Автомобили

Конструкция и восстановления элементов пассивной безопасности автомобиля (кузовов) из высокопрочной тонколистовой стали

1. Материалы, используемые для изготовления кузова автомобиля

Перед каждым автомобилестроителем остро стоит вопрос снижения массы автомобиля. В ближайшие годы снижать вес автомобиля обязательно потребуется хотя бы потому, что почти во всех странах уже вводятся налоги на автомобиль в зависимости от расхода топлива и выбросов СО2 (двуокиси углерода). Выбросы СО2 прямо пропорциональны расходу топлива автомобиля: чем меньше расход топлива, тем меньше выбросов двуокиси углерода. Масса автомобиля оказывает самое непосредственное влияние на расход топлива и содержание СО2.

При снижении массы автомобиля необходимо учитывать не только требования по расходу топлива (снижение эмиссии СО2), но и требования безопасности, защиты окружающей среды (токсичные выбросы, уровень внешнего шума), долговечности (защита от коррозии, интервалы техобслуживания), комфорта и другие. Законодательные и потребительские требования по снижению расхода топлива и токсических выбросов — это две главные причины того, что снижение снаряженной массы автомобиля становится одним из важных и решающих критериев оценки совершенства конструкции. Существенные резервы снижения веса автомобиля заключаются в использовании новых материалов, в частности легких металлов и сплавов, таких как высокопрочная сталь, алюминий и магний, составляющие в сумме около 70 % всей массы автомобиля.

В качестве кузовной стали до недавнего времени использовали обычные марки, т.е. углеродистые сорта листовой стали, обладающие оптимальной штампуемостью.

Стальные листы имеют сравнительно низкую себестоимость, легко ремонтируются, вытягиваются и гнутся без образования трещин, хорошо поглощают энергию удара при столкновении, обеспечивая безопасность водителю и пассажирам. К недостаткам стальных листов можно отнести их массу. Вследствие этого большой интерес представляют высокопрочные стали, которые позволяют снизить массу деталей (за счет уменьшения толщины) примерно на 25 % по сравнению с обычными сталями. Высокопрочные стали имеют предел прочности от 210 МПа и выше.

Что означает термин «высокопрочный стальной лист»? Прочностные характеристики стального листа — предел прочности при растяжении, сопротивление разрушению, предел упругости, — обычно зависят от марки стали. Главным отличительным признаком высокопрочного стального листа является повышенный предел текучести при растяжении по сравнению с обычными марками. Судить о способе обеспечения высокого предела текучести данной стали можно по обозначению, которое часто бывает производным от английского или немецкого термина:

  • HSLA (англ. High Strength Low Alloy — высокопрочная сталь с легирующими добавками);
  • HSS (англ. High Strength Steel — высокопрочная сталь);
  • MHZ (нем. Mikrolegierte Höherfeste Ziehgute — легированная высокопрочная прокатанная сталь).

Легированная сталь. Сталь, содержащая очень малые количества (сотые доли процента) легирующих добавок: ниобия NB и титана Ti.

Рефосфатированная сталь. При ее изготовлении сначала полностью извлекают фосфор, который ухудшает свариваемость, а затем повышают уровень прочностных свойств за счет введения минимального (до 0,1 %) количества фосфора.

Двухфазная сталь. Повышение прочности за счет образования мартенсита может быть реализовано в два этапа: первый из которых состоит в затвердении смешанного кристалла в результате принудительного растворения атомов углерода, на втором этапе отверждение достигается благодаря дефекту кристаллической решетки, возникающему в процессе мартенситного превращения.

Термически упрочненная сталь (англ. Bake Hardening Steel термическое упрочнение стали). Эффект упрочнения (повышения предела текучести при растяжении) стального листа, насыщенного углеродом, достигается благодаря повторному нагреванию при 170 °С около 30 мин. Термическая обработка осуществляется в процессе отверждения краски при горячей сушке окрашенной поверхности кузова.

Упрочнение за счет формования — необходимое упрочнение стального листа обеспечивается вальцеванием материала. Любое деформирование стали, в том числе и формование на валках, вызывает упрочнение материала. Однако чем выше качество проката листовой стали, тем более хрупкой она становится, в связи с чем для упрочнения кузовной стали данный способ не подходит.

2. Особенности восстановления кузовов из высокопрочной стали

Учитывая, что кузов является остовом и несущей частью ТС, на которой размещены другие системы пассивной безопасности, а также некоторые части систем активной безопасности, необходимо рассмотреть восстановление кузовов, изготовленных из современных материалов.

Правка панелей кузова из высокопрочной стали. В академии DEKRA («Союз работников технического надзора за автомобильным транспортом Германии») были проведены исследования, цель которых состояла в сравнении особенностей восстановления кузова, изготовленного из высокопрочной и обычной листовой стали. Исследователи оценивали время, необходимое для устранения дефектов, и качество восстановления. Кроме того, проводился сравнительный анализ объема повреждений обычной и высокопрочной кузовной стали. В качестве объекта исследования использовали

новые двери, которые подвергали деформированию практически в одинаковых условиях, в результате чего они получали следующие повреждения: небольшие вмятины (лунки), вдавленные места и углубления в виде полос. Результаты измерений заносились в протокол. Толщина кузовной стали составляла 0,7 и 0,8 мм. Измерение параметров всех образцов проводили до и после деформирования.

Наибольшая разница в поведении разных марок стали обнаружена в результате обмера углублений в виде полос: отклонение от первоначальной конфигурации для обычной кузовной стали толщиной 0,8 мм составляло около 10 мм, в то время как для панели из высокопрочной листовой стали аналогичной толщины оно не превышало 2,0 мм. Столь существенная разница возникла из-за низкой способности к деформации использованной в опытах высокопрочной, рефосфатированной, термически упрочненной стали с пределом текучести при растяжении, достигающим 260 Н/мм2. Дефекты устраняли, используя обычные инструменты: молотки, контропоры, рихтовочные подложки, чеканы и т.д. Сначала производили грубую правку (вытягивание и выстукивание наиболее глубоких дефектов), затем тонкую рихтовку посредством молотка с остроконечной рабочей поверхностью, контропоры обтекаемой формы с насечкой и алюминиевого разглаживающего молотка, а в заключение осуществляли окончательную отделку с помощью напильников и шлифовальной машинки. Работа считалась законченной, если поверхность была окончательно подготовлена к окрашиванию. Время, необходимое для восстановления двери из высокопрочного листового материала толщиной 0,8 мм, составляло не более 55 % от средней продолжительности восстановления аналогичной двери с панелью из обычной стали. При снижении толщины листовой стали до 0,7 мм этот показатель возрастал до 80 %. Сокращение времени восстановления следует объяснить меньшей глубиной дефектов дверей с панелью из высокопрочного материала. Преимущество высокопрочной стали в меньшей степени проявляется при более сильном повреждении дверей, т.е. в этом случае для исправления дефекта требуется приложить более значительное усилие, вследствие чего может произойти разрушение материала. Кроме того, возрастает упругая отдача, в связи с чем правка листа требует нанесения более сильных и точных ударов рихтовочного молотка.

Восстановление формы кузова из высокопрочной листовой стали. Восстановление формы поврежденного кузова из высокопрочной стали, обладающей повышенной деформационной жесткостью, требует создания большего, чем для обычной стали, усилия. Если сильно растянуть кузовной металл, его длина скачкообразно возрастет и станет большей, чем требуется. Необходимость более сильного растягивания металла кузова означает создание более высокого усилия. Вследствие этого переходные места стыков деталей из обычного материала к высокопрочному также подергаются более высоким напряжениям. Обычный стальной лист в таком месте может потерять прочность, прежде чем деталь из высокопрочного материала примет желаемую форму. В связи с этим необходимо создавать дополнительное крепление в неповрежденной зоне детали из высокопрочного материала перед переходным местом.

При восстановлении формы сильно поврежденного кузова очень велик соблазн облегчить работу за счет разогрева металла.

Отдельные детали кузова (рис. 1), изготовленные из высокопрочной листовой стали, при температуре около 400 °С настолько существенно утрачивают прочность, что теряют жесткую форму, характерную для деталей из обычной стали. Поэтому восстановление этих деталей с нагревом сварочной горелкой при температуре до 400 °С приводит к значительной потере прочностных свойств. В связи с этим форму деталей из высокопрочной кузовной стали следует восстанавливать при более низких температурах. Если сделать это не удается, то деформированную деталь лучше заменить. Предписываемое «холодное» восстановление формы справедливо и для обычной кузовной стали. Хотя температура, при которой в этом случае начинаются структурные превращения, и составляет около 740 °С, тем не менее визуальное определение цветов побежалости затруднительно. По соображениям безопасности нагревание не допускается и для восстановления формы кузова из обычной листовой стали.

Детали кузова, изготовленные из высокопрочной листовой стали

Рис. 1. Детали кузова, изготовленные из высокопрочной листовой стали: 1 — боковой передний щиток; 2 — капот; 3 — порог; 4 — усилители туннеля для карданного вала; 5 — переднее крыло; 6 — нижний боковой передний щиток; 7 — усилитель бампера

Сварко-пайка высокопрочных сталей. Новая технология MIG-пайка (Metal-Inert-Gas, также иногда называется сварко-пайкой) применяется для соединения высокопрочных сталей автомобильных панелей кузова, в том числе оцинкованных. Этот способ применяется для многих новых автомобилей марок Audi, Citroёn, Opel, Toyota, Volkswagen.

Высокопрочные стали обладают высокой жесткостью благодаря термической обработке. При обычной сварке полуавтоматом температура сварочной ванны составляет 1500…1600 °С, что приводит к изменениям характеристик соединяемых металлов и, как следствие, прочности конструкции кузова. При этом происходит испарение и выгорание цинка в силу разницы физических свойств основного металла и металла покрытия (температура плавления цинка 420 °C, температура кипения цинка 907 °C, а стали — соответственно 1450…1520 °C и 2700 °C). Образующиеся в сварочной ванне пары и оксиды цинка приводят к появлению пор, шлаковых включений, трещин и крайне нестабильному горению электрической дуги. Защитный слой гальванического покрытия в месте сварного соединения разрушается, поэтому в большинстве случаев после сварки необходимы дополнительные затраты на повторную антикоррозионную обработку участков поверхностей в зоне сварных швов.

Сварка-пайка осуществляется твердым припоем и происходит в среде инертного газа (аргона). В качестве припоя (присадочного материала) применяются проволоки, близкие по химическому составу сварочной проволоке для сварки меди и ее сплавов, с температурой плавления от 800 до 1000 °C. Газ защищает дугу, расплавленный припой и кромки деталей от воздействия окружающего воздуха. Сам процесс прост и применим в условиях восстановления кузова. Благодаря более низкой температуре плавления припоя (приблизительно 1000 °C) диффузия металлов не происходит, а вследствие относительно небольшой температуры сохраняются первоначальные свойства соединяемых сталей. Сварка-пайка практически исключает деформацию соединяемых листов. Благодаря более низкой температуре плавления припоя происходит минимальное выгорание цинка во время пайки (цинк плавится при 419 °C, испаряется при 906 °C). Полученный шов имеет высокую устойчивость к коррозии. Проволоки для пайки сделаны из сплава на основе меди с добавками кремния (CuSi3) или алюминия (CuAl8). Припой вступает в соединение с цинком, в результате получается шов с высокими антикоррозионными свойствами. Образующееся паяное соединение обладает более высокой, по сравнению со сварной низкоуглеродистой сталью, механической прочностью, которая примерно равна прочности латуни.

Кроме оцинкованной листовой стали, MIG-пайка позволяет соединять черную и нержавеющую листовые стали и их комбинации. Сварка-пайка может выполняться с помощью синергетических сварочных аппаратов для импульсно-дуговой сварки (рис. 2).

Синергетический сварочный аппарат

Рис. 2. Синергетический сварочный аппарат

Возможность программировать наложение электрических импульсов на основной сварочный импульс в этих аппаратах позволяет управлять процессом переноса электродного металла в ванну расплавленного припоя, а также дозировать количество теплоты, что позволяет не перегревать металл.

В режиме синергетической сварки напряжение сварки контролируется синергетическим током. Баланс дуги — это параметр, который определяет, какую поправку по напряжению надо внести в значение, определенное синергетическим током.

Баланс напряжения дуги позволяет настраивать длину дуги и таким образом оптимизировать различные сварочные режимы для различной толщины свариваемого материала. Баланс дуги также может применяться для компенсации напряжения дуги в условиях использования другой газовой смеси, не указанной в синергетической библиотеке машины.

3. Особенности окрашивания кузова из высокопрочной листовой стали

Некоторые производители автомобилей для изготовления наружной панели капота и дверей используют высокопрочный стальной лист. Сушка таких деталей кузова после окраски имеет свои особенности. Если высушить окрашенную поверхность высокопрочной листовой стали с помощью инфракрасного нагревателя, на наружной поверхности появится множество маленьких вмятин (лунок), как после «бомбардировки» мелким градом. Причину этого можно пояснить на примере капота. Он состоит из жесткой рамной профилированной конструкции, к которой в нескольких точках приварена наружная панель (рис. 3, а). При одностороннем резком нагреве тонкого листового металла происходит его растяжение и он стремится выгнуться наружу, однако места сварки препятствуют полному выгибанию (рис. 3, б). Быстрый нагрев инфракрасным нагревателем с подачей большого количества теплоты за короткое время вызывает очень сильное растяжение листовой стали в краевых зонах точек сварки (пики местных напряжений). Затем происходит внезапное натяжение материала, однако небольшие углубления в местах сварки сохраняются. После охлаждении панель в целом возвращается в первоначальное положение, однако это не касается указанных краевых зон: они остаются в деформированном состоянии и выглядят как вмятины, оставленные градом (рис. 3, в).

схема температурной деформации наружной панели капота

Рис. 3. Принципиальная схема температурной деформации наружной панели капота: а — исходное холодное состояние (1 — усиливающий элемент; 2 — точка сварки; 3 — панель; 4 — инфракрасный нагреватель); б — стадия нагревания; в — панель после охлаждения

Учитывая особенности поведения металла высокопрочной листовой стали, сушку его следует выполнять в указанной ниже последовательности.

Инфракрасный нагреватель мощностью 3,2 кВт надо держать на расстоянии не менее 400 мм от поверхности кузова (если мощность выше, то минимальное расстояние — 450 мм), поверхность кузова следует нагревать равномерно, медленно повышая мощность потребляемой нагревателем электроэнергии. Скорость нагрева не должна превышать 10 °С/мин.

Сушить отдельный элемент кузова из высокопрочной листовой стали, не вызывая его деформации, можно в сушильной камере при температуре около 60 °С. Возможная незначительная деформация исчезает при охлаждении.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *