Mobilność, jaką znamy, nie istniałaby bez stali. Jednak coraz większa ilość podzespołów oraz układów elektronicznych w samochodach powoduje, że konstruktorzy znajdują nowe miejsca, w których oszczędzają na wadze pojazdów. Dzięki temu maleje zużycie paliwa i emisja CO₂. UE żąda, aby do 2015 r. wartość emisji samochodów danego producenta nie przekraczała 130 g na kilometr. Do roku 2022 r. wartość ta ma spaść jeszcze bardziej, bo do 95 g/km. Jednym ze sposobów osiągnięcia takich wyników jest obniżenie masy samochodów. Istnieje tutaj kilka możliwości. I tak, w ubiegłych latach producenci eksperymentowali z różnymi materiałami - do produkcji masowej wprowadzono tworzywa sztuczne i aluminium. Zjawisko to osiągnęło szczyt w 2013 r. w postaci BMW i3, pierwszego wielkoseryjnego samochodu, w którym prawie w ogóle nie ma stali. Nadwozie (livemodul) zbudowane jest z włókna węglowego, a podwozie (drivemodul) z aluminium.

Przystępna cena to wyzwanie
Mimo że producenci nadwozi sięgają po aluminium, magnez lub tworzywa wielowarstwowe oparte na włóknach (kompozyty), wszystkie te pomysły mają jedną wielka wadę w porównaniu do tradycyjnej stali: są drogie. A ponieważ ostatecznie auto ma mieć przystępną cenę, trzeba ze sobą pogodzić aspekty ekologiczne i ekonomiczne. Tutaj przemysł stalowy dostrzega wiele zalet. Po pierwsze, stal nie wyczerpała jeszcze swoich możliwości. Podczas gdy jeszcze w 2003 r. w wielu pojazdach stosowana była wyłącznie stal o średnich granicach plastyczności mieszczących się w zakresie 700 do 850 MPa, dzisiaj producenci używają przeróżnych rodzajów stali o granicach plastyczności na poziomie 1800 MPa, a w testach są już stale o wytrzymałości na poziomie 2000 MPa (tradycyjna stal St3 ma granicę plastyczności na poziomie 235 MPa i wytrzymałość na rozciąganie na poziomie 320 MPa).
Mimo tak poważnego rozwoju technologii stali szacuje się, że nowe generacje pojazdów nie będą już konstrukcjami czysto stalowymi. Droga prowadzi w kierunku projektowania nowych materiałów. Dla przykładu, tworzywa sztuczne wzmocnione włóknami, które coraz częściej pojawiają się na rynku, są drogie dlatego, ponieważ są jeszcze względnie rzadko stosowane, a także z powodu samego procesu produkcji. Poszycie stalowe tłoczy się w ciągu ułamków sekund, natomiast tworzywa sztuczne mają znacznie dłuższy cykl produkcyjny ze względu na ich utwardzanie w formach. Kiedy to się zmieni, koszty tych materiałów staną się bardziej konkurencyjne w stosunku do kosztów wytwarzania elementów stalowych.

Liczy się plastyczność
Co jeszcze sprawia, że stal jest interesującym materiałem dla przemysłu samochodowego? Na przykład wysoki moduł sprężystości, który powoduje, że w razie ewentualnych naprężeń nie pęka, tylko się właśnie odkształca. Aluminium jest co prawda lżejsze i sztywniejsze, ale w razie wystąpienia siły pęka.
Nie wolno też zapominać, że stal jest materiałem, który przez wiele lat dobrze się sprawdza w produkcji wielkoseryjnej. Dzisiaj istnieją trzy ważne czynniki, które decydują o znaczeniu stali w przemyśle motoryzacyjnym:
- materiał, z którego zbudowana jest karoseria, musi być wytrzymały,
- producenci samochodów potrzebują pewnego zakresu elastycznego odkształcenia, które nie jest oferowane na przykład przez aluminium,
- materiał musi być rozciągliwy, aby można było wyprodukować wymagane kształty elementów.
W związku z tym z jednej strony mamy pewien zakres odwracalnego odkształcenia, a z drugiej zakres plastyczności, którego nie mają inne materiały. Oba te obszary można na dodatek różnicować, stosując odpowiedni skład chemiczny stali oraz jej obróbkę cieplną.

Wytrzymałość można regulować
Paleta produktów przemysłu stalowego zaczyna się od stali o wydłużeniu przy zerwaniu sięgającym 45% i wytrzymałości na rozciąganie wynoszącej około 350 MPa, a najnowsze gatunki osiągają nawet 2000 MPa. Producenci samochodów używają tzw. stali dwufazowych w miejscach wymagających wysokiej wytrzymałości w przypadku zderzenia i określonego poziomu pochłaniania energii, np. w okolicy silnika, progów i bagażnika. W przypadku stali dwufazowych, dzięki obróbce termomechanicznej, wytrzymałość można precyzyjnie „ustawić“. Oznacza to, że materiał posiada różne wytrzymałości w poszczególnych miejscach. W produkcji materiał taki jest mocowany przy użyciu spawania laserem w połączeniu z klejeniem.
Stale dwufazowe są obecnie stosowane coraz szerzej, na przykład w częściach płaskich, takich jak błotniki czy maski silników, gdzie używa się coraz mniejszych grubości materiałów. Ponadto znacznie utwardzają się w miejscach przetłoczenia, co znacznie ułatwia „programowanie” wytrzymałości odpowiedniego elementu przez zastosowanie w procesie produkcyjnym jego przetłaczania. Nie zawsze w takim przypadku chodzi o wytrzymałość w trakcie wypadku. Coraz cieńsze poszycia sprawiają, że powstaje coraz większe ryzyko uszkodzenia go na przykład na skutek gradu. Tutaj oczywiście pożądane jest zachowanie elastyczności, to znaczy, że odkształcenie powinno leżeć poniżej granicy plastyczności, co oznacza, że mimo nastąpienia odkształcenia po na powierzchni nie będzie widać po nim śladu, ponieważ jego wielkość była mniejsza od granicy plastyczności.

Problemowe naprawy
Coraz lepsze gatunkowo stale to coraz większy problem podczas naprawy nadwozia. Największym problemem jest technologia łączenia elementów wykonanych ze stali wysoko wytrzymałej. Mimo że ciągle spotyka się samochody z nadwoziami wykonanymi ze standardowych elementów stalowych, to coraz więcej jest konstrukcji mieszanych, gdzie wykorzystuje się stale o normalnej wytrzymałości wraz ze stalami o zwiększonej wytrzymałości. Wtedy najważniejsze jest, aby ich łączenie wykonać w takiej samej technologii oraz w tym samym miejscu, co łączenie fabryczne. Problemem dla warsztatu jest jednak to, że nie dysponuje on technologią łączenia taką, jak producent.
Kolejnym wyzwaniem dla warsztatów blacharskich jest grubość samego poszycia. W przypadku standardowej grubości 0,7 mm możliwe jest wyklepanie wgniecenia, natomiast przy blachach o grubości 0,43 mm (już stosowanych) wyprodukowanych w technologii „bake hardening” prostowanie już jest niemożliwe. Wynika to z procesu produkcyjnego, w którym na wewnętrzną powierzchnię blachy nanoszona jest warstwa spieku, który jest utwardzany termicznie (proces podobny do emaliowania). Warstwa spieku powoduje znaczne utwardzenie blachy, jednak podczas naprawy czyni dany element zdolnym tylko do wymiany.

Coraz cieńsze blachy
Przemysł stalowy jest w stanie zredukować grubość blachy, ponieważ materiał ten wykazuje odpowiednio wysoki potencjał utwardzenia. Mimo to podczas klejenia mogą wyniknąć problemy, ponieważ uwidaczniają się miejsca klejenia. Jest to widoczne szczególnie w przypadku, kiedy sklejono ze sobą różne grubości blach. Wartością graniczną jest grubość 0,34 mm. Tak cienkie blachy nie są jeszcze stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, co może się jednak niedługo zmienić, ponieważ już dziś blachy o grubości 0,7 mm zastępuje się tymi o grubości 0,54 mm czy 0,43 mm.
Innym szczególnym gatunkiem stali jest stal tłoczona i hartowana. Producent samochodów otrzymuje blachę o określonej podstawowej wytrzymałości, ale proces tłoczenia przeprowadza on w podwyższonej temperaturze (nawet 960^oC). Po takim tłoczeniu stal jest studzona, co powoduje jej zahartowanie i zwiększenie wytrzymałości nawet do 1700 MPa. Wytrzymałość stali po hartowaniu zależy od jej składu chemicznego, temperatury nagrzewania przed tłoczeniem oraz od sposobu studzenia. Ważna jest tutaj szybkość studzenia oraz temperatury do których studzi się daną stal.
Elementy hartowane poddaje się też miejscowej obróbce cieplnej, co oznacza, że nie wszystkie miejsca się hartuje przez szybkie chłodzenie. Te miejsca nie mają tak dużej wytrzymałości, ale za to są skłonne do odkształceń. Inaczej jest w miejscu spawania, gdzie w zależności od szybkości chłodzenia samego spawu otrzymuje się różną jego wytrzymałość. I tak po spawaniu takiego elementu i pozostawieniu spawu, aby wystygł na wolnym powietrzu, miejsce łączenia się nie utwardza. W przypadku schłodzenia spawu tuż po spawaniu nastąpi jego przehartowanie, co w rezultacie doprowadzi do pękania spawu lub spawanej blachy tuż przy spawie.

Klejenie zamiast spawania
Jeżeli konwencjonalne metody łączenia termicznego nie skutkują, producent samochodów i warsztat mogą wybrać klejenie. Klej może połączyć materiały tak, że rezerwa w zakresie różnych rozszerzalności liniowych różnych materiałów zostaje zachowana. Rozszerzalności te mogą zostać bardzo dobrze skompensowane w przedziale od -50 do +90^oC.
Kolejnym ważnym kryterium klejów stosowanych w przemyśle samochodowym jest odporność na zderzenia. Klej nie powinien być najsłabszym miejscem w konstrukcji i nie powinien wpływać negatywnie na miejsca łączenia stali o zwiększonej wytrzymałości.

Różne warunki
Materiał stosowany do naprawy powinien spełniać te same wymagania, co materiał stosowany w produkcji seryjnej – mimo że warunki panujące w warsztacie często różnią się od tych w hali produkcyjnej. W przypadku klejenia warsztaty nie dysponują odpowiednimi dociskami, które mogłyby odpowiedni ustalić elementy klejone.
To wszystko sprawia, że konieczne jest zastosowanie do naprawy systemów pozwalających na stworzenie łączenia o wytrzymałości porównywalnej z fabrycznym, ale z wykorzystaniem innych niż fabryczne warunków, czyli docisków, a niekiedy samych klejów. Największymi zaletami klejenia jest brak obciążenia termicznego i wysoce jednorodny rozkład sił.
Nie wszystko jednak można skleić. Należy wziąć pod uwagę fakt, że nawet w nowoczesnych nadwoziach stosowane jest spawanie. Dla przykładu w Audi TT występuje 1287 połączeń spawanych. Zastosowanie spawarek wymaga wysokiego poziomu bezpieczeństwa procesu. Wskazana jest możliwość obsługi spawarki bez długiego wertowania instrukcji obsługi. A obsługa potrafi być skomplikowana, ponieważ napotyka się tutaj na różne szczegóły techniczne, takie jak chociażby systemy wysuwania drutu spawalniczego, które urozmaicają życie użytkownika. Do tego należy dodać sterowane programem parametry spawania, dostosowane do konkretnych napraw, jakie mają być wykonywane na pojeździe.
W przypadku zgrzewania rodzi się problem innej natury. Otóż, zgrzeina powstaje na skutek wytworzenia prądów wirowych w zgrzewanej blasze. Ze względu na częstotliwość dostarczanego napięcia prądy wirowe mają charakter prądów naskórkowych, powodując znaczne nagrzewanie się powierzchni blachy szczególne w miejscu styku elektrod. W zależności od grubości blachy dobierane są parametry prądowo-czasowe zgrzewarki, jednak nowe materiały wymusiły na producentach stosowanie odpowiednich programów zgrzewania.
Innym rozwiązaniem stosowanymi w zgrzewarkach jest dynamiczna regulacja procesu przez układ czujników w pistolecie. Czujniki mierzą grubość blachy oraz napięcie zgrzewania. Grubość blachy jest więc kontrolowana nie tylko przed zgrzewaniem, lecz także w trakcie. Oznacza to, że podczas zgrzewania bierze się pod uwagę głębokość zgrzeiny, a maszyna reguluje nacisk i prąd.

Konrad Wenz
Autor jest redaktorem czasopisma „kfz-betrieb“

 fot. „kfz-betrieb“