Ellenálláshegesztés 2014 Ankét SZAKASZOS ENERGIABEVITEL ELŐNYEI AUTÓIPARI DP ACÉLOK ELLENÁLLÁS-PONTHEGESZTÉSEKOR Prém László – Dr. Balogh András metpreml@uni-miskolc.hu – balogh.andras@uni-miskolc.hu Miskolci Egyetem Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézet

Bevezetés Az autóipari vékonylemezek és a ponthegesztés jelentősége: az autóipar, mint húzóágazat, autóipari klaszterek, több száz autóipari beszállítóként funkcionáló kis- és középvállalkozás, a járműgyártásban évtizedeken keresztül meghatározó jelentőségűek voltak a konvencionális lágyacélok (pl.: DC01), azonban az önsúlycsökkentés igénye, az egyre fokozódó biztonsági előírások és a fokozatosan szigorodó környezetvédelmi előírások következtében előtérbe került a korszerű nagyszilárdságú acélok (AHSS) alkalmazása, az anyagfejlesztéseknek köszönhetően az autóipari beszállítók egyre különbözőbb szilárdságú és alakváltozó képességű acélminőségekkel találkozhatnak, az AHSS acélok között a felhasználási részarányt és a ponthegesztéssel történő feldolgozást figyelembe véve a DP acélok vezető szerepet töltenek be, impulzusok közötti szünetidő, hagyományos vizsgálati eljárások, dinamikus vizsgálatok.

Az ellenállás-ponthegesztés helyzete az autóipari kötéstechnológiák között számos új fémes és nemfémes szerkezeti anyagot használnak fel egy autó gyártása során, amelyek hegeszthetősége korlátozott vagy nem is hegeszthető, hagyományos kötéstechnológiákként alkalmazott ív- és ellenállás-hegesztő eljárások, új kötési technológiák jelentek meg, mint például a lézersugaras hegesztés, a dörzspont-hegesztés, a ragasztás, a forrasztás, illetve a különböző mechanikai módszerek, ellenállás-ponthegesztés vezető szerepe az autóiparban.

A DP acélok autóipari alkalmazása egy személygépkocsi acélszerkezetének 85%-nál lehet AHSS acélokat használni, ezáltal egy átlagos modellhez képest akár 25%-os önsúlycsökkentést is el lehet elérni a gyártási költségek növekedése nélkül, az AHSS acélok közé a DP, CP, TRIP és MART típusú acélok tartoznak, ezek között kiemelkedő a DP acél alkalmazásai aránya, DP acélok szilárdsága (Rm=600…1000 MPa), alakváltozó képessége (A80 = 11…18 %).

A DP acélok autóipari alkalmazása kiváló szívósság, energiaelnyelő képesség → utasok biztonságát, a karosszéria merevségét szolgáló autóipari alkatrészek anyaga, pl: A, B és C oszlopai, valamint a karosszéria (ajtók, tető, stb.) különböző merevítő elemei

A DP acélok mikroszerkezete ferrit-martensites szerkezet, ferrit jó alakíthatóság, martensit kiváló szilárdság, folyamatos hőkezeléssel, áthúzó kemencében, az interkritikus hőmérsékletre való hevítéssel, megfelelő idejű hőntartással, valamint szabályozott hűtéssel állítják elő ezt a különleges heterogén szerkezetet.

A DP acélok ponthegeszthetősége, kísérleti acélok nagyobb fajlagos ellenállás, nagyobb melegszilárdság és megeresztésállóság, 20…50%-al növelt elektróderő, 20%-al növelt hegesztési idő, kompenzálásként hegesztő áram növelése, növelt elektródcsúcs geometria, B, E, F típus, a szilárdság növelésével a szövetszerkezet jelentősebb mennyiségű, vakedzett martensitet tartalmaz, az ötvözők és mikroötvözők a varrat és a hőhatásövezet egy részének edződését elősegítik → hűlési sebesség lassítása → szakaszos energiabevitel alkalmazása, hőkezelő ciklus használata. AC és MFDC áramforrások egyaránt használhatóak, folyamatos és szakaszos energiabevitellel egyaránt hegeszthetőek, kísérleti alapanyagok: Docol DP 600, DP 800, és DP 1000-es márkajelű nagyszilárdságú vékonylemezeket választottuk. Bázisként a DC01 jelű lágyacélt használtunk, a finomlemezek vastagsági mérete névlegesen 1,0 mm volt. A lemeztáblákat nagy szilárdság miatt számjegyvezérlésű lézervágó berendezés segítségével vágtuk a vizsgálatokhoz szükséges méretre.

A kísérleti DP acélok mikroszerkezete A Docol DP 600, DP 800, és DP 1000 -es alapanyagok mikrocsiszolatai. Nagyítás: 500x. Marószer: Nital. Kiértékelés képelemző szoftver segítségével. DP 600 DP 800 DP 1000 A Docol DP 600, DP 800, és DP 1000 -es alapanyagok mikrocsiszolatai. Nagyítás: 500x. Marószer: Nital. Kiértékelés képelemző szoftver segítségével. DP 600 DP 800 DP 1000

A kísérleti DP acélok mechanikai jellemzői nagy szakítószilárdság, jó képlékenységi mutatók, folytonos szakítódiagram, nincs kifejezett folyáshatáruk, keményedési kitevőjük nagy, jelentős egyenletes nyúlásra utal, mechanikai tulajdonságaikban kismértékű anizotrópia, a szilárdság növekedésével a Rp0,2 / Rm hányados folyamatosan nő, azaz a törésig rendelkezésre álló alakváltozási tartalék csökken.

A kísérleti DP acélok vegyi összetétele alacsony karbontartalom, minimális ötvözöttség és alacsony szennyezőtartalom (S, P, O, N) jellemzi, C-tartalom: 0,10…0,15 %, szilárdság, martensit térfogathányad, növelése rontja a hegeszthetőséget, csökkenti az ütőmunkát és növeli az átmeneti hőmérsékletet, Mn-tartalom: 0,5-2,0 %, 1,5 % körüli a leggyakoribb. Szilárdságnövelés, a kén megkötés, csökkenti a fázisátalakulások kritikus hőmérsékleteit, ferrit/martensit térfogatarány kézben tartása. egyéb ötvözők: Cr, V, Mo, Si, Ni, B, növelik az edzhetőséget.

A kísérleti DP acélok ponthegeszthetőségének vizsgálata hegeszthetőségi feltételek ponthegesztés esetén, nemcsak ömlesztőnél, elvárás: előírt pontátmérőt reprodukálhatóan, repedésmentesen, az alap- anyagra és a kötéstípusra jellemző terhelhetőséggel lehessen létrehozni, vizsgálati kritérium: a kötések maximális keménysége és a pontkötések valamilyen vizsgáló eljárásához kötött kedvezőtlen törési mód megjelenése, kémiai összetétel hatása: CE=0,24 %-os határérték a kedvezőtlen törési mód megjelenési határa, a kereszt-szakító erő csökkenni kezd, DP 600-as acélnál a a kötés romló mechanikai jellemzőivel még nem feltétlenül kell számolnunk, DP 800, DP 1000-es acélnál a hőhatásövezetében, illetve a heglencsében helyi keménységcsúcsok, üzem közben akár repedés, kedvezőtlen törési mód megjelenése.

A DP acélokon végzett ponthegesztési előkísérletek kemény munkarend: teherviselő képessége megfelel az elvárásoknak, kigombolódás → de: nagy keménység a heglencsében és a hőhatásövezetben, durva dendrites szerkezet (DP 800, DP 1000), lágy munkarend: hőhatásövezet keménységének csökkentése 300…350 HV, a heglencse keménysége nagy maradt, további hátrány a hosszabb ciklusidő, nagyobb elektródbenyomódás, durva, dendrites szerkezet, nagyobb elektródkopás, teherbíróképesség csökkenés. megoldás: a hőhatásövezet és heglencse keménységének mérséklése, valamint a heglencse szerkezetének finomítása → szakaszos energiabevitel alkalmazása (aszimmetrikus kétimpulzus és szimmetrikus kétimpulzus), aszimmetrikus kétimpulzus: jelentősen mérsékelhető a hőhatás- övezet keménysége, a kötések terhelhetősége mégis kedvezőbb, mint lágy munkarend esetén, a ciklusidő növekedése, a heglencse szerkezete nem igazán finomítható.

A DP acélokon végzett ponthegesztési előkísérletek A folyamatos (kemény és lágy munkarend) és a szakaszos energiabevitellel ponthegesztett kötések nyíró-szakító ereje és hőhatásövezetének keménysége a hegesztendő alapanyag szakítószilárdságának függvényében: DC01 DP600 DP 800 DP 1000 DC01 DP600 DP 800 DP 1000

A DP acélokon végzett ponthegesztési előkísérletek szimmetrikus kétimpulzus: HAZ és a heglencse keménységének csökkenése, a heglencse szerkezete, a dendritágak méretei jelentősen finomíthatóak, kisebb a benyomódás és a pontátmérő, teherbíró-képesség max. 10%-os csökkenése. DP 600 folyamatos és szakaszos energiabevitel

A DP acélok szakaszos energiabevitelű ponthegesztése Az impulzusok közötti szünetidő hatásának vizsgálata: az impulzusok közötti szünetidő alapvető befolyással bír a pontkötések szemcseszerkezetére, keménységre, teherbírására, illetve tönkremeneteli módjára, kísérletsorozat: a két áramimpulzus közötti szünetidőt 0 periódusról egészen 45 periódusig növeltem 5 periódusos lépcsőkben, a szünetidő növekedésével a kötések pontátmérője és ezzel összefüggésben a nyíró-szakító ereje is csökken, azonban ez a csökkenő tendencia körülbelül 25 periódus szünetidőnél megáll és a kötések pontátmérője nem csökken tovább, a második impulzus pedig már nem növeli a pontátmérőt, hanem a már meglévő lencse szerkezetét módosítja.

Az impulzusok közötti szünetidő vizsgálata a pontátmérő szünetidő viszonya, 10...15 periódus szünetidő alkalmazása esetén már a heglencse külső része gyűrű alakban elkezd átkristályosodni. A szünetidő növelésével kívülről befelé haladva egyre inkább szélesedik a gyűrű, amely viszonylag lágy, jó alakváltozó képességű, keménysége jó közelítéssel egyezik az alapanyag keménységével.

Az impulzusok közötti szünetidő vizsgálata A szünetidő további növelésének hatására eltűnik a belső kemény mag és kb. 45 periódus szünetidőnél a kötés teljes keresztmetszetében átkristályosodik. Ekkor a kötés közepének keménysége csökken az alapanyagra jellemző keménységre és a kötés szélein lesznek nagy, helyi keménységcsúcsok.

Az impulzusok közötti szünetidő vizsgálata A kötés átkritályosodása és a keménységeloszlás változása: a folyamatos energiabevitel és a 30 és 45 periódus hűlési idő keménységének összehasonlítása.

Az impulzustechnika hatása a DP acélok pontkötéseinek teherbírására Paraméterkombinációk, amelyekkel mindkét energiabeviteli módnál a lehető legnagyobb, közel egyező nagyságú nyíró-szakító erővel rendelkező pontkötés készíthető fröccsenés nélkül. Nyíró-szakító, majd kereszt-szakító és felszakító vizsgálatok, technológiai variánsokra való érzékenység → repedési hajlam.

Az impulzustechnika hatása a DP acélok pontkötéseinek teherbírására A pontkötések minősítésére oly gyakran használt nyíró-szakító vizsgálat során a szakaszos energiabevitellel készített kötések teherbíró képessége mintegy 3…5%-al elmarad a folyamatos energiabevitelű pontkötések nyíró-szakító erejétől. Ezzel szemben az impulzustechnikával hegesztett kötések kereszt-szakító ereje kb. 19…23%-al, míg felszakító ereje 10…31%-al kedvezőbb, mint a folyamatos energiabevitellel ponthegesztett kötéseké.

A második áramimpulzus hatásának vizsgálata Folyamatos energiabevitellel ponthegesztett kötés lágyító hőkezelései ↔ összehasonlítás a szimmetrikus kétimpulzussal hegesztett kötéssel

Az impulzustechnika hatása a DP acélok pontkötéseinek dinamikus viselkedésére Nagyszilárdságú autóipari acéloknál kiemelkedően fontos lehet az ütközéskor elnyelt energia, a törésig rendelkezésre álló alakváltozási tartalék. Szimmetrikus kétimpulzus alkalmazása révén javult a kötések szemcseszerkezet, keménységeloszlása → kedvezőbb dinamikus jellemzők. Ellenállás-ponthegesztett kötések ütővizsgálata: nincs szabvány, próbatest, ütőél és ülék fejlesztése. Folyamatos és szakaszos energiabevitel összehasonlítása.

Az impulzustechnika hatása a DP acélok pontkötéseinek dinamikus viselkedésére Próbatest Ülék Ütőél

Az impulzustechnika hatása a DP acélok pontkötéseinek dinamikus viselkedésére A dinamikus összehasonlító vizsgálatokat hagyományos Charpy-ütőgépen végeztük.

Az impulzustechnika hatása a DP acélok pontkötéseinek dinamikus viselkedésére A dinamikus összehasonlító vizsgálatok a korábban alkalmazott technológiai paraméterekkel folyamatos és szakaszos energiabevitel esetén:

Az impulzustechnika hatása a DP acélok pontkötéseinek dinamikus viselkedésére A dinamikus összehasonlító vizsgálatok a korábban alkalmazott technológiai paraméterekkel folyamatos és szakaszos energiabevitel esetén

Az impulzustechnika hatása a DP acélok pontkötéseinek dinamikus viselkedésére Tönkremeneteli mód és alakváltozási tartalék növelésének lehetőségei:

Összefoglalás A nagyszilárdságú autóipari ferrit-martensites DP acél vékonylemezek vizsgálata során az alábbiakat állapítottam meg: 1. A DP acélokból készülő, statikus igénybevételnek kitett alkatrészek ponthegesztéséhez, ahol az elsődleges átvételi követelmény a minimális nyíró-szakító erő, elfogadható megoldást jelenthet a célszerűen megválasztott folyamatos energiabevitelű technológia. 2. A dinamikusan igénybevett, élet- és vagyonbiztonság szempontjából fontos alkatrészek, teherviselő elemek (pl.: autók B-oszlopa) hegesztésére célszerűbb a szakaszos energiabevitelt alkalmazni. Szimmetrikus kétimpulzusú szakaszos energiabevitellel a DP acélok pontkötéseinek szemcseszerkezete finomítható, keménységeloszlása jelentősen javítható. Megfelelően nagy impulzusok közötti szünetidővel a heglencse egy része, vagy akár egésze a második áramimpulzussal átkristályosítható. 3. Az impulzustechnika következtében kis mértékben csökken a pontkötések maximális nyíró-szakító ereje, de ezt bőségesen ellensúlyozza, hogy kedvezőbb lesz a kötések fel- és kereszt-szakító ereje, tönkremeneteli módja, illetve jelentős mértékben javíthatók a pontkötések dinamikus jellemzői.

KÖSZÖNÖM A MEGTISZTELŐ FIGYELMÜKET! Köszönetnyilvánítás Az előadásban ismertetett kutatómunka 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.