JÁRMŰIPARI VÉKONYLEMEZEK ÍV- ÉS ELLENÁLLÁS-PONTHEGESZTÉSE

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 3.

Ellenállás- és ív-ponthegesztés összehasonlítása ........................................................... 36

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, km=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 Fe3-C fémes vegyület elnevezése. Kemény rideg vegyület. Több szövetszerkezetben is megtalálható. A perlit az austenit bomlási terméke. A1 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 Fe3C 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 270370 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 (400800 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 11,7 % 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 (A80=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, vh= 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 km=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 km érték az extra nagy szilárdságú (XHSS) acélokra km=40000, míg az ultra nagy szilárdságú (UHSS) acélokra km=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 Rp0.2=900 MPa, és igen nagy szakító szilárdság Rm=1600 MPa jellemzi, melyhez kimagaslóan jó fajlagos nyúlási érték tartozik, (A5=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 23 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 ZnFe 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/m2 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

kialakítására, rézbevonatú acél hozaganyaggal.

van

bevonatos

vékonylemezek

kötésének

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: 2. .

Φ=I 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 Al2O3 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 te-vel jelöljük. Ehhez a szakaszhoz tartozik az elektródok közelítése is. A hegesztés második szakaszában játszódik le maga a hegesztés. A hegesztési idő jele th. 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 tu-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 tsz-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:

E

th

th

t 0

t 0

   dt   U

h

 I h  cos   dt  U h  I h  cos   th

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 10-105 A/cm2 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

gáz összetétele lehet semleges, vagy aktív, alkalmazástól függően. Gazdaságossági okok miatt a CO2 alapú, valamint kevert védőgázok használata terjedt el a legjobban. A huzalelektródát fordított polaritás (DCEP) szerint kapcsolva stabil ívet és jobb anyagátvitelt kapunk. Egyenes (DCEN) kapcsolás esetén nagyobb a leolvasztási teljesítmény, de a sekély beolvadás és a nagy varratdudor miatt nem előnyös.

Nagy termelékenységű, jól automatizálható, jó minőségű

varratot eredményező eljárás, így széles körben elterjedt. VFI eljárással szinte minden acél hegeszthető, javító és felrakó hegesztésre is alkalmas. Kézi és gépi változata is van, utóbbi igen nagy termelékenységű, jó minőségű varratot eredményező eljárás. A hegesztési helyzet és falvastagság szempontjából nincsenek jelentős korlátok az eljárás előtt [17]. VFI eljárással ívpontot vh=0 sebességgel végzett hegesztés esetén lehet készíteni. Csak exogén módon készülhet kötés így minden esetben varratdudor keletkezik. Amennyiben a felső lemez vastagabb mint 3mm, arra furatot kell készíteni, különben nem lesz megfelelő a kötés minősége. Az alsó lemez vastagságának nincs korlátja. Függőleges, vagy fej feletti helyzetben is végezhető kötéskialakítás, csupán igényesebb előkészítést, elektromos paraméter választást és megfelelő fúvóka kialakítást igényel.

14. ábra VFI ponthegesztés vázlata

VFI ív-ponthegesztés esetén az ív gyújtása és oltása pontos vezérlést igényel. A reprodukálhatóság érdekében, hogy a folyamat indítása és megszakítása minden varrat esetén megegyezzen, mikrochip végzi a vezérlést. Az ív áramsűrűsége és a feszültsége általában 34

nagyobb, mint a hagyományos eljárásnál. A hegfürdő rövid idő alatt kihűl, így könnyen martenzitesre edződhet a kötés. Ellenállás-ponthegesztéssel szemben előnye, hogy a varrathoz elég egy oldalról hozzáférni, így nagyméretű és különböző szelvényű elemek is hegeszthetők, gyakori alkalmazási terület a vékony lemez vastag lemezre való hegesztése, mint pl. burkolatok felerősítése. Továbbá kevésbé érzékeny a felületi előkészítésre, de igazán jó minőségű varrat csak alapos felület előkészítéssel érhető el. Berendezése egyszerűbb és olcsóbb, mint az ellenállás-ponthegesztő berendezés. Sajtoló erő nem szükséges, mert a folyamatosan előretolt huzalelektródából származó hozaganyag áthidalja az alapanyagok között esetlegesen jelen lévő illesztési hézagot. Mivel nincs sajtolóerő, így látható helyen magától értetődően alkalmasabb a kötés kialakítására. Viszont bevonatos lemezek hegesztésénél a nagy hőbevitel miatt a bevonat nagy területen leég, melyet utólag pótolni kell. További hátránya a jelentős fröcskölés, kormozódás, valamint a jelentős szívódási üreg, porózusság. Semleges védőgázas volfrám elektródás ívhegesztésnél az ív egy nem olvadó elektród és az alapanyag között ég. Az atmoszférát külön adagolt gáz alkotja, mely egyben a fúvókát és az elektródot is hűti. A nemesgázban égő ív stabil és jól szabályozható. A hegesztéshez adagolhatunk hozaganyagot, de anélkül is végezhetjük, amennyiben kellően kis hézaggal vannak a lemezek illesztve. Az eljárás előnyei közé sorolható, hogy nincs salakképződés, se füstképződés, ezért a hegfürdő és környezete jól látható. Gyakorlatilag minden hegesztési pozícióban kivitelezhető a hegesztés. Egyoldali hozzáférés elégséges, így az alsó lemez vastagságának nincs korlátja. További előny, hogy a hegesztő áramot, illetve a hegesztési időt helyesen megválasztva az alsó lemez nem olvad át teljes vastagságában, így azt látható helyen sem kell utólag megmunkálni. Hátránya a kis hegesztési sebesség, és az időegység alatt leolvasztott hozaganyag mennyiség. További hátrány, hogy autogén módon történő hegesztés esetén a hegfürdő hűlés közben kis mértékben beszívódik, mely látható helyen nem kívánatos, és a melegrepedésre hajlamos ötvözetek hegesztése esetén könnyen repedés keletkezhet. A probléma kiküszöbölésére hozaganyag adagolás ajánlott, melyhez azonban kiegészítő berendezés szükséges. Ezen 35

berendezés a hozaganyag előtolására szolgál, illetve a védőgáz áramlását és a hegesztő áramot is felügyeli [23]. Ív-ponthegesztésre alkalmazható az eljárás. Autogén módon végzett kötéskialakítás esetén nem keletkezik varratdudor, így esztétikus varrat készíthető. Az ív gyújtását és oltását elektronika vezérli. A felső lemez vastagsága korlátolt, maximum 2 mm, de az alsó lemez vastagsága tetszőlegesen választható. A berendezés jellegéből adódóan egyoldali hozzáférés szükséges. Berendezése nem tér el lényegesen a hagyományos SWI berendezéstől, egyetlen lényeges eltérés, hogy egy időrelé indítja és szakítja meg az ívet. Egyen és váltakozó árammal egyaránt végezhető a hegesztés, a beolvadási mélység növelhető az áram nagyságának, vagy a hegesztési idő hosszának növelésével. Hegesztés során a két alapanyagnak érintkeznie kell, különben a kötés nem lesz megfelelő. Erről a gépi berendezés esetén külön készülék gondoskodik, kézi hegesztés esetén a fúvóka felfekszik a felső lemezre és kézi erővel történik a szorítás. A pisztolyok lehetnek lég, vagy vízhűtésűek, exogén módon történő hegesztés esetén a pisztolynak gondoskodnia kell a hozaganyag megfelelő megvezetéséről, úgy hogy a hozaganyag ne szennyezze az elektródot. További ív-ponthegesztésre alkalmazható eljárás a BKI és a plazma-ívhegesztés, mely a szakdolgozatomnak nem témája, melyre így nem térek ki bővebben.

2.5 Ellenállás- és ív-ponthegesztés összehasonlítása Általánosságban mindkét technológiáról elmondható, hogy jól gépesíthető, így nagy termelékenység érhető el gyártósorokba való beépítés esetén. Sem az ellenállás-, sem az ívponthegesztés nem alkalmazható univerzálisan, ennek több oka is van, melyet elsősorban a gyártástechnológiában kell keresni, nem a varratok minőségében. Az ellenállás-ponthegesztés hátrányai, hogy minden esetben szükséges a kétoldali hozzáférés, illetve bizonyos lemezvastagság felett nem alkalmazható. A kialakított kötések utólag nem javíthatók a technológiával. Előnye, hogy jól automatizálható, több hegesztőrobot együttes alkalmazásával igen nagy termelékenység érhető el. A varrat kialakítása során nincs 36

nyílt hőforrás. Különböző anyagminőségű lemezek között is kialakítható hegesztett kötés. A hegesztés során kis hőbevitel történik, így kisebb az alakváltozás és a maradó feszültség. Bevonatos lemezek viszonylag egyszerűen hegeszthetők, az elektródcsúcs gyakori felújítását leszámítva. Az ív-ponthegesztés fő előnye, hogy a hegesztett kötés kialakításához elegendő egyetlen oldalról hozzáférni a munkadarabhoz. A felső lemez vastagsága a legtöbb eljárásváltozat esetén korlátolt, viszont az alsó lemez vastagsága nem korlátozott. Hibás ellenállás-ponthegesztéssel készített kötés javítható ezzel a technológiával. A hegesztés elvégzéséhez nem szükséges szorítóerő alkalmazása, így esztétikailag megfelelőbb varratok készíthetők. Hátránya, hogy a vastagabb lemezeken furatot kell kialakítani hegesztés előtt. A hegesztés során nagy a hőbevitel mértéke, így káros anyagszerkezeti folyamatok játszódhatnak le, mint a szemcsedurvulás, kilágyulás. A nagy hőbevitel másik káros hatása a nagymértékű deformáció, illetve káros belsőfeszültségek maradhatnak vissza.

37

3. ELLENÁLLÁS PONTHEGESZTÉSI KÍSÉRLET 3.1 A hegesztendő alapanyag vizsgálata A hegesztési kísérletek alapanyagául szolgáló bevonatos lemezt a járműiparban igen elterjedten alkalmazzák. A kísérletekhez felhasznált DX51D+Z anyagminőségű 1 mm vastagságú lemezt a hegesztés előtt anyagvizsgálati módszerekkel elemeztük, hogy meghatározzuk

a

mechanikai

tulajdonságait.

Az

ehhez

szükséges

próbadarabok

az

1000 x 2000 mm méretű lemeztáblából lettek kimunkálva számjegyvezérlésű gépi ollón. Hideg daraboló eljárást alkalmaztunk, hogy a szövetszerkezeti változásokat és a horgany bevonat tönkremenetelét megelőzzük. A próbatestek az MSZ EN ISO 14273 (nyíró-szakító vizsgálat) szabványnak megfelelően lettek kimunkálva. A VFI és AWI hegesztési kísérletekhez a megfelelő beolvadás megkönnyítésére és a varratdudor csökkentésére furatos lemezek lettek kimunkálva, a furatok átmérője 2 mm. A vizsgálatok célja, hogy valós nyúlási és szilárdsági értékeket kapjunk az alapanyagról. A próbatestek hengerléssel megegyező, illetve arra merőleges irányban lettek kimunkálva, hogy pontos képet kaphassunk az esetleges anizotrópiáról. A kimunkált próbatest méreteit a következő kép mutatja.

15. ábra Szakítópróbatest és a jellemző méretek 38

Az alapanyagból a hengerlési iránnyal párhuzamosan és arra merőlegesen 3-3 próbadarab lett kimunkálva. A szakítóvizsgálatokat MTS típusú, elektrohidraulikus, számítógép vezérelt anyagvizsgáló berendezésen végeztük el. A vizsgálat során állandó, 0,1 mm/s sebességgel történt a szakítás. Mind a hat próbatesten a szakadás a középső harmadban történt, így kiértékelhető eredmények születtek. Egy hosszirányú próbatestet a vizsgálatot követően a következő ábrán láthatunk.

16. ábra Próbatest a szakítást követően A hosszirányból kimunkált próbatestek átlagos szakítószilárdsága 360 MPa, melyet egyezőnek tekinthetünk a műbizonylatban szereplő 361 MPa-os értékkel. A keresztirányú próbatestek szakító szilárdságára kissé nagyobb érték adódott, szám szerint 371 MPa. Noha a hengerléssel párhuzamosan és arra merőlegesen kimunkált próbatestek szakítószilárdsága közötti 10 MPa-os eltérés jelentkezett, ez nem tekinthető szignifikánsnak. A következő ábrán egy hossz és egy keresztirányú szakító próba által szolgáltatott értékekből szerkesztett diagramot láthatunk. A diagramon látható, hogy az egymásra merőleges irányokban kapott értékek között nincs lényegi különbség.

39

F[kN] 14 12 10 8 6 4 2 0

Hosszirányú Keresztirányú

2

4

6

8

10

12 14

16

18

20 22 24 Δl [mm]

17. ábra Hossz és keresztirányú szakítódiagram A diagram első része, a rugalmas szakasz, amire jellemző, hogy az erő egyenletes mértékben nő, míg megindul a képlékeny alakváltozás a vizsgálati szakasz mentén. A diagramon nem ez látható, az erő kezdetben exponenciálishoz hasonló mértékben nő, mely a nem megfelelő befogás eredménye. Ilyen esetben a vizsgált darab képlékenyen alakváltozik a befogó pofákban, azok belemarnak a vizsgálandó darab felszínébe, vagy megcsúszik azok között, amíg kellően meg nem szorul. A befogó pofákban történő csúszás során hibás adatokat kapunk, ennek kiküszöbölésére finom nyúlásmérő bélyeget alkalmaztunk. A százalékos szakadási nyúlási értékek sem mutatnak eltérést a hossz és keresztirányú próbatestek esetén, mind a két érték a 25-26 %-os tartományba esik. Ez az érték azonban 11 %kal a gyártó által kiállított műbizonylatban szereplő értek alatt van, de így is a szabvány által minimálisan megkövetelt 22 %-os határ fölé esik, így ezt a kritériumot megfelelően teljesítette az anyag, a vizsgálat szempontjából megfelelő. A vizsgálat során finom nyúlásmérő bélyeget is alkalmaztunk, az így nyert adatokból megállapítható a 0,2 % maradó alakváltozáshoz tartozó egyezményes folyáshatár. Ez hosszirányban 275 MPa, keresztirányban 309 MPa-ra adódott. A két adat között több mint 10 %os különbség van, mely jelentősnek mondható. A szakítóvizsgálat eredményeiből megállapítható az anizotrópia tényező, melyet a kereszt és a hosszirányú szakítószilárdsági értékek hányadosaként határoztunk meg. A vékonylemezek szilárdsági anizotrópiáját a κR tényezővel jellemeztük: 40

R 

Rmk Rmh

Hosszirány

Próbatest

Aniztrópia tényező

Keresztirány

sorszáma

A80 [%]

Rm [MPa]

A80 [%]

Rm [MPa]

R

1.

26,25

361

25

364

1,008

2.

25

359

26,25

366

1,02

3.

24,375

359

26,25

383

1,066

Átlag

25,2

360

25,83

371

1,03

1. táblázat Hossz és keresztirányú nyúlási értékek A következő táblázatban összefoglalva láthatjuk a gyártó által kiállított, EN 10204 szabványnak megfelelő 2.2-es műbizonylatban szereplő adatokat, mely tartalmazza a szabvány által előírt minimum és maximum értékeket, illetve a tekercsből származó lemezre jellemző, a gyártó által mért értékeket, illetve a lemezből kimunkált próbadarabokon általunk mért tényleges értékeket.

Gyártói adatok Mért adatok Min/Max Adag Hossz Kereszt 270/500 361 360 371 275 309 180 180 -

DX51D+Z mechanikai adatai Szakítószilárdság (MPa) Rp0.2 (MPa) Hajlítóvizsgálat (°) Nyúlás A80 (%) 2

Bevonat tömege (g/m )

22

37

25,2

25,83

275

193

-

-

2. táblázat Alapanyag mechanikai adatai Ahogyan az 1. táblázatban is megfigyelhető, az anizotrópia tényező jó közelítéssel 1-nek tekinthető, tehát az anyag mechanikai jellemzői hegeszthetőségi szempontból izotrópnak, vagyis a hengerlési iránytól függetlennek tekinthetőek. A hegesztési kísérlet előkészítése során vegyi elemzést végzünk, annak megállapítására, hogy a gyártó által közölt vegyi összetételre vonatkozó adatok fedik-e a valóságot. Az alapanyag 41

kémiai összetétele a következő táblázatban van összefoglalva. A feltüntetett adatok a gyártó által kiállított műbizonylatból származnak. Megnevezés Előírt maximum Műbizonylati érték Vegyelemzés eredménye

C [%]

Si [%]

S [%]

Mn[%]

P [%]

Ti [%]

0,18

0,50

0,045

1,20

0,120

0,300

0,05

0,03

0,009

0,35

0,013

0,001

0,0367

0,079

0,0092

0,244

0,0184

0,001

3. táblázat Kémiai összetétel A táblázat 4. sorában a vegyelemzés eredményi láthatók, szignifikáns eltérés egyik elem esetében sem mutat a műbizonylati és a vegyelemzés értéke, és egyik elem mennyisége sem haladja meg az előírt maximumot. Figyelmet érdemel, hogy a szilárd fázisú szennyezők (S, P) koncentrációja nagyon alacsony, ami az ilyen típusú (alakításra és hegesztésre szánt) acéloknál kiemelt jelentőségű. Az

alapanyagból

mikro-csiszolatok

is

készülnek.

A

csiszolatok

az

alapanyag

keresztmetszetén kerülnek kialakításra, a szövetszerkezet és a bevonat tulajdonságainak vizsgálatára. A vizsgálat előtt az alapanyag vizsgálandó élét csiszolják, polírozzák, 3 %-os salétromsavban maratják (Nital), majd 200-szoros és 500-szoros nagyítás mellett képet készítenek. A karbon tartalom 0,05 % alatti, így a szövetszerkezet túlnyomórészt ferrites, mely a következő hengerléssel megegyező irányban készített mikrocsiszolati képen jól látható.

42

18. ábra 500-szoros nagyítás az alapanyag szerkezetéről

A következő kép a horganybevonat és az alapfém érintkezési helyét mutatja be 500-szoros nagyítással. A műbizonylat alapján a horganybevonat mennyisége 275 g/m2. A képen jól látható, hogy a horganybevonat vastagsága nem egyenletes, felülete érdes. Továbbá megfigyelhető az átmeneti rétegek hiánya, az alapfémen közvetlenül a horganybevonat van és nincs Zn+Fe átmeneti zóna.

43

19. ábra Az alapanyagon lévő horgany bevonatról készült felvétel A mikro vizsgálatot több próbatestem is elvégeztem. A mikro vizsgálat alapján a bevonat átlagos vastagsága 43 mikrométer, de a képen is jól látható, hogy a bevonat vastagsága változó, pórusos, mely változó hegeszthetőségi tulajdonságokhoz vezet. Az átmeneti zónák hiányából egyértelműen megállapítható, hogy a lemezt elektrogalvanikus eljárással vonták be. Ettől jobb minőségű bevonatot eredményez a tűzi-mártó eljárás. Utóbbi technológiával felvitt bevonatok vastagsága egyenletesebb, összetétele állandó, és jobban kötődik az alapfémhez, továbbá azt feltételezzük,

hogy

szennyezőtartalma

is

kisebb,

így

hegeszthetőségi

szempontból

megfelelőbbek.

3.2 Ellenállás ponthegesztési kísérlet A

hegesztési

kísérleteinket

a

járműiparban

alkalmazott

DX51D+Z

vékonylemez

hegesztéséhez járatos eljárásokkal végeztük el: ellenállás ponthegesztés, VFI ívpont-hegesztés és AWI ívpont-hegesztés. A hegesztési kísérleteket a Miskolci Egyetem Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézetének Hegesztő Laboratóriumában végeztük el. A kötések kialakítása egy olasz gyártmányú TECNA 8007 típusú, állványos, pont- és dudorhegesztőgépen

történt.

A

hegesztőgép

helyhez 44

kötött

kivitelű,

programozható,

impulzushegesztésre is alkalmas, parallel löketű, egyfázisú, váltakozó áramú berendezés, 300 kVA névleges teljesítményhatárral. A gép működhet teljesítmény-beállítással, állandó áramerősséggel, illetve állandó energiával is [2].

20. ábra A TECNA 8007 típusú programozható pont- és dudorhegesztőgép a TE 550 típusú vezérlőegységgel

Az 1 mm-es falvastagságú DX51D+Z jelű lágyacél lemez ponthegesztéséhez mindkét oldalon a legelterjedtebb, MSZ EN 25184 szabvány B típusának megfelelő csonkakúp végződésű (120°-os csúcsszögű), egyenes tengelyű, hengeres elektródokat alkalmaztuk. Az elektródok homloklap-átmérőjének meghatározására két összefüggés is ismert [Error! Bookmark not defined.]: d e  2,5  2  s  4,5mm d e  5  s  5mm

45

Az esetünkben vizsgált 1 mm-es lemezvastagság környezetében a két összefüggés közel ugyanazt az eredményt adja, ezért a hegesztésekhez szükséges elektród átmérőt de=5 mm-re választottuk. A következő képen a kötés kialakításhoz végzett elektród sematikus vázlatát láthatjuk [Error! Bookmark not defined.].

21. ábra Kísérlethez alkalmazott elektród

Az elektródok cserélhető, vízhűtéses kivitelben készülnek. A sokoldalú igényeknek megfelelő elektródokat készíthetik két részből is, egy szerszámtestből, illetve egy cserélhető elemből, mely a hegesztés során a kontaktust biztosítja. Az elektródok csúcsa lehet gömb, csonka kúp, vagy sík kialakítású, alkalmazástól függően. A hegesztéshez az iparban leggyakrabban alkalmazott Cu-Cr-Zr elektródot alkalmaztuk. Ezt az összetételű elektródot kifejezetten bevonatos lemezek hegesztéséhez ajánlják. Ettől jobb minőségű elektród a kompozit összetételű, réz mátrixú, Al2O3 szemcséket tartalmazó illetve a cserélhető Mo, W csúccsal készített elektród, melyet gazdaságossági okok miatt kevésbé elterjedten alkalmaznak. 46

A szakirodalomi ajánlások alapján a bevonatos lemezek ponthegesztéséhez kemény, illetve extra kemény munkarend alkalmazása szükséges, amelyhez az 5-10 periódus hegesztési időtartomány tartozik, ezért ezeket a hegesztési időket alkalmaztuk a vizsgálat során. A kötés reprodukálhatóságának biztosításához készüléket használtunk. Az elektród szorító ereje 2 kN (2 bar), mely a vizsgálat során állandó volt, az elektróderőt sűrített levegős palack biztosította. A gépet állandó áramú vezérlési módban alkalmaztuk, mely során a gép hegesztés közben méri az áramerősséget és szükség esetén kompenzálja. Az elektród közelítési ideje 30 periódus, mely 0,6 s-nak adódik, az utószorítás ideje 10 periódus. Az utószorítás célja, hogy a varrat hűlése közben ne alakulhassanak ki szívódási üregek. A tényleges kötés kialakítás előtt előkísérletet végeztünk a megfelelő paramétertartomány behatárolására. Először extra kemény munkarendet alkalmaztunk, így a hegesztési időt 5 periódusra választottuk, az áramerősséget pedig 7,5 kA-ről fokozatosan növeltük 9 kA-ig, de egyik kötés sem volt megfelelő, a két lemez nem hegedt össze kellő mértékben, maguktól szétestek. A hegesztési időt 5 periódusról a már kemény munkarendhez tartozó 10-re növelve, az áramerősséget 8,5-9 kA között változtatva végeztük a további vizsgálatokat. A kötések vizsgálatához a kézi varratvizsgáló szerszámot alkalmaztuk, melyet a következő képen láthatunk.

22. ábra Kézi varratvizsgáló szerszám

47

A hegesztési kísérlet során alkalmazott paramétereket az alábbi táblázatban foglaltam össze. Szorító erő [kN]

2

tköz

theg

Iheg

[per]

[per]

[kA]

30

10

8,5-9

tutó [per]

10

4. táblázat Ellenállás hegesztés során alkalmazott paraméterek Két sorozatban összesen 7 kötést készítettünk. A hegesztés és a roncsolásos vizsgálat eredményeit az 5. táblázatban foglaltam össze. A hegesztés során fontos a darabok felületének tisztasága, illetve a megfelelő kontaktus biztosítása, amennyiben ez nem valósult meg, a munkadarab a készülékhez hegedt. Az elektródok tisztasága is kritikus fontosságú, a próbadarabok több esetben az elektródhoz is hozzátapadtak. Az elkészített kötéseket roncsolásos anyagvizsgálati módszerrel elemeztük. A nyírószakító vizsgálatot a vonatkozó EN ISO 14273 szabványnak megfelelően hajtottuk végre. Az anyagvizsgálati eszköz egy hidraulikus szakító berendezés volt, mely 20 t maximális méréshatárral rendelkezik. A nyíró szakító vizsgálat célja, hogy az átlapolt helyzetben elkészített kötésekkel létrehozott elemet két szorító pofa közé helyezik a végeiken, majd egyenletes sebességgel ellenkező irányba távolítani kezdik a pofákat. A vizsgálat elrendezése miatt a két lemez nem esik egy síkba, így a nyíró igénybevétel mellett húzó igénybevétel is hat a próbatestre. A vizsgálat során két módon történhet a kötés tönkremenetele. Egyik esetben a elnyíródik a két lemez közötti síkban, a második esetben a kötés kiszakad a lemezből, kigombolódik a kötés. A megfelelő minőségű kötések jellemző tönkremeneteli módja a kigombolódás [24].

48

23. ábra Nyíró-szakító vizsgálat elrendezése Az alábbi táblázatban összefoglaltam a folyamatos energiabeviteli mód során alkalmazott paramétereket és a nyíró-szakító vizsgálat eredményeit. Próbatest

Iheg [kA]

theg [per]

Fny [kN]

Megjegyzés

1

8,5

10

3,55

nem gombolódott

2

8,5

10

5,1

nem gombolódott

3

8,5

10

3,95

nem gombolódott

4

9

10

5,9

nem gombolódott

5

9

10

5,7

nem gombolódott

6

9

10

5,35

nem gombolódott

7

9

10

5,75

nem gombolódott

5. táblázat Nyíró-szakító vizsgálat eredményei A táblázatból jól látható, hogy az áramerősség 8,5 kA-ről 9 kA-re növelése pozitívan befolyásolta a kötés teherviselő képességét. Az átlagos nyíró-szakító erő értéke 5 kN adódott. Az áramerősség növelésével nőtt a kötések pontátmérője, ezáltal pedig a nyíró-szakító ereje is, de nem gombolódtak ki a próbatestek, azaz a tönkremeneteli mód nem volt megfelelő. A 8,5 kA-rel és 10 periódus hegesztési idővel kialakított kötések nyírószakító ereje nagy szórást mutat, noha a 49

gép beállításait nem változtattuk. Ennek oka egyértelműen a bevonat rossz minőségében és az elektród beötvöződésében keresendő. A bevonat vastagsága és összetétele jelentősen befolyásolhatja az átmeneti ellenállást, mely hegeszthetőség szempontjából igen fontos, így ilyen ingadozásokhoz vezethet. A folyamatos energiabevitelű hegesztés másik hátránya az elektród gyors tönkremenetele. Az elektród

cinkkel

való

ötvöződésének

mérséklésére

szakaszos

energiabeviteli

módot

alkalmaztunk. Impulzus hegesztés során az energiabevitel két szakaszra van osztva, a két szakasz között szünet idő van, mely során az alapanyagnak és az elektródnak is van ideje hűlni. Ezen a csökkent hőmérsékleten a Zn kevésbe hajlamos beötvöződni a réz elektródba. További előnye is van a szakaszos energiabevitelű eljárásnak, a szünetidő alatt a keletkezett hőmennyiség jobban szét tud terülni, így nagyobb méretű lesz a hevített zóna és lassabb lesz a hűlés, kevésbé edződik be a varrat és a hőhatásövezet. További előnye, hogy kisebb a hőveszteség, keskenyebb a hőhatásövezet, kisebb a deformáció és a maradó belső feszültség. Az alacsonyabb hőmérséklet hatására az alapanyag jobban tartja a szilárdságát, így az elektród benyomódása is kisebb mértékű lesz, mely esztétikai szempontból is rendkívül fontos, illetve a nagyobb benyomódás feszültséggyűjtő helyként is szolgálhat [25]. A felsorolt pozitív tulajdonságokat figyelembe véve a további hegesztési kísérleteket szakaszos energiabeviteli móddal végeztünk el, kemény, illetve extra kemény munkarenddel. A hegesztéshez során beállított paramétereket a következő táblázat tartalmazza. Szorító erő

tköz

theg

Iheg

tutó [per]

[kN] 2

[per] [per] 30

[kA]

6-10 6,5-10

10

6. táblázat A 2. kísérlet paraméterei A hegesztéshez használt elektród a korábban is alkalmazott csonkakúpos elektród volt. Az elektróderőt ismét 2 kN-os állandó értéken tartottuk. Kezdetben a hegesztési idő 5 periódus volt melyet két egyenlő részre osztottunk, de ezzel a beállítással nem sikerült elfogadható minőségű kötést létrehozni. Ennek oka nem a hibás beállításban keresendő, hanem a gép 50

szabályozhatóságában. Ezután 6 és 10 periódussal végeztünk kísérletet, mely során már értékelhető eredmények születtek. A hegesztett kötéseket nyíró-szakító vizsgálatnak vetettük alá, melynek eredményeit a következő táblázat tartalmazza. Sorszám

I [kA]

theg [per]

Fnysz [kN]

Megjegyzés

1

9,5

3-15-3

3,5

elégtelen hegedés

2

10,0

3-15-3

4,2

elégtelen hegedés

3

10,5

3-15-3

5,45

gombolódott

4

11

3-15-3

6,2

gombolódott

5

11,5

3-15-3

6,4

gombolódott

6

12

3-15-3

6,65

gombolódott

7

12,5

3-15-3

6,7

fröccsent

8

13

3-15-3

6,7

fröccsent

9

6,5

5-15-5

2,8

elégtelen hegedés

10

7

5-15-5

3,4

elégtelen hegedés

11

7,5

5-15-5

6,3

gombolódott

12

8

5-15-5

6,5

gombolódott

13

8,5

5-15-5

6,5

gombolódott

14

9

5-15-5

6,5

gombolódott

15

9,5

5-15-5

6,7

gombolódott

16

10

5-15-5

4,8

fröccsent

17

10,5

5-15-5

4,2

fröccsent

7. táblázat Ellenállás ponthegesztett kötések vizsgálati eredményei A táblázatból jól látható hogy a 3-15-3 periódus idővel készített kötések terhelhetősége nagyságrendileg megegyezik az 5-15-5 periódus idővel készített varratokéval. A hegesztés során megfigyelhető volt, hogy a túl kis áramerősség hatására a próbadarab az elektródhoz tapadt. Ennek több káros következménye is van, egyrészt sérül a horganybevonat, másrészt az elektródba beötvöződik a cink. Így elmondható, hogy az elektród szakaszos energiabevitel esetén is gyorsabban károsodik a bevonat nélküli lemezek hegesztéséhez képest, kb. 15-20

51

kötéskialakítás után az elektród felszíne olyan mértékben károsodik, hogy azt fel kell szabályozni. A hegesztett kötés minőségére további kiemelkedő befolyással van a horganybevonat minősége. A gyártó nem az alapanyag felületén lévő horganybevonat vastagságát garantálja, hanem az egy négyzetméterre eső bevonat tömegét. Így a bevonat vastagságában jelentős helyi ingadozások lehetnek, melyek összességében kiegyenlítik egymást és megfelel a gyártó által garantált négyzetméterre eső tömegnek, de az ingadozó vastagság miatt a hegesztés feltételei változnak, így romlik a hegeszthetőség. A hegesztés során nagy mennyiségű korom, vagy koromszerű anyag keletkezik, az áram növelésével ez a kormolás tovább nő. A próbadarabok felület előkészítése megfelelő volt, ugyanis a felületi zsírokat, olajokat megfelelő oldószerrel távolítottuk el, így annak oka, hogy valami kiég a bevonatból feltehetőleg az, hogy a horganybevonat szennyezett. Ez a jelenség a tűzi-mártó eljárással bevont lemezek ellenállás-ponthegesztésére kevésbé jellemző. A fenti táblázatban összefoglalt eredményekből görbe szerkeszthető, mely megmutatja az áramerősség és a nyíró-szakító erő közötti összefüggést. Fny [kN ]

Fe = 2 kN theg=6 per

8 7 6 5 4 3 2 1 0 9,5

10

10,5

11

11,5

12

12,5

13

Iheg[kA]

24. ábra A nyíró-szakító erő az áramerősség függvényében 52

A kétszer 3 periódus idővel végzett hegesztések esetében a maximális nyíró-szakító erő 6,7 kN volt. A 10 kA-nél kisebb áramerősséggel készített varratok nem hegedtek össze kellően, roncsolásos vizsgálat során a két lemez elnyíródott, nem a jó minőségű kötésekre jellemző gombolódás történt. A 12,5 kA, vagy attól nagyobb áramerősség esetén bár a nyírószakító erő nem indult csökkenésnek, de kifröccsenést tapasztaltunk, mely a fentebb említett tényezők miatt nem megengedhető, így ezt az áramerősséget tekintjük a hegeszthetőség felső határának.

Fny [kN]

Fe=2 kN theg=10 per

8 7 6 5 4 3 2 1 0 6,5

7

8

8,5

9

9,5

10

10,5

I [kA]

25. ábra Nyíró-szakító erő az áramerősség függvényében A 8 kA-nél kisebb áramerősséggel készített varratok nem hegedtek kellően, vizsgálat során nem gombolódtak. A két lemez között nem jött létre kellő méretű heglencse. A 9,5 kA-nél nagyobb áramerősséggel végzett hegesztés során az anyag egy része kifröccsent. Ez káros, ugyanis ez anyagfolytonossági hiányt okoz a varratban, illetve a túl nagy hőmérséklet hatására a korábban felsorolt káros folyamatok is beindulnak, az elektród élettartama csökken, a benyomódás mélysége megnő. Az MSZ EN ISO 14327 Eljárások az ellenállás-ponthegesztés, - vonalhegesztés és – dudorhegesztés hegeszthetőségi tartományának meghatározására szabvány előírást ad arra az esetre is, ha a ponthegesztett kötések szilárdsági jellemzőinek (nyíró-szakító erő) vizsgálata alapján szeretnénk minősíteni a kötéseket. 53

A ponthegesztett kötések minimális szilárdságát (az elégtelen hegedés határát) az előbbieknek megfelelően a maximális nyíró-szakító erő 75 %-nál jelöljük ki, míg a fröccsenési határt a maximális nyíró-szakító erőnél értelmezzük.

26. ábra Állandó elektróderő esetén érvényes hegesztési munkatartomány DX51D+Z anyagminőség esetében A hegesztési munkatartomány felülről nyitott, ugyanis ettől nagyobb hegesztési időkkel is lehetséges megfelelő minőségű kötést létrehozni, de a gazdaságossági és elektródkopási szempontokat figyelembe véve ez nem indokolt. Alsó hátárát főleg a hegesztéshez alkalmazott gép szabályozhatósága határozza meg. Az autóipari termékeken készített ponthegesztett kötések jellemzően dinamikus és fárasztó igénybevételnek vannak kitéve, így létfontosságú a varratok keménysége. A kemény varratok ridegen viselkedhetnek, így könnyebben elrepedhetnek, üzem közben ridegtörés következhet be. Az elkészített kötések közül egyet keménység vizsgálatnak vetettünk alá, annak megállapítására, hogy milyen mértékben keményedik fel varrat és a hőhatásövezet. A vizsgálatokat az EN ISO 14271 szabvány alapján végeztük el, amely az ellenállás-ponthegesztéssel készített kötések Vickers-féle keménységmérésének előírásait tartalmazza. A szabvány 1 kg-os (HV1) vagy 0,2 kg-os (HV0,2) terhelő erőt ír elő. Az 1 mm-es lemezvastagságot és a minél pontosabb mérési 54

eredményeket szem előtt tartva az alkalmazott erőegység mértéke HV0,2 volt. A keménység hosszirány menti eloszlását a következő ábrán láthatjuk.

HV0,2 260 240 220 200 180 160 140 120

-X [mm] -4

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4 X [mm]

27. ábra Ponthegesztett kötés hosszirány menti keménységeloszlása szakaszos energiabevitel esetén A heglencse 230 Vickers körüli keménysége az autóiparban alkalmazott DVS 2905 szabvány szerint megfelel, mely a 120-200 Vickers keménységű alapanyaghoz maximálisan 450 Vickers keménységet enged meg. Az elkészített kötéseken mikro- és makro vizsgálatot is végeztünk. Az egyik szakaszos energiabevitellel készített kötés makrocsiszolati képe a következő ábrán látható.

55

28. ábra Ellenállás-ponthegesztett kötés makrocsiszolati képe A képen jól felismerhető a durvaszemcsés dendrites szövet. A kristálytani rendezettség mutatja a hőelvonás irányát. A lemezek között megfelelő kötés létesült, szívódási üregek, repedés, porozitás nem láthatók. Látható, hogy az elektród benyomódása nem számottevő, esztétikailag megfelel. Ezzel az eljárással készített kötések minősége megfelelő, a hasonló szilárdsági és nyúlási jellemzőkkel

rendelkező

bevonat

nélküli

lemezek

ellenállás

ponthegesztett

kötései

nagyságrendileg azonos nyíró-szakító szilárdsággal rendelkeznek. A kötések teherbíró képessége azonos hegesztési paraméterek esetén nem mutat nagy szórást, vagyis az eljárás teljesíti a reprodukálhatóság követelményét. A jó minőségű kötések nyírószakító vizsgálat során mind gombolódtak. Erre a tönkremeneteli módra a következő képen láthatunk példát.

29. ábra Kigombolódott ellenállás-ponthegesztett kötés A kötésekben nem jelentkezik a horganybevonatos lemezek hegesztésekor jelentkező nagyfokú porozitás. Folyamatos energiabevitellel készített kötések nem megfelelő minőségűek, roncsolásos vizsgálat során elnyíródtak a két lemez közötti síkon, így készített kötések külső felületén nem kívánatos mély benyomódás keletkezett, de ezt szakaszos energiabevitellel ki lehet 56

küszöbölni. A szakaszos energiabeviteli mód további előnye, hogy jelentősen növelte az elektród élettartamát, azonban így is jóval elmarad a bevonatnélküli lemezek hegesztésére használt elektródok jellemző élettartamától. A horgany a lemezek külső felületén nem sérült, vagyis korrózióálló képességét megőrizte, mely igen nagy előny, sőt nagyon sokszor vevői követelmény, előírás bevonatos lemezek hegesztése esetén. Az eljárás hátránya az elektród kis élettartama, 15-20 hegesztés után az elektród csúcsát fel kell újítani. Túl nagy áramerősség esetén kifröccsent az olvadt anyag, mely tűzveszélyes és sérülést is okozhat. Az eljárással készített kötések minőségén javítani lehetne gömbsüveg végződésű elektród alkalmazásával, mely csökkenti a benyomódás mértékét, illetve az átmenet is egyenletesebb, így nem keletkezik feszültséggyűjtő hely. Továbbá jobb minőségű kompozit összetételű, vagy betétes elektród használata is javítana a technológia alkalmazhatóságán, de ezek gazdaságossági kérdéseket vetnek fel, az elektród és az elektród felszabályozásához szükséges szerszám is igen drága.

57

4. ÍV-PONTHEGESZTÉSI KÍSÉRLETEK 4.1 AWI ív-ponthegesztési kísérlet Az ív-ponthegesztési kísérletek során vizsgált első eljárás az argon védőgázas volfrám elektródos ívhegesztés volt, melyet igen jó minőségű kötést eredményező eljárás révén elterjedten alkalmaznak az iparban. A hegesztéshez használt Migatronic PI 500 típusú gép 500 A maximális áramerősséggel leadására képes. A gép egyaránt alkalmazható argon védőgázas volfrám elektródos ívhegesztéshez és bevontelektródás kézi ívhegesztéshez is. A gép vezérlő egysége lehetővé teszi, hogy ívpont-hegesztett kötés létrehozására is alkalmas legyen. Az AWI eljárásból adódóan elegendő egy oldali hozzáférés is a hegesztett kötés létesítéséhez. Az eljárást exogén (hozaganyagos) és autogén (hozaganyag nélküli) módban is alkalmaztuk.

30. ábra Az AWI hegesztőgép vezérlőegysége működés közben Az ív-ponthegesztett kötés kialakításához a Vh>0 sebességgel végzett hegesztéshez alkalmazott fúvóka nem megfelelő. Az ív-ponthegesztéshez speciális fúvóka kialakítás 58

szükséges, mely lehetővé teszi a megfelelő szorító erő biztosítását, illetve a védőgáz áramlását és elvezetését a hegfürdőre és környékére. Az AWI ív-ponthegesztéshez használt fúvóka a következő képen látható.

31. ábra AWI ív-pont hegesztő fúvóka

A hegesztési kísérlet végrehajtásához 100 % Argon védőgázt alkalmaztunk. A gáz térfogatárama 12 l/min volt. Az elektród típusa Miga Super Blue, átmérője 2,4 mm. A hegesztést DCEN módban végeztük, A próbadarabok felületét a hegesztést megelőzően zsírtalanítottuk. A hegesztési kísérlet során állandó paraméter volt az ív felfutási idő, mely 0,1 s, az ív lefutási idő, mely 0,3 s volt. A jó minőségű varrat készítésének feltétele, hogy már az ív gyújtása előtt is meginduljon a védőgáz áramlása, hogy megfelelő védelmet biztosítson, illetve az ív kioltása után is védelemre van szüksége a hűlő varratnak, így az ív oltása után is szükséges a védőgáz áramoltatása. A gáz előáramlási ideje 1 s, az ív kioltása utáni gázáramlás ideje 2 s. A fent felsorolt adatokat az alábbi táblázatban foglaltam össze.

59

Védőgáz

delektród

tívfel [s]

tívle [s]

tgázelő [s]

tgázutó [s]

0,1

0,3

1

2

[mm] 100% Ar

2,4

8. táblázat AWI hegesztésnél alkalmazott állandó paraméterek A vizsgálandó varratok elkészítése előtt kísérleteket végeztünk az optimális hegesztési paramétertartomány megállapítására. Az előkísérletek során furat nélküli, illetve furatos lemezre készítettünk kötést, 70 és 130 A közötti áramerősséggel, 1,2-1,5 s ív idővel. Az így elkészített kötések gyors, helyszíni vizsgálatát varrat vizsgálóval végeztük el. Az előkísérletek eredményeiből következtetve az első sorozat ívpont kötést 110-140 A erősségű árammal és 1,5 s ív idővel végeztük, furat nélküli lemezen, a fent felsorolt további paraméterekkel. A ívfeszültség 14,8-15,6 Volt-ra adódott. A hegesztés kivitelezését a 32. ábrán láthatjuk.

32. ábra AWI ív-ponthegesztés

60

Az első sorozat közben, de már az előkísérlet folyamán is megfigyelhető volt, hogy az elektródhoz jelentős mennyiségű horgany gőz tapad, mely rontja az ív és a kötés minőségét. A horganygőz, a heglencse helyéről, illetve a heglencse körüli szilárd állapotú, de 906 °C hőmérséklet feletti részről származik. Elmondható, hogy minden negyedik kötés létesítése után fel kellett újítani az elektród csúcsát, a nagymértékű lerakódások miatt. A hegesztést jelentős mennyiségű fröcskölés és füstképződés kísérte. A második sorozat során a kötéseket furatos lemezre alakítottuk ki, a furat átmérője 2 mm. A hegesztéshez használt áramerősség 110-130 A között volt, a hegesztési idő 1,5-2 s volt, az ívfeszültség 14,4-15,2 V. Furat [mm]

Iheg [A]

theg [s]

Uív [V]

Első sorozat

-

110-140

1,5

14,8-15,6

Második sorozat

2

110-130

1,5-2

14,4-15,2

9. táblázat AWI ívpont-hegesztés paraméterei Az így végzett kísérlet során is megfigyelhető volt a fentebb említett kísérő jelenségek, a fröcskölés és a füstképződés. Ebben az esetben is szükséges volt az elektród végének felújítása a nagy mennyiségű lerakódás miatt. A kötésekre jellemző volt, hogy a felső lemezen nem jött létre megfelelő hegfürdő, hűlés során a varratban szívódási üregek keletkeztek, illetve a porozitást tovább növelte a hegfürdőben bentrekedt horgany gőz. A szakító vizsgálat eredményeiből is jól látszik, hogy ez a típusú kötés jóval gyengébb az ellenállás ponthegesztett kötéseknél. Ezen a felső lemezen kialakított furat némileg tudott javítani, de így is gyengébb a kötés. A mért értékek és a hegesztési paraméterek a következő táblázatban vannak összefoglalva.

61

Próbatest

Iheg [A]

theg [s]

Furat

Fny [kN]

Megjegyzés

1

110

1,5

nincs

2,4

nem gombolódott

2

120

1,5

nincs

3,45

nem gombolódott

3

130

1,5

nincs

3,85

nem gombolódott

4

140

1,5

nincs

3,8

nem gombolódott

5

110

2

van

3,1

nem gombolódott

6

120

2

van

4

nem gombolódott

7

130

2

van

4,7

nem gombolódott

10. táblázat Nyíró-szakító vizsgálat eredményei A táblázatban felsorolt adatokból megszerkeszthető egy diagram, mely az áramerősség és a nyíró-szakító erő közötti kapcsolatot mutatja be szemléletesen. Fny [kN]

furatos furat nélküli

5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

110

120

130

140

I [A]

33. ábra Nyíró-szakító erő az áramerősség függvényében A diagramból látható, hogy a furatos lemezen készített kötések nyíró-szakító ereje nagyobb, mint a furat nélküli lemezen kialakított kötéseké. Ennek oka, hogy hegesztés során az ívnek nem

62

kell átolvasztania a felső lemezt, így könnyebben ki tud alakulni megfelelő méretű heglencse. További előny, hogy a varratba kevesebb cink juthat be, így csökken a porozitás. További kísérleteket végeztünk az eljárással, jobb minőségű varrat kialakítására. A hegesztést ezúttal exogén módon végeztük, vagyis hozaganyaggal. Ennek előnye, hogy a furatos lemezen jelenlévő nyilvánvaló anyaghiányosságot pótolja, illetve a fogyási üregek jelenlétét csökkentse. A hegesztési kísérletekhez beállított paramétereket, illetve a nyíró-szakító vizsgálat eredményeit a következő táblázatban foglaltam össze. Próbatest

Iheg [A]

theg [s]

velő [m/min]

Furat

Fny [kN]

1.

110

2

0,5

van

3,6

2.

120

2

0,5

van

4

3.

130

2

0,5

van

4,7

11. táblázat Hozaganyagos AWI hegesztés paraméterei A táblázatban összefoglalt eredményekből megszerkesztettem a nyíró-szakító erő és az áramerősség kapcsolatát mutató diagramot.

Fny [kN]

exogén furatos furat nélküli

5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

110

120

130

140

Iheg [A]

34. ábra Nyíró-szakító erő az áramerősség függvényében 63

A fenti diagramon a könnyebb összehasonlíthatóság érdekében együtt ábrázoltam az exogén és az autogén módon kialakított kötéseken mért nyíró-szakító erőt. A táblázatokból és diagramokból látható, hogy a hideghuzal alkalmazása nem eredményezett jobb minőségű kötést, a maximális nyíró-szakító erő nem növekedett az autogén móddal szemben. Ennek oka, hogy a varrat továbbra is porózus, jelentős fröcskölés tapasztalható melynek eredményeként nagy szívódási üreg marad vissza. A kötések reprodukálhatósága sem biztosítható. Általánosságban elmondható, hogy a kötések nem túl jó minőségűek, nyíró-szakító erejük kicsi. A hegesztés során a heglencsében anyaghiányosság keletkezett. Az átlapolt helyzetű lemezek között nehezen alakult ki a kötés, több esetben ejtésre a két lemez elvált egymástól. Az elektródot 3-4 hegesztés után fel kellett újítani, mert nagy mennyiségű lerakódás keletkezett a csúcsán. Esztétikai szempontból sem megfelelőek a kötések a nagymértékű fröcskölés miatt. A bevonat körkörösen leégett mind a két lemez mind a két oldalán, így csökkent a bevonat védelmi képessége, melyet lemezek külső oldalain utólag pótolni lehet, de a lemezek között ez nem megvalósítható. Noha ezzel az eljárással a bevonat nélküli lemezek általában jól hegeszthetőek, de a bevonatos lemezek hegesztése esetén nem lehetséges megfelelő minőségű varrat biztosítása. A vizsgálat során ennek részben a bevonat tulajdonságainak ingadozása is oka lehetett, de általánosságban is elmondható, hogy az AWI eljárás nem alkalmas bevonatos lemezek ívponthegesztett kötéseinek kialakítására.

4.2 A VFI ív-ponthegesztési kísérlet Az ellenállás ponthegesztés másik alternatívája az AWI eljárás mellett a VFI. Az eljárás nagy előnye a jó automatizálhatóság, az autóiparban elterjedt az ilyen eljárással dolgozó robotok alkalmazása. 3 mm-nél vastagabb lemezek ív-ponthegesztésénél szükséges a felső lemezre egy furatot kialakítani, mely biztosítja a két lemez megfelelő összeolvadását, illetve csökkenti a varratdudor nagyságát.

64

A kísérletek során alkalmazott berendezés egy ESAB LAH 500 típusú gép volt, ESAB Optimatic előtoló berendezéssel. A berendezés vezérlő egysége lehetővé teszi az impulzus, és ívpont hegesztést is A VFI ív-ponthegesztés kivitelezéséhez az áramforrást DCEP módban alkalmaztuk. A hegesztés kivitelezéséhez ebben az esetben is speciális fúvóka kialakítás szükségeltetik, mely biztosítja a megfelelő kontaktust az átlapolt helyzetű lemezek között, illetve a védőgáz áramlását. A védőgáz 82% Argont és 18% CO2-t tartalmazott, megnevezése Corgon 18. A kötések kialakítása ebben az esetben is előkísérletekkel kezdődött, melynek segítségével megállapítottuk a további beállításokat. Előkísérlet során 0,4-0,6 s ívidővel, és 160 A erősségű árammal kísérleteztünk, az ívfeszültség így 22 V-ra adódott. A gáz térfogat árama 15 l/min. A hegesztéshez használt huzal átmérője 1,2 mm az előtolás sebessége 5 m/min.

Védőgáz

Vgáz

dhuzal

vhuzal

[mm]

[m/min]

[l/min] 82% Ar,

15

1,2

5

Iheg

Uív

theg

[A]

[V]

[s]

160-230

22

0,3-0,4

18% CO2

12. táblázat VFI ívpont hegesztés állandó paraméterei Az első sorozatban az áramerősség 160 és 230 A között volt. A huzal előtolási sebessége Velő=3 m/min, a hegesztési idő 0,4 s. A VFI ívpont hegesztést az AWI-nál is jelentősebb mennyiségű fröcskölés kíséri, melyhez füstképződés is társul. A kötések készítését minden esetben a huzalvég néhány cm-es előtolásával majd a vég levágásával kezdtük. A kísérlet kivitelezését a következő ábrán láthatjuk.

65

35. ábra VFI ívpont-hegesztés VFI ív-ponthegesztett kötéseket is vizsgáltuk a fentebb részletezett nyíró-szakító vizsgálattal. Az alábbi táblázatban összefoglalva áthatjuk a hegesztési paramétereket, illetve a nyíró-szakító vizsgálatok eredményét. Sorszám

Iheg [A]

theg [s]

Furat

Fny [kN]

1

160

0,4

nincs

3,3

2

200

0,4

nincs

3,5

3

220

0,4

nincs

3,55

4

230

0,4

nincs

3,95

5

170

0,4

van

3,05

6

200

0,4

van

3,35

7

220

0,4

van

4

8

230

0,4

van

4,25

13. táblázat VFI hegesztés paraméterei és a nyíró-szakító vizsgálat eredményei A hozaganyag miatt minden esetben nagyméretű varratdudor alakult ki, mely ha látható oldalra kerül beszerelésre le kell munkálni. Másik ezzel összefüggő jelenség a fröcskölés, mely 66

nemcsak esztétikai szempontból nem kívánatos, de a szétfröccsenő nagy hőmérsékletű anyag pontszerű felületeken leégette a horganybevonatot, melyet utólagosan ki kell javítani.

A

heglencse környékén nagy területen szintén elpárolgott, illetve a varratba került a horgany bevonat. A szemléletesebb összehasonlítás céljából megszerkesztettem a furatos és furat nélküli lemezeken mért nyíró-szakító erő és az áramerősség kapcsolatát bemutató diagramot.

Fny [kN] 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

fúrt furat nélkül

170

200

220

230 Iheg [A]

36. ábra Fúrt és furat nélküli lemezek nyíró-szakító ereje Látható, hogy nincs jelentős különbség a fúrt és furat nélküli lemezek nyíró-szakító erejében. Az áramerősség növelésével nő a kötések teherbírása, de nem éri el az ellenállás-ponthegesztett kötéseknél mért értékeket. A reprodukálhatóság csak nehézkesen biztosítható, gyakran nagy mennyiségű anyag kifröccsent a hegfürdőből, ennek hatására mély üreg keletkezett a varratban. A fröcskölést megszüntetni nem lehetséges, ez a horganyzott lemezek ívhegesztésével járó jelenség.

67

4.3 Összehasonlítás Bevonatos lemezek ponthegesztéséhez az ellenállás-ponthegesztés a legalkalmasabb, de ebben az esetben is csak kompromisszumokkal. Az ellenállás-ponthegesztett kötések felületén nem sérült a horgany bevonat, a kötés teherbírása nagyságrendileg megegyezik az azonos mechanikai tulajdonságokat mutató, bevonat nélküli lemezekre készített kötésekével. Az eljárás hátránya, hogy a horgany beötvöződik a réz elektródba, aminek hatására az 15-20 hegesztés után tönkremegy. Ezen segíthetne az Al2O3 és Cu összetételű elektród, de az ipari gyakorlat azt mutatja, hogy ezek az elektródok sem rendelkeznek hosszabb élettartammal. Másik alternatíva lehetne a betétes elektród alkalmazása mellyel több száz kötés készíthető elektród felújítás nélkül, de az gazdaságossági szempontból nem előnyös. Az AWI eljárással készített kötések az ellenállás-ponthegesztett kötésekénél kisebb nyírószakító erőt bírtak. A kötések többségében nagy szívódási üreg maradt vissza, mely csökkenti a teherbírást, illetve esztétikai szempontból is előnytelen. Ennek csökkentésére hozaganyag alkalmazható, de érdemben az sem javít a kötés minőségén. A horganybevonat nagy felületen elpárolgott, így megszűnt a lemezek korrózióállósága. Hegesztés során az elektród csúcsát gyakran fel kellett újítani a rátapadt horganygőz miatt. A reprodukálhatóság nehezen biztosítható. Összességében elmondható, hogy az eljárással csak igen nehezen készíthető megfelelő minőségű kötés, de abban az esetben is leég a horganybevonat. A VFI eljárással készített kötések minősége is elmarad az ellenállás-ponthegesztett kötésektől. Hegesztés során nagymértékű a fröcskölés, és a hozaganyag ellenére is szívódási üreg keletkezik. A roncsolásos vizsgálat során mért nyíró-szakító erő lényegesen kisebb az ellenállásponthegesztett kötéseknél mért értéknél. A horgany ezen eljárás esetén is nagy felületen károsodik, mely nagy hátránya az eljárásnak. Nagy szilárdságú hozaganyaggal lehetséges megfelelő teherbírású kötést létrehozni, de ez sem szünteti meg a porózusságot, illetve a horganybevonat károsodását.

68

5. ÖSSZEFOGLALÁS Az autóipar által támasztott komplex követelményeknek megfelelő anyagok és technológiák fejlesztése napjaink kulcsfontosságú kutatási témája. Az önsúly csökkentése érdekében tett erőfeszítések eredménye a vékonylemezekből kialakított vázszerkezet. A szerkezet elemeit képlékenyalakítással megfelelő formára alakítják, felületi bevonattal látják el a korrózió megelőzése érdekében, majd jellemzően ponthegesztett kötésekkel egyesítik a megfelelő helyen. Figyelembe véve ezt az ipari tendenciát a szakdolgozatom témaválasztása naprakész és jó kutatási alapot nyújt. Az irodalomkutatás feldolgozásában bemutattam a széles körben alkalmazott technológiákat, eljárásokat. A hegesztési kísérletek kivitelezése és kiértékelése során elsődleges szempont volt, hogy a vizsgálatokat az ipari követelményeknek megfelelően hajtsuk végre. A szakdolgozatom készítése során az alábbi főbb megállapításokra jutottam. -

tűzi mártó eljárással bevont lemezek hegeszthetőségi szempontból jobbak,

-

elektrogalvanikus eljárással bevont lemezeken a bevonat vastagsága változó, és szennyezőket tartalmaz, mely rontja a hegeszthetőséget,

-

ellenállás-ponthegesztés során a bevonat anyagával ötvöződik az elektród, így 15-20 kötés kialakítása után fel kell újítani,

-

ellenállás-ponthegesztéssel megfelelő minőségű kötések készíthetők, a bevonat nem károsodik,

-

ív-ponthegesztés esetén porózus lesz a varrat a bentrekedt cink gőztől, a horganybevonat nagy felületen leég,

-

AWI és VFI eljárással nehezen biztosítható a kötés megfelelő minősége és a reprodukálhatóság

69

Summary Materials and technologies that meet the complex requirements established by the automotive industry is a key research topic nowadays. To reduce the weight of the body frame, it has to be made of thins sheet metal. The parts of the body frame is made by drawing, after the drawing process it is coated with protective coating, to prevent the corrosion, and finally it is welded together. Taking into consideration these industrial tendencies, the topic of my final project is up to date, and it is a good foundation of research work. In the literature research section I introduced the technologies and processes used in the industry. During the experiments I tried to perform the tests in accordance with the industry standards. During the making of my final project, I have made the following establishments: -

hot dip galvanized steels sheets are better for welding,

-

the coating on electro galvanically coated steel sheets are not constant depth, and the composition is contaminated, which makes it harder to weld,

-

copper based electrode is forming alloys with the zinc from the coating during resistance spot welding,

-

resistance spot welded joints’ quality are good, the coating is undamaged,

-

arc welded joints are porous from the zinc, the coating is damaged in a large circle around the joint,

-

TIG and MIG proceedings are not useable on zinc coated sheets.

70

Irodalomjegyzék [1] http://www.worldautosteel.org/why-steel/cost/ [2] Prém László: A hidegalakítás hatása az ellenállás-ponthegesztett kötések minőségére, Miskolc, 2013, pp.:10 [3] R. Kuziak, R. Kawalla, S. Waengler: Advanced High strength steels for automotive industry, Archives of civil and mechanical engineering, Vol. VIII, 2008, 2. szám, pp.: 105-113 [4] Dr. Tisza Miklós: Az anyagtudomány alapjai, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc, 2008, pp.:184-199 [5] Anthony Minatel, Mark McGuire: Utilization of high strength steel in the new Caddilac CTS, General Motors America, 2008. 04.09. pp.: 11 [6] http://www.ussteel.com [7] http://www.arcelormittal.com [8] http://www.worldautosteel.org/steel-basics/steel-types/dual-phase-dp-steels/ [9] http://www.worldautosteel.org/steel-basics/steel-types/transformation-induced-plasticity-tripsteel/ [10] Manabu Takahashi: Development of high strength steels for automotive industry, Nippon steel technical report, No 88. July 2003, pp.:2-6 [11] http://boronextrication.com/files/2013/04/2013_Volvo_V40 [12] Dr. Frigyik Gábor: Bevonatolt lemezek tulajdonsága és hegesztése, Miskolc [13] Antal Árpád, Babcsány Ildikó, Nyári Eszter: Útmutató az elérhető legjobb technika meghatározásához a szakaszos tűzi-mártó horganyzás terén, Környezetvédelmi és vízügyi minisztérium, Budapest, 2007 pp.:12-19 [14] Ken Osborne, John Packer, Metal Protection Ltd, Auckland, pp.:1-3 [15] http://www.sinekvilaga.hu/123-43674.php [16] Tiberiu Medgyesi, Mihaela Popescu Carmen Opris, Ibolyka Bran, Radu Alexandru Rosu: Problems when joining thin sheets, Fascicle of management and technological engineering, Vol. X, 2011, 2. Szám, pp.:4.53-4.54 71

[17] Dr. Szabó Péter, Takács Zoltán: Átlapolt horganyzott lemezek MIG/MAG hegesztése, Air liquid Ipari Gáztermelő KFT, Budapest, 2006 december, pp.:2-4 [18] G. Weber, S. Göklü: Resistance spot welding of uncoated and zinc coated advanced highstrength steels, Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), Berlin, ThyssenKrupp Stahl AG (TKS), Dortmund, Germany pp.:4-7 [19] Dr. Béres Lajos, Dr. Gáti József, Dr Germsperger Géza, Dr. Komócsin Mihály, Dr. Kovács Mihály: Hegesztési zsebkönyv, Alföldi Nyomda ZRt., Debrecen, 2003, pp.:133-136, 137-139, 188-190, 282-286, 307-310 [20] ISF Aachen: Resistance spot welding, resistance project welding and resistance seam welding, 2005, pp.:107 [21] http://www.kritonwelders.com/spot-welding-machines.html [22] http://www.oelcheck.de/en/knowledge-from-a-z/lubricants-on-duty/industrie/kuka-all-thatmoves-in-automation.html [23] Hallgató Krisztina: Ívpont-hegesztéssel készített átlapolt kötések kialakulása és terhelhetősége, Miskolc 2009. old.:8-18 [24] SUOMEN STANDARDISOIMISLIITTO SFS, Vahvistettu, 2002.4.22 [25] Dr. Balogh András: Szakaszosan változó energiabevitel ömlesztő és sajtoló hegesztéseknél, Miskolci Egyetem, Mechanikai Technológia Tanszék, pp.:11-12

Köszönetnyilvánítás 72

A szakdolgozat elkészítésében nyújtott segítségéért szeretnék köszönetet mondani: -

Dr. Török Imre egyetemi docensnek a hegesztési kísérletekkel, valamint az anyagvizsgálatokkal kapcsolatos közreműködéséért,

-

Prém László doktorandusznak az irodalomkutatás valamint a hegesztési kísérletek során nyújtott segítségéért,

-

a Hegesztő, Hőkezelő, Anyagvizsgáló és Mikroszkópi Laboratóriumok valamennyi dolgozójának, akik munkájukkal hozzájárultak a szakdolgozat megvalósuláshoz.

A szakdolgozatban ismertetett kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 projekt eredményeire alapozva a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 jelű projekt részeként – az Új Széchenyi Terv keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

73