Požadovaný tvar získajú elementy objemovým tvárnením za studena. Na optimalizáciu tvárniaceho procesu a geometrie funkčných častí tvárniaceho nástroja, umožňujúcu použiť len jednu tvárniacu operáciu, bola zvolená simulácia v prostredí softvéru ANSYS. Výsledky simulácií troch navrhnutých spôsobov tvárnenia boli porovnané s prietlačkami vyrobenými na laboratórnych nástrojoch. Vyhotovené REW spoje vybraných kombinácií materiálov boli podrobené makroskopickej analýze.

* * * * *
Jednou z nových metód spájania plechov z materiálov metalurgicky nespojiteľných (Al-Fe, Plast-Fe) je Resistance Element Welding (REW) [1], [2]. Metóda REW je určená na výrobu preplátovaných spojov. Princíp spočíva v ohreve spojovacieho elementu medzi spájanými plechmi odporovým ohrevom a vytvorenie spájkového spoja. Na spájanie je možné využiť štandardné technické vybavenie (zváracie kliešte), určené na bodové odporové zváranie (RSW) oceľových plechov.
* * * * *

Na zabezpečenie požadovaných mechanických vlastností REW spoja je dôležitá správna voľba geometrie a rozmerov spojovacieho elementu, ako aj chemické zloženie materiálu na jeho výrobu. Pri spájaní ocele s hliníkom tak dôjde k prispájkovaniu konca spojovacieho elementu k oceľovému plechu, pričom hliníkový plech je v spoji viazaný iba mechanickým zaklinením. Spojovací element môže byť vyrobený z Al zliatiny.
Spojenie je zo strany pozinkovaného oceľového plechu (natavenie spojovacieho elementu plní funkciu spájky), aj zo strany hliníkového plechu – medzi spojovacím elementom a plechom celom obvode vznikne tavný zvarový spoj. Problémom je tvorba rozstreku hlavy spojovacieho elementu zhoršujúceho funkčné aj estetické vlastnosti spoja. Ďalším riešením je použitie bimetalického spojovacieho elementu, kde materiál plášťa má vyššiu teplotu tavenia, ako jadro. Pri voľbe materiálovej kombinácie bol navrhnutý plášť tvorený rúrkou z Cu 99,9 % s Ø4 mm a hrúbkou steny 0,5 mm. Jadro tvorí spájka Sn60Pb. Rúrka vyplnená spájkou tvorí polotovar, ktorý je delený na dĺžku 11 mm pre požadovaný rozmer elementu podľa obr. 1.

Obr. 1: Spojovací element pre REW

Na výrobu spojovacieho elementu bolo zvolené objemové tvárnenie za studena. Tvorba hlavy sa môže realizovať viacerými spôsobmi. Snahou bolo použiť taký spôsob, ktorý umožní dosiahnuť požadovaný tvar na jednu tvárniacu operáciu bez vzniku vnútorných defektov [3]. Čelo hlavy bude ploché podľa obr. 2a, konkávne pod uhlom +10° obr. 2b, alebo konvexné pod uhlom -10° obr. 2c.

Obr. 2: Tvary hláv spojovacích elementov

Na obr. 3 je REW spoj s výraznými vadami spojovacieho elementu v podobe výrazných preložiek [4]. V spájke sa objavili tiež póry, ktoré sú však metalurgickým problémom a nie sú predmetom tohoto príspevku. Tvorba preložiek bola riešená voľbou rôznej geometrie lisovníka, usmerňujúceho tok materiálu, ako aj vzájomným pohybom jednotlivých častí – polotovaru a nástroja pri tvorbe hlavy [5]. Pôvodný proces využíval ubíjanie. Pri navrhovanom a overenom procese sa pohyboval polotovar proti lisovníku tvoriaceho hlavu elementu. Na overenie navrhovaných zmien bola použitá simulácia v softvéry ANSYS a praktické experimenty [6], [7].

Obr. 3: REW spoj kombinácie plast-oceľový pozinkovaný plech s defektami spojovacieho elementu v podobe preložiek

Materiály spojovacieho elementu
Ako okrajové podmienky pre simuláciu tvorby hlavy elementu okrem modelu geometrie nástroja boli použité napäťovodeformačné charakteristiky oboch materiálov bimetalického prietlačku. Boli určené statickou skúškou v ťahu na stroji INSTRON 1195 a uvedené v tab. 1.

Tab. 1: Napäťovodeformačné vlastnosti materiálov spojovacieho elementu

Simulácia technologického procesu
Na simuláciu napätí, pretvorení bimetalu, celkových pretvorení a vzhľadu prietlačku bol použitý softvér ANSYS 18.2. Okrajovými podmienkami okrem geometrie nástroja, napäťovodeformačných vlastností materiálov boli: rýchlosť pohybu polotovaru (tvárnenia) v = 2,67 mm/s; súčiniteľ trenia f = 0,1; mashing – veľkosť elementu = 0,25 mm, teplota T = 20°C, definovanie rozhrania bimetalu funkciou Rough. Model nástroja pre simuláciu technologického procesu je na obr. 4. Vytvorenie hlavy je spôsobené pohybom spodného lisovníka a polotovaru nahor.

Obr. 4: Model nástrojovej zostavy s polotovarom pre simuláciu

Veľkosť a rozloženie vzniknutých napätí pri vytváraní hlavy elementu je zdokumentovaná na obr. 5. Na dokonalé vyplnenie dutiny lisovnice v spodných rohoch hlavy sú podľa simulácie potrebné napätia do 2 250 MPa. V simuláciách sa neprejavili náznaky vzniku preložiek a rozloženie napätí je osovo symetrické. Priebeh síl pre jednotlivé tvarové alternatívy v závislosti na zdvihu a čase je na obr. 6.

Obr. 5: Rozloženie a veľkosť napätí v priereze prietlačku pre jednotlivé tvarové alternatívy

Obr. 6: Priebeh napätí pri tvárniacom procese pre jednotlivé tvarové alternatívy

Veľkosť a rozloženie vzniknutých pretvorení bimetalu elementu pri vytváraní hlavy je zdokumentovaná na obr. 7. Najväčšie pretvorenie je v mieste najväčšej zmeny prierezu. Pretvorenie plášťa (stenčenie a zhrubnutie hrúbky steny) Cu rúrky korešponduje so zmenami prierezu.

Obr. 7: Priebeh pretvorení bimetalu pri tvárniacom procese pre jednotlivé tvarové alternatívy

Veľkosť a rozloženie celkových pretvorení určené simuláciou tvárnenia spojovacieho elementu pri vytváraní hlavy je zdokumentovaná na obr. 8. Najväčšie pretvorenie je v mieste najväčšej zmeny prierezu – hlavy prietlačku. Keďže sa priemer drieku nemení, jeho celkové pretvorenie je nulové.

Obr. 8: Celkové pretvorenia pri tvárniacom procese pre jednotlivé tvarové alternatívy

Experimenty
Spojovacie elementy boli tvárnené na nástroji s vymeniteľnými lisovníkmi tvarujúcimi čelo hlavy na hydraulickom lise DP1600 pri maximálnej tvárniacej sile 25 kN. Rezy prietlačkov boli podrobené makroskopickej analýze s dôrazom na pretvorenie plášťa, tvorbu preložiek a celkovú symetrickosť. Na obr. 9 sú makrá rezov spojovacích elementov. Prietlačky a b sa vyznačujú dobrou symetrickosťou, len malým náznakom tvorby preložky. Prietlačok c vplyvom výraznejšej preložky mal väčšiu nesymetrickosť. V porovnaní s úvodnými experimentami využívajúcimi tvárnenie hlavy ubíjaním je však aj tento tvar akceptovateľný. Náznaky preložiek boli spôsobené nepresnosťou čelnej plochy polotovarov, ktorá nebola ideálne kolmá na smer pôsobenia tvárniacej sily a rovnobežná s čelnými plochami horného a spodného lisovníka.
Zaujímavosťou je štruktúra spájky. Nevyznačuje sa textúrou po tvárnení, ale dendritickou štruktúrou. Vznikla pri výrobe vzoriek pre makroskopickú analýzu lisovaní do plastu pri teplote cca 190°C. Na štruktúre spájky sa prejavila prekryštalizácia.

Obr. 9: Makroskopická analýza rezov spojovacích elementov

Záver
Pri vytváraní nemetalurgických preplátovaných spojov materiálov plechov v kombinácii Al-Fe alebo plast-Fe je vhodnou metódou REW (Resistance Element Welding). Spoj je vytvorený prostredníctvom spojovacieho elementu, nie zváraním, ale spájkovaním a tým znížením tepelného ovplyvnenia spoja. Experimenty ukázali, potrebu riešiť spojovací element bimetalický. Eliminoval sa tým problém rozstreku materiálu spojovacieho elementu zhoršujúce funkčné i estetické vlastnosti spoja.
Pri výrobe spojovacích elementov bolo snahou vytvoriť produkt s minimom vnútorných vád v podobe necentrickosti spájky a plášťa a taktiež výrazných preložiek plášťa Cu rúrky negatívne ovplyvňujúcich proces spájkovania. Spojovacie elementy sú vyrobené z polotovaru tvoreného tenkostennou Cu rúrkou vyplnenou Sn60Pb spájkou.
Na vytvorenie hlavy je možné použiť niekoľko spôsobov objemového tvárnenia za studena. Zvolený a simuláciou bol potvrdený jednooperačný technologický postup, eliminujúci problém so vzpernou tuhosťou „voľnej“ časti polotovaru spôsobujúcej tvorbu nežiaducich preložiek.
Na simuláciu v softvéry ANSYS 18.2 boli požité napäťovodeformačné parametre materiálov bimetalu určené mechanickými skúškami. Súčasťou simulácie bol nástrojový model s rôznou geometriou časti tvoriacej hlavu elementu. Získané výsledky simulácie aj experimentov potvrdili správnosť návrhu technologického postupu. Bude využitý v produkčnom združenom postupovom nástroji, slúžiacom na delenie polotovaru na rozmer a výrobu spojovacieho elementu. Navrhnutá a overená metóda výroby bimetalických prietlačkov bude použitá i pre iné rozmery výrobkov a iné materiály spájky napr. SnZn9.

Literatúra
[1] MESCHUT, G. – SCHMAL, Ch. – OLFERMANN, T.: Process characteristics and load-bearing capacities of joints welded with elements for the application in multi-material design. Welding in the World. 2017. vol. 61, no. 3, pp. 435-442.
[2] MESCHUT, G. – HAHN, O. – JANZEN, V. and OLFERMANN, T.: Innovative joining technologies for multi-material structures. Welding in the World. 2014. vol. 58, no. 1, pp. 65-75.
[3] KHOSRAVIFARD, A. – EBRAHIMI, R.: Investigation of parameters affecting interface strength in Al/Cu clad bimetal rod extrusion process. Materials & Design. 2010. vol. 31, no. 1, pp. 493-499.
[4] QAMAN, S.Z. – PERVEZ, T. – CHEKOTU, J.Ch.: Die Defects and Die Corrections in Metal Extrusion. Metals. 2018. vol. 8, no. 6, art. No. 380.
[5] KAZANOWSKI, P. – EPLER, M.E. – MISIOLEK, W.Z.: Bi-metal rod extrusion – process and product optimization. Materials Science and Engineering: A. 2004. vol. 369, no. 1-2, pp.170-180.
[6] HAGHIGHAT, H. – MAHDAVI, M.M.: Analysis and FEM simulation of extrusion process of bimetal tubes through rotating conical dies. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2013. vol. 23, no. 11, pp. 3392-3399.
[7] ZHENG, P.F. – CHAN, L.C. – LEE. T.C.: Numerical analysis of the sheet metal extrusion process. Finite Elements in Analysis and Design. 2005. vol. 42, no. 3, pp. 189-207.

TEXT/FOTO doc. Ing. Alexander SCHREK, PhD., Ing. Alena BRUSILOVÁ, PhD., prof. Ing. Pavol SEJČ, PhD., Ing. Ondrej ŠAUŠA, STU Strojnícka fakulta, Ústav technológií a materiálov
Odborný príspevok recenzovali: Ing. Renáta KOZMOVÁ; Messer Tatragas, Ing. Miroslav SAHUL, PhD.; STU Bratislava, MtF Trnava