Elementy aluminiowe i ich naprawa cz.1

Pierwsze pojazdy aluminiowe zostały zbudowane już w 1920 roku przez Norwega Hansa Christiana Bjeringa, który to stworzył sześć modeli Bjering I. Jako ciekawostkę i podkreślenie trwałości tego typu konstrukcji można podać fakt, że jeden z nich do dziś znajduje się w posiadaniu pewnej norweskiej firmy.

Fot. Spawanie karoserii wykonanej ze stopów aluminium to nie lada wyzwanie dla pracowników warsztatu. (GYS-HERKULES)

Od wielu lat procentowy udział elementów karoserii wykonanych ze stopów aluminium stale wzrasta. Błędne okazały się przewidywania o odejściu od tego typu materiałów, na rzecz kompozytów oraz tworzyw sztucznych. Tendencja ta ma swoje uzasadnienie ekonomiczne i praktyczne.

Powody stoswania stopów aluminum

Stały wzrost masy pojazdów spowodowany zwiększaniem ilości wyposażenia oraz elementów związanych z bezpieczeństwem czynnym i biernym użytkowników  wymusił na projektantach zastosowanie lżejszych materiałów do ich budowy. Niższą masę karoserii uzyskuje się poprzez użycie cieńszych stali wysokogatunkowych, stopów aluminium lub tworzyw sztucznych. Z punktu widzenia inżynierów idealne pod tym względem jest szerokodostępne aluminium posiadające szereg zalet.

Najważniejsze cechy aluminium, dzięki którym jest ono tak cenne w przemyśle motoryzacyjnym:

• wymaga wyłącznie szerokostosowanych procesów obróbczych,
• niska masa, dzięki której karoseria wykonana całkowicie z aluminium jest o prawie 50% lżejsza od jej odpowiednika stalowego,
• stopy użyte przy produkcji nie są toksyczne dla użytkowników,
• aluminium jest odporne na korozję atmosferyczną,
• aluminium jest dobrym przewodnikiem prądu oraz ciepła,
• karoseria wykonana z aluminium zapewnia dzięki swej sztywności dobre właściwości użytkowe.

Czyste aluminium ma słabe właściwości wytrzymałościowe, dlatego stosuje się jego stopy, które w wyniku obróbki cieplnej stają się kilkukrotnie bardziej wytrzymałe. Stopy aluminium odznaczają się dobrymi parametrami konstrukcyjnym.

Fot. Udział elementów karoserii wykonanych ze stopów aluminum to ponad 10%. (HERKULES)

Stosunek ich wytrzymałości do ciężaru właściwego, jest większy niż dla stali, a ich udarność nie maleje wraz z obniżaniem temperatury. Jedyną niepożądaną właściwością stopów aluminium jest niska wytrzymałość zmęczeniowa. Z tego powodu często buduje się karoserie hybrydowe, czyli złożone z kilku różnych materiałów. Wykorzystując ich odrębne cechy uzyskuje się lekką i bezpieczną konstrukcję z określoną twardością w danych strefach. Redukcja masy to również niższe spalanie i co za tym idzie mniejsza emisja dwutlenku węgla oraz tlenków azotu do atmosfery. W dobie zaostrzania norm emisji spalin i rozwoju napędów hybrydowych filozofia budowy super lekkich i wytrzymałych karoserii staje się priorytetem dla producentów wszystkich marek. Naprawy pokolizyjne aut wykonanych ze stopów aluminium są silnie ograniczone, choć technologicznie nie różnią się znacząco od tych stosowanych przy karoseriach stalowych. W przeciwieństwie do stali aluminium nie posiada pamięci kształtu i nie dąży do ich odzyskania po odkształceniu. Każdy ze stopów ma odrębne właściwości fizyczne, ale identyczną temperaturę topnienia 660 ºC oraz dobrą przewodność cieplną. Stopy aluminium dzielimy na plastyczne oraz odlewnicze. O ile te pierwsze są podatne na obróbkę, dzięki większej zawartości miękkiego glinu, o tyle stopy odlewnicze dzięki wysokiej zawartości dodatków stopowych często są twarde i wytrzymałe na odkształcanie. Do najpopularniejszych dodatków stopowych należą: krzem (Si), żelazo (Fe), magnez (Mg), miedź (Cu) oraz cynk (Zn). Właściwe zdiagnozowanie składu chemicznego naprawianego elementu jest kluczowe na przykład podczas spawania. Dobór drutu spawalniczego ma największy wpływ na jakość i wygląd spoiny.

Czym naprawiać?

Duże znaczenie podczas napraw karoserii aluminiowych ma odpowiednio przygotowane stanowisko pracy. W celu uniknięcia „korozji aluminium” nie należy stosować narzędzi używanych do naprawy elementów stalowych. Nie przestrzeganie tej reguły nie będzie miało natychmiastowego skutku negatywnego lecz uwidoczni się już po naprawie, podczas użytkowania pojazdu.

Fot. Połaczenia stali z aluminum wymagają odizolowania aby uniknąć zjawisk korozji.

Mowa tu o korozji wywołanej wbijaniem w strukturę aluminium zanieczyszczeń stalowych zlokalizowanych na narzędziach. Powstałe ogniska korozji uwidaczniają się na powierzchni w postaci uwypukleń lakieru, które z czasem pękają. W celu uniknięcia tego typu wad należy odseparować narzędzia stosowane do napraw karoserii aluminiowych. Dobrą opcją jest również wdrożenie do pracy narzędzi wykonanych ze stopów aluminium, tworzyw sztucznych, stali nierdzewnej oraz drewna.

Fot. Technologia napraw punktowych rówżni się znacznie od naprawy podobnych uszkodzeń w elementach stalowych i wymaga zastosowania spoterów do aluminum. (GYS-HERKULES)

Narzędzia stalowe jeżeli mają być użyte nie mogą posiadać ostrych krawędzi i muszą być gładkie. Do cięcia elementów aluminiowych zaleca się stosowanie specjalnych tarcz do cięcia oraz pił. Doskonale w tym przypadku sprawdzają się również przecinarki plazmowe nie emitujące żadnych zanieczyszczeń i nie wywołujące odkształceń termicznych.

Fot. Kompletny system do napraw panelowych elementów aluminiowych. (EZ-DENT-HERKULES)

Trochę informacji dodatkowych…

Surowe aluminium samo w sobie cechuje się wysoką odpornością na korozję dzięki samoczynnej oksydacji powierzchni. Na jego powierzchni powstaje cienka, ale bardzo szczelna warstwa tlenku glinu, która przeciwdziała dalszemu utlenianiu. O tej właściwości należy pamiętać podczas prac naprawczych w warsztatach blacharstwa pojazdowego. Przed każdą pracą należy oczyścić powierzchnię elementu z jego warstwy ponieważ znacząco utrudnia ona naprawę. Dzieje się tak dzięki bardzo wysokiej temperaturze topnienia tlenku glinu w stosunku do jego czystej postaci. Wartość ta wynosi około 2015 ºC, co diametralnie zmienia na przykład warunki spawania.            Naprawa elementów aluminiowych nie powinna nigdy odbywać się na zimno. Detale wykonane z ich stopów mają tendencję do pękania, spowodowaną swym składem chemicznym. Zaleca się każdorazowe podgrzanie naprawianej części do około 200-300 ºC, po uprzednim usunięciu z niej warstwy tlenków. Sztuka ta jest utrudniona ponieważ aluminium szybko nagrzewa się oraz szybko oddaje temperaturę do otoczenia. Pomiarów kontrolnych dokonuje się za pomocą specjalizowanych pirometrów laserowych lub markerów. Do detekcji stosowano w przeszłości trociny dębowe, które pod wpływem temperatury zmieniały swój kolor. Mikropęknięcia w strukturze elementów wykonanych ze stopów aluminium są często niewidoczne i bardzo groźne dla użytkownika, jeżeli zachodzą w obrębie części mających wpływ na zachowanie pojazdu i bezpieczeństwo bierne.

Co da się naprawiać?

Producenci nie przewidują naprawy odlewów ciśnieniowych, które można jedynie zastępować nowymi, montowanymi zgodnie z podanymi przez niego technologiami. Naprawy powypadkowe sprowadzają się w głównej mierze do renowacji estetycznej poszyć.

Fot. Konieczne jest stosowanie odpowiednich urządzeń do spawania technologią MAG. (GYS-HERKULES)

Uszkodzenia pojazdów mające w swym zasięgu tzw. klatkę bezpieczeństwa znajdującą się pod fotelem kierowcy i pasażerów kwalifikują pojazd do wyłączenia z dalszego użytkowania. Podczas prac renowacyjnych należy pamiętać o silnych właściwościach wybuchowych pyłów aluminiowych. Zwłaszcza podczas szlifowania elementów ich stężenie staje się niebezpieczne z racji niskiej temperatury zapłonu po zmieszaniu z powietrzem atmosferycznym. Rozwiązaniem są systemy odciągu pyłów i oparów, które chronią pracownika i miejsce pracy przed pyłem oraz ewentualnymi źródłami zapłonu.

Przewidywania

Udział części wykonanych ze stopów aluminium stale wzrasta. Jest to skutkiem znacznej redukcji kosztów wytwarzania tego typu elementów, zwłaszcza w produkcji wielkoseryjnej. Zmiany w technologii łączenia pozwoliły na przyśpieszenie linii produkcyjnych dzięki wprowadzeniu bardziej wydajnych automatów do spawania laserowego, klejów oraz nitów konstrukcyjnych. Od pierwszego seryjnie produkowanego samochodu z karoserią aluminiową Hondy NSX, zaprezentowanej w 1989 roku do dziś technologia wytwarzania elementów z aluminium zmieniła się diametralnie i powoli dąży poprzez optymalizację do osiągnięcia cen karoserii stalowych. Podsumowując nalezy jednak stwierdzić, że aktualnie karoserie stalowe nwukonane w nowoczesnych technologiach ze stopów wyokogatunkowych wygrywaja z karoserią aluminiową. Stopy lekkie stosuje sie tylko w niektórych strefach ggzie pomimo wyższych kosztów wytworzenia ich wpływ na końcową masę pojadu jest bardzo duży.

Bogusław Raatz
raatz.pl