la riparazione degli acciai altoresistenziali

LA RIPARAZIONE DEGLI ACCIAI
ALTORESISTENZIALI
Aspetti tecnici
Negli ultimi 10 anni la resistenza a trazione degli acciai strutturali è triplicata. Si parla di acciai altoresistenziali se il carico
di snervamento è inferiore a 310 MPa, di ultra-altoresistenziali se arriva ad almeno 450 MPa. Gli acciai altoresistenziali
hanno peso specifico paragonabile a quello degli acciai tradizionali.
Le proprietà meccaniche degli acciai altoresistenziali dipendono dai silicati di fosforo e di manganese, presenti in piccole
quantità, e dal bassissimo tenore di carbonio.
Gli acciai HSLA (Alta resistenza - microlegati) hanno grani di dimensioni ridotte, quindi alta resistenza e ottima formabilità
a freddo.
Gli acciai multifase hanno un rapporto formabilità/snervamento ancora migliore, poiché nella struttura di base, molto
tenace, sono incorporate altre fasi d’alta durezza (ad esempio gli acciai DP (Dual Phase) contengono un 5÷20% di
martensite dispersa in ferrite. La resistenza aumenta durante la lavorazione.
Il Trip (Trasformation induced plasticity) è un acciaio con limite di snervamento superiore a 700 MPa, il quale contiene
molta austenite residua che, quando intervengono deformazioni, si trasforma in martensite: otteniamo elevatissima
resistenza a fatica e buona deformabilità.
Gli acciai altoresistenziali col tempo subiscono un degrado delle loro caratteristiche: non è possibile stoccarli per periodi di
tempo troppo lunghi. Per quanto riguarda la rigidità e la fatica, il comportamento è del tutto analogo a quello degli acciai a
basso tenore di carbonio.
Il mondo dell’
dell’auto
L’utilizzo di acciai altoresistenziali da parte dei costruttori è notevolmente aumentato negli ultimi anni; oggi il problema
della riparazione di lamierati realizzati in acciaio altoresistenziale è pertanto di stretta attualità. Il Cestar ha analizzato la
questione concentrandosi su:
• Risagomatura pannelli
• Saldatura a punti
• Saldatura
Risagomatura pannelli
Abbiamo effettuato una sperimentazione col fine di valutare la danneggiabilità e la riparabilità
dei pannelli in acciaio altoresistenziale rispetto ai pannelli in acciaio tradizionale. Le prove
eseguite sono state:
• una prova statica, per ottenere lo stesso schiacciamento: abbiamo così ricavato il tempo
necessario per la riparazione a parità di deformazione permanente
• una prova dinamica, per determinare il comportamento dei due materiali a parità di energia
assorbita.
Come oggetti di prova abbiamo scelto porte simili per dimensioni, forma, profilo della
superficie e posizione delle barre antiintrusione.
Attrezzatura per la prova statica
Attrezzatura per la prova dinamica
Risagomatura pannelli - Prova statica – Volkswagen Golf III
21 mm
6 bar
25 mm
9 bar
0 bar
0 mm
Risagomatura pannelli - Prova statica – Volkswagen Golf III
Tempo di riparazione 0.30
Risagomatura pannelli – prova statica
Abbiamo applicato il carico in punti che presentassero le stesse coordinate rispetto al profilo
esterno della superficie, e abbiamo scelto 5 porte tradizionali e 5 in acciaio altoresistenziale.
Test
1
2
3
Oggetto
Materiale
Carico
(N)
Deformazione
sotto carico (mm)
Deformazione
plastica (mm)
Energia
assorbita (J)
Danno
(cm2)
Manodopera
(h)
Spessore
(mm)
Punto 1a
serie
Tradiz.
-
-
8
-
625
0,6
0,7
Punto 2a
serie
HSS
-
-
6
-
1860
0,7
0,7
Punto 1a
serie
Tradiz.
1130
37
8
15,2
540
0,3
0,7
Punto 2a
serie
HSS
1630
36
8
28,5
610
0,3
0,7
Punto 1a
serie
Tradiz.
1005
27
8
13,5
1150
0,4
0,7
Punto 2a
serie
HSS
2009
39
8
39
1540
0,6
0,7
Tradiz.
1130
25
8,5
14,1
775
0,3
0,8
HSS
1630
25
7,5
20,3
987
0,6
0,7
Tradiz.
2010
33
9
33
1475
0,7
0,8
HSS
2760
38
8
52
1980
1,3
0,7
Tradiz.
1318
30,5
8,3
19
913
0,46
-
HSS
2007
34,5
7,9
35
1395
0,70
-
Golf 3a
serie
4
Peugeot
307
Golf 3a
serie
5
Peugeot
307
Valori medi
Risagomatura pannelli – prova statica
185
155
149
123
100
100
100
100
100
85
Max deformazione
sotto carico
Deformazione plastica
Energia assorbita
Superficie danneggiata
Manodopera
Acciaio tradizionale = 100
Acciaio altoresistenziale
• La stessa deformazione plastica è ottenuta con carichi più elevati e maggiore deformazione elastica
nel caso degli acciai altoresistenziali.
• Gli HSS assorbono circa l’85% di energia in più rispetto agli acciai tradizionali.
• La superficie danneggiata è più ampia negli acciai altoresistenziali e il tempo di risagomatura è più
elevato (circa il 55% in più). L’incremento di tempo è legato in parte alla tecnica necessaria per la
riparazione (punti di calore).
Risagomatura pannelli – prova statica
9
Deformazione permanente (mm)
8
7
6
Peugeot (HSS)
5
Golf (Tradizionale)
4
3
2
1
0
1000
1250
1500
1750
2000
2250
2500
2750
Carico (N)
Il carico necessario per ottenere una stessa deformazione permanente è
molto più alto nel caso dell’acciaio altoresistenziale
Risagomatura pannelli – prova dinamica
Abbiamo provato i pannelli imponendo l’energia cinetica dell’impattore a 50 e 125 J, e abbiamo
scelto 2 porte tradizionali e 2 in acciaio altoresistenziale.
Deformazione
plastica (mm)
Energia
assorbita (J)
Danno
(cm2)
Manodopera
(h)
Spessore
(mm)
Trad.
(FePO4)
22
50
1668
2,2
0,65
Fiat Punto
2a serie
HSS
(BH220)
4
50
2157
1,3
0,68
3
Fiat Marea
Trad.
(FePO4)
33
125
1600
1,9
0,8
4
Fiat Marea
HSS
(DP500)
25
125
1100
1,1
0,7
Oggetto
Materiale
1
Fiat Punto
1a serie
2
È evidente che i pannelli in altoresistenziale
hanno bisogno di molto meno spazio per
assorbire l’energia cinetica dell’impattore; la
deformazione plastica è piccola in confronto a
quella del pannello in acciaio tradizionale. Ne
consegue che il tempo di risagomatura di un
pannello in acciaio altoresistenziale è inferiore a
quello necessario per risagomare un pannello in
acciaio tradizionale.
Acciaio tradizionale = 100
Acciaio altoresistenziale
100
Manodopera
Test
100
59
Energia: 50 Joule
58
Energia: 125 Joule
Saldatura a punti
Abbiamo effettuato un’indagine presso alcuni Costruttori; abbiamo rilevato che nella maggior parte dei
manuali le operazioni di saldatura a punti su acciai altoresistenziali sono indicate utilizzando dei simboli,
senza che siano fornite altre specifiche o spiegazioni. Abbiamo inoltre rilevato che esistono tabelle e
diagrammi specifici per la calibrazione delle puntatrici.
Weldability lobe for HSS (HF300)
Metal expulsion
Weld time (cycles)
Weldability
lobe
Weld interface failure
Welding current (KA)
6
7
8
9
10
11
12
13
Saldatura
Una seconda indagine tra i costruttori ha evidenziato due differenti posizioni in
merito alla saldatura degli acciai altoresistenziali.
Saldatura MIG tradizionale
MIG brazing
Volkswagen
Fiat
Renault
BMW
Peugeot
Opel
Opel fornisce informazioni dettagliate sul MIG brazing, che è l’unica tecnica di saldatura
prescritta per interventi sulla Vectra.
Una politica diversa è quella adottata, ad esempio, da BMW, che esclude la possibilità
di MIG brazing per alcuni acciai altoresistenziali.
Saldatura – la resistenza a fatica
Abbiamo raccolto informazioni in merito alla resistenza a fatica delle saldature di acciai altoresistenziali.
Possiamo affermare che:
• In generale non si verificano rotture a fatica in
corrispondenza del cordone di saldatura; le rotture si
riscontrano in prossimità del cordone, nel metallo di
base.
Lamiera non saldata
• La resistenza a fatica è inferiore del 10-15% circa
nelle lamiere saldate rispetto alle lamiere non saldate,
sia per gli acciai tradizionali sia per gli altoresistenziali.
• Gli altoresistenziali microlegati costituiscono
un’eccezione: a causa della loro struttura la soglia di
rottura a fatica di una lamiera saldata è più bassa del
40% circa rispetto alla soglia di una lamiera non
saldata.
- 15%
Resistenza degli
acciai in generale
Lamiera saldata
Lamiera non saldata
- 40%
Lamiera saldata
Resistenza degli
acciai microlegati
Conclusioni
Risagomatura pannelli
Gli HSS hanno maggior resistenza agli impatti rispetto agli acciai tradizionali: essi infatti richiedono
un’energia di impatto maggiore per subire la medesima deformazione plastica. A parità di deformazione
plastica il tempo richiesto per la risagomatura di un pannello HSS è più alto (circa del 50%)
Saldatura a punti
• Le Case automobilistiche non forniscono specifiche in merito alle saldatrici da utilizzare
• In letteratura sono disponibili diagrammi di saldabilità e tavole specifiche per la taratura delle saldatrici
Saldatura
• Alcune Case automobilistiche preferiscono il MIG brazing, altre la saldatura MIG tradizionale
• Per quanto riguarda la rottura a fatica, non c’è sensibile differenza tra la resistenza a fatica di lamiere
saldate e non saldate; gli acciai microlegati costituiscono un’eccezione, dal momento che la loro
prestazione cala di circa il 40%.