STAL, ALUMINIUM, MATERIAŁY HYBRYDOWE

Karoseria samonośna to najdroższy element samochodu. Pełni rolę estetyczną, ochrony dla pasażerów oraz decyduje o sztywności pojazdu, a w dodatku musi być na tyle precyzyjnie wykonana aby zamocowane do niej elementy zawieszenia pozwalały na uzyskanie odpowiednich własności jezdnych.

Karoseria hybrydowa

Redukcja masy to niższe koszty produkcji ale również niższe spalanie i co za tym idzie mniejsza emisja dwutlenku węgla oraz tlenków azotu do atmosfery. Konstruktorzy samochodów, w szczególności działy zajmujące się projektowanie nadwozi chcąc pogodzić wiele interesów tworzą konstrukcje hybrydowe. Zastosowanie niektórych materiałów wymusza wprowadzanie nowatorskich metod łączenia i zespajania poszczególnych elementów, a blachy o coraz mniejszej grubości są bardzo podatne na zniszczenie w wysokich temperaturach. Coraz częściej stosowane jest nitowanie oraz klejenie.

Multimaterial Audi Space Frame

Rys. Przykład karoserii hybrydowej – stopy aluminium oraz włókno węglowe to podstawowe materiały karoserii Audi R8 Cope (AUDI)

Hybrydowa karoseria to karoseria wykonana z zastosowaniem wielu różnych materiałów konstrukcyjnych.

Audi space frame in multimaterial construction

Rys. Przykład karoserii hybrydowej – stal „w odwrocie”, główne materiały to stopy aluminium i włókno węglowe (AUDI)

Często nadal dominuje udział stopów stalowych ale znacząca jest również ilość elementów wykonanych ze stopów lekkich. Umiejętne stosowanie poszczególnych materiałów pozwala na produkowanie pojazdów o nowoczesnych nadwoziach, które zarówno są lżejsze niż bywało to dawniej ale i wzrasta poziom bezpieczeństwa biernego pasażerów.

Carbon w karoserii

Pojawiają się coraz częściej elementy karoserii wykonane z blach wielowarstwowych. Płaty blachy stalowej o niewielkiej grubości przedzielone są i niejako sklejone są cienką warstwą tworzyw polimerowych. Grubość warstw z tworzywa nie przekracza zwykle 50 μm. Jedną bardziej istotnych zalet zastosowania blach wielowarstwowych jest możliwość ich głębokiego tłoczenia podczas produkcji elementów co zmniejsza ilość segmentów składowych w budowie nadwozia.

Audi A8 – zastosowanie materiałów hybrydowych w newralgicznej strefie karoserii dało bardzo dobre efekty (AUDI).

Skutkuje to bezpośrednio znacznym zmniejszeniem ilości połączeń zwiększając tym samym sztywność całej konstrukcji. Własności mechaniczne karoserii skonstruowanej w tej technologii są lepsze nawet o połowę. W zakresie walorów użytkowych znajduje się miedzy innymi lepsza zdolność do tłumienia drgań.

Tailored Blanks (TB) i inne technologie

Poza zastosowaniem nowoczesnych gatunków stali, oraz materiałów hybrydowych, wprowadzono również nowe technologie wykonywania elementów karoserii samochodowych. Najbardziej znaną, o kluczowym znaczeniu dla rozwoju technologii jest Tailored Blanks oraz Tailor Rolled Blanks. Najlepszy efekt zredukowania masy nadwozia, przy jednoczesnym polepszeniem jego własności mechanicznych dotyczących zarówno bezpieczeństwa biernego jak i własności użytkowych, daje połączenie technologii TB, TRB oraz podobnych z zastosowanie nowoczesnych gatunków stali. Elementy mają często różną grubość i są przygotowywane przed procesem wykrawania oraz łączenia.

Proces przygotowania blachy do wykonywaniu elementu współczesnej karoserii samochodowej (AUDI).

Wbrew powszechnej opinii, technologie TB oraz TRB nie są wytworem ostatnich lat. Początki zastosowania tych technologii przypadają na koniec lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku, choć do powszechnego stosowania wprowadzono je w późnych latach osiemdziesiątych. Oto jak wyglądało wdrażanie nowoczesnych technologii w różnych rejonach świata:

Jak to się zaczęło?

Prekursorem zastosowania technologii Tailored Blanks oraz Tailor Rolled Blanks była szwedzka firma Volvo. Pierwsze seryjnie produkowane w tej technologii karoserie, opuściły linie produkcyjne w roku 1979. Innymi europejskimi producentami samochodów stosuj stosującymi TB i TRB są Volksvagen i Seat. Stosują one technologie łączenia elementów metodą liniowego zgrzewania oporowego oraz spawania laserowego. W roku 1985 niemiecka firma Thyssen AG opracowała dla firmy AUDI technologię laserowego łączenia elementów składowych TB i TRB. Technologia laserowego spawania elementów została pierwotnie wykorzystana do produkcji przestrzennych płyt podłogowych.

Jedną z ważniejszych zalet odróżniających spawanie laserowe od tradycyjnego zgrzewania oporowego, jest długość jednorodnej spoiny. Przy tradycyjnej technologii wynosi ona maksymalnie 1000 mm, natomiast przy spawaniu laserowym nawet do 1960 mm.

Spawanie laserowe

Technologie wykonywania elementów karoseryjnych z nowoczesnych stopów często oparte są na łączeniu poszczególnych części przy pomocy spawania laserowego, wraz z bardzo dokładnym systemem monitorowania oraz

sterowania. Zasada działania urządzeń laserowych oparta jest na wykorzystaniu odpowiednio skupionego światła monochromatycznego

(laserowego). Do spawania karoserii używane są lasery CO2 dużej mocy (2-12kW). Lasery YAG dużej mocy, często są wyposażane w tzw. miękką optykę i współpracują z robotami. Głównym obszarem ich zastosowania jest łączenie elementów karoserii samochodowych. Spawanie laserami CO2 dużej mocy odbywa się metodą “z oczkiem”. Taki sposób ułatwia wnikanie energii lasera głęboko w materiał. W ten sposób powstają grube i wąskie spoiny. Spawanie

“z oczkiem” nazywa się też spawaniem z głębokim wtopieniem. Podobnie jak w innych metodach spawania, również i w tym przypadku jeziorko spawalnicze musi być chronione przed szkodliwym wpływem powietrza atmosferycznego.

Ważne jest, by kontrolować ilość plazmy tworzącej się nad powierzchnią jeziorka spawalniczego. Dotyczy to szczególnie spawania z wykorzystaniem laserów CO2. Podstawowymi gazami osłonowymi dla laserów CO2 są hel i mieszanki helu z argonem. Hel dzięki dużemu potencjałowi jonizacji, ułatwia kontrolę tworzenia się plazmy, argon przeciwnie, dlatego nie stosuje się go z laserami o mocy powyżej 3 kW. W niektórych zastosowaniach sprawdzają

się mieszanki argonu z tlenem lub CO2. W laserach dużej mocy wykorzystuje się mieszanki helu z tlenem. Zapewnia to wysoką wydajność procesu z zachowaniem odpowiedniej jakości. Do spawania stali austenitycznych stosowane są również mieszanki argonu z wodorem. Uniwersalnym gazem osłonowym wykorzystywanym z laserami YAG jest argon. Używane są też dodatki azotu i CO2. Spawanie technologią laserową pozwala na wykonywanie długich spoin w bardzo krótkim czasie. Spoiny charakteryzuje wyjątkowo wysoka precyzja oraz jakość. Proces jest całkowicie zautomatyzowany i podlega ciągłej kontroli prowadzonej przez systemy pomiarowo-monitorujące.

BR