Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézet JÁRMŰIPARI VÉKONYLEMEZEK ÍV- ÉS ELLENÁLLÁS-PONTHEGESZTÉSE Mitró Lajos WIH6AS 3950 Sárospatak, Hunyadi utca 15.
TARTALOMJEGYZÉK 1. Vékonylemezek alkalmazhatósága és hegeszthetősége... 4 1.1 Bevezetés... 4 1.2 Anyagtudományi fejlesztések az autóiparban... 6 1.2.1 Anyagtudományi alapok... 6 1.2.2 Autóiparban alkalmazott acélok... 7 1.3 Autóipari vékonylemezek alkalmazása... 13 1.3.1 Vékonylemezek alkalmazhatósága... 13 1.3.2 Horganyozás technológiája... 15 1.3.3 Bevonatos autóipari vékonylemezek hegeszthetősége... 19 2. Az ív- és ellenállás-ponthegesztés összehasonlítása... 23 2.1 Hegesztő eljárások rövid áttekintése... 23 2.2 Ellenállás-hegesztés... 24 2.2.1 Ellenállás-hegesztő eljárások... 24 2.2.2 Az ellenállás ponthegesztés technológiája... 25 2.2.3 Ellenállás ponthegesztés berendezései... 29 2.2.4 Az ellenállás ponthegesztés alkalmazhatósága... 30 2.4 Ív-ponthegesztés... 32 2
2.4.1 Ívhegesztés alapjai... 32 2.4.2 Ív-ponthegesztéshez használt eljárások... 33 2.5 Ellenállás- és ív-ponthegesztés összehasonlítása... 36 3. Ellenállás ponthegesztési kísérlet... 38 3.1 A hegesztendő alapanyag vizsgálata... 38 3.2 Ellenállás ponthegesztési kísérlet... 44 4. Ív-ponthegesztési kísérletek... 58 4.1 AWI ív-ponthegesztési kísérlet... 58 4.2 A VFI ívpont-hegeszési kísérlet... 64 4.3 Összehasonlítás... 68 5. Összefoglalás... 69 3
1. VÉKONYLEMEZEK ALKALMAZHATÓSÁGA ÉS HEGESZTHETŐSÉGE 1.1 Bevezetés Az autógyártás által támasztott követelményeknek legmegfelelőbb anyag kiválasztása több szempont alapján történik. Ez az évtizedek során változott, kezdetben az önsúly nem volt meghatározó tényező, ennek részben a nyersanyagok világpiaci árának alakulása az oka, illetve a környezetvédelmi előírások sem voltak oly szigorúak, mint napjainkban. A többlet súly által generált magasabb fogyasztás sem volt elrettentő erő az alacsony olajáraknak köszönhetően. Napjainkban elsősorban az alapanyag költsége az, amely meghatározza egy szerkezet anyagát. Ebből a szempontból az acél kézenfekvőbb választás, mint az alumínium. Az Al előállítási és feldolgozási költségei meghaladják az acélét, ugyanakkor egy korszerű nagyszilárdságú acél (AHSS) szerkezet tervezési és gyártási költsége nem haladja meg egy általános szerkezet költségét [1]. Mivel az elsődleges szempontnak a költségek tekinthetők, így belátható, hogy általános nem exkluzív gépkocsik- esetében az acélból gyártott gépkocsi elemek az előnyösebb megoldás. Emellett jól megfigyelhető trend, hogy növekszik a könnyűfémek, szálerősítéses kompozitok és különböző polimerek alkalmazási területe. Készülnek magasabb vásárlói igényeket kielégítő szerkezetek alumíniumból, vagy alumíniummagnézium ötvözetből is, de a témaválasztást figyelembe véve ezekről nem teszek külön említést. Autóipari fejlesztések esetén az ipar és a felhasználók igényei által felállított követelmények gyakran szöges ellentétben állnak egymással. Felhasználói szempontok az alacsony ár, alacsony fenntartási és üzemelési költségek, ugyanakkor a minél biztonságosabb és kényelmesebb járművek. Ezen felül bizonyos törvényben leszögezett előírásoknak is meg kell felelnie az adott járműnek, elsősorban környezeti terhelés csökkentése és a személygépkocsiban utazók biztonsága szempontjából. A felsorolt kritériumok egy része összhangban van egymással, a járművek tömegének csökkentése több szempontból is megfelelő tendencia, egyrészt mérsékli a járművek környezet 4
szennyezését a súly csökkentése révén, másrészt a csökkentett súly alacsonyabb fogyasztással jár, így felelve meg a vásárlók igényeinek. Ugyanakkor a súly csökkentésével a biztonsági szempontok által támasztott követelményekkel találjuk szemben magunkat, melyek körültekintő tervezőmunkát és anyagválasztást igényelnek. A sokoldalú igényeknek megfelelve egyre nagyobb szilárdságú acélok alkalmazása felé halad az autóipar, azonban a szilárdság növelésével az anyagok alakíthatósága jellemzően csökken, miközben az alakíthatóság a személygépkocsi karosszéria elemek gyártásának egyik kulcskérdése. Napjainkban is folynak az ellentmondásos követelményeknek is megfelelő acélok anyagtudományi fejlesztése. A következő ábrán az elmúlt 35 év legfontosabb anyagtudományi fejlesztéseit mutatja az autóipar által használt acélok területén [Error! Bookmark not defined.]. 1. ábra Acélfejlesztési eredmények az autóipari lemezanyagok területén 5
1.2 Anyagtudományi fejlesztések az autóiparban 1.2.1 Anyagtudományi alapok Az alacsonyabb önsúly (saját tömeg) elérésére érdekében tett törekvések eredménye, a képlékenyen alakított vékonylemezekből készült vázszerkezet és karosszéria burkolat. Ez ellentmondást szül, ugyanis a súlycsökkentés érdekében vékony, de nagy szakítószilárdságú acéllemezeket dolgoznak fel, melyek hideg alakítás során könnyen tönkremehetnek. Ezen probléma kiküszöbölésére tett erőfeszítések eredménye az AHSS acélok. 2. ábra A szakítószilárdság-fajlagos nyúlás kapcsolata[2] A 2. ábra az acélok szakítószilárdsága és a fajlagos nyúlása közti kapcsolatot mutatja be. A szakító szilárdság és a fajlagos nyúlás szorzatából képzett érték, k m =20000 alatt van. A korszerű nagyszilárdságú acélok csoportjába tartoznak a DP (kettős fázisú), a TRIP (fázisátalakulással indukált képlékenységű), a CP (komplex fázisú) és a MART (martenzites nagyszilárdságú acél) típusú acélok [3]. A téma megértéséhez elengedhetetlen a vas-karbon szövetszerkezetek ismerete. A vas 6
szobahőmérsékleten az ferrit rácsszerkezetbe, térközepes rácsba rendeződik, mely 0.022 % karbont képes oldatban tartani. 912 C-on -ausztenitté alakul, mely felületen középpontos rácsba rendeződik. 2.14 % karbont képes oldatban tartani. 1395 C felett a -ferrit a stabilabb rácsszerkezet, így az ausztenit ferritté alakul, mely 1538 C-on megolvad. A cementit az Fe 3 -C fémes vegyület elnevezése. Kemény rideg vegyület. Több szövetszerkezetben is megtalálható. A perlit az austenit bomlási terméke. A 1 hőmérséklet közelében a vaskarbid kristályosodási képessége nagy, így kiválik az ausztenit szemcsék határára. Az eredeti ausztenit szemcséből feléjük diffundáló C atomok beilleszkedésével a vaskarbid hosszirányban gyorsabban növekedve cementit lemezekké nőnek. A cementit lemezek között a maradék ausztenit rácsátrendeződéssel -fázissá, ferritté alakul. Ha eutektoidos acélt homogén ausztenites mezőből 450 C-os hőmérsékletnél alacsonyabb hőmérsékletre hűtjük, és állandó hőmérsékleten (izotermán) tartjuk, akkor az átalakulás bainites mechanizmussal játszódik le. Hasonlóan a perlithez ferritből és vaskarbid lemezekből áll. Martenzites átalakulás esetén az ausztenitben oldott karbon atomok a gyors hűtés hatására nem hoznak létre Fe 3 C vegyületet a vassal, diffúzió mentes átalakulás. A gyors hűtés során a C atomok bent rekednek az ausztenit rácsban, így jelentős rácstorzulást okozva. A beékelődött C atomok miatt a martenzit kristálytani síkjai nem síkok, így egymáson való elcsúszásuk csak nehezen valósul meg, ezért a martenzit elegendően nagy karbon tartalom mellett nagyon rideg szövetelem [4]. 1.2.2 Autóiparban alkalmazott acélok Hagyományos lágyacélok (Mild steels): A gépkocsigyártásban a mai napig alapvető fontosságúnak számító acélcsoport. Ezek az acélok jellemzően jól alakíthatók, de kis folyáshatárral rendelkeznek így autóipari alkalmazhatóságuk korlátozott. Napjainkban is alkalmazzák, ahol a szerkezetnek alárendeltebb a jelentősége az utas biztonság szempontjából és nagy mennyiségben kerülhet alkalmazásra, mint például a karosszéria burkolata. Legnagyobb előnye az alacsony ára és a kiváló alakíthatósági mutatók, de felhasznált mennyiségük csökkenő 7
tendenciát mutat [5]. Hidegalakítás hatására jelentősen keményednek, de kezdeti állapotukban jelentős nyúlások érhetők el. Jellemzően az ütközés során nem teherviselő, de a szerkezet stabilitása miatt létfontosságú elemeket készítik ilyen típusú acélból. Szakító szilárdságuk 270-370 MPa közötti tartományba esnek, 32-43 % szakadási nyúlással. Leggyakoribb ötvözői a Cr, Co, Ni, Ti, W, V, Zr, Mn, Si, alumíniummal megnyugtatva. Égetés során keményedő acélok (Bake hardening steels): Az autóiparban az egyik kulcskérdés az anyagok szilárdságának növelése az alakíthatóság megtartása mellett. Ennek a követelménynek tesz eleget az égetés során keményedő acélok csoportja, mely a hasonló tulajdonságokat mutató erősen ötvözött acélok csoportjánál lényegesen olcsóbb. A jó alakíthatóságot a karbon oldott állapotban tartásával érik el, melyet a folyamatos lágyítás technológiájával érnek el. Hőkezelés előtt ezen acélok fajlagos nyúlása igen nagy, a folyáshatára alacsony a ferrites szövetszerkezetüknek köszönhetően, mely kedvező az alakítási munka és erő szempontjából. Az oldott állapotú karbon csak a kiégetés hőmérsékletén válik ki, mely jelentős folyáshatár növekedést eredményez. A készre sajtolt elemeket a festés utáni kiégetés során, nagyjából 170 C-on hőkezelik jellemzően 20 percig, majd gyors hűtéssel az eddig oldatban tartott karbon az alakítás során megnövekedett számú diszlokációk expandált zónájába diffundálva eredményez jelentős folyáshatár növekedést. Mn és Si ötvözők adagolásával csökkenthető a szemcseméret, változatlan, vagy kevesebb interstíciósan oldott karbon mellett [Error! Bookmark not defined.]. Mivel hőkezelést megelőző alakításnak nagy jelentősége van a késztermék mechanikai tulajdonságaira és az autóiparban feldolgozott lemezek alakítási mértéke széles skálán mozog, ezért eltérő mértékben lesznek az elemek alakítva, így fontos az előzetes tervezés [6]. A hőkezelés után kialakult szövetszerkezet jellemzően ferrites [3]. Nagyszilárdságú gyengén ötvözött acélok (HSLA): A nagyszilárdságú gyengén ötvözött acéloknak számos kedvező tulajdonsága van, ide sorolható a nagy szakító szilárdság (400-800 MPa), jó alakíthatóság, jó hegeszthetőség, kis átmeneti hőmérséklet és a ridegtöréssel szembeni jó ellenálló képesség. Ezeket a tulajdonságokat kis mennyiségű ötvöző alkalmazásával érik el. Jelentősebb mennyiségben csak a mangán van jelen ötvözőként, melynek mennyisége 1-1,7 % között változik. A Mn az oldódási szilárdságnövelési mechanizmuson keresztül fejti ki szilárdságnövelő hatását. Ezen felül növeli az alakítási keményedést, csökkenti az átmeneti hőmérsékletet, vagyis a ridegtörési hajlamot. Túlzott mennyiségben csökkenti a martenzites 8
átalakulási hőmérséklet kezdetét így az alakíthatóságot és rontja a hegeszthetőséget. A karbon csak kis mennyiségben lehet jelen, 0,1-0,2 %-ban, ugyanis rontja a ridegtöréssel szembeni ellenálló képességet, a hegeszthetőséget és az alakíthatóságot. Mikro-ötvözőként V-ot, Ti-t, Alot, N-t tartalmazhat, melyek mennyisége a 0,15 %-ot nem haladhatja meg. A mikroötvözők a kiválásos keményedéssel, oldódási keményedéssel, illetve a szemcsefinomító hatásuk révén segítik a kristályhatárok szilárdságnövelő hatását [7]. 3. ábra HSLA acél szövetszerkezete A HSLA acélok kiemelkedő tulajdonságait a gyártás során érik el, optimális hőmérsékleten végzett képlékeny alakítással, majd az azt követő szabályozott hűtési eljárással. Kiemelkedő szerepe van a megfelelő tulajdonságok elérésében a szemcsefinomításnak. Ezért az Nb, V, Ti és Al mikroötvözők a felelősek. Amennyiben az ötvöző rosszul oldódik ausztenitben, a szemcsehatárokra válik ki és így akadályozza a krisztallitok növekedését. A ferritszemcsék méretét tovább az is befolyásolja, hogy az alakítást követően újrakristályosított, vagy rekrisztallizáció mentes szemcsékből keletkezett. 9
Kettős-fázisú acélok (Dual-phase steels): A korábban említett acélok tulajdonságai kiválóak, de így sem elégségesek az autóipar által támasztott minden követelmény kielégítésére. Ezért indult meg az anyagtudományi fejlesztés egy olyan acél irányába, mely a HSLA szilárdsági mutatóival rendelkezik, de fajlagos nyúlása számottevőbb annál. A DP acélok mikro-szerkezete 20-70 % kemény martenzit szigetekből és lágy ferrit mátrixból áll [8]. Ez a típusú mikroszerkezet lehetővé teszi az 500-1200 MPa-os szakítószilárdság elérését [8]. 4. ábra Ferrit martenzites szövetszerkezet A DP acélok gyártási folyamata ausztenites fázisból induló kontrollált hűtéssel kezdődik melegen hengerelt darabokban, vagy ferrit-ausztenit fázisból hidegen hengerelt tűzi-mártó eljárással készült darabokban. Ezután gyors hűtési szakasz következik, amely a maradó ausztenitet martenzit rácsba kényszeríti. A fenti ábrán látható, hogy a ferrit mátrixot martenzit szigetek szakítják meg, melynek köszönhetően remekül nyújthatóak ezek az acélok. Ha deformáció következik be, a képlékeny alakulás a martenzit szigeteket körülölelő lágy ferrit mátrixban koncentrálódik, ez okozza a nagy alakítási keményedést [8]. A DP acélok mikroszerkezetét a martenzit-ferrit aránya határozza meg. Ezt az arányt precízen változtatva és megfelelő ötvözőket alkalmazva az igényeknek megfelelő mechanikai tulajdonságokkal rendelkező acél készíthető. Jellemző ötvözői a Mn (1,5-2,5 %), Si, Cr, Mo (0,4 %), V (0,06 %), Nb (0,04 %), a Mn csökkenti a fázisátalakulási hőmérsékletet, növeli a szilárdságot és csökkenti az átmenet hőmérsékletet, azaz a ridegtörési hajlamot. [Error! Bookmark not defined.] A Nb, 10
Ti és V hűlés közben stabil karbidokat, nitrideket képeznek. A karbon tartalom 0,1 % alatt van, amennyiben magasabb mennyiségben van jelen, jelentősen rontja a hegeszthetőséget. A DP acélok jól hegeszthetők az autóiparban alkalmazott hegesztési eljárásokkal, mint az ellenállásponthegesztés, és ívhegesztés. Meleg alakításra kifejlesztett Mn-B acélok: Ezt az acéltípust kifejezetten autóipari alkalmazásra fejlesztették ki. Bórral mikroötvözött acél, mely jelentősebb mennyiségben csak Mn-t tartalmaz ötvözőként. Minimális mennyiségben még Al-Ti-Cr mikro ötvözők vannak jelen. Edzés előtti állapotban a szakítószilárdsága 300-350 MPa körül alakul, melyhez jelentős nyúlás társul (A 80 =20 %). A kis szilárdságnak és a nagy fajlagos nyúlásnak köszönhetően az Mn-B acélok alakíthatósága kifejezetten jó. Alakítás előtt 900-950 C-ra, az austenites mezőbe hevítik, majd alakítás után, az alakító szerszámmal együtt hűtik, v h = 50 C/s sebességgel. Ilyen gyors hűtés hatására az szövetszerkezet martenzites lesz, melynek szakító szilárdsága meghaladja az 1500 MPa-os értéket. E tulajdonsága teszi alkalmassá olyan elemek gyártására, ahol a nagy szilárdság az elsődleges kritérium, mint az ajtó-, tető-elemek, A és B oszlopok, melyeknek ütközés esetén igen nagy terhelésnek kell ellenállniuk. Fázisátalakulással indukált képlékenység (TRIP steels): A TRIP acélok a nagyszilárdságú autóipari acélok egy újabb fejlesztési állomását jelentik. A TRIP acélok mikro-szerkezete maradék austenit (5 %), ferrit mátrixba ágyazva, továbbá martenzit és bainit van jelen, változó mennyiségben. A következő ábrán TRIP acél mikro-szerkezete látható [9]. 11
5. ábra TRIP acél szerkezete Deformáció esetén az egyenletesen eloszlott másodlagos kemény fázis a puha ferrit mátrixba ágyazva nagy alakítási felkeményedést okoz. A TRIP acélok a DP, vagy HSLA acélokhoz viszonyítva jobb alakíthatósággal, nagyobb keményedőképességgel és magasabb folyáshatárral jellemezhetők. Ezek a tulajdonságok teszik lehetővé széleskörű autóipari alkalmazását [10]. 6. ábra Hagyományos és TRIP acélon végzett próbaalakítás Komplex fázisú acélok (CP Steels): A CP acélok átmenetet képeznek a hagyományos és a HSLA acélok között. A CP acélok mikro-szerkezete kis mennyiségű martenzitet, maradék ausztenitet és perlitet tartalmaz ferrit-bainites mátrixba ágyazva. A 2. ábrán látható, hogy a CP acélok a k m =15000-nek megfelelő görbén helyezkednek el, vagyis a meglehetősen nagy szakítószilárdsághoz nagy fajlagos nyúlás társul. Az elmúlt két évtized fokozott anyagtudományi fejlesztéseinek végeredményeképpen két új acélcsoport jött létre. A szakítószilárdság és a fajlagos nyúlás szorzataként képzett k m érték az extra nagy szilárdságú (XHSS) acélokra k m =40000, míg az ultra nagy szilárdságú (UHSS) acélokra k m =60000 [Error! Bookmark not defined.]. Az extra nagy szilárdságú acélok a TRIP acélok továbbfejlesztéseként jöttek létre. Három fő típust fejlesztettek ki, az FB-TRIP, az SB-TRIP és az M-TRIP acélokat. Ezeket az acélokat egyedi felhasználói igényeknek megfelelve hozták létre. Az FB-TRIP acélok a nagy szilárdság mellett jelentős peremnyújtási és lyuktágítási 12
képességgel is rendelkezik. Mikro-szerkezete ferrit és bainit szövetelemeket tartalmaz, a ferrit a jó nyújthatóságot, míg a nagy szilárdságot a bainit mint második fázis biztosítja. Az SB-TRIP acélok szövetszerkezetében nanoméretű lemezes bainit mátrixban, kis mennyiségű ausztenit található. Nagy folyási határ Rp 0.2 =900 MPa, és igen nagy szakító szilárdság R m =1600 MPa jellemzi, melyhez kimagaslóan jó fajlagos nyúlási érték tartozik, (A 5 =27-30 %) [Error! Bookmark not defined.]. Az M-TRIP acélok mikro-szerkezetében martenzit mátrixba ágyazott maradó austenit található [Error! Bookmark not defined.]. 1.3 Autóipari vékonylemezek alkalmazása 1.3.1 Vékonylemezek alkalmazhatósága A korábban áttekintett acélok jól viselik a dinamikus terheléseket, fajlagos nyúlásuk a kedvezőbb tartományba esik, szakítószilárdságuk és keménységük nagy. Ezen tulajdonságok teszik lehetővé, hogy olyan esetekben ahol kiemelten fontos, hogy dinamikus terhelés hatására (ütközés) a szerkezet ne deformálódjon, és ne következzen be törés, nagyszilárdságú vékonylemezekből gyártott elemekből készíthessék. Az autóipari vékonylemezeknek komplex igényeknek kell megfelelnie, a különböző kötéstechnológiákkal történő egyesítés előtt jellemzően hidegen alakítják, majd ezután egy, vagy többféle felületkezelő eljárással feldolgozzák, ez lehet fémes, vagy nem fémes bevonat, zománcozás, festés. Ezek a nagy szilárdsággal rendelkező elemek jellemzően az utastér körül helyezkednek el, melyek közvetlenül felelősek a személy biztonságáért. A szerkezetek tömege kellően kis szinten tartható, kielégítve a vásárlók igényeit a személygépkocsik fogyasztásának terén, és a vonatkozó környezetvédelmi előírásokat is betartva, ugyanakkor kellő mechanikai szilárdsággal rendelkeznek, hogy a szigorú biztonsági előírásoknak is megfeleljenek. Ezen elemeknek nem csupán egy esetleges frontális ütközés esetén felszabaduló energiáknak kell ellenállni és elvezetni, hanem az utastér előtt elhelyezkedő motorról leszakadó darabok becsapódásától is óvni kell az utastérben tartózkodókat. Oldal irányból történő ütközés az utasok biztonsága 13
szempontjából különösen kritikus, mert csupán néhány elem helyezkedik el a személy és a becsapódó tárgy között, ezért a lehető legkisebb deformáció mellett kell elvezetniük a felszabaduló energiákat, így igen nagy mechanikai szilárdsággal kell rendelkezniük [10]. Az AHSS acélok nem csak a piac igényeit elégíti ki. Az egyre fejlődő szoftveres tervezés segítségével a tömeg olyan kicsire csökkenthető, hogy a felhasznált alapanyag ára a gyártók számára is megfelelő szinten tartható. Gyártástechnológiai szempontból is jól teljesítenek az ilyen acélok, fajlagos nyúlásuk kellően magas ahhoz, hogy képlékenyalakítással változatos szelvényű elemeket gyárthassanak az alapanyag károsodása nélkül, esetleg az anyag alakítási keményedését is kihasználva. Ugyanakkor nem minden esetben előnyös, ha a szerkezet az esetlegesen fellépő erők hatására sem deformálódik. A személygépjárművek első és hátsó részének felépítménye alacsonyabb szilárdságú zónákból tevődik össze, mint az utastér körüli részek. Erre mutat példát a 7. ábra [11]. 7. ábra Acélminőségek eloszlása egy modern személygépkocsi karosszériájánál Ezek az úgynevezett gyűrődési zónák ütközés esetén nagymértékű maradó alakváltozást szenvednek, lehetőleg törés nélkül, így elnyelik az ütközés energiáját. Ezek a hagyományos nagyszilárdságú acélok kis folyás határ mellett nagy alakítási keményedéssel és jelentős nyúlással jellemezhetők. Ezek szerepe ugyan olyan fontos az utas biztonság szempontjából, mint a belső teret védő elemeké. Szoftveres tervezéssel és szimulált káresetekkel nagy biztonsággal 14
számítható, hogy ütközés esetén hogyan viselkedik az adott szerkezet. Az autóiparban alkalmazott vékonylemezekkel szemben támasztott komplex követelményeket a következőkben foglaltam össze: - olcsóság, - alakíthatóság, - nagy szilárdság, - hegeszthetőség, - felületkezelésre való alkalmasság. 1.3.2 Horganyozás technológiája Az alábbiakban áttekintem az iparban leggyakrabban alkalmazott felületkezelő eljárást, a horganyzást. A horganyozás technológiájának célja, hogy az acél felületén egy pórusmentes, mechanikai és kémiai hatásoknak is ellenálló bevonatot hozzanak létre. A horgany bevonatnak több előnyös tulajdonsága is van. A felvitt Zn előnyös korrózióvédelmi tulajdonságát a pozitív jellege és negatív elektródpotenciálja adja. A felületre felvitt horgany bevonat anódos védelmet biztosít a szerkezetnek. Ennek oka, hogy a cink a fémek feszültségi sorában elektronnegatív, vagyis a cink könnyebben korrodálódik a vashoz képest, amennyiben a két fémet elektroliton keresztül kapcsolatba hozzuk egymással. A fémeknek ezt a tulajdonságát, vagyis a horganybevonat katódos védőhatását, galvanikus korróziónak nevezik. Amennyiben a felvitt horgany külső mechanikai erő hatására sérülést szenved egészen az alapfémig, úgy elektrolit vízcsepp- jelenlétében galvánelem alakul ki, melynek anódja a Zn bevonat, katódja az Fe lesz. A folyamat során a Zn anódosan oldódni fog, eltömíti a sérülést és védi a szerkezetet. Ez a folyamat addig tud lejátszódni, amíg a sérülés környezetében jelen van a Zn, ez nagyjából 2-3 mm-es távolságot jelent. A horganybevonat másik fontos tulajdonsága korrózióvédelmi szempontból, hogy a felületén egy passzív réteg alakul ki. A felületén az oxidációs folyamatok hatására cinkkarbonát 15
réteg keletkezik, mely a védelmet biztosítja. Ez a védőréteg az úgynevezett cinkpatina, mely egy stabil, vízben oldhatatlan védőréteget képez. A védőréteg kialakulásának feltétele, hogy a friss bevonatot ne érje folyamatos nedvesség, azaz kontrollált körülmények között szükséges tárolni bevonatolás után. Összességében így a cinknek kétféle védelmi mechanizmusa van, egyrészt fizikailag elszigeteli az alapfémet a környezettől, másrészt a sérült bevonat elektrokémiai folyamat útján képes megőrizni védelmi funkcióit és megakadályozni az alapfém károsodását [12]. A horganyzott szerkezet felületi védelme függ a felvitt horgany vastagságától és porózusságától. A technológia fejlődésével egyre több eljárást vezettek be, ezek közül az autóiparban legelterjedtebb technológia a tűzi-mártó horganyzás, melynek technológiáját részletesen kifejtem. Ezen felül gyakran alkalmazott eljárás az elektrolitikus horganyzás, illetve a fémszórás. A tűzi-mártó horganyzásnak két nagy típusa van, a folyamatos eljárás és a szakaszos eljárás. A folyamatos horganyzás során a termék megállás nélkül folyamatosan halad át a technológiai fázisokon, jellemzően lemeztekercsek, szalagok, huzalok felületkezelésére használják. A szakaszos eljárás során a termék szakaszosan halad az egyes folyamatok között, jellemzően csövek, rudak, kisméretű termékek horganyzására használják. Az autóiparban a folyamatos horganyzás technológiája terjedt el, automatizálhatósága és reprodukálhatósága miatt. A bevonat vastagságát, mechanikai jellemzőit, megjelenését, összetételét pontosan lehet szabályozni. A munkadarabok félkész, vagy késztermékek, ugyanis további megmunkálás során a horganyzott réteg sérül és ebben az esetben csökken, vagy teljesen megszűnik a védőértéke. Folyamatos gyártás keretében a Sendzimir rendszerű technológia a legelterjedtebb, erről a következő képen láthatunk egy sematikus ábrázolást. 16
8. ábra Sendzimir technológia A horganyozáshoz szükséges horgany kötegelve, vagy tömbök formájában érkezik az üzembe. A pácoláshoz szükséges vegyszerek műanyag, üvegedényben, vagy közúti tartálykocsikban érkezik az üzembe, melyet az előírásoknak megfelelően tárolnak. Horganyozás előtt elengedhetetlen a felület zsírtól, olajtól, kenőanyagoktól való megtisztítása. Ezt általában lúgos zsírtalanító fürdőkben végzik. A feloldódott zsírokkal, olajokkal telített instabil emulzió alacsonyabb sűrűsége miatt felúszik a zsírtalanító fürdő tetejére, ahonnan azt eltávolítják. A zsírtalanító fürdő hőmérséklete, összetétele, koncentrációja és a kezelési idő határozza meg a kezelés minőségét. Nem megfelelő zsírtalanítás esetén, a felületen maradt szennyezőanyagok nem csak a szennyezett munkadarab minőségét rontják, de fenn áll annak is a veszélye, hogy a soron következő kádat is beszennyezik [13]. A felületen lévő rozsda, öntési kéreg, reve eltávolítása céljából a darabokat higított sósavban pácolják, 2-16 % közötti sósav koncentrációval. A pácolás során a fürdő savtartalma csökken, melyet pótolni kell. 17
Következő lépésként a darabokat öblítik, melynek célja a soron következő kezelőfolyadékok élettartamának hosszabbítása. Öblítést követően a fluxolás művelete következik, melynek célja, hogy a horgany megfelelően nedvesíteni tudja a munkadarab felületét, amely a horganyzás során lejátszódó kémiai folyamatok alapfeltétele. A mártó-horganyozás művelete során a munkadarabokat kis sebességgel beleengedik a horganyolvadékba. Merítéskor a vas reakcióba lép a horgannyal és a munkadarab felületén Zn- Fe ötvözeti rétegekből álló bevonat jön létre, amelyre kiemeléskor egy tiszta horganyréteg rakódik le. A merítés időtartama a munkadarab méretétől függhet. A horganyolvadék hőmérséklet rendszerint 440-475 C között van. A horganyozó kádakat gáz, olaj, vagy villamos fűtéssel hevítik. A horganyolvadék kisebb mennyiségben egyéb elemeket is tartalmaz, melyek lehetnek szennyező anyagok, vagy az olvadékhoz adagolt ötvözők is. Ilyen pl.: a Pb, Fe, Al, Cd, Sn, Cu. A merítés során különböző kémiai folyamatok játszódnak le, a cink a vasba diffundál, így az acél felületén többfázisú, intermetallikus fázisokból álló fémes bevonat jön létre. A horganyozás során mérgező gázok szabadulnak fel, melyeket elszívással el kell távolítani. Utókezelés során a horganyzott munkadarabokról a felesleges horganyt rázással, vagy lehúzással eltávolítják. Ezután a darabokat hagyják lehűlni, majd minőségi ellenőrzés következik [13]. Az acél felületére felvitt Zn és a jelenlévő Fe között a diffúziós zónában átmeneti réteg alakul ki. Az alapanyag összetételének jelentős hatása van a bevonat minőségére. Másik elterjedt felületvédelmi eljárás az elektrogalvanizálás. Az eljárás nagyban különbözik a tűzimártó horganyzás technológiájától. A galvanizált felület korróziós védelme nem lesz megfelelő kültéri alkalmazásra, a bevonat jellemzően véknyabb és nem jön létre a tűzi-mártó eljárás során kialakuló átmeneti réteg. Ennek eredményeként a bevonat sérülékenyebb, kevésbé kötődik az alapfémhez. Az eljárás előnye, hogy a bevonat külső megjelenése esztétikusabb, a fürdő összetételének módosításával különböző színű bevonatok is felvihetők a felületre, illetve szigetelő bevonat felvitelével a darab tetszőleges részein megtartható az alapfém, pl hegesztés céljára. 18
Az eljárás során a bevonatolni kívánt darabokat a bevonatot adó fém sójából és oldószerből álló fürdőbe mártják, ez az elektrolit. A fürdőbe egy fémtestet engednek, mely nem vesz részt a kémiai reakcióban, ez az anód szerepét tölti be. Ez készülhet a bevonat anyagából, vagy egyéb olyan fémből, mely ellenáll a kémiai folyamatoknak. A bevonatolás céljából az elektrolitba merített darabokat a negatív pólusra, vagy katódként kötik. A fürdő összetétele a bevonat anyagától, az alapfémtől, és a bevonat kívánt vastagságától függ. A fürdő összetételének több szempont szerint kell megfelelnie: - a felületre felvitt fém sóit tartalmazza, melyből a bevonat létrejön, - vezetnie kell az áramot, - tartania kell az oldat ph értékét, - stabilizálnia kell az oldatot a hidrolízis ellen [14]. A negatív és pozitív pólus között folyó áram hatására a fürdőben oldott sóból a cink kicsapódik a negatív pólusként kötött fémen. Az alapfém és a bevonat között igen vékony ötvözeti zóna alakul ki. Az eljárás során egyenáramot használnak, melynek erőssége függ a fürdő összetételétől, 1 és 500 A/m 2 között változik. A bevonat vastagsága a fürdő idejétől függ, hosszabb időhöz nagyobb bevonat vastagság tartozik. Az elektrogalvanikus felületkezelés viszonylag egyszerű és gyors eljárás, előnyei inkább beltéri alkalmazás esetén számottevő, viszont hátrányai az ipari alkalmazás számára nehezítik a felhasználását. A bevonat vastagsága nem egyenletes, összetétele nem biztosított, nincs az alapfém és a bevonat között megfelelő kapcsolat, a bevonat sérülékeny. Az összetétel és vastagság változása miatt hegeszthetőség szempontjából is alárendelt. 1.3.3 Bevonatos autóipari vékonylemezek hegeszthetősége Az autóipari vékonylemezeken többféle módszerrel lehet hegesztett kötést létrehozni. A vékonylemezeken, különösen a bevonatos lemezeken létrehozott kötéseknek meg kell felelnie az ipar által megkövetelt magas minőségi elvárásoknak. Vékonylemezek használatának célja a szerkezetek tömegének csökkentése, a szilárdság megőrzése mellett. A vékonylemezek 19
használata az elmúlt években jelentős mértékben növekedett. A leggyakrabban alkalmazott bevonatos lemezek, cink, vagy cinkötvözet bevonatúak. A réteges szerkezetű bevonat vastagsága 15-25 μm. A bevonat szerkezete a következő ábrán látható [15]. 9. ábra Tűzi-mártó eljárással készített bevonat keresztmetszeti képe Hegesztés során ez a cink bevonat kisebb-nagyobb területen leég, a technológiától függően. A hegesztett kötés tervezésekor figyelembe kell venni a cink-szulfidokat, melyek a varratban maradhatnak és növelik a melegrepedékenység kockázatát [16]. A horgany forráspontja 906 C, így ahol a hőmérséklet eléri ezt az értéket ott a lemez felületéről a horgany elpárolog. A varrat közvetlen környezetében a horganybevonat leég a darab felszínéről. Az elpárolgott horganygőz mennyisége függ a bevonat vastagságától és hegesztési hőbeviteltől. A varratból a gáz távozása a hegfürdő létidejétől és viszkozitásától függően vagy végbemegy, vagy csak részlegesen történik meg. Ebben az esetben, a varratban gázpórusok formájában a horganygőz bennmarad, hibákat okozva. A varratban lévő gázpórusok keletkezésének oka általában azzal függ össze, hogy a hőmérséklet csökkenésével a varratban lévő fémek gázelnyelő képessége csökken, így a hegfürdő kristályosodásakor az elnyelt 20
gázoknak nincs elég ideje kijutni az ömledékből [17]. A cinknek további káros tulajdonsága, beötvöződik a varratba, így csökkenti annak mechanikai szilárdságát. A hegfürdő közelében elgőzölög a cink, így megszűnik a bevonat védelme. Továbbá az elgőzölgött cink károsítja az egészséget [12]. Oxi-acetilén lánghegesztéssel, lehetőség van bevonatos vékonylemezek kötésének kialakítására, rézbevonatú acél hozaganyaggal. A hegesztés során elkerülendő a bevonat károsodása, így a hegesztőpisztoly körkörös mozgatása nem javasolt. Hozaganyagként alkalmazható 60 % Cu és 40 % Zn ötvözet is, melynek olvadáspontja 930 C, így a bevonat rétege kevésbé sérül a folyamat során. A semleges védőgázas volfrám elektródos ívhegesztés hátránya, hogy az elektródon viszonylag gyorsan cink rakódik le, mely tönkreteszi az elektród csúcsát. Ennek elkerülésére ajánlatos az elektródot a vízszintessel 70 -os szöget bezárva tartani, illetve nagyobb átmérőjű fúvóka használata is javasolt. A védőgáz térfogatáramának növelése 7 l/min-ről 12 l/min-re segít eltávolítani a cink gőzt az elektród környezetéből. Hozaganyagként réz és alumínium vagy réz és szilícium ötvözetet alkalmaznak. A védőgázas fogyóelektródás ívhegesztés a legelterjedtebb eljárás bevonatos acéllemezek hegesztésére, főleg az autóiparban. Ennek oka a nagyobb termelékenységben rejlik. Bevonatos vékonylemez VFI hegesztésénél a beolvadási mélység kisebb, mint a bevonat nélküli lemezek azonos eljárással kialakított kötéseinél. Leggyakrabban jelentkező problémák bevonatos vékonylemezek VFI hegesztésénél a fröcskölés, porózus varrat, a bevonat nagymértékű károsodása. A cink olvasáspontja lényegesen alacsonyabb az acélénál, így az ömledékbe kerülő cink a varratfém dermedése után kezd kristályosodni, mely repedéshez vezethet. Mivel a fröcsköléssel nagy mennyiségű anyag távozik a varratból, így a védőgáz minősége különösen fontos, CORGON 18 jelzésű védőgáz ajánlott. A fröcskölés gyengén kapcsolódik az alapanyaghoz, így könnyen eltávolítható a hegesztés előtt alkalmazott fröcskölés tapadás gátló spray alkalmazásával. VFI hegesztés technológia alkalmazása esetén a huzalelektróda anyagának Mn-nal, Ni-Cu-val ötvözve kell lennie, illetve a Si tartalomnak csökkentve kell lennie. A hegesztő berendezést alacsonyabb feszültségi értékre kell állítani, 9.5-10 V-ra 1 mm huzalátmérő mellett, szemben az általános 20-26 V-al szemben [16]. 21
Az autókarosszéria gyártásban jellemzően ellenállás ponthegesztett kötéseket alkalmaznak, melyek megfelelnek az adott vásárlói követelményeknek, miközben teljesítik a gyártói igényeket is, a kedvező árat, az automatizálhatóságot és a reprodukálhatóságot. A reprodukálhatóság egyik alapfeltétele, hogy a ponthegesztő elektródok mérete és alakja ne változzon, melynek feltétele az elektródok hosszú élettartama. Ellenállás-ponthegesztett kötés létrehozásakor szemben a bevonat nélküli lemezekkel a korrózióálló réteg csökkenti a hegeszteni kívánt elemek között az érintkezési ellenállást. Továbbá a bevonatoknak jellemzően alacsonyabb az olvadáspontja az acélénál, mely tovább nehezíti a megfelelő kötés létrejöttét. Az elkészített kötés pontátmérőjére jelentős befolyással van a hegesztési idő. Minél hosszabb a hegesztési idő annál nagyobb lesz a lencse átmérő. A lencse méretnének növekedésével együtt nő a kötés teherbírása. A hegesztett kötés keménységére a hegesztés idejének nincs befolyása. A hegesztésre használt áramnak viszont van, kimutatható, hogy DC áramforrás esetén a kötés keménysége alacsonyabb, az AC áramforrással szemben [18]. 22
2. AZ ÍV- ÉS ELLENÁLLÁS-PONTHEGESZTÉS ÖSSZEHASONLÍTÁSA 2.1 Hegesztő eljárások rövid áttekintése A következő fejezetben az autóiparban járatos hegesztési technológiákat mutatom be, melyekkel a bevonatos lemezek hegeszthetőek. Hegesztő eljárásokat többféleképpen lehet csoportosítani, egy módja az energiaforrás szerinti csoportosítás. A villamos ívet, mint hőforrást alkalmazó eljárások esetén a hőforrás egy gázközegben kialakuló nagy hőmérsékletű ív, mely a hegesztendő anyagok helyi ömlesztésével hozza létre a kötést. Ide sorolható a fogyóelektródás ívhegesztés, a fedett ívű hegesztés, a nem olvadó elektródos semleges védőgázas ívhegesztés (SWI, PIH). A termokémiai elven működő ömlesztő eljárások hőforrása egy exoterm kémiai reakció, mely során elegendő hő keletkezik az alapanyag és a hozaganyag megolvasztásához. Ilyen eljárás az oxi-acetilén lánghegesztés, és a termit reakción alapuló hegesztő eljárások. A sugárenergiát alkalmazó hegesztő eljárások két hőforrása ismert, a lézersugár és az elektronsugár. Főleg az elektrotechnika területén elterjedt technológiák. Mechanikai energiát hasznosító hegesztésekor a kötés létrehozásához szükséges energiát az illeszkedő felületek súrlódása hozza létre. A fellépő nyomás hatására a fémfelületen lévő atomok egymáshoz képest rácsparaméternyi távolságra közelednek és létrejön a kötés. A villamos ellenállás elvén működő eljárások során az ömlesztéshez szükséges hő ellenálláshő formájában fejlődik. A kötés kialakulásához bizonyos mértékű szorítóerő is szükséges. Az ide sorolható eljárások a pont-, vonal-, dudor- és tompahegesztés [17]. A feladat kidolgozása során az ellenállás- és ív-ponthegesztést fogom elemezni, kitérve a hasonlóságok és különbségek bemutatására. 23
2.2 Ellenállás-hegesztés 2.2.1 Ellenállás-hegesztő eljárások Ellenállás-hegesztéskor a kötés hő- és az erőhatás együttes hatására alakul ki. Az alapanyag megolvasztásához szükséges hőt a munkadarabon átvezetett, illetve az indukált áramnak az átmeneti ellenálláson, valamint a munkadarabban fejlődött hője adja. Eljárás különböző típusai az ellenállás ponthegesztés, az átlapolt lemezek vonalhegesztése, a tompavarratos vonalhegesztés, a fóliás tompavarratos vonalhegesztés, a dudorhegesztés, valamint a leolvasztó és a zömítő tompahegesztés. Ellenállás vonalhegesztés esetén az erőhatás folyamatos, míg a hegesztő áram lehet folyamatos, vagy szakaszos. A vonalvarrat kialakításához a munkadarab két tárcsaelektród között előtoló mozgást végez. A vonalhegesztés esetén mindkét oldalról jól hozzáférhetőnek kell lennie a varratnak. A munkadarab mérete is korlátozva van, ugyanis el kell férnie a hegesztőgépben. Tompavarratos vonalhegesztés során két hasonló vastagságú, szabályozott keskeny átlapolással elhelyezett lemez között alakítunk ki kötést. A tárcsaelektródok felülete sík, és olyan hegesztett kötést hoznak létre, melynek vastagság irányú kiterjedése közel azonos az alapanyag vastagságával. Fóliás tompavarratos vonalhegesztés esetén két azonos vastagságú tompán illesztett lemez között alakítunk ki kötést. Az illesztés helyén szimmetrikusan elhelyezve egy fólia van, amelyet a tárcsaelektródok a felületre nyomnak. A hegesztett kötést a hőhatás és a görgőnyomás együttesen hozzák létre. Dudorhegesztés során a hegesztőáramot és az erőhatást az illeszkedő felületek egyikén, vagy mindkettőn kialakított dudorok környékére korlátozzák. Hegesztés alatt ezek a dudorok a hő és erő hatására visszanyomódnak, eltűnnek. Zömítő tompahegesztő eljárás alkalmazása esetén a hegesztendő alkatrészeket sajtoló nyomással összeszorítják, mielőtt a munkadarabon áram folyna. A nyomás fenntartásával a 24
munkadarabon áramot vezetnek át, mely hatására a munkadarabban a hő és erőhatás eléri azt a szintet, hogy kohéziós kapcsolat alakuljon ki az elemek között [19]. 2.2.2 Az ellenállás ponthegesztés technológiája A hegesztéshez használt áramforrás lehet egyenáramú, vagy váltakozó áramú. Az áramforrás a hálózati áramot 10-50kA-re transzformálja, melyet az elektródok vezetik a munkadarabba. Ez a nagy áramerősség rövid idő alatt megolvasztja az alapanyagot az érintkezési zónában, és kialakul a lencse alakú varrat[19]. A hőáram számítására az alábbi képlet szolgál: Φ=I 2. R. cosφ A munkadarabok ellenállása függ a hőmérséklettől, a felület tisztaságától és a felület érdességétől. Megfelelő nyomóerő és kellően tiszta felület esetén az ellenállás közel nulla szintre is csökkenhet, mely megakadályozza a varrat kialakulását. A kötés létrejöttéhez kulcsfontosságú az átmeneti ellenállás. Az ellenállás több részből tevődik össze, az elektródok és a munkadarab felszíne között, a felső lemezben, a két lemez között, az alsó lemezben, valamint a két elektródban. Ha az alapanyag és az elektród felszíne között az ellenállás túl nagy, akkor az alapanyaghoz hozzáhegedhet az elektród. Fontos, hogy a hegesztés szempontjából hasznos ellenállások legyenek a legnagyobbak. Másik fontos tényező a varrat kialakulása szempontjából az idő. A legtöbb esetben több ka erősségű áram folyik az elektródokon keresztül, mely az alapanyag ellenállásával nagy mennyiségű hőt termel. Jó minőségű varrat elkészítéséhez elengedhetetlen a hegesztési idő pontos beállítása. A legtöbb esetben csak a hegesztési időt lehet állítani a hegesztő gépen a szorító erőn felül-, az áramerősség állítása gazdaságossági szempontok miatt korlátozva van. Túl hosszú idő esetén az alapanyag túlhevülhet, ami a hegesztett kötés porozitását nagymértékben növeli. Egyes esetekben az olvadt fém kifröccsenhet. A ponthegesztés munkarendje lehet lágy, vagy kemény. Lágy munkarend esetén az áramerősség kisebb, a hegesztési idő hosszabb. Ilyen munkarenddel edződésre hajlamos 25
anyagokat szokás hegeszteni. Kemény munkarend esetén az áramerősség nagy, a hegesztési idő rövid, így a jó hővezető képességgel rendelkező fémek is hegeszthetők, mint pl. az alumínium. Extrakemény munkarendről akkor beszélhetünk ha a hegesztés ideje 10 periódusnál kevesebb. Az elektródok anyaga általában valamilyen rézötvözet. Az elektród rendeltetése, hogy vezesse az áramot a hegeszteni kívánt elemek és az áramforrás között, valamint hogy biztosítsa a szorítóerőt. A hőelvonásban is szerepe van így hőszilárdság szempontjából is megfelelő ötvözetet kell alkalmazni. A reprodukálhatóság érdekében az elektródok mérete, alakja és összetétele nem változhat jelentősen. A szorító erő és a hő hatására az elektródok benyomódnak az alapanyagba, mely kedvezőtlen [20]. 10. ábra Ellenállás-ponthegesztés elvi vázlata Különösen nagy terhelésre porkohászati úton előállított elektródokat fejlesztettek ki, melyek W tartalma az 50 %-ot is eléri. Porkohászati úton állítják elő a rézmátrixú és Al 2 O 3 fázist tartalmazó kompozit elektródokat. Ezt a típusú elektródot ajánlják horganyzott lemezek ellenállás ponthegesztéséhez, de az ipari gyakorlat azt mutatja, hogy nem teljesítenek lényegesen jobban mint a Cu-Cr-Zr összetételű elektródok. További fejlesztések eredménye a volfrám, vagy molibdénből gyártott csúcsokkal ellátott elektródok, azonban a kopott elektród felújításához 26
szükséges szerszám nagy beruházást igényel. Mivel az áram az elektródon keresztül folyik, így könnyen belátható, hogy az elektródok mérete meghatározza a hegesztett kötés méretét. A hegesztéskor kialakuló lencse átmérője valamivel kisebb lesz, mint az elektród átmérője. Ha az elektród átmérője túl kicsi a hegesztési paraméterekhez képest, akkor a kötés gyenge lesz. Amennyiben az elektród átmérője túl nagy, akkor fennáll annak a veszélye, hogy túlhevül az alapanyag, így porózus lesz a varrat. Az elektród méretének kiválasztása több szempont figyelembe vételével történik, pl.: az alapanyag belső ellenállása, az alapanyag vastagsága, kötés várható terhelése. A ponthegesztett kötés minőségének alakulására jelentős befolyással van az elektród erő. Az elektróderő elsődleges célja, hogy összeszorítsa a hegeszteni kívánt darabokat és biztosítsa a kontaktust, mely biztosítja az áram folyását. Minél nagyobb a szorító erő, annál kisebb az átmeneti ellenállás az elektród és a munkadarab között [Error! Bookmark not defined.]. A hegesztendő lemezek felülete mindig tartalmaz valamennyi szennyeződést, így az érintkező felületek nagysága erősen függ a felületre ható erőtől. A hegesztés első pillanatában a mikro és makro kiemelkedések deformációjának bekövetkezésekor az ellenállás csökken. A sajtoló erő káros hatása a felületi benyomódás, mely szabad szemmel is jól látható. További tényező, mely hatással van az ellenállás-ponthegesztett kötés létrejöttére az alapanyagok felületének tisztasága. Az ellenállás-ponthegesztés technológiájából adódóan a felület-előkészítésnek nagyobb jelentősége van az ívhegesztéssel szemben. A felületen maradt szennyező anyagok befolyással vannak a varrat kialakulására, összetételére és az elektródokra is káros hatással van. A felületen maradt zsírok, olajok megváltoztatják az alapanyag ellenállását, így rontva a reprodukálhatóságot. A felületi oxidok általában nagy keménységűek, ez a több kn nagyságrendű elektród erővel párosulva jelentős kopást eredményez az elektród felületén, mely rontja a reprodukálhatóságot, és növeli a gép karbantartására fordítandó időt. A kopott elektródok speciális szerszámmal visszaállíthatók. Amennyiben az elektród csúcsának átmérője eléri a néveleges átmérő 1,3 szorosát, az elektródot fel kell szabályozni. A következő képen egy ilyen elektródhegyező szerszámot láthatunk. 27
11. ábra Kézi elektród faragó szerszám Ellenállás ponthegesztésnél a felületen maradt szennyező anyagok nem tudnak eltávozni az átlapolt lemezek közül, így azok a varratban maradnak. A varratban maradt zárványok rontják a kötés minőségét és csökkentik a reprodukálhatóságot, illetve súlyos esetben kötéshibákat is okozhatnak. A ponthegesztés munkarendi utasításait a WPS rögzíti, melyet az MSZ EN ISO 15614-12 szabvány utasítása alapján kell elkészíteni. A hegesztés négy egymástól jól elkülönülő részre osztható. Első az előnyomásnak nevezett fázis, mely során az elektródok összezárnak és az előre beállított nyomóerővel összeszorítják a két lemezt. Az első ciklus idejét t e -vel jelöljük. Ehhez a szakaszhoz tartozik az elektródok közelítése is. A hegesztés második szakaszában játszódik le maga a hegesztés. A hegesztési idő jele t h. Az előre beállított áramerősséggel és ciklusideig folyik az áram. Fontos a pontos beállítás, túl kis áramerősség esetén nem lesz megfelelő a kötés mechanikai tulajdonságai, túl nagy áramerősség esetén kifröccsenhet az anyag. A hegesztés harmadik ciklusa az utánnyomás. Az utánnyomás idejét t u -val jelöljük. Ekkor áram már nem folyik, így a varrat hűlni kezd, a hűlés hatására bekövetkező térfogatcsökkenés okozta hibák megelőzésére az elektródokat összeszorítják. Utánnyomás alatt a vízhűtéses elektródák hűtőhatására az edződésre hajlamos acél kedvezőtlen szövetszerkezettel reagálhat. Amennyiben egy munkadarabon több hegesztett kötést is ki kell alakítani, a munkadarab léptetését a t sz -el jelölt szünetidő alatt végzik el. 28
Bevonattal rendelkező lemezek esetén gyakran a főidőt két részre bontják. Első szakaszban kis áramerősséggel kinyomják a megolvadt cink bevonatot a hegesztés helyéről, majd a második szakaszban hozzák létre a kötést [12]. A ponthegesztés során képződő ellenálláshőt a hőáram idő szerinti integrálásával számíthatjuk ki. Ha az áramerősség és a feszültség időben állandó, akkor az integrál a következőképpen írható fel: th th E dt U I cos dt U I cos t t 0 t 0 h h h h h Ez alapján az összefüggés alapján ugyan azt a hőenergiát bevihetjük rövidebb ideig tartó nagyobb hőárammal, vagy kisebb hőárammal, de hosszabb hegesztési idővel. Amennyiben a feltétele adottak a kemény munkarendet kell előnyben részesíteni, mert a nagyobb áramerősséggel és rövidebb idővel végzett hegesztés esetén kevesebb a veszteség [12]. 2.2.3 Ellenállás ponthegesztés berendezései A ponthegesztő berendezések lehetnek helyhez kötött, vagy hordozható berendezések. A hordozható berendezések jellemzően kisméretű lemezeken, kisebb teherbírású kötések kialakítására alkalmasak. A helyhez kötött gépekkel nagyméretű lemezek átlapolt kötése is készíthető. Tömeggyártásban elterjedten alkalmazzák a ponthegesztő robotokat, melyek egyenletes minőséget biztosítanak, gyors és pontos munkavégzésre alkalmasak, és a költségek is viszonylag alacsonyak [21]. 29
12. ábra Gépi ellenállás-ponthegesztő Az elektródok mozgatása és a nyomóerő kifejtése több módon is lehetséges, mechanikus, pneumatikus és hidropneumatikus megoldás is létezik. 2.2.4 Az ellenállás ponthegesztés alkalmazhatósága Ponthegesztett kötéseket leggyakrabban 1-2,5 mm közötti acél lemezeken szoktak kialakítani. Bizonyos alumínium ötvözetek is hegeszthetők ezzel a technológiával, de tervezésnél figyelembe kell venni, hogy az alumíniumnak nagyobb a hővezető képessége, így nagyobb áramerősség szükséges, továbbá szigorúbb felület előkészítést igényel a felületi oxidok miatt. Leginkább az autóiparban terjedt el a ponthegesztés alkalmazása. Ennek oka, hogy a műveletet robotok segítségével teljes mértékben automatizálni lehet, melyek egy gyártósor részeként csökkentik a költségeket, ami a legfontosabb szempontok között van az autóiparban. Ezen robotok az emberi munkaerőnél gyorsabban, pontosabban, jobb és egyenletesebb 30
minőségben képesek a hegesztett kötés létrehozására. A legújabb 6 tengelyes robot szinte az összes hegesztési helyzetben képesek a kötés kialakítására.[22] 13. ábra Ponthegesztő robotok Az ellenállás ponthegesztés alkalmazásának hátránya a korlátolt hozzáférés. Az elektródoknak a munkadarab mindkét oldalához hozzá kell férnie, így csövek, szelvények hegesztésére alkalmatlan. A hegesztett lemezeknek a vastagság irányú kiterjedése korlátolt, túl vastag lemezek esetén nem biztosítható a kellő szorítóerő, illetve az áramerősség biztosítása sem lenne gazdaságos. A kialakított varrat környezetében maradó feszültségek vannak, melyek gyorsíthatják a korrózió és a ridegtörés folyamatát. Az átlapolt lemezek közé könnyen behatolhatnak olyan anyagok, melyek a korróziót elősegítik. A hőhatás és a szorító erő hatására a lemezeken benyomódás keletkezik, mely esztétikailag nem megengedhető látható helyeken. A felület előkészítésre érzékeny az eljárás, az esetleg ottmaradó oxidok növelik az ellenállást, a varratban maradva rontják annak minőségét és csökkentik az elektródok élettartamát. Amennyiben a kialakított kötések hibásak, utólagos javításra az ellenállás ponthegesztés technológiája nem alkalmas, ilyen esetben ív ponthegesztést kell alkalmazni. Az ellenállás ponthegesztés előnyei: - könnyű automatizálhatóság, 31
- a hegesztő robotokkal jó és egyenletes minőségű hegesztés készíthető, - könnyen tanulható a gép kezelése, - nincs szükség hozaganyagra, - nincs ív, vagy nyílt láng, biztonságosabb eljárás, - különböző anyagok között is kialakítható a kötés, - egyszerre több lemez között is készíthető a kötés, - kis hőbevitel, deformáció és belső feszültség, - hegesztési helyzetre érzéketlen, - jól szabályozható és reprodukálható paraméterek, - rövid ciklusidő, nagy termelékenység, - nem igényel hozaganyagot, - a beállítás, kezelés és felügyelet nem igényel speciális kézügyességet, nincs szükség minősített hegesztőkre. 2.4 Ív-ponthegesztés 2.4.1 Ívhegesztés alapjai Ívhegesztés során az alapanyag megolvasztásához szükséges hőmennyiséget villamos ív szolgáltatja. A hegesztőív szilárd, vagy cseppfolyós fémek között, gázközegben végbemenő hosszantartó villamos kisülés, amelyet 10-10 5 A/cm 2 áramsűrűség és 20-50 V katódesés jellemez [19]. Az ív különböző összetételű atmoszférákban éghet, amely lehet semleges, vagy aktív. A gáz fejlődhet a bevonatból, vagy külön szerkezet juttatja az ívtér közelébe. A gázok normálállapotban nem vezetik az elektromos áramot, de ionizált állapotban vezetővé vállnak és létrejön az ív. Az ívköz nagy részét az ívoszlop teszi ki, ezt elektronok, ionok, atomok és molekulák alkotják. A hegesztés történhet autogén, vagyis hozaganyag nélküli, illetve exogén módon, azaz hozaganyaggal. 32
Bevont elektródás kézi ívhegesztés során a hozaganyag a bevont elektróda. Az elektróda bevonata a hegesztés során leolvad, illetve bizonyos összetevői elpárolognak. A leolvadt részből keletkezik a salak, - illetve a hegfürdő-, melynek sűrűsége kisebb, mint az alapanyagénak, így annak felszínén úszik. A bevonat tartalmazgat ötvözőket, melyek javítják a varrat mechanikai tulajdonságait. Az elpárolgott anyagokból keletkezik az ívet védő gázatmoszféra. Fedettívű hegesztés során a salakot és az ívet védő atmoszférát képező anyagot külön adagolják a varrat környezetébe. Az eljárás csak automatizált formában létezik. A varrat minősége kiváló, a termelékenység nagy, de hátrány, hogy csak PA és PB helyzetben kivitelezhető. Védőgázas fogyóelektródás ívhegesztés során az ív a folyamatosan előtolt huzalelektróda és az alapanyag között ég. Csak exogén módban alkalmazható eljárás. Az ívet védő gázt a huzalelektródával együtt egy pisztoly adagolja egy külső tartályból, előre beállított paramétereknek megfelelően. Nem olvadó elektródos semleges védőgázas ívhegesztésnél az ív egy volfrám elektród és az alapanyag között ég. A volfrám elektród a hegesztés során nem olvad meg, nem képezi a varrat részét. Az ívatmoszférát valamilyen külső forrásból adagolt gáz adja, mely egyben az elektródot és a fúvókát is hűti. Autogén és exogén módban is alkalmazható. Ívhegesztés történhet plazmasugárral is. Az ív szintén egy nem leolvadó volfrám elektród és az alapanyag, vagy az elektród és a belső fúvóka között ég. A hegfürdőt védőgáz atmoszféra védi. Az eljárás végezhető hozaganyaggal, vagy a nélkül is. 2.4.2 Ív-ponthegesztéshez használt eljárások A következő fejezetben az ívpont-hegesztési kísérlet során alkalmazott eljárásokat mutatom be bővebben, illetve kitérek az egyéb hegesztő eljárásokra is, de csak felsorolás szintjén. A védőgázas fogyóelektródás ívhegesztés (VFI) az elsőszámú hegesztőeljárás a világon. Hegesztés során az ív a huzalelektróda és az alapanyag között, szabályozott gázközegben ég. A 33