Ettersom land rundt om i verden legger stor vekt på energisparing og utslippsreduksjon, har utviklingen av rent elektriske nye energikjøretøyer blitt en trend. I tillegg til batteriytelse er karosseriets kvalitet også en avgjørende faktor som påvirker rekkevidden til nye energikjøretøyer. Å fremme utviklingen av lette bilkarosseristrukturer og høykvalitetskoblinger kan forbedre den omfattende kjørerekkevidden til elektriske kjøretøy ved å redusere vekten på hele kjøretøyet så mye som mulig, samtidig som kjøretøyets styrke og sikkerhetsytelse sikres. Når det gjelder lettvekt av biler, tar stål-aluminium hybridkarosseriet hensyn til både styrken og vektreduksjonen av karosseriet, og blir et viktig middel for å oppnå lettvekt av karosseriet.
Den tradisjonelle tilkoblingsmetoden for tilkobling av aluminiumslegeringer har dårlig tilkoblingsytelse og lav pålitelighet. Selvgjennomborende nagling, som en ny tilkoblingsteknologi, har blitt mye brukt i bilindustrien og luftfartsindustrien på grunn av dens absolutte fordel i tilkobling av lette legeringer og komposittmaterialer. I de senere år har kinesiske innenlandske forskere utført relevant forskning på selvgjennomborende naglingteknologi og studert effekten av ulike varmebehandlingsmetoder på ytelsen til TA1 industrielle, selvgjennomborende naglede skjøter av rent titan. Det ble funnet at gløding og bråkjøling av varmebehandlingsmetoder forbedret den statiske styrken til TA1 industrielle, selvgjennomborende naglede skjøter av rent titan. Skjøtdannelsesmekanismen ble observert og analysert fra et materialflytperspektiv, og skjøtkvaliteten ble evaluert basert på dette. Gjennom metallografiske tester ble det funnet at det store plastiske deformasjonsområdet ble raffinert til en fiberstruktur med en viss tendens, noe som fremmet forbedringen av skjøtens flytespenning og utmattingsstyrke.
Ovennevnte forskning fokuserer hovedsakelig på de mekaniske egenskapene til skjøtene etter nagling av aluminiumslegeringsplater. I den faktiske naglingsproduksjonen av bilkarosserier er sprekker i naglingsskjøtene til ekstruderte profiler av aluminiumslegering, spesielt høyfaste aluminiumslegeringer med høyt innhold av legeringselementer, som 6082 aluminiumslegering, nøkkelfaktorene som begrenser bruken av denne prosessen på bilkarosseriet. Samtidig påvirker form- og posisjonstoleransene til de ekstruderte profilene som brukes på bilkarosseriet, som bøying og vridning, direkte monteringen og bruken av profilene, og bestemmer også dimensjonsnøyaktigheten til det påfølgende bilkarosseriet. For å kontrollere bøying og vridning av profilene og sikre dimensjonsnøyaktigheten til profilene, er utløpstemperaturen til profilene og online bråkjølingshastigheten i tillegg til dysestrukturen de viktigste påvirkningsfaktorene. Jo høyere utløpstemperatur og jo raskere bråkjølingshastighet, desto større er bøyings- og vridningsgraden til profilene. For aluminiumslegeringsprofiler for bilkarosserier er det nødvendig å sikre dimensjonsnøyaktigheten til profilene og sørge for at legeringsnaglingen ikke sprekker. Den enkleste måten å optimalisere dimensjonsnøyaktigheten og naglingssprekkingsytelsen til legeringen er å kontrollere sprekkdannelse ved å optimalisere oppvarmingstemperaturen og aldringsprosessen til de ekstruderte stengene, samtidig som materialsammensetningen, dysestrukturen, ekstruderingshastigheten og bråkjølingshastigheten holdes uendret. For 6082 aluminiumslegering, under forutsetningen om at andre prosessbetingelser forblir uendret, jo høyere ekstruderingstemperaturen er, desto grunnere blir det grovkornede laget, men desto større blir deformasjonen av profilen etter bråkjøling.
Denne artikkelen tar for seg en 6082 aluminiumslegering med samme sammensetning som forskningsobjektet, bruker forskjellige ekstruderingstemperaturer og forskjellige aldringsprosesser for å fremstille prøver i forskjellige tilstander, og evaluerer effekten av ekstruderingstemperatur og aldringstilstand på nagletesten gjennom nagletester. Basert på de foreløpige resultatene bestemmes den optimale aldringsprosessen videre for å gi veiledning for den påfølgende produksjonen av 6082 aluminiumslegeringsprofiler.
1 Eksperimentelle materialer og metoder
Som vist i tabell 1 ble 6082-aluminiumlegeringen smeltet og fremstilt til en rund barre ved semikontinuerlig støping. Deretter, etter homogeniseringsvarmebehandling, ble barren varmet opp til forskjellige temperaturer og ekstrudert til en profil på en 2200 t ekstruder. Profilveggtykkelsen var 2,5 mm, ekstruderingstønnens temperatur var 440 ± 10 ℃, ekstruderingsdysens temperatur var 470 ± 10 ℃, ekstruderingshastigheten var 2,3 ± 0,2 mm/s, og profilavkjølingsmetoden var sterk vindkjøling. I henhold til oppvarmingstemperaturen ble prøvene nummerert fra 1 til 3, hvorav prøve 1 hadde den laveste oppvarmingstemperaturen, og den tilsvarende barretemperaturen var 470 ± 5 ℃, den tilsvarende barretemperaturen for prøve 2 var 485 ± 5 ℃, og temperaturen for prøve 3 var den høyeste, og den tilsvarende barretemperaturen var 500 ± 5 ℃.
Tabell 1 Målt kjemisk sammensetning av testlegeringen (massefraksjon/%)
Under forutsetning av at andre prosessparametere som materialsammensetning, dysestruktur, ekstruderingshastighet og bråkjølingshastighet forblir uendret, blir prøvene nr. 1 til 3 ovenfor, som er oppnådd ved å justere ekstruderingsoppvarmingstemperaturen, eldet i en boksformet motstandsovn, og aldringssystemet er 180 ℃/6 t og 190 ℃/6 t. Etter isoleringen blir de luftkjølt og deretter naglet for å evaluere påvirkningen av forskjellige ekstruderingstemperaturer og aldringstilstander på nagletesten. Nagletesten bruker en 2,5 mm tykk 6082-legering med forskjellige ekstruderingstemperaturer og forskjellige aldringssystemer som bunnplate, og en 1,4 mm tykk 5754-O-legering som øvre plate for SPR-nagletesten. Nagledysen er M260238, og naglen er C5,3 × 6,0 H0. I tillegg, for å bestemme den optimale aldringsprosessen ytterligere, i henhold til påvirkningen av ekstruderingstemperatur og aldringstilstand på naglingssprekker, velges platen ved optimal ekstruderingstemperatur, og deretter behandles den med forskjellige temperaturer og forskjellige aldringstider for å studere påvirkningen av aldringssystemet på naglingssprekker, for til slutt å bekrefte det optimale aldringssystemet. Et høyeffektsmikroskop ble brukt til å observere materialets mikrostruktur ved forskjellige ekstruderingstemperaturer, en MTS-SANS CMT5000-serie mikrodatamaskinstyrt elektronisk universaltestmaskin ble brukt til å teste de mekaniske egenskapene, og et laveffektsmikroskop ble brukt til å observere de naglede skjøtene etter nagling i forskjellige tilstander.
2 Eksperimentelle resultater og diskusjon
2.1 Effekt av ekstruderingstemperatur og aldringstilstand på naglingssprekker
Prøvetaking ble tatt langs tverrsnittet av den ekstruderte profilen. Etter grovsliping, finsliping og polering med sandpapir ble prøven korrodert med 10 % NaOH i 8 minutter, og det svarte korrosjonsproduktet ble tørket rent med salpetersyre. Det grove kornete laget i prøven ble observert med et høyeffektsmikroskop, som var plassert på overflaten utenfor nagleknuten ved den tiltenkte naglingsposisjonen, som vist i figur 1. Den gjennomsnittlige grovkornete lagdybden for prøve nr. 1 var 352 μm, den gjennomsnittlige grovkornete lagdybden for prøve nr. 2 var 135 μm, og den gjennomsnittlige grovkornete lagdybden for prøve nr. 3 var 31 μm. Forskjellen i dybden på det grove kornete laget skyldes hovedsakelig de forskjellige ekstruderingstemperaturene. Jo høyere ekstruderingstemperatur, desto lavere deformasjonsmotstand for 6082-legeringen, desto mindre deformasjonsenergilagring generert av friksjonen mellom legeringen og ekstruderingsdysen (spesielt dysens arbeidsbelte), og desto mindre er drivkraften for rekrystallisering. Derfor er det grovkornede overflatelaget grunnere; jo lavere ekstruderingstemperatur, desto større deformasjonsmotstand, desto større lagring av deformasjonsenergi, desto lettere er det å omkrystallisere, og desto dypere er det grovkornede laget. For 6082-legeringen er mekanismen for grovkornsomkrystallisering sekundær omkrystallisering.
(a) Modell 1
(b) Modell 2
(c) Modell 3
Figur 1 Tykkelse på grovkornet lag av ekstruderte profiler ved forskjellige prosesser
Prøvene 1 til 3, fremstilt ved forskjellige ekstruderingstemperaturer, ble aldret ved henholdsvis 180 ℃/6 timer og 190 ℃/6 timer. De mekaniske egenskapene til prøve 2 etter de to aldringsprosessene er vist i tabell 2. Under de to aldringssystemene er flytegrensen og strekkfastheten til prøven ved 180 ℃/6 timer betydelig høyere enn ved 190 ℃/6 timer, mens forlengelsen av de to ikke er mye forskjellig, noe som indikerer at 190 ℃/6 timer er en overaldringsbehandling. Siden de mekaniske egenskapene til 6-serie aluminiumlegering svinger mye med endringen i aldringsprosessen i underaldringstilstanden, er det ikke gunstig for stabiliteten i profilproduksjonsprosessen og kontrollen av naglingskvaliteten. Derfor er det ikke egnet å bruke underaldringstilstanden til å produsere karosseriprofiler.
Tabell 2 Mekaniske egenskaper for prøve nr. 2 under to aldringssystemer
Utseendet til teststykket etter nagling er vist i figur 2. Da prøve nr. 1 med et dypere grovkornet lag ble naglet i toppaldringstilstand, hadde naglens bunnflate tydelig appelsinskall og sprekker som var synlige for det blotte øye, som vist i figur 2a. På grunn av den inkonsistente orienteringen inne i kornene, vil deformasjonsgraden være ujevn under deformasjon, noe som danner en ujevn overflate. Når kornene er grove, blir ujevnhetene i overflaten større, noe som danner et appelsinskallfenomen som er synlig for det blotte øye. Da prøve nr. 3 med et grunnere grovkornet lag fremstilt ved å øke ekstruderingstemperaturen ble naglet i toppaldringstilstand, var naglens bunnflate relativt glatt, og sprekkdannelsen ble undertrykt til en viss grad, noe som bare var synlig under mikroskopforstørrelse, som vist i figur 2b. Da prøve nr. 3 var i overaldringstilstand, ble det ikke observert sprekkdannelse under mikroskopforstørrelse, som vist i figur 2c.
(a) Sprekker synlige for det blotte øye
(b) Små sprekker synlige under mikroskop
(c) Ingen sprekker
Figur 2 Ulike grader av sprekkdannelse etter nagling
Overflaten etter nagling er hovedsakelig i tre tilstander, nemlig sprekker synlige for det blotte øye (merket «×»), små sprekker synlige under mikroskopforstørrelse (merket «△»), og ingen sprekker (merket «○»). Resultatene av naglingsmorfologien for de tre tilstandsprøvene ovenfor under to aldringssystemer er vist i tabell 3. Det kan sees at når aldringsprosessen er konstant, er naglingssprekkingsytelsen til prøven med høyere ekstruderingstemperatur og tynnere grovkornet lag bedre enn for prøven med dypere grovkornet lag. Når grovkornet lag er konstant, er naglingssprekkingsytelsen i overaldringstilstanden bedre enn i toppaldringstilstanden.
Tabell 3. Tilstrekkelig utseende for prøvene 1 til 3 under to prosessystemer
Effektene av kornmorfologi og aldringstilstand på profilenes aksiale kompresjonssprekkdannelse ble studert. Materialets spenningstilstand under aksial kompresjon var i samsvar med den ved selvgjennomtrengende nagling. Studien fant at sprekkene oppsto fra korngrensene, og sprekkdannelsesmekanismen til Al-Mg-Si-legeringen ble forklart av formelen.
σapp er spenningen som påføres krystallen. Ved sprekkdannelse er σapp lik den sanne spenningsverdien som tilsvarer strekkfastheten; σa0 er motstanden til utfellingene under intrakrystallinsk glidning; Φ er spenningskonsentrasjonskoeffisienten, som er relatert til kornstørrelsen d og glidebredden p.
Sammenlignet med omkrystallisering er fiberstrukturen mer gunstig for sprekkdannelseshemming. Hovedårsaken er at kornstørrelsen d reduseres betydelig på grunn av kornforfining, noe som effektivt kan redusere spenningskonsentrasjonsfaktoren Φ ved korngrensen, og dermed hemme sprekkdannelse. Sammenlignet med fiberstrukturen er spenningskonsentrasjonsfaktoren Φ for omkrystallisert legering med grove korn omtrent 10 ganger høyere enn for førstnevnte.
Sammenlignet med toppaldring er overaldringstilstanden mer gunstig for sprekkdannelseshemming, noe som bestemmes av de forskjellige utfellingsfasetilstandene inne i legeringen. Under toppaldring utfelles 20-50 nm 'β (Mg5Si6)-faser i 6082-legeringen, med et stort antall utfellinger og små størrelser. Når legeringen er i overaldring, reduseres antallet utfellinger i legeringen og størrelsen blir større. Utfellingene som genereres under aldringsprosessen kan effektivt hemme bevegelsen av dislokasjoner inne i legeringen. Festekraften på dislokasjoner er relatert til størrelsen og volumfraksjonen av utfellingsfasen. Den empiriske formelen er:
f er volumfraksjonen av utfeltfasen; r er størrelsen på fasen; σa er grenseflateenergien mellom fasen og matrisen. Formelen viser at jo større størrelsen på utfeltfasen er og jo mindre volumfraksjonen er, desto mindre er dens festekraft på dislokasjoner, desto lettere er det for dislokasjoner i legeringen å starte, og σa0 i legeringen vil avta fra toppaldring til overaldringstilstand. Selv om σa0 avtar, når legeringen går fra toppaldring til overaldringstilstand, avtar σapp-verdien ved tidspunktet for sprekkdannelse i legeringen mer, noe som resulterer i en betydelig reduksjon i den effektive spenningen ved korngrensen (σapp-σa0). Den effektive spenningen ved korngrensen ved overaldring er omtrent 1/5 av den ved toppaldring, det vil si at det er mindre sannsynlig at det sprekker ved korngrensen i overaldringstilstand, noe som resulterer i bedre nagleytelse for legeringen.
2.2 Optimalisering av ekstruderingstemperatur og aldringsprosesssystem
I følge resultatene ovenfor kan økning av ekstruderingstemperaturen redusere dybden på det grovkornede laget, og dermed hemme sprekkdannelse i materialet under naglingsprosessen. Imidlertid, under forutsetningen om en viss legeringssammensetning, ekstruderingsdysestruktur og ekstruderingsprosess, hvis ekstruderingstemperaturen er for høy, vil på den ene siden bøyings- og vridningsgraden til profilen forverres under den påfølgende bråkjølingsprosessen, noe som gjør at profilstørrelsestoleransen ikke oppfyller kravene, og på den andre siden vil det føre til at legeringen lett overbrennes under ekstruderingsprosessen, noe som øker risikoen for materialskraping. Med tanke på naglingstilstanden, profilstørrelsesprosessen, produksjonsprosessvinduet og andre faktorer, er den mest passende ekstruderingstemperaturen for denne legeringen ikke mindre enn 485 ℃, det vil si prøve nr. 2. For å bekrefte det optimale aldringsprosesssystemet ble aldringsprosessen optimalisert basert på prøve nr. 2.
De mekaniske egenskapene til prøve nr. 2 ved forskjellige aldringstider ved 180 ℃, 185 ℃ og 190 ℃ er vist i figur 3, som er flytegrense, strekkfasthet og forlengelse. Som vist i figur 3a, øker aldringstiden under 180 ℃ fra 6 timer til 12 timer, og materialets flytegrense synker ikke betydelig. Under 185 ℃, når aldringstiden øker fra 4 timer til 12 timer, øker flytegrensen først og synker deretter, og aldringstiden som tilsvarer den høyeste styrkeverdien er 5-6 timer. Under 190 ℃, når aldringstiden øker, synker flytegrensen gradvis. Totalt sett, ved de tre aldringstemperaturene, jo lavere aldringstemperaturen er, desto høyere er materialets toppstyrke. Egenskapene til strekkfastheten i figur 3b er konsistente med flytegrensen i figur 3a. Forlengelsen ved forskjellige aldringstemperaturer vist i figur 3c er mellom 14 % og 17 %, uten noe åpenbart endringsmønster. Dette eksperimentet tester toppaldring til overaldringsstadiet, og på grunn av de små eksperimentelle forskjellene fører testfeilen til at endringsmønsteret blir uklart.
Fig. 3 Mekaniske egenskaper til materialer ved forskjellige aldringstemperaturer og aldringstider
Etter aldringsbehandlingen ovenfor er sprekkdannelsen i naglede skjøter oppsummert i tabell 4. Det fremgår av tabell 4 at sprekkdannelsen i naglede skjøter undertrykkes til en viss grad med økende tid. Ved 180 ℃, når aldringstiden overstiger 10 timer, er naglede skjøter i en akseptabel tilstand, men ustabile. Ved 185 ℃, etter 7 timers aldring, er naglede skjøter uten sprekker, og tilstanden er relativt stabil. Ved 190 ℃ er naglede skjøter uten sprekker, og tilstanden er stabil. Fra nagledetestresultatene kan man se at nagledeegenskapene er bedre og mer stabile når legeringen er i en overaldret tilstand. Kombinert med bruk av kroppsprofil er nagling ved 180 ℃/10~12 timer ikke gunstig for kvalitetsstabiliteten til produksjonsprosessen som kontrolleres av OEM. For å sikre stabiliteten til den naglede skjøten må aldringstiden forlenges ytterligere, men verifiseringen av aldringstiden vil føre til redusert profilproduksjonseffektivitet og økte kostnader. Under en temperatur på 190 ℃ kan alle prøvene oppfylle kravene til naglingssprekker, men materialets styrke reduseres betydelig. I henhold til kravene til kjøretøydesign må flytegrensen til 6082-legeringen garanteres å være større enn 270 MPa. Derfor oppfyller ikke en aldringstemperatur på 190 ℃ kravene til materialstyrke. Samtidig, hvis materialstyrken er for lav, vil den resterende tykkelsen på bunnplaten til den naglede skjøten være for liten. Etter aldring ved 190 ℃/8 timer viser de naglede tverrsnittskarakteristikkene at den resterende tykkelsen er 0,26 mm, noe som ikke oppfyller indekskravet på ≥0,3 mm, som vist i figur 4a. Sett under ett er den optimale aldringstemperaturen 185 ℃. Etter aldring i 7 timer kan materialet stabilt oppfylle naglingskravene, og styrken oppfyller ytelseskravene. Med tanke på produksjonsstabiliteten til naglingsprosessen i sveiseverkstedet, foreslås den optimale aldringstiden å bestemmes til 8 timer. Tverrsnittsegenskapene under dette prosesssystemet er vist i figur 4b, som oppfyller kravene til sammenkoblingsindeksen. Venstre og høyre sammenkobling er 0,90 mm og 0,75 mm, som oppfyller indekskravene på ≥0,4 mm, og den nederste resttykkelsen er 0,38 mm.
Tabell 4 Sprekkdannelse av prøve nr. 2 ved forskjellige temperaturer og forskjellige aldringstider
Fig. 4 Tverrsnittskarakteristikker for naglede skjøter i 6082 bunnplater ved forskjellige aldringstilstander
3 Konklusjon
Jo høyere ekstruderingstemperaturen til 6082 aluminiumslegeringsprofiler er, desto grunnere blir det grovkornede overflatelaget etter ekstrudering. En grunnere grovkornet lagtykkelse kan effektivt redusere spenningskonsentrasjonsfaktoren ved korngrensen, og dermed hemme naglingssprekker. Eksperimentell forskning har vist at den optimale ekstruderingstemperaturen ikke er lavere enn 485 ℃.
Når tykkelsen på det grovkornede laget av 6082 aluminiumslegeringsprofil er den samme, er den effektive spenningen i korngrensen til legeringen i overaldringstilstanden mindre enn i toppaldringstilstanden, risikoen for sprekkdannelser under nagling er mindre, og naglingsytelsen til legeringen er bedre. Med tanke på de tre faktorene naglingsstabilitet, naglingsforbindelsens sammenlåsningsverdi, varmebehandlingsproduksjonseffektivitet og økonomiske fordeler, bestemmes det optimale aldringssystemet for legeringen til å være 185 ℃/8t.
Publisert: 05.04.2025
