Để đáp ứng các tiêu chuẩn liên bang
đã ban hành về tiết kiệm nhiên liệu, các nhà sản xuất ô tô phải giảm đáng kể trọng
lượng xe. Vì vậy, các kỹ sư sẽ sử dụng nhôm càng ngày càng nhiều cho các tấm
ghép thân xe, thành phần động cơ và các bộ phận kết cấu.
Sử dụng nhôm trong xe và các phương
tiện giao thông dự kiến sẽ tăng gấp đôi vào năm 2025, khi các nhà sản xuất ô tô
đang tung ra một loạt các mẫu mới có trọng lượng nhẹ hơn. Thực tế, Alcoa và
Novelis gần đây đã đầu tư 1 tỷ USD vào các nhà máy của họ ở Mỹ để sản xuất tấm
nhôm hàng loạt cho ngành công nghiệp ô tô. Vật liệu này cung cấp nhiều lợi thế
hơn so với thép. Chẳng hạn, một kg nhôm có thể thay thế hai kg thép.
Nhôm chống ăn mòn và là sự pha trộn
tuyệt vời giữa độ mạnh và khối lượng thấp, nhờ đó có thể giúp cải thiện việc tiết
kiệm nhiên liệu. Phương tiện xe cộ có các thành phần làm từ nhôm cũng có thể
tăng tốc và phanh lại nhanh hơn so với phương tiện làm từ vật liệu nặng hơn.
Công nghệ này đang thâm nhập sâu rộng
Từ lâu, công nghiệp ô tô đã sử dụng
nhôm cho các loại xe cao cấp, như Audi A8, Jaguar XJR và Tesla Model S. Nhưng
công nghệ này đang bắt đầu thâm nhập ngày càng nhiều vào các loại xe thông thường,
như dòng xe sedan và xe tải.
Một trong những ngôi sao trong Triển
Lãm Ô tô Quốc Tế Bắc Mỹ ở Detroit năm 2013 là xe bán tải F-150 mới của Ford. Nó
tự hào khi có một cơ thể hoàn toàn bằng nhôm, từ cửa, mui xe, bảng phụ, giường
tải và cửa sau, chỉ thế thôi đã giảm 700 pound (khoảng 317kg) cho xe tải.
F-150 là xe tải trọng lớn đầu tiên
sử dụng một lượng lớn nhôm. Ford đã lắp ráp nhiều bộ phận xe trong vòng một
tháng như tất cả các loại xe có thành phần bằng nhôm khác bán hàng năm. Thân
nhôm được ghép với chất kết dính và 4000 đinh tán, ngược lại với 7000 mối hàn
điểm trong chiếc xe bán tải bằng thép truyền thống.
Trong khi nhôm tiếp tục quá trình
xâm nhập vào ngành công nghiệp ô tô, thép không phải đang sắp giảm đi. Nó vẫn
tiếp tục đóng vai trò là vật liệu quan trọng ở Detroit trong nhiều thập kỷ tới.
Thực tế, các kỹ sư của Ford đang gia tăng việc sử dụng thép cường độ cao trong
khung chiếc F-150 mới từ 23% lên 77% để cải thiện độ cứng và độ bền, trong khi
giảm cân.
Từ trước tới giờ, phương tiện bằng
nhôm vẫn được lắp ráp với chất kết dính và đinh tán. Vì khối lượng sản xuất lớn
sẽ cản trở việc dùng chất kết dính, các nhà sản xuất ô tô đã dựa vào các đinh
tán tự động để ghép các tấm thân xe bằng nhôm.
Tuy nhiên đinh tán làm gia tăng chi
phí, súng tán đinh cũng chỉ có một phạm vi ứng dụng cho vài loại cấu hình nhất
định. Và như vậy, hướng tiếp cận này có thể dùng để ghép các tấm thép có độ bền
thấp hơn nhôm, nó không thích hợp để ghép nhôm với thép siêu bền.
Những phương pháp lắp ghép mới
Các nhà sản xuất ô tô và các nhà
cung cấp thành phần đang tập trung vào những cách thức mới để ghép nhôm bằng
công cụ và công nghệ khác so với phương pháp hàn điểm điện trở truyền thống, một
phương pháp dễ gây biến dạng. Các kỹ sư tại Honda Motor gần đây đã phát triển một
qui trình mới liên tục ghép nối các tấm nhôm và thép bằng cách sử dụng hàn kích
ma sát.
Công nghệ này tạo ra một liên kết
kim loại ổn định giữa các tấm thép và nhôm bằng cách di chuyển một công cụ xoay
trên đầu tấm nhôm đang được xếp chồng lên tấm thép bằng áp lực lớn. Kết quả cho
thấy, độ mạnh của mối hàn kiểu này vượt trội so với phương pháp hàn kim loại bằng
khí trơ (MIG) truyền thống.
“Công nghệ mới này góp phần cải thiện
việc tiết kiệm nhiên liệu nhờ giảm khối lượng thân xe xuống 25% so với khung phụ
bằng thép thông thường” – Ron Lietzke, người phát ngôn của Honda tuyên bố - “Hơn
nữa, tiêu thụ điện năng trong quá trình hàn cũng giảm gần 50%.”
Các kỹ sư của Honda cũng phát triển
một phương pháp mới nhằm áp dụng công nghệ hàn này vào các dòng xe sản xuất
hàng loạt, như xe sedan Accord. Ngày trước, hàn kích ma sát (friction stir
welding) đòi hỏi một lượng trang thiết bị lớn, nhưng hệ thống hàn liên tục mới
này chỉ dựa vào một robot sáu trục. Hơn nữa, Honda còn phát triển một hệ thống
kiểm tra không phá hủy sử dụng camera hồng ngoại độ nhạy cao và chùm laser, cho
phép kiểm tra nội tuyến mọi thành phần.
Các kỹ sư của General Motors cũng
thử nghiệm với các phương pháp mới để hàn nhôm. Qui trình hàn điểm điện trở của
họ sử dụng điện cực uốn nhiều vòng được họ phát minh – có thể làm được việc mà
các điện cực mịn không làm được – hàn nhôm với nhôm. Bằng cách sử dụng qui
trình này, GM hy vọng sẽ loại bỏ được gần 2 pound đinh tán (gần 1kg) khỏi các
phần thân xe bằng nhôm, như nắp xe, cửa xe.
“Khả năng hàn các cấu trúc thân
nhôm và đóng gói một cách mạnh mẽ [cho chúng tôi] lợi thế sản xuất độc nhất vô
nhị,” Jon Lauckner, Giám đốc Công Nghệ và phó chủ tịch R&D toàn cầu của GM
đã tuyên bố như vậy.
Lauckner còn nói thêm: “Công nghệ mới
này giải quyết bài toán tồn đọng từ lâu của hàn điểm cho nhôm, đó là tại sao các
nhà sản xuất đành phải hàn các thành phần bằng thép với nhau suốt nhiều thập kỷ
qua. Tầm quan trọng của nó tăng lên khi chúng tôi gia tăng việc dùng nhôm trong
những chiếc xe hơi, xe tải và dòng crossover trong vài năm tới.”
Hàn điểm sử dụng hai kìm điện cực
trái dấu để nén miếng cầu chì kim loại với nhau, rồi dùng dòng điện tạo nhiệt độ
lớn để hình thành mối hàn. Qui trình không tốn kém, nhanh chóng và tin cậy,
nhưng tới tận bây giờ, không đủ mạnh để dùng được cho nhôm trong môi trường sản
xuất hiện nay.
Theo Lauckner, qui trình hàn điểm
điện trở mới của GM làm việc trên tấm nhôm ép và nhôm đúc, vì đầu điện cực uốn
nhiều vòng sẽ phá vỡ các oxit trên bề mặt nhôm để mối hàn bền chắc hơn.
GM đã sử dụng qui trình lắp ráp
trên mui xe Cadillac CTS-V, cửa lên xuống của Chevrolet Tahoe và GMC Yukon. Hàn
nhôm đóng vai trò then chốt trong dòng Chevrolet Corvette Stingray mới. Thực tế,
GM đã đầu tư hơn 50 triệu USD để nâng cấp xưởng thân xe ở nhà máy lắp ráp
Bowling Green của họ.
“Qui trình hàn mới cho phép chúng
tôi làm bộ khung nhẹ hơn và cứng hơn” Dave Tatman, giám đốc nhà máy cho biết. “Nó
nhẹ hơn 99 pound (gần 44kg) và cứng hơn 57% so với bộ khung thế hệ trước, bộ
khung mạnh tới mức mẫu mới không cần gia tăng kết cấu.”
Đó cũng là thiết kế khung xe phức tạp
nhất trong lịch sử của dòng Corvette, đặc trưng với các rãnh chính tạo từ 5 đoạn
nhôm tùy chỉnh, gồm đoạn nhôm ở mỗi đầu, khúc trung tâm và các mối rỗng tại các
điểm giao, tất cả đều có độ dày khác nhau.
Theo Blair Carlson, Giám đốc nhóm
nghiên cứu hệ thống sản xuất của GM, hàn điểm điện trở cho nhôm là phương pháp
hiệu quả để ghép nhôm với nhôm, với mối ghép hai mặt. “Nó đặc biệt hiệu quả với
các vật liệu dày hơn – tới 4mm – được dùng trong bộ khung mới” ông cho biết.
Qui trình này được dùng trong lắp
ráp kết cấu nhôm ngầm trong Corvette và trong việc gắn các thành phần vào khung
chính. Hàn nhôm còn được dùng với cả khuôn đúc và tấm nhôm. Có 439 mối hàn điểm
điện trở bằng nhôm trong chiếc coupe Corvette Stingray.
Hàn điểm điện trở và hàn laser trong lắp ráp khung xe Corvett Stingray tại GM
Hàn laser được dùng trong lắp hệ thống
ngầm của khung xe, gắn các tấm nhôm đóng vào kết cấu ngầm. Carlson nói: “Qui
trình cho phép hàn liên tục nhanh chóng trong khi chỉ có thể truy cập vào một bề
mặt.” Có hai trạm hàn laser bằng robot ở nhà máy Bowling Green – một trạm có một
cặp robot còn trạm kia có một robot duy nhất.
Một nhóm kỹ sư ở Đại Học Brigham
Young gần đây phát triển một phương pháp mới để tạo ra một liên kết cực kỳ mạnh
giữa nhôm và thép siêu bền. Qui trình ghép bằng hàm ma sát (friction – bit joining
process) sử dụng một hàm nhỏ tiêu hao để tạo ra mối ghép ở trạng thái rắn. Nó
có thể ghép nhôm khối lượng nhẹ với gang bằng cách chèn một lớp thép mỏng vào
giữa hai kim loại, tạo lớp đệm liên kết.
“Qui trình của chúng tôi có thể
giúp kết hợp thép và các kim loại nhẹ trong cùng một khung xe, khiến các kỹ sư
linh hoạt trong thiết kế một cấu trúc tối ưu.” Michael Miles, giáo sư công nghệ
kỹ thuật sản xuất tuyên bố như vậy. Ông là người phát triển qui trình này với
MegaStir Technologies và Phòng Thí Nghiệm Quốc Gia Oak Ridge.
Những ứng dụng của ghép bằng hàm ma
sát có thể kể tới như các lĩnh vực của khung xe – nơi thép siêu bền cần ghép với
kim loại nhẹ hơn. Miles nói: “Chẳng hạn, nhà sản xuất ô tô có thể muốn dùng
nhôm làm nắp xe còn thép siêu bền làm cột A và B trong khung xe cần ghép nối với
nắp. Ví dụ khác, phải có sự kết hợp các kim loại nhẹ hơn trong các bộ phận bên
trong trên cửa xe.”
Trích từ Assembly
cuahangphamquang@gmail.com
http://cuahangphamquang.blotspot.com