Svařitelnost ocelí pro automobilové karoserie

Na materiály používané při výrobě automobilové karoserie jsou kladeny rozmanité a mnohdy protichůdné požadavky. Vnitřní díly karoserie musejí zajistit pevnost vnitřního skeletu vozu, vysokou korozní odolnost i únavové namáhání, zatímco pro vnější díly jsou charakteristické náročné designové tvary, a tedy i vysoké nároky na dostatečnou plasticitu. Nejčastěji se používají ocelové plechy, pozinkované ocelové plechy, hliníkové plechy a plasty. Výběr materiálu tak výrazně ovlivňuje především cena a měrná hmotnost materiálu. Hliníková karoserie je sice ekonomicky méně výhodná, technologicky náročnější na zpracování, ale je stále až o 43 % lehčí než karoserie ocelová. I proto se vyvíjejí moderní vysokopevnostní ocelové materiály, aby automobilová karoserie měla co nejnižší možnou hmotnost a mohla konkurovat karoserii hliníkové. Na svařitelnost mají také vliv různé povrchové úpravy, konverzní povlaky i různé typy procesních maziv, která ve svarovém kovu vytvářejí póry v důsledku vypařování, takže svařovací proces je nutné vhodným způsobem upravit.

Karoserie automobilu je vyrobena z několika různých druhů ocelových plechů (obr. 2), z nichž má každý své specifické vlastnosti určené k použití na konkrétní díl karoserie. Dnes jsou výrobci automobilů „omezováni“ legislativou EU, která klade velký důraz na životní prostředí, především na snižování emisí. Lze toho docílit právě co nejnižší hmotností karoserie (snižování tloušťky plechů – viz obr. 1) a tím nižší spotřebou paliva. Dále se stále více používají vysokopevnostní martenzitické oceli tvářené za tepla, z nichž se vyrábějí bezpečnostní prvky karoserie.

Při robotizaci spojovacích činností se ukázalo, že jednou z nejvýhodnějších technologií je odporové bodové svařování, které umožňuje v určité míře kompenzaci některých nepřesností při výrobě velkoplošných dílů. Pokročilé svařovací přípravky a středofrekvenční odporové svařovací zařízení v kombinaci se svařovacími elektrodami s dlouhou životností (zaručenou správným návrhem materiálů elektrod a postupnou kontrolou a úpravou geometrie elektrod) – to je v současné době technologie spojování, kterou využívají všechny světové automobilky. Tab. 1 ukazuje, jak velké množství svarových spojů je nutno pro jednu karoserii vyrobit a jaké se používají konvenční a speciální metody tavného i tlakového svařování.

Tab. 1. Množství svarů na jednotlivých modelech automobilů Škoda Auto
Pro zvětšení klikněte na tabulku.


Rozdělení podle metalurgie:

• nízkopevnostní oceli (LSS) –měkké hlubokotažné oceli s řízenou mezí kluzu (IF a Mild oceli);
• vysokopevnostní oceli (HSS) – nejpoužívanější konvenční oceli (IF-HS, BH, CMn a HSLA oceli);
• pokročilé vysokopevnostní oceli (AHSS) –speciální materiály s vyšší pevností než HSS oceli, určené na bezpečnostní a nosné prvky automobilové konstrukce (DP, CP, TRIP, TWIP a MS oceli);
• vysokopevnostní, za tepla tvářené oceli (HF či PHS) – manganborové oceli (22MnB5) s nejvyšší pevností, které se používají na bezpečnostní prvky karoserie.

Mez kluzu Rp0,2 se u ocelí HSS pohybuje v rozmezí 180 až 600 MPa a u ocelí AHSS v intervalu
350 až 1 200 MPa. Hodnoty meze pevnosti v tahu Rm u HSS ocelí jsou v rozmezí 300 až 800 MPa a AHSS ocelí v intervalu 500 až 1 600 MPa (obr. 4).

Obr. 4. Porovnání celkové tažnosti a meze kluzu Rp0,2
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

IF (Interstitial Free) oceli

Při krystalizaci těchto ocelí nejsou ve struktuře přítomny žádné intersticiální atomy, které by ocel zpevňovaly. Proto mají tyto oceli extrémně vysokou tažnost a jsou tedy ideální pro tvarově složité hlubokotažné díly karoserií. IF oceli mají feritickou matrici a jsou mikrolegovány Ti nebo Nb. Tyto prvky mají funkci karbonitridačních stabilizátorů, které sníží obsahy C a N pod velmi nízké hodnoty (0,005 %), čímž je docíleno vynikajících plastických vlastností zvýšením normálové anizotropie mechanických vlastností. Lze je svařovat tavným i tlakovým svařováním.

Mild oceli

Běžné nízkouhlíkové oceli s nižší pevností, které mají feritickou strukturu, jsou stabilizovány mikrolegujícími prvky Ti nebo Nb. Hlavními zástupci těchto ocelí jsou CS (Commercial Steel) a DS (Drawing Steel), FS (Forming Steel) apod. Mild oceli jsou snadno svařitelné všemi obvyklými metodami svařování.

IF-HS (Interstitial Free – High Strength) oceli

Jedná se o IF oceli, které jsou zpevněny přísadou Mn, Si a P, v tuhém roztoku feritu, strukturu mají feritickou. Mají nízký poměr mezi Rm/Rp0,2. Vysoký exponent deformačního zpevnění zajišťuje vynikající hlubokotažnost, proto jsou vhodné zejména pro složité součásti, které vyžadují vysokou pevnost. Lze je svařovat tavným i tlakovým svařováním.

BH (Bake Hardenable) oceli

Zpevnění oceli je dosaženo procesem kontrolovaného žíhání, což je proces založený na nízkoteplotním staticko-napěťovém umělém stárnutí. BH proces stabilizuje dislokace interstitickými atomy C a N. Podmínkou procesu je dostatečně vysoký podíl interstitických (rozpuštěných) atomů C v tuhém roztoku na konci výrobního procesu. Řízené stárnutí probíhá při teplotách okolo 170 °C po dobu 20 min. v rámci procesu vypalování kataforetického laku. Ke zvyšování meze kluzu dochází vlivem vzniku Cottrelových atmosfér na dislokacích a následnou precipitací karbidů. Tyto oceli se používají například na panelové díly, jako jsou vnější díly bočních dveří nebo kapoty. U těchto typů dílů nedochází k tak významnému zpevnění materiálu během procesu tváření a BH efekt tak dodatečně zvyšuje tuhost a stabilitu těchto komponent. BH oceli mohou být snadno svařovány všemi konvenčními procesy svařování, vzhledem k jejich nízkému obsahu základních a legujících prvků.

HSLA (High Strength Low Alloy) oceli

HSLA oceli mají velmi nízký obsah uhlíku a vysokou plasticitu. Vyrábí se válcováním za studena i za tepla. Jsou zpevněny především mikrolegujícími prvky (V, Ti, Nb), které tvoří mikrolegující prvky nitridy, karbidy, karbonitridy, přispívající k jemné precipitaci karbidů a ke zjemnění zrna a zpevnění matrice. Zjemnění zrna přispívá ke snížení tranzitní teploty přechodu křehkého a tvárného lomu, zvýšení pevnosti a zlepšení svařitelnosti. Při použití všech běžných metod svařování nedochází ke zhrubnutí zrna v oblasti svaru. Tyto oceli jsou vhodné na konstrukční, výztužné díly karoserie.

DP (Dual Phase) oceli

Dvoufázové oceli kombinují výborné hodnoty pevnosti a tažnosti. Díky jejich dispergované pevné martenzitické mikrostruktuře (10–30 %) ve formě ostrůvku, vzniklé transformací zbytkového stabilizovaného austenitu a umístěné v měkké feritické matrici (70–90 %), je zajištěna plasticita. Tyto oceli mají schopnost vysokého mechanického zpevnění, což vede ke zvýšení meze kluzu po tváření. Mez kluzu se dále zvýší díky BH efektu při vytvrzování laku (až kolem 80 MPa), stejně jako je tomu u BH ocelí. Vzhledem k jejich vysoké schopnosti absorbovat energii a vysokým hodnotám únavové pevnosti jsou dvoufázové oceli válcované za studena nebo za tepla vhodné pro automobilové konstrukční a bezpečnostní díly (podélné nosníky, příčné nosníky, různé výztuhy). Dosahují meze pevnosti 500–1 200 MPa. DP oceli lze snadno svařovat při použití obvyklých svařovacích procesů, pokud se upraví svařovací parametry, kvůli většímu procentu legur. Zejména při svařování laserem svary dosahují vysoké pevnosti.

CP (Complex Phase) oceli

Vícefázové oceli obsahují malé množství martenzitu, někdy i zbytkového austenitu ve feriticko-bainitické matrici. Vysokého zjemnění zrna lze docílit pomalou rekrystalizací, případně precipitací mikrolegujících prvků Ti nebo Nb. Jednou z výhod CP ocelí je vysoká hodnota meze kluzu při zachování hodnoty meze pevnosti v tahu. Používají se na výrobu automobilových dílů jednoduchých tvarů, kde má ocel pouze malou deformaci (dveřní lišty, příruby sedadel). CP oceli jsou velmi dobře odporově a laserově svařitelné.

TRIP (Transformation Induced Plasticity) oceli

Multifázové oceli s transformačně indukovanou plasticitou, které kombinují vynikající kombinaci pevnosti a tažnosti. Jejich mikrostruktura se skládá z ostrůvků zbytkového austenitu (5–15 %) a bainitu (25–40 %) rozptýlených v měkké feritické matrici (50–60 %), popřípadě se u některých typů ocelí vyskytuje martenzit (v jednotkách %). Při plastické deformaci se austenit transformuje na martenzit (TRIP efekt). Oceli mají vyšší obsah C než např. DP oceli, pro stabilizaci netransformovaného zbytkového austenitu. Dále mají vyšší obsah Si, Al, Mn pro urychlení transformace feritu na bainit a pro zabránění vzniku karbidů v oblasti bainitu. V důsledku vysoké absorpční energie a únavové pevnosti jsou oceli vhodné pro automobilové konstrukční a bezpečnostní díly (příčné a podélné nosníky, výztuhy pro B sloupky a nárazníky). TRIP oceli mohou být snadno svařeny pomocí odporového bodového svařování, pokud jsou správně nastaveny odpovídající svařovací parametry. Vzhledem k vysokému uhlíkovému ekvivalentu (cca 0,5) musí být zvýšena elektrodová síla a upraven svařovací cyklus tak, aby se získal kvalitní svar. Tyto oceli jsou vhodné i pro obloukové svařování metodou MAG, kdy i přes vyšší uhlíkový ekvivalent není zapotřebí zvláštních opatření, aby se zabránilo vzniku trhlin za studena. Rovněž je možné použít metodu laserového svařování.

TWIP (TWinning Induced Plasticity) oceli

Oceli mají vysoký obsah Mn (17–24 %), který udržuje C v tuhém roztoku austenitu, dále jsou dolegovány Al (potlačuje přeměnu austenitu na nežádoucí martenzit) a Si (zlepšuje pevnost tuhého roztoku). Díky těmto legurám je matrice plně austenitická, dodávající oceli extrémní hodnoty tažnosti při velmi vysoké pevnosti (ještě lepší tvařitelnost vysokopevnostních dílů než u TRIP ocelí s nízkým obsahem Mn). TWIP oceli mají velmi dobré mechanické vlastnosti, takže jsou velmi perspektivní pro automobilový průmysl. Pozitivní je spojení vysoké pevnosti a tvařitelnosti, velmi dobré odolnosti proti nárazu a snížení hmotnosti vozidla. Jsou používány v deformačních zónách karoserie. Svařitelnost TWIP ocelí je obtížná, zejména metodou TIG. Je to dáno vysokým obsahem legur (Mn) a mechanismem dvojčatění. Proto jsou svarové spoje náchylné ke vzniku trhlin za tepla v důsledku austenitického tuhnutí (vysoká objemová roztažnost austenitické fáze), což při tuhnutí (ochlazování) vede k velkému poklesu objemu. Při použití laserové metody se trhliny za tepla nevyskytují díky nižším tepelným příkonům v porovnání s metodou TIG. Dalším problémem při svařování TWIP ocelí metodou TIG je interkrystalická koroze.

MS (Martensitic Steel) oceli

Mikrostruktura je převážně martenzitická s malým množstvím feritu, bainitu. Dosahuje se transformací austenitu při válcování za tepla a následném zakalení, po kterém následuje žíhání a poté znovu zakalení. Martenzitickou strukturu lze také získat tepelným zpracováním po tváření. V rámci skupiny vícefázových ocelí vykazují MS oceli nejvyšší úroveň meze pevnosti v tahu (až do 1 700 MPa). MS oceli jsou často po zakalení ještě popuštěny s cílem zlepšit tažnost a mohou tedy poskytnout přiměřenou tvárnost i při extrémně vysokých pevnostech. Přidáním většího množství C se MS ocelím zvyšuje kalitelnost a zpevňuje martenzit. Pro zvýšení kalitelnosti se používají i další prvky v různých kombinacích (Mn, Si, Cr, Mo, B, V, Ni). Díky vynikajícím mechanickým vlastnostem, jako je vysoká mez pevnosti v tahu, jsou tyto oceli zvláště vhodné pro bezpečnostní prvky se zvýšenou odolností proti nárazům, jako jsou části předního a zadního nárazníku, boční prahové výztuže a střešní příčník. MS oceli mají dobrou odporovou a laserovou svařitelnost.

Manganborové oceli

Tyto za tepla tvářené oceli (HF – Hot Formed nebo PHS – Press Hardened Steel) jsou určeny především na konstrukční nosné (příčné a podélné nosníky, uchycení nárazníku, součásti podvozku aj.) a bezpečnostní části karoserie (A-sloupek, B-sloupek, boční výztuhy dveří aj.), které vyžadují vysokou odolnost proti nárazu. Velmi vysoká mechanická pevnost po tváření umožňuje dosáhnout snížení hmotnosti daného dílu o 30 % až 50 % oproti konvenčním ocelím tvářeným za studena. Po tváření mají tyto oceli Rp0,2 = 1 000–1 100 MPa, Rm = 1 400–1 600 MPa, při tažnosti A80 pod 6 %. Ocel 22MnB5 je vhodná pro tzv. vysokoteplotní termomechanické zpracování (TMZ) při lisování. Tato vlastnost je dána přídavkem malého množství boru. Proto se ocel také označuje jako borová nebo manganborová. Ve stavu dodání má ocel feriticko-perlitickou strukturu, která zajišťuje nižší hodnoty meze pevnosti v tahu a meze kluzu a po ohřevu a následném tváření za tepla dojde ke kalení při lisování. Výsledná struktura je martenzitická, která zajistí výrazný nárůst hodnot meze pevnosti v tahu a meze kluzu. Ocel je nejčastěji dodávána s povrchovou vrstvou na bázi Al-Si, která ji chrání v průběhu ohřevu před vysokoteplotní oxidací.

Příspěvek byl vytvořen v rámci řešení projektu SGS16/217/OHK2/3T/12.

Použitá literatura
[1] VOTAVA, Pavel. Odporové svařování martenzitických ocelí s variantním tepelným zpracováním. Praha, 2015. Diplomová práce.
[2] PILVOUSEK, T. Interní dokument ŠKODA AUTO a. s. – Technologie ve výrobě karoserie. 2015.
[3] HORVATH, C. D. The Future Revolution in Automotive High Strength Steel Usage. American Iron and Steel Institute [online]. 2004 [cit. 2015-05-31]. Dostupné z: https://www.steel.org/~/media/Files/Autosteel/Great%20Designs%20in%20Steel/GDIS%202004/16%20-%20The%20Future%20Revolution%20in%20Automotive%20AHSS%20Usage.pdf
[4] Interstitial Free Steels. Ispat Guru [online]. 2014 [cit. 2015-06-04]. Dostupné z: //ispatguru.com/interstitial-free-steels/
[5] KOLNEROVÁ, M. Metody tváření kovů a plastů: Pevnostní materiály v karoserii. Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní: Katedra strojírenské technologie – Oddělení tváření kovů a plastů [online]. 2010 [cit. 2015-05-22]. Dostupné z: //www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/stud_materialy/mtk/MTK3.pdf
[6] Mild Steels. ArcelorMittal [online]. 2009 [cit. 2015-06-04]. Dostupné z: //automotive.arcelormittal.com/repository2/Automotive_Product%20offer/MildSteels.pdf
[7] Extract from the product catalogue. ArcelorMittal [online]. [cit. 2015-06-06]. Dostupné z: //automotive.arcelormittal.com/saturnus/sheets/ArcelorMittal%20Automotive%20product%20offer%20EN.pdf
[8] Steel Types. World Auto Steel [online]. [cit. 2015-06-04]. Dostupné z: //www.worldautosteel.org/steel-basics/steel-types/
[9] Multi Phase Twinning-Induced Plasticity (TWIP) Steel. Total Materia [online]. 2007 [cit. 2015-06-07]. Dostupné z: //www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&LN=CZ&NM=207
[10] RONCERY, L. M., WEBER, S., THEISEN, W. Welding of twinning-induced plasticity steels. Scripta Materialia 66. 2011, s. 997-1001.
[11] DAI, Y., TANG, D., MI, Z., LÜ, J. Microstructure Characteristics of an Fe-Mn-C TWIP Steel After Deformation. Journal of iron and steel research, International. 2010, 17 (9), s. 53-59.
[12] TL 4225. Alloyed Quenched And Tempered Steel for Press Quenching – Uncoated or Pre-Coated: Material Requirements for Semi-Finished Products and Components. Volkswagen Aktiengesellschaft, 2012.

ČVUT v Praze, Fakultra strojní, Škoda Auto

Lucie Forejtová, Ladislav Kolařík, Jan Suchánek, Marie Kolaříková, Tomáš Pilvousek

Ladislav.Kolarik@fs.cvut.cz

//u12133.fsid.cvut.cz/