Vítězná práce 5. ročníku soutěže studentských prací „Cena Františka Egermayera“, vyhlašované Českou společností pro jakost, v kategorii disertačních prací.

(Příspěvek přijat k publikaci 27. 1. 2010.)

Práce, o níž tento příspěvek informuje a s jejímiž výsledky a přínosy čtenáře stručně seznamuje, se věnuje problematice spojování dílů z vysokopevné borem legované oceli technologií bodového odporového svařování při stavbě karoserií osobních automobilů. Byly provedeny materiálové rozbory základního materiálu vysokopevné oceli a heterogenních i homogenních svarů pomocí metod fraktografie, metalografie, mikrotvrdosti HVm a tahové pevnostní zkoušky. Pomocí metody DOE byl navržen experiment, jehož výsledky určily podíly vlivu jednotlivých parametrů procesu svařování a jejich interakcí na charakteristiky kvality spoje. Byla provedena analýza možných způsobů a důsledků závad (FMEA) svarových spojů a hodnocení způsobilosti daného procesu výroby.

 

Úvod: Současný stav studované problematiky

Význam vysokopevných ocelových plechů a bodového odporového svařování

 
Snížení spotřeby paliva bylo a je jedním z primárních úkolů automobilového průmyslu. Je tomu tak mj. proto, že při spalování paliv dochází ke vzniku emisí nežádoucích plynů (především CO₂). Existuje mnoho faktorů, které mohou ovlivnit spotřebu paliva u vozidel. Patří sem především celková hmotnost vozidla, účinnost motoru a převodů a  aerodynamika vozidla.

Z pohledu materiálového inženýrství čelíme nástupu „lehkých“ materiálů, jako jsou plasty, lehké kovy a  vysokopevné ocelové plechy. Vysokopevná ocel je dobrou odpovědí na dnes rychle se měnící požadavky automobilového průmyslu právě tam, kde je zapotřebí redukce hmotnosti vozidla při zachování vlastností pevnosti karoserie. Hmotnost karoserie představuje asi 25 % celkové hmotnosti hotového vozu [1].

Na druhou stranu, tyto vysokopevné materiály pomáhají výrobcům automobilů posílit pozici na trhu, když musí dennodenně čelit zvyšujícím se požadavkům legislativních standardů na pasivní bezpečnost při nárazu automobilu (crash testy). Záruky vyšší bezpečnosti však směřují ke zvětšování tlouštěk ocelových plechů a ke zvýšení počtu výztužných dílů, což vede k trendu zvyšování celkové hmotnosti karoserie.

Při konstrukci vozu je tedy současně kladen důraz na požadavky redukce hmotnosti vozu a zlepšení odolnosti proti nárazu. Z toho titulu je rozšíření užití vysokopevných ocelových plechů při stavbě karoserie vozu velmi důležité. Aplikace těchto materiálů nemá však za viditelný efekt pouze snížení hmotnosti vozidla, ale také zlepšení pohodlí a stability jízdy.

Bodové odporové svařování je dnes obecně nejčastěji používanou technologií při stavbě karoserie vozu u všech významných výrobců automobilů. Bodové odporové svary tvoří asi 90 % montáže karoserie vozu [7]. Kvalitní provedení technologie bodového svařování má u karoserií značný význam pro odolnost konstrukce vozu proti nárazu [8]. Proto se vlastní práce zabývá především svařitelností vysokopevných ocelových plechů technologií bodového odporového svařování.

Aplikace metod řízení kvality

Wei Li et al. [2] zkoumal chování nastavení parametrů procesu bodového odporového svařování pomocí metody Design of Experiments (DOE) podle G. Taguchiho. K tomuto účelu použil charakteristiku kvality S/N pro vyjádření robustnosti seřízení jednotlivých parametrů (resp. faktorů) procesu. Aby mohl posoudit vliv jednotlivých šumových faktorů, které se podílejí na variabilitě procesu, použil pro svůj experiment plán s klouzavým faktorem proudu a vnějším polem s řízeným nastavením šumových faktorů. Vnější pole bylo použito pro zjištění míry vlivu každého ze zvolených šumových faktorů zvlášť.

Ve vlastním experimentu byly posuzovány šumové faktory, které měly vliv na odezvu pevnosti, robustnosti či způsobilosti, hromadně standardním opakováním jednotlivých pokusů experimentu. Bylo tomu tak, protože pro vlastní experiment nebylo důležité znát vlivy konkrétních faktorů na odezvu, nýbrž bylo třeba určit celkový vliv všech šumových faktorů a zjistit, za jakých podmínek jej lze minimalizovat a snížit tak variabilitu na výstupu procesu.

Wei Li et al. ve své práci popisuje vzájemnou závislost jednotlivých parametrů procesu bodového odporového svařování. Tyto dílčí závislosti byly pozorovány i při vlastním experimentu a byly vysvětleny pomocí významných interakcí jednotlivých faktorů – viz dílčí výsledky provedených ANOVA.

Z provedených rešerší ohledně materiálových analýz bodových svarů byla pozornost práce zaměřena především na výzkumy, které provedli S. Aslanlar et al. [3, 4, 5] a Y. Zhang et al. [6, 7, 9]. V jejich pracích byly popsány experimenty svařování homogenních i heterogenních materiálů, byl přitom sledován proces opotřebení svářecích elektrod a především míra vlivu jednotlivých procesních parametrů bodového svařování na charakteristiky pevnosti v tahu a mikrotvrdosti jednotlivých oblastí svarů.

Aslanlar a Zhang však nekvantifikovali přesný podíl vlivu jednotlivých faktorů na uvedené charakteristiky kvality. Aslanlar uvádí, že nejdůležitějším parametrem při bodovém odporovém svařování dílů z klasických karosářských ocelí je parametr přítlačné síly elektrod.

Při vlastním experimentu byl faktor přítlačné síly pozorován jako velmi významný při posuzování pevnosti bodového svaru z pohledu interakce s faktorem svářecího proudu. Bylo zjištěno, že faktor přítlačné síly elektrod má poměrně velký vliv na pevnost bodového svaru, pouze pokud je nastaven faktor svářecího proudu na nízkou úroveň uvnitř svého pracovního rozsahu. U dané aplikace heterogenních materiálů (heterogenních především z hlediska rozličných mechanických a strukturních vlastností) byl u procesu bodového svařování při vlastním experimentu vyhodnocen jako nejdůležitější faktor času svařování. Tento faktor měl největší podíl na výsledné pevnosti svařených bodů.

Při analýze možných způsobů a důsledků závad (FMEA) bylo ve vlastní práci postupováno dle zkušeností vlastních a zkušeností údržby a svářecích technologů svařovny automobilového závodu. Hodnocení rizik jednotlivých závad na základě jejich závažnosti, pravděpodobnosti výskytu a jejich odhalitelnosti během procesu výroby odpovídá provozu svařovny automobilového závodu.

Vypočtená způsobilost procesu, které bylo dosaženo při svařování vzorků vlastního experimentu, se blíží způsobilosti, kterou dosahuje provoz sériové výroby karoserií, protože byl při svařování aplikován postup dle příslušných automobilových standardů. V automobilovém závodě je však nutno počítat s větší mírou vlivu různých šumových faktorů a poněkud větší variabilitou na výstupu procesu bodového svařování, než tomu bylo při laboratorních podmínkách vlastního experimentu.

 

1  Cíle vlastní práce

 

Hlavním cílem práce byla analýza interakce parametrů procesu bodového odporového svařování a materiálu daných dílů B-sloupku z vysokopevné borem legované oceli. Pomocí zvolené metodiky materiálových analýz bylo třeba provést studium vlastností předmětných typů základního materiálu dílů i jejich vliv na svařitelnost v relaci k řízení parametrů technologie spojování. Podrobné materiálové analýzy bylo nutné zaměřit především na konkrétní charakteristiky kvality daného materiálu a tyto experimentálně vyhodnotit v míře jejich vlivu při aplikaci různých nastavení svářecích parametrů na kvalitu vyrobených svarů.

Jedním z nosných záměrů vlastní práce bylo experimentální stanovení vhodných technologických parametrů svařování pro zabezpečení požadovaných kritérií kvality bodových odporových svarů. Návrh režimu experimentálního svařování a metodiky hodnocení výsledků bylo nutné založit na konkrétních podmínkách z hlediska praktické aplikovatelnosti v relaci k zavedeným normativním požadavkům. Bylo třeba se zaměřit na kombinace materiálů, kterých se užívá ve stavbě karoserií. Standardně se přitom svařují nejvíce kombinace plechů z vysokopevných a nízkopevných ocelí.

Oba typy vysokopevných ocelových plechů, které jsou v praxi používané, jsou z hlediska svařitelnosti různorodé zejména rozdíly v kvalitě povrchové úpravy. 

Vzniká tak heterogenní svarový spoj, kde predikci materiálové odezvy na teplotní a napěťové pole bylo nutné opřít o strukturní a fázové analýzy obou variant ocelí za působení zvolených extrémních hodnot technologických parametrů. To určuje požadavky na definici rozptylu hodnot v rámci realizovaných experimentů.
Pro vyhodnocení konkrétních podílů vlivu na vybrané charakteristiky kvality spoje bylo třeba aplikovat několik k  tomuto účelu vhodných metod řízení kvality.

Cílem bylo provedení návrhu a realizace experimentu pomocí metody DOE.

Pro kvantifikaci způsobilosti procesu svařování dílů z vysokopevné oceli bylo třeba vzhledem k jednostrannosti předepsaných specifikací aplikovat výpočet indexu způsobilosti C_pk.

Jako stěžejní charakteristika hodnocení experimentu bylo stanoveno kritérium statické pevnosti. Komplexní vyhodnocení zahrnuje rovněž další ukazatele kvality svarů (průměr svarového bodu aj.). Zde bylo nutné vzít v  úvahu návaznost na možnosti provozních hodnocení a závažnost konkrétních ukazatelů kvality. Cílem bylo provést návrh optimálních parametrů procesu bodového odporového svařování a vyhodnotit přitom podíly vlivů těchto parametrů a jejich možných interakcí.

Dalším záměrem práce bylo provést analýzu možných způsobů a důsledků závad (FMEA), která umožňuje hodnocení rizik u bodových svarů, a zpracovat výsledky uvedené metody formou stručného katalogu vnitřních i vnějších vad, které mohou u bodových svarů nastat během procesu spojování dílů z vysokopevné oceli. Přehled vad umožní transparentní rozhodování při řízení daného procesu svařování.

 

2  Použité metody

 

V práci byly použity metody materiálových analýz i metody pro hodnocení kvality zkoumaných bodových odporových svarů vysokopevných ocelových plechů dodaných dílů B-sloupku.

Při rozborech fyzikálních, chemických a mechanických vlastností materiálu byly aplikovány metody fraktografie, chemické spektrální EDX analýzy, metalografie, měření mikrotvrdosti HVm a statické tahové zkoušky střihem. Pro identifikaci vybraných mikromechanizmů byla použita rastrovací elektronová mikroskopie a energiová difrakční mikroanalýza.

Pro hlubší poznání daného procesu a jeho řízení byly použity metody DOE, FMEA a určení způsobilosti procesu svařování.

3  Výsledky aplikace metod řízení kvality

Analýzou dat (ANOVA – viz tab. 1) získaných po provedení experimentu metodou DOE bylo zjištěno, že na zkoumanou charakteristiku kvality průměru svarového bodu (dP) má největší účinek nastavení parametru, resp. faktoru času svařování. Tento procesní parametr je třeba v provozu svařovny řídit (regulovat) účelně a velmi citlivě. Ostatní parametry je možné podřídit jiným prioritám než pevnostním a mohou být nastaveny na své provozně ekonomické úrovni.

 

 

Podobné výsledky hodnocení významnosti jednotlivých procesních parametrů byly získány při ANOVA charakteristiky S/N při zkoumání robustnosti. Bylo zjištěno, že šumové/neregulovatelné faktory procesu bodového odporového svařování dílů z vysokopevné oceli mají nejmenší podíl vlivu právě při nastavení regulovatelných faktorů na úrovně, které dávají vyšší hodnoty pevnosti svarových bodů.

U způsobilosti daného procesu se nejvíce projevuje účinek interakce regulovatelných faktorů proudu a času svařování (ANOVA viz tab. 2). Z hlediska variability pevnosti spojů v rámci tolerancí je nelze kombinovat jinak než v měkkém nebo tvrdém režimu. Je nutné nastavovat vždy buď velký čas (B₂) a malý proud (A₁), nebo velký proud (A₂) a malý čas (B₁) – viz graf 1. Kombinace malého proudu a malého času nebo opačná má za následek rapidní snížení způsobilosti (C_pk) celého procesu bodového svařování dílů z vysokopevné oceli.

 

      

FMEA heterogenních bodových svarů ukázala, že prioritním rizikem daného procesu je závada žádné nebo malé svarové čočky, jejímž důsledkem je nedostatečně držící spoj. Nedostatečně držící spoj je důsledkem velmi závažným, který je nutné už z principu řešit, protože by mohlo dojít v mezních případech k ohrožení bezpečnosti posádky vozu. Nejčastější pravděpodobnou příčinou této závady může být aplikace parametru času svařování v  nedostatečné úrovni. Závada žádné nebo malé svarové čočky je v současném provozu sériové výroby karoserií řízena/kontrolována několika způsoby zkoušení s různou četností v čase. Výsledná tabulka FMEA je uvedena ve vlastní práci.

Z aplikace výše uvedených metod řízení kvality a materiálových analýz plynou principiální informace o tom, jak je možné za provozu sériové výroby regulovat a řídit proces bodového odporového svařování dílů z vysokopevné borem legované oceli tak, aby byl minimalizován výskyt nežádoucích materiálových vad a aby výsledná pevnost spojů, robustnost nastavení parametrů a způsobilost procesu byly co možná nejlepší.

 

Vlastní přínos práce a závěry

 

V práci byla zkoumána aplikace technologie bodového odporového svařování na úzkou skupinu materiálů vysokopevné oceli legované borem.

Jedná se o specifický proces výroby, který je dnes v automobilovém průmyslu široce aplikovaný a zahrnuje řadu aktuálních podnětů pro výzkum, který v této oblasti není dosud uzavřen. V dostupné literatuře nebylo jednoduché najít již dříve řešené studie, které by se zabývaly uvedenou problematikou svařitelnosti vysokopevných borem legovaných ocelí. Bylo nutné pracovat s podklady výrobců daných materiálů a konzultovat se svářecími technology.

Právě z výše uvedených důvodů bylo téma vlastní práce zadáno. Přínosy této práce jsou založeny na reálném základě a jednotlivé závěry jsou plně aplikovatelné v praxi výrobců automobilů.

Hlavním přínosem uvedené práce je provedení materiálových analýz základního vysokopevného materiálu dodaných dílů a jejich heterogenních i homogenních bodových svarů. Byly přitom zkoumány znaky nekvality, které vznikaly buď inherentně vlivem konkrétní kvality základního materiálu vysokopevné oceli během etap výroby, nebo byly během procesu spojování laboratorně nasimulovány vhodným nastavením svářecích parametrů.
Pomocí metody DOE byly zjištěny principiální mechanismy, které určují kvalitu bodových svarů při aplikaci na uvedený materiál. Byla kvantifikována míra vlivu šumových/neregulovatelných faktorů i konkrétních regulovatelných faktorů na charakteristiky kvality – pevnost bodových svarů, robustnost nastavení regulace a  způsobilosti procesu bodového odporového svařování. Díky uvedené metodě byl určen i způsob řízení míry výskytu jednotlivých vnějších a vnitřních vad spoje.

Metodou FMEA byly kvantifikovány priority – které závady jsou pro daný proces svařování dílů z vysokopevné oceli v provozu svařovny důležité a na které je třeba se zaměřit.

Na základě určených priorit je zřejmé, kterými parametry a jak je možné daný proces řídit, aby bylo dosaženo požadované kvality svarů. Tyto požadavky se mohou v čase měnit v rámci příslušných norem.

Vybrané výsledky práce mohou být věcným příspěvkem k cílenému a účelnému řízení procesu bodového odporového svařování vysokopevných ocelí v podmínkách výrobce automobilů.

Vlastní metodika práce je obecně aplikovatelná také na hodnocení svařitelnosti jiných kombinací svařovaných vysokopevných ocelí, než které byly hodnoceny právě v této práci.

Literatura:

[1]  Shimizu T., Funakawa Y., Kaneko S.: "High Strength Steel Sheets for automobile Suspension and Chassis Use – High Strength Hot-Rolled Steel Sheets with Excellent Press Formability and Durability for Critical Safety Parts". JFE GIHO No. 4, 2004, 22–27
[2]  Wei Li, S. Jack Hu, Shao-Wei Cheng: "Robust Design and Analysis for Manufacturing Processes with Parameter Interdependency". J. of Manufacturing Systems, 21 (2002) No. 2, 93-100
[3]  Aslanlar S., Ogur A., Ozsarac U., Ilhan E., Demir Z.: "Effect of welding current on mechanical properties of galvanized chromided steel sheets in electrical resistance spot welding". Materials and Design 28 (2007), 2–7
[4]  Aslanlar S.: "The effect of nucleus size on mechanical properties in electrical resistance spot welding of sheets used in automotive industry". Materials and Design 27 (2006), 125–131
[5]  Aslanlar S., Ogur A., Ozsarac U., Ilhan E.: "Welding time effect on mechanical properties of automotive sheets in electrical resistance spot welding". Materials and Design 29 (2008), 1427–1431
[6]  HongGang Yang, YanSong Zhang, XinMin Lai, Guanlong Chen: "An experimental investigation on critical specimen sizes of high strength steels DP600 in resistance spot welding". Materials and Design 29 (2008), 1679–1684
[7]  Zhang Xiaoyun, Chen Guanlong, Zhang Yansong, Lai Xinmin: "Improvement of resistance spot weldability for dual-phase (DP600) steels using servo gun". J. of Materials Processing Technology  209 (2008), 2671-2675
[8]  Marashi P., Pouranvari M., Amirabdollahian S., Abedi A., Goodarzi M.: "Microstructure and failure behavior of dissimilar resistance spot welds between low carbon galvanized and austenitic stainless steels". Materials Science and Engineering A 480 (2008), 175–180
[9]  Zhang X. Q., Chen G. L., Zhang Y. S.: "Characteristics of electrode wear in resistance spot welding dual-phase steels". Materials and Design 29 (2008), 279–283

---

Autor:
Ing. Vlastimil Kapsa, Ph.D., působí na katedře dopravních prostředků a diagnostiky Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice. Za svoji disertační práci, o které tento příspěvek stručně informuje, získal v roce 2009 Cenu Františka Egermayera, udělovanou Českou společností pro jakost.

Kontakt: vlastimil.kapsa@upce.cz