201403_PSpaw_5894.pdf 40 Przegląd sPawalnictwa 3/2014 Jacek Słania Łukasz Kuk Proces łączenia materiałów do budowy pojazdów i nadwozi w przemyśle samochodowym Process of joining materials to build vehicles   and motor-car bodies in the automotive industry t p Przemysł samochodowy jest gałęzią gospodarki, w której prace spawalnicze mają ogromny udział. Obecnie najczęściej do łączenia materiałów wykorzy- stuje się trzy metody [2]: – spawanie łukowe drutem topliwym w osłonie gazów MIG/MAG, – spawanie łukowe drutem nietopliwym w osłonie ga- zów TIG, – spawanie łukiem krytym pod topnikiem SAW. Metody te są używane do łączenia elementów nad- wozi oraz podwozi; przykładowo są to: – zabudowy samowyładowcze (wywrotki), – zabudowy stałe (cysterny, kontenery), – szkielety nadwozi samonośnych, – kabiny, – wysięgniki żurawi, – ramy nośne. Ostatni z wymienionych elementów zostanie podda- ny szczegółowej analizie w niniejszej publikacji [1]. a tract A welding process of a frame of a truck was presented. Stresses, which occur in the frames of trucks and the re- quirements of their resistance were described in the follow- ing paper. Moreover, the materials used to build vehicles and motor-car bodies were depicted. A technology of weld- ing frames of vehicles – common equipment, a method of welding, preparation of welding joints and the parameters of welding were given. eyword welding, welded construction, welding procedure Stre zczenie Przedstawiono spawanie ramy pojazdu ciężarowego. Omówiono naprężenia występujące w ramach pojazdów ciężarowych i wymagania dotyczące ich wytrzymałości. Przedstawiono materiały stosowane do budowy pojazdów i nadwozi. Zaprezentowano technologię spawania ram pojazdowych – stosowane urządzenia, metodę spawania, przygotowanie złączy spawanych oraz parametry spawa- nia. Słowa kl czowe spawanie, konstrukcja spawana, plan spawania Napr żenia i wytrzymało kon tr kc i Rama nośna jest najważniejszą częścią pojazdu ciężarowego, scalającą elementy podwozia i nad- wozia z elementami układu jezdnego. Spawane po- łączenia znajdujące się w obrębie ramy samochodu ciężarowego poddawane są cyklicznie występującym obciążeniom, które mogą powodować ich uszkodzenia w postaci pęknięć zmęczeniowych. Dlatego jednym z ważniejszych parametrów, jakie powinny charaktery- zować połączenie spawane znajdujące się w obrębie ramy pojazdu, jest jego odpowiednio wysoka wytrzy- małość zmęczeniowa na działanie obciążeń zmien- nych. Podczas eksploatacji pojazdów ciężarowych w ele- mentach ich ram oraz połączeniach tych elementów, poza zmiennymi siłami, mogą wystąpić znaczne naprę- żenia o charakterze statycznym. Naprężenia te mogą wynikać z trudnych warunków ruchu pojazdu ciężaro- wego. W przypadku naczepy samochodowej napręże- nia rozciągające w podłużnicach ramy wynikają z tego, że siła pociągowa przyłożona jest w przedniej części r a inż acek Słania pro PCz – Politechnika Częstochowska, mgr inż ka z k – Brembo Oddział Częstochowa. Autor korespondencyjny/corresponding author: jacek.slania@is.gliwice.pl 41Przegląd sPawalnictwa 3/2014 naczepy. Główne źródło oporów ruchu zlokalizowane jest natomiast w miejscu, gdzie znajdują się koła jezd- ne naczepy ciężarowej, czyli w jej tylnej części. W przy- padku burty załadowczej (często instalowanej w tylnej części samochodu ciężarowego o nadwoziu skrzynio- wym) naprężenia wynikają z unoszenia ułożonego na niej ładunku lub też z podnoszenia burty. W przypadku unoszenia nieobciążonej ładunkiem burty załadowczej naprężenia mogą osiągać wartości poniżej 180 MPa. Producenci pojazdów ciężarowych zalecają spawanie ram wyprodukowanych pojazdów różnymi metodami, głównie nisko- oraz średniotlenowymi. Miejsca, gdzie zlokalizowane są złącza spawane, stają się obszarami koncentracji naprężeń, czyli tzw. koncentratorami. Poza występowaniem znacznych jednostkowych impulsów sił, podczas eksploatacji ram samochodowych występują także siły o mniejszej war- tości. Przykładowy przebieg wartości naprężeń, zareje- strowany na elementach ramy samochodu ciężarowego poruszającego się z prędkością 40 km/h po jezdni wyko- nanej z kostki brukowej, zamieszczono na rysunku 1. – twardości, – plastyczności, – ciągliwości – spawalności, – odporności na działanie wysokiej i niskiej temperatury, – odporności na korozję chemiczną i atmosferyczną. Do budowy ram podwozi samochodowych po- wszechnie stosuje się stal konstrukcyjną o oznaczeniu S355J2G3. W przypadku nadwozi samowyładowczych stosuje się stale Hardox lub Domex wytwarzane przez huty szwedzkiego koncernu SSAB. Blachy ze stali Domex mają małą zawartość węgla i manganu. Stosuje się w ich przypadku walcowanie ter- momechaniczne z precyzyjnie kontrolowanymi sekwen- cjami podgrzewania, walcowania i chłodzenia. Blachy Do- mex mają granice plastyczności: 240, 355, 420, 460, 500, 550, 600, 650, 700 MPa. Dostępne są również wersje Do- mex z oznaczeniem W (Water Resistant) o zwiększonej odporności na korozję atmosferyczną w gatunkach 350, 550, 700, a także wersja Domex Wear o dużej odporności na ścieranie porównywalnej z dużo twardszymi blachami ulepszanymi cieplnie. Ta wersja stali jest wykorzystywana w elementach szczególnie narażonych na ścieranie przez twarde cząsteczki, np. kamień lub piasek [2]. Stale Hardox są wykorzystywane w zabudowach pracujących w szczególnie trudnych warunkach, np. wywrotki w kamieniołomach. Oprócz niezbędnej odpor- ności na ścieranie jest tu konieczna duża odporność skrzyni ładunkowej na obciążenia udarowe (ważne przy załadunku dużych fragmentów skalnych). Wyko- rzystuje się stale Hardox 400, 450 i 500. Oznaczenia opisują twardość w skali Brinella, np. Hardox 400 ma twardość 370÷430 HB. Granice plastyczności wynoszą odpowiednio 1000, 1200 oraz 1300 MPa [2]. Prezentac a po azd na przykładzie naczepy ci żarowe Przystępując do omówienia technologii spawania, warto zacząć od zaprezentowania gotowego produktu, w postaci naczepy ciężarowej. Na rysunku 2 przedstawio- no ramę nośną naczepy marki Sommer. Jest to pojazd po pracach spawalniczych, montażowych, lakierniczych oraz kontrolnych, przeznaczony do wykonania zabudowy u innego producenta (producenta nadwozi). Ry 1 Przebieg naprężeń zarejestrowany w elementach ramy sa- mochodu ciężarowego poruszającego się z prędkością 40 km/h po jezdni wykonanej z kostki brukowej [1] ig 1 Process of stress recorded on the elements of a frame of a motor truck moving with a speed of 40 km/h on the road made of Belgian blocks [1] Równocześnie spawane połączenia znajdujące się w obrębie ramy samochodu ciężarowego poddawane są cyklicznie występującym naprężeniom, które mogą powodować ich uszkodzenia w postaci pęknięć zmę- czeniowych. Dlatego jedną z ważniejszych cech, jaką powinno charakteryzować się połączenie spawane znajdujące się w obrębie ramy pojazdu, jest jego odpo- wiednio wysoka wytrzymałość zmęczeniowa. W warunkach warsztatowych ważnymi metodami spawania są: spawanie elektryczne elektrodami za- sadowymi oraz spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazu aktywnego (MAG). Są one zalecane również jako metody napraw spawalniczych przez producentów po- jazdów ciężarowych [2]. ateriały to owane do dowy po azd w i nadwozi Obecnie w przemyśle samochodowym stosuje się stale niskostopowe o maksymalnej zawartości węgla do 0,22%, stale ogólnego przeznaczenia, stale kon- strukcyjne oraz stopy aluminium. Wszystkie wyżej wymienione materiały muszą speł- niać określone wymagania dotyczące: – wytrzymałości na rozciąganie, – sprężystości, – udarności, Ry 2 Rama nośna naczepy ciężarowej marki Sommer [7] ig 2 Frame bearer of a semitrailer truck Sommer [7] 42 Przegląd sPawalnictwa 3/2014 Każda z wyprodukowanych naczep musi speł- niać określone wymagania. Jednym z podstawo- wych jest jej przeznaczenie. Naczepa może służyć do transportu kruszyw, płynów, drewna, zwierząt, artykułów spożywczych czy chociażby kontenerów. Ry 3 Rama naczepy Wielton NS34PT – wymiary ig 3 Frame of a Wielton NS34PT semitrailer – dimensions Rysunek poglądowy ramy naczepy Przykład produktu Wielton model NS34PT Typ NS34 Oznaczenie handlowe NS34PT /20/ NS34PB /20/ A Długość zewnętrzna mm 7 400 C Szerokość zewnętrzna mm 2 540 G Rozstaw kół mm 2 040/2 100 H Rozstaw osi mm 1 310 K Wysokość siodła mm 1 150 I Wysokość platformy mm 1 380 M Rozstaw: czop – 1 oś mm 3 240 Ogumienie 385/65 R22.5 Dopuszczalna masa całkowita kg 36 000 Masa własna kg 4 050 Nacisk na oś kg 3 x 8 000 Nacisk na siodło kg 12 000 Aby dopasować pojazd pod konkretne przeznacze- nie, rama powinna mieć właściwe wymiary. Przykła- dowy produkt przeznaczony do transportu konte- nerów morskich przedstawiono i zwymiarowano na rysunku 3. 43Przegląd sPawalnictwa 3/2014 Rama naczepy składa się z dwóch podłużnic po- łączonych belkami poprzecznymi. Zwykle podłużnicę tworzy dwuteownik zespawany z płaskowników o okre- ślonych wymiarach. Kształt i wymiary dwuteownika przedstawiono na rysunku 4. tec nologia pawania ram po azdowyc Łączenie ram w warunkach przemysłowych odbywa się w sposób zautomatyzowany. Można do tego celu wykorzystać przykładowo automat spawalniczy firmy ZAKMET model ASB 16000. Urządzenie przedstawio- no na rysunku 5. Urządzenie ASB 16000 ma możliwość spawania belek nośnych naczep samochodów ciężarowych metodą MAG. Automat jest przystosowany do spa- wania ram o przekroju stałym, jak również o prze- kroju zmiennym. Umożliwia spawanie jednocześnie Ry 5 Automat spawalniczy ASB 16000 [4] ig 5 An automatic welder ASB 16000 [4] dwóch belek o długości do 16 m. Spawanie może być prowadzone jednocześnie czterema palnikami, jak na rysunku 6. Dzięki temu naprężenia i odkształ- cenia w spawanych elementach są znacznie redu- kowane. Każdy uchwyt spawalniczy jest indywidualnie stero- wany w osiach X i Y. Portale zawierają wyłączniki krań- cowe, a palniki złącza antykolizyjne. Urządzenie ASB 16000 składa się z następujących elementów [5]: – stołu z zaciskami mocującymi, – torowiska jezdnego, – bramy jezdnej, – 4 portali palników zamocowanych na bramie jezdnej, – szafy sterowniczej, – magazynu na 4 szt. rolek drutu po 250 kg. Podłużnice w postaci dwuteowników umieszcza się na stole roboczym. Ry 6 Spawanie automatem ZAKMET z jednoczesnym wykorzysta- niem 4 uchwytów spawalniczych [5]. ig 6 Welding by an automatic machine ZAKMET with a usage of 4 welding clamps [5] Ry 4 Dwuteownik ramy naczepy ciężarowej ig 4 An l-bar of a semitrailer truck frame 44 Przegląd sPawalnictwa 3/2014 Ze względu na masę oraz gabaryty ram stosuje się transport wewnątrzzakładowy z wykorzystaniem suw- nicy jak na rysunku 7. Ry 7 Podłużnice ramy na stole roboczym automatu spawalniczego [6] ig 7 Frame side members on the working table of a welding auto- matic machine [6] Spoiny wykonuje się metodą MAG z powodu: – wyższej wydajności w porównaniu ze spawaniem elektrodą otuloną; nie występują wtedy przerwy na wymianę elektrody, większy jest też stopień wyko- rzystania drutu spawalniczego – brak wyrzucanych ogarków elektrod, – uniwersalności metody – pozwala szybko uzyskać stopiwo bez względu na pozycję spawania, – przydatności do spawania cienkich i średnich ele- mentów stalowych, a także stopów aluminium. W procesie spawania automatem ASB 16000 istot- ne jest również sterowanie. Do obsługi urządzenia wy- starczy jeden operator, który za pomocą pulpitu steruje bramą jezdną, jak na rysunku 8. Ry 8 Sterowanie bramą jezdną przez operatora [5] ig 8 Operating of a running gate by a machine operator [5] Układ sterowania składa się z czterech bloków funk- cjonalnych, którymi są [5]: – mikroprocesorowy blok prowadzenia i utrzymywania zadanej pozycji palników oraz śledzenia wykonanej spoiny, – mikroprocesorowy blok sterowania bramą jezdną (prędkości przejazdowe, prędkości spawania, prze- jazd sczepiający podłużnicę), – mikroprocesorowy układ PLC AMK5 z wizualizacją stanu wejść i wyjść, sterujący całością automatu, – blok wyłączenia awaryjnego, obsługujący przyciski: awaria, wyłączniki krańcowe, złącza antykolizyjne palników, bariery zabezpieczające interfejs do stero- wania źródłem prądu i podajnikiem drutu. Ry 9 Pulpit sterowniczy urządzenia ASB 16000 ig 9 An operating pulpit of ASB 16000 machine Pulpit sterowniczy umieszczony jest z lewej strony bramy jezdnej, tak aby dostęp do niego był łatwy, szyb- ki i nie zagrażał bezpieczeństwu osoby obsługującej. Pulpit zaprezentowano na rysunku 9. Otrzymane w ten sposób spoiny cechują się wysoką jakością oraz powtarzalnością. W warunkach przemy- słowych to bardzo istotne, gdyż seryjna produkcja wy- maga, aby wyroby były jednakowe pod każdym wzglę- dem. Zastosowanie tradycyjnych metod, np. spawania ręcznego, nie zapewnia podobnego efektu. Jednakże można je stosować w pracach naprawczych. Na rysunkach 10 i 11 zaprezentowano spoinę w przybliżeniu. Na rysunku 10 widać spoinę na suro- wym materiale, a na rysunku 11 na pojeździe przezna- czonym do odbioru przez klienta. Ry 11 Spoina gotowa do odbioru ig 11 A view of a weld on a completed vehicle Ry 10 Spoina na surowym materiale [6] ig 10 A weld on a raw material [6] 45Przegląd sPawalnictwa 3/2014 Do przedstawionej technologii opracowano instrukcję spawania (WPS). WPS INStR C a t C N L IC Na SPa aNIa Instrukcja technologiczna spawania /01/2012 Jednostka inspekcyjna: akład pawalnictwa WPS nr: PS/01/2012 Data spawania: 16 06 2012 WPQR nr: Sposób przygotowania i czyszczenia: mec aniczne Wytwórca: a C Grupa i gatunek materiału: S355 2 3 Nazwiska spawaczy wg wykazu: Grubość materiału (mm): g 10 Metoda spawania: 135 Średnica zewn. rury (mm): Rodzaj złącza: teowe Pozycja spawania: P SZCZEGÓŁY PRZYGOTOWANIA DO SPAWANIA Rysunek złącza Kolejność spawania SZCZEGÓŁY DOTYCZĄCE SPAWANIA Ścieg Metoda Średnica drutu mm Natężenie prądu A Napięcie łuku V Rodzaj prądu Biegunowość Prędkość podawania drutu m/min Prędkość spawania cm/min 1 135 1,2 150÷160 17,5÷18,0 DC/+ 3,8÷3,9 24÷25 2 135 1,2 145÷155 17,0÷17,5 DC/+ 3,3÷3,4 7,6÷7,8 3 135 1,2 150÷160 17,5÷18,0 DC/+ 3,8÷3,9 24÷25 4 135 1,2 145÷155 17,0÷17,5 DC/+ 3,3÷3,4 7,6÷7,8 Spoiwo ra poiny Rodzaj: drut, elektroda. dr t Żłobiona i/lub szlifowana – Klasa wg EN lub PN: PN- N IS 14341 2011 Na podkładce – – drutu: 3Si1 – elektrod: – temperat ra Oznaczenie wytwórcy: Sa – podgrzewania wstępnego: 200°C – drutu: a tRod 12 50 – międzyściegowa: 200°C – elektrod: – Suszenie (temp./czas): – r ka cieplna Niewymagana: niewymagana az/topnik gaz o łon PN- N IS 14175 Wymagana: zgodnie z Instr. OC nr: Rodzaj: 21 Natężenie przepływu gazu: - In ormac e dodatkowe – osłonowego: 12÷15 l/min Brzegi łączonych elementów oczyścić do metalicznego – formującego: – połysku na szerokości 40 mm. lektroda wol ramowa – Po każdej warstwie dokładnie usunąć odpryski i wysypki Rodzaj: – żużla przez szlifowanie. Średnica: - Długość wylotu drutu: 10÷15 mm 46 Przegląd sPawalnictwa 3/2014 nio ki Dobór metody spawania ma wpływ na wy- trzymałość i bezpieczeństwo konstrukcji spa- wanych ram samochodowych. Użycie metod spawalniczych niskotlenowych do łączenia elementów ram samochodowych pozwa- la uzyskać stopiwo o wyższej wytrzymałości na rozciąganie, wyższej granicy plastyczno- ści oraz większej wytrzymałości zmęczenio- wej. Ponadto stosowanie spawalniczej me- tody niskotlenowej w pracach naprawczych przekłada się na bezpieczną eksploatację pojazdu. Literat ra [1] Węgrzyn T., Miros M.: Wytrzymałość złączy spawanych w ramach samochodów ciężarowych. Przegląd Spawalnic- twa 2010, nr 3. [2] Złoty P.: Transport. Technika Motoryzacyjna. Polskie cza- sopismo dla transportu i warsztatów. 2007, nr 5, s. 20÷25. [3] Praca zbiorowa, Poradnik Inżyniera. Spawalnictwo. T. 2. Warszawa, WNT 2005. [4] Strona internetowa: http://www.zakmet.de/?target=nowo- %B6ci. Dostęp: 16.05.2012. [5] Strona internetowa: http://www.zakmet.de/source/ asb16000.pdf. Dostęp: 16.05.2012. [6] Strona internetowa: http://www.amk.com.pl/?Produkty- :Automatyzacja_spawania:Spawanie_naczep. Dostęp: 16.05.2012. [7] Strona internetowa: http://www.kontenery.weldon.pl/pyta- nia-i-odpowiedzi/. Dostęp: 16.05.2012. Krajowa Konferencja Nowych Rozwiązań dla Motoryzacji to pierwsze spotkanie rozpoczynające cykl zjazdów organizowanych przez Śląskie Centrum Szkoleniowe, których tematem będą trzy najbardziej newralgiczne zakresy tematyczne związane z branżą motoryzacyjną, tj. Spawanie, Badania oraz Optymalizacja. Tegoroczna konferencja zaplanowana została w terminie 29-30 maja 2014 r. w Centrum Kon- ferencyjnym Rysy Nosalowy Dwór w Zakopanym. Merytoryczne aspekty sesji plenarnych przy- gotowywane są przez Komitet Naukowy wybitnych praktyków wielu uczelni wyższych nasze- go kraju. Grono Partnerów konferencji stanowią, zarówno doradcy działający na rynku polskim, jak i światowi producenci marek pojazdów. Wszyscy uczestnicy konferencji, oprócz udziału w prelekcjach, będą mieli możliwość uczest- nictwa w warsztatach, a także sesjach plakatowych. Zainteresowanych współtworzeniem na- szych spotkań zapraszamy do kontaktu: (32) 760 59 28 oraz do odwiedzenia naszej strony inter- netowej: www.scs-szkolenia.pl, na której znajdą Państwo więcej informacji nt. konferencji. r r N r