В сотрудничестве с General Motors, Alcoa и TWB Company LLC исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики преобразовали технику соединения, называемую сваркой трением с перемешиванием или FSW. Теперь эту технику можно использовать для соединения алюминиевых листов разной толщины, что является ключом к производству легких автозапчастей, сохраняющих прочность там, где это больше всего необходимо. Процесс, разработанный PNNL, также в десять раз быстрее, чем текущие методы FSW, представляя темпы производства, которые впервые соответствуют требованиям крупносерийной сборки. Об этом сообщается в майском номере Журнала материалов.
«Мы рассмотрели барьеры, препятствующие использованию более легких сплавов в автомобилях, выбрали то, что, по нашему мнению, было главной проблемой, а затем сформировали команду, которая представляла всю цепочку поставок для ее решения», – сказал Юрий Хованский, менеджер программы в PNNL. и ведущий автор. "Результатом является проверенный процесс, который преодолевает ограничения FSW по скорости, масштабу и качеству, которые ранее были показательными для автомобильной промышленности."
Двухэтапный шестилетний проект финансируется Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики за счет партнерских взносов натурой от каждой из участвующих компаний.
Алюминий не переносит жару
Для создания дверных коробок, капотов и других автомобильных деталей листы металла свариваются встык в «свариваемую на заказ заготовку», которую затем разрезают на соответствующие размеры перед штамповкой в окончательной форме. Этот процесс позволяет настраивать. Например, металл большей толщины можно использовать на одной стороне детали автомобиля, где требуется дополнительная прочность, соединить сварным швом с более тонкой толщиной на той стороне, где ее нет.
Обычная лазерная сварка отлично подходит для соединения стали различной толщины, но может быть проблематичной при применении к алюминию из-за реакционной способности расплавленного алюминия по отношению к воздуху. Вместо этого производители сегодня должны создавать несколько компонентов из отдельных листов, которые затем склеиваются вместе после штамповки, что приводит к дополнительным этапам производства и большему количеству деталей, что увеличивает стоимость и вес.
«Снижение веса автомобиля на 10% может снизить расход топлива на 6-8%, поэтому автомобильная промышленность очень заинтересована в технологии сварки, такой как FSW, которая безопасна для алюминия», – сказал Ховански.
Смешанный, не плавленый
Аппарат для сварки трением с перемешиванием выглядит и действует как нечто среднее между сверлильным станком и швейной машиной. Опускаясь на два металлических листа, расположенных рядом, «сверло», или, в данном случае, булавочный инструмент, вращается по обоим краям.
При движении штифт создает трение, которое нагревает, смешивает и соединяет сплавы, не плавя их. Однако по производственным стандартам автомобильной промышленности процесс был слишком медленным – всего полметра сварного шва в минуту – вот почему этот метод использовался только в нишевых приложениях, если вообще использовался.
Успех цепочки поставок
Ховански и его коллеги из PNNL сначала сравнили несколько методов соединения, прежде чем выбрать FSW, который был единственным, который соответствовал всем строгим требованиям GM к качеству сварки.
Затем исследователи провели комплексную серию лабораторных испытаний сварки алюминиевых листов, предоставленных Alcoa.
Всего были созданы десятки уникальных конструкций инструментов с различной формой, длиной и диаметром штифта.
Они оценивались по различным параметрам сварного шва, таким как глубина, скорость вращения и угол наклона инструмента. Путем статистического анализа команда определила оптимальное сочетание технических характеристик инструмента и параметров сварного шва, которое может стабильно выдерживать требования высокоскоростного производства.
"То, что мы обнаружили, было беспроигрышным", – сказал Ованский. «Чем быстрее сварка, тем лучше качество и прочность соединения, что значительно увеличивает скорость."
PNNL предоставила спецификации сварных швов и инструментов компаниям TWB и GM.
Затем компания TWB самостоятельно сварила, сформировала и проанализировала более 100 алюминиевых заготовок в тесном сотрудничестве с GM, что сделало их первым квалифицированным поставщиком алюминиевых сварных заготовок на заказ. Впоследствии GM штамповал свою первую полноразмерную внутреннюю дверную панель, поставленную компанией TWB – без дефектов – из алюминиевых листов различной толщины.
Сегодня компания TWB имеет специальную машину FSW на своем производственном предприятии в Монро, штат Мичиган, построенную на основе процесса PNNL, которая способна производить до 250 000 деталей в год. «TWB теперь может поставлять алюминиевые сварные швы по индивидуальному заказу не только для GM, но и для всей автомобильной промышленности», – сказал Блэр Карлсон, менеджер группы GM, который разработал концепцию проекта.
Следующий
Имея более двух лет финансирования, команда продолжает сотрудничать, уделяя особое внимание еще более высокой скорости сварки и возможности маневрировать по контурам и углам сложных алюминиевых деталей, для которых лазерная сварка коммерчески нецелесообразна. Команда также модифицирует FSW, чтобы объединить различные сплавы, такие как автомобильные алюминиевые сплавы с легкими, сверхвысокопрочными сплавами, которые в настоящее время зарезервированы для аэрокосмических применений.
«В будущем мы увидим этот процесс и его будущие версии, которые позволят создать совершенно новые комбинации материалов, которые произведут революцию в использовании материалов в автомобильной промышленности», – сказал Ховански.