Обзорный анализ сварочной технологии в производстве автомобилей

АННОТАЦИЯ

В статье дается обзорный анализ различных сварочных технологических процессов сварки, применяемых не только при производстве автомобилей но и в восстановительных работах при их эксплуатации. На основе анализа делаются выводы о недостатках и преимуществах технологических процессов сварки, указываются резервные возможности  улучшения качества сварочных швов, а также отмечается необходимость создания базы по подготовке высоко квалифицированных специалистов в этой области.

ABSTRACT

The article provides an overview of the various welding processes used not only in the manufacture of automobiles but also in restoration work during their operation. Based on the analysis, conclusions are drawn about the disadvantages and advantages of welding processes, the backup opportunities for improving the quality of welds are indicated, and the need to create a base for training highly qualified specialists in this field is noted.

Ключевые слова: сварка, технологические процессы, сварочный шов, лазерная, контактная, плазменная, электродуговая сварка, автомобилестроение, зазорообразование, дефекты, преимущества.

Keywords: welding, technological processes, welding seam, laser, contact, plasma, electric arc welding, automotive industry, gap formation, defects, advantages.

Технологический процесс сварки является одним из важным этапом обработки металла во всех отраслях народного хозяйства. Основной задачей сварочной технологии является получение неразъёмных соединений по свойствам подобных цельным материалам. Это достигается путем приближения по свойствам сварного соединения к свариваемому металлу.

С каждым годом не только в нашей Республика, но и во всем мире растет производство и продажа автомобилей. В связи с этим увеличивается и объём производственных, ремонтных и восстановительных работ. В автомобилестроении на всех этапах производства и восстановления работоспособности автомобилей одним из главных процессов является обработка металлов, т.е. резка, давление, термообработка, сварка и другие. В этом плане особое значение имеет сварочное дело.

Сварка-это процесс соединения различных металлических материалов путем местного нагрева свариваемых поверхностей до температуры плавления (сварка плавлением) или пластичного состояния (сварка давлением). В зависимости от материала и конструкции детали, а также характера повреждения, сварку производят холодным (без нагрева детали) полугорячим (с местным нагревом) или горячим (нагрев всей детали) способами.

Холодный способ сварки применяют для большинства стальных и чугунных деталей небольших размеров и несложной конфигурации.

Полугорячий способ сварки используют для восстановления чугунных деталей более сложной конфигурации.

Горячий способ применяют, главным образом для чугунных деталей сложной формы  (блоков, картеров, корпусов и др.) у которых вследствие возникновения тепловых напряжений в процессе сварки возможно образование трещин  или коробление. Поэтому равномерный нагрев и медленное охлаждение после сварки способствуют уменьшению тепловых напряжений.

В настоящее время ведутся целенаправленные работы по совершенствованию процесса и повышения качества сварки во всех отраслях народного хозяйства. Конечно, и в автомобилестроении, также одной из важнейших задач является повышение качества сварных швов путем уменьшения коробления деталей при сварке и повышение прочности сварных швов. Это достаточно сложная задача, поскольку многие детали автомобилей имеют сложную геометрию. При сварке в металле образуются зоны разогрева и полностью избежать усадок и короблений металла практически невозможно. В связи с этим ведутся работы по улучшению качества как сварочных работ, так и наплавочных сварочных электродных металлов. Ниже нами рассмотрены различные сварочные процессы применяемые как при производстве, так и при эксплуатации автомобилей.

Одним из основных направлений новых технологических разработок является сварка без предварительного подогрева свариваемых деталей и их последующей термообработки. А новые методы сварки требуют новых сварочных материалов. Несмотря на это в результате мы должны получить однородный шов с соединяемыми деталями.

Важное значение в производстве сварочного дело имеет вид и толщина применяемого металла. Толстолистовый металл используется для транспортных средств; тонколистовая сталь и алюминий для кузовных деталей легковых автомобилей; высокопрочные и беспосадочные стали для пассажирских салонов автобусов. В конструкции современных автомобилей все больше используются легкие и прочные материалы, которые при сохранении высокой прочности позволяют значительно снизить вес машины. Как известно, снижение веса деталей в конечном итоге позволяет существенно уменьшить расходы горючего и даже себестоимость автомобиля. Наиболее целесообразным в этом плане для автомобилестроения являются сплавы алюминия, меди, магния и других легких элементов. Такими образом, проблема получения высококачественных сварных соединений однородных и разнородных деталей из легкого сплава является актуальной задачей.[3,4]

В настоящее время достигнуты определенные достижения в сварочном хозяйстве, поскольку решением этой проблемы занимаются не только научно-исследовательские и производственные предприятия, но и различные отечественные и зарубежные фирмы собственных концернов.

Так, передовые автомобильные концерны БМВ, Ауди, Мерседес, Тойота и другие проводят работы не только по широкому применению облегченных конструкционных материалов, но и используют методы сварки трения с перемешиванием.

Промышленное применение также нашли следующие способы сварки: горячим газом; контактным нагревом, трением, высокочастотная и ультразвуковая сварка. Выбор способа сварки обуславливается природой металла, конструкцией соединяемых деталей, требованиями сварному соединению, условиями работы изделия, а также необходимой производительностью.

На ряду с другими наибольшее применение имеют такие способы соединения конструкционных материалов, как контактная, точечная и шовная сварки. Такие методы сварки применяются в массовом производстве из-за высокой производительности и качества соединений.

На рис-1 показана классификация процессов электроконтактной сварки, являющейся наиболее важным процессоми контактной сварки, используемой на производстве

Рисунок 1. Классификация процессов электроконтактной сварки

При выполнении точечной сварки электрический ток подается на определенные места соединяемых частей, что обеспечивается местный нагрев и переводит металл в пластическое или расплавленное состояние затем, при приложении давления эти части соединяются между собой.

В производстве автомобильного транспорте также применяется сварка в среде защитного газа вольфрамовым электродом . (рис-2). В этом процессе электрическая дуга поддерживается между свариваемыми деталями и жестким неплавляющимся вольфрамовым электродом.

Рисунок 2. Принципиальная схема сварки с вольфрамовым электродом в сфере инертного газа

В этом процессе электрическая дуга поддерживается между свариваемыми деталями и жестким неплавящимся вольфрамовым электродом. В качестве защитного газа применяется аргон или гелий. Электрическая дуга образуется между плавящимся концом пруткового электрода (подаваемого в зону сварки) и свариваемыми деталями под флюсом.

Для элементов кузовов, рам мотоциклов, сидений и выхлопных систем используются легкие материалы, которые свариваются посредством WIG-процесса небольшим количеством подводимого тепла. Это обеспечивает хорошее качество шва и гладкость. В случае особо тонкого места можно воспользоваться   плазменной сваркой или пайкой.

В зависимости от объемов производства и сварочной задачи в автомобилестроении используются ручной, частичное или полностью механизированный сварочный процесс. В этом плане AVICOR BINZEL разработал надежные в производстве ручные и роботизированные сварочные горелки как для лазерной, так и для плазменной сварки.

Как известно, ремонтные работы требуют частую смену позиций и производятся обычно ручной сваркой. Поэтому для таких работ применяют легкие, прочные и подвижные горелки.

В автомобилестроении на современном этапе наблюдается тенденция к выбору легковесных и алюминиевых деталей. Учитывая высоких расходов на персонал и дефицита квалифицированных кадров по сварке основными тенденциями в отрасли автомобилестроения становятся механизированный и автоматизированный сварочные процессы.

В мировом опыте крупных автомобильных концернов находит широкое применение на ряду с другими и лазерная сварка. Лазерная сварка и пайка не только улучшает конструкционные характеристики автомобиля и внешний вид сварного шва, но и сокращает время технологических циклов. Однако внедрение новых технологических процессов в поточное производство связано с применениям новых конструкционных материалов с изменениями как в проектной документация, так и в технологических процессах с последовательным проведением большего количество испытаний и согласований. Этим и объясняется то, что от первого появления идей до внедрения новой технологии в поточные линии могут пройти годы. Такие трудности испытывают и крупные мировые концерны, в этом плане, даже и Российские автогиганты отстают от мировой практики несмотря на то, что в мировом опыте автомобилестроения начали использовать лазерные технологии сварки.

Лазерные технологии в автомобильной промышленности используют для: раскроя на стадии заготовки детали, лазерная маркировка деталей; сварка и пайка. Лазерная сварка и пайка в основном применяются в следующих процессах, указанных в таблице1. [6]

Таблица 1.

Процессы, в которых применяется лазерная сварка и пайка

Следует отметить что приведенные в таблица-1 данные не являются ограничением места приложения сварки. Лазерная сварка и пайка может быть примерена и на других конструктивных частях автомобиля.

Основным способом сварки элементов кузовов автомобилей является точечная контактная сварка, которая имеет ряд достоинств, также как возможность обеспечения автоматизации и механизации самого процесса сварки, обеспечивает высокую производительность сварки. Однако, при формировании сварной точки к электродам прикладывается значительное давление, которое с одной стороны улучшая качество сварки, с другой может привести появлению напряжений (рис.3) и нежелательных зазоров между соединяемыми элементами, щелей и даже могут привести к нарушению проектной геометрии[2,4]

Рисунок 3. Образование дефектов при контактной сварке

F_св-площадь давления при сварке. F_е –площадь возникновения напряжений, Z-зазорообразование

Таким образом, анализ технологии сварочного процесса показывает, что в производстве автомобильного транспорта, так и при его эксплуатации применяется широкий круг сварочного комплекса, среди которых наибольшее массовое применение имеет сварка давлением т.е электроконтактная точечная и другие однотипные виды сварки. Однако, все вышерассмотренные виды сварочных процессов вместе со своими прогрессивными достоинствами имеют также и свои резервные зоны для дальнейшего улучшения качества, как сварочной технологии, так и оборудования. На ряду с этим требуется создать широкий круг работ по подготовке высококвалифицированных специалистов сварочного процесса с одновременным снижением производственных расходов.

Список литературы:

1. Лупачев В.Г. Общая технология сварочного производства М. Высшая школа 2011-288с
2. Рыжков. Г.Л., Хазов. Б.Ф, Отказы и предельное состояние технологического оборудования сварки кузовов в массовом производстве автомобилей. Сварка в машиностроении и приборостроении 2007.Ю №10 С.14-24.
3. Томас. К.И, Илященко Д.П., технология сварочнего производств Томск.ТПУ.2011й. 247с
4. Фетисов Г.П. Сварка и пайка в авиационной промышленности № Юрайт, 2018, 229с.
5. Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс ]. – режим доступа: Window edu.ru>resource (дата обращения 10.09.2020)
6. Industrial laser solution [Электронный ресурс]. – режим доступа: https://www.industrial-lasers.com/(дата обращения 09.09.2020)