Enovasense

01 — Wprowadzenie

Napawanie laserowe: odpowiedź tarcz hamulcowych na limity emisji cząstek Euro 7

Od przyjęcia normy Euro 7 w 2024 roku producenci samochodów muszą spełniać nowy rodzaj wymagań emisyjnych: dotyczą one nie tylko spalin, lecz także emisji cząstek stałych spoza układu wydechowego, których znaczna część pochodzi ze zużycia tarcz hamulcowych. Konwencjonalne tarcze z żeliwa szarego uwalniają drobne cząstki przy każdym hamowaniu. Napawanie laserowe stało się więc kluczową technologią: twarda, odporna na zużycie warstwa zostaje metalurgicznie połączona z powierzchnią cierną tarczy żeliwnej, co znacząco ogranicza zużycie i związaną z nim emisję cząstek.

Tarcze hamulcowe pracują w trudnych warunkach — przy wysokich obciążeniach mechanicznych, podwyższonych temperaturach i powtarzających się cyklach cieplnych — które z czasem degradują powierzchnię cierną. Warstwa napawana chroni tę powierzchnię, zwiększa odporność na zużycie i wydłuża trwałość elementu. W zamian specyfikacje OEM narzucają rygorystyczne wymagania dotyczące grubości i równomierności warstwy napawanej, a niezawodna, powtarzalna kontrola grubości staje się obowiązkowym etapem łańcucha produkcyjnego.

Proces napawania laserowego

Napawanie laserowe to proces obróbki powierzchni, w którym laser o dużej energii tworzy na powierzchni podłoża niewielkie jeziorko ciekłego metalu, do którego podawany jest proszek lub drut metalowy. Powstaje gęsta powłoka połączona metalurgicznie z podłożem. W przypadku tarcz hamulcowych proces prowadzi się zwykle w dwóch przejściach, z których każde pełni inną funkcję:

Napawanie proszkowe Napawanie drutem Warstwa sczepna Warstwa ścieralna wzmocniona węglikami

Pierwsza warstwa sczepna zapewnia przejście metalurgiczne od żeliwa; druga warstwa ścieralna, zwykle zawierająca twarde cząstki węglików, odpowiada za właściwości cierne i odporność na zużycie. Po napawaniu tarcza jest szlifowana do końcowej geometrii i chropowatości, co usuwa część nałożonej warstwy — decydujące znaczenie ma więc ostatecznie pozostała grubość warstwy.

02 — Wymagania jakościowe

Dlaczego grubość warstwy napawanej jest krytycznym parametrem jakości

Trwałość tarczy napawanej — a tym samym jej charakterystyka emisji cząstek przez cały okres eksploatacji pojazdu — zależy bezpośrednio od grubości warstwy ścieralnej pozostałej po szlifowaniu. Gdy jest zbyt cienka, tarcza przedwcześnie zużyje się do warstwy sczepnej lub żeliwa; gdy jest zbyt gruba, czas procesu, zużycie proszku i nakład szlifowania rosną bez korzyści. Specyfikacje OEM określają zatem okno grubości oraz wymaganie równomierności na całej powierzchni ciernej.

Równomierność grubości na powierzchni ciernej

Napawanie laserowe daje powierzchnię złożoną z zachodzących na siebie ściegów, z lokalnymi zmianami grubości wynikającymi z dynamiki jeziorka, wahań podawania proszku i gradientu temperatury powstającego w tarczy podczas nakładania. Szczególnie wrażliwe są wewnętrzna i zewnętrzna krawędź pierścienia ciernego, gdzie ścieżka napawania zaczyna się i kończy. Kontrola w jednym punkcie nie potwierdzi, że wymagana minimalna grubość występuje wszędzie: może to zrobić tylko gęsta mapa grubości powierzchni ciernej.

Dwie warstwy, jedna grubość całkowita

Ponieważ powłoka funkcjonalna powstaje w dwóch przejściach, kwestia jakości często nie dotyczy grubości jednej warstwy, lecz grubości całkowitej po obu nałożeniach — oraz grubości pozostałej po szlifowaniu. Metoda kontroli musi więc umożliwiać pomiar całego układu warstw na gotowej części, bez korzystania z odniesienia powierzchniowego wykonanego przed napawaniem.

Monitorowanie dryfu procesu

Moc lasera, wydatek proszku lub drutu, prędkość skanowania, zużycie dyszy i podgrzanie wstępne tarczy dryfują w czasie i łącznie zmieniają nakładaną grubość. Monitorowanie każdej tarczy — lub przynajmniej gęstej, częstej próby — zamiast niszczącego zgładu co kilkaset części to jedyny sposób na wykrycie takiego dryfu, zanim powstaną duże partie niezgodnych tarcz.

03 — Wyzwania pomiarowe

Dlaczego warstwy napawane laserowo są trudne do zmierzenia

Pomiar grubości warstwy napawanej laserowo to prawdziwe wyzwanie. Powierzchnia po napawaniu jest chropowata i złożona z zachodzących na siebie ściegów; grubość zmienia się lokalnie wraz z dynamiką jeziorka; a twarde cząstki węglików osadzone w warstwie ścieralnej — obecne właśnie po to, by zwiększyć jej odporność — zakłócają szereg zasad pomiaru. W efekcie wiele konwencjonalnych metod pomiaru grubości z trudem zapewnia powtarzalne i odtwarzalne wyniki w skali przemysłowej.

Zgład metalograficzny: odniesienie, ale niszczące i lokalne

Cięcie, inkludowanie i polerowanie wycinka tarczy oraz obserwacja pod mikroskopem pozostają metodą odniesienia, akceptowaną we wszystkich protokołach jakości. Jest to jednak metoda niszcząca, z natury lokalna i powolna: jeden zgład dokumentuje kilka milimetrów powierzchni ciernej o powierzchni setek centymetrów kwadratowych, a wynik pojawia się godziny lub dni po opuszczeniu przez tarczę gniazda napawania. Nie pozwala na reprezentatywną ocenę równomierności grubości na dużych lub złożonych częściach i nie nadaje się do zamknięcia pętli regulacji procesu.

Czujniki wysokości i triangulacja laserowa: powierzchnia, a nie warstwa

Metody odległościowe mierzą topografię powierzchni przed nałożeniem i po nim i wyznaczają grubość warstwy z różnicy. Ich dokładność silnie zależy od geometrii, chropowatości i lokalnej orientacji powierzchni — wszystkie te czynniki są niekorzystne na napoinie o strukturze ściegów. Co ważniejsze, wymagają pomiaru odniesienia gołego podłoża: w procesie dwuwarstwowym lub po szlifowaniu tarczy odniesienie to zostaje utracone, a grubości warstwy funkcjonalnej nie da się już wyznaczyć wyłącznie z wysokości powierzchni.

Czego wymaga rozwiązanie przemysłowe

• Pomiar samej warstwy, a nie położenia powierzchni — tak aby grubość całkowita układu dwuwarstwowego była dostępna na gotowej, szlifowanej tarczy.
• Odporność na chropowatość i węgliki — pomiar musi uśredniać strukturę ściegów i mikrostrukturę, zamiast być przez nie zakłócany.
• Mapowanie całej powierzchni ciernej — równomierność jest wymaganiem specyfikacji, więc metoda musi dawać mapę grubości, a nie pojedynczy punkt.
• Integracja z produkcją — montaż na robocie lub portalu, bezkontaktowo, wystarczająco szybko, by nadążyć za taktem gniazda napawania.

04 — Porównanie technologii

Dlaczego laserowa radiometria fototermiczna jest właściwym narzędziem dla tarcz napawanych

Opatentowana przez Enovasense laserowa radiometria fototermiczna (LPTR) mierzy powłokę, a nie jej powierzchnię. Modulowana wiązka laserowa wytwarza falę cieplną w warstwie napawanej; detektor podczerwieni rejestruje ciepło dyfundujące z powrotem do powierzchni; grubość warstwy wyznacza się z czasu charakterystycznego tej odpowiedzi cieplnej. Ponieważ metoda opiera się na scałkowanej odpowiedzi cieplnej układu powłoka–podłoże, jest znacznie mniej wrażliwa na lokalne zmiany mikrostruktury, chropowatość ściegów i cząstki węglików niż techniki optyczne lub odległościowe — pozostając przy tym w pełni bezkontaktowa, nieniszcząca i zgodna z automatyką przemysłową.

05 — Parametry metrologiczne

Zwalidowane z Mercedesem i Fritz Winter na tarczach produkcyjnych

Enovasense współpracował z firmami Fritz Winter i Mercedes w ramach przemysłowego projektu walidacyjnego, którego celem było opracowanie i ocena rozwiązań tarcz hamulcowych napawanych laserowo pod kątem obecnych i przyszłych wymagań emisyjnych w motoryzacji. W ramach tego projektu Mercedes i Fritz Winter zwalidowali laserowy pomiar grubości Enovasense na tarczach hamulcowych napawanych laserowo na kilku poziomach dojrzałości przemysłowej, w celu monitorowania grubości warstwy napawanej w reprezentatywnych warunkach produkcyjnych.

Kalibracja i ślepa walidacja względem zgładów

Trzy tarcze o grubości warstwy napawanej od 200 do 350 µm zmierzono czujnikiem Enovasense, a ich odpowiedź posłużyła do opracowania kalibracji. Kalibrację tę zastosowano następnie do próbek walidacyjnych o nieznanej grubości, które następnie przecięto i zweryfikowano na zgładzie mikroskopowym. Rysunek 3 przedstawia oba zbiory danych obok siebie.

Na próbkach walidacyjnych pomiary Enovasense ściśle podążają za odniesieniem ze zgładów w całym przedziale 230–260 µm, łącznie ze skokiem między cieńszymi i grubszymi tarczami walidacyjnymi. Występuje silna korelacja między wartościami uzyskanymi na zgładach mikroskopowych a wartościami uzyskanymi czujnikiem Enovasense — co potwierdza, że kalibracja oparta na kilku tarczach wzorcowych przenosi się na nieznane części produkcyjne.

Mapowanie równomierności na całej powierzchni

Poza pomiarami punktowymi integracja czujnika Enovasense z układem ruchu umożliwia pełne skanowanie napawanej powierzchni ciernej. Otrzymana mapa grubości (rysunek 4) pokazuje to, czego nie pokaże żaden zgład: promieniowy gradient grubości między wewnętrznym a zewnętrznym promieniem pierścienia ciernego, zmiany kątowe związane ze ścieżką napawania oraz lokalne pocienienia na krawędziach pierścienia, gdzie ścieżka zaczyna się i kończy.

Parametry odpowiadają konfiguracji pomiarowej użytej w projekcie walidacyjnym. Rzeczywiste parametry w danym zastosowaniu zależą od wybranego układu optycznego, stopu do napawania i zawartości węglików oraz zakresu grubości mierzonej warstwy. Dla każdego układu materiałowego napawania opracowywana jest dedykowana kalibracja.

06 — Integracja przemysłowa

Trzy sposoby integracji czujników Enovasense w kontroli tarcz hamulcowych

Ten sam czujnik bezkontaktowy można stosować w laboratorium, w produkcji przedseryjnej i w produkcji seryjnej. Enovasense oferuje trzy poziomy integracji — od stołowej stacji mapującej po czujnik zamontowany bezpośrednio w linii napawania.

Stacja kontrolna HKL2 — 3-osiowe mapowanie grubości powierzchni ciernej