titulnyKombinované plechové polotovary používané v konštrukcii nosných štruktúr automobilov slúžia na optimalizáciu vlastností výliskov z hľadiska tuhosti, pevnosti a hmotnosti. Vyznačujú sa špecifickými vlastnosťami jednotlivých častí s odlišnými napäťovo deformačnými vlastnosťami alebo rozdielnou hrúbkou. Pri hlbokom ťahaní vzniká nerovnomerný plastický tok, nestabilita a pohyb zvarového rozhrania.


Na experimentálnych výťažkoch s obdĺžnikovým pôdorysným tvarom a rôznou orientáciou zvarového rozhrania boli pozorované jeho natočenia a posunutia. Vyrobené boli z materiálov s rozdielnymi napäťovo deformačnými vlastnosťami, z hlbokoťažnej ocele BH220 a dvojfázovej ocele DP600 s hrúbkou 1,2 mm. Druhou sledovanou kombináciou boli výťažky z ocele TRIP 690T z kombinovaných polotovarov s rozdielnou hrúbkou 1 a 1,2 mm. Diagonálna orientácia a odlišné napäťovo deformačné vlastnosti mali najvýraznejší vplyv na pohyb zvarového rozhrania.
Výlisky z kombinovaných polotovarov (Tailored Welded Blanks) nachádzajú najväčšie uplatnenie v automobilovom a leteckom priemysle. V prvom prípade je hlavným dôvodom použitia dosiahnutie optimálnej tuhosti, pevnosti a deformačných nárazových vlastností pri primeranej hmotnosti, v druhom prípade je to hlavne minimalizácia hmotnosti konštrukcie [1]. Oceľové výlisky z kombinovaných polotovarov využívajú variácie častí z materiálov s odlišnými napäťovo deformačnými vlastnosťami alebo hrúbkami. Používajú sa rôzne kombinácie hlbokoťažných, konvenčných vysoko pevných aj ultra vysoko pevných ocelí. Okrem odlišných mechanických a pretvárnych vlastností majú výrazný podiel pri výrobe výliskov aj polotovary s rôznou hrúbkou z materiálu s rovnakými, ale i rozdielnymi vlastnosťami. Využívané sú hlavne na výlisky nosnej štruktúry samonosných karosérií automobilov v deformačných zónach.
Špecifické požiadavky kladené na komponenty nosnej štruktúry pri deformácii spôsobenej dopravnou nehodou pri čelnom alebo bočnom náraze vyžadujú ich optimalizáciu z hľadiska hmotnosti, tuhosti, pevnosti a nárazových deformačných vlastností. Konštrukcia výliskov nosného skeletu a ich materiálová štruktúra musí zabezpečiť absorbovanie deformačnej energie nárazu tak, aby sa minimalizoval jej prenos do priestoru cestujúcich.
Nezanedbateľným prínosom je výrazné zvýšenie štrukturálnej integrity konštrukcie zmenšením množstva bodových zvarov. Zmenšuje sa počet dielov zváraných týmto spôsobom v exponovaných miestach. Znižuje sa aj počet výliskov a potrebných tvárniacich nástrojov a strojov [2], [3], [4]. Príkladom použitia kombinovaného polotovaru s rozdielnou hrúbkou je výlisok výstuže predného pozdĺžneho nosníka z materiálu TRIP690T. Na obr.1 je kombinovaný polotovar pre symetrické ťahanie pravého a ľavého výlisku výstuhy. Ľavá časť polotovaru na obrázku má hrúbku 1,2 mm, pravé časti 1 mm.

obr1
Obr.1: Kombinovaný polotovar ľavého a pravého výlisku výstuže

 

Na obr. 2 sú pravý a ľavý výlisok výstuže. Na ľavej časti výliskov sú prelisy zvyšujúce ich tuhosť, pravá strana má za úlohu absorbovať deformačnú energiu nárazu.

obr2
Obr. 2: Pravý a ľavý výlisok výstuže

 

Jednotlivé časti kombinovaných polotovarov sú spájané laserovým alebo plazmovým zváraním. Výhodou je malá šírka teplom ovplyvnenej oblasti a odstránenie rizika deformácie polotovarov [5]. Polotovary sa tak zvárajú kontinuálne, alebo je možné pripravovať tzv. engineering blanks polotovary vyrábané individuálne.
Príkladom sú vyššie uvedenej výstuže. Hlavnou úlohou zvarových spojov je dokonalo prenášať tvárniacu silu pri výrobe výliskov [6], [7].
Výrazné rozdiely ich vlastností kladú zvýšené nároky na hodnotenie tvárniteľnosti výliskov. Odlišné napäťovo deformačné vlastnosti, rozdielna hrúbka, orientácia zvarového rozhrania vzhľadom na pôdorysný tvar výťažku, tvar prístrihu, distribúcia pridržiavacieho tlaku okolo ťažnej hrany nástroja a zmena vlastností materiálu v teplom ovplyvnenej oblasti zvarového spoja kombinovaných polotovarov však negatívne ovplyvňuje tvárniteľnosť, tok materiálu pri pretvorení a polohu zvarového rozhrania [1].

Experiment
Experiment bol zameraný na sledovanie pohybu rôzne orientovaného zvarového rozhrania pri hlbokom ťahaní kombinovaného polotovaru s odlišnými napäťovo deformačnými vlastnosťami z ocelí BH220 a DP600 a kombinovaného polotovaru s rozdielnymi hrúbkami 1 a 1,2 mm z ocele TRIP690T.

Vlastnosti použitých ocelí
BH 220 – bake hardenable ocele sú nízko uhlíkové (do 0,08 % C) s prísadami Mn, Si, P, príp. Ti a Nb (tab.1) vytvrdzujúce sa deformačno-termickým starnutím pri povrchovej úprave karosérie vozidla vypaľovaním laku teplotami 150 – 200 °C. Napätie na medzi klzu stúpne o 30 – 70 MPa.
DP 600 – štruktúra dvojfázových (DP – Dual Phase) ocelí s chemickým zložením podľa tab.2, je tvorená feritickou matricou s malými časticami martenzitu. Štruktúra je získaná riadeným valcovaním alebo inter kritickým žíhaním s následným riadeným ochladzovaním nadkritickou rýchlosťou, ktorá zabezpečí požadované objemové podiely feritu a martenzitu.
Oceľ typu TRIP 690T má vyššiu koncentráciu uhlíka, mangánu a kremíka, ale nižší obsah chrómu a molybdénu (tab. 2) v porovnaní s oceľou DP600 a má lepšiu tvárniteľnosť.
Základné mechanické a pretvárne vlastnosti sú v tab. 3

tab1

Kombinované polotovary boli zvarené tupým zvarom pomocou pevnolátkového vláknového lasera IPG YLS-500 s maximálnym výkonom 5 kW, vlnovou dĺžkou 1060 nm a priemerom vlákna 100 μm prevádzkovým výkonom 1500 W, rýchlosťou zvárania 30 mm.s -1 a ohniskovou vzdialenosťou 250mm. Spoje boli zvárané bez použitia ochranného plynu. Orientácia zvarov na prístrihoch s tvarom optimalizovaným simulačným programom Dynaform je na Obr.3.

obr3
Obr. 3: Tvar, rozmery a poloha zvarového rozhrania na prístrihoch

 

Simulácia tvárniaceho procesu
Simulácia technologického procesu s dôrazom na pohyb zvarového rozhrania bola realizovaná univerzálnym nelineárnym dynamickým softvérom DYNAFORM 5.6.1, ktorý využíva implicitný prístup, ako aj explicitné dynamické metódy riešenia. Pozostáva z troch modulov – preprocesor, riešič (tzv. solver) a postprocesor [4],[6].
Riešičom v tomto softvérovom balíku je LS-DYNA. Realizuje statické aj dynamické časovo krátke deje so širokým rozsahom výpočtových algoritmov s rôznym prístupom definovania vlastností diskretizovaného mechanického kontinua. Výsledky sú spracované v 3D grafike [7],[8]. Riešič je doplnený databázou materiálových modelov. V prezentovanej analýze však boli použité manuálne zadané vlastnosti použitých materiálov určené mechanickými skúškami.

Model nástrojovej zostavy pre simuláciu
Geometria nástroja a polotovaru bola realizovaná v softvéri Catia V5 R19. Modelové plochy boli v igs importované do preprocesora LS-PrePost a následne „zmeshované“, t. j. zosieťované. LS-PrePost vygeneroval LS-DYNA kód obsahujúci informáciu o jednotlivých bodoch a elementoch. Ten bol následne pomocou hesla INCLUDE zahrnutý do výpočtu. Na obr.4 je zobrazená geometria nástroja v prostredí LS-PrePost.

obr4
Obr. 4: Model nástroja pre počítačovú simuláciu s priečne zvareným polotovarom (ťažník – modrá, ťažnica – červená, pridržiavač – sivá, kombinovaný polotovar – zeleno-žltá)

 

Podmienky experimentu 

Experimenty hlbokého ťahania boli uskutočnené v Ústave technológií a materiálov SjF STU na experimentálnom nástroji určenom na ťahanie jednoduchých výťažkov s obdĺžnikovým pôdorysom s rozmermi 120x80x40mm s pridržiavačom na hydraulickom dvojčinnom lise PYE 160 s konštantným pridržiavacím tlakom na začiatku experimentu (obr.5).

Parametre hydraulického lisu PYE 160
- menovitá sila: 1600 kN,
- prevádzkový tlak: 12,5 MPa,
- rýchlosť šmýkadla: 0,1 m.s-1,
- maximálny zdvih: 500 mm,
- vyhadzovacia sila: 320 kN,
- zdvih vyhadzovača: 160 mm,
- reálna ťažná rýchlosť 0,02 m.s-1,
- pridržiavací tlak 7,3 MPa.

Parametre nástroja
- obdĺžnikový ťažník 120 mm x 80 mm,
- ťažná medzera 1,55 mm v rohoch výťažku; 1,35 mm na rovných úsekoch výťažku,
- pridržiavač s vnútornými rozmermi 122,4 mm x 82,4 mm,
- zaoblenie čela ťažníka 8 mm,
- zaoblenie ťažnej hrany 8 mm,
- mazivo Wedolit N22 – 3N.

obr5
Obr. 5: Pracovisko, na ktorom boli realizované experimenty.

 

Výsledky a diskusia
Výťažky z ocelí BH220 a DP600
Pri analýze výťažkov na zvislých stenách bol pozorovateľný výrazný odklon zvarového rozhrania. Na obr. 6 a 7 je modrou farbou znázornená teoretická zvislá poloha a červenou reálna os nakloneného zvarového rozhrania.
Na výťažku z kombinovaného polotovaru s pozdĺžne umiestneným zvarom sa zvarové rozhranie nakláňalo na oboch protiľahlých stenách k časti tvorenej menej pevným, plastickejším materiálom BH220. Uhol sklonu rozhrania dosahoval hodnoty 4,08° (obr. 6). Na výťažku s priečnou orientáciou zvaru sa zvarové rozhranie naklonilo na stranu menej pevného a plastickejšieho materiálu o 2,77° (obr. 7). Rozdiel veľkosti odklonu zvarového rozhrania na výťažkoch s pozdĺžne a priečne umiestneným zvarom pri rovnomernom pridržiavacom tlaku je spôsobený rôznou dĺžkou zvarového rozhrania na dne výťažku a rôznou veľkosťou pridržanej plochy, ktorá je kolmá na zvarové rozhranie. Pomer dĺžok pozdĺžne a priečne orientovaných zvarov na dne výťažku je 120 mm/80 mm = 1,5 a pomer hodnôt odklonov týchto zvarov je 4,08°/2,77° = 1,47. Tok materiálu v rovných úsekoch je ovplyvnený pri konštantnom pridržiavacom tlaku veľkosťou pridržanej plochy. Keďže pri pozdĺžnej orientácii je menšia, zvarové rozhranie umiestnené pozdĺžne, podlieha väčšiemu odklonu na stranu plastickejšieho materiálu (obr. 6).

obr6a
obr6b
Obr. 6: Porovnanie experimentálneho a simulovaného pozdĺžne orientovaného zvarového rozhrania na výťažku (zelená – DP600, žltá – BH220)

 

Pri hlbokom ťahaní výťažkov z kombinovaných polotovarov z materiálov s odlišnými napäťovo-deformačnými vlastnosťami sa pohyb zvarového rozhrania najvýraznejšie prejavuje pri jeho diagonálnej orientácii. Pohyb a vytvorenie nežiaduceho cípu na drieku výťažku je závislý na polohe jednotlivých, pevnostne a deformačne odlišných častí vzhľadom na roh, resp. dlhšiu pridržanú časť výťažku.

obr7a
obr7b
Obr. 7: Porovnanie experimentálneho a simulovaného priečne orientovaného zvarového rozhrania na výťažku (zelená-DP600, žltá-BH220)

 

Na obr. 8 je ilustrácia pohybu zvarového rozhrania na dne hlbokého výťažku z ocelí BH220 a DP600 s vyznačenými cípmi v rohu na strane plastickejšej a menej pevnej ocele BH220.

obr8
Obr. 8: Poloha zvarového rozhrania na dne hlbokého výťažku z ocelí BH220 a DP600 s hrúbkou 1,2mm pred a po ťahaní.

 

Na obr. 9 je pohľad na dlhšiu časť výťažku tvorenú oceľou BH220. Do rohu je orientovaná časť tvorená oceľou DP600. Zvarové rozhranie je deformačne spevnenou, pevnejšou a menej tvárnou oceľou vytláčaná z miesta priestorového ohybu výťažku na stranu menej pevnej a plastickejšej ocele BH220. Vzhľadom na nemeniaci sa objem materiálu sa vytvoril cíp (zákon zachovania objemu).

obr9a
obr9b
Obr. 9: Výťažok z BH220 a DP600 a simulácia – pohľad zo strany BH220

 

Na obr. 10 je výťažok z rovnakého polotovaru s pohľadom zo strany pevnejšej a menej tvárnej ocele DP600. Do rohu je orientovaná časť tvorená menej pevnou a tvárnejšou oceľou BH220. V rohu výťažku dochádza k výraznému deformačnému spevneniu. Nie je však také výrazné, aby dokázalo odolať oceli DP600, ktorá zvarové rozhranie vytlačila do oblasti priestorového ohybu. Zároveň sa v rohu vytvoril výrazný cíp spôsobený zákonom zachovania objemu.

obr10a
obr10b
Obr.10: Výťažok z BH220 a DP600 a simulácia – pohľad zo strany DP600

 

Výťažky z ocele TRIP 690T
Na porovnanie boli analyzované výťažky z ocele TRIP690T s rozdielnou hrúbkou jednotlivých častí. Na obr. 11 je ilustrácia pohybu zvarového rozhrania na dne hlbokého výťažku s vyznačenými zvlneniami v rohu, kde je hrúbka plechu 1mm a ťažná medzera 1,55 mm a v rovnej časti, kde je ťažná medzera 1,35 mm.
Na obr. 12 je výťažok s pohľadom na stranu tvorenú polotovarom s hrúbkou 1,2 mm. Poloha zvarového rozhrania zodpovedá veľkosti pridržiavacieho tlaku a je potvrdená predtým vykonanými simuláciami [8]. Vzhľadom na veľkosť ťažnej medzery v rohu (1,55 mm) a hrúbku plechu sa nevytvoril cíp. Nedostatkom sú zvlnenia na časti tvorenej polotovarom s hrúbkou 1 mm v rohu a na kratšej časti výťažku (veľká ťažná medzera).

obr11
Obr. 11: Poloha zvarového rozhrania na dne hlbokého výťažku z ocele TRIP 690 T s hrúbkou 1,2mm a 1mm pred a po ťahaní.
obr12
Obr. 12: Výťažok z TRIP690T– pohľad zo strany hrúbky polotovaru 1,2mm

 

Na obr. 13 je výťažok s pohľadom na stranu tvorenú polotovarom s hrúbkou 1mm. Poloha zvarového rozhrania zodpovedá veľkosti pridržiavacieho tlaku a je potvrdená predtým vykonanými simuláciami. Zmena polohy nie je výrazná v porovnaní s predchádzajúcim príkladom (kombinácia BH220 a DP600). Vzhľadom na veľkosť ťažnej medzery (1,35 mm) a hrúbku plechu sa vytvorilo nežiaduce zvlnenie na pohľadovej strane výťažku.

obr13
Obr. 13: Výťažok z TRIP690T– pohľad zo strany hrúbky polotovaru 1 mm

 

Záver
Práca bola orientovaná na simulácie a experimenty tvárnenia kombinovaných polotovarov z materiálov s odlišnými napäťovo-deformačnými vlastnosťami, rovnakou hrúbkou a rovnakými napäťovo deformačnými vlastnosťami s rozdielnou hrúbkou, súčasne aj s rozdielnou orientáciou zvarového rozhrania vzhľadom na obdĺžnikový pôdorysný tvar experimentálneho výťažku.
Simulácie boli uskutočnené v softvéri Dynaform. Cieľom bolo manuálne editovať LS-DYNA kód tak, aby bola presnejšie definovaná geometria nástroja, kontakty polotovaru a nástroja, pohyb a zaťaženie funkčných častí nástroja. Výsledky simulácií boli porovnané s experimentmi z hľadiska orientácie, veľkosti pohybu a posunu zvarového rozhrania.
Experimenty slúžili na štúdium vplyvu polohy zvarového rozhrania a rozdielnych mechanických vlastností jednotlivých častí kombinovaných polotovarov na pohyb zvarového rozhrania a výsledný tvar výťažkov z hľadiska nežiaducej cípovitosti a zvlnení.
Pri tvárnení kombinovaných polotovarov s rôznymi napäťovo-deformačnými charakteristikami dochádza k výraznému odklonu zvarového rozhrania. Experimenty ukázali súvis medzi mierou jeho odklonu a dĺžkou zvaru na dne výťažku, resp. veľkosťou pridržiavanej plochy kolmej na zvarové rozhranie. Na rovných úsekoch ťažnice nie je tok materiálu brzdený tak, ako v zaoblených častiach. Čím je zvarové rozhranie na dne výťažku dlhšie a veľkosť pridržiavanej plochy kolmej na zvar menšia, tým dochádza k väčšiemu vychýleniu zvarového rozhrania na zvislej časti výťažku (Obr. 6, 7).
Poloha jednotlivých častí polotovaru a zvaru vplývala hlavne na polohu zvarového rozhrania, ale i na cípovitosť výťažku. Pri diagonálnom umiestnení zvaru bola cípovitosť a rozdielnosť polohy rozhrania najvýraznejšia.
Pri tvárnení kombinovaných polotovarov z rovnakého materiálu, ale s odlišnou hrúbkou nie sú výťažky tak citlivé na polohu zvarového rozhrania. Väčšiu pozornosť je potrebné venovať geometrii funkčných častí nástroja. Ťažná medzera ovplyvňuje vytvorenie zvlnení na výťažkoch v častiach s menšou hrúbkou plechu. Veľkosť ťažnej medzery musí byť diferencovaná.
Pri konštrukcii pôdorysne tvarovo zložitých výťažkov z kombinovaných polotovarov pre zrovnomernenie materiálového toku a odstránenie vzhľadových chýb je vhodné vyhnúť sa prítomnosti rozhrania v exponovaných miestach – rohoch. Ak sa tomu nedá vyhnúť, rozhranie treba orientovať nie tangenciálne, ale do stredu zaoblenia rohu výťažku. Pri tejto orientácii sa najmenej prejavia rozdielnosti vlastností materiálov kombinovaných polotovarov. Optimálnym sa javí vyriešenie stability polohy zvarového rozhrania použitím nástroja umožňujúceho riadenú distribúciu pridržiavacieho tlaku elastickou resp. segmentovanou pridržiavacou doskou s optimalizovanou veľkosťou pridržiavacieho tlaku.

TEXT/FOTO doc. Ing. Alexander SCHREK, PhD., a kolektív, Slovenská technická univerzita v Bratislave, Strojnícka fakulta, Ústav technológií a materiálov

Ďalší spoluautori: prof. Ing. Pavol ŠVEC, PhD., Ing. Alena BRUSILOVÁ, PhD., Ing. Zuzana GABRIŠOVÁ, PhD., prof. Ing Ernest GONDÁR, PhD.

Odborný príspevok recenzoval: doc. Ing. Harold MÄSIAR, CSc.; TUAD v Trenčíne, Ing. Ľubomír OLEXA, PhD.; TVIC, s.r.o., Prešov

Literatúra
[1] Kinsey, l., B. – Wu, X.: Tailor – welded blanks for advanced manufacturing. Woodhead publishing, ISBN 9780-85709-385-1, Cambridge, 2011, p. 208
[2] Evin, E. – Tomáš, M.: Laser welding impact on deformation properties of steels when used for car-body parts, MM Science Journal, 11, 2016, pp. 1 317 – 1 321
[3] Bílik, J. – Balážová, M. – Kršiaková, Ľ. – Šuba, R.: Analysis of deformation properties Duplex steel DP 450, Hutnícke listy 4, 2010, pp. 74 – 77
[4] Merklein M. – Johannes M. – Lechner M. – Kuppert A.: A review on tailored blanks – Production, applications and evaluation, Journal of Materials Processing Technology 214, 2014, pp. 151 – 164
[5] Bílik, J. – Šugárová, J. – Dřímal, D.: Analysis of properties and possibilities of forming of electron beam welded semi-finished parts from SAF 2507 superduplex steel, Hutnik No. 8, 2016, pp. 324 – 328
[6] Švec. P. – Schrek. A. – Csicsó, T. Fiber laser welding of dual-phase and bake-hardened steels, Strenght of Materials, Vol. 48, No. 4, 2016, pp. 481 - 486
[7] Sokolov M. – Salminen A. – Kuznetsov M. – Tsibulskiy I.: Laser welding and weld hardness analysis of thick section S355 structural steel. Materials and Design 32, 2011, pp. 5 127 – 5 133
[8] Wang, S. P. – Choudry, S. – Wertheimer, T.B.: Comparison Between the Static Implicit and Dynamic Explicit Methods for FEM Simulation of Sheet Forming Processes. White papers in MARC Corp., 1997

Poďakovanie
Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-0281-12. Príspevok vznikol s podporou Grantovej agentúry MŠ SR VEGA s registračným číslom 1/0394/16.