Sályi István Gépészeti Tudományok Doktori Iskola ALAKÍTOTT AUTÓIPARI VÉKONYLEMEZ ELLENÁLLÁS-PONTHEGESZTÉSE Prém László PhD hallgató témavezető: Dr. Balogh András egyetemi docens Miskolci Egyetem 1
Bevezetés Autóipari anyagfejlesztési irányzatok: önsúlycsökkentés, alacsonyabb üzemanyag fogyasztás, kisebb mértékű károsanyag kibocsátás hagyományos (AHSS) és korszerű (U-AHSS, X- AHSS) nagyszilárdságú acélok, a fejlesztések mellett azonban a lágyacélok felhasználási arány ma még mindig 30-50%, jellegzetes alakítási technológiája a képlékeny hidegalakítás, legfontosabb kötőeljárása az ellenállás-ponthegesztés, kevés S és P jó ponthegeszthetőség, a hidegalakítás ponthegesztett kötések minőségére gyakorolt befolyása, különböző alakítási mértékű lágyacél vékonylemez ellenállásponthegesztési jellegzetességei. 2
Autóipari vékonylemezek vékonylemezek az önhordó vázszerkezeteknél, karosszériaelemeknél, hidegalakításra való alkalmasság, ponthegeszthetőség, felületvédelem, önsúlycsökkentés igénye, megvalósítása, Al, polimerek, nagyszilárdságú acélok, lágyacélok arányának tendenciája. 3
drágább gépkocsitípusnál a különféle szilárdságú acélok szerkezeten belüli elhelyezkedése, funkciója, lágyacélok (standard steel) aránya 30,8%, életvédelmi szempontból alárendeltebb helyeken, ahol nem a nagy szilárdság, hanem az alakíthatóság a követelmény, nagykiterjedésű szerkezeti elemek (ajtóborítások, sárvédőlemez, csomagtartófedél, stb.) Autóipari vékonylemezek 4
Autóipari vékonylemezek A lemezvastagság, mint meghatározó jellemző: az autóipari acélok elsősorban vastagságukat tekintve különböznek a normál (2,5D) és vastaglemezes (3D) konstrukciók acéljaitól, autóipari acélok alatt vékony vagy más néven finomlemezeket értünk, európai felfogásban s 3 mm, USA Welding Code szerint s 3/16 inch 4,8 mm. Autóipari célok szilárdságnövelő mechanizmusai: szilárdoldatos ötvözés (solid-solution hardening), szemcsefinomítás (grain boundary hardening), kiválásos keményítés (precipitation hardening), hőkezelés (transformation hardening), alakítási keményedés (strain hardening). 5
A vékonylemezek hidegalakítással történő szilárdságnövelése: a legolcsóbb szilárdság-növelő mechanizmus, a lágyacélok a hidegalakítás hatására felkeményednek, szilárdságuk megnő, alakváltozó képességük lecsökken, kiinduló nyúlásuk jelentős megfelelő alakváltozási tartalék, balra eső hiperbola, k m =R m. A=10000, Mild, R m =270 370 MPa, A=32 43 %. Autóipari vékonylemezek 6
Az autóipari vékonylemezek vezető hegesztő eljárásai, hegeszthetősége Az autóipari acél vékonylemezek ellenállás-ponthegeszthetősége: az autóipari vékonylemezeket elsősorban ellenállás- és ívhegesztő eljárásokkal, speciális esetben lézersugár-hegesztéssel, lineáris dörzspont- hegesztéssel vagy mechanikai módszerekkel egyesítik, a legtöbb mérnöki és gazdasági előnnyel az ellenállás-ponthegesztés rendelkezik, ellenállás-ponthegeszthetőség kritériumaként a pontkötések valamilyen vizsgáló (keresztszakító, nyíró-szakító, felszakító) eljárásához kötött, kedvezőtlen törési mód megjelenési határát szokás megadni, lágyacélokra megállapított karbonegyenérték ponthegesztés esetén: CE RSW =1,5. C+3. S+P=1,5. 0,03+3. 0,019+0,008=0,11 Ez az érték távol van a veszélyességi határtól lágyacél ellenállásponthegesztése problémamentesnek prognosztizálható. 7
Lágyacél autóipari vékonylemez, mint kísérleti alapanyag Az elsődleges autóipari felhasználásból kiindulva: DC01 jelű, hidegen hengerelt, hidegalakítási célra szánt ötvözetlen lágyacélt alkalmaztunk, Al mal csillapított, ferrites szövetszerkezetű, jó mélyhúzhatósági jellemezők, sajtolt és kis és közepes mértékben mélyhúzott autóipari alkatrészek tipikus alapanyaga. Az MSZ EN 10130 előírásai és a műbizonylatban szereplő anyagjellemzők értékei: 8
Lágyacél autóipari vékonylemez, mint kísérleti alapanyag darabolás: számjegyvezérlésű gépi lemezolló, felülettisztítás: ipari alkohol, hengerlési anizotrópia meghatározása szakítóvizsgálatokkal, anizotrópia tényező: R m meghaladja a műbizonylati értéket, A 80 elmarad, anizotrópia tényező értéke közel 1 jó közelítéssel izotróp az alapanyag. 9
Lágyacél autóipari vékonylemez, mint kísérleti alapanyag az alapanyag izotrop jellegét igazolják a szakítódiagramok is, a hossz- és keresztirányú szakítódiagramok közel fedésben vannak. 10
Az ellenállás-ponthegeszthetőség és a képlékeny hidegalakítás kapcsolata A karosszériaelemek megmunkálása elsősorban hidegalakítással történik, ezért követelmény a jó alakíthatóság. Hidegalakítás szilárdságnövekedés megőrzése kilágyulás, újrakristályosodás, öregedés elkerülése hegesztés során. A hegeszthetőség a hidegalakítás hatására az alakítás mértékével arányosan romlik. 11
A DC01 jelű lágyacél vékonylemezek hidegalakítása A karosszériaelemek gyakran tartalmaznak ponthegesztéssel kötendő mélyhúzott és hajlított szakaszokat nyújtással helyettesítettük. Az alapanyag nyújtása A hidegen alakított autóipari alkatrészek jellegzetes alakítási mértéke 0 % és 25 % közé tehető 12
A DC01 jelű lágyacél vékonylemezek hidegalakítása Modellezéssel kapott nyúlástartomány szállítási állapotú alapanyaghoz képest 10, 15, 20, 25%-os alakítási mértékű próbatestek. A különböző mértékű nyúlások erő-elmozdulás diagramja: 13
A hidegalakítás hatásának kísérleti vizsgálata A nyújtott próbadarabok mechanikai jellemzőit szakítóvizsgálatokkal állapítottuk meg. A vizsgálatok eredményei: az eredmények igazolják a szilárdság és keménység növekedést, és a jelentős mértékű nyúláscsökkenést későbbi ellenállás-ponthegesztés szempontjából kedvezőtlen. 14
A hidegalakítás hatásának kísérleti vizsgálata egytengelyű húzófeszültség szemcsék befordulnak alakítási textúra. Az alakítási textúra kialakulása. Marószer 2 % HN0 3. Nagyítás 200x. Az egytengelyű húzófeszültség iránya a hidegalakítás során Alapanyag 10% 15% 20% 25%. 15
A hidegalakítás hatása a ponthegesztett kötések teherbírására A hidegalakítás ponthegesztett kötések minőségére gyakorolt befolyásának vizsgálata céljából: különböző alakítási mértékű próbatestek ponthegesztése, hegesztőgép: TECNA 8007, vezérlő:te 550, elektród: MSZ EN 25184 szerinti B típus, 16
A hidegalakítás hatása a ponthegesztett kötések teherbírására ponthegesztési kísérletek lágy és kemény munkarenddel, a technológiai paraméterek meghatározása a weldability lobe alapján, lágy munkarend: legnagyobb idő, kifröccsenés áramának 80 %-a, kemény munkarend: legkisebb idő, kifröccsenés áramának 80 %-a, elektróderő azonos, kifröccsenés tilos. lágy munkarend kemény munkarend 17
A hidegalakítás hatása a ponthegesztett kötések teherbírására az EN ISO 14273 szabványnak megfelelően 11-11 kötést készítettünk lágy és kemény munkarenddel, minden alakítási mérték esetén, a kötések teherbírását nyíró-szakító vizsgálatokkal minősítettük, a nyíró-szakító vizsgálatok folyamán valamennyi kötés kigombolódott (weld with plug failure) a kötések minősége megfelelő. 18
A hidegalakítás hatása a ponthegesztett kötések teherbírására Kemény munkarenddel ponthegesztett kötések nyíró-szakító erejének változása az alapanyag hidegalakítási mértékének függvényében: nyíró-szakító erők átlaga a hidegalakítás függvényében monoton nő, növekedési mérték:15 %, elmarad az alapanyag 21%- os szilárdságnövekedésétől, a hidegalakítás a ponthegesztett kötések szilárdságát is növeli. 19
A hidegalakítás hatása a ponthegesztett kötések teherbírására Lágy munkarenddel ponthegesztett kötések nyíró-szakító erejének változása az alapanyag hidegalakítási mértékének függvényében: növekedési mérték:12,5 %, kisebb, mint az alapanyagnál és kemény munkarendnél lágy munkarend során nagyobb kilágyulás, mint keménynél nem csökkent a szállítási állapotú alapanyag teherbíróképességére lágy munkarend esetén sem a nyírószakító erő 20
Összefoglalás Az autógyártásban jelenleg egyharmad-egynegyed arányban alkalmazott lágyacél vékonylemezeken végzett vizsgálatokkal a következőket állapítottuk meg: 1. A vékonylemezek kb. 30 %-os mérnöki nyúlásig a célra megfelelő minőségben hegeszthetők. 2. A hidegalakítás hatására a kötések nyíró-szakító ereje növekszik. A növekedés mértéke elmarad az alapanyag szilárdságnövekedésének mértékétől és erősen függ a hegesztési beállításoktól. 3. Az alapanyag helyi kilágyulását mérsékelni kell, ami a ponthegesztés munkarendjének keményítésével érhető el. 4. A kötés terhelhetőségének kedvező irányú változása az ellentétes kötéstulajdonságok csökkenésével jár együtt, tervezésekor ezt mindig szem előtt kell tartani. 21
Köszönöm a figyelmet! Köszönetnyilvánítás A cikkben ismertetett kutatómunka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. A cikkben ismertetett kutató munka a TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0008 jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. 22