Сочетая преимущества стали и алюминия
Главная » Статьи » Сочетая преимущества стали и алюминия
Легкие конструкции обеспечивают существенные преимущества при использовании в автомобилестроении, например, при создании эксклюзивных автомобилей, в кровельных конструкциях промышленных предприятий или на ветросиловых установках. В автомобилестроении легкие конструкции играют особенно важную роль. Масса кузова составляет большую часть от общей массы автомобиля (порядка 40%). Если транспортному сектору необходимо сократить выбросы CO2, снижение веса и внедрение новых идей — это первое, с чего можно начать. Снижение веса на 100 кг может обеспечить снижение расхода топлива до 0,3 л/100 км, что в свою очередь снизит выбросы CO2 на 700 г/100 км.
Учитывая необходимость обеспечивать приемлемую массу и ёмкость аккумулятора, масса кузова — критически значимый параметр для электромобилей. Значительное сокращение массы таким образом продолжает оставаться основной целью современного кузовостроения.
Это означает, что технология соединения материалов играет значимую роль в сфере производства легких конструкций, в частности в плане соединения стали и алюминия. Для решения данной задачи компания Fronius заключила партнерство с австрийской сталелитейной компанией Voestalpine. Цель проекта состояла в разработке заготовок из стали и алюминия с высокой способностью к формообразованию, причем заготовки из обоих металлов соединяются с использованием технологии термического соединения.
Рис. 1: Элементы, изготовленные из гибридных листов из металлов, способны систематически поглощать, например, энергию удара, возникающего в результате аварии.
из-за ограниченной взаимной растворимости железа и алюминия при комнатной температуре. IMP образуется в процессе диффузии и, как правило, характеризуется высокой твердостью и чрезвычайно низкой ударной вязкостью. Для примера, твердость сплава Fe2Al5 по Виккерсу составляет около 1 050 HV, а сплава FeAl3 около 900 HV. Чем больше тепловложение в шов, тем меньше IMP — и тем хуже механические и конструкционные свойства шва. Слой IMP должен быть как можно более тонким, и не должен превышать 10 мкм. Дальнейшие сложности вызваны значительно отличающимися коэффициентами теплового расширения, составляющими около 1,2 мм/100°C для стали и 2,34 мм/100°C для алюминия. Еще одним фактором является изменение электрохимического потенциала, равного ок. 1,22 В при использовании стали/алюминия и ок. 0,9 В при использовании цинка/алюминия.
В свете этих физических факторов, специалисты в сфере металлургии и эксперты по сварке определили следующие необходимые условия для сварки алюминия и стали:
Рис. 2: Прочностьпаяно-сварного соединения настолько велика, что при проведении испытания на разрыв, разрыв происходит не в районе шва, а в алюминиевой части элемента.
Специальная технология дуговой сварки в среде защитного газа CMT отвечает важнейшим требованиям к используемой здесь технологии соединения: низкое тепловложение и хорошая управляемость. Эта технология «холодной» сварки защищена несколькими патентами, выданными компании Fronius. При соединении стали и алюминия, присадочный металл и алюминий смачивают лист оцинкованной стали, а присадочный металл сплавляется с алюминием. На стороне стали получается паяный шов, к которому затем приваривается алюминий. Таким образом, для описания получаемого шва используется термин«паяно-сварное соединение». Для гибридных листов также оказалось предпочтительнее использовать сварные системы, которые обеспечивают «синхронную» пайку-сварку листов с использованием технологии CMT с обеих сторон.
Рис. 3: Технологияпайки-сварки CMT характеризуется сочетанием сварки на алюминиевой стороне и пайки на стальной стороне.
Третьим определяющим фактором является присадочный металл. Компания Fronius также является обладателем патента на особый сплав алюминия, используемый в процессепайки-сварки. Для получения оптимального шва важно обеспечить правильное позиционирование присадочного металла в процессе пайки-сварки.
Рис. 4: Учет всех различных воздействующих факторов обеспечивает возможность для создания плотного металлургического соединения листов алюминия (справа) и стали (слева).
Рис. 5: Гибридные листы также отвечают практическим требованиям к дальнейшему изменению формы.
пайки-сварки.
Основное исследование: Отправным пунктом здесь являются материалыAW5182-H111 и DX54D, а также присадочный материал Z200, изготовленный из сплава AlSi3Mn1. Институт исследований металлов им. Макса Планка (MPIE) определил размер зерен в околошовной зоне, а также оптимальный присадочный металл. Размер зерен в зоне плавления алюминиевого образца представлен на Рис. 12. Цвета иллюстрируют гранулометрический состав и рост зерен.
Предел прочности на разрыв: Два различных образца имитируют подходящую комбинацию материалов для крыш автомобилей и оконных рам. Ключевым результатом испытания на разрыв стал окончательный разрыв образца в области алюминиевого листа, при этом шов, созданный методомпайки-сварки, не получил никаких повреждений в ходе испытаний. Основные значения указаны в Таблице 1 и на соответствующих фотографиях.
Коррозионные свойства и испытания в солевой камере: Коррозионная стойкость незащищенного гибридного листа из стали и алюминия проверялась в солевой камере (SST). Даже после 300 часов пребывания, следов местной коррозии/коррозии под напряжением или межкристаллитной коррозии не было обнаружено. Легкие следы коррозии были заметны лишь на поверхности.
Способность к деформации: Способность листов к деформации играет ключевую роль в кузовостроении. Гибридные листы из стали и алюминия подходят для неоднократной обработки листового металла только в случае, если они могут удовлетворить данным требованиям. О пригодности листов свидетельствует возможность осуществления различных процессов деформации. Соответствующие данные представлены в Таблице 2. Пример «испытания на вытяжку» наглядно демонстрирует, что даже в пограничной зоне при глубокой вытяжке все равно достигаются положительные результаты.
Испытание на удар: Когда гибридные листы из материалов изначально проектируются как элементы, обеспечивающие безопасность, они могут систематически поглощать энергию удара. При использовании амортизатора ударной нагрузки из гибридных материалов, поглощение происходит практически полностью в алюминиевой части элемента. Какпаяно-сварной шов, так и стальная часть элемента остаются нетронутыми. В противоположность этому, элемент, состоящий только из стали и поглощающий то же количество энергии, получает более серьезные повреждения. Надлежащим образом спроектированные элементы из гибридных материалов отвечают требованиям к поглощению энергии, когда это необходимо, обеспечивая при этом соответствие требованиям к геометрическим характеристикам и безопасным расстояниям. Подробная информация содержится в Таблице 3.
Рис. 6: «Испытание на вытяжку» ясно демонстрирует, что даже в пограничной зоне рассматриваемая технология обеспечивает хорошие результаты.
Рис. 7:Паяно-сварной шов остается неповрежденным даже в ходе испытания элемента на удар.
Рис. 8: Гибридные листы размером 300 × 220 мм, толщиной 1,2 / 1,5 мм подвергаютсяпайке-сварке на скорости 78 см/мин. перед формовкой по модели паяно-сварных несущих конструкций крыши.
Таблица 1: Предел прочности на разрыв
1) с учетом поперечного сечения алюминия
Таблица 2: Деформируемость
Таблица 3: Испытание в имитаторе аварийных ситуаций
Рис. 9: Сравнение поведения при ударе амортизаторов продольных ударов показывает, что стальная часть гибридного элемента (слева) сохраняет форму и необходимое безопасное расстояние, в то время как элемент, состоящий только из стали (справа) деформируется по всей длине.
Рис. 10: Основные исследования, проведенные Институтом исследований металлов им. Макса Планка (MPIE), расположенном в Дюссельдорфе, указывают на образование гранул в зоне соединения в соответствии с типом материала и размером частиц.
Сочетая преимущества стали и алюминия
| Скачать PDF |
Получения новых сочетаний материалов с помощью дуговой сварки
При любом сравнении стали и алюминия, как конструкционных материалов, необходимо учитывать многочисленные технические и экономические критерии. К ним относятся: масса, прочность, жесткость, предел текучести или обрабатываемость, а также доступность ресурсов, стоимость сырья, производственные затраты и последующие расходы. В частности, в сфере производства легких конструкций предпочтительнее выбирать оптимальную комбинацию обоих материалов: твердую сталь для конструкций с тяжелыми условиями работы, в сочетании с легким алюминием для конструкций, испытывающих меньшие напряжения. До недавнего времени, тем не менее, использование дуговой сварки для таких соединений не представлялось возможным, несмотря на многочисленные технические и экономические достоинства технологии. Компании Fronius удалось решить эту проблему.Легкие конструкции обеспечивают существенные преимущества при использовании в автомобилестроении, например, при создании эксклюзивных автомобилей, в кровельных конструкциях промышленных предприятий или на ветросиловых установках. В автомобилестроении легкие конструкции играют особенно важную роль. Масса кузова составляет большую часть от общей массы автомобиля (порядка 40%). Если транспортному сектору необходимо сократить выбросы CO2, снижение веса и внедрение новых идей — это первое, с чего можно начать. Снижение веса на 100 кг может обеспечить снижение расхода топлива до 0,3 л/100 км, что в свою очередь снизит выбросы CO2 на 700 г/100 км.
Учитывая необходимость обеспечивать приемлемую массу и ёмкость аккумулятора, масса кузова — критически значимый параметр для электромобилей. Значительное сокращение массы таким образом продолжает оставаться основной целью современного кузовостроения.
Это означает, что технология соединения материалов играет значимую роль в сфере производства легких конструкций, в частности в плане соединения стали и алюминия. Для решения данной задачи компания Fronius заключила партнерство с австрийской сталелитейной компанией Voestalpine. Цель проекта состояла в разработке заготовок из стали и алюминия с высокой способностью к формообразованию, причем заготовки из обоих металлов соединяются с использованием технологии термического соединения.
Рис. 1: Элементы, изготовленные из гибридных листов из металлов, способны систематически поглощать, например, энергию удара, возникающего в результате аварии.
Проблемы и ограничивающие условия
Долгое время считалось, что прочное соединение стали и алюминия невозможно обеспечить при использовании термических средств. Основную трудность представляет различие точек плавления, составляющих 1 500°C и 660°C соответственно, и, в частности, формирование интерметаллических фаз (IMP). Это происходитВ свете этих физических факторов, специалисты в сфере металлургии и эксперты по сварке определили следующие необходимые условия для сварки алюминия и стали:
- Используемая технология должна обеспечивать наименьшее возможное тепловложение;
- Поверхность стального листа должна быть оцинкована;
- Величина интерметаллической фазы должна быть минимизирована, а ее свойства должны использоваться по максимуму.
Рис. 2: Прочность
Пути достижения инновационного соединения
Три основных фактора, обеспечивающих образование бездефектного соединения:- две заготовки, которые необходимо соединить
- технология соединения присадочный металл
Специальная технология дуговой сварки в среде защитного газа CMT отвечает важнейшим требованиям к используемой здесь технологии соединения: низкое тепловложение и хорошая управляемость. Эта технология «холодной» сварки защищена несколькими патентами, выданными компании Fronius. При соединении стали и алюминия, присадочный металл и алюминий смачивают лист оцинкованной стали, а присадочный металл сплавляется с алюминием. На стороне стали получается паяный шов, к которому затем приваривается алюминий. Таким образом, для описания получаемого шва используется термин
Рис. 3: Технология
Третьим определяющим фактором является присадочный металл. Компания Fronius также является обладателем патента на особый сплав алюминия, используемый в процессе
Рис. 4: Учет всех различных воздействующих факторов обеспечивает возможность для создания плотного металлургического соединения листов алюминия (справа) и стали (слева).
Рис. 5: Гибридные листы также отвечают практическим требованиям к дальнейшему изменению формы.
Практичные и проверенные — гибридные листы из стали и алюминия
Для выяснения и документирования пригодности продукта для фактического применения, как партнеры компании, так и внешние организации провели обширные испытания гибридных листов из стали и алюминия, соединенных методомОсновное исследование: Отправным пунктом здесь являются материалы
Предел прочности на разрыв: Два различных образца имитируют подходящую комбинацию материалов для крыш автомобилей и оконных рам. Ключевым результатом испытания на разрыв стал окончательный разрыв образца в области алюминиевого листа, при этом шов, созданный методом
Коррозионные свойства и испытания в солевой камере: Коррозионная стойкость незащищенного гибридного листа из стали и алюминия проверялась в солевой камере (SST). Даже после 300 часов пребывания, следов местной коррозии/коррозии под напряжением или межкристаллитной коррозии не было обнаружено. Легкие следы коррозии были заметны лишь на поверхности.
Способность к деформации: Способность листов к деформации играет ключевую роль в кузовостроении. Гибридные листы из стали и алюминия подходят для неоднократной обработки листового металла только в случае, если они могут удовлетворить данным требованиям. О пригодности листов свидетельствует возможность осуществления различных процессов деформации. Соответствующие данные представлены в Таблице 2. Пример «испытания на вытяжку» наглядно демонстрирует, что даже в пограничной зоне при глубокой вытяжке все равно достигаются положительные результаты.
Испытание на удар: Когда гибридные листы из материалов изначально проектируются как элементы, обеспечивающие безопасность, они могут систематически поглощать энергию удара. При использовании амортизатора ударной нагрузки из гибридных материалов, поглощение происходит практически полностью в алюминиевой части элемента. Как
Рис. 6: «Испытание на вытяжку» ясно демонстрирует, что даже в пограничной зоне рассматриваемая технология обеспечивает хорошие результаты.
Рис. 7:
Рис. 8: Гибридные листы размером 300 × 220 мм, толщиной 1,2 / 1,5 мм подвергаются
Заключение
Компании Fronius и «Voestalpine» разработали технологический процесс, предназначенный для серийного производства гибридных листов из алюминия и стали. Длительные испытания доказали их практическую пригодность, а также позволили документально зафиксировать дополнительные конструкционные преимущества и возможности применения в некоторых отдельных случаях.Таблица 1: Предел прочности на разрыв
| Заготовка | Несущая конструкция крыши | Оконная рама |
| Материал | DX54 + AW6181 | DX54 + AW6016 |
| Толщина [мм] | 1,2 + 1,5 | 1,0 + 1,2 |
| Присадочный металл | Z140 | Z140 |
| Предел текучести1) Rp0.2 [МПа] | 126 | 132 |
| Предел прочности на разрыв1) Rm [МПа] | 210 | 239 |
Таблица 2: Деформируемость
| Технологическая заготовка | Сгиб таврового профиля | Испытание на вытяжку |
| Материал | DX54 + AW 5182 | DX54 + AW 5182 |
| Толщина [мм] | 1,0 + 1,5 | 1,0 + 1,5 |
| Радиус [мм] | 2×10; 2×11 | 5 |
| Диаметр пуансона [мм] | 90 | |
| Присадочный металл | Z255 |
| Заготовка | Амортизатор удара при аварии |
| Условия испытаний | 6,4 кДж при комнатной температуре |
| Материал | H340 + AW6181 |
| Толщина [мм] | 1,0 + 2,0 |
| Присадочный металл | ZE75/75 |
| Молот, масса [кг] | 86 |
| Скорость [км/ч] | 44 |
| Начальная высота [мм] | 280 |
| Конечная высота [мм] | 173 |
| Поглощенная энергия [кДж] | 6 523 |
| Сила, макс. [кН] | 296 |
Рис. 9: Сравнение поведения при ударе амортизаторов продольных ударов показывает, что стальная часть гибридного элемента (слева) сохраняет форму и необходимое безопасное расстояние, в то время как элемент, состоящий только из стали (справа) деформируется по всей длине.
Рис. 10: Основные исследования, проведенные Институтом исследований металлов им. Макса Планка (MPIE), расположенном в Дюссельдорфе, указывают на образование гранул в зоне соединения в соответствии с типом материала и размером частиц.