Járműiparban alkalmazott alumínium lemezkombinációk ellenállás ponthegesztése

Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Gépészmérnök Szak Anyagtechnológia szakirány Járműiparban alkalmazott alumínium lemezkombinációk ellenállás ponthegesztése Lippai Ádám I11KYO 3780, Edelény Katona József út 39. 2017 Miskolci Egyetem

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés 1 2. Járműiparban alkalmazott alumínium ötvözetek 2 2.1. Az alumíniumról általánosságban 2 2.2. Az alumínium ötvözői és csoportosításuk 3 2.3. Az alumínium ötvözetek csoportosítása az egyensúlyi diagram alapján 4 2.4. Az alumínium ötvözetek jelölésrendszere 6 2.4.1. Alakítható ötvözetek jelölése 6 2.4.2. Öntészeti ötvözetek jelölése 7 2.4.3. Alumínium ötvözetek kezeltségi állapotának jelölése 8 2.5. Alumínium ötvözetek az autóiparban 11 2.5.1. A leggyakrabban alkalmazott ötvözettípusok tulajdonságai 13 3. Alumínium ötvözetek hegeszthetősége 16 3.1. Az alumíniumok hegeszthetőségét befolyásoló tényezők 16 3.1.1. A felületi oxidréteg 16 3.1.2. Hegesztendő munkadarabok előkészítése 17 3.1.3. A varrat gázporozitása 18 3.1.4. Az ötvözőelemek kiégése 19 3.1.5. Repedésérzékenység 19 3.1.6. Hidegkötés és végkráter repedés 20 3.2. Alakítható ötvözetek hegesztése 20 3.3. Öntészeti ötvözetek hegesztése 21 3.4. Hegesztendő munkadarabok előkészítése 22 3.5. Alumínium ötvözetek ellenállás ponthegesztése 23 3.5.1. Hegesztő berendezés 24 3.5.2. Hegeszthetőségi problémák 26 3.5.3. A hegesztési paraméterek hatása 6082-T6 ötvözetből készült átlapolt lemezkötésekre 29 3.5.4. Kombinált kötéskialakítások 35 4. Kísérletek kivitelezése 39 4.1. Ellenállás-ponthegesztő berendezés 39 4.2. A kísérlet során használt alapanyagok és a kötéskialakítás 42 4.3. Hegesztési paraméterek 43 5. Kísérletek kiértékelése 45 5.1. Nyíró-szakító vizsgálat 45 5.1.1. Méretezési nyíróerő (Fm) kiszámítása 46 5.1.2. Szaktószilárdság (Rm) meghatározása 48 5.2. Roncsolásmentes vizsgálatok 50 5.3. Technológiai paraméterek vizsgálata 52 6. Összegzés 54 7. Summary 55 8. Köszönetnyilvánítás 56 9. Irodalomjegyzék 57

- 1-1. BEVEZETÉS Napjainkban a járműiparban környezetvédelmi és konstrukciós szempontból is egyaránt fontos, hogy a gyártott autók össztömegét csökkentsük. A könnyebb karosszéria nem csupán a fogyasztásra gyakorol pozitív hatást melynek köszönhetően csökken a kibocsátott káros anyagok mennyisége -, de a tömegtől függő alkatrészek méretezését is megkönnyíti (kisebb motor alkalmazható, csökken a hajtáslánc elemeinek mérete stb.), továbbá javul a vezethetőség is. Az autóiparban jelenleg a sajáttömeg csökkentés legeredményesebb módja az acél mellet alumínium és polimer alkatrészek, karosszériaelemek alkalmazása. (A dolgozatom keretein belül a polimerek alkalmazására nem térek ki.) Középkategóriás autókban manapság már kb. 140 kg alumíniumot használnak fel, a csúcskategóriás járművekben - köszönhetően a 100%- ban alumíniumból készült karosszériának- ez a szám az 500 kg értéket is elérheti [1][2]. Az alumínium alkalmazásának további előnyei a kis sűrűsége mellett, hogy gazdaságosan, a gyártáshoz képest jóval kisebb energia befektetéssel, közel 100 %-ban újrahasznosítható, továbbá kiváló a hő- és villamos vezetőképessége, jól alakítható, ötvözés segítségével pedig az acélt megközelítő szilárdsági tulajdonságok érhetők el. A pozitív tulajdonságai mellett negatívuma azonban, hogy az acélnál jóval drágább a gyártása, hegesztése során pedig a legtöbb esetben gondot okoz a felületen képződő magas olvadáspontú oxidréteg, valamint a hőhatásövezet kilágyulása. A szakdolgozat további részében bemutatom az autóiparban leggyakrabban alkalmazott növelt szilárdságú alumínium ötvözeteket, valamint ezen anyagok hegeszthetőségét fogom vizsgálni, kitérve a kombinált lemezvastagságú illetve kombinált anyagminőségű kötéskialakításokra is. A hegesztőeljárások közül az ellenállás ponthegesztést fogom alaposabban vizsgálni, hiszen gyorsasága és automatizálhatósága miatt ez az autóiparban legelterjedtebben használt eljárás [1][2].

- 2-2. A JÁRMŰIPARBAN ALKALMAZOTT ALUMÍNIUM ÖTVÖZETEK 2.1. Az alumíniumról általánosságban A kialakítható egyedi tulajdonságkombinációknak köszönhetően az alumínium és ötvözetei a legváltozatosabban felhasználható fémek közé sorolhatók. Az alumínium sokoldalúságának köszönhetően lágy, képlékeny csomagolófólia és nagy szilárdságú szerkezetek alapanyagaként egyaránt használható. Néhány ötvözet kis sűrűsége és a hozzá társuló nagy szilárdsága lehetővé teszi könnyű, mégis erős szerkezetek előállítását, ami kifejezetten előnyös bármely mozgó konstrukciónál, az űrhajóknál és a repülőgépeknél ugyan úgy, mint a földi járműveknél [1]. Az alumínium ötvözetlen állapotban egy kis szilárdságú, alacsony (kb. 660 C) olvadáspontú, a legnagyobb mennyiségben felhasznált könnyűfém. Sűrűsége kicsi, 2,7 kg/dm 3, továbbá kiváló hő- és elektromos vezetőképesség jellemzi. A felületén kialakuló stabil, magas olvadáspontú (kb. 2050 C) Al2O3 oxidrétegnek köszönhetően kiválóan ellenáll a korróziónak. Ez a felületi oxidréteg szabad levegőn nagyon hamar kialakul, azonban az acél felületén oxidáció hatására megjelenő rozsdával ellentétben nem válik el az alapanyagtól, megakadályozva ezzel az újabb tiszta alumínium felület kialakulását és tovább oxidálódását. Az oxidréteg a villamos vezetőképességet nem befolyásolja, de hegesztés során a legtöbb esetben problémát jelent. A korrózióálló képességét egyes ötvözők, például a réz, nagy mértékben rontják. Az alumínium ellentétben a többi könnyűfém hexagonális tömött rácsszerkezetével lapközepes köbös rácsszerkezetben kristályosodik, ennek köszönhetően ötvözetlen állapotban nagyon jól alakítható, de ekkor a szilárdsági jellemzői (folyáshatár, szakítószilárdság, keménység) a lágyacélra jellemző értékek nagyjából negyedét érik el [2]. Ötvözetlen alumíniumnak tekintjük azt a fémet, mely legalább 99,5% alumíniumot tartalmaz. A legnagyobb tisztaságú ipari alumínium az úgynevezett négy kilences alumínium, melyet 99,99 % alumínium tartalom jellemez. Nagy tisztasága miatt a

- 3 - legjobb elektromos vezetőképességgel rendelkezik, előállítása azonban igen drága, szilárdsága pedig nagyon kicsi (Rm=50-70 MPa), ezért a karosszéria gyártás során nem, sokkal inkább elektronikai célokra alkalmazzák. Ahhoz, hogy az autóiparban, azon belül is a karosszéria gyártásban az alumíniumot effektíven alkalmazni tudjuk, és felvehesse a versenyt az acél ötvözetekkel, a szilárdságának jelentős növelésére van szükség, amelyet az alábbi módokon érhetünk el [3]: ötvözéssel képlékenyalakítással hőkezeléssel (nemesítéssel) részecske-, illetve szálerősítéssel illetve az előbbi eljárások kombinációjával 2.2. Az alumínium ötvözői és csoportosításuk A Cd, Bi, Si, és Zn elemeken kívül, az ötvözőivel az alumínium fémes vegyületet alkot, amely lehetővé teszi hőkezelés segítségével a kiválásos keményítést, így növelve az ötvözetek szilárdságát és keménységét. Az ötvöző elemek egymással is képezhetnek vegyületet [3]. Az ötvözettől elvárt tulajdonságok alapján egyes ötvözők szennyezők is lehetnek. Például a réz a legnagyobb szilárdságú, háromalkotós Al-Cu-Mg ötvözetek legfőbb eleme, ugyanakkor a korrózióálló Al-Mg ötvözetek elsőszámú szennyezője. A vas általános esetben szennyezőnek számít, és jelenléte az ötvözetben általában maximum 0,7%-ban engedhető meg. A gyártás során elnyelt hidrogén, valamint az alumíniumoxidban kötött oxigén kivétel nélkül szennyezőnek számítanak [2].

- 4 - Az alumínium legfőbb ötvözőelemeit csoportosíthatjuk a legjellemzőbb tulajdonságjavító hatásuk alapján [3]: Szilárdságnövelők: Mg, Cu, Si, Zn Korrózióállóság javítók: Mn, Sb Szemcsefinomítók: Ti, Cr Melegszilárdság növelő: Ni Forgácsolhatóság javító: Co, Fe, Bi Önthetőség javítók: Si, Cu, Mg Az 1. ábrán a szilárdságnövelő alumínium ötvözők hatása látható az ötvözőtartalom függvényében. 1. ábra Szilárdságnövelő hatás az ötvözőtartalom függvényében [3] 2.3. Az alumínium ötvözetek csoportosítása az egyensúlyi diagram alapján Az alumínium a legtöbb ötvözőjével köztük a rézzel, a mangánnal és a szilíciummal is, melyek a szilárdság szempontjából fontosak az 2. ábrán látható

- 5 - eutektikus ötvözőrendszert alkot. Az egyensúlyi diagramon látható, hogy a D és G pontok között a hőmérséklet csökkenésével az α-szilárd oldat egyre kevesebb ötvözőt képes oldatban tartani. Ez a jelenség ad lehetőséget a legtöbb alumínium ötvözet nemesítésére, kiválásos keményítésére. Szobahőmérsékleten tehát a legtöbb alumínium ötvözet egy lágy α-szilárd oldatból és egy abba ágyazott kemény fémes vegyületből áll [2]. A kétalkotós egyensúlyi diagram szerint az ötvözeteket három csoportra oszthatjuk. A római I-gyel, illetve II-vel jelölt tartományokba tartozó ötvözetek nagyrészt szilárd oldatot tartalmaznak. Ez a két csoport alkotja az alakítható alumínium ötvözeteket. Az I-es tartomány ötvözetei szobahőmérsékleten is 100 % α-szilárd oldatot tartalmaznak, a II-es tartományba tartozó ötvözetekben azonban szobahőmérsékleten megjelenik a fémes vegyület. A hőmérséklet csökkenésével együtt csökkenő oldóképesség teszi lehetővé az ötvözetek nemesítését, így a II-es csoport tagjait alakítható, nemesíthető ötvözeteknek nevezzük. Az I-es csoportba tartozó ötvözetek nem-nemesíthetők. A IIIas jelű csoportba tartozó ötvözetek szobahőmérsékleten egyáltalán nem tartalmaznak lágy α-szilárd oldatot, így nem is alakíthatók. Ezt a csoportot öntészeti alumínium ötvözeteknek nevezzük [2]. 2. ábra Az alumínium ötvözetek jellegzetes egyensúlyi diagramja [2]

- 6-3. ábra A legjellemzőbb alumínium ötvözetek [1] A 3. ábrán láthatók a legfőbb alumínium ötvözetek és azok besorolása az előbb említett nemesíthető, öntészeti, illetve alakítható csoportokba. 2.4. Az alumínium ötvözetek jelölésrendszere Az iparban leggyakrabban használt jelölésrendszer szerint a 2.3-as fejezetben megkülönböztetett alakítható, illetve öntészeti ötvözetek jelölése különböző, továbbá egy adott ötvözet hőkezeltségi és gyártási állapotát is jelöljük. 2.4.1. Alakítható ötvözetek jelölése Az alakítható ötvözetek számjele egy négy jegyű szám (Pl.: 7075), amelyből az első szám azt jelöli, hogy az adott ötvözet melyik ötvözetcsoportba tartozik. Az alakítható ötvözetek főcsoportjait az 1. táblázat tartalmazza [1]. A második szám (A 7075-ös ötvözet esetén a 0), azt mutatja meg hogy az ötvözet eltér-e a főcsoporttól. Amennyiben a második szám 0, nincs eltérés, ha pedig nem 0, akkor egy módosított ötvözetről beszélünk.

- 7 - Az utolsó két számjegy egy adott főcsoporton belüli azonosításra szolgál. Kivételt képez azonban az 1xxx jelű főcsoport. Itt az utolsó két számjegy a 99 % feletti minimális alumíniumtartalom megadására szolgál. 1. táblázat Alakítható ötvözetek csoportosítása [1] Főcsoport 1xxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 6xxx 7xxx 8xxx 9xxx Fő ötvöző elem Ötvözetlen, min. 99,00% Alumínium Réz Mangán Szilícium Magnézium Magnézium és Szilícium Cink Lítium Egyéb 2.4.2. Öntészeti ötvözetek jelölése Az öntészeti ötvözetek jelölése az alakítható ötvözetekéhez hasonló. Ezeket az ötvözeteket egy három jegyű számmal és egy tizedes értékkel jelöljük az alábbi formában: xxx.x. Az öntészeti ötvözetek főcsoportjait a 2. táblázat tartalmazza [1]. Az első számjegy itt is a főcsoportot jelöli, a második kettő pedig a főcsoporton belüli azonosítást szolgálják. Az utolsó szám az ötvözet gyártási állapotára utal. Ha 0, akkor öntött, ha 1 vagy 2 akkor az ötvözet rúdöntvény [1].

- 8-2. táblázat Öntészeti ötvözetek csoportosítása [1] Főcsoport 1xx.x 2xx.x 3xx.x 4xx.x 5xx.x Fő ötvöző elem Ötvözetlen, min. 99,00% Alumínium Réz Szilícium és Réz vagy Magnézium Szilícium Magnézium 6xx.x - 7xx.x 8xx.x 9xx.x Cink Ón Egyéb 2.4.3. Alumínium ötvözetek kezeltségi állapotának jelölése A különböző alumínium ötvözetek a végleges szilárdsági állapotukat, mechanikai tulajdonságaikat és egyéb jellemzőiket (például korrózióállóság) a nyersanyaggyártást követő képlékeny alakítással vagy hőkezeléssel együtt érik el. Az alumínium ötvözetek jeléhez általában kötőjellel kapcsolódik egy kiegészítő jel. Ez a jel egy betűből és egy számból áll. A betű jelöli az ötvözeten végrehajtott kezelés típusát, a szám pedig a kezelés folyamatáról ad további információkat. Ezen kiegészítő jel célja nem az eljárások pontos leírása (például a hőkezelés pontos hőmérséklete, és hőntartási ideje, vagy a képlékeny alakítás mértéke), sokkal inkább az ötvözeten végrehajtott utólagos kezelések típusának és sorrendjének az ismertetése. Az ötvözetek jelében F, O, H, W illetve T betűk szerepelhetnek, melyek jelentései az alábbiak [4]: F: Gyártási állapotú ötvözetek. Öntészeti és alakítható ötvözetek esetén egyaránt alkalmazható a jelölés. Ezen ötvözetek gyártása során a hőmérsékleti értékekre, és az alakítás mértékére nincs kifejezett előírás. O: Lágyított ötvözetek. Olyan alakítható, vagy öntészeti ötvözetek, melyek gyártása során lágyítást alkalmaztak, ennek eredményeként a gyártási folyamat végén kisebb a maradó feszültség, mint lágyítás nélkül.

- 9 - H: Alakítással keményített ötvözetek. Végső szilárdságukat képlékeny alakítással érik el, egyes esetekben kiegészítő hőkezelésen is átesnek. W: Homogenizáló izzítással kezelt ötvözetek. Csak természetesen öregíthető ötvözetek esetén alkalmazzák, nem végleges kezelés. Az izzítás után a legtöbb esetben kiegészítő hőkezelés vagy alakítás szükséges a végső mechanikai tulajdonságok eléréséhez. T: Termikusan kezelt ötvözetek. Az alumínium ötvözetek esetében leggyakrabban alkalmazott jelölés, mivel a kiegészítő számokkal magában foglalja az ötvözeten végrehajtott alakításokat és hőkezeléseket egyaránt. Az F, O és W jelöléseket általában számkód nélkül alkalmazzák, mivel gyakran ezekben az állapotokban az ötvözetek még félkészek, további kezelésre szorulnak. A H illetve T jelölések után mindig áll egy számkód, mely az ötvözeten végrehajtott kezelések részletezésére szolgál. Ezen számkódok jelentését a 3. és 4. táblázatok tartalmazzák. Alakítással szilárdított ötvözetek esetén a H után mindig két számjegy áll. Az első jelzi az alapvető kezelést, a második az alakítás mértékét mutatja. A különböző számok jelentéseit a 3. táblázat foglalja össze. 3. táblázat Alakítással keményített ötvözetek jelölései [4] Az alapvető kezelés típusa: H1x Csak alakítással szilárdítva H2x Alakítással szilárdítva és részleges újrakristályosító izzítással lágyítva H3x Alakítással szilárdítva és termikus kezeléssel stabilizálva H4x Alakítással szilárdítva és lakkozva vagy festve Az alakítás foka: Hx2 Negyed kemény Hx4 Félkemény Hx6 Háromnegyed kemény Hx8 Teljesen kemény Hx9 Extra kemény

- 10 - Az alumínium ötvözetek legáltalánosabb és leggyakoribb hőkezelése a kiválásos keményítés, amely egy homogenizáló izzításból, majd azt követő gyors hűtésből, végül pedig egy természetes vagy mesterséges öregítésből áll. A megfelelő tulajdonság elérése érdekében a kiválásos keményítés lépéseit képlékenyalakítással kombinálva különböző sorrendben végzik el. Ezen különböző folyamatok megkülönböztetésére szolgál a termikusan kezelt ötvözetek jelölése esetén a T után álló első szám. Ezt a számot további 4 követheti, melyek az ötvözet szilárdsági állapotára és az esetleges egyéb kezelésekre vonatkoznak. A 4. táblázatban megtalálható a hőkezelési ciklusokat jelölő számok, és azok jelentései. 4. táblázat Termikusan kezelt ötvözetek jelölései [4] T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 Melegalakítást követő hűtés után természetesen öregített ötvözetek Melegalakítást követő hűtés után hidegen alakított, majd természetesen öregített ötvözetek Homogenizáló hőkezelés és melegalaktás után hidegen alakított, majd természetesen öregített ötvözetek Homogenizáló hőkezelés után természetesen öregített ötvözetek Melegalakítást követő hűtés után mesterségesen öregített ötvözetek Homogenizáló hőkezelést követő gyors hűtés után kiválásosan keményített ötvözetek (csúcsra öregítés) Homogenizáló hőkezelést követő gyors hűtés után stabil állapotba kiválásosan keményített ötvözetek (túlöregítés) Homogenizáló hőkezelés, majd hidegalakítás után mesterségesen öregített ötvözetek Homogenizáló hőkezelés után mesterségesen öregített, majd hidegen alakított ötvözetek Melegalakítást követő hűtés után hidegen alakított, majd mesterségesen öregített ötvözetek

- 11-2.5. Alumínium ötvözetek az autóiparban Az alumínium lényegében a tömeggyártásának megkezdése óta jelen van az autóiparban. 1899-ben bemutatták az első alumínium karosszériájú versenyautót, majd 1901-ben Karl Benz megalkotta az első alumínium ötvözetből készült motort. Ezt követően egyre több autógyártó cég fejlesztette tovább az alumínium motor koncepcióját és alkalmazták tömeggyártott valamint versenyekre szánt modellekben egyaránt. Az 1970-es olaj válság után a mérnökök törekedni kezdtek az acél karosszériaelemek alumíniummal való helyettesítésére az össztömeg jelentős lecsökkentése érdekében. Ez a tendencia napjainkban sem változott. A teljes mértékben alumíniumból gyártott karosszériák egyelőre csak prémium kategóriás járművekben találhatóak meg. Az első tömeggyártott alumínium karosszériás autót az Audi mutatta be 1994-ben az A8-as típus formájában. Ezt követően a Mercedes, a Porsche, a Land Rover és a Jaguar is megkezdte az alumínium karosszériás csúcstermékek gyártását [5]. Egy újabb mérföldkő következett be az autógyártás történelmében 2014-ben, amikor a Ford piacra dobta leghíresebb pickup-jának legújabb változatát, amelyben szintén megjelent a teljes mértékben alumíniumból gyártott karosszéria. A Ford 150-esben alkalmazott alumínium karosszéria 315 kg-mal lett könnyebb, mint acél szerkezetű elődje, mind emellett jóval kevesebb a CO2 kibocsátása, valamint sokkal jobb vezethetőség jellemzi [5]. Az alumínium autóipari alkalmazásának további előnye az alacsony sűrűségén kívül, hogy nagyon jó az energia elnyelő képessége. A külső például ütközés során fellépő hatásokat az acélnál kétszer hatékonyabban nyeli el, éppen ezért alumíniumból készült energia elnyelő elemeket már régóta használnak az autóiparban. A Tesla elektromos autókban például háromrészes ütközésvédelmi rendszer található. Az első szint egy alumíniumból készült ütéselnyelő rúd, mely kialakításának köszönhetően az ütközési energia elnyelése mellett az autó elé kerülő tárgyat eltolni törekszik az útból. A második szint egy titánból készült lemez, mely védi az autó elejében elhelyezkedő legsebezhetőbb elemeket. Végül a harmadik szint egy bordázott felületű alumínium

- 12 - lemez, mely szintén energia elnyelő, és kialakításának köszönhetően segíti az autó mozdíthatatlan akadályok feletti átsiklását ütközés során [5]. A szerkezeti előnyein kívül egyre több autógyártó cég igyekszik az alumínium újrahasznosíthatóságát is kihasználni. Törekednek az alumínium alkatrészeket újrahasznosított alapanyagból legyártani, melyet elöregedett, roncs autókból nyernének ki [5]. Az alumínium ötvözetek kutatása és alkalmazása az autóiparban hosszú idő óta zajlik, mely során lényegében az összes lehetséges alumíniumötvözetet kipróbálták, és körvonalazódott, mely ötvözőelemek alkalmazása a legmegfelelőbb [6]. A járművekben megtalálható alumínium ötvözetek jelentős része alakítható ötvözet, melyet a karosszéria előállítása során alkalmaznak. Jóval kisebb mennyiségben, de jelen vannak öntészeti ötvözetek is, például a dugattyúkban. Az öntészeti ötvözetek között, külön csoportba soroljuk a dugattyú-ötvözeteket (Jelölésük: Dö.), melyek közül Európában a legelterjedtebbek a szilumin bázisú ötvözetek, ezek közül is az eutektikus Dö. Al-Si ötvözet. A Dö. Al-Si ötvözet 12 % szilícium tartalma mellett 1 % rezet, 1 % nikkelt és 1 % magnéziumot is tartalmaz [2]. A 4. ábrán látható a fő ötvözetcsoportok jellemző szilárdsága. A karosszériák által megkövetelt nagy szilárdság miatt az iparban leggyakrabban a 2xxx, 5xxx, 6xxx illetve 7xxx csoportokba tartozó ötvözeteket használják fel. Egy adott autó gyártásához felhasznált különböző ötvözetek száma a gyártás volumenétől függ. Kissorozatban gyártott jármű esetén törekednek minden egyes elemhez a lehető legmegfelelőbb ötvözet használni, ezzel ellentétben tömeggyártás esetén a gyártási folyamat egyszerűsítése és a költségek minimalizálása érdekében, a különböző ötvözetek számának minimalizálása a cél [6].

- 13-4. ábra Az ötvözetcsoportok jellemző szilárdsága [3] 2.5.1. A leggyakrabban alkalmazott ötvözettípusok tulajdonságai 2xxx főcsoport tulajdonságai: Ezen ötvözetek elsőszámú ötvözője a réz, de gyakran második elemként magnéziumot is tartalmaznak. Nagy szilárdságúak, hőkezelhetők, kiválásosan keményíthetők. Nemesített állapotban szilárdságuk meghaladja az ötvözetlen acélokét, azonban a hőkezelés hatására a nyúlásuk csökken. A réz miatt a korrózió állóságuk nem olyan jó, mint a többi alumínium ötvözeté, továbbá egyes esetekben szemcsehatár menti korrózióra is hajlamosak lehetnek. A korróziós problémák miatt lemez formában a 2xxx jelű ötvözeteket általában ötvözetlen alumíniummal vagy magnézium és szilícium ötvözésű 6xxx jelű alumíniummal borítják mindkét oldaláról, esetleg 1% cinkkel ötvözik a felületét a korrózió állóság javítása érdekében [1][6]. 5xxx főcsoport tulajdonságai: A fő ötvöző a magnézium, melyet önállóan vagy mangánnal együtt alkalmazva, az eredmény nagy szilárdságú, nem nemesíthető, alakítással keményíthető ötvözet. A Mg sokkal hatásosabb szilárdság növelő ötvöző, mint a mangán. Kb. 0,8% Mg hatása megegyezik 1.25% mangán hatásával és sokkal többet is alkalmazhatunk belőle. Ezek az ötvözetek jól hegeszthetők, és jó korrózióállóságot mutatnak tengervízben is.

- 14 - Alapvetően belső karosszériaelemek és LPG gáztartályok gyártásához alkalmazzák [1] [6]. 6xxx főcsoport tulajdonságai: A fő ötvöző elemek a szilícium és a magnézium. A kettős ötvözésnek köszönhetően ezek az ötvözetek hőkezelhetők. Az 5xxx jelű csoportnál jobban sajtolhatók és forgácsolhatók. Szilárdságuk közepesnek mondható, kisebb, mint a 2xxx és a 7xxx csoportokba tartozó ötvözeteké, de jól hegeszthetők és alakíthatók, továbbá korrózióval szembeni ellenállásuk is kiváló. Ütközésvédelmi elemek, ülések, lökhárítók, karosszériaelemek és alvázkeretek gyártásához alkalmazzák [1][6]. 7xxx főcsoport tulajdonágai: A fő ötvöző elem a cink, de kis mennyiségben magnéziumot, rezet és krómot is tartalmazhatnak. Ebbe a csoportba tartoznak a legnagyobb szilárdságú alumínium ötvözetek. Korrózióval szembeni ellenállásuk és hegeszthetőségük az ötvözéstől függően változik, alakíthatóságuk nem a legjobb, de önnemesedők, mely hegesztés esetén kifejezetten előnyös. A főcsoport magasabb szilárdságú tagjai hajlamosabbak a korróziós repedésre, ezért általában túlöregített állapotban alkalmazzák őket. A nagy szilárdság mellett a jó korrózióállóság megtartásának érdekében egyre többféle hőkezelő eljárást fejlesztenek ki, ilyen például a kettős öregítés, mely során a korrózióállóság növelése mellett nem csökken az ötvözet szilárdsága. Nagy teherbírású elemek gyártásához alkalmazzák [1][6]. Az 5. táblázat összefoglalja a különböző iparágakban leggyakrabban alkalmazott különféle alumínium ötvözettípusokat.

- 15-5. táblázat Különböző alumínium ötvözetek felhasználási területei [3] Csoport Autó gyártás Hajógyártás, off-shore szerkezetek Repülőgépgyártás Űrhajó gyártás Kerékpár gyártás Építőipar 1xxx 1050 1200 2xxx 2008 2016 2036 2024 2195 2219 2014 3xxx 3003 3103 4xxx 4043 5083 5052 5xxx 5182 5456 5059 5083 5052 5059 5754 5086 6xxx 6016 6082 6061 6063 6061 6063 6061 6063 7xxx 7020 7068 7075 7005 7075 7020

- 16-3. ALUMÍNIUM ÖTVÖZETEK HEGESZTHETŐSÉGE Az anyagok hegeszthetősége egy összetett tulajdonság, mely lényegében a hegesztéstechnológiától függő alkalmasság egy olyan kötés létrehozására, mely helyi tulajdonságai és a szerkezetre gyakorolt hatása alapján teljesíti a vele szemben támasztott követelményeket. Ebből következően tehát a hegeszthetőség nem egzakt tulajdonság, nincs egyértelműen jól vagy rosszul hegeszthető anyag, egyetlen vizsgálattal és mérőszámmal nem jellemezhető, az egyes tényezőket külön-külön vizsgálva minősíthetők a kötések. A hegeszthetőséget befolyásoló tényezők a hegesztett szerkezet kialakítása, a kötésben jelen lévő anyagok, és a kötés létrehozásához alkalmazott hegesztéstechnológia [7]. Az alumínium és ötvözeteinek tulajdonságai jelentősen eltérnek az acélokétól. Ezek a sajátos tulajdonságok leginkább az ömlesztő hegesztőeljárásokat befolyásolják. Az alumíniumokra jellemző olvadási hőmérséklet lényegesen alacsonyabb, mint az acéloké, megolvasztásukhoz mégis sokkal több hő szükséges, ami az alumíniumok sokkal nagyobb hővezető képességének, nagyobb fajlagos hőkapacitásának és olvadáshőjének köszönhető. A nagy mértékű hőtágulás, a hegesztés során bevitt hő, és annak a nagy hővezetőképesség miatti gyors szétáramlása, valamint a hűlés következtében bekövetkező nagymértékű zsugorodás miatt az alumínium ötvözetek eltérő hegesztéstechnológiát igényelnek [7][8]. 3.1. Az alumíniumok hegeszthetőségét befolyásoló tényezők 3.1.1. A felületi oxidréteg Az alumínium oxigén iránti affinitása annyira nagy, hogy a felületén kialakuló Al2O3 réteg végleges eltávolítása nem lehetséges. Az oxidréteg olvadáspontja 2050 C, amely jóval nagyobb, mint az alumínium ötvözetekre jellemző 600 C körüli olvadási hőmérséklet. A nagy különbségnek köszönhetően hegesztés során a hőbevitel hatására amikor az alumínium olvadék állapotba kerül, az oxidréteg még szilárd és így

- 17 - akadályozza a kötés kialakulását. Az oxidréteg eltávolítását biztosíthatja a hegesztő eljárás (pl. AWI eljárás váltóáram alkalmazásával), ellenkező esetben előzetes felülettisztításra van szükség, mely lehet mechanikus (pl. csiszolás), illetve kémiai (pl. savas vagy lúgos pácolás). A 6. táblázat tartalmazza a különféle hegesztő eljárások során az oxidréteg eltávolításának leggyakoribb módját [7][8]. 6. táblázat Az oxidhártya eltávolításának módja különböző hegesztőeljárások esetén [8] Hegesztőeljárás Lánghegesztés AWI-eljárás VFI-eljárás BKI-eljárás Ellenállás-hegesztés Hidegsajtoló hegesztés Dörzshegesztés Ultrahanghegesztés Az oxidhártya eltávolítási módja Előzetes vékonyítás, kémiai úton folyasztószerrel Argon védőgáz alatt, katódporlasztással Argon védőgáz alatt, katódporlasztással Előzetes vékonyítás, kémiai úton folyasztószerrel Elektródnyomás hatására feltörik Az erő hatására feltörik Felületi súrlódással UH-frekvenciájú rezgések hatására fellépő felületi súrlódással 3.1.2. Hegesztendő munkadarabok előkészítése A hegesztett alumínium kötések túlnyomó többségében a varratfém szilárdsága és alakváltozó képessége elmarad az alapanyagétól, a hőhatásövezetben pedig esetenként még nagyobb szilárdságcsökkenés figyelhető meg. A jelentős kilágyulás miatt ömlesztő hegesztéssel egyenszilárdságú kötés nem hozható létre. A nemesített ötvözetek hegesztése során a hőbevitel hatására különböző folyamatok zajlanak le a hőhatásövezetben. Abban a tartományban, ahol a hőmérséklet meghaladja a szilárd oldatos tartományt, majd a nagy hővezetőképesség miatt az anyag gyorsan lehűl, lényegében meg is edződik. Mesterségesen öregíthető ötvözetek esetén, ezután az önnemesedés is lezajlik, így a mechanikai tulajdonságok az alapanyagéhoz viszonyítva

- 18 - csak kis mértékben romlanak. Abban a tartományban, ahol csak a nemesítés hőmérsékletét éri el az anyag, kilágyulás következik be, a szilárdsági tulajdonságok nagy mértékben romlanak a nyúlás növekedése nélkül. Nem nemesíthető ötvözetek hegesztésekor csak a kilágyulás figyelhető meg a hőhatásövezetben. Az 5. ábrán látható, hogy az alumíniumötvözet típusától függően változó a hőhatásövezet jellege, de megfigyelhető, hogy mindegyik esetben jelentkezik valamilyen mértékű kilágyulás. A kilágyulás mértékét a hegesztéstechnológia is befolyásolja, mértéke csökkenthető, ha minél kisebb fajlagos hőbevitelű hőforrást alkalmazunk. Ez a kilágyulás legkisebb mértékben ellenállás ponthegesztés esetén jelentkezik [7][8]. 5. ábra Alumínium ötvözetek keménységének változása a hőhatásövezetben ömlesztő hegesztés során [8] 3.1.3. A varrat porozitása Problémát okoznak a levegőből, a hozaganyag és az alapanyag felületéről a hegfürdőbe jutó szennyeződések, de a legnagyobb veszélyt szennyező gázként a hidrogén jelenti, mivel az alumíniumban magasabb hőmérsékleten nagy mennyiségben képes oldódni. A hegfürdő dermedésekor az alumínium gázoldó képessége drasztikusan, majdnem századrészére csökken, ezért ekkor a fürdőben lévő gázok távozni igyekeznek, ám ez a távozás nem következik be 100%-ban a teljes

- 19 - megszilárdulás előtt, így a varrat nem lesz porozitástól mentes. A porozitások állandó jelenléte az alumínium jó alakváltozó képessége miatt nem jelent akkora problémát, mint acélok esetén, azonban törekedni kell a mennyiségük minimalizálására [7][8]. 3.1.4. Az ötvözőelemek kiégése Az alumínium ötvözőelemek oxidációs hajlamát és a hegfürdőből való kiégését elsősorban a hegesztő eljárás befolyásolja. A 7. táblázat a különböző eljárások során kiégett ötvözők mennyiségét tartalmazza. Látható, hogy BKI eljárás esetén a kiégés mértéke nagyon magas, ez azonban semleges védőgáz alkalmazásával lényegében teljesen elkerülhető. A cink alacsony forráspontja miatt nagyon hajlamos az elgőzölgésre. Tekintve, hogy az alumínium anyagok megfelelő szilárdsági tulajdonságait lényegében az ötvözők adják, kifejezett figyelmet kell fordítani a kiégésük elkerülésére, mely a megfelelő hozaganyag alkalmazásával pótolható [8]. 7. táblázat Az ötvözők kiégése az ömledékből [8] Hegesztési eljárás Ömledék Elem Elem eredeti mennyisége [%] Ötvöző veszteség [%] Kiégés mértéke [%] Lánghegesztés (311) AlSi5 Si 4,12 1,77 43 BKI hegesztés (111) AlMg3 Mg 3 1,7 57 AlMg5 Mg 5 3,5 70 AWI, VFI hegesztés (141,131) AlMg3 Mg 3 ~0,1 ~2,5 AlMg5 Mg 5 ~0,6 ~12 VFI hegesztés (131) AlZn3Mg5 Zn 3,7 0,6 16 3.1.5. Repedésérzékenység Alumínium és ötvözeteinek hegesztésekor a repedéstípusok közül elsősorban a kristályosodás során megjelenőkkel, azaz a melegrepedéssel kell számolni, legfőképpen a nagy hőközben dermedő ötvözetek esetén. A melegrepedést elsősorban a szerkezetben megjelenő nagy belső feszültségek okozzák, ami ellen a túlhevítés és a merev befogás

- 20 - elkerülésével védekezhetünk. Repedésveszély miatt kerülni kell az ismételt hőbevitelt, így a kötések javítóhegesztése is körülményessé válik, valamint törekedni kell a hegesztett rétegek számának minimalizálására [8]. Ha az alapanyagban rekedt hidrogén hatására kialakult porozitások mennyisége kiemelkedően magas, akkor a hidegrepedés veszélyével is számolni kell [8]. 3.1.6. Hidegkötés és végkráter repedés Alumínium hegesztése során megfelelő figyelmet kell fordítani a varrat megkezdésére és befejezésére. A jó hővezető képességnek köszönhetően ívhegesztés során az ív keletkezése után kell egy minimális idő, mire az alapanyag megolvad. Fogyóelektródás eljárás esetén ez mindig problémát okoz, hiszen az ív keletkezése után az azonnal adagolt hozaganyag az alapanyagra olvad és hidegkötés jön létre. A hidegkötés elkerülésének leggazdaságosabb módja a bekezdés alkalmazása. Nem fogyóelektródás eljárás esetén (pl. AWI eljárás) ez a probléma nem áll fenn, hiszen a hozaganyag adagolása az ívgyújtástól független. A kötés végén a hozaganyag adagolásával együtt a hőforrásnak a megszüntetése a legtöbb esetben végkráter repedést okoz, mely minden esetben kerülendő, mivel fáradásos repedés kialakulásához vezethet. Kiküszöbölhető például VFI berendezések végkráterfeltöltő programjával. AWI eljárás esetén a végkráterrepedés elkerülése szintén nem okoz problémát [8][9]. 3.2. Alakítható ötvözetek hegesztése Ötvözetlen és enyhén ötvözött nem nemesíthető alumíniumok különböző nehézségek nélkül hegeszthetők, védőgázos és ellenállás hegesztéssel egyaránt. A gyakorlatban a nemesíthető ötvözetek mindegyik típusának hegesztése előfordul, de legtöbb esetben az AlMgSi ötvözeteket használják. A nemesíthető ötvözetek hegesztésének fő problémája a hőhatásövezet kilágyulása. Ha a hegesztett szerkezet kialakítása lehetővé teszi, célszerű edzett állapotban elvégezni a hegesztést, majd a kész szerkezetet nemesíteni, amennyiben ez kivitelezhetetlen, nemesített állapotban kell elvégezni a hegesztést. Nemesíthető ötvözeteket hegesztés esetén az anyagtól

- 21 - függetlenül, a jobb tulajdonságok elérése érdekében, mesterségesen kell öregíteni. Hegesztés során a jó melegszilárdság hátrány, mivel nagyobb feszültségeket eredményez a kötésben, amely a melegrepedések kialakulásának esélyét növeli. A melegszilárd AlCu4Mg1 ötvözetek hegesztését edzett, vagy nemesített állapotban lehet elvégezni, mivel ekkor a belső feszültségek teljesen leépülnek. Nemesített állapotban azonban a rézzel ötvözött alumíniumokból hegesztett kötések hőhatásövezete annyira kilágyul, hogy a hegesztés gazdaságossága megkérdőjelezhetővé válik. az AlZn5Mg1 és AlZn6Mg2 cink tartalmú ötvözetek a nagy szilárdságuk mellett korrózióra hajlamosak, mely magnézium ötvözésével valamelyest javítható. Ezek az ötvözetek természetesen öregíthetők, mely folyamat a hegesztés befejezése után azonnal megindul, azonban az optimális tulajdonságok elérése érdekében mesterséges öregítés ajánlott, amelyet a hegesztés elvégzése után a lehető leghamarabb végre kell hajtani [8]. 3.3. Öntészeti ötvözetek hegesztése Alumínium öntvények esetén is egyaránt jelen vannak a kötő-, illetve felrakó-, javítóhegesztések. Kötőhegesztések esetén előfordulhat, hogy nem két öntvényt kell összehegeszteni, hanem öntvényhez alakítható alumínium ötvözetet. Erre gyakori példa a legelterjedtebb AlSi öntvény és a nemesített AlMgSi ötvözetek hegesztése. A nemesített ötvözet AlMg típusú hozaganyaggal hegesztendő, azonban így a kötés magas Si, illetve Mg tartalma miatt kialakuló Mg2Si rideg fázisok a repedésveszély fokozódását eredményezik. Ezt a problémát AlSi5 hozaganyag alkalmazásával lehet elkerülni, így azonban egy gyengébb szilárdságú kötés hozható csak létre. Javítóhegesztés esetén szükséges a darab Si és Mg tartalomra vonatkozó vegyelemzését elvégezni, így az alkalmas hozaganyag is kiválasztható, továbbá szükséges a hegesztendő felület megfelelő tisztítása. Legfontosabb a zsír- és olajszennyeződések alapos eltávolítása, majd az oldószerek elpárologtatása 150 C-on kb. 10-15 percig. Vastag falú öntvények esetén szükséges az előmelegítés, illetve a kész öntvények lassú lehűlését is biztosítani kell [8].

- 22-3.4. Hegesztendő munkadarabok előkészítése A legtipikusabb alumínium alkatrészek öntöttek, sajtolt profilból vagy lemez előgyártmányból készítettek. A hengerelt lemezek a modern technológiának köszönhetően hegeszthető tisztaságúak. Ha az alakító, vagy anyagleválasztó művelet során (pl. kivágás, esztergálás) kenésre van szükség, célszerű az alumíniumokhoz kifejlesztett, 100%-ban elpárolgó kenőanyagokat alkalmazni. Amennyiben erre nincs lehetőség, utólagos zsírtalanító felülettisztítás, mosás, öblítés és szárítás szükséges. Ügyelni kell, hogy a mechanikus felülettisztítás során a nem alumínium felületek sértetlenek maradjanak, elkerülve így az idegen anyagok hegfürdőbe jutását [8]. Alumíniumok hegesztése során kiemelt szerepe van az illesztési hézagnak. Törekedni kell annak állandóságára és párhuzamosságára. A nagyobb méretű illesztési hézag számos problémát okoz. Könnyebben keletkezhet gyökhiba, növekszik a melegrepedés érzékenység és a porozitás, továbbá a nagyobb varratkeresztmetszet nagyobb hőbevitelt igényel, ami a maradó alakváltozás mértékének növekedéséhez vezet és kedvezőtlen a hőhatásövezet szempontjából. 3 mm-nél vékonyabb szelvények hegesztése esetén a gyökhiba elkerülése érdekében alátétlemez alkalmazása szükséges, vagy átlapolt sarokvarratos kötéskialakítás. A sarokvarratos kötéskialakítás előnye, hogy a gyártási pontosságra nem érzékeny. Nem készülékben hegesztett varrat készítése esetén VFI eljárás során az átroskadás veszélye miatt hézag nélküli illesztés szükséges, AWI eljárás esetén keskeny és egyenletes, párhuzamos illesztési hézagra van szükség [8]. Alumínium hegesztésekor a hő hatására bekövetkező alakváltozások, elhúzódások sokkal jelentősebb mértékben jelentkeznek, mint acélok esetén. Az alakváltozások elleni védekezés technikája és elvei megegyeznek az acéloknál alkalmazottakéval, azonban a méretek kordában tartása érdekében már egyszerűbb és kevesebb varratmennyiséget tartalmazó szerkezetek esetén is beavatkozásra van szükség. Hegesztőkészülékek nélkül, szinte lehetetlen méretpontos szerkezetet készíteni alumínium alapanyagokból. A szerkezet maradó alakváltozásáért, vagy a gátolt alakváltozás következtében keletkező maradó feszültségekért, az alumíniumnak az

- 23 - acélnál jóval nagyobb mértékű zsugorodása a felelős. A hosszirányú zsugorodás mértéke korlátozható, a keresztirányú zsugorodást azonban hagyni kell szabadon végbe menni. A hosszirányú feszültség csökkentését előfeszítéssel, vagy megfelelően alkalmazott előmelegítéssel lehet csökkenteni [8]. Az alakváltozás csökkentésének lehetőségei: hegesztőkészülék alkalmazása alkatrészek előfeszítése munkadarabok összefűzése fűzések sorrendjének meghatározása kis keresztmetszetű, erős fűzővarratok készítése hegesztési sorrend meghatározása illesztési hézag minimalizálása kis keresztmetszetű kötések készítése Az alumíniumok javító hegesztése nagyon körülményes, az ismételt hőbevitel hatására kialakuló és egymásra szuperponálódó belső feszültségek miatt. A többszöri hőciklus hatására kialakuló belső feszültségek nagy mértékben megnövelik a hegesztett kötés repedésérzékenységét, így egy adott hiba javítása esetén könnyen újabb repedéseket hozhatunk létre [8]. 3.5. Alumínium ötvözetek ellenállás ponthegesztése Az ellenállás ponthegesztés az autóiparban a lemez karosszériaelemek egyesítéséhez leggyakrabban használt hegesztőeljárás. Népszerűségét a termelékenységének és a könnyű automatizálhatóságának köszönheti. Acélok esetében az ellenállás ponthegesztés kiválóan alkalmazható, azonban az alumínium lemezek térhódításának köszönhetően nem csak az autók tervezése igényel más megközelítést, az alapanyag különleges tulajdonságai miatt a hegesztéstechnológia módosítására is szükség van. Az alumínium jó elektromos vezetőképessége miatt a megfelelő hő biztosításához ka nagyságrendű áramerősség alkalmazására van szükség, valamint a felületi oxidréteg

- 24 - káros hatásai miatt a hegesztő elektródok élettartama általában jóval rövidebb, mint acélok esetén [8][10]. Az ellenállás ponthegesztés alapanyaga leggyakrabban 1-3 mm vastagságú lemez, a leggyakoribb pedig az átlapolt kötéstípus. Általános esetben az ellenállás ponthegesztés egy-, vagy kétoldali kialakítású lehet, azonban az alumínium jó vezetőképessége miatt, hegesztéséhez csak a kétoldali kialakítás alkalmas. Az eljárás során a munkadarabokat általában két vízhűtött réz elektród szorítja össze, amely továbbá akkora erőt fejt ki, ami a felületi oxidréteg feltöredezését eredményezi. A szorítóerő kifejtése után az elektródokon keresztül áram folyik át az alapanyagokon, amelyek belső térfogata az általuk kifejtett ellenállásból adódó hő hatására megolvad. A megolvadás ideális esetben az összekötendő alapanyagok érintkező felületén indul meg, és mértéke addig nő, amíg az áram folyása meg nem áll. A lemezek megolvadásából kialakult közös ömledék a vízhűtött elektródok hatására gyorsan hűlve megdermed, létrehozva így az alapanyagok közötti kötést [11][8]. 3.5.1. Hegesztő berendezés Az alumínium villamos vezetőképessége kiváló, ezért ellenállás ponthegesztése esetén ahhoz, hogy a kis fajlagos ellenállásán megfelelő hő képződjön, kb. 3-szor nagyobb áramerősséget kell alkalmazni, mint acélok esetén. A jó hővezetése miatt törekedni kell a kötés legrövidebb idő alatt történő elkészítésére, tehát kemény munkarend alkalmazása szükséges. Néhány esetben a repedésmentes kötés készítéséhez utánsajtolóerő is szükséges, kiváltképpen a 2xxx, 6xxx és 7xxx jelű hőkezelhető ötvözetek esetén. Ezen ötvözetek megfelelő hegesztéséhez kb. kétszer akkora elektróderő szükséges, mint amekkorát acélok esetén alkalmazunk [12]. Alumíniumok hegesztése tehát hagyományos, acélokhoz tervezett ellenállás ponthegesztő géppel általában nem lehetséges. Jóval nagyobb elektród erő kifejtésére, valamint jóval nagyobb áramerősségre és annak pontos beállíthatóságára van szükség. Alumíniumok ellenállás ponthegesztése AC és DC árammal egyaránt lehetséges. A legjobb minőség eléréséhez folyamatos DC egyenáram leadására képes hegesztőgép

- 25 - szükséges. Néhány esetben egyfázisú váltóáramot leadó gépekkel is elfogadható kötések készíthetők [8][12][13]. Ellenállás-hegesztés esetén sem hanyagolható el a hegesztendő felületek tisztasági állapota. Kiemelkedő minőségi igények esetén a felülettisztítás eredményét a munkadarabok villamos ellenállásának mérésével igazolni kell. Az elektródok felületi tisztaságára is legalább akkora figyelmet kell fordítani, mint az alapanyagokéra, mivel a szennyeződések növelik az átmeneti ellenállást, ami pedig káros hőtöbbletet eredményez az elektród és az alapanyag között [8]. Alumíniumok ellenálláshegesztéséhez a legideálisabb, ha az elektród hő- és villamos vezetőképessége nagy, kevés ötvözőt tartalmaz, mégis nagy szilárdságú. Ezen feltételeknek nehéz eleget tenni. A réz elektródok vezetőképessége megfelelően nagy, azonban szilárdságuk kicsi, éppen ezért kezdenek elterjedni az alumínium ötvözésű elektródok. Alumínium ötvözetek ellenálláshegesztése során az elektródok legnagyobb problémája, hogy a nagy sajtolóerő és a magas hőmérséklet miatt nagyon rövid az élettartamuk, amely tömeggyártás esetén gazdaságossági problémákat is eredményez. Az elektródok élettartamát nagyban növeli a megfelelően előkészített felületű alapanyag, továbbá a cserélhető elektródvégek alkalmazása, valamint kb. 20 kötés elkészítése után az elektród végek megtisztítása. A 8-as táblázatban acél, illetve alumínium lemezekhez alkalmazott elektródok átmérője, rádiusza, illetve a kialakítandó heglencse ideális átmérője látható [13]. A legtöbb esetben alumínium ötvözetekhez gömbsüveg végű elektródokat alkalmaznak a hegesztett kötés mindkét oldalán, továbbá az elektródok vízhűtése is szükséges az átfolyó áram nagyságából adódó hőhatás miatt. A vízhűtés mindemellett a hegfürdő gyors megdermedését is eredményezi. Ha a felület sértetlensége előírás, akkor az egyik oldalon lapos kialakítású elektródot kell alkalmazni [12].

- 26-8. táblázat Ideális elektród és heglencse méretek [13] Lemezvastagság [mm] Elektród átmérő [mm] Elektród rádiusz [mm] Heglencse átmérő [mm] Al Acél Al Acél Al Acél 0,5 16 3.5 50 65 2,5 2,5 0,8 16 4.5 50 74 3,5 3,6 1,0 16 5 100 80 4,0 4,6 1,3 16 6 100 87.5 4,5 5,1 1,6 16 6 100 98 5,2 5,8 2,0 22 7 150 110 5,7 6,6 2,5 22 8 150 125 6,5 7,1 3,2 22 9 150 146 7,1 7,6 3.5.2. Hegeszthetőségi problémák Az alumínium ötvözetek ellenállás ponthegeszthetőségét jelentősen befolyásolja a hőkezeltségi állapotuk. A lágyított ötvözetek hegesztése során az állandó kötésminőség elérése sokkal nehezebb, mint az alakítással, vagy kiválásosan keményített ötvözetek esetén, köszönhetően a mélyebb benyomódásnak, a nagyobb vetemedésnek és az elektród kopásnak. Keményebb ötvözetek hegesztésekor az elektród élettartam és a kötések tulajdonságainak állandósága jóval nagyobb, mint lágyabb állapotú alapanyagok esetén [12]. Egy már létező ponthegesztett varrat a következő készítésekor elvonja a hegesztendő varrattól az áramot. Ezt az effektust sönthatásnak nevezzük. Egy előzetes varrat sönthatása miatt a következő varrat mérete nem lesz megfelelő. Acélok esetén a sönthatás mértékére a kötések távolsága van a legnagyobb hatással, így a kötéstávolság növelése a sönthatás csökkentését eredményezi. Különböző ötvözésű és vastagságú alumíniumok ellenállás ponthegesztésekor a sönthatás csökkentése érdekében, az alumínium jó belső vezetőképessége miatt nem a kötések távolságának növelése a

- 27 - legjobb megoldás, sokkal eredményesebb a hegesztőáram növelése. Alumínium ötvözetek esetén is elkerülhető a sönthatás a távolság növelésével, azonban ekkor a varratok távolsága miatt a szerkezet szilárdsága már nem megfelelő [14]. 6. ábra 40 ka áramerőséggel készített kötések egymástól (a) 12 mm; (b) 16 mm; (c) 20 mm; (d) 24 mm; (e) 28 mm; (f) 40 mm távolságra (2219 és 5A06 jelű alumínium ötvözetek kombinált kötései) [14] 7. ábra 44 ka áramerősséggel készített kötések egymástól 16 mm távolságra (2219 és 5A06 jelű alumínium ötvözetek kombinált kötései) [14] A 6. és 7. ábrán látható, hogy azonos áramerősséggel készített kötések esetén 40 mm-es távolságban jön létre az értékelhető legalább 7 mm-es kötés, azonban nagyobb áramerősséggel - 40 helyett 44 ka alkalmazásával - már 16 mm-es távolságban

- 28 - megfelelő kötés jön létre. Azonos áramerősség hatására azért nem alakul ki megfelelő méretű kötés, mert az áram nagy része az előzőleg elkészített varraton keresztül halad át [14]. Ellenálláshegesztés esetén a kötéshibák elsősorban a nem megfelelő hőbevitelből adódhatnak. Túlzott hőbevitel esetén a fémolvadék nagy mennyiségű gázt vesz fel, mely a dermedés során jelentős mértékű anyagfolytonossági hibákat okoz. Kevés hőbevitel, vagy gyenge sajtolóerő esetén hegesztési lencse nélkül alakul ki egyfajta tapadásos, adhéziós kötés. A tapadásos kötés szilárd fázisú, felülete hiányos és a helyesen meghegesztett kötéstől külsőre nehezen megkülönböztethető [8]. Az ellenállás ponthegesztett kötések két károsodási módja a felületközi károsodás és a kigombolódás, melyek a 8. ábrán láthatók. Felületközi károsodás tapadásos kötés esetén következik be, a megolvadás helyén keletkező repedés okozza a kötés tönkremenetelét. Kigombolódás során a megolvadt heglencse lényegében sértetlenül válik ki az egyik alapanyagból. Ebben az esetben a kötés sokkal nagyobb teher elviselésére és energia elnyelésére képes, ezért a hegesztési paraméterek beállítását úgy kell elvégezni, hogy a kötések minden esetben ezen a módon károsodjanak [15]. 8. ábra Kigombolódás (a) és felületközi károsodás (b) [15] A kifröccsenés elsősorban a helytelen technológiai paraméterek eredménye, mely az anyag és az elektród, vagy az összehegesztendő anyagok közül is kiindulhat. Törekedni kell a minimalizálására, mivel az elektródok élettartamát jelentősen

- 29 - csökkenti. Az ötvözetek nagy magnéziumtartalma jelentősen megnöveli a kifröccsenésre való hajlamot, mely csökkentésére lágyabb munkarend alkalmazása ajánlott [8]. Kötéshibát okozhat a lehűlés következtében bekövetkező nagymértékű zsugorodás. Kiváltó oka, hogy a varrat kevésbé felhevült környezete akadályozza a heglencse alakváltozását, így megnő a belső feszültség. Hűlés közbeni zömítő erővel csökkenthető a hibák kialakulásának veszélye. Nemesíthető ötvözetek esetén a heglencse fokozott melegrepedési hajlama miatt az utánsajtolás fokozottan szükséges. A megfelelő felületi nyomás és az állandó érintkezés biztosítása érdekében a 4 mm-nél vastagabb AlCuMg és AlMg5 ötvözetek hegesztése esetén a hegesztőáram bekapcsolt állapota közben kell növelni az elektróderőt [8]. 3.5.3. A hegesztési paraméterek hatása 6082-T6 ötvözetből készült átlapolt lemezkötésekre Általános esetben az átlapolt kötések nyírószilárdsága számos tényezőtől függ, mind a hegesztési paraméterektől, mind pedig az alapanyag tulajdonságaitól. Ezek a paraméterek befolyásolják a kialakuló heglencse mikroszerkezetét és mechanikai tulajdonságait. Az acélokkal ellentétben alumínium ötvözetek esetén a hegesztés során bevitt hő hatására a kötés kilágyul, keménysége csökken [15]. A 9. táblázatban megtalálható adatok szerint elvégzett kísérletek alapján bemutatható az elektród erő, a hegesztési áram és a hegesztési idő kötésre gyakorolt hatása. A 10. táblázat a kísérletek alapanyagául szolgáló 1 mm vastagságú 6082-T6 ötvözet kémiai összetételét mutatja [15]. Az elkészített kötések mindegyike szemrevételezés során megfelelt, és a radiográfiai vizsgálatok nem mutattak ki jelentős anyagfolytonossági hibát, porozitást egyetlen kötés esetében sem [15].

- 30 - Próbadarab száma: 9. táblázat A különböző hegesztett kötések paraméterei [15] Elektród erő [N]: Hegesztési idő [periódus]: Hegesztési áram [ka]: 1 3237 2 23,5 2 3237 2 26,4 3 3237 2 26,9 4 3237 2 27,5 5 3237 1 26,4 6 3237 3 26,4 7 3237 4 26,4 8 3237 5 26,4 9 4709 2 26,4 10 3826 2 26,4 11 2649 2 26,4 12 2354 2 26,4 13 3237 2 28,7 10. táblázat 6082-T6 ötvözet kémiai összetétele és mechanikai tulajdonságai [15] Szakítószilárdság [MPa] Folyáshatár [MPa] Ötvöző elemek [%] Si Mn Mg Fe Cu Al 305,6 245,1 1,02 0,67 0,76 0,26 0,02 97,24 A 9. ábrán jól látható, hogy a heglencse átmérőjét a hegesztési áram erőssége és ideje nagy mértékben befolyásolja. A heglencse átmérője az áram növelésével együtt folyamatosan növekszik, mely a megnövelt áram hatására bevitt nagyobb hőmennyiségnek köszönhető. Az áram növelése során van egy határ, ami után a kifröccsenés megjelenése miatt már nem növekszik tovább a heglencse mérete [15].

- 31-9. ábra A hegesztési idő és az áram hatása a heglencse átmérőjére [15] Az elektród erő kb. 4000 N nagyságig nem befolyásolja jelentősen a heglencse méretét, ezen érték felett azonban megfigyelhető a hatása. Az elektróderő 4000 N felett már olyan mértékben összenyomja az érintkező felületeket, hogy ez az ellenállás csökkenéséhez, ezáltal továbbá a bevitt hőmennyiség csökkenéséhez vezet. A 10. ábrán látható az elektróderő és a heglencse mérete közötti összefüggés. [15]. 10. ábra Az elektróderő hatása a heglencse méretére [15] A heglencse mikroszerkezete többnyire dendritesen kristályosodott, oszlopos szerkezetű. Az oszlopok orientáltsága megegyezik az áram átfolyásának irányával. A heglencse mikroszerkezetét az áramerősség és az átfolyási idő jelentősen befolyásolja.

- 32 - Alacsonyabb áramerősséggel készült kötések esetén az érintkező felületeknél szegregációs zóna kialakulása figyelhető meg. Magasabb áramerősséggel hegesztett kötéseknél az érintkező felületeknél a lassabb hűlési sebességnek köszönhetően a heglencse közepén gömbszerű, globuláris kristályok megjelenése figyelhető meg. A 11. ábrán alacsonyabb áramerősséggel a 12. ábrán pedig magasabb áramerősséggel készített kötések csiszolatai láthatók [15]. 11. ábra 23,5 ka áramerősséggel készített kötés (2 periódus, 3237 N) [15] 12. ábra 28,7 ka áramerősséggel készített kötés (2 periódus, 3237 N) [15]

- 33 - A 13. ábrán a különböző áramerősségekkel hegesztett kötések keménységvizsgálatának eredményei láthatók. Minden áramerősség esetén kereszt- és vastagság irányban is megfigyelhető, hogy a heglencse keménysége jóval kisebb, mint az alapanyagé, továbbá a keménységértékek nagyságát az áramerősség jelentősen nem befolyásolja. A keménység csökkenése annak köszönhető, hogy a 6xxx típusú alumínium ötvözetek szilárdságát adó precipitátumok a hegesztés során a hőhatás következtében nagy részben feloldódtak az ömledékben [15]. 13. ábra Keresztirányban mért keménységek (a) és vastagság irányban mért keménységek [15]

- 34 - A ponthegesztett kötés szilárdságát lényegében a heglencse mérete határozza meg. Mind a heglencse átmérőt, mind pedig a szilárdsági tulajdonságokat közvetlenül befolyásolják a hegesztési paraméterek, az áramerősség, az áram ideje és az elektróderő. A 14. ábrán látható, hogy a hegesztési paraméterek hogyan befolyásolják a kötések terhelhetőségét. A növekvő árammal együtt növekszik a kötés által elviselt maximális nyíróerő, köszönhetően a folyamatosan növekvő heglencse méretének. A hegesztési idő esetén hasonlóan, 3 periódusig növekszik a terhelhetőség, majd utána állandósul az érték, ugyan így a heglencse átmérője is kb. 3 periódusig nő, majd állandósul. A már ismertetett heglencse átmérőjéhez hasonlóan, a kötés által elviselt maximális nyíróerő is jelentősebb mértékben lecsökken 4000 N elektróderő felett. Megfigyelhető tehát, hogy a hegesztési paraméterek megváltozása hasonló hatást fejt ki a heglencse méretére és a kötés terhelhetőségére, mely leginkább annak köszönhető, hogy a paraméterek megváltozása nincs hatással a kötések keménységére [15]. 14. ábra A hegesztési paraméterek a kötések terhelhetőségére [15]

- 35 - A heglencse átmérő függvényében ábrázolva az átlapolt kötések nyíró szakító vizsgálatainak eredményeit, egy közel lineáris kapcsolat fedezhető fel a heglencse átmérő és a maximális nyíróerő között, mely a 15. ábrán látható. Az ábrán a négyzetekkel jelölt kötések felületközi károsodást szenvedtek, a háromszöggel jelölt kötések pedig kigombolódtak. A szaggatott vonallal jelölt tartományban mindkét károsodási mód előfordul [15]. Max. terhelés [N] Heglencse átmérő [mm] 15. ábra Maximális nyíróerő a heglencse átmérő függvényében [15] 3.5.4. Kombinált kötéskialakítások Ponthegesztés esetén a legkiválóbb kötéstulajdonságokat 0,7-3,2 mm közötti azonos vastagságú lemezek hegesztése eredményezi. Elfogadható minőségű kötések készíthetők különböző lemezvastagságok esetén, azonban a lemezvastagságok aránya maximum 3:1 lehet. A vastagság arány növekedésével a hegesztési körülmények romlanak, a hegesztési paraméterek sokkal pontosabb betartására van szükség a megfelelő varrat készítéséhez [12].

- 36 - Különböző vastagságú lemezek összehegesztése esetén az azonos elektródok hátrányt jelentenek, mivel ebben az esetben az árameloszlás és a hővezetés a két elektróda között nem lesz szimmetrikus. A vastagabb darabban nagyobb lesz a keletkezett Joule-hő, ezért a heglencse helyzete is ebbe az irányba tolódik el. Szélsőséges esetben a kötés ki sem alakul, a megolvadás csak a vastagabb lemezben következik be [8]. Különböző vastagságú lemezek hegesztésének megoldására többféle módszert alkalmazhatunk. Ha a falvastagság arány túl nagy, a heglencse kialakulásának megfelelő helyét biztosíthatjuk eltérő méretű elektródok alkalmazásával. Az elektród méretét a vele érintkező lemez vastagságának függvényében kell megválasztani. Másik módszer az azonos méretű, de eltérő hővezető képességű elektródok használata. A megfelelő kötés létrehozásához a rosszabb hővezető képességű elektród a vékonyabb lemez oldalán kell helyet foglaljon. További lehetőség a vékony lemez oldalán gömbsüveg végű, a vastagabb lemez oldalán pedig sík felületű elektród használata. Egyenáram esetén a Peltier effektus következtében az egyirányú áramlás miatt az anód oldalán több hő keletkezik, mint a katód oldalán, így az erre alkalmas hegesztőgép esetén ezt az effektust is kihasználhatjuk a heglencse megfelelő pozíciójának eléréséhez [8][10][16]. Különböző ötvözetek hegesztése esetén a legfőbb problémák az alapanyagok eltérő tulajdonságaiból és összetételéből adódnak. Az eltérő alumínium ötvözetek nem azonos hőtágulása, valamint az olvadási hőközük nagysága közötti különbségek nagy mértékben megnehezítik az ideális hegesztési paraméterek megválasztását. Nem megfelelő paraméterek esetén fennáll az egyik alapanyag fröcskölésének, vagy nem elegendő beolvadásának veszélye [17]. A 16. ábrán 6061, illetve 7075 típusú 2 mm vastag alumínium lemezek kombinált kötése látható. A heglencsében jól láthatók a porozitások, melyek az alumínium hőmérséklettel csökkenő hidrogénoldó képességének következményei, továbbá megfigyelhető, hogy a 6061-es ötvözetben nagyobb a beolvadás mértéke, mint a 7075- ös ötvözetben. Az ábra b és c részén látható a heglencse rendezetlen dendrites kristályos szerkezete, valamint az alapanyagokban a hőhatásövezet méretének és szerkezetének különbsége. A 7075-ös ötvözet hőhatásövezete jóval szélesebb, mint a 6061-es ötvözeté,

- 37 - továbbá 3 különböző részre osztható fel, míg a 6061-es ötvözet hőhatás övezetében két különböző szövetszerkezet figyelhető meg [17]. 16. ábra 6061 és 7075 alumínium ötvözetek kombinált kötése [17]

- 38 - Keménység HV 0.2 Távolság [mm] 17. ábra Öregített és nem hőkezelt kötéskombinációk mikrokeménység értékei [17] Az alapanyagok keménysége közötti különbség a kötés keménységvizsgálatakor is megfigyelhető. A 7075-ös ötvözet szilárdságnövelő ötvözőinek köszönhetően a varrat keménysége nem csökken jelentősen a 6061-es alapanyagra jellemző érték alá. A 17. ábrán öregített ( a jelű) és nem öregített ( x jelű ) 7075-ös és 6061-es ötvözetek kombinált kötéseinek mikrokeménység értékei láthatók [17].

- 39-4. KÍSÉRLETEK KIVITELEZÉSE A kísérleteket 5754-es, 6082-es és 7075-ös jelű 1 mm, valamint 1,5 mm névleges vastagságú alumínium ötvözeteken végeztem el a Miskolci Egyetem Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézetének hegesztőműhelyében. A 11. táblázatban láthatók a különböző anyagvastagság és anyagminőség kombinációk, melyeket vizsgáltam a kísérleteim során. Összesen 4 sorozatot készítettem. Az első sorozatban 1 mm vastagságú 5754-es és 6082-es ötvözeteket kombináltam. A 2. sorozatban a 6082-es ötvözet 1 mm, illetve 1,5 mm-es lemezvastagságát kombináltam. A 3. sorozatban 1,5 mm-es 7075-ös ötvözetet hegesztettem össze 1 mm-es 6082-es ötvözettel, a 4. sorozatban pedig a 7075-ös ötvözet 1 mm, valamint 1,5 mm-es lemezvastagság kombinációjának kötését készítettem el. 11. táblázat Kísérleti mátrix Kísérleti mátrix 5754 6082 7075 1 mm 1 mm 1,5 mm 1 mm 1,5 mm 5754 1 mm 1. 6082 7075 1 mm 1. 2. 1,5 mm 2. 3. 1 mm 3. 4. 1,5 mm 4. 4.1. Ellenállás-ponthegesztő berendezés A kísérleteket a tanszék olasz gyártmányú, kétkaros pneumatikus hengerrel ellátott TECNA 8007-es típusú ellenállás-ponthegesztőgépén végeztem el, mely a 18. ábrán

- 40 - látható. A hegesztőgép legfontosabb paramétereit a 12. táblázat foglalja össze, a 19. ábrán pedig a paraméter programozáshoz szükséges ciklusdiagram látható [18][19]. pneumatikus munkahenger felső elektródbefogó elektródok nyomásfokozó rendszer elektropneumatikus szelepek TE 550 programozható vezérlőegység erősáramú egység alsó elektródbefogó lábkapcsoló 18. ábra TECNA 8007 típusú ellenállás-ponthegesztő berendezés 12. táblázat A ponthegesztő berendezés legfontosabb adatai TECNA 8007 Névleges teljesítmény 80 kva Áramnem Váltóáram (AC) Fázisszám Egy Primer feszültség 380 V Primer áramfelvétel Max. 150 A Hegesztési áramerősség Max. 27 ka Hegesztő főidő Max. 2 s Elektróderő Max. 7 kn Levegőnyomás Max. 6 bar Hűtés Vízhűtés (2 l/min.) Tárolt programok száma 15 Egy programhoz tartozó paraméterszám 16

- 41-19. ábra A paraméter programozáshoz szükséges ciklusdiagram A hegesztőgép alsó karja rögzített, a felső kar végzi az áramkör zárásához és a sajtolóerő kifejtéséhez szükséges mozgást. A ponthegesztő berendezést TE 550 jelű mikroprocesszoros egység vezérli, melynek memóriájában 250 különböző program tárolható. A berendezés a REHM Hegesztéstechnika Kft. által egy nyomásfokozó egységgel lett ellátva, így képes a hegesztési ciklusok folyamán egy előre beállított értékkel megnövelni a sajtolóerőt. Ez a lehetőség alumínium ötvözetek hegesztése során kifejezetten előnyös, hiszen így, a nagymértékű zsugorodás hatására kialakuló szívódási üregek keletkezésének valószínűsége csökkenthető [18][19]. A kísérletekhez szakirodalmi ajánlások alapján Cu Al2O3 kompozit alapanyagú, csonkakúp alakú, rádiuszos elektródokat használtam, melyek kialakítása a 20. ábrán látható. Igyekeztem a lehető legkisebb lekerekítési sugárral rendelkező elektródot választani, mivel így kisebb az érintkezési felülete az alapanyaggal, ezáltal csökkenthető a hegesztési áramerősség [8]. 20. ábra Az elektródok kialakítása

- 42-4.2. A kísérlet során használt alapanyagok és a kötéskialakítás A kísérletekhez az alapanyagok 1000 x 2000 mm-es táblalemez formájában álltak a rendelkezésemre. A hegesztési kísérletek során az MSZ EN ISO 14273:2002 szabvány alapján egyszerű kialakítású próbatesteket készítettem, melyekhez a táblalemezekből lézervágó géppel munkálták ki a 30 x 100 mm-es próbadarabokat. A kötéskialakítás a 21. ábrán látható. A tökéletes illeszkedés elérése érdekében a lézervágás után keletkezett sorját minden próbadarabról eltávolítottam a megfelelő sorjátlanító kéziszerszámok segítségével. 21. ábra Próbatestek kötéskialakítása A kísérletekhez 1 mm vastag 5754-H22-es ötvözetet használtam, a 6082-T6-os ötvözetből 1 és 1,5 mm-es vastagságúakat egyaránt. A 7075-ös ötvözetből csak 1,5 mmes vastagságú táblalemez állt rendelkezésre, ezért az 1 mm-es vastagságú próbadarabok elkészítéséhez a lézervágás mellett szükség volt 0,5 mm vastag anyagrész leválasztására is, marógép alkalmazásával. A 13-18. táblázatok tartalmazzák a felhasznált alumínium ötvözetek pontos kémiai összetételeit, valamint azok mechanikai tulajdonságait az alapanyaggyártó által rendelkezésemre bocsájtott műbizonylatok alapján. A próbadarabokon semmilyen egyéb felülettisztító, vagy oxideltávolító műveletet nem végeztem, mivel célom ezen ötvözetek autóipari alkalmazásának a vizsgálata, és ezek az eljárások alapvetően az autóipari gyártás volumene esetén minden esetben veszteségesek lennének, növelnék a költségeket, ezért nem is alkalmazzák őket.

- 43-13. táblázat Az 5754-H22 alumíniumötvözet vegyi összetétele Réz Vas Mangán Króm Magnézium Titán Szilícium Cink Alumínium 0,055% 0,294 % 0,358 % 0,009 % 2,796 % 0,016 % 0,193 % 0,034 % maradék 14. táblázat Az 5754-H22 alumíniumötvözet mechanikai tulajdonságai Tulajdonságok Értékek Szakítószilárdság 220 MPa Nyúlás A50 22 % Folyáshatár 137 MPa 15. táblázat A 6082-T6 alumíniumötvözet vegyi összetétele Réz Vas Mangán Króm Magnézium Titán Szilícium Cink Alumínium 0,09 % 0,46 % 0,46 % 0,2 % 0,7 % 0,03 % 0,9 % 0,08 % maradék 16. táblázat A 6082-T6 alumíniumötvözet mechanikai tulajdonságai Tulajdonságok Értékek Szakítószilárdság 350 MPa Nyúlás A 50 14 % Folyáshatár 300 MPa 17. táblázat A 7075 alumíniumötvözet vegyi összetétele Réz Vas Mangán Króm Magnézium Titán Szilícium Cink Alumínium 1,3 % 0,46 % 0,2 % 0,2 % 2,3 % 0,1 % 0,4 % 5,2 % maradék 18. táblázat A 7075 alumíniumötvözet mechanikai tulajdonságai Tulajdonságok Értékek Szakítószilárdság 500 MPa Nyúlás A 50 10 % Folyáshatár 400 MPa 4.3. Hegesztési paraméterek A hegesztési kísérleteim során minden anyagminőség és anyagvastagság kombinációhoz ugyanazokat a paramétereket használtam, melyeket előzetesen, tapasztalati úton határoztam meg 6082-es, 1 mm-es lemezekből készített szimmetrikus kötések hegesztése során.

- 44 - Kezdetben 20 ka áramerősséggel, és 1,9 kn sajtolóerővel készítettem kötéseket, ám ekkor a legtöbb esetben jelentkezett a fröcskölés jelensége, és minden kötés elnyíródott, nem sikerült kigombolódásos tönkremenetelt elérni. Az áramerősség és a sajtolóerő növelése mellett szükség volt utánsajtoló erő alkalmazására is. Az áramerősséget a hegesztőgép által leadható maximális 27 ka értékig növeltem, ám ebben az esetben a ténylegesen leadott áramerősség 23 és 24 ka értékek között változott. A sajtolóerő értékét 2,7 kn-ra, az utánsajtoló erő értékét pedig 4,4 kn-ra választottam meg. A hegesztési idő 5 periódus hosszú volt, egy teljes hegesztési ciklus ideje pedig 7 periódus. A 22. ábrán látható a hegesztési paraméterek végleges értéke, amelyeket alkalmaztam és azok lefolyása egy ciklus alatt. Ezen hegesztési ciklus alkalmával sikerült elérni a kigombolódásos tönkremenetelt, azonban még így is voltak kötések, amelyek elnyíródással károsodtak. Az irodalomkutatásom alapján az elkészített kötések így a 15. ábra vegyes tartományába esnek, ami az jelenti, hogy a kötések már elfogadható minőségűek. A maximális nyírószakító erő érték eléréséhez, valamint az elnyíródásos károsodás 100%-os elkerüléséhez azonban az áramerősség további növelésére lenne szükség. 22. ábra A kísérletek során alkalmazott hegesztési ciklus diagramja

- 45-5. KÍSÉRLETEK KIÉRTÉKELÉSE Minden anyagminőség és anyagvastagság kombinációból 18 hegesztett kötést készítettem sorozatonként, amelyek közül mindet szemrevételezésnek vetettem alá. A 2. és 3. sorozatokból 2-2 próbatestet választottam ki, melyekből a tanszéki laboratóriumban csiszolatok készültek. Ezekről makro felvételek készültek és keménységmérési vizsgálaton estek át. A maradék 16 elemet nyíró-szakítóvizsgálatnak vetettem alá, majd ezek közül az MSZ EN ISO 14273:2002 szabvány szerint 11-et választottam ki, figyelembe véve az esetleges kötéshibákat, illetve a hegesztés során keletkezett selejteket. Statisztikai értékelés céljából ezt a 11 elemet használtam fel a méretezési nyíróerő kiszámításához. 5.1. Nyíró-szakító vizsgálat A hegesztett kötések roncsolásos vizsgálatára a nyíró-szakító vizsgálatot választottam, hiszen a pontkötések esetén ezt alkalmazzák a leggyakrabban, mivel ez adja a legtöbb információt a kötések minőségéről, továbbá ez a vizsgálat veszi leginkább figyelembe a pontkötések átlapolt jellegét [8]. A nyíró-szakító vizsgálat során a hegesztett próbatesteket a 23. ábrán látható módon kell befogni a szakítógépbe, majd egyenletes sebességgel a kötés tönkremeneteléig húzóerővel terhelni. A próbatest kialakításából adódóan a vizsgálat során ébredő igénybevétel nem egytengelyű. A két lemez nem esik egy síkba, így a kötést húzás mellett hajlító igénybevétel is terheli. A kísérletek során nem biztosítottak a tisztanyíráshoz szükséges feltételek, így a vizsgálat során közvetlenül csak a tönkremenetelt okozó erő, az úgynevezett nyíró-szakító erő határozható meg [8].

- 46-23. ábra Nyíró-szakító vizsgálat elrendezése [8] 5.1.1. Méretezési nyíróerő (Fm) kiszámítása A sorozatonként kiválasztott 11 elem kevesebb, mint 30 darab, ezért a méretezési nyíróerő számítása során a nagy elemszámra vonatkozó normális eloszlás helyett a Student-eloszlást használtam, hiszen ez sokkal jobban figyelembe veszi a minta elemszámot, ezáltal adva jóval pontosabb eredményt a kísérletek eredményeiről. Az így meghatározott méretezési nyíróerő az a nyíróerő érték melyet a kötések 95%-a tönkremenetel nélkül elvisel [8]. S F m = F ny t (95%,10) n (1) A méretezési nyíróerőt az (1) jelű képlet szerint számítottam, ahol: F : ny a minta átlaga {Számítása a (2)-es képlet szerint} t(95%,10): 95 %-os megbízhatósági szinthez és f=10 szabadságfokhoz tartozó Student-tényező, értéke 2,23 S: a minta szórása {Számítása a (3)-as képlet szerint} n: a minta elemszáma, 11 db = F ny n i=1 F ny i n [kn] (2) S = n i=1 (F ny F ny i ) 2 n 1 (3)

- 47 - Kötés jele 19. táblázat 1. sorozatba tartozó kötések szakítóvizsgálatainak eredményei Anyag Ih [ka] 5754 6082, [1 mm + 1 mm] th [per] Fe [kn] te [per] Fs [kn] Heglencse átmérő [mm] Egyéb A 19. táblázat foglalja össze az 5754-es és 6082-es 1-1 mm vastagságú lemezek kötéseinek eredményeit. A minta szórása a (3)-as jelű képlet alapján 0,24, a Studenttényező értéke konstans 2,23, a mért nyíróerők átlaga 2,50 kn, így az (1)-es képletbe behelyettesítve kiszámolható, hogy a méretezési nyíróerő értéke Fm=2,34 kn. Fny [kn] K 2 5754-6082 23,56 5 2,7 3 4,4 3,90 G 2,55 K 5 5754-6082 23,59 5 2,7 3 4,4 6,50 Ny 2,45 K 6 5754-6082 23,79 5 2,7 3 4,4 4,65 G+F 2,80 K 7 5754-6082 23,26 5 2,7 3 4,4 4,35 G 2,35 K 8 5754-6082 23,29 5 2,7 3 4,4 4,50 G 2,75 K 9 5754-6082 23,26 5 2,7 3 4,4 4,50 G 2,55 K 11 5754-6082 23,45 5 2,7 3 4,4 4,55 G+F 2,55 S-M 1 5754-6082 23,45 5 2,7 3 4,4 3,80 G 2,40 S-M 2 5754-6082 23,40 5 2,7 3 4,4 5,70 Ny+F 2,25 S-M 3 5754-6082 23,51 5 2,7 3 4,4 4,30 G+F 2,85 S-M 6 5754-6082 23,48 5 2,7 3 4,4 5,25 Ny+F 2,05 Átlag: 4,73 2,50 G: kigombolódott kötés Ny: elnyíródott kötés F: fröcskölés jelentkezett Kötés jele 20. táblázat 2. sorozatba tartozó kötések szakítóvizsgálatainak eredményei Anyag I [ka] t [per] 6082-6082, [1 mm + 1,5 mm] Fe [kn] te [per] Fs [kn] Heglencse átmérő [mm] Egyéb Fny [kn] 2 6082 23,33 5 2,7 3 4,4 4,90 G 3,05 4 6082 23,33 5 2,7 3 4,4 4,30 G 3,00 5 6082 23,29 5 2,7 3 4,4 4,70 G 2,90 6 6082 23,33 5 2,7 3 4,4 4,15 G 2,85 9 6082 23,29 5 2,7 3 4,4 4,40 G 2,75 10 6082 23,33 5 2,7 3 4,4 4,95 G 3,00 SS1 6082 23,48 5 2,7 3 4,4 5,55 Ny+F 2,75 SS2 6082 23,51 5 2,7 3 4,4 5,70 Ny+F 2,65 SS3 6082 23,48 5 2,7 3 4,4 5,80 Ny 2,95 SS4 6082 23,48 5 2,7 3 4,4 5,80 Ny+F 3,00 SS5 6082 23,48 5 2,7 3 4,4 5,85 Ny 2,90 Átlag: 5,10 2,89 G: kigombolódott kötés Ny: elnyíródott kötés F: fröcskölés jelentkezett

- 48 - A 6082-es jelű ötvözetből készült 1+1,5 mm-es lemezvastagság kombinációjú kötések eredményeit a 20. táblázat foglalja össze. A (3)-as képlet alapján a minta szórása 0,13, a Student-tényező itt is 2,23, a nyíróerők átlaga pedig 2,89. Az (1)-es jelű képlet alapján így a méretezési nyíróerő értéke Fm=2,80 kn. Az 1 mm-es 6082-es ötvözet és a 1,5 mm-es 7075-ös ötvözetek kombinációjából készített ponthegesztett kötések eredményei a 21. táblázatban találhatók. Itt a sorozat szórása 0,28, a Student-tényező az előzőekhez hasonlóan 2,23, a nyíróerők átlaga pedig 3,25 kn. A kiszámított méretezési nyíróerő értéke Fm=3,06 kn. Kötés jele 21. táblázat 3. sorozatba tartozó kötések szakítóvizsgálatainak eredményei Anyag I [ka] t [per] 6082-7075, [1 mm + 1,5 mm] Fe [kn] te [per] Fs [kn] Heglencse átmérő [mm] Egyéb Fny [kn] S-Z1 6082-7075 23,56 5 2,7 3 4,4 5,40 G+F 2,85 S-Z2 6082-7075 23,56 5 2,7 3 4,4 5,00 G+F 3,55 S-Z4 6082-7075 23,59 5 2,7 3 4,4 4,00 G+F 2,90 S-Z5 6082-7075 23,56 5 2,7 3 4,4 5,30 G+F 3,45 S-Z6 6082-7075 23,62 5 2,7 3 4,4 6,00 Ny+F 2,85 S-Z8 6082-7075 23,56 5 2,7 3 4,4 4,20 G+F 3,35 S-Z10 6082-7075 23,59 5 2,7 3 4,4 5,40 Ny+F 3,00 S-Z11 6082-7075 23,56 5 2,7 3 4,4 4,90 G+F 3,45 S-Z12 6082-7075 23,56 5 2,7 3 4,4 4,85 G+F 3,50 S-Z14 6082-7075 23,51 5 2,7 3 4,4 4,15 G+FF 3,45 S-Z15 6082-7075 23,56 5 2,7 3 4,4 4,45 G+F 3,35 Átlag: 4,88 3,25 G: kigombolódott kötés Ny: elnyíródott kötés F: fröcskölés jelentkezett 24. ábra 7075-ös ötvözetből készült 1-1,5 mm-es vastagságkombinációjú kötés

- 49 - A 4. sorozat kötéseinek elkészítéséhez a 1,5 mm vastag 7075-ös ötvözetből kivágott próbadarabokon további marási műveleteket kellett elvégezni. A kombinált lemezvastagságú kötések kivitelezéséhez az egyik próbadarab 1 mm vastagságúra lett lemarva az átlapolás helyén. Így elkészített ponthegesztett kötés látható a 24. ábrán, a sorozat eredményeit pedig a 22. táblázat foglalja össze. A sorozat szórása 0,35, a Student-tényező továbbra is 2,23, a nyíróerők átlaga pedig 2,88 kn. A kiszámított méretezési nyíróerő értéke így Fm=2,64 kn. Kötés jele 22. táblázat A 4. sorozatba tartozó kötések szakítóvizsgálatainak eredményei Anyag I [ka] t [per] 6082-7075, [1 mm + 1,5 mm] Fe [kn] te [per] Fs [kn] Heglencse átmérő [mm] Egyéb Fny [kn] ZZ 2 7075-7075 22,97 5 2,7 3 4,4 5,20 G+F 2,85 ZZ 3 7075-7075 22,97 5 2,7 3 4,4 5,40 Ny+F 2,90 ZZ 4 7075-7075 22,97 5 2,7 3 4,4 5,40 Ny+F 2,55 ZZ 5 7075-7075 22,93 5 2,7 3 4,4 5,80 Ny+F 3,05 ZZ 6 7075-7075 22,97 5 2,7 3 4,4 5,80 Ny+F 3,55 ZZ 7 7075-7075 22,97 5 2,7 3 4,4 5,75 Ny+F 2,75 ZZ 8 7075-7075 23,00 5 2,7 3 4,4 5,30 Ny+F 2,55 ZZ 9 7075-7075 22,97 5 2,7 3 4,4 5,85 Ny+F 3,25 ZZ 10 7075-7075 22,97 5 2,7 3 4,4 5,90 Ny+F 2,85 ZZ 11 7075-7075 23,00 5 2,7 3 4,4 5,0 G+F 3,05 ZZ 12 7075-7075 22,97 5 2,7 3 4,4 5,15 G+F 2,55 Átlag: 5,53 2,88 G: kigombolódott kötés Ny: elnyíródott kötés F: fröcskölés jelentkezett 5.1.2. Szaktószilárdság (Rm) meghatározása Az 5.1.1-es fejezetben kiszámított méretezési nyíróerő ismeretében, valamint a nyírt keresztmetszet becslésével kiszámítható a kötések szakítószilárdsága. Ez a szakítószilárdság érték azonban csak közelítés, mivel a nyírt keresztmetszet egzakt meghatározása nem lehetséges, csupán egy kevésbé pontos érték számítható a roncsolt próbatestek heglencse átmérőinek átlagából. A különböző sorozatoknál mért heglencse átmérők átlagait is a 19, 20,21 és 22. táblázatok tartalmazzák.

- 50 - A szakítószilárdság értékek a (4)-es jelű egyenlet alapján számíthatók, a méretezési nyíróerő és a heglencsék átlagkeresztmetszetének hányadosaként. R m = 4 F m d h 2 π (4) A 4 különböző sorozatra meghatározott szakítószilárdságok értékeit a 23. táblázatban gyűjtöttem össze. Megfigyelhető, hogy a kötések szakítószilárdsága mindhárom esetben jóval elmarad az alapanyagok szakítószilárdságától. Ez a heglencsék kilágyulásának köszönhető. Alumínium ötvözetek ömlesztő hegesztése során egyenszilárdságú kötés sosem hozható létre, mivel a keletkező hő hatására a megolvadt anyagrészben lévő precipitátumok feloldódnak az ömledékben, ennek köszönhetően a megszilárdulás után a heglencse elveszti a szilárdságát adó kiválásokat. 23. táblázat A különböző kötéskombinációk közelítő szakítószilárdság értékei Kötéskombináció Heglencse Méretezési Szakítószilárdság átmérők átlaga nyíróerő d Rm [MPa] h [mm] Fm [kn] 5754-6082 4,73 2,34 133 6082-6082 5,10 2,8 137 6082-7075 4,88 3,06 164 7075-7075 5,53 2,64 110 5.2. Roncsolásmentes vizsgálatok A szemrevételezés mellett a 2. és 3. sorozat elemeiből kiválasztottam kötéseket, melyekből csiszolatok készültek. A 25. ábrán a 2. sorozatból választott kötés metszete látható különböző nagyításokban, a 26. ábrán a 3. sorozatból választott kötés látható ugyanazon nagyításokban.

- 51-12,5-szeres nagyítás 25-szörös nagyítás 25. ábra 6082-es ötvözetből készült 1 + 1,5 mm-es kötés csiszolata 12,5-szeres nagyítás 25-szörös nagyítás 26. ábra 1 mm-es 6082-es és 1,5 mm-es 7075-ös ötvözetekből készült kötés csiszolata A 25-szörös nagyítású képek a keménységmérés előtt, a 12,5-szeres nagyításúak a keménységmérés után készültek, így az utóbbiakon látható pontsorok a keménységmérő eszköz lenyomatai. A 27. ábrán látható keménységmérési eredmények mindkét esetben a vékonyabb lemezből kiindulva (a diagramon negatív távolság) a vastagabb lemez felé haladva (a diagramon a pozitív távolság) lettek elkészítve. Mindkét esetben megfigyelhető, hogy a beolvadás megfelelő mélységű mind a két alapanyag esetén, továbbá jól látható a heglencsék dendritkristályos szerkezete. A 26. ábrán egyértelműen megkülönböztethetőek az eltérő alapanyagok, valamint jól látható, hogy a 7075-ös alapanyagú lemezben a hőhatásövezet több részre osztható, mint a 6082- es ötvözet esetén, amely az alapanyagok különböző kristályosodási módjainak köszönhető. A 27. ábrán egyértelműen látszik, hogy mindkét kötés esetében a legalacsonyabb keménységű szövet a varratban található és mindkét esetben jelentkezett