Com que els països de tot el món donen molta importància a la conservació d'energia i la reducció d'emissions, el desenvolupament de vehicles de nova energia elèctrics purs s'ha convertit en una tendència. A més del rendiment de la bateria, la qualitat de la carrosseria també és un factor crucial que afecta l'autonomia dels vehicles de nova energia. Promoure el desenvolupament d'estructures de carrosseria lleugeres per a automòbils i connexions d'alta qualitat pot millorar l'autonomia completa dels vehicles elèctrics reduint al màxim el pes de tot el vehicle, alhora que garanteix la resistència i el rendiment de seguretat del vehicle. Pel que fa a l'alleugeriment dels automòbils, la carrosseria híbrida d'acer i alumini té en compte tant la resistència com la reducció del pes de la carrosseria, convertint-se en un mitjà important per aconseguir l'alleugeriment de la carrosseria.
El mètode de connexió tradicional per connectar aliatges d'alumini té un rendiment de connexió deficient i una baixa fiabilitat. El reblat autoperforant, com a nova tecnologia de connexió, s'ha utilitzat àmpliament en la indústria de l'automoció i la indústria de fabricació aeroespacial a causa del seu avantatge absolut en la connexió d'aliatges lleugers i materials compostos. En els darrers anys, estudiosos nacionals xinesos han dut a terme investigacions rellevants sobre la tecnologia de reblat autoperforant i han estudiat els efectes de diferents mètodes de tractament tèrmic en el rendiment de les unions reblades autoperforants de titani pur industrial TA1. Es va trobar que els mètodes de tractament tèrmic de recuit i tremp milloraven la resistència estàtica de les unions reblades autoperforants de titani pur industrial TA1. Es va observar i analitzar el mecanisme de formació de les unions des de la perspectiva del flux de material, i la qualitat de la unió es va avaluar en funció d'això. Mitjançant proves metal·logràfiques, es va trobar que la gran àrea de deformació plàstica es refinava en una estructura de fibra amb una certa tendència, cosa que promovia la millora de la tensió elàstica i la resistència a la fatiga de la unió.
La investigació anterior se centra principalment en les propietats mecàniques de les unions després del reblat de plaques d'aliatge d'alumini. En la producció real de reblat de carrosseries de cotxes, les esquerdes de les unions reblades dels perfils extrudits d'aliatge d'alumini, especialment els aliatges d'alumini d'alta resistència amb un alt contingut d'elements d'aliatge, com ara l'aliatge d'alumini 6082, són els factors clau que restringeixen l'aplicació d'aquest procés a la carrosseria. Al mateix temps, les toleràncies de forma i posició dels perfils extrudits utilitzats a la carrosseria, com ara la flexió i la torsió, afecten directament el muntatge i l'ús dels perfils, i també determinen la precisió dimensional de la carrosseria posterior. Per controlar la flexió i la torsió dels perfils i garantir la precisió dimensional dels perfils, a més de l'estructura de la matriu, la temperatura de sortida dels perfils i la velocitat de refredament en línia són els factors d'influència més importants. Com més alta sigui la temperatura de sortida i més ràpida sigui la velocitat de refredament, més gran serà el grau de flexió i torsió dels perfils. Per als perfils d'aliatge d'alumini per a carrosseries de cotxes, cal garantir la precisió dimensional dels perfils i assegurar-se que el reblat de l'aliatge no s'esquerdi. La manera més senzilla d'optimitzar la precisió dimensional i el rendiment de fissuració de reblat de l'aliatge és controlar les fissures optimitzant la temperatura d'escalfament i el procés d'envelliment de les varetes extruïdes, mantenint alhora la composició del material, l'estructura de la matriu, la velocitat d'extrusió i la velocitat de refredament sense canvis. Per a l'aliatge d'alumini 6082, sota la premissa que altres condicions del procés romanen sense canvis, com més alta sigui la temperatura d'extrusió, més superficial serà la capa de gra gruixut, però més gran serà la deformació del perfil després del refredament.
Aquest article pren l'aliatge d'alumini 6082 amb la mateixa composició que l'objecte de recerca, utilitza diferents temperatures d'extrusió i diferents processos d'envelliment per preparar mostres en diferents estats i avalua els efectes de la temperatura d'extrusió i l'estat d'envelliment en la prova de reblat mitjançant proves de reblat. A partir dels resultats preliminars, es determina el procés d'envelliment òptim per proporcionar orientació per a la producció posterior de perfils d'extrusió de cos d'aliatge d'alumini 6082.
1 Materials i mètodes experimentals
Com es mostra a la Taula 1, l'aliatge d'alumini 6082 es va fondre i preparar en un lingot rodó mitjançant colada semicontínua. A continuació, després del tractament tèrmic d'homogeneïtzació, el lingot es va escalfar a diferents temperatures i es va extrudir en un perfil en una extrusora de 2200 t. El gruix de la paret del perfil era de 2,5 mm, la temperatura del barril d'extrusió era de 440 ± 10 ℃, la temperatura de la matriu d'extrusió era de 470 ± 10 ℃, la velocitat d'extrusió era de 2,3 ± 0,2 mm/s i el mètode de refredament del perfil va ser un fort refredament per vent. Segons la temperatura d'escalfament, les mostres es van numerar de l'1 al 3, entre les quals la mostra 1 tenia la temperatura d'escalfament més baixa i la temperatura de la palanquilla corresponent era de 470 ± 5 ℃, la temperatura de la palanquilla corresponent de la mostra 2 era de 485 ± 5 ℃ i la temperatura de la mostra 3 era la més alta i la temperatura de la palanquilla corresponent era de 500 ± 5 ℃.
Taula 1 Composició química mesurada de l'aliatge de prova (fracció màssica/%)
Amb la condició que altres paràmetres del procés, com ara la composició del material, l'estructura de la matriu, la velocitat d'extrusió i la velocitat de refredament, es mantinguin sense canvis, les mostres núm. 1 a 3 anteriors, obtingudes ajustant la temperatura d'escalfament per extrusió, s'envelleixen en un forn de resistència tipus caixa, i el sistema d'envelliment és de 180 ℃/6 h i 190 ℃/6 h. Després de l'aïllament, es refreden per aire i després es riveten per avaluar la influència de diferents temperatures d'extrusió i estats d'envelliment en la prova de reblat. La prova de reblat utilitza un aliatge 6082 de 2,5 mm de gruix amb diferents temperatures d'extrusió i diferents sistemes d'envelliment com a placa inferior, i un aliatge 5754-O d'1,4 mm de gruix com a placa superior per a la prova de reblat SPR. La matriu de reblat és M260238 i el rebló és C5.3 × 6.0 H0. A més, per tal de determinar encara més el procés d'envelliment òptim, segons la influència de la temperatura d'extrusió i l'estat d'envelliment en l'esquerdament del reblat, es selecciona la placa a la temperatura d'extrusió òptima i després es tracta amb diferents temperatures i diferents temps d'envelliment per estudiar la influència del sistema d'envelliment en l'esquerdament del reblat, per tal de confirmar finalment el sistema d'envelliment òptim. Es va utilitzar un microscopi d'alta potència per observar la microestructura del material a diferents temperatures d'extrusió, es va utilitzar una màquina d'assaigs electrònica universal controlada per microordinador de la sèrie MTS-SANS CMT5000 per provar les propietats mecàniques i es va utilitzar un microscopi de baixa potència per observar les unions reblades després del reblat en diversos estats.
2 Resultats experimentals i discussió
2.1 Efecte de la temperatura d'extrusió i l'estat d'envelliment sobre l'esquerdament del reblat
Es va prendre mostreig al llarg de la secció transversal del perfil extrudit. Després d'una mòlta gruixuda, una mòlta fina i un polit amb paper de vidre, la mostra es va corroir amb NaOH al 10% durant 8 minuts i el producte de corrosió negre es va netejar amb àcid nítric. La capa de gra gruixut de la mostra es va observar amb un microscopi d'alta potència, que es va situar a la superfície exterior de la sivella del rebló a la posició de reblat prevista, tal com es mostra a la Figura 1. La profunditat mitjana de la capa de gra gruixut de la mostra núm. 1 va ser de 352 μm, la profunditat mitjana de la capa de gra gruixut de la mostra núm. 2 va ser de 135 μm i la profunditat mitjana de la capa de gra gruixut de la mostra núm. 3 va ser de 31 μm. La diferència en la profunditat de la capa de gra gruixut es deu principalment a les diferents temperatures d'extrusió. Com més alta sigui la temperatura d'extrusió, menor serà la resistència a la deformació de l'aliatge 6082, menor serà l'emmagatzematge d'energia de deformació generat per la fricció entre l'aliatge i la matriu d'extrusió (especialment la corretja de treball de la matriu) i menor serà la força motriu de recristal·lització. Per tant, la capa superficial de gra gruixut és menys profunda; com més baixa sigui la temperatura d'extrusió, més gran serà la resistència a la deformació, més gran serà l'emmagatzematge d'energia de deformació, més fàcil serà la recristal·lització i més profunda serà la capa de gra gruixut. Per a l'aliatge 6082, el mecanisme de recristal·lització de gra gruixut és la recristal·lització secundària.
(a) Model 1
(b) Model 2
(c) Model 3
Figura 1 Gruix de la capa de gra gruixut de perfils extrudits per diferents processos
Les mostres 1 a 3 preparades a diferents temperatures d'extrusió es van envellir a 180 ℃/6 h i 190 ℃/6 h, respectivament. Les propietats mecàniques de la mostra 2 després dels dos processos d'envelliment es mostren a la Taula 2. Sota els dos sistemes d'envelliment, el límit elàstic i la resistència a la tracció de la mostra a 180 ℃/6 h són significativament més alts que els de 190 ℃/6 h, mentre que l'elongació dels dos no és gaire diferent, cosa que indica que 190 ℃/6 h és un tractament de sobreenvelliment. Atès que les propietats mecàniques de l'aliatge d'alumini de la sèrie 6 fluctuen molt amb el canvi del procés d'envelliment en l'estat de subenvelliment, no és propici per a l'estabilitat del procés de producció de perfils i el control de la qualitat del reblat. Per tant, no és adequat utilitzar l'estat de subenvelliment per produir perfils de cos.
Taula 2 Propietats mecàniques de la mostra núm. 2 sota dos sistemes d'envelliment
L'aspecte de la peça de prova després del reblat es mostra a la Figura 2. Quan la mostra núm. 1 amb una capa de gra gruixut més profunda es va reblar en l'estat d'envelliment màxim, la superfície inferior del rebló tenia una pell de taronja evident i esquerdes visibles a simple vista, com es mostra a la Figura 2a. A causa de l'orientació inconsistent dins dels grans, el grau de deformació serà desigual durant la deformació, formant una superfície desigual. Quan els grans són gruixuts, la irregularitat de la superfície es fa més gran, formant un fenomen de pell de taronja visible a simple vista. Quan la mostra núm. 3 amb una capa de gra gruixut menys profunda preparada augmentant la temperatura d'extrusió es va reblar en l'estat d'envelliment màxim, la superfície inferior del rebló era relativament llisa i l'esquerdament es va suprimir fins a cert punt, cosa que només era visible sota augment de microscopi, com es mostra a la Figura 2b. Quan la mostra núm. 3 estava en estat de sobreenvelliment, no es va observar cap esquerdament sota augment de microscopi, com es mostra a la Figura 2c.
(a) Esquerdes visibles a simple vista
(b) Lleugeres esquerdes visibles al microscopi
(c) Sense esquerdes
Figura 2 Diferents graus d'esquerdament després del reblat
La superfície després del reblat es troba principalment en tres estats, és a dir, esquerdes visibles a ull nu (marcades amb "×"), lleugeres esquerdes visibles amb augment de microscopi (marcades amb "△") i sense esquerdes (marcades amb "○"). Els resultats de la morfologia del reblat de les mostres dels tres estats anteriors sota dos sistemes d'envelliment es mostren a la Taula 3. Es pot veure que quan el procés d'envelliment és constant, el rendiment d'esquerdament del reblat de la mostra amb una temperatura d'extrusió més alta i una capa de gra gruixut més prima és millor que el de la mostra amb una capa de gra gruixut més profunda; quan la capa de gra gruixut és constant, el rendiment d'esquerdament del reblat de l'estat de sobreenvelliment és millor que el de l'estat d'envelliment màxim.
Taula 3 Aspecte de reblat de les mostres 1 a 3 en dos sistemes de procés
Es van estudiar els efectes de la morfologia del gra i l'estat d'envelliment sobre el comportament de fissura per compressió axial dels perfils. L'estat de tensió del material durant la compressió axial era consistent amb el del reblat autoperforant. L'estudi va trobar que les esquerdes s'originaven als límits de gra, i el mecanisme de fissura de l'aliatge Al-Mg-Si s'explicava mitjançant la fórmula.
σapp és la tensió aplicada al cristall. Quan s'esquerda, σapp és igual al valor real de la tensió corresponent a la resistència a la tracció; σa0 és la resistència dels precipitats durant el lliscament intracristal·lí; Φ és el coeficient de concentració de tensions, que està relacionat amb la mida de gra d i l'amplada de lliscament p.
En comparació amb la recristal·lització, l'estructura del gra fibrós és més propícia a la inhibició de l'esquerdament. La raó principal és que la mida del gra d es redueix significativament a causa del refinament del gra, que pot reduir eficaçment el factor de concentració d'estrès Φ al límit del gra, inhibint així l'esquerdament. En comparació amb l'estructura fibrosa, el factor de concentració d'estrès Φ de l'aliatge recristal·litzat amb grans gruixuts és aproximadament 10 vegades superior al del primer.
En comparació amb l'envelliment màxim, l'estat de sobreenvelliment és més propici per a la inhibició de l'esquerdament, que està determinada pels diferents estats de fase de precipitació dins de l'aliatge. Durant l'envelliment màxim, es precipiten fases 'β (Mg5Si6) de 20-50 nm a l'aliatge 6082, amb un gran nombre de precipitats i mides petites; quan l'aliatge està en sobreenvelliment, el nombre de precipitats a l'aliatge disminueix i la mida es fa més gran. Els precipitats generats durant el procés d'envelliment poden inhibir eficaçment el moviment de les dislocacions dins de l'aliatge. La seva força de fixació sobre les dislocacions està relacionada amb la mida i la fracció volumètrica de la fase de precipitat. La fórmula empírica és:
f és la fracció volumètrica de la fase precipitada; r és la mida de la fase; σa és l'energia d'interfície entre la fase i la matriu. La fórmula mostra que com més gran és la mida de la fase precipitada i com més petita és la fracció volumètrica, com més petita és la seva força de fixació sobre les dislocacions, més fàcil és que les dislocacions de l'aliatge comencin, i la σa0 de l'aliatge disminuirà des de l'envelliment màxim fins a l'estat de sobreenvelliment. Fins i tot si σa0 disminueix, quan l'aliatge passa de l'envelliment màxim a l'estat de sobreenvelliment, el valor de σapp en el moment de l'esquerdament de l'aliatge disminueix més, cosa que resulta en una disminució significativa de la tensió efectiva al límit de gra (σapp-σa0). La tensió efectiva al límit de gra del sobreenvelliment és aproximadament 1/5 de la de l'envelliment màxim, és a dir, és menys probable que s'esquerdi al límit de gra en l'estat de sobreenvelliment, cosa que resulta en un millor rendiment de reblat de l'aliatge.
2.2 Optimització de la temperatura d'extrusió i del sistema de procés d'envelliment
Segons els resultats anteriors, augmentar la temperatura d'extrusió pot reduir la profunditat de la capa de gra gruixut, inhibint així l'esquerdament del material durant el procés de reblat. Tanmateix, sota la premissa de certes composicions d'aliatge, estructura de la matriu d'extrusió i procés d'extrusió, si la temperatura d'extrusió és massa alta, d'una banda, el grau de flexió i torsió del perfil s'agreujarà durant el procés de refredament posterior, fent que la tolerància de la mida del perfil no compleixi els requisits, i d'altra banda, farà que l'aliatge es sobrecremi fàcilment durant el procés d'extrusió, augmentant el risc de raspallat de material. Tenint en compte l'estat de reblat, el procés de mida del perfil, la finestra del procés de producció i altres factors, la temperatura d'extrusió més adequada per a aquest aliatge no és inferior a 485 ℃, és a dir, la mostra núm. 2. Per confirmar el sistema òptim del procés d'envelliment, el procés d'envelliment es va optimitzar basant-se en la mostra núm. 2.
Les propietats mecàniques de la mostra núm. 2 a diferents temps d'envelliment a 180 ℃, 185 ℃ i 190 ℃ es mostren a la Figura 3, que són el límit elàstic, la resistència a la tracció i l'allargament. Com es mostra a la Figura 3a, per sota de 180 ℃, el temps d'envelliment augmenta de 6 h a 12 h, i el límit elàstic del material no disminueix significativament. Per sota de 185 ℃, a mesura que el temps d'envelliment augmenta de 4 h a 12 h, el límit elàstic primer augmenta i després disminueix, i el temps d'envelliment corresponent al valor de resistència més alt és de 5-6 h. Per sota de 190 ℃, a mesura que augmenta el temps d'envelliment, el límit elàstic disminueix gradualment. En general, a les tres temperatures d'envelliment, com més baixa sigui la temperatura d'envelliment, més alta serà la resistència màxima del material. Les característiques de la resistència a la tracció a la Figura 3b són consistents amb el límit elàstic de la Figura 3a. L'allargament a diferents temperatures d'envelliment que es mostren a la Figura 3c es troba entre el 14% i el 17%, sense un patró de canvi evident. Aquest experiment prova l'etapa d'envelliment màxim fins a l'etapa de sobreenvelliment i, a causa de les petites diferències experimentals, l'error de prova fa que el patró de canvi no sigui clar.
Fig.3 Propietats mecàniques dels materials a diferents temperatures i temps d'envelliment
Després del tractament d'envelliment esmentat anteriorment, l'esquerdament de les unions reblades es resumeix a la Taula 4. Es pot veure a la Taula 4 que amb l'augment del temps, l'esquerdament de les unions reblades es suprimeix fins a cert punt. En condicions de 180 ℃, quan el temps d'envelliment supera les 10 h, l'aspecte de la unió reblada està en un estat acceptable, però inestable. En condicions de 185 ℃, després d'un envelliment de 7 h, l'aspecte de la unió reblada no té esquerdes i l'estat és relativament estable. En condicions de 190 ℃, l'aspecte de la unió reblada no té esquerdes i l'estat és estable. Dels resultats de la prova de reblat, es pot veure que el rendiment de reblat és millor i més estable quan l'aliatge es troba en un estat sobreenvellit. Combinat amb l'ús del perfil del cos, el reblat a 180 ℃/10~12 h no afavoreix l'estabilitat de la qualitat del procés de producció controlat pel fabricant d'equips originals. Per tal de garantir l'estabilitat de la unió reblada, cal allargar encara més el temps d'envelliment, però la verificació del temps d'envelliment comportarà una reducció de l'eficiència de producció del perfil i un augment dels costos. Sota la condició de 190 ℃, totes les mostres poden complir els requisits de fissura per reblat, però la resistència del material es redueix significativament. Segons els requisits del disseny del vehicle, s'ha de garantir que el límit elàstic de l'aliatge 6082 sigui superior a 270 MPa. Per tant, la temperatura d'envelliment de 190 ℃ no compleix els requisits de resistència del material. Al mateix temps, si la resistència del material és massa baixa, el gruix residual de la placa inferior de la unió reblada serà massa petit. Després de l'envelliment a 190 ℃/8 h, les característiques de la secció transversal reblada mostren que el gruix residual és de 0,26 mm, cosa que no compleix el requisit d'índex de ≥0,3 mm, com es mostra a la Figura 4a. Considerant-ho de manera exhaustiva, la temperatura d'envelliment òptima és de 185 ℃. Després d'un envelliment de 7 h, el material pot complir de manera estable els requisits de reblat i la resistència compleix els requisits de rendiment. Tenint en compte l'estabilitat de la producció del procés de reblat al taller de soldadura, es proposa que el temps d'envelliment òptim es determini en 8 h. Les característiques de la secció transversal en aquest sistema de procés es mostren a la Figura 4b, que compleix els requisits d'índex d'enclavament. Els enclavaments esquerre i dret són de 0,90 mm i 0,75 mm, que compleixen els requisits d'índex de ≥0,4 mm, i el gruix residual inferior és de 0,38 mm.
Taula 4 Esquerdament de la mostra núm. 2 a diferents temperatures i diferents temps d'envelliment
Fig.4 Característiques de la secció transversal de les unions rivetades de plaques inferiors 6082 en diferents estats d'envelliment
3 Conclusió
Com més alta sigui la temperatura d'extrusió dels perfils d'aliatge d'alumini 6082, més superficial serà la capa de gra gruixut de la superfície després de l'extrusió. El gruix de la capa de gra gruixut menys profund pot reduir eficaçment el factor de concentració d'estrès al límit del gra, inhibint així l'esquerdament per reblat. La investigació experimental ha determinat que la temperatura d'extrusió òptima no és inferior a 485 ℃.
Quan el gruix de la capa de gra gruixut del perfil d'aliatge d'alumini 6082 és el mateix, la tensió efectiva del límit de gra de l'aliatge en l'estat de sobreenvelliment és menor que en l'estat d'envelliment màxim, el risc d'esquerdament durant el reblat és menor i el rendiment de reblat de l'aliatge és millor. Tenint en compte els tres factors d'estabilitat del reblat, valor d'enclavament de la unió reblada, eficiència de producció del tractament tèrmic i beneficis econòmics, el sistema d'envelliment òptim per a l'aliatge es determina a 185 ℃/8 h.
Data de publicació: 05 d'abril de 2025
