül nehézkes, főleg a kis méretük miatt, illetve a mikroszerkezet eltéréseinek okán. Viszont az anyag folyáshatára és a szakítószilárdsága összefügg a keménységével egy empirikus egyenleten keresztül. [38] Ahol, HV: a Vickers keménység σ: a szakítószilárdság K: pedig körülbelül konstans feltételezve, hogy az elasztikus tulajdonságok állandók az anyag belsejében Az előzők alapján, a következő egyenletet származtatták: (8) (9) Ahol, HVHHÖ: a hőhatásövezet Vickers keménysége HVN: pedig a heglencse keménysége A keménység mérése viszonylag egyszerű feladat, könnyebb, mint a szakítószilárdság vizsgálata a heglencse illetve a hőhatásövezet esetében. A heglencsében hozzávetőlegesen állandó a keménységérték, illetve könnyű átlagolni, azonban a hőhatásövezetnél keménységgradiens van a heglencse és a nem befolyásolt alapfém között. Ezért dkritikus a kiválasztott hőhatásövezetbeli keménység függvénye. (10)

50 46 Mivel a hőhatásövezetben nehézkes az átlagos keménységérték meghatározására, ezért a következő egyenletet hozták létre: [38] Ahol, HVAA: az alapanyag keménysége (11) 2.5. Folyamatparaméterek hatása Az ellenállás pontkötések minőségét és teljesítményét befolyásolja a hőbevitel, amely pedig a hegesztési paraméterektől függ, legfőképpen a hegesztési áramerősségtől, a hegesztési időtől és az elektróderőtől. [38] [40] Általában, az alacsony áram alacsony hőbevitelt, kis méretet és gyenge beolvadást eredményez. Az áramerősség növelése nagyobb hőtermeléshez, heglencsemérethez és szakítószilárdsághoz vezet, azonban a túlzottan nagy áramerősségértékeknél fröcskölést tapasztaltak és az elektród lenyomat/ bemélyedés is növekedett. A szakirodalmi kísérletek során, hasonló volt a tapasztalat a hegesztési idővel kapcsolatban is. A vizsgált tartományban (5-30 ciklus) az idő növelésével növekedett a tönkremeneteli terhelés. Az elektróderő befolyása főként az érintkezési ellenállásra hat. A folyamat során szükség van a nagy elektróderőre, azonban a nagyon nagy elektróderő túlnagy benyomódást, lemez szétválást és torzulást okoz. Továbbá a heglencse átmérő és a kötés szilárdsága hajlamos csökkeni, hogyha az elektróderő egy kritikus érték felé emelkedik, mivel ennek következtében növekszik az érintkezési terület, csökken az áramsűrűség és növekszik a hőeloszlás. Tehát mindhárom paramétert érdemes növelni, de nem szükségtelenül nagy értékre, ügyelve arra, hogy ne lépjük túl a kritikus értékeket. Ezek az eredmények igaznak bizonyultak A5052, 6061-T6 és 6082-T6 ötvözet esetére is. [39] [40] 25. ábra Hegesztési paraméterek hatása [40]

51 47 Hatásuk a heglencse átmérőre Az áramerősség növelésével folyamatosan növekszik a heglencse átmérője. A hegesztési idő növelése is hasonló eredményeket mutat, míg az elektróderő növelésével egy ideig nem változik számottevően, majd elkezd csökkeni azáltal, hogy növekszik az érintkező felületek mérete. A következő ábrán a heglencse átmérő és a tönkremeneteli terhelés kapcsolata látható nyíróteszt esetében. [38] [40] 26. ábra Heglencse átmérő és a terhelés kapcsolata A két jellemző kapcsolata közel lineáris. A háromszög alakú jelzéssel a kigombolódásos, míg a rombuszokkal a nyíródásos tönkremenetelt jelölték. Ebből az ábrából is jól megfigyelhető a kritikus heglencse átmérő, amely felett csak kigombolódás történik. [40] Hatásuk a keménységre A hegesztési áram növelésével a heglencse területén a keménység kismértékben csökken, azoban 3mm-re a heglencse közepétől a keménység majdnem állandó. A szilárdság csökkenését valószínűleg az okozza, hogy az ömledékből elvesznek az ötvöző elemek. A hegesztési idő növelésével a heglencse középpontjában csökken a keménység. 3mm-re a középpontjától nincs hatása a keménységértékekre. Az elektróderő növelésével növekszik a heglencse keménysége, de a heglencsén és a hőhatásövezeten túl, csak enyhén változik. [40]

52 48 9. Táblázat Ellenállás ponthegesztés paraméterei alumínium esetén [8] Paraméterek szokásos tartománya alumínium ellenállás ponthegesztés esetén Alkalmazási tartomány [mm] 0,2-4 Elektródaerő Fe [N] ( ) Hegesztő áram Is [ka] ( ) Idő [Per] ts [s] Üresjárási feszültség U20 [V] 1,5-15 Névleges teljesítmény Sa [kva] Primer áram I1 [A] ,5-250 ( ) 0,01-5 A táblázat az általános beállítási paramétereket tartalmazza normál hegesztés esetén. A benne szereplő t a kisebb lemez vastagsága. Természetesen speciális esetekben el lehet térni ezektől az értékektől. [8] 2.6. Kötések javításának lehetősége Rendkívül fontos az autóiparban a megfelelő minőségű kötés elkészítése. Ahogy az előzőekben is szóba került, számos módja van a kötés javításának: például magas hegesztési áram, hosszú hegesztési idő és nagy elektród alkalmazása. A hosszabb elektródidő is kedvező hatású, illetve egy megfelelő második áramimpulzus is növeli a kötés terhelhetőségét, azonban ezek a módszerek hosszabb időhöz, energiához és az elektród gyorsabb kopásához vezetnek. Ennek okán vizsgálni kezdték az elektromágneses keverést az ellenálláshegesztés során. Popov felfedezte, hogy a külső sugárirányban orientált tengelyszimmetrikus permanens mágneses mező képes eltávolítani a porozitást, javítja az ütésállóságot és a kifáradási élettartamot ausztenites nikkelmentes acél ellenállás pontkötése esetén. Watanabe pedig azt tapasztalta, hogy ha a mágneses mező merőleges a hegesztési irányra, akkor a heglencse mérete növekszik a mágneses mező növelésével. [41] Ennek okán alumínium ötvözettel is elkezdtek kísérletezni, méghozzá AA5052-vel. Az elektromágneses mezőt két azonos, gyűrű alakú, de ellentétes polaritású permanens mágnessel végezték, amelyeket koaxálisan szereltek fel az elektród karokra. A mágnesek szimmetrikusan lettek elhelyezve, déli pólusukkal egymással szemben. Az elektromágneses mező kölcsönhatásba lép a hegesztési árammal és külső mágneses erőt termel. A külső mágneses erő az óra járásával megegyezően forgatja az olvadt fémet. A magas hőmérsékletű megolvadt fém a növekvő heglencse szélére fog kerülni, így elősegítve a heglencse növekedését. [41]

53 49 Számos kísérletet elvégeztek elektromágneses mező alkalmazásával, majd anélkül is. A tapasztalatok azt mutatták, hogy a hegesztési áram növelésével egy adott értékig emelkedett a heglencse átmérő majd csökkent, azonban végig jobb értéket mutatott az elektromágneses mező jelenlétében. Ugyan ez a tapasztalat a heglencse vastagsággal is (először nő majd csökken), viszont egy bizonyos áramerősségtől felfelé rosszabb értéket mutatott, mint az elektromágneses mező nélküli hegesztés. (a megolvadt anyag rotációja centrifugális mozgást generált, amely az áramerősség növekedésével dominálni kezdett) [41] 27. ábra Elektromágneses keverés [41] A hegesztési idő hatása is hasonló eredményeket mutatott, először növekedett majd csökkent a heglencse átmérője, azonban végig jobb eredményeket produkált, ha használták az elektromágneseket. Az elektróderő növelésével szintén emelkedett a heglencse átmérő és a vastagság egy bizonyos értékig, amely után visszaesett. [41] A szakítóvizsgálat bármely érték növelésével, mindig jobb eredményt mutatott, ha alkalmazták az elektromágneses mezőt, mivel az eljárás használatával növelni lehet a heglencse átmérőt, amely az egyik fő minőségi kritérium a Továbbá az energia abszorpció is megnövekedett, ezek pedig azt jelezik, hogy ez az eljárás javíthatja a pontkötés ütésállósgát. Az eredményekből az is kiderül, hogy az energiafogyasztás és az elektród kopása is csökkent. [41] A mikroszekerezet vizsgálatakor azt állapították meg, hogy a heglencse központjában nem változik a keménység, azonban az oszlopos szemcsezónában, elektromágneses mező alkalmazásával nagyobb keménységértéket tudtak elérni. A hőhatásövezet az elektromágneses mező esetében lágyabb volt, mint anélkül, amely jobb alakíthatóságot jelenthet. Az elektromágneses mező hatására növekedett a globulitos szemcsék aránya és finomabb szerkezetük lett. A hegesztés mirkoszerkezetét a hőmérsékletgradiens és a hűlés is meghatározza. A hőmérsékletgradiens csökkentése kedvező hatással van a globulitos kristályok

54 50 kialakulásához. A külső elektromágneses erő irányítja a folyékony heglencsét és centrifugális mozgást alakít ki. Ennek köszönhetően a heglencse középpontjából a magas hőmérsékletű olvadt fém a heglencse szélére kerül, ezzel csökkentve a hőmérsékletgradienst. Ráadásul az elektromágneses keverés feltöredezi a növekvő oszlopos szemcséket a primer kristályosodás alatt. [41]

55 51 3. KÍSÉRLETEK KIVITELEZÉSE A kísérletek során az autóiparban alkalmazott, különböző alumíniumcsoportba tartozó ötvözetek ellenállás ponthegesztését vizsgáltam (Al/Al), majd ezt követően nyíró-szakító, keménység és mikroszerkezeti vizsgálatokat figyelembe véve értékelem ki az egyes alumíniumcsoportok hegeszthetőségét Műbizonylatok A kísérletek során alkalmazott 5, 6 és 7-es csoportból származó nagyszilárdságú alumíniumötvözetek: 5754-H22: Cu [%] 10. Táblázat Az 5754-H22 alumíniumötvözet vegyi összetétele Fe Mn Cr Mg Si Ti Zn [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] Al [%] 0,055 0,294 0,358 0,009 2,796 0,193 0,016 0,034 maradék 11. Táblázat A 5754-H22 mechanikai tulajdonságai Tulajdonságok Értékek Szakítószilárdság 220 MPa Nyúlás A50 22 % Folyáshatár 137 MPa Az ötvözet 5754-H22 jelölése szerint ez egy közepes szilárdságú, hőkezelhető ötvözet, amely rendkívül jól hegeszthető. Az 5. táblázat besorolása alapján: Alakítással szilárdított és részben lágyított, illetve negyed keménységű.

56 T6: 12. Táblázat A 6082-T6 alumíniumötvözet vegyi összetétele Cu [%] Fe [%] Mn [%] Cr [%] Mg [%] Ti [%] Si [%] Zn [%] Al [%] 0,09 0,46 0,46 0,2 0,7 0,03 0,9 0,08 maradék 13. Táblázat A 6082-T6 mechanikai tulajdonságai Tulajdonságok Értékek Szakítószilárdság 350 MPa Nyúlás A50 14 % Folyáshatár 300 MPa Ez a hőkezelhető ötvözet viszonylag nagyszilárdsággal rendelkezik és emellett jól hegeszthető. Ezenfelül a 6. táblázat alapján látható, hogy a T6-os állapot szerint egy homogenizáló hőkezelést követő mesterséges öregítésen ment keresztül. 7075: 14. Táblázat A 7075 alumíniumötvözet vegyi összetétele Cu [%] Fe [%] Mn [%] Cr [%] Mg [%] Ti [%] Si [%] Zn [%] Al [%] 1,3 0,46 0,2 0,2 2,3 0,1 0,4 5,2 maradék 15. Táblázat A 7075 mechanikai tulajdonságai Tulajdonságok Értékek Szakítószilárdság 500 MPa Nyúlás A50 10 % Folyáshatár 400 MPa Ez az ötvözet rendkívül nagy szilárdsággal rendelkezik, azonban nehezebben hegeszthető Próbatestek előkészítése: A már korábban említett alumínium próbatesteket (5057 (1mm), 6082 (1 mm) és 7075 (1 mm)) 2000x1000mm-es táblából a 28. ábrán feltüntetett lézervágó

57 53 berendezéssel darabolták fel egy külső cégnél. A méretre szabott próbatestek dimenziói a következők: 100x30x1 mm. 28. ábra Lézervágó berendezés és a hulladékanyag Lézervágásra azért volt szükség, hogy biztosítani tudjuk a lemezek egysíkúságát, mivel így jobb érintkező felületeket és ezáltal jobb minőségű hegesztett kötéseket kaphatunk (a rendelkezésre álló lemezollóval megoldhatatlannak bizonyult ez a probléma). Sajnálatos módon a lézervágást követően is marad apró egyenetlenség a darabok szélén (sorja), ezért a darabolást követően az összes próbatestről egyesével távolítottam el ezeket a 29. ábrán látható kézi sorjázó ezközök segítségével. 29. ábra Sorjázó eszközök Miután meggyőződtem a lemezek széleinek simaságáról, gondosan elkülönítettük a darabokat az esetleges keveredés elkerülése végett. Minden alkalommal annyi darabot készítettünk elő hegesztésre, amelyre az aznapi kötések elkészítéséhez szükség volt.

58 ábra Előkészített munkadarabok Egyes darabok esetében közvetlenül a hegesztés előtt különféle felület előkészítést is alkalmaztunk, mint például a hegesztésben érintett felületek hántolása vagy 2%-os hidrogén-fluoriddal való kezelése. Ezeket a kezeléseket csak az 1mm-es 6082-T6 állapotú ötvözetek esetében végeztük el, méghozzá az oxidréteg eltávolítása érdekében Hegesztés A darabok előkészítését követően megkezdődhetett az ellenállás hegesztés. A hegesztés során, egy TECNA 8007 kétkaros pneumatikus hengerrel ellátott ponthegesztőgépet használtunk, melynél az alsó kar rögzített, míg a felső elektródbefogó mozgatható (30. ábra). 31. ábra A hegesztőgép

59 55 A hegesztőgép fő jellemzői: Gépbe épített sűrített levegőszűrő Zajcsökkentők a sűrített levegő kiengedéséhez Kenést nem igénylő pneumatikus alkatrészek Krómozott acél hengerfalak és dugattyú különösen nagy terheléshez és hosszú élettartamhoz Kettős löketű henger, kulcsos vezérléssel Szabályozható antirotációs egység Vízhűtéses transzformátor, hegesztő síklapok, elektródtartók és elektródok Epoxigyantával bevont transzformátor-tekercselés Hegesztőáram szabályozás fázisvezérléssel Hűtővíztől elszigetelt SCR általi szinkronvezérlés és védőatmoszférát Kettősfokozatú elektromos lábkapcsoló a munkadarab befogásához Kétkezes vezérlő időzítővel és kulcsos kapcsoló, a munkabiztonság érdekében Előkészítés második kétfokozatú lábkapcsoló csatlakoztatására, ez a második hegesztőprogram közvetlen behívására alkalmas Vészleállító-gomb [42] A berendezést egy TE550 típusú mikroprocesszoros hegesztővezérlő egység segítségével lehet használni. Ez rendelkezik egy memóriával, amelyben 250 program tárolható, ezek közül 31 kívülről közvetlenül behívható. Ezek a programok a munkaciklust leíró paraméterekből állnak. Az egyszerű négyütemű cikluson túl a vezérlő lehetővé teszi az előmelegítéssel, az után melegítéssel, az áramfelfutással, illetve lefutással, és az impulzussal történő hegesztést is. [42] A vezérlőegység fő jellemzői: Egyszerűsített programozás 6 billentyűvel és LCD kijelzővel Szinkronvezérlés vezérelt diódákkal Akár 25 programozható paraméter minden egyes programban Hegesztőáram középértékének és vezetési szög kijelzése

60 56 Hagyományos, állandó áramú és állandó energiájú üzemmód Kettős löket funkció Szakaszos és automatikus ciklus Opcionális soros kommunikáció Több választható nyelv [42] 32. ábra Hegesztőgép vezérlése Ahogy a szakirodalomban is említésre került, az alumínium hegesztésénél szükségünk van, egy úgynevezett utósajtoló erőre, ahogy az a 33. ábrán feltüntetett ciklusdiagramban is látható. Ennek érdekében a tanszéki hegesztőgépet ki kellett egészíteni egy erre alkalmas szeleppel, hogy biztosítani tudjuk a másodlagos erőt. 33. ábra Elektróderő állításának lehetősége

61 57 Ennek köszönhetően meghatározott idő után az alap elektróderő értéke megnövelhető egy kiválasztott értékkel. A 33. ábrán látható, hogy külön nyomásmérő órák jelzik az általunk beállított elektróderőket (bar, mint a nyomás mértékegységében kifejezve). Ennek biztosítására lenne egy alkalmasabb eszköz, méghozzá a proporcionális szelep, amely segítségével egyenletesebb mértékkel lehetne ráadni a nyomásfokozást, azonban ez sokkal költségesebb. A tanszéki hegesztőberendezés teljesítménye sajnálatos módon alul múlja az ajánlott értéket, ahogy korábban említésre került, a szakirodalomban 1mm-es lemezhez kb ka-es hegesztőáramot leadni képes gépet ajánlanak. Az esetek többségében a beállított 26 ka helyett csupán ka-t volt képes biztosítani a gép. Ebből a szempontból a legnagyobb lemezvastagság amit képesek vagyunk áthidalni ezzel a berendezéssel az 2,5mm (1+1,5 mm-es lemezek). Az elvégzett kísérletek során alkalmazott ciklusidők és elektróderők a következő ábrán láthatók. 34. ábra Alkalmazott ciklusdiagram

62 58 A ciklusdiagrammon feltüntettem minden alkalmazott hegesztési paramétert, amelyeket a próbakötések elkészítése során, tapasztalati úton határoztuk meg a szakirodalmi ajánlások alapján. Az ábrán Fe-vel és tfe-vel lett jelölve az alap elektróderő értéke és alkalmazásának időtartama, periódusban kifejezve. 3 periódust követően az említett szelepnek köszönhetően 2,7-ről 4,4 kn-ra emeltük az utánsajtolás erejének értékét további 2 periódusig. Ezt követően az áramerősséget lekapcsoltuk, miközben az utánsajtoló erőt további 1 periódusig fenntartottuk, hogy megfelelően kialakuljon a heglencse a hűlés során. A teljes hegesztés összesen 7 periódus alatt valósult meg minden elvégzett kísérlet során. Ezenkívül még fontos megemlíteni a kötések elkészítése során használt elektródok kialakítását is. Mindkét elektród alapvetően kúpos kialakítású, azonban a végük síkra van lemunkálva, ahogy a következő képen is látható: 35. ábra: Elektródok kialakítása Az ellenállás ponthegesztést mindhárom ötvözet esetében 1+1 mm vastagságú, átlapoltan elhelyezett lemezeken végeztük. Legelső lépésben próbahegesztéseket készítettünk, a megfelelő paraméterek beállítása érdekében, majd ezt követően minden kötéstípusból a szabványos 11 darabból álló próbatestsorozat elkészítése végett, általában darab kötést csináltunk a biztosabb eredmény érdekében.

63 ábra: Ellenállás ponthegesztés A 36. ábrán látható a kötés elkészítésének folyamata és megfigyelhető egy apró befogó szerkezet, amelynek köszönhetően nem kell egyesével tartani a darabokat és ezáltal pontosabban összeilleszthetők a lemezek. A hegesztés során ügyeltünk a darabok megtámasztására, ami szintén megtekinthető az előző ábrán. A kötések elkészítése során a megfelelő paraméterek beállítása mellett, ügyelni kellett az elektródok megfelelő hűtésére is, amelyet az üreges elektródbefogókon keresztül áramló víz segítségével valósítottunk meg.

64 60 4. KÍSÉRLETEK KIÉRTÉKELÉSE 4.1. Szakítóvizsgálat A hegesztést követően a darabokat szakítóvizsgálat alá vetettük, azonban minden típusból 1-1 darabot csiszolat készítésének céljából félretettem. A szakítást követően a hegesztési paramétereket, a szakítóerőt illetve a heglencse átmérőt minden elkészített kötés esetében feljegyeztem. Ezek a paraméterek a következők voltak: Áramerősség: I [ka] Hegesztési idő: t [per] Előszorítási erő: Fe [kn] Előszorítási idő: te [per] Utánsajtolási erő: Fny [kn] Utánsajtolási idő: tny [per] Szakítóerő: Fm [kn] 37. ábra Szakítóvizsgálat

65 61 A szakítóvizsgálatot követően minden egyes darab esetén jelöltük a tönkremenetel módját az egyéb kategóriában, ahol G, mint gombolódott, Ny, mint nyíródott és F, mint fröcskölt Cs, mint csiszolt jelöléseket alkalmaztunk. Ezt követően minden sorozat esetében kiszámoltuk az átlagos szakítóerőket: (12) ahol n: a darabok száma, tehát n=11 Fny: pedig az egyes kötések szakítószilárdsága Az átlagok segítségével meghatározhattuk minden esetben a szórást: (13) Ezt követően származtathattam a méretezési nyíró-szakító erőt az alábbi képlet segítségével: ahol, t (95%,10): Student tényező, amely értéke: t (95%,10) =2,23 Végül ezekből az adatokból meghatározhatóvá vált az egységnyi felületre vonatkoztatott szakítószilárdság pontos értéke az egyes sorozatok esetében az alábbi képlet segítségével: (14) (15) Ezeket az adatokat a következő táblázatokban rögzítettem:

66 Táblázat 5757-H22 ötvözet eredményei Kötés jele Anyag I [ka] t [per] 5754 [1 mm + 1 mm] Fe [kn] te [per] Fny [kn] tny [per] Heglencse átmérő [mm] Egyéb Fm [kn] M M M M M M M M M M M Átlag [kn] 2,28 Szórás 0,16 Fm [kn] 2,17 Rny,m [MPa] 116,21 Egy-két kiugró értéktől eltekintve, viszonylag egyenletes értékeket mutatott a szakítás során. Mivel a három közül ez rendelkezik a legkisebb szilárdsággal, így ezt fogom a későbbiekben az összehasonlítás alapjául venni.

67 Táblázat 6082-T6 ötvözet eredményei Kötés jele Anyag I [ka] t [per] 6082 T6 [1 mm + 1 mm] Fe [kn] te [per] Fny [kn] tny [per] Heglencse átmérő [mm] Egyéb Fm [kn] ,7 5 2,7 3 4,4 2 4,20 G+F 2, ,9 5 2,7 3 4,4 2 4,35 G 2, ,7 5 2,7 3 4,4 2 4,25 G 2, ,5 5 2,7 3 4,4 2 4,75 G+F 2, ,5 5 2,7 3 4,4 2 4,70 G+F 2, ,7 3 4,4 2 - Cs ,5 5 2,7 3 4,4 2 5,35 Ny+f 2, ,6 5 2,7 3 4,4 2 5,35 Ny+f 2, ,5 5 2,7 3 4,4 2 5,20 Ny+f 2, ,5 5 2,7 3 4,4 2 5,40 Ny+f 2, ,5 5 2,7 3 4,4 2 5,40 Ny+f 2, ,5 5 2,7 3 4,4 2 5,40 Ny+f 2, ,6 5 2,7 3 4,4 2 - Cs - Átlag [kn] 2,36 Szórás 0,13 Fm [kn] 2,27 Rny,m [MPa] 118,55 A kötések maximális terhelésének szórása, még az előző ötvözetétől is jobb lett, emellett nagyobb az átlagértékük is, amely nyilván kedvezőbb kötéseket is jelent, azonban a legtöbb esetben fröcskölést figyeltem meg az elszakított kötéseken, amely problémát okoz.

68 64 A következő próbatestsorozatnál minden darab esetén hántolás segítségével távolítottuk el az oxidréteget annak érdekében, hogy megvizsgáljuk a hegeszthetőség javításának lehetőségét. Kötés jele 18. Táblázat Hántolt felületű 6082-T6 ötvözet eredményei 6082, [1 mm + 1 mm], Hántolt felület Anyag I, [ka] t, [per] Fe, [kn] te, [per] Fny, [kn] tny, [per] Heglencse átmérő [mm] Egyéb Fm, [kn] H ,7 3 4, Ny+F 2.35 H ,7 3 4, Ny+F 2.35 H ,7 3 4, Ny 2.60 H ,7 3 4, Ny+F 2.55 H ,7 3 4, Ny+F 2.55 H ,7 3 4,4 2 - Cs - H ,7 3 4, Ny+F 2.25 H ,7 3 4, Ny+F 2.20 H ,7 3 4, Ny+F 2.25 H ,7 3 4, Ny+F 2.65 H ,7 3 4,4 2 - Cs - H ,7 3 4, Ny+F 2.65 H ,7 3 4, Ny+F 2.65 Átlag [kn] 2,46 Szórás 0,18 Fm [kn] 2,34 Rny,m [MPa] 91,05 Az átlag jól láthatóan növekedett, azonban a szórás és az egységnyi felületre vonatkoztatott szakítószilárdság kedvezőtlenebb értéket mutat az előző esethez képest. Ezenkívül megfigyelhető, hogy a szakítás során bekövetkező maximális terhelés arányosan növekedett a heglencse átmérőjének növekedésével, főként az előző eredményekhez hasonlítva az értékeket.

69 65 Ennél a kísérletsorozatnál az oxidréteg eltávolítása érdekében 2%-os Hidrogén- Fluoridos kezelést alkalmaztunk, amely során a meghatározott koncentrátumú oldatba 30 másodpercig hagytuk a darabokat közvetlenül a kötések elkészítését megelőzően. 19. Táblázat Hidrogén-Fluoriddal kezelt 6082-T6 ötvözet eredményei Kötés jele 6082, [1 mm + 1 mm], Hidrogén - Fluoriddal kezelt felület Anyag I, [ka] t, [per] Fe, [kn] te, [per] Fny, [kn] tny, [per] Heglencse átmérő [mm] Egyéb Fm, [kn] F ,7 3 4, Ny 2.50 F ,7 3 4, Ny+F 2.60 F ,7 3 4, Ny+F 2.70 F ,7 3 4, Ny+F 2.50 F ,7 3 4,4 2 - Cs - F ,7 3 4, Ny+F 2.65 F ,7 3 4, Ny 2.10 F ,7 3 4, Ny+F 2.15 F ,7 3 4, Ny+F 2.45 F ,7 3 4, Ny+F 2.75 F ,7 3 4,4 2 - Cs - F ,7 3 4, Ny+F 2.30 F ,7 3 4, Ny+F 2.55 Átlag 6 [kn] 2,48 Szórás 0,21 Fm [kn] 2,33 Rny,m [MPa] 107,8 A felületkezelés hatására növekedett az átlagos terhelés értéke, ezenfelül a felületegységre vonatkoztatott szakítószilárdság a három eset közül itt a legnagyobb, azonban a szórás mértéke enyhén emelkedett és itt is szinte minden kötés fröcskölt.

70 Táblázat 7075 ötvözet eredményei Kötés jele Anyag I [ka] t [per] 7075 [1 mm + 1 mm] Fe [kn] te [per] Fny [kn] tny [per] Heglencse átmérő [mm] Egyéb Fm [kn] ,9 5 2,7 3 4,4 2 5,75 Ny+F 2, ,7 3 4,4 2 5,15 Ny+F 2, ,1 5 2,7 3 4,4 2 4,60 Ny+F 2, ,7 3 4,4 2 5,30 Ny+F 3, ,7 3 4,4 2 5,50 Ny+F 2, ,7 3 4,4 2 4,65 Ny+F 2, ,7 3 4,4 2 5,35 Ny+F 2, ,1 5 2,7 3 4,4 2 5,30 Ny+F 2, ,7 3 4,4 2 4,40 G 2, ,1 5 2,7 3 4,4 2 5,90 Ny 2, ,7 3 4,4 2 5,55 Ny 2, ,1 5 2,7 3 4,4 2 - Cs - Átlag [kn] 2,81 Szórás 0,26 Fm [kn] 2,64 Rny,m [MPa] 118,03 Az átlagos terhelésérték egyértelműen ebben az esetben volt a legnagyobb, azonban a szakítószilárdság közel azonos a 6082-T6-os kötésekével, illetve a szórás mértéke jelentős. Ez annak tudható be, hogy mivel nem állt rendelkezésünkre megfelelő vastagságú lemez, ezért 1,5 mm-es lemezből lett lemunkálva a kellő vastagságra. Természetesen ennek okán a felületek jóval rosszabb minőségűek voltak, azonban a terhelések értékéből is látszik, hogy ezek lettek a legerősebb kötések.

71 67 Az összehasonlíthatóság érdekében a 8. táblázatban összefoglalva látható az adott kötésekkel elért átalagos értékek H22 s=1 mm 6082-T6 s=1 mm 7075 s=1 mm 21. Táblázat Eredmények összefoglalása 5754-H T s=1 mm s=1 mm s=1 mm 0,16 szórás 2,17 Fm [kn] 116,21 Rny,m [MPa] 0,13 szórás 2,27 Fm [kn] 118,55 Rny,m [MPa] 0,26 szórás 2,81 Fm [kn] 118,03 Rny,m [MPa] A táblázatban jól átlátható az előre sejtett eredmények bekövetkezése, miszerint a legnagyobb szilárdságú kötés biztosítására a 7075 típusú ötvözet a legalkalmasabb, az imént említett probléma okán keletkezett kisebb szakítószilárdság és nagyobb szórás ellenére is, hiszen alapállapotában is ez rendelkezik a legnagyobb szilárdsági tulajdonságokkal. Emellett jól látható az 5754 és 6082 ötvözet közötti különbség is Keménységmérés Ahogy korábban is említettem, a kötéssorozatokból mindig félretettem egy-egy darabot a későbbi csiszolat és keménységmérés elkészítésének céljából. A jobb felület érdekében, a próbatestek maratásához Kroll reagens marószert alkalmaztunk. Ez 92ml desztillált víz, 6ml salétromsav és 2ml Hidrogén-fluorid elegye. A keménységlenyomatok átlósan lettek elhelyezve 0,2 illetve 0,5 mm-es lépésközt használva, az egyik oldali alapanyagtól a másikig, az átfogóbb eredmények érdekében, ahogy az a következő ábrán is látható:

72 ábra Átlósan elvégzett keménységmérés (6082-T6) A keménységmérés elvégzését követően a keménységlenyomatok heglencse középpontjától való távolsága és HV 0.2 keménységértük alapján elkészítettem a varrat keménységeloszlásának diagramjait T6 ötvözet keménységeloszlása 39. ábra Keménységeloszlás 0,2 mm-es lépésközzel(6082-t6) A 39. ábrán az 1+1mm vastagságú 6082-T6 alumínium ötvözetből készített ellenállás pontkötés keménységeloszlása látható 3 különböző állapotban végzett keménységmérések alapján. A zöld és szürke színnel jelölt 12-es és 13-as számú

73 69 próbadarabok esetében alapállapotú fémmel dolgoztunk. Jól szemlélteti az ábra a nagymértékű keménységcsökkenést a hőhatásövezetben, illetve a heglencsében. Ez a keménységcsökkenés főként a heglencsében összpontosult, amely a kiválások teljes feloldódása miatt következett be, ahogy azt a korábban említett szakirodalmi kísérletek során megállapítottak. A másik két darab esetében az alapanyagétól eltérő tulajdonságokat biztosító hőkezeléseket alkalmaztunk. A 14-es darab lágyított, amely esetében egy T=525 ᵒC-os, t=0,5 órás hőn tartással végzett oldó izzítás lett elvégezve, amelyet egy vízhűtés követett. Ezen hőkezelést a 12-es ábra mutatja be. Látható, hogy a heglencsénél ebben az esetben is jelentős a kilágyulás, azonban a hőhatásövezetnél enyhe mértékű javulás érzékelhető, viszont az átlagkeménység jóval alacsonyabb. 40. ábra Hőkezelés 1 A Fi_17-es jelzésű próbatestet visszakeményítettük, vagyis a hő egy T=190 ᵒC-on t=8 órás hőn tartással egy mesterséges öregítés lett elvégezve. Ezen hőkezelés a következő (12.) ábrán látható. Jól látható, hogy a hőhatásövezetnél és az alapfémnél felkeményedés tapasztalható, azonban a heglencse esetében számottevő a kilágyulás, akárcsak a többi esetben is.

74 ábra: Hőkezelés 2 Ebből adódóan sok lehetőség rejlik a hőkezelések általi szilárdságnövelésben, ahogy azt a szakirodalomban is jelezték, azonban ezek a hőkezelések egy külön témát ölelnek fel és rendkívül hosszadalmas lenne a kivitelezése H22 ötvözet keménységeloszlása A jobb összehasonlíthatóság érdekében a két ötvözet keménységeloszlását egy diagramon helyeztem el, amely a következő ábrán látható: 42. ábra 5754-H22 és 6082-T6 ötvözet keménységeloszlásának összehasonlítása Jól látható, hogy a 0 és 0,8 mm közötti távolság kivételével az 5754 ötvözet keménységeloszlása viszonylag egyenletes a 6082 T6-hoz képest, ahogy arról korábban a szakirodalmi kísérleteknél is beszámoltak (24. ábra).

75 ötvözet keménységeloszlása Mivel ennél az ötvözetnél a keménységlenyomatok lépésköze 0,2 mm helyett 0,5 mm volt, így ennek a keménységeloszlását külön diagrammon szemléltetem. 43. ábra 7075 ötvözet keménységeloszlása Jól látható, hogy az átlagkeménység ennél az ötvözetnél a legmagasabb, azonban a 6082-T6-hoz hasonlóan itt is rendkívüli mértékben kilágyult a heglencse, sőt a középpontjában majdnem a harmadára zuhant a keménységérték. Sajnos ez az ötvözet ebből adódóan is nehezen hegeszthető, azonban érdemes lenne néhány hegesztés utáni hőkezelést elvégezni a kötésszilárdság javítása érdekében. 22. Táblázat Átlagos keménységértékek összehasonlítása Kötések átlagos keménységértéke HV 0, H T ,14 76,49 127, Makro- és mikroszerkezet Az ötvözetek mikroszkóppal készített makrofotóinak összehasonlítása a következő ábrán látható:

76 ábra Csiszolatok makrofelvételei A heglencse láthatóan nem szimmetrikus, amely valószínűleg azért lehet, mert a két elektród alakja nem egyezik meg pontosan az elektród degradáció következtében. A képeken jól láthatók az ellenállás pontkötések teljesen elkülönülő részei: az alapanyag, a hőhatásövezet és a heglencse. A makrofelvételek megfigyelésével látható, hogy a heglencse beolvadási mélysége megfelelő volt, ezenkívül megfigyelhető az is, hogy az 5754-es ötvözet esetében keletkezik a legszélesebb hőhatásövezet. Mikroszerkezet A mikrofelvételeken még inkább megfigyelhető, a három szerkezet elkülönülése, ahogy a következő 100-szoros nagyításban elkészített mikroszkópi felvételen is megfigyelhető: 45. ábra 5745-H22 mikroszerkezet Az 5754-H22 ötvözet ellenállás ponthegesztéssel készített kötése esetében, számos apró repedés megfigyelhető. A fénykép bal oldalán látható egy likvációs repedés,

77 73 amely a hőhatásövezetből indul ki, míg a heglencse közepén feltehetően kristályos repedés figyelhető meg. A 200-szoros nagyítás esetén jól megfigyelhető, hogy a heglencse is kétféle szerkezetből épül fel, ahogy a szakirodalomban is említették, azaz jelen van a globulitos és az oszlopos szemcseszerkezet is. 46. ábra 5057 mikroszerketet, 200X nagyítás A másik két ötvözet esetében is hasonlóak voltak a megfigyelések, csak az egyes szövet- és szemcseszerkezetek tartományának méretei voltak eltérők, de az összetételük nem változott. 47. ábra 6082-T6 mikroszerkezete 100X nagyításban 4.4. Erő és tönkremeneteli módok A ponthegesztések során a heglencse átmérője, illetve az ezzel összefüggésben álló tönkremeneteli mód (kigombolódás, részleges nyíródás, nyíródás) meghatározza a kötés minőségét is. A kigombolódásos tönkremenetel sokkal jobb tulajdonságokat garantál, így célunk annak biztosítása.

78 ábra: Kigombolódás A szakirodalomban talált 11-es egyenlet alapján kiszámítottam az egyes kötések esetén a kritikus heglencseátmérőt, amelyet a megfelelő minőségű kötések készítése érdekében szükséges elérni. (11) A 6082-T6-os alumíniumötvözetből készített pontkötések keménységmérései alapján a kritikus átmérő az egyenlet szerint: Az egyenlet alapján ezen kritikus átmérő felett csak kigombolódás fordul elő. A 17. táblázat eredményeiben látható, hogy az összes heglencseátmérő ezen érték alatt volt, ezáltal nyíródott és gombolódott kötés is előfordult, de a nyíródás volt a gyakoribb. Ugyanezen egyenlet az 5754-es ötvözet esetére: