DIMI. Università degli studi di Brescia. Dipartimento Ingegneria Meccanica e Industriale. Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale

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1 Componenti strutturali per telai automobilistici: problematiche metallurgiche di assemblaggio e finitura Andrea Panvini, Giovanna Cornacchia, Michela Faccoli DIMI Dipartimento Ingegneria Meccanica e Industriale Università degli studi di Brescia

2 L ALLUMINIO NEI TRASPORTI Caratteristiche come la riduzione di peso e la resistenza alla corrosione dell alluminio hanno sempre raccolto grande interesse.

3 L ALLUMINIO NEI TRASPORTI Caratteristiche come la riduzione di peso e la resistenza alla corrosione dell alluminio hanno sempre raccolto grande interesse.

4 QUALI SONO I DRIVER DI SVILUPPO DEL SETTORE AUTOMOTIVE? Costi di produzione Consumi energetici Emissioni nocive (polveri e nocivi) Emissione di CO2

5 Tutto ciò si traduce in Ridurre le masse in movimento

6 Quanto «paga» alleggerire un auto? Accelerazione, handling Sicurezza, frenata Riduzione delle sollecitazioni Riduzione di peso: 100Kg Risparmio di 0,3-0,5 l/100 Km Riduzione di peso: 100Kg Minore emissione di CO2: 8-11 g/km Cortesia AUDI AG

7 Ridurre le masse in movimento (Predicare bene e razzolare male )

8 Ridurre le masse in movimento Impiego di Leghe leggere

9 Impiego strutturale delle leghe leggere Cortesia AUDI AG

10 Impiego strutturale delle leghe leggere Cortesia AUDI AG

11 Il telaio di un autovettura Cortesia AUDI AG

12 Il telaio di un autovettura Getti in Alluminio Profilati estrusi in Alluminio Lamiere in Alluminio Cortesia AUDI AG

13 Evoluzione del telaio ESTRUSI Cortesia AUDI AG

14 Evoluzione del telaio LAMIERE Cortesia AUDI AG

15 Evoluzione del telaio GETTI Hpdc-Lpdc conchiglia-sabbia Cortesia AUDI AG

16 Cosa succede ad un componente in lega di alluminio durante la sua vita? Come si dimensiona? Sollecitazioni: meccaniche: statiche, dinamiche, cicliche termiche in esercizio: temperatura di lavoro Progettazione e dimensionamento del componente Proprietà meccaniche riportate da normativa. In funzione delle proprietà in temperatura. Affidandosi a coefficienti di sicurezza abbondanti.

17 Trattamenti termici differenziati in funzione delle caratteristiche richieste: Massimizzare l assorbimento di energia in caso di urto: elevato allungamento Massimizzare le caratteristiche tensili: elevati carichi di snervamento e rottura

18 QUELLO CHE SI TENDE A TRASCURARE (o che spesso si ignora ) Storia termica che subirà il componente durante la sua vita: Vita del componente Transitori termici: Permanenze in temperatura: Assemblaggio e finitura Saldatura: Incollaggio: Verniciatura:

19 ANDANDO A FONDO SULL ARGOMENTO Durante l assemblaggio del telaio e la produzione della vettura, tali componenti sono sottoposti a: INCOLLAGGIO STRUTTURALE: utilizzando adesivi che necessitano di essere portati a temperature elevate ben definite e per tempi stabiliti al fine di polimerizzare correttamente. VERNICIATURA: 4 stadi di verniciatura (foresi, fondo, PVC, smalto) ognuno dei quali deve passare una fase di cottura per tempi e temperature ben precise. SALDATURA: tecniche di saldatura ad elevato apporto energetico: accumulo e dissipazione localizzata di calore.

20 PROBLEMA N 1 LA FINITURA: Cosa succede alle proprietà meccaniche dei materiali durante le fasi di assemblaggio e finitura?

21 Monitoraggio del passaggio nei forni di verniciatura con sistema di acquisizione multicanale. tempo/temperatura nel forno Esempio di tracciato industriale. Schematizzazione del processo Temperatura [ C] Tempo [min.] INCOLLAGGIO Forno di cataforesi Forno deposizione fondo VERNICIATURA Forno deposizione PVC Forno deposizione smalto

22 MATERIALI Campioni ottenuti tramite colata in conchiglia di una lega di alluminio B356 Elemento Alluminio Silicio Magnesio Rame Ferro Manganese Titanio Zinco Rem % in peso Prove di durezza: Campioni piani (da dissezione di getti) t=2,4-6mm Campioni piani colati a parte, t=3mm Prove di trazione: Campioni cilindrici colati a parte, d=10mm Campioni piani colati a parte, t=3mm

23 TRATTAMENTO TERMICO Tempra di solubilizzazione seguita da invecchiamento condotto variando i parametri di tempo e temperatura in modo tale da ottenere diversi bilanciamenti di resistenza meccanica e duttilità ALTO ALLUNGAMENTO MEDIO ALLUNGAMENTO BASSO ALLUNGAMENTO TRATTAMENTO TERMICO T6 SOLUBILIZZAZIONE TEMPRA INVECCHIAMENTO t T mezzo T t raffreddament T t raffreddamento [ C] [min] o [ C] [min] [ C] [s] 540±5 360 Acqua <17 150± ±5 360 Acqua <17 155± ±5 360 Acqua <17 165±5 250 * Trattamenti eseguiti secondo best practice industriali

24 TRATTAMENTO TERMICO ALTO ALLUNGAMENTO MEDIO ALLUNGAMENTO BASSO ALLUNGAMENTO Tempra di solubilizzazione seguita da invecchiamento condotto variando i parametri di tempo e temperatura in modo tale da ottenere diversi bilanciamenti di resistenza meccanica e duttilità Rp0,2 [N/mm2] TRATTAMENTO TERMICO T6 Target Caratteristiche meccaniche* Rm [N/mm2] A [%] HB * Su provette piatte di dissezione

25 SIMULAZIONE DI FINITURA: DUREZZA Durezza crescente per tutti i livelli di allungamento analizzati Variazione crescente all aumentare del livello di allungamento Annullamento della differenziazione tra allungamenti

26 SIMULAZIONE DI FINITURA: Evoluzione delle proprietà durante la finitura

27 FINITURA REALE: Evoluzione delle proprietà durante la finitura Campioni di trazione piatti, t=3mm T6 Alto Allungamento Ciclo reale di finitura Diverse posizioni nel corpo vettura (pos 1-4 altezza crescente) T6 Posizione 1 Posizione 2 Posizione 3 Posizione 4 Verniciatura simulata media ± media ± media ± media ± media ± media ± s p02 [MPa] s R [MPa] A (%)

28 FINITURA REALE: Evoluzione delle proprietà durante la finitura Campioni di trazione piatti, t=3mm T6 Alto Allungamento Ciclo reale di finitura Diverse posizioni nel corpo vettura (pos 1-4 altezza crescente) T6 Posizione 1 Posizione 2 Posizione 3 Posizione 4 Verniciatura simulata media ± media ± media ± media ± media ± media ± s p02 [MPa] s R [MPa] A (%)

29 FINITURA REALE: Evoluzione delle proprietà durante la finitura

30 FINITURA REALE: Evoluzione delle proprietà durante la finitura

31 PROBLEMA N 2 LA SALDATURA: Giunzione di leghe con proprietà chimico fisiche molto differenti (Estrusi+Getti+Lamiere) Riempimento di GAP considerevoli e variabili (0-4mm) Necessità di penetrazioni elevate del cordone Spessori sottili a bassa inerzia termica NECESSITA DI RIDURRE IL PIU POSSIBILE L ALTERAZIONE TERMICA DEI MATERIALI DI BASE NUOVE TECNOLOGIE

32 Determinazione dell estensione della ZTA Geometria semplice, saldatura di testa con gap zero. Tre tipologie di accoppiamenti tra materiali Tre tipologie di tecnologie Fuso-Fuso Fuso-Estruso Estruso-Estruso

33 CMT: Cold Metal Transfer Distacco della goccia controllato dalla retroattività meccanica dell elettrodo mentre la corrente è quasi nulla Conseguente riduzione di apporto termico

34 Il LASER in fibra ASPETTI INNOVATIVI: semplificato un sistema molto complesso e massimizzato il rendimento utilizzo della testa Wobbling

35 Caratterizzazione metallografica MIG CMT LASER F-F E-F E-E

36 Mappatura delle caratteristiche meccaniche mediante misurazione della durezza Laser CMT MIG Laser e CMT forniscono minor apporto termico Componente realizzato per fusione soggetto a crollo delle proprietà

37 CONCLUSIONI: I processi di finitura cui vengono attualmente sottoposti i telai sono in grado di alterare sensibilmente le proprietà meccaniche dei componenti assemblati. I processi di assemblaggio tradizionali (Saldatura MIG) possono alterare significativamente le proprietà meccaniche dei componenti.

38 FOLLOW-UP: Si rende quindi necessario: In fase di finitura: mettere a punto cicli differenti low-temp A livello metallurgico: sviluppare leghe più stabili In fase di trattamento termico: Sviluppare trattamenti più stabili nelle temperature di interesse Sviluppare processi «integrati» di trattamento termico A livello di metodi di giunzione: sviluppare adesivi a bassa temperatura di reticolazione e metodi di saldatura a basso apporto energetico.