201207_PSpaw.pdf 2 Przegląd sPawalnictwa 7/2012 Zbigniew Mirski Kamil Śpiewak Spawanie laserowe mechanizmu siedzenia samochodowego laser welding of car seat mechanism   Dr hab. inż. Zbigniew Mirski, prof. PWr – Politechnika Wrocławska, inż. Kamil Śpiewak – Zakład Mechanizmów Faurecia Wałbrzych. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań połączeń spawanych elementów regulacji pochylenia oparcia sie- dzenia samochodowego wykonanych z niskowęglo- wych stali niestopowych o grubości blachy 2÷4,5 mm. Do spawania użyto lasera molekularnego CO2 w osło- nie helu. Jakość połączeń spawanych oceniano na pod- stawie: prób wytrzymałościowych, pomiarów mikrotwar- dości oraz oceny geometrii złączy przez pomiar szero- kości i głębokości wtopienia spoiny w badaniach meta- lograficznych. Badania wykazały dobrą jakość połączeń spawanych mechanizmu siedzenia samochodowego, co potwierdziło poprawność doboru parametrów technologii spawania laserowego. abstract The results of welding joints the car seat adjustment mechanism elements are given in the paper. The ele- ments are made of low-carbon ordinary steel with thick- ness of sheets from 2 to 4.5 mm. Welding process is carried out with a molecular CO2 laser with helium as a shielding gas. The quality of welding joints are estimated with strength tests, microhardness measurements, width and depth of the welds determined from metallographic studies. The investigation shown good quality of welding joint of elements of car seat mechanism, which confirmed good selection of the parameters of laser-welding. Wstęp Spawanie laserowe materiałów jest stosowane co- raz częściej w krajowym przemyśle [1÷5]. Elementy regulacji oparcia siedzenia samochodowego są łączo- ne przez spawanie wiązką laserową z głębokim wto- pieniem. Roztopiony materiał pod wpływem odrzutu odparowujących cząstek siły jest rozsuwany na boki i umożliwia penetrację wiązki w głąb materiału [6]. Firmą produkującą mechanizmy regulacji oparcia siedzenia samochodowego jest Zakład Mechanizmów Faurecia Wałbrzych Obok innych inwestorów przemysłu samo- chodowego, zakład produkuje w systemie just in time elementy mechanizmu regulacji dla światowych marek samochodowych. Mechanizm regulacji siedzenia samochodowego Elementy mechanizmu regulacji siedzenia samo- chodowego pokazano na rysunku 1. Podstawowe elementy mechanizmu i ich opis przedstawiono w tablicy I, a skład chemiczny stali w tablicy II. Rys. 1. Mechanizm regulacji siedzenia samochodowego [4, 5] Fig. 1. Mechanism for adjustment of the car seat [4, 5] 3Przegląd sPawalnictwa 7/2012 Stanowisko do spawania laserowego i parametry procesu Do połączenia elementów użyto lasera molekular- nego CO2 ROFIN DC 060 o mocy 6 kW. Emituje on nie- widoczne dla ludzkiego oka, leżące w dalekiej podczer- wieni, równoległe i monochromatyczne promieniowa- nie o długości fali 10,6 µm. Ośrodkiem czynnym tego lasera jest gaz Premix zawierający obok dwutlenku wę- gla także tlenek węgla, azot, tlen, ksenon i hel [7]. Do osłony powstającej spoiny zastosowano hel o czystości ≥99,999% obj., który w strefę spawania jest doprowadzany w ilości 20 dm3/min pod ciśnie- niem 1÷1,5 bar. Prędkość spawania stalowych ele- mentów mechanizmu regulacji siedzenia wynosiła 2,2÷2,8 m/min, w zależności od rodzaju stali i grubości spawanych elementów [4, 5]. Stanowisko spawania obejmuje dwie pozycje, któ- re obsługuje głowica laserowa (rys. 2). Do każdego z nich elementy spawane są dostarczane na paletach. Ładowanie elementów na paletę jest uporządkowane. Są na niej 4 pozycje załadowcze (A, B, C i D), w których umieszcza się poszczególne elementy (rys. 3). Wymienione pozycje oznaczają: pozycja A – ru- choma płytka narożna na zespawanym reclinerze z nieruchomą płytką narożną i wspornikiem od dołu, pozycja B – nieruchoma płytka narożna na tarczy stałej reclinera, pozycja C – wolna – wykorzystywana do in- nych zadań, pozycja D – wspornik [7]. Podczas spawania mechanizmu najpierw spa- wana jest nieruchoma płytka z tarczą stałą recline- ra. Następnie jest do nich spawany wspornik. Kolej- nym etapem jest zdjęcie pospawanego zespołu trzech elementów z palety (pozycja B), obrócenie tarczą ruchomą reclinera do góry i ułożenie go na pozycji A, gdzie dospawana jest płytka ruchoma do ruchomej tar- czy reclinera. Przyjęto następujące kryteria dla połączeń spawa- nych [4, 5]: – rodzaj złącza: zakładkowe z liniową spoiną przeto- pową, – szerokość wtopienia spoiny na granicy dwóch ma- teriałów: powyżej 1 mm, – głębokość wtopienia spoiny w drugim materiale 0,5÷2,5 mm. tablica I. Elementy składowe mechanizmu siedzenia samochodo- wego [5] table I. The component of car seat mechanism [5] Element Materiał (stal) Część Ruchoma płytka narożna I S 700 Tarcza ruchoma II reclinera C 18 E po procesie węgloazotowania Nieruchoma płytka narożna III S 700 Tarcza stała IV reclinera S 420 MC Wspornik V S 500 tablica II. Skład chemiczny stali przeznaczonych na elementy me- chanizmu wg PN-EN 10149-2:2000 table II. Chemical composition of steel of components mechanism acc. to PN-EN 10149-2:2000 Stal Skład chemiczny, % wag. (reszta Fe) C Si Mn P S Nb V Al Ti Cr S 700 0,12 0,6 2,1 0,025 0,015 0,09 0,2 0,015 0,22 - S 500 0,12 0,5 1,7 0,025 0,015 0,09 0,2 0,015 0,15 - S 420MC 0,12 0,5 1,6 0,025 0,015 0,09 0,2 0,015 0,15 - C 18E 0,17÷ 0,22 0,15 ÷0,3 0,6÷ 0,8 0,025 0,015 - - 0,02 - 0,2 Rys. 2. Stacja spawania laserowego: 1 – głowica spawalnicza po- ruszająca się wzdłuż trzech osi i obracająca się wokół dwóch osi, 2 – stanowisko spawalnicze nr 1, 3 – stanowisko spawalnicze nr 2, 4 – manipulator, 5 – instalacja odciągowa gazów spawalniczych, 6 – kierunek ruchu transportera palet [7] Fig. 2. Set-up of laser welding: 1 – welding heat moving along three axis and rotating around two axis, 2 – the place of welding no. 1, 3 – the place of welding no. 2, 4 – manipulator, 5 – installation of weld gases extractor, 6 – direction of the palettes movement [7] Rys. 3. Załadunek elementów mechanizmu na paletę [5] Fig 3. Parts of mechanism on the palette loading [5] Kierunek ruchu palet 4 Przegląd sPawalnictwa 7/2012 Próby wytrzymałościowe Przed próbą wytwarzania mechanizmów wykona- no testy na złączach próbnych. Stanowiły je: połącze- nie dwóch trójkątnych płytek grubości 2,5 i 4,5 mm, wykonanych ze stali S 700 i C 18 E po procesie wę- gloazotowania. Oba elementy trójkątne zespawano, a następnie ścinano spajające ich połączenie na ma- szynie wytrzymałościowej. Podczas tego testu jedna płytka była unieruchomiona, a druga była obciążana względem osi otworu centralnego. Widok ściętego po- łączenia spawanego pokazano na rysunku 4. Wartość momentu ścinającego uzyskanego w tej próbie wyno- siła 611 daNm (rys. 5). Po wykonaniu prób wytrzymałościowych na złączach próbnych, które potwierdziły poprawność doboru parametrów spawania, przeprowadzono po- dobne próby na zespawanych elementach mechani- zmu. Próby te wykonano dwuetapowo. Najpierw za- blokowane mechanizmy poddano oddziaływaniu siły działającej w kierunku A, a następnie w kierunku B (rys. 6). Przykładowy wynik ścinania mechanizmu w kierun- ku A pokazano na rysunku 7. Wynik testu niszczącego w kierunku działania siły A osiągnął wartość 241 daNm, powyżej wartości do- puszczalnej równej 170 daNm. Na rysunku 8 poka- zano mechanizm zniszczenia w tej próbie, ruchoma płytka narożna została oderwana od ruchomej tarczy reclinera. Podczas testu niszczącego elementy mechanizmu w kierunku działania siły B moment ścinający osiągnął wartość 239 daNm, powyżej wartości dopuszczalnej 190 daNm (rys. 9). Podczas tej próby niszczącej w pospawanych ele- mentach mechanizmu została również oderwana ru- choma płytka narożna. Na rysunku 10 widoczny jest obszar złomu po ściętej spoinie na całym obwodzie tar- czy ruchomej reclinera. Rys. 4. Trójkątne płytki po teście niszczącym [4, 5] Fig. 4. Triangular plates after destructive test [4, 5] Rys. 5. Wynik testu niszczącego połączenia płytek trójkątnych [4, 5] Fig. 5. Result of destructive test of joint of triangular plates [4, 5] Badania metalograficzne Badania metalograficzne połączeń spawanych wykonano w celu weryfikacji warunków spawania, przekładających się na określone szerokości i głę- bokości przetopu spoin. Badania wykonano na urzą- dzeniu Welding Expert po uprzednim przygotowaniu próbek. Przygotowanie polegało na pocięciu pospa- wanego mechanizmu w miejscach oznaczonych na rysunku 11 na fragmenty. Wycięte próbki poddano szlifowaniu na papie- rach ściernych i polerowaniu, a następnie trawie- niu chemicznemu odczynnikiem na bazie chlorku Rys. 6. Kierunek działania siły w testach wytrzymałościowych mechanizmu [4, 5] Fig. 6. Direction of the force in destructive tests of the mechanism [4, 5] Rys. 7. Wykres testu niszczącego w stronę działania siły A [4, 5] Fig. 7. The plot of destructive test in direction A of the force [4, 5] Rys. 8. Mechanizm po teście niszczącym w stronę działania siły A [4, 5] Fig. 8. Mechanism after destructive test in direction A of the force [4, 5] 5Przegląd sPawalnictwa 7/2012 żelaza (30%). Tak przygotowane zgłady metalo- graficzne układano na szybie urządzenia Welding Expert w celu oceny szerokości i głębokości przetopu spoiny (rys. 12). Welding Expert umożliwia pomiar próbek z dokład- nością do 60 µm. Urządzenie jest wyposażone w układ optycznej zmiany wielkości obrazu sterowany elektro- nicznie. Przy każdej zmianie ogniskowej program au- tomatycznie oblicza współczynnik kalibracji. Za pomo- cą tego oprogramowania i urządzenia można szyb- ko zmierzyć grubość materiałów, wysokość względem przeciwprostokątnej trójkąta równoramiennego wpisa- nego w przekrój spoiny pachwinowej, głębokość i sze- rokość wtopienia spoiny, szerokość strefy wpływu cie- pła oraz zidentyfikować wszelkie niezgodności w prze- kroju poprzecznym spoiny. Wynik pomiaru można za- pisać w arkuszu kalkulacyjnym [8]. Wyniki pomiarów geometrii spoiny w wybranych miejscach pomiarowych pokazano na rysunku 13. Pomiary głębokości wtopienia spoiny w drugi element oraz szerokości spoiny na granicy ich połączenia wyka- zały spełnienie narzuconych wymagań. Rys. 9. Test niszczący dla siły B [4, 5] Fig. 9. The plot of destructive test in direction B of the force [4, 5] Rys. 10. Mechanizm po teście niszczącym w kierunku działania siły B [4, 5] Fig. 10. Mechanism after destructive test in direction B of the for- ce [4, 5] Rys. 11. Miejsca pomiaru spoin [4, 5] Fig. 11. The place of the welds measurement [4, 5] Rys. 12. Urządzenie pomiarowe Welding Expert [8] Fig. 12. The Welding Expert measu- ring apparatus [8] Rys. 13. Wyniki pomiarów geometrii spoin w wybranych miejscach pomiarowych: M2, F2, C1 i C2 [4, 5]; g – głębokość wtopienia w dol- ny element, wymagana wartość 0,5÷2,5 mm, hr – szerokość spoiny na granicy elementów, wymagana wartość > 1 mm Fig 13. The results of the joints geometry measurements in places: M2, F2, C1 and C2 [4, 5]; g – fusion depth in the bottom element, re- quired value 0,5÷2,5 mm, hr – weld width in the elements boundary, required value > 1 mm Spoina w punkcie M2 g – 0,9 mm hr – 1,4 mm Spoina w punkcie F2 g – 1,1 mm hr – 1,6 mm Spoina w punkcie C1 g – 1,3 mm hr – 1,8 mm Spoina w punkcie C2 g – 1,5 mm hr – 1,4 mm Przetop na obwodzie spoiny 6 Przegląd sPawalnictwa 7/2012 Literatura [1] Poradnik Inżyniera. Spawalnictwo, tom 2 (pod red. J. Pilarczy- ka), WNT, Warszawa 2005. [2] Pilarczyk J., Banasik M., Stano S., Dworak J.: Spawanie lase- rowe z materiałem dodatkowym i mechanicznym śledzeniem złącza, Przegląd Spawalnictwa, 12/2011, s. 9-14. [3] Mirski Z., Granat K., Stano S.: Możliwości spajania węglików spiekanych ze stalą wiązką lasera, Przegląd Spawalnictwa, 12/2011, s. 15-20. [4] Śpiewak K.: Opracowanie technologii spawania laserowego mechanizmu siedzenia samochodowego. Dyplomowa praca inżynierska wykonana pod kierunkiem Z. Mirskiego, Wydział Mechaniczny Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2010. [5] Materiały firmy Faurecia. [6] Szymański Z., Hoffman J.: Fizyka spawania laserowego, IPPT PAN, Warszawa 2004. [7] Materiały firmy CINETIC. [8] Materiały firmy CLARA VISION. Artykuł powstał na podstawie pracy dyplomowej inż. Kamila Śpiewaka [4], który otrzymał I nagrodę w 2011 roku, w XI edycji Ogólnopol- skiego Konkursu o Nagrodę i Dyplom Prezesa SIMP na najlepszą pracę dyplomową o profilu mechanicznym, obronioną w państwowej wyższej uczelni technicznej, organizowanego pod patronatem Pani Barbary Kudryckiej – Minister Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Pomiary mikrotwardości Pomiary mikrotwardości połączeń spawanych me- chanizmów wykonano metodą Vickersa, przy obcią- żeniu piramidki diamentowej 50 g. mikrotwardościo- mierzem FM-100. Linie pomiarowe na przykładowym złączu spawanym dwóch trójkątnych płytek o grubości 2,5 i 4,5 mm, wykonanych ze stali S 700 i C 18 E po procesie węgloazotowania pokazano na rysunku 14, a wyniki pomiarów wzdłuż tych linii zamieszczono w tablicy III. Wyniki pomiarów mikrotwardości wskazują, że złą- cze spawane promieniem lasera wykazuje utwardze- nie w strefie wpływu ciepła i w spoinie. Twardość ma- teriału rodzimego obu spawanych elementów wynosi poniżej 300 HV0,05. W strefie wpływu ciepła twardość w górnym materiale wzrasta o ok. 40 HV0,05, w dol- nym zaś o 200 HV0,05. Twardość spoiny przy grani- cy wtopienia wynosi ok. 436 HV0,05 w środku średnio 412 HV0,05 w części należącej do górnego materia- łu. W dolnej części spoiny twardość w pobliżu granicy wtopienia kształtuje się na poziomie 454÷463 HV0,05, a środek spoiny wykazuje wartość 445 HV0,05. Naj- większą twardość osiągnięto dla wartości 473 HV0,05 w strefie wpływu ciepła dolnego materiału (C 18 E po węgloazotowaniu). Mimo znacznego utwardzenia spo- iny i strefy wpływu ciepła nie zaobserwowano pęknięć w połączeniach spawanych mechanizmów. Rys. 14. Linie pomiarowe i rozkład mikrotwardości HV0,05 przykła- dowego złącza spawanego [4, 5] Fig. 14. The measuring lines and distribution of the microhardness HV0.05 of typical welded joint [4, 5] tablica III. Wyniki pomiarów mikrotwardości HV0,05 obszarów złą- cza spawanego [4, 5] table III. The results of measurements of the microhardness HV0.05 of welded joints areas [4, 5] Miejsce pomiaru Materiał rodzimy Strefa wpływu ciepła Spoina nr pomiaru 1 2 3 4 5 6 7 8 9 linia 1 286 286 290 290 315 320 432 420 432 linia 2 286 283 295 334 323 334 436 404 424 linia 3 260 272 378 463 473 472 454 445 463 Podsumowanie Opracowana technologia spawania laserowego mechanizmu oparcia siedzenia samochodowego w firmie Faurecia w Wałbrzychu wykazała na pod- stawie badań poprawnie dobrane parametry spawa- nia laserem molekularnym CO2 czterech elementów stalowych, stanowiących części składowe mecha- nizmu siedzenia samochodowego. Zarówno testy wytrzymałościowe, polegające na ścinaniu połączeń spawanych mechanizmów, jak i pomiary geometrii spoin na podstawie badań metalograficznych przy- niosły zadowalające wyniki świadczące o dobrej ja- kości złączy spawanych w produkowanych siedze- niach samochodowych. Tw ar do ść H V 0 ,0 5