Исследователи продемонстрировали новый процесс расширенного использования легкого алюминия в легковых и грузовых автомобилях со скоростью, масштабом, качеством и постоянством, требуемыми автомобильной промышленностью. Этот процесс сокращает время и затраты на производство, обеспечивая при этом прочные и легкие детали, например, дверь автомобиля, которая на 62% легче и на 25% дешевле, чем дверь, произведенная с использованием современных методов производства.
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 ключевым фактором для производства легких автомобильных запчастей, сохраняющих прочность там, где это больше всего необходимо. Процесс, разработанный PNNL, также в десять раз быстрее, чем современные методы FSW, представляя темпы производства, которые впервые соответствуют требованиям крупносерийной сборки. Об этом сообщается в майском выпуске JOM , журнала для членов Общества минералов, металлов и 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 PNNL и ведущий автор. «В результате получился проверенный процесс, который преодолевает ограничения FSW по скорости, масштабу и качеству, которые раньше были показательными для автомобильной промышленности ».
Двухэтапный шестилетний проект финансируется Управлением энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики с участием партнеров натурой от каждой из участвующих компаний.
Алюминий не переносит нагрев
Для создания дверных коробок, капотов и других автомобильных деталей листы металла свариваются встык, образуя «индивидуально сваренную заготовку», которую затем разрезают на соответствующие размеры перед штамповкой для придания окончательной формы. Этот процесс допускает высокую степень настройки. Например, металл большей толщины можно использовать на одной стороне детали автомобиля, где требуется дополнительная прочность, и соединить ее 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 такой технологии сварки, как FSW, которая не наносит вреда алюминию», - сказал Ховански.
Аппарат для сварки трением с перемешиванием выглядит и действует как нечто среднее между сверлильным станком и швейной машиной. Опускаемый на два металлических листа, расположенных бок о бок, «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 этот 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 неизменно соответствовать требованиям высокоскоростного производства.
«То, что мы обнаружили, было беспроигрышным», - сказал Ховански. «Чем быстрее сварка, тем лучше качество и прочность соединения, что значительно увеличивает скорость».
PNNL предоставила компании TWB и GM спецификации сварных швов и инструментов. 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 по индивидуальному заказу. 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.
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 для соединения различных сплавов, таких как автомобильные алюминиевые сплавы с легкими, сверхвысокопрочными сплавами, которые в настоящее время используются в аэрокосмической отрасли.
«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.
