22 let na trhu autoopravárenství

Víte, co je CMT?

CMT.indd

Pokračování článku najdete v dubnovém vydání časopisu AutoEXPERT 2015.

Víte, co je CMT?

– obloukové svařování ocele a hliníku

 

Kombinace ocele a hliníku jakožto konstrukčních materiálů přináší mnoho benefitů: pevností se vyznačující ocel je vhodná pro konstrukční díly vystavené vysokému namáhání a lehký hliník pro méně namáhané díly. Dlouhou dobu však nebylo z technických ani ekonomických důvodů obloukové svařování těchto materiálů přijatelným způsobem proveditelné. Společnosti Fronius a Voestalpine však dokázaly vyvinout způsob, jak oba tyto materiály svařit.

 

 

Lehké kombinované konstrukce přinášejí značný efekt především ve výrobě automobilů. Se svými přibližně 40 procenty přispívá největším podílem k celkové hmotnosti vozidla právě karoserie. Chceme-li docílit poklesu emisí CO2 v dopravě, je nutné se zaměřit mimo jiné na snížení hmotnosti vozidel, a tedy i na uplatnění nových technologií ve stavbě karoserií. Snížení hmotnosti o 100 kg totiž sníží spotřebu paliva až o 0,3 l/100 km a v odpovídajícím poměru omezí též emise CO2 o 700 g/100 km. Zvláštní důležitost má, s ohledem na požadavky akceptovatelné hmotnosti akumulátoru a dojezdu, hmotnost karoserie u elektromobilů.

PRO ZLOM: SEM OBR. 1

(M)Technické podmínky

Ocel a hliník platily dlouho za materiály, mezi nimiž nelze vytvořit termickou cestou trvanlivý spoj. Hlavní důvody jsou následující:

– Značně rozdílné body tání, tj. přes 1 500 °C u oceli oproti cca 660 °C u hliníku.

 

– Vznik tzv. intermetalických fází (intermetallic phases – IMP). Tento jev je způsobený omezenou vzájemnou rozpustností železa a hliníku při běžné okolní teplotě. Intermetalická fáze vzniká jako důsledek difuzního procesu. Obecným znakem IMP je vysoká míra tvrdosti a mimořádně nízká houževnatost. Tak například sloučenina Fe2Al5 vykazuje tvrdost kolem 1.050 HV (Vickerse) a FeAl3 cca 900 HV. Čím větší je tepelné zatížení (množství vneseného tepla), tím silnější je vrstva IMP a následně tím horší jsou mechanicko-technologické vlastnosti spoje. Vrstva tvořená intermetalickou fází by měla být co nejslabší a dosahovat tloušťky ne více než 10 µm.
– Další problém představují rozdílné koeficienty tepelné roztažnosti: cca 1,2 mm/100 °C u ocele a 2,34 mm/100 °C u hliníku.

 

– Skoková změna elektrochemického potenciálu: cca 1,22 V pro ocel/hliník a cca 0,9 V pro zinek/hliník.

S přihlédnutím k těmto fyzikálním faktorům definovali metalurgové a svařovací odborníci dále uvedené předpoklady platné pro spojování ocele s hliníkem:

  • Proces musí být spojený s co nejmenším tepelným zatížením.
  • Povrch ocelového plechu musí být pokrytý zinkovou vrstvou.
  • Síla IMP musí být minimalizována a její vlastnosti je nutno optimálně využít.

Volba termického spojovacího procesu padla na metodu CMT (Cold Metal Transfer).

 

(M)Cesta k inovativnímu způsobu spojování

Vytvoření bezchybného spoje ovlivňují tři hlavní faktory:

  • díly, které se mají spojit;
  • použitý spojovací postup;
  • přídavný materiál.

 

Vedle zinkové vrstvy o síle nejméně 10 µm ovlivňuje kvalitu a zatížitelnost svarového spoje příprava hrany na ocelovém plechu. Geometrie hrany plechů určených ke spojení vyvinutá podnikem Voestalpine je patentově chráněna. Příznivé zkušenosti byly dosaženy u hlubokotažných ocelí standardních jakostních tříd. Hliníkové plechy byly vyrobeny z materiálů řady AW5xxx nebo 6xxx. Pro hliníkový plech stačí, když budou – podobně jako v případě konvenčního MIG svařování – pouze „čisté“. V důsledku toho, že se IMP mezi oběma spojenými materiály chová obdobně jako keramika, je značně citlivá na kolmé namáhání a méně na tangenciální. Tyto vlastnosti je obecně nutno brát při dimenzování konstrukcí v úvahu.

 

(M)Jak CMT funguje? PRO ZLOM: SEM OBR. 2

Rozhodující předpoklady pro spojovací proces splňuje výše zmíněná metoda CMT, což je speciální varianta obloukového svařování v ochranné atmosféře, která se vyznačuje nízkým tepelným zatížením a možností snadné regulace. Tento „studený“ svařovací postup má společnost Fronius chráněný více patenty. Při svařování ocele s hliníkem smáčí přídavný materiál a hliník pozinkovaný ocelový plech a přídavný materiál se přitom vzájemně slévá s hliníkem. Na straně ocele vzniká pájený spoj, zatímco u hliníku probíhá svařování. Výsledek této operace se proto nazývá „svarově pájený“ spoj (Schweisslötung, braze-welding). Pro hybridní plechy se osvědčily svařovací systémy, které provádějí pomocí metody CMT toto svařovací pájení současně na obou stranách. PRO ZLOM: SEM OBR.3

Třetí hlavní faktor představuje přídavný materiál. Na speciální hliníkovou slitinu určenou pro svařovací pájení má společnost Fronius rovněž patent. Pro docílení optimálního spoje má při svařovacím pájení svoji důležitost také poloha (nasměrování přívodu) přídavného materiálu.

 

(M)Ocelohliníkový plech – odzkoušený a pro praxi připravený materiál

Za účelem zjištění a zadokumentování praktické použitelnosti byly provedeny rozsáhlé zkoušky svarově pájených ocelohliníkových plechů.

 

Základní testy: Předmětem zkoušek byly materiály AW5182-H111 a DX54D spolu s přídavným materiálem Z200 ze slitiny AlSi3Mn1. Ústav Maxe Plancka pro výzkum železa v Düsseldorfu (Max-Planck-Institut für Eisenforschung – MPIE) zjišťoval tvorbu zrn (krystalů) v zóně spoje a hledal nejvhodnější druh přídavného materiálu. Na obr. 12 je možno pozorovat rozložení zrn (krystalů) v tavné zóně v závislosti na jejich velikosti. Pro toto rozložení a pro znázornění růstu krystalů je zde použita barevná vizualizace. PRO ZLOM: SEM OBR. 4

 

Pevnost v tahu: Vhodná kombinace materiálů byla ověřena na dvou různých vzorcích – střecha a okenní rám osobního vozu. Nejdůležitější výsledek tahové zkoušky: Ke vzniku výsledné trhliny došlo v hliníkovém plechu, zatímco svarově pájený spoj přestál trhací zkoušku bez porušení. Nejdůležitější zjištěné hodnoty shrnuje tabulka 1 a provedený test ilustrují příslušné fotografie. PRO ZLOM: SEM TABULKA 1

PRO ZLOM: SEM OBR. 5

 

Koroze a zkouška SST (ostřik slanou mlhou – Salt Spray Test): Korozní chování nechráněných ocelohliníkových plechů bylo ověřováno za použití metody SST. Ani po 300 hodinách se neobjevily žádné známky trhlinkové, napěťové či mezikrystalické koroze. Sotva patrné stopy koroze bylo možno pozorovat pouze na povrchu.

 

Chování při tvarových změnách – tvářitelnost: Ve výrobě karoserií hraje tvářitelnost plechů rozhodující roli. Ocelohliníkové plechy jsou použitelné pro reprodukovatelnou výrobu karoserií pouze za předpokladu, že v dostatečné míře splňují tento požadavek. Vhodnost pro toto použití se zjišťuje pomocí různých deformačních procesů. Příslušné údaje jsou uvedeny v tabulce 2. Příklad „Hlubokotažné lisování kloboučků“ demonstruje zřetelně, že i v mezních podmínkách umožňuje hlubokotažnost dosažení zcela vyhovujících výsledků. PRO ZLOM: SEM TABULKA 2

PRO ZLOM: SEM OBR. 6

PRO ZLOM: SEM OBR. 7

 

 

Crashtest (zkouška nárazem): Hybridní plechové díly, pokud jsou konstrukčně navržené s hlediska bezpečnosti, mohou při nehodách cíleně absorbovat energii nárazu. V případě deformačního dílu vyrobeného z hybridního plechu absorbuje energii téměř výlučně jeho hliníková část, takže jak svarově pájený spoj, tak ocelový díl zůstávají nepoškozené. Naproti tomu díl vyrobený pouze z ocele vykazuje při absorbování stejného množství energie značné poškození. Odpovídajícím způsobem navržené hybridní komponenty splňují v případě potřeby požadavky týkající se jak absorpce energie, tak i zachování definované geometrie, resp. potřebných vzájemných vzdáleností. Bližší údaje jsou uvedeny v tabulce 3. PRO ZLOM: SEM TABULKA 3

PRO ZLOM: SEM OBR. 8

PRO ZLOM: SEM OBR. 9

 

(M)Shrnutí a závěr

Společnosti Fronius a Voestalpine vyvinuly výrobní postup ocelohliníkových plechů použitelný pro sériovou výrobu. Jejich praktickou použitelnost dokládají rozsáhlé zkoušky a v některých případech poukazuje tento článek i na přídavné konstrukční a aplikační benefity.

 

 

Tabulka 1: Pevnost v tahu

 

                    Obrobek                               Střešní rám                   Okenní rám        
Materiál DX54 + AW6181 DX54 + AW6016
Síla [mm] 1,2 + 1,5 1,0 + 1,2
Přídavný materiál Z140 Z140
Mez průtažnosti1) Rp0,2 [MPa] 126 132
Pevnost v tahu1) Rm [MPa] 210 239

__________________________________________________________________

1) vztaženo na průřez hliníku

 

 

 

Tabulka 2: Tvářecí operace

 

Proces

a obrobek

Ohraňování

válcových

profilů

Hlubokotažné

lisování

kloboučků

Materiál DX54 + AW 5182 DX54 + AW5182
Síla [mm] 1,0 +1,5 1,0 +1,5
Rádius [mm] 2×10; 2×11 5
Průměr raznice [mm] 90
Přídavný materiál Z255

 

Tabulka 3: Zkouška v nárazovém simulátoru

 

Obrobek                                                       Deformační díl                                                       

Podmínky zkoušky                      6,4 kJ při běžné okolní teplotě

Materiál                                                             H340 + AW6181

Síla [mm]                                                                        1,0 + 2,0

Přídavný materiál                                                            ZE75/75

Váha zkušebního kladiva [kg]                                                  86

Rychlost [km/h]                                                                        44

Původní výška [mm]                                                               280

Výška po nárazu [mm]                                                            173

Absorbovaná energie [kJ]                                                    6.523

Síla, max. [kN]                                                                        296

 

 

 

 

PRO ZLOM: POPISKY OBR

 

Obr. 1: Součásti vyrobené z hybridních plechů mohou cíleným způsobem absorbovat energii vznikající např. nárazem při nehodě.

 

Obr. 2: Svařovací pájení prováděné za využití metody CMT se vyznačuje svařováním na straně hliníku a pájením na straně ocele.

 

Obr. 3: Struktura spoje hliníkového (vpravo) a ocelového (vlevo) plechu.

 

Obr. 4: Základní testy, které prováděl Ústav Maxe Plancka pro výzkum železa v Düsseldorfu (MPIE), ukazují tvorbu zrn (krystalů) v tavné zóně v závislosti na druhu materiálu a velikosti krystalů. (Al / Steel / Filler = Al / ocel / přídavný materiál)

 

Obr. 5: Pevnost svarového spoje dosahuje takové hodnoty, že při tahové zkoušce nedojde k přetržení vzorku ve spoji, ale v hliníku.

 

Obr. 6: Součásti vyrobené z hybridních plechů mohou cíleným způsobem absobovat energii vznikající např . nárazem při nehodě.

 

Obr. 7: Hlubokotažné lisování „kloboučků“ zřetelně demonstruje, že i v mezních podmínkách umožňuje tento postup dosažení zcela vyhovujících výsledků.

 

Obr. 8: Z plechů síly 1,2, resp. 1,5 mm spojených svařovací rychlostí 78 cm/min vznikají po proběhnutí tvářecí operace vzorky svarově spojeného střešního rámu osobního vozu.

 

Obr. 9: Porovnáme-li chování dílů absorbujících náraz (podélné nosníky) při crashtestu, zjistíme, že ocelová část hybridního dílu (levý obr.) si zachovává svůj tvar i požadovaný odstup (od ostatních částí karoserie), zatímco nosník, který je celý vyrobený z ocele (obr. vpravo), je zdeformovaný v celé délce. (Schweißlöt-Naht = svarově pájený spoj)