Araç uygulamalarında, özellikle direnç nokta kaynağının ana birleştirme yöntemi olduğu gövdede, alüminyum alaşımlı sac kullanımına büyük bir ilgi vardır. Alüminyum alaşımlı nokta kaynaklarında sıklıkla bulunan belirli süreksizliklerin kaynak özelliklerini olumsuz etkilememesi önemlidir. Bu çalışmanın amacı, aşırı gözeneklilik ve yüzey girintisinin etkisi ve kaynak boyutunun alüminyum alaşımlı sacdaki nokta kaynaklarının yorulma performansı üzerindeki etkisi hakkında bilgi vermekti.
Denemeler, 1.2 mm kalınlığında 5182-0 alüminyum alaşımı üzerinde, fabrikada bitmiş durumda gerçekleştirildi. Şiddetli kaynak süreksizliklerini simüle etmek için çeşitli kaynak koşullarında kaynaklar üzerinde statik kesme ve yorulma testleri yapılmıştır. Çalışma, kaynak çapının yaklaşık %40'ına kadar külçe gözenekliliğinin, derin yüzey girintisinin ve kaynak boyutundaki değişimin, kaynakların yorulma özellikleri üzerinde önemli bir etkisi olmadığını göstermiştir.
Araç ağırlığını azaltma, yakıt ekonomisini iyileştirme ve dolayısıyla egzoz emisyonlarını azaltma ihtiyacı, alüminyum alaşımları gibi hafif malzemelerin kullanımının artmasına neden olmuştur. Uzay çerçeve konseptinin, yüksek performanslı bir araç yapısına ulaşmanın uygun maliyetli bir yolu olduğu iddia edilmiş olsa da, düşük hacimli üretim için uygun olmaya devam etmektedir. Alüminyum alaşımları, örneğin kaput, gövde ve kapılar için çinko kaplı çeliklerle rekabet ederek, daha yüksek hacimli araçların daha klasik tasarımında uygulama alanı bulmuştur.
Direnç kaynağı, araç endüstrisinde başlıca birleştirme işlemi olmaya devam etmektedir. Halihazırda kullanılan düşük karbonlu, yüksek dayanımlı ve kaplamalı çelikler için hızlı, güvenilir, uygun maliyetli ve artık son derece otomatikleştirilmiş bir birleştirme işlemidir. Alüminyum alaşımları ayrıca, malzemenin özel olarak temizlenmesine veya yüzey işlemine ihtiyaç duymadan ticari kalite seviyelerine kadar punta kaynağı yapılabilir. Tipik olarak kaynak akımı, çinko kaplı çelikler için gerekenin iki katıdır, ancak kaynak süresi yalnızca üçte birdir.
Alüminyum alaşımlarının punta kaynağının seri üretim endüstrileri için uygunluğunu geliştirmek için, özellikle kaynak koşulları, elektrotlar ve güç kaynağı türleri üzerinde, esas olarak elektrot ömrünü iyileştirmek için kapsamlı çalışmalar yapılmıştır. Nokta kaynaklarının kalitesi üzerine daha az çalışma yapılmıştır. Gözeneklilik, çatlaklar ve çentiklenme gibi süreksizlikler genellikle alüminyum alaşımlarındaki ticari kalitedeki nokta kaynaklarında bulunur. Bu tür süreksizliklerin test sırasında kaynakların kırılma modunu veya kaynakların özelliklerini, özellikle yorulmayı olumsuz etkilememesi önemlidir.
Malzemeler
İncelenen malzeme, 1.2 mm kalınlığında ısıl işlem görmeyen alüminyum alaşımı 5182-0 idi. Bu, Pechiney Rhenalu tarafından değirmende, teslim alındığı gibi ve kaynaktan önce temizlenmemiş olarak tedarik edildi. Yüksek mekanik özellikleri, iyi damgalama performansı ve kaynaklanabilirlik kolaylığı nedeniyle iç güçlendirme panellerinde uygulama alanı bulmaktadır.
Ekipman ve Test Örnekleri
Kaynaklar, 100kA akım ve 15+15kN kuvvet kapasiteli sıralı tandem silindirli 315kVA ayaklı makinede yapılmıştır.
Statik testler, 200kN Avery Denison tensometre üzerinde gerçekleştirilmiştir. Kesme ve çapraz gerilim testi numuneleri, Fransız standartları A 87-001 ve NF A 89-206'ya göre yapılmıştır. Yorulma testleri, yaklaşık 100Hz'lik bir test frekansında ve R = 0.1'lik bir yük oranında (döngü sırasında min/maks yük) bir 20kN Amsler Vibrophore üzerinde gerçekleştirildi.
Deneysel Prosedür
Test kaynakları, Fransız Standardı NF 87 001'den alınan koşullarda yapılmıştır. Bu koşullar, 'standart seriler' olarak anılan temel durum için kullanılmıştır. Elektrotlar, 100 mm yüz yarıçapına sahip 11 mm uç çapına sahip Cu/Cr/Zr idi. 4kN elektrot kuvveti ve 3 döngü kaynak süresi kullanıldı ve akım nominal olarak 26.5kA idi. Bu, çapraz gerilim test numunelerinde nominal olarak 6,3 mm'lik (5,8 √, burada t = sac kalınlığı mm olarak) sabit bir kaynak boyutunu korumak için ayarlandı.
Statik kesme ve çapraz gerilim testleri yapıldı ve hata modu, kaynak boyutu ve hataya kadar olan yük kaydedildi. Bazı kaynakların, külçe süreksizliklerinin boyutunu ve alınan metalografik kesitleri göstermek için radyografisi çekildi. Bunlar, 1 um cilaya kadar parlatıldı ve Kellers reaktifinde dağlandı.
Yorulma testleri yapıldı ve 104 ila 107 döngü aralığında dayanıklılığa karşı test yükünün bir log/doğrusal grafiği üretildi. 36 standart seri testinin regresyon analizi, Fransız standardı A 03-405'e göre %90 arıza olasılığı limitleri dahil olmak üzere Log S = a log N + b şeklinde bir Wohler eğrisi verdi. (S uygulanan yüktür, N arızaya kadar olan döngülerin sayısıdır ve a ve b sabitleri regresyon analizinden türetilmiştir).
Sonuçlar
Kaynak Süreksizliklerinin Etkisi
Standart seri kaynaklar, bir miktar simetri eksikliği ile tatmin edici külçe penetrasyonu gösterdi. Çevresi temiz olmasına rağmen, külçede önemli ölçüde gözeneklilik vardı. Genellikle 2 ila 3 mm çapında bir merkezi gözenek ile düşük elektrot kuvvetli kaynaklarda artan gözeneklilik mevcuttu ve sıklıkla çatlaklarla ilişkilendirildi. Derin girintili nokta kaynaklarında (K serisi) merkezde %40 ila %50 girinti ve kaynak kenarından 10 mm mesafede 1,2 mm'den fazla sac ayrımı vardı. Ancak dar kaynak külçesinde gözeneklilik yoktu.
a) Standart seri (H) - kaynak H13 (26.6kA)
b) Aşırı gözeneklilik (I) - kaynak I44 (24.3kA)
c) Ağır girinti (K) - kaynak K77 (32,7kA)
Standart seriden daha zayıf. Kesme testi numuneleri, delinmiş kaynaklar dışında benzer bir kuvvete sahipti ve derin girintili kaynaklar dışında tümünde arayüz arızaları meydana geldi. Çoğu durumda sonuçların normal dağılımı, süreksizliklerin veya kaynak koşullarının etkisini aştı.
Aşırı gözenekli kaynaklar, standart seriden biraz daha düşük bir yükte (106 döngüde 1.3kN'ye kıyasla 1.1kN) ancak %90 başarısızlık şansı gösteren dağılım bandı içinde başarısız oldu. Ek olarak, külçenin kenarından itibaren kalınlık boyunca büyüyen hilal şeklinde bir çatlakla birlikte, başarısızlık modu her durumda benzerdi. Delinmiş numuneler için sonuçlar, standart seri ile aynı yorulma performansını verdi.
Kuvvetin yorulma özellikleri üzerindeki etkisini kontrol etmenin bir yolu olarak, test edilmemiş bazı düşük kuvvetli kaynaklar, kaynak elektrotları arasında 4kN'de soğuk preslendi. Bu numuneler için test sonuçları (örn. 106 döngüde 1.5kN) standart seriler için dağılma bandı içinde olduğundan, bu işlem yorulma özelliklerini iyileştirdi. Ayrıca, kubbeli elektrotlar kullanılarak 6,5kN'lik daha yüksek bir kuvvetle yapılan ek kaynaklar, saçılma bandının üst sınırında 106 1,5kN'lik döngüde standart seriden daha yüksek bir yük verdi.
Derin girintili kaynaklar, standart seriden (1.3kN) önemli ölçüde daha yüksek bir yükte (106 döngüde 1.9kN) başarısız oldu. Ayrıca ana malzemede arayüzde çentiğin 2 ila 5 mm dışında yorulma çatlakları başlamıştır.
Kaynak Boyutunun Etkisi
L ve M serileri standart koşullarda ancak kaynak akımı 4,5 ila 5 mm ve 7,5 ila 8 mm hedef aralıklarında kaynak çapları verecek şekilde ayarlanarak kaynaklanmıştır.
Radyograflar ve metalografik kesitler, kaynak boyutuyla birlikte kaynak sıçramasının ve külçedeki gözenekliliğin arttığını gösterdi. Bununla birlikte, külçenin çevresi her durumda açıktı ve külçe içindeki gözenekliliğin mekanik test sonuçları üzerinde çok az etkiye sahip olduğu yukarıda gösterildi. Böylece, bu testler kaynak boyutunun etkisinin gerçek bir karşılaştırmasını verdi.
a) Küçük kaynak, (L) - kaynak L7, 21,3 kA, 4,3 mm çap.
b) Standart seri, (H) - kaynak H39, 26,7 kA, 6,35 mm çap.
c) Büyük kaynak, (M) - kaynak M63, 34,8 kA, 7,9 mm çap
Beklendiği gibi, statik güç büyük ölçüde kaynak boyutuna bağlıydı. Kaynak boyutunun yaklaşık olarak kabul edilebilir minimum 4,2 √t'den büyük 7,2 √t'ye çıkarılması, kesme kayma yükünde 2,4 kat ve çapraz gerilim göçme yükünde 1,6 kat artış sağladı. Çapraz gerilim testleri, sac kalınlığından ziyade külçe etrafında kopan bazı küçük kaynaklar dışında, düğme/fiş arızasıyla başarısız oldu. Kaymada, en büyük kaynaklar bir düğme/fiş oluşturarak başarısız olurken, standart ve küçük kaynaklar arayüz boyunca başarısız oldu.
Yorulma sonuçları, kaynak boyutları arasında statik sonuçlara göre daha az fark gösterdi. Düşük dayanıklılıkta, küçük kaynaklar standart seri saçılma bandından daha düşük bir yorulma yüküne dayanmıştır. Bu koşullarda, büyük kaynaklar için L-N eğrisi standart seriden biraz daha iyiydi, ancak dağılım bandı içinde kaldı. Arayüz boyunca başarısız olan küçük kaynaklar dışında hepsinde klasik başarısızlık meydana geldi. Bu, kaynak veya birleştirme bölgesinin kenarından başlayan ve malzeme kalınlığı boyunca ilerleyen hilal şeklinde bir çatlaktan oluşuyordu. Yüksek çevrim/düşük yük koşullarında, kaynak boyutları arasında önemli bir fark yoktu. Bu kaynakların tümü, yukarıda açıklanan klasik arıza modunu gösterdi.
Büyük kaynakların sonuçları, tüm test aralığı boyunca dağılım bandı içinde yer alan bireysel değerlerle standart serilere çok benzerdi. Bu kaynakların tümü, kaynak veya birleştirilmiş bölgenin kenarından başlayan ve kalınlık boyunca yayılan hilal şeklindeki çatlak ile klasik başarısızlık modunu gösterdi.
Çelik ve Alüminyum Alaşımının Karşılaştırılması
Benzer sertliğe sahip levhalar bazında alüminyum alaşımı ve çelik arasında temsili bir karşılaştırma sağlamak için 0,8 mm çinko kaplı çelik seçildi. 1,2 mm alüminyum alaşımı, %50 daha kalın olmasına rağmen çelikten %50 daha hafifti. Çelikteki 5,2 mm'lik kaynak boyutu, alüminyumdakiyle aynı sac kalınlığı oranına sahipti (nominal olarak 5,8 √t).
Çelik sac, alüminyum sacın ağırlığının iki katı olmasına rağmen, çelik punta kaynaklarının statik kesme mukavemeti, alüminyum punta kaynaklarınınkinden yalnızca yaklaşık %10 daha yüksekti.
Yorulma performansı dikkate alındığında alüminyum alaşımının faydası daha az belirgindi. 106 döngüde, çelik nokta kaynakları için 2.2kN olan yorulma yükü, iki nokta alüminyum alaşım numunesi için 1.3kN idi. Bununla birlikte, yük dağılımı ve bağlantı sertliği, bir bağlantının yorulma özelliklerini etkileyebilir. Bu nedenle, nokta başına gerçek yük, bir yapısal bileşendeki bağlantı tasarımına ve malzeme kalınlığına bağlıdır.
Tartışma
Süreksizliklerin Önemi
Alüminyumun dirençli punta kaynağında iki süreksizlik kategorisi oluşur. Yanlış kaynak koşulları seçiminden veya makine kurulumundan kaynaklananlar arasında sıkışmış kaynaklar, yüzey sıçraması, derin yüzey girintisi ve sac ayrılması yer alır, ancak kolayca önlenir. Belirli süreksizlikler, özellikle kaynak külçesindeki çekme gözenekliliği ve çatlama gibi alüminyum alaşımlı nokta kaynaklarında içseldir. Bunlar şiddetli hale gelirse, elektrot girintisinin merkezinde yüzey çatlaması veya büzülme borusu oluşabilir. Böyle bir süreksizlik olmasa da, kaynak sıçraması yaygındır. Bu çalışmada değerlendirilen aşırı koşulların, üretimde normal kalite standartlarının ötesinde olanları temsil etmesi amaçlandı.
Aşırı gözeneklilik ve delinmiş kaynaklar, kaynak çapının %40'ına kadar olan boşlukların bağlantı performansı üzerinde önemli bir etkisinin olmadığını göstermiştir. %40 ila %50 aşırı girinti ile üretilen kaynaklar, standart kaynaklara kıyasla yorulma performansında gerçek bir artış gösterdi. Bununla birlikte, ana malzeme kaynağın kenarında inceltildiği için statik çapraz gerilim mukavemeti standart kaynaklara göre daha düşüktü.
Elektrot Kuvvetinin Etkisi
Kaynakların yorulma özellikleri çalışılan süreksizliklere karşı oldukça duyarsız olmasına rağmen, elektrot kuvvetinin daha önemli bir rol oynadığı görülmüştür. Daha yüksek elektrot kuvvetinin veya kaynak sonrası sıkıştırmanın yorulma performansını iyileştirdiği görülmektedir. Bunun nedeni, daha yüksek kuvvetlerin, yorulma çatlaklarının başladığı kaynak kenarındaki artık gerilimi değiştirmesi veya çentikteki keskinliği ve gerilim konsantrasyonunu azaltması olabilir. Bu bölgede, kaynağın soğumasından kaynaklanan radyal artık gerilmenin çekme ve alüminyuma malzeme akma gerilmesine yakın olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, kaynakların mekanik olarak işlenmesinin, ısıl işlemin herhangi bir gelişme sağlamamasına rağmen, yorulma ömrünü on kat arttırdığı gösterilmiştir. Çelikte nokta kaynaklarının kaynak sonrası sıkıştırma yüklemesi, kaynak kenarına sıkıştırma gerilmeleri getirerek yorulma performansını iyileştirmenin bilinen bir yoludur.
Yapıştırılmış bölge normalde alüminyum alaşımlarındaki kaynaklara kuvvet katıyor olarak kabul edilmez ve çapraz gerilim testi yapılan kaynaklar, erimiş bölgenin kenarında başarısızlık göstermiştir. Bununla birlikte, düşük yük yorulma koşullarında, bazen bu bölgenin dış kenarından çatlamayı desteklemek için yeterli güç vardır.
Sonuçlar
1,2 mm 5182-0 alüminyum alaşımındaki dirençli nokta kaynaklarının statik ve yorulma özellikleri, kaynak süreksizliklerinin ve kaynak boyutunun etkisini belirlemek ve 0,8 mm çinko kaplı düşük karbonlu çelik ile karşılaştırmak için incelenmiştir. Aşağıdaki sonuçlar çıkarılır.
Külçe çapının yaklaşık %40'ına kadar olan aşırı gözeneklilik, 6,3 mm'lik sabit bir kaynak çapını korurken, kesme sırasında kaynakların statik veya yorulma performansını etkilemedi.
Yorulma çatlaklarının konumu, gözeneklilik veya delinmiş delikten etkilenmemiştir.
Kaynak çapının 4,2'den 7,2 mm'ye çıkarılması, kaynakların statik özelliklerinde büyük bir artış sağladı. Bununla birlikte, yorulmada, kaynak boyutunun yüksek yük/düşük dayanıklılık koşulları için yalnızca küçük bir pozitif etkisi oldu ve düşük yük/yüksek dayanıklılık (10 6 döngü) için hiçbir etkisi olmadı.
Elektrot kuvveti, yorulma mukavemeti üzerinde en önemli etkilerden birine sahipti. 10 6 döngüdeki yorulma yükü, elektrot kuvveti 4,0 kN'den 6,5 kN'ye çıkarıldığında %15 daha yüksek ve 1,5 kN elektrot kuvvetinde %15 daha düşüktü. 4kN'de bir kaynak sonrası sıkma, düşük kuvvetli kaynakların yorulma özelliklerini büyük ölçüde eski haline getirdi.
Derin yüzey girintisi, muhtemelen külçenin kenarındaki koşulları değiştiren daha yüksek elektrot kuvvetleri nedeniyle standart boyuttaki kaynakların yorulma mukavemetini arttırdı.
Çeliğe kıyasla %50 ağırlık tasarrufu gösterirken, alüminyumdaki nokta kaynaklarının yorulma mukavemeti, çelikteki eşdeğer kaynaklara göre daha düşüktü.
