HODNOTENIE KVALITY ODPOROVÝCH BODOVÝCH ZVAROV Al PLECHOV

Transcription

1 HODNOTENIE KVALITY ODPOROVÝCH BODOVÝCH ZVAROV Al PLECHOV Ing. Milan Ábel, CSc. Technická univerzita v Košiciach Strojnícka fakulta Katedra technológií a materiálov Mäsiarska 74, Košice milan.abel@tuke.sk Abstract The paper presents results of research the quality of resistance spot welding of aluminum sheets EN AW 1050A STN EN There was analyzed quality of aluminum sheet joints with two different thicknesses, carried out on welding equipment BPK 20. The quality of welded joints realised using different welding parameters was assessed by non-destructive and destructive tests. Key words: resistance spot welding, load bearing capacity of welded joint, weld nugget, optimization ÚVOD Neustále stúpajúce ceny pohonných hmôt nútia výrobcov automobilov hľadať nové riešenia v snahe o zníţenie spotreby automobilov a tým aj ich prevádzkových nákladov. Jednou z ciest je čoraz častejšia aplikácia ľahkých zliatin neţelezných kovov, plastov, sendvičových materiálov a kompozitov pri výrobe jednotlivých časti automobilov. Produkcia automobilov s niţšou hmotnosťou a tým i s menšou spotrebou paliva tieţ sleduje ekologické poţiadavky zníţenia emisií v ovzduší. Hliník a jeho zliatiny sú vyuţívané pri výrobe prevaţne luxusných a športových automobilov. Odporové bodové zváranie pri výrobe hliníkových karosérii úspešne vyuţívajú automobilky Volkswagen, Audi (obr.1), BMW, Mercedes Benz, Aston Martin a pod. rôznych parametroch odporového bodového zvárania na zariadení BPK 20. MATERIÁL A METODIKA EXPERIMENTOV V experimente boli pouţité Al plechy EN AW 1050A STN EN hrúbok 0,8 mm a 1,0 mm. Pri voľbe parametrov odporového bodového zvárania sa vychádzalo z odporúčaní STN EN ISO (viď tab.1) avšak prezentované parametre zvárania sú určené pre zváranie stredofrekvenčnými zváračkami a preto bolo potrebné odporúčané parametre korigovať pre zariadenie BPK 20 ktoré sú zaznamenané v tab.2. Tab.1 Parametre zvárania podľa STN EN ISO Priemer Hrúbka zvarovej plechu šošovky Parametre zvárania t Prítlačná Zvárací Zvárací d o sila čas prúd [mm] [mm] [kn] [ms] [ka] 0,75 4,5 2, ,00 5,0 3, Pri zváraní boli pouţité zváracie elektródy zo zliatiny CuCr podľa normy STN EN ISO 5821, s priemerom pracovnej plochy ø 5 mm. Kvalita zvarových spojov bola hodnotená vizuálnou kontrolou. Sledovaný bol vplyv prítlačnej sily Fz na veľkosť odtlačkov a poškodenie povrchov plechov. Vzorky pre statickú skúšku v ťahu ktorá sa realizovala v súlade s DIN pri ktorej bola hodnotená maximálna únosnosť bodových zvarov Fmax pri namáhaní ťahom boli pripravené strihaním na tabuľových noţniciach a ich rozmery sú prezentované na obr.2. Obr.1 Robotizované odporové bodové zváranie Al karosérie Audi A2 [1] V článku je prezentovaná analýza kvality zvarových spojov Al plechov zhotovených pri Obr.2 Vzorka pre statickú skúšku ťahom [2] Statická skúška v ťahu sa uskutočnila na skúšobnom trhacom stroji TIRA test

2 s meracím rozsahom od 0,08 kn do 100 kn pri zaťaţovacej rýchlosti 8 mm.min -1. Priebeh zváracieho cyklu zváračky BPK 20 s max. zváracím prúdom 13 ka je znázornený na obr.3. zodpovedali pouţitému priemeru zváracích špičiek, zvolenej prítlačnej sile, a zváraciemu prúdu. [2] Vizuálna kontrola zvarových spojov je dokumentovaná na obr.4 aţ 6. Obr. 3 Proces odporového bodového zvárania [X] Fzv prítlačná sila, t1 čas zovretia čeľusti, t2 čas nárastu prúdu, t4 zvárací čas, t5 kovací čas, I3 nábehový prúd, I4 zvárací prúd Pouţité parametre zvárania jednotlivých sérii vzoriek a ich označenie sú prezentované v tab. 2. V kaţdej sérii bolo pozváraných 6 ks. vzoriek na ktorých boli neskôr realizované nedeštruktívne a deštruktívne skúšky. Obr. 4 Vzorky A pred statickou skúškou ťahom [2] Najmenej výrazné odtlačky po zváracích špičkách boli zaznamenané na vzorkách označených ako A (obr.4) a B. Najvýraznejšie odtlačky po elektródach sa nachádzali na vzorkách C a D (obr.5 a 6). Tab.2 Pouţité parametre zvárania [2] ZVÁRACIE PARAMETRE VZORKY A B C D E F Hrúbka plechu 0,8 1,0 0,8 1,0 0,8 1,0 Fzv [kn] t 1 [per.] t 2 [per.] t 3 [per.] t 4 [per.] t 5 [per.] t 6 [per.] I 3 [ka] I 4 [ka] Vplyv zmeny parametrov na tvar a rozmery zvarových šošoviek bol hodnotený na metalografických výbrusoch pomocou makroskopických pozorovaní na svetelnom mikroskope BXFM, výrobcu OLYMPUS OPTICAL CO a pomocou lupy ESCHENBACH. Hodnotenie makroštruktúr zvarových spojov na priečnych výbrusoch bolo realizované bez leptania. ANALÝZA VÝSLEDKOV Pri vizuálnej kontrole zvarových spojov, ktorá je základnou nedeštruktívnou skúškou zvarových spojov bolo moţné sledovať na povrchoch hodnotených vzoriek stopy po odtlačkoch zváracích špičiek. Odtlačky špičiek Obr. 5 Vzorky C pred statickou skúškou ťahom [2] Obr. 6 Vzorky D pred statickou skúškou ťahom [2] Hĺbka vtlačkov však nepresiahla 20% z hĺbky spájaných plechov čo predpisuje norma. Výsledky statickej skúšky v ťahu sú prezentované v tab.3 pre plechy hrúbky 0,8mm. 95

3 Tab.3 Výsledky statickej skúšky v ťahu vzoriek A,C,E [2] Vzorka F m R m Druh [N] [MPa] spoja A TS A DS A TS A TS A TS C TS C TS C DS C TS C DS E DS E TS E DS E TS E TS TS tavný spoj, DS difúzny spoj Z tab.3 vyplýva ţe najviac tavných spojov vzniklo pri parametroch zvárania vzoriek A. Priemerná únosnosť vzoriek je dokumentovaná v grafe na obr.7. Najvyššiu priemernú únosnosť majú vzorky vyrobené pri parametroch A a to 610 N. Najniţšiu vzorky zvárané pri parametroch C = 581,2 N. [2] Výsledky statickej skúšky v ťahu plechov hrúbky 1,0mm sú v tab.4. Tab.4 Výsledky statickej skúšky v ťahu vzoriek B,D,F [2] Vzorka F m R m Druh [N] [MPa] spoja B TS B DS B TS B TS B TS D TS D TS D TS D TS D TS F DS F TS F DS F DS F TS TS tavný spoj, DS difúzny spoj U vzoriek vyrobených z plechov hrúbky 1mm vykazovali maximálnu únosnosť spoja vzorky vyrobené pri parametroch zvárania B. Ako vyplýva z grafu na obr.9 bola ich priemerná únosnosť 1188,6 N. Pri parametroch B sa však v skúšobnej sérii vyskytoval difúzny spoj, čo výrazne vplýva na hodnoty celej série. Tavné spoje boli zaznamenané na vzorkách vyrobených pri parametroch D, avšak ich únosnosť bola v porovnaní so vzorkami B niţšia a to 808,4 N. Túto niţšiu únosnosť je moţné pripísať malému objemu zvarového kovu, čo zodpovedá aj rozmerom zvarovej šošovky pri makroskopickej analýze. Najniţšiu únosnosť vykazovali vzorky zvárané pri parametroch F. Obr. 7 Priemerná únosnosť spojov vzoriek A,C,E Vzorky A po deštrukcii sú na obr.8. Obr. 9 Priemerná únosnosť spojov vzoriek B,D,F Vzorky obr.10. B po deštrukcii sú dokumentované na Obr.8 Vzorky A po statickej skúške v ťahu [2] 96

4 odvodu tepla z miesta zvaru. Pre elimináciu vzniku pórov v strede zvarových spojov je vhodné predĺţiť zvárací čas a zvýšiť prítlačnú silu. Šírka šošovky je 3.5 mm a výška šošovky je 1,50 mm. Obr. 10 Vzorky B (s maximálnou únosnosťou spoja) po statickej skúške v ťahu [2] Výsledky makroskopickej analýzy sú prezentované na obr.11 aţ 16 Makroskopická analýza vzorky A na obr.11 potvrdila tavný zvarový spoj. Šírka zvarovej šošovky je 4,9 mm a výška šošovky je 1,3 mm. Na rozdiel od vizuálnej kontroly vzoriek určených pre statickú skúšku ťahom na výbruse neboli zaznamenané výrazné odtlačky po zváracích elektródach Obr. 13 Makroštruktúra vzorky C [2] Na metalografickom výbruse vzorke D (obr.14) je moţné pozorovať tavný spoj s pozdĺţnym pórom nepravidelného tvaru uprostred. Na povrchu spoja, z oboch strán je moţné pozorovať výronok zvarového kovu vytlačeného na okraj oblasti zvaru počas zvárania. Šírka zvarovej šošovky je 5.0 mm a výška šošovky je 1,9 mm. Obr. 11 Makroštruktúra vzorky A [2] Makroštruktúra vzorky B s výraznými odtlačkami po zváracích elektródach je na obr.12. Na priečnom výbruse je moţné pozorovať difúzny spoj. Pri zváraní nevznikla zvarová šošovka. pravdepodobnou príčinou tejto chyby je nízky zvárací prúd a tieţ nízka prítlačná sila. Obr. 14 Makroštruktúra vzorky D [2] Makroštruktúra vzorky E je na obr.15. Jedná sa o tavný zvarový spoj. V strede zvarovej štruktúry sa nachádza pór. Zvarová šošovka je nesúmerná. Vzorka vykazuje dobre pretavený zvarový spoj bez výrazných odtlačkov elektród na povrchu zváranej vzorky. Šírka zvarovej šošovky je 4,3 mm a výška šošovky je 1,5 mm. Obr. 12 Makroštruktúra vzorky B [2] Na obr.13 je makroštruktúra vzorky C, kde je moţné pozorovať tavný spoj s väčším pórom uprostred zvarovej šošovky v tvare elipsy. Pór v strede zvarového spoja vznikol vplyvom rýchleho tuhnutia zvarovej šošovky z dôvodu rýchleho Obr. 15 Makroštruktúra vzorky E [2] Na obr.16 je dokumentovaná makroštruktúra vzorky F. Jedná sa o tavný zvarový spoj s nesúmernou zvarovou šošovkou. Na výbruse 97

5 nebola zaznamenaná prítomnosť vnútorných chýb. Širka zvarovej šošovky je 4,6 mm a výška 1,7 mm. Obr. 16 Makroštruktúra vzorky F [2] ZÁVER Na základe prezentovaných experimentov je moţné konštatovať, ţe pri zváraní skúmaných Al plechov EN AW 1050A STN EN hrúbok 0,8 mm a 1,0 mm vznikali tavné aj difúzne zvarové spoje. Zvarové šošovky boli nesúmerné, s výskytom vnútorných pórov z dôvodu rýchleho odvodu tepla do zváraného materiálu. Pouţité parametre zvárania, ktoré dosahovali tieţ maximálne parametre pneumatickej odporovej bodovej zváračky BPK 20 sú pre vyhotovenie kvalitných zvarových spojov nepostačujúce, vzhľadom k tomu, ţe v kaţdej sérii vzoriek sa vyskytovali difúzne spoje. Odporové bodové zváranie je jednou z progresívnych metód zvárania hliníkových plechov, avšak vyţaduje si dôslednú optimalizáciu parametrov zvárania (prítlačnú silu volenú v závislosti od tvrdosti zváraných plechov, zvárací čas a najmä dostatočnú rezervu zváracieho výkonu zváračky, min. 25 ka aţ 35 ka). Experiment potvrdil ţe zariadenie BPK 20 je moţné v núdzových prípadoch pouţiť na skúmané hrúbky Al plechov, ale pre zvýšenie únosnosti je potrebné vyhotoviť viac bodových zvarov. Pri zváraní čistého Al je nebezpečenstvom pokles pevnosti vo zvarovom spoji oproti pevnosti základného materiálu, čo je spôsobené predovšetkým rekryštalizáciou a rastom zŕn. [3] Poďakovanie Príspevok bol spracovaný v rámci riešenia grantového vedeckého projektu MŠ SR VEGA č. 1/0510/10. Literatúra: [1] [2] Ţidzik, P.: Optimalizácia odporového bodového zvárania Al plechov, Diplomová práca, KTaM, SjF, TU v Košiciach, 2009, 83s. [3] Hrivňák, I.: Teória zvariteľnosti kovov a zliatin, Bratislava, Veda Vydavateľstvo slovenskej akadémie vied, 1989, 344s. 98