Συγκόλληση υβριδικής λαμαρίνας από την FRONIUS CMT

Γράφει ο

 

ΕΜΜΑΝΟΥΗΛΙΔΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ

4 Pro Μον. ΕΠΕ

Αποκλειστικός Αντιπρόσωπος

FRONIUS

 

Συγκόλληση υβριδικής λαμαρίνας  χάλυβα / αλουμινίου με τεχνολογία CMT της Fronius

Όταν θα χρειαστεί να κάνουμε σύγκριση μεταξύ χαλύβδινων και αλουμινένιων υλικών, θα πρέπει να λάβουμε υπόψη μας πολλά τεχνικά και οικονομικά κριτήρια. Μερικά από αυτά είναι το βάρος του υλικού, η αντοχή του, η ευκολία στην επεξεργασία, η διαθεσιμότητα του , το κόστος υλικού ,το κόστος παραγωγής κλπ. Γενικά όπου απαιτείται ελαφριά σε βάρος κατασκευή, προτιμάται συχνά η επιλογή ενός συνδυασμού των 2 παρακάτω μετάλλων. Συμπαγής χάλυβας για βαρέου τύπου κατασκευές, σε συνδυασμό με ελαφρύ αλουμίνιο, για κατασκευές με μικρότερη καταπόνηση.

Μέχρι πριν από μερικά χρόνια η συγκόλληση αυτών των 2 διαφορετικών μετάλλων δεν ήταν δυνατή, αλλά η FRONIUS μπόρεσε και ανέπτυξε την τεχνολογία που τα κατάφερε. Η ελαφριές σε βάρος κατασκευές προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα στην αυτοκινητοβιομηχανία , στην αρχιτεκτονική σχεδίαση αντικειμένων, στις οροφές κτιρίων, ή σε εγκαταστάσεις ανεμογεννητριών. Ειδικά στην αυτοκινητοβιομηχανία , οι κατασκευές με μικρό βάρος παίζουν το μεγαλύτερο ρόλο. Περίπου το 40 % του συνολικού βάρους ενός οχήματος ανήκει στο πλαίσιο του. Όταν απαιτείται και παράλληλη μείωση του ανθρακικού αποτυπώματος, τότε η μείωση του βάρους και οι νέες ιδέες στην κατασκευή των πλαισίων, είναι τα πρώτα πράγματα που εστιάζουν οι κατασκευαστές, για να δώσουν ιδιαίτερη έμφαση και λύση στο πρόβλημα αυτό.

Μία μείωση της τάξης των 100 kg σε ένα όχημα, μπορεί να εξοικονομήσει οικονομία σε καύσιμα έως και 0.3l/100Km, κάτι που μεταφράζεται σε 700g/100Km μικρότερη εκπομπή CO2. Το όριο εκπομπής των 130g/Km CO2 το οποίο καθορίστηκε από την Ευρώπη το 2012, είναι και το «κερασάκι» στην τούρτα, για να κινητοποιηθούν όλοι οι κατασκευαστές για την εξεύρεση νέων προτάσεων προς ποιο οικολογικά αποδεκτές λύσεις.

Στην λύση των ηλεκτρικών οχημάτων σημαντικό ρόλο παίζει το βάρος της μπαταρίας, αλλά εξίσου σημαντικό είναι και το βάρος του πλαισίου του οχήματος.     Γι αυτόν το λόγο, οι κατασκευαστές έχουν κλίση στον συνδυασμό χρήσης χάλυβα με αλουμίνιο, ο οποίος είναι ένας από τους κυριότερους στόχους που έχουν βάλει για να μειώσουν το συνολικό βάρος του οχήματος. Αυτό σημαίνει ότι τα υλικά προς συγκόλληση παίζουν το σημαντικότερο ρόλο στην ελαφριά κατασκευή. Ειδικά όταν αναφερόμαστε στην συγκόλληση αλουμινίου με χάλυβα.

H FRONIUS ψάχνοντας την εξεύρεση της λύσης, συνεργάστηκε με την Αυστριακή εταιρία χαλύβδινων προϊόντων VOESTALPINE. Ο στόχος του project ήταν η ανάπτυξη ενός ημιτελούς προϊόντος, βασιζόμενου στην υβριδική λαμαρίνα χάλυβα και αλουμινίου η οποία θα ενώνονταν με θερμική συγκόλληση.

Προβλήματα και χαρακτηριστικά των υλικών προς συγκόλληση

Εξαρχής, ο χάλυβας και το αλουμίνιο ήταν αδύνατο να συγκολληθούν μεταξύ τους με συγκόλληση. Ο κύριος λόγος ήταν οι διαφορετικές θερμοκρασίες τήξης που έχουν τα δύο αυτά μέταλλα (1.500ο C και 660ο C αντίστοιχα ) και η διαμόρφωση των φάσεων (IMP) που περνούν κατά την συγκόλληση. Μετά από αρκετή έρευνα και δοκιμές οι 2 εταιρίες κατέληξαν στα εξής συμπεράσματα:

  • Η συγκόλληση θα πρέπει να πραγματοποιηθεί με την μικρότερη δυνατή εναπόθεση θερμοκρασίας
  • Η επιφάνεια της χαλύβδινης λαμαρίνας θα πρέπει να είναι επικαλυμμένη με μια επίστρωση ψευδάργυρου
  • Το πάχος του (IMP) πρέπει να είναι το μικρότερο δυνατό

Πάνω σε αυτά τα συμπεράσματα, μόνο ένα σύστημα της Fronius μπορούσε να προσφέρει τα παραπάνω χαρακτηριστικά. Αυτό ακούει στο όνομα CMT (Cold Metal Transfer). Οι ειδικοί της Fronius με εμπειρία άνω των δέκα ετών στην ψυχρή συγκόλληση, μπόρεσαν και έβγαλαν εις πέρας το έργο αυτό.

Το ταξίδι προς την καινοτόμα συγκόλληση

Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν μια τέτοια συγκόλληση είναι τρείς:

  • Οι λαμαρίνες προς συγκόλληση
  • Η διαδικασία συγκόλλησης
  • Το σύρμα συγκόλλησης

Επίσης, η επικάλυψη ψευδάργυρου στην χαλύβδινη λαμαρίνα, πρέπει να είναι πάχους τουλάχιστον 10 μm. Αυτός είναι ακόμα ένας παράγοντας που επηρεάζει την ποιότητα. Η διαμόρφωση της γεωμετρίας των άκρων της λαμαρίνας, αναπτύχθηκε από την Voestalpine και είναι πατενταρισμένη. Η αλουμινένια λαμαρίνα είναι κατασκευασμένη από υλικό κατηγορίας AW5xxx ή σειράς 6xxx. Η περιοχή της συγκόλλησης στο αλουμίνιο πρέπει να είναι καθαρή όπως και στις συμβατικές συγκολλήσεις. Η διαδικασία CMT της FRONIUS προσφέρει ιδανικές ιδιότητες συγκόλλησης όπως χαμηλή εναπόθεση θερμοκρασίας και καλό έλεγχο του τόξου. Η ¨ψυχρή¨ αυτή τεχνολογία προστατεύεται από αρκετές πατέντες. Όταν η χαλύβδινη λαμαρίνα ενώνεται με την αλουμινίου, το σύρμα συγκόλλησης και το λουτρό τήξης του αλουμινίου ενώνεται με την γαλβανισμένη λαμαρίνα με μορφή διείσδυσης στην πλευρά του αλουμινίου. Από την μεριά του χάλυβα πραγματοποιείται μια ισχυρή επιφανειακή συγκόλληση η οποία είναι όπως πχ. μια μπρουτζοκόλληση. Για τις υβριδικές λαμαρίνες αυτού του τύπου η συγκόλληση με CMT αποδείχτηκε η καλύτερη λύση.

Ο τρίτος παράγοντας που επηρεάζει είναι το σύρμα συγκόλλησης. H Fronius έχει ακόμα μια πατέντα για το ειδικό κράμα αλουμινίου που χρησιμοποιεί για αυτήν την διαδικασία. Για να επιτύχει την απόλυτη ραφή, το σύρμα θα πρέπει να είναι στην απόλυτη θέση που ορίζει η προδιαγραφή και η συνεργειακή γραμμή συγκόλλησης.

Συγκόλληση της υβριδικής λαμαρίνας στην πράξη

Για να επιτευχθεί η ιδανική συγκόλληση σε αυτού του είδους την λαμαρίνα, συνεργάστηκαν οι δύο βασικές εταιρίες με εξωτερικά ινστιτούτα και μαζί πραγματοποίησαν αλλεπάλληλες δοκιμές συγκόλλησης.

Βασική Έρευνα

Το σημείο εκκίνησης ήταν τα υλικά AW5182-H111 και το DX54D με υλικό πλήρωσης Z200 από AlSi3Mn1. Το ινστιτούτο MPIE (Max Planck Institute of Ferrous Research) στο Dusseldorf, εξακρίβωσε την κοκκοποίηση της ραφής της συγκόλλησης και του υλικού πλήρωσης. Τα χρώματα επεξηγούν την κατανομή και το μέγεθος των κόκκων στην περιοχή τήξης στο δείγμα του αλουμινίου στην φωτογραφία 12.

Δοκιμές αντοχής

Οι δομικές έγιναν σε 2 διαφορετικά δείγματα τα οποία προσομοιώνουν αντίστοιχα σημεία σε οροφή αυτοκινήτου και σε πλαίσια παραθύρου. Το ιδανικό αποτέλεσμα θα ήταν η καταπόνηση της αλουμινένιας λαμαρίνας χωρίς η ραφή της συγκόλλησης να έχει επηρεαστεί. Αυτό αποτυπώνεται στον πίνακα 1 και στις φωτογραφίες.

Δοκιμή διάβρωσης και SST

Η δοκιμή διάβρωσης της λαμαρίνας, πραγματοποιήθηκε με δοκιμές αλμυρού υγρού SST (Salt Spray Test). Ακόμα και με 300 ώρες έκθεσης της λαμαρίνας σε συνθήκες SST δεν παρουσιάστηκε διακρυσταλλική αλλοίωση στην ραφή. Τα μόνα ίχνη διάβρωσης που παρουσιάστηκαν, τα οποία ήταν ανεπαίσθητα, ήταν στην επιφάνεια της λαμαρίνας.

Κατάσταση παραμόρφωσης

Η συμπεριφορά της λαμαρίνας σε καταστάσεις παραμόρφωσης παίζει κρίσιμο ρόλο στην κατασκευή των πλαισίων. Τα υβριδικά φύλλα λαμαρίνας χάλυβα/αλουμινίου πληρούν ικανοποιητικά τις προδιαγραφές. Τα αποδεικτικά στοιχεία δόθηκαν από επαναλαμβανόμενες δοκιμές παραμόρφωσης. Αυτά αποτυπώνεται στον πίνακα 2 με πολύ θετικά αποτελέσματα.

Crash Test

Όταν ο σχεδιασμός της υβριδικής αυτή λαμαρίνας σχεδιάζεται με βάση την ασφάλεια, τότε μπορεί να λειτουργήσει και ως “ασπίδα” σε περίπτωση ατυχήματος και να απορροφήσει μέρος της ενέργειας. Στην προκειμένη περίπτωση η υβριδική λαμαρίνα απορροφά ενέργεια σχεδόν αποκλειστικά στην περιοχή που υπάρχει αλουμίνιο. Η ραφή της συγκόλλησης όπως και η χαλύβδινη λαμαρίνα παραμένουν σε καλή κατάσταση. Η υβριδική αυτή λαμαρίνα είναι απόλυτα συμβατή με την απορρόφηση της ενέργειας όταν χρειαστεί, όπως επίσης πληροί και τις προκαθορισμένες γεωμετρίες και αποστάσεις.

Συμπέρασμα

Η FRONIUS και η VOESTALPINE ανέπτυξαν μια μαζική διαδικασία κατασκευής και παραγωγής υβριδικών λαμαρινών χάλυβα/αλουμινίου.

Οι αλλεπάλληλες δοκιμές αντοχής, απέδειξαν την ασφάλεια, την πρακτικότητα και την στιβαρότητα που μπορεί να κερδίσει ο κατασκευαστής από τη χρήση αυτής της τεχνολογίας στην κατασκευή των οχημάτων του.