Technologie łączenia cementów karoserii
Najtrudniejsza do obróbki jest blacha stalowa z domieszką boru (USIBOR), ale i inne stosowane obecnie materiały konstrukcyjne wymuszają zastosowanie nowoczesnych technologii obróbki oraz łączenia. Blachy stalowe podczas procesu produkcji karoserii samochodowej łączone są poprzez zgrzewanie punktowe, zgrzewanie liniowe, spawanie laserowe oraz lutowanie twarde (lutospawanie) i nitowanie.
Zgrzewanie
W praktyce warsztatowej podczas naprawy powypadkowej niemożliwe jest zastosowanie spawania laserowego, które zastępuje się najczęściej klejeniem lub lutospawaniem. Współczesne technologie naprawcze pozwalają natomiast zgrzewać elementy karoserii przy zastosowaniu parametrów identycznych jakie występują podczas procesu produkcji.
Fot. Proces zgrzewania blach. (GYS)
Należy zwrócić uwagę na czwartą fazę procesu zgrzewania w której to następuje formowanie poprzez nacisk powstałego połączenia. Aby uzyskać trwałe połączenie odpowiedniej jakości musza być spełnione wszystkie warunki procesu zgrzewania:
- prąd zgrzewania,
- docisk elektrod,
- dobór i jakość elektrod,
- czystość łączonych elementów.
Fot. Proces zgrzewania i próba jakości zgrzeiny. (GYS)
Niezachowanie wszystkich warunków powoduje nadmierne iskrzenie, wypalanie otworów, przepalanie blachy, a w efekcie źle wykonana zgrzeinę. Łączenie blach karoseryjnych nowej generacji wymaga zastosowania urządzeń o odpowiednich parametrach pracy. Zgrzewarki oraz urządzenia wielofunkcyjne, które do niedawna stanowiły podstawowe wyposażenie warsztatów blacharskich jak już wspomniano, niestety w przeważającej większości nie spełniają warunków niezbędnych do prac blacharskich przy nowoczesnym nadwoziu samochodowym. Aby uzyskać prawidłowe połączenie zgrzewane blachy wysokogatunkowej niezbędne jest zastosowanie odpowiedniego urządzenia. Nie wystarczy stosować wysokie parametry pracy lecz konieczny jest ich odpowiedni dobór oraz precyzyjne i stabilne ustawianie. Poza wysokim natężeniem prądu zgrzewania niezbędny jest dozowany precyzyjnie nacisk elektrod. Czas zgrzewania jest kolejnym bardzo ważnym parametrem pracy bezpośrednio rzutującym na jakość połączenia. Tabela obrazuje przybliżone zależności parametrów pracy, gatunku stali oraz różnej grubości łączonych elementów.
Tab. Porównanie parametrów zgrzewania różnych gatunków blach. W rubryce „Blacha” „x+x” oznacza zgrzewanie dwóch blach, każda o grubości „x”. (BR)
Stosowanie bardzo wysokich parametrów pracy wiąże się ze znaczną emisją ciepła co z kolei powoduje przegrzewanie się przewodów, uchwytu oraz transformatora zgrzewarki. Niezbędne staje się zastosowanie systemów chłodzenia. Zgrzewarka przedstawiona na zdjęciu wyposażona jest w dwa niezależne systemy chłodzenia sterowane przez odpowiednio oprogramowany układ mikroprocesorowy.
- System chłodzenia cieczą (jednostka zasilająca, przewody główne, uchwyt oraz elektrody).
- System chłodzenia powietrzem (jednostka zasilająca, masa oraz uchwyt pistoletowy).
Profesjonalna zgrzewarka wyposażona jest w zestaw elektrod umożliwiający dostęp do większości punktów zgrzewania. Elektrody wymieniane są w uchwycie w zależności od potrzeb. Końce elektrod wyposażone są w wymienne końcówki dzięki czemu nie ma konieczności wymiany całych zużytych elektrod. Można stosować trzy rodzaje końcówek roboczych.
Różnice konstrukcyjne
Wśród wszelkich różnic konstrukcyjnych pomiędzy zgrzewarkami warto zwrócić uwagę na konstrukcje chwytów roboczych. Spotyka się dwa rodzaje:
- typu X,
- typu C.
Najważniejszą różnicą jest uzyskiwana siła nacisku elektrod przy zastosowaniu dodatkowych elektrod przedłużających. W przypadku uchwyty typu X siła nacisku maleje wraz z długością elektrod. Maksymalną wartość osiąga się jedynie bez przedłużaczy. Wraz z kolejnym przedłużeniem elementów roboczych maksymalna siła maleje. Inaczej jest przypadku uchwytu typu C. Siła jest niezmienna niezależnie od pastowanych elementów przedłużających i jest to niewątpliwie zaleta tego rozwiązania. Zwykle zgrzewarka z uchwytem typu C jest droższa od tej z uchwytem typu X, a dodatkowo elektrody przedłużające również oferowane są przez producentów w wyższej cenie.
Błędy podczas zgrzewania
Poza typowymi błędami wynikającymi najczęściej z zastosowania urządzeń o nieodpowiednich parametrach pracy występują również i takie, które wynikają z niewłaściwego rozmieszczenia zgrzein punktowych. Rysunek przedstawia zasadę zachowania odpowiednich odległości pomiędzy punktami zgrzania blach. Zbyt mała odległość powoduje, że prąd przeznaczony do zgrzania elementów częściowo przepływa poprzez sąsiednia zgrzeinę powodują osłabienie nowo wykonywanego połączenia.
Rys. Zbyt mała odległość pomiędzy punktami zgrzewania powoduje osłabienie wykonywanej spoiny. (GYS)
Zalecana odległość pomiędzy dwoma zgrzeinami punktowymi nie powinna być mniejsza niż 20mm lub czterokrotność średnicy zgrzewu. Standardowo zakłada się wykonywanie zgrzein w odledłościach co ok. 25mm.
Dodatkowe funkcje
Informatyka i komputeryzacja wkracza również do warsztatów blacharskich. Niektóre zgrzewarki inwerterowe posiadają wbudowany czytnik kart pamięci SD. Na karcie pamięci zapisywane są wszystkie parametry wykony wach zgrzein oraz data i godzina ich wykonania. Do obróbki zapisanych danych służy program dostarczony wraz ze zgrzewarką. Na karcie pamięci znajdują się również pliki sterujące oraz językowe.
Fot. Czytnik kart pamięci SD. (GYS)
Zgrzewarka inwertorowa o odpowiednich parametrach oraz funkcjach pracy staje się niezbędnym wyposażeniem każdego warsztatu blacharskiego, który naprawia współczesne samochody.
Spawanie MIG/MAG i TIG.
Spawanie elektryczne polega na wykorzystaniu łuku spawalniczego do łączenie dwóch elementów. Łuk spawalniczy jest to silne wyładowanie elektryczne, które występuje w środowisku otaczającym dwie elektrody podłączone do obwodu prądu spawania. Przedmiot spawany stanowi jedną z elektrod natomiast stanowi elektroda związania z urządzeniem spawalniczym (najczęściej elektroda topliwa). Elektrodą topliwą w procesie spawania metodą MIG/MAG jest drut stalowy elektrodowy. Metoda spawalnicza MIG/MAG w osłonie gazu jest obecnie najczęściej stosowaną technologią łączenia blach karoseryjnych w warsztatach blacharskich.
Rys. Prowadzenie uchwytu spawalniczego. (GYS-HERKULES)
Spawanie blach stalowych MAG
Spawanie elektryczne blach stalowych odbywa się osłonie gazu czynnego Co2 (dwutlenku węgla) Lu mieszanki Co2 z argonem. związania z urządzeniem spawalniczym (najczęściej elektroda topliwa).
Co oznacza MIG/MAG?
W kontaktach z praktykami z warsztatów blacharskich można zauważyć, że nie bardzo wiedzą co oznaczają skróty MIG a co MAG. Często nawet spotyka się określenie: „MIGOMAG” lub co gorsza: „MIGOMAT”. Zatem przyda się kilka słów wyjaśnienia. Skróty te oznaczają rodzaj gazu ochronnego jaki jest stosowany w procesie spawania. Stosuje się dwa rodzaje gazu: aktywne czyli Co2, H2, O2, N2 i NO oraz obojętne czyli argon i hel. Podsumowując:
1. MAG- spawanie w osłonie gazów aktywnych (np. Co2),
2. MIG- spawanie w osłonie gazów obojętnych (np. argon)
Elektrodą topliwą w procesie spawania metodą MIG/MAG jest drut stalowy elektrodowy. Metoda spawalnicza MIG/MAG (rys.) w osłonie gazu aktywnego (np. Co2) jest obecnie najczęściej stosowaną technologią łączenia blach karoseryjnych w warsztatach blacharskich. Jedną z podstawowych zalet stosowania osłony Co2 jest uzyskiwanie w procesie spawania gładkiej spoiny uspokojonej nie wykazującej nadmiernej porowatości. Przy zastosowaniu technologii MIG/MAG zajarzenie łuku spawalniczego powodowane może być samoczynnie (bezkontaktowo) lub na zasadzie zwarcia elektrody urządzenia z przedmiotem. Technologia ta pozwala na spawanie poprzez układanie spoin ciągłych oraz punktowych co umożliwia zastąpienie zgrzewania przy łączeniu blach karoseryjnych. Wszystkie urządzenia spawalnicze MIG/MAG posiadają możliwość płynnej regulacji wartości prądu spawania. Zwykle jest to zakres oscylujący w granicach 250 A. Przy naprawach blacharskich karoserii samochodów osobowych stosuje się zwykle drut spawalniczy o średnicach od 0,6 do 1,2 mm. Urządzenia MIG/MAG posiadają również możliwość płynnej regulacji prędkości przesuwania się (podawania) drutu spawalniczego. Przy pracach blacharskich wynosi ona zwykle od 0,8 do 1,2 m/min. Współcześnie produkowane półautomaty spawalnicze MIG/MAG są wyposażone w dodatkowy moduł do cięcia plazmą. Bardzo ważną cechą zastosowania technologii cięcia plazmą jest rozgrzewanie materiału zaledwie w obrębie do 1,5 mm od miejsca cięcia.
Otwory te wykonuje się technologia wiercenia lub wykrawania przy pomocy specjalnego przyrządu tzw. dziurkarki. Spawanie przy zastosowaniu otworów technologicznych polega na wypełnieniu wykonanych otworów spoiną.
Rys. Spawanie punktowe imitujące zgrzewanie blach.
Fot. Dziurkarko-falcarka do przygotowywania łączonych elementów. (fot. EZ-DENT)
Po wykonaniu spoin i zeszlifowaniu nadmiaru spoiwa z górnej części łączonych elementów spoiny wykonane w ten sposób przypominają połączenia wykonane metodą zgrzewania punktowego.
Spawanie blach aluminiowych (MIG)
Proces spawania blach aluminiowych jest zbliżony do spawania elementów stalowych. Należy zastosować gaz obojętny jako osłonę procesu spawania. Najlepiej funkcję tą spełnia argon bez domieszek. W tyj miejscu należy przypomnieć o specyficznych własnościach stopów aluminium opisanych w części dotyczącej napraw elementów aluminiowych. Dotyczy to głownie podgrzania elementów przed spawaniem. W przypadku gdy element nie zostanie wcześniej podgrzany początkowe fragmenty spoiny będą złej jakości. Stopniowo jak element będzie się rozgrzewał jakość spoiny poprawi się. Jako drut spawalniczy stosuje się najczęściej AlSi5. Jest to drut z domieszka krzemu, która zwiększa jego twardość co ułatwia przemieszczanie się w układzie spawarki oraz gwarantuje odpowiednią jakość spoiny. Odpowiednia sztywność drutu jest niezbędna po to aby zapobiegać plątaniu się i blokowaniu w tunelu prowadzącym. Do spawania aluminium można stosować wszelkich urządzeń spawalniczych MIG pod warunkiem, ze są przystosowane do tej funkcji. Podstawowy warunek to odpowiedni uchwyt spawalniczy z przewodem wyposażonym w tunel teflonowy o odpowiedniej średnicy. Średnica tunelu powinna być nieco większa niż nominalna średnica drutu spawalniczego. Ma to na celu uzyskanie odpowiedniej płynności podawania drutu podczas procesu spawania. Należy poza tym pamiętać, ze z powodu bardzo dobrego przewodnictwa ciepła przy spawaniu aluminium należy stosować nieco wyższe wartości prądu spawania.
Fot. Spawarka do aluminium i stali DUOGYS auto (GYS)
Spawanie blach aluminiowych (TIG)
Metoda TIG jest przede wszystkim stosowana w procesie spawania stali wysokostopowych, aluminium i stopów aluminium. Technologia spawania metodą TIG w serwisach samochodowych ma częściowe zastosowanie w naprawach blacharskich oraz naprawach układów klimatyzacji. Zminiaturyzowane urządzenia inwertorowe pod względem mobilności wygrały konkurencję ze źródłami prądu spawania do spawania elektrodami otulonymi. W metodzie tej łuk elektryczny wytwarzany jest pomiędzy wolframową elektrodą nietopliwą a materiałem spawanym. Jeziorko spawalnicze osłaniane jest atmosferą ochronną, zazwyczaj jest to czysty argon. Zapalenie łuku odbywa się dwoma metodami. Metodą dotykową poprzez dotknięcie elektrodą wolframową do elementu spawanego oraz jej podniesienie na wysokość kilku milimetrów, lub metodą bezdotykową z wykorzystaniem jonizatora. Połączenie spawane może być wykonywane bez materiału dodatkowego, poprzez wymieszanie się nadtopionych brzegów elementów łączonych, lub z udziałem materiału dodatkowego w postaci pręta dokładanego do jeziorka spawalniczego.
Do zalet spawania metodą TIG należą:
- łatwość obserwacji strefy spawania umożliwiająca prawidłowe kształtowanie spoiny,
- tworzenie się znikomej ilości tlenków i tzw. żużla,
- dobra jakość połączeń z zachowaniem stosunkowo dużej wydajności procesu spawania,
- łatwe uzyskiwanie szczelnych połączeń.
Lutospawanie MIG.
Powodem stosowania w budowie karoserii technologii lutospawania są zasadnicze zmiany materiałowe. Jak już wcześniej zostało zaznaczone obecnie elementy karoserii wykonywane są z wysokogatunkowych stali stopowych o znacznie mniejszej grubości niż dotychczas. Zwiększa to między innymi podatność blach karoseryjnych na niepożądane odkształcenia w wyniku działania zbyt wysokich temperatur. Poza tym elementy wykonane według współczesnych technologii tracą swoje parametry podczas poddawania ich zbyt wysokiej temperaturze. Temperatura lutospawania to zaledwie połowowa temperatury spawania drutem stalowym i zwykle nie przekracza 1000°C. Takie obniżenie temperatury łączenia elementów karoseryjnych chroni z powodzeniem strukturę stali przed uszkodzeniem. Zmniejsza również ryzyko odkształceń oraz nie powoduje uszkadzania powłok ochronnych (np. cynkowych).
Rys. Wykres obrazujący spadek wytrzymałości przy wzroście temperatury spawania. Lutospawanie wypada bardzo dobrze ponieważ wykonywane jest w temperaturze poniżej 1000 stopni Celsjusza. (GYS-HERKULES)
Często pojawiają się pytania na temat wytrzymałości połączeń wykonanych techniką lutospawania. Na Politechnice Wrocławskiej przeprowadzono dokładne badania porównawcze różnego rodzaju połączeń blach wysokogatunkowych. Wyniki badań obrazuje precyzyjnie wykres.
Rys. Wykres obrazujący porównanie wytrzymałości na ścinanie różnych rodzajów połączeń. Lutospawanie wypada bardzo dobrze. (Politechnika Wrocławska)
Czym się różni lutospawanie od spawania tradycyjnego?
Podstawową różnicą jest sposób wykonywania połączenia. W przypadku spawania tradycyjnego materiał łączony ulega częściowemu nadtopieniu, a połączenie powstaje przez dodanie stopionego spoiwa. W przypadku lutowania twardego spoiwo jest nakładane w miejsce spajania, a materiał łączony nie ulega nadtopieniu. Jest to analogia do lutowania miękkiego stopami cyny stosowanego np. w dekarstwie lub elektronice. Do osłony podczas spawania tradycyjnego drutem stalowym zwykle stosuje się gaz aktywny bez domieszek (Co2), natomiast do lutospawania konieczne jest zastosowanie gazu obojętnego (argonu).
Podstawowe zalety połączeń lutospawanych:
- zmniejszenie ubytków topnienia powłoki,
- łatwa obróbka mechaniczna spoiny,
- zmniejszenie strefy podgrzania,
- zmniejszenie występowania odprysków.
Bogusław Raatz
br@herkules-sc.pl