Поскольку во всем мире большое значение придается энергосбережению и сокращению выбросов, разработка чисто электрических транспортных средств на новой энергии стала тенденцией. Помимо производительности аккумулятора, качество кузова также является решающим фактором, влияющим на запас хода новых энергетических транспортных средств. Стимулирование разработки облегченных конструкций автомобильных кузовов и высококачественных соединений может улучшить общий запас хода электромобилей за счет максимального снижения веса всего автомобиля, обеспечивая при этом его прочность и безопасность. С точки зрения облегчения веса автомобилей, гибридный кузов из стали и алюминия учитывает как прочность, так и снижение веса кузова, становясь важным средством достижения облегчения кузова.
Традиционный метод соединения алюминиевых сплавов имеет плохие эксплуатационные характеристики и низкую надежность. Самопроникающая заклепка, как новая технология соединения, широко используется в автомобильной промышленности и аэрокосмической промышленности благодаря своему абсолютному преимуществу при соединении легких сплавов и композитных материалов. В последние годы китайские ученые провели соответствующие исследования технологии самопроникающей заклепки и изучили влияние различных методов термической обработки на характеристики промышленных самопроникающих заклепочных соединений из чистого титана TA1. Было обнаружено, что методы термической обработки отжигом и закалкой улучшают статическую прочность промышленных самопроникающих заклепочных соединений из чистого титана TA1. Механизм формирования соединения был исследован и проанализирован с точки зрения течения материала, и на основе этого было оценено качество соединения. С помощью металлографических испытаний было обнаружено, что большая область пластической деформации была измельчена в волокнистую структуру с определенной тенденцией, что способствовало повышению предела текучести и усталостной прочности соединения.
Вышеуказанные исследования в основном сосредоточены на механических свойствах соединений после клепки пластин из алюминиевого сплава. В реальном клепальном производстве кузовов автомобилей трещины заклепочных соединений прессованных профилей из алюминиевых сплавов, особенно высокопрочных алюминиевых сплавов с высоким содержанием легирующих элементов, таких как алюминиевый сплав 6082, являются ключевыми факторами, ограничивающими применение этого процесса на кузове автомобиля. В то же время допуски формы и положения прессованных профилей, используемых на кузове автомобиля, такие как изгиб и скручивание, напрямую влияют на сборку и использование профилей, а также определяют точность размеров последующего кузова автомобиля. Для контроля изгиба и скручивания профилей и обеспечения точности размеров профилей, помимо структуры матрицы, наиболее важными влияющими факторами являются температура на выходе профилей и скорость закалки в режиме онлайн. Чем выше температура на выходе и выше скорость закалки, тем больше степень изгиба и скручивания профилей. При изготовлении профилей из алюминиевых сплавов для кузовов автомобилей необходимо обеспечить точность размеров и отсутствие трещин в заклёпочной системе. Простейшим способом оптимизации точности размеров и устойчивости к растрескиванию заклёпочных соединений является контроль за растрескиванием путём оптимизации температуры нагрева и процесса старения экструдированных прутков при сохранении неизменного состава материала, структуры матрицы, скорости экструзии и скорости закалки. Для алюминиевого сплава 6082, при условии неизменности прочих технологических условий, чем выше температура экструзии, тем мельче крупнозернистый слой, но тем больше деформация профиля после закалки.
В данной работе для алюминиевого сплава 6082 того же состава, что и исследуемый объект, используются различные температуры экструзии и различные процессы старения для подготовки образцов в различных состояниях, а также оценивается влияние температуры экструзии и процесса старения на результаты испытаний на клепку. На основании предварительных результатов определяется оптимальный процесс старения, который послужит руководством для последующего производства профилей для корпусов из алюминиевого сплава 6082 методом экструзии.
1 Экспериментальные материалы и методы
Как показано в таблице 1, алюминиевый сплав 6082 был расплавлен и получен в виде круглого слитка методом полунепрерывного литья. Затем, после гомогенизирующей термической обработки, слиток был нагрет до различных температур и выдавлен в профиль на экструдере усилием 2200 т. Толщина стенки профиля составляла 2,5 мм, температура цилиндра экструдера – 440±10 ℃, температура фильеры – 470±10 ℃, скорость экструзии – 2,3±0,2 мм/с, способ закалки профиля – интенсивное обдув. В зависимости от температуры нагрева образцы были пронумерованы от 1 до 3, среди которых образец 1 имел самую низкую температуру нагрева, а соответствующая температура заготовки составила 470±5 ℃, соответствующая температура заготовки образца 2 составила 485±5 ℃, а температура образца 3 была самой высокой, а соответствующая температура заготовки составила 500±5 ℃.
Таблица 1 Измеренный химический состав испытуемого сплава (массовая доля/%)
При условии, что другие параметры процесса, такие как состав материала, структура матрицы, скорость экструзии, скорость закалки остаются неизменными, указанные выше образцы № 1–3, полученные путем регулировки температуры нагрева экструзии, старятся в муфельной печи сопротивления при температуре 180 ℃/6 ч и 190 ℃/6 ч. После изоляции образцы охлаждаются на воздухе и затем клепаются для оценки влияния различных температур экструзии и состояний старения на испытание на клепку. В испытании на клепку в качестве нижней пластины используется сплав 6082 толщиной 2,5 мм с различными температурами экструзии и различными системами старения, а в качестве верхней пластины для испытания на клепку SPR используется сплав 5754-O толщиной 1,4 мм. Клепальный штамп — M260238, заклепка — C5.3×6.0 H0. Кроме того, для дальнейшего определения оптимального процесса старения, в соответствии с влиянием температуры экструзии и состояния старения на растрескивание заклепок, выбирается пластина при оптимальной температуре экструзии, а затем обрабатывается при различных температурах и разном времени старения для изучения влияния системы старения на растрескивание заклепок, чтобы окончательно подтвердить оптимальную систему старения. Для наблюдения за микроструктурой материала при различных температурах экструзии использовался высокомощный микроскоп, для испытания механических свойств использовалась электронная универсальная испытательная машина с микрокомпьютерным управлением серии MTS-SANS CMT5000, а для наблюдения за заклепочными соединениями после клепки в различных состояниях использовался маломощный микроскоп.
2Экспериментальные результаты и обсуждение
2.1 Влияние температуры экструзии и состояния старения на растрескивание заклепок
Образцы отбирались вдоль поперечного сечения экструдированного профиля. После грубой шлифовки, тонкой шлифовки и полировки наждачной бумагой образец подвергался коррозии в течение 8 минут с использованием 10% NaOH, а черные продукты коррозии удалялись азотной кислотой. Крупнозернистый слой образца исследовался с помощью мощного микроскопа, расположенного на поверхности снаружи заклепочной пряжки в предполагаемом месте клепки, как показано на рисунке 1. Средняя глубина крупнозернистого слоя образца № 1 составляла 352 мкм, средняя глубина крупнозернистого слоя образца № 2 составляла 135 мкм, а средняя глубина крупнозернистого слоя образца № 3 составляла 31 мкм. Разница в глубине крупнозернистого слоя в основном обусловлена разной температурой экструзии. Чем выше температура экструзии, тем ниже сопротивление деформации сплава 6082, тем меньше запас энергии деформации, создаваемый трением между сплавом и экструзионной матрицей (особенно рабочим пояском матрицы), и тем меньше движущая сила рекристаллизации. Следовательно, поверхностный крупнозернистый слой оказывается тоньше; чем ниже температура экструзии, тем выше сопротивление деформации, тем больше запас энергии деформации, тем легче рекристаллизоваться и тем глубже крупнозернистый слой. Для сплава 6082 механизм крупнозернистой рекристаллизации – вторичная рекристаллизация.
(а) Модель 1
(б) Модель 2
(c) Модель 3
Рисунок 1. Толщина крупнозернистого слоя экструдированных профилей, полученных различными способами
Образцы 1–3, приготовленные при различных температурах экструзии, были состарены при 180 ℃/6 ч и 190 ℃/6 ч соответственно. Механические свойства образца 2 после двух процессов старения представлены в таблице 2. При двух системах старения предел текучести и прочность на растяжение образца при 180 ℃/6 ч значительно выше, чем при 190 ℃/6 ч, в то время как относительное удлинение двух образцов сильно не отличается, что указывает на то, что 190 ℃/6 ч является перестариванием. Поскольку механические свойства алюминиевого сплава 6 серии значительно колеблются с изменением процесса старения в состоянии недостарения, это не способствует стабильности процесса производства профилей и контролю качества клепки. Следовательно, оно не подходит для производства профилей кузова.
Таблица 2 Механические свойства образца № 2 при двух системах старения
Внешний вид испытуемого образца после клепки показан на рисунке 2. Когда образец № 1 с более глубоким крупнозернистым слоем был клепан в состоянии пикового старения, нижняя поверхность заклепки имела очевидную апельсиновую корку и трещины, видимые невооруженным глазом, как показано на рисунке 2а. Из-за непоследовательной ориентации внутри зерен степень деформации будет неравномерной во время деформации, образуя неровную поверхность. Когда зерна крупные, неровность поверхности становится больше, образуя явление апельсиновой корки, видимое невооруженным глазом. Когда образец № 3 с более мелким крупнозернистым слоем, подготовленным путем повышения температуры экструзии, был клепан в состоянии пикового старения, нижняя поверхность заклепки была относительно гладкой, и растрескивание было подавлено до некоторой степени, что было видно только под микроскопом, как показано на рисунке 2b. Когда образец № 3 находился в состоянии перестаривания, трещины не наблюдались под микроскопом, как показано на рисунке 2c.
(а) Трещины, видимые невооруженным глазом
(б) Небольшие трещины, видимые под микроскопом
(c) Нет трещин
Рисунок 2. Различная степень растрескивания после клепки
Поверхность после клепки находится в основном в трех состояниях, а именно, с трещинами, видимыми невооруженным глазом (отмечено «×»), незначительными трещинами, видимыми под микроскопом (отмечено «△»), и без трещин (отмечено «○»). Результаты морфологии клепки образцов в трех вышеуказанных состояниях при двух системах старения представлены в таблице 3. Видно, что при постоянном процессе старения характеристики клепки против растрескивания образца с более высокой температурой экструзии и более тонким слоем крупного зерна лучше, чем у образца с более глубоким слоем крупного зерна; при постоянном слое крупного зерна характеристики клепки против растрескивания в состоянии перестаривания лучше, чем в состоянии пикового старения.
Таблица 3 Внешний вид клепки образцов 1–3 при двух технологических системах
Изучено влияние морфологии зерен и состояния старения на поведение профилей при осевом сжатии. Напряженное состояние материала при осевом сжатии соответствовало напряжению при самопроникающей заклепке. Исследование показало, что трещины возникают на границах зерен, а механизм растрескивания сплава Al-Mg-Si описан формулой.
σapp – напряжение, приложенное к кристаллу. При растрескивании σapp равно истинному напряжению, соответствующему пределу прочности на разрыв; σa0 – сопротивление выделений при внутрикристаллическом скольжении; Φ – коэффициент концентрации напряжений, связанный с размером зерна d и шириной скольжения p.
По сравнению с рекристаллизацией, волокнистая структура зерна более благоприятствует торможению трещин. Основная причина заключается в значительном уменьшении размера зерна d за счёт измельчения, что может эффективно снизить коэффициент концентрации напряжений Φ на границах зерен, тем самым препятствуя растрескиванию. По сравнению с волокнистой структурой, коэффициент концентрации напряжений Φ рекристаллизованного сплава с крупным зерном примерно в 10 раз выше, чем у рекристаллизованного сплава с крупным зерном.
По сравнению с пиковым старением, состояние перестаривания более благоприятствует ингибированию трещинообразования, что определяется различными фазовыми состояниями преципитатов внутри сплава. В процессе пикового старения в сплаве 6082 выделяются фазы 'β (Mg5Si6) размером 20–50 нм, с большим количеством выделений и малыми размерами; при перестаривании сплава количество выделений в сплаве уменьшается, а их размер увеличивается. Выделения, образующиеся в процессе старения, могут эффективно подавлять движение дислокаций внутри сплава. Их сила закрепления на дислокациях зависит от размера и объёмной доли преципитатов. Эмпирическая формула:
f — объемная доля преципитата; r — размер фазы; σa — энергия интерфейса между фазой и матрицей. Формула показывает, что чем больше размер преципитата и чем меньше объемная доля, тем меньше его сила закрепления на дислокациях, тем легче дислокациям в сплаве начать работу, и σa0 в сплаве будет уменьшаться от пикового старения до состояния перестарения. Даже если σa0 уменьшается, когда сплав переходит от пикового старения к состоянию перестарения, значение σapp в момент растрескивания сплава уменьшается больше, что приводит к значительному снижению эффективного напряжения на границе зерна (σapp-σa0). Эффективное напряжение на границе зерна при перестарении составляет примерно 1/5 от такового при пиковом старении, то есть вероятность образования трещины на границе зерна в состоянии перестарения меньше, что приводит к лучшим характеристикам клепки сплава.
2.2 Оптимизация температуры экструзии и системы процесса старения
Согласно приведенным выше результатам, повышение температуры экструзии позволяет уменьшить глубину крупнозернистого слоя, тем самым предотвращая растрескивание материала в процессе клепки. Однако, учитывая определенный состав сплава, структуру экструзионной головки и процесс экструзии, слишком высокая температура экструзии, с одной стороны, увеличит изгиб и скручивание профиля при последующей закалке, что приведет к несоответствию допуска на размер профиля требованиям, а с другой стороны, приведет к легкому пережогу сплава в процессе экструзии, что увеличит риск брака материала. Учитывая состояние клепки, процесс получения размера профиля, окно производственного процесса и другие факторы, наиболее подходящая температура экструзии для данного сплава составляет не менее 485 ℃, то есть образец № 2. Для подтверждения оптимальной системы процесса старения процесс старения был оптимизирован на основе образца № 2.
Механические свойства образца № 2 при различном времени старения при 180 ℃, 185 ℃ и 190 ℃ показаны на рисунке 3, которые представляют собой предел текучести, прочность на растяжение и относительное удлинение. Как показано на рисунке 3а, при 180 ℃ время старения увеличивается с 6 ч до 12 ч, а предел текучести материала существенно не уменьшается. При 185 ℃, по мере увеличения времени старения с 4 ч до 12 ч, предел текучести сначала увеличивается, а затем уменьшается, и время старения, соответствующее наибольшему значению прочности, составляет 5-6 ч. При 190 ℃, по мере увеличения времени старения, предел текучести постепенно уменьшается. В целом, при трех температурах старения, чем ниже температура старения, тем выше пиковая прочность материала. Характеристики прочности на растяжение на рисунке 3b согласуются с пределом текучести на рисунке 3а. Удлинение при различных температурах старения, показанное на рисунке 3c, составляет от 14% до 17%, без очевидной закономерности изменения. Этот эксперимент исследует переход от пикового старения к стадии перестаривания, и из-за небольших экспериментальных различий погрешность теста приводит к тому, что закономерность изменения неясна.
Рис.3 Механические свойства материалов при различных температурах и временах старения
После вышеуказанной обработки старением растрескивание заклепочных соединений суммировано в Таблице 4. Из Таблицы 4 видно, что с увеличением времени растрескивание заклепочных соединений в определенной степени подавляется. При температуре 180 ℃, когда время старения превышает 10 часов, внешний вид заклепочного соединения находится в приемлемом состоянии, но нестабильном. При температуре 185 ℃, после старения в течение 7 часов, внешний вид заклепочного соединения не имеет трещин, и состояние относительно стабильно. При температуре 190 ℃ внешний вид заклепочного соединения не имеет трещин, и состояние стабильно. Из результатов испытания на заклепывание можно увидеть, что производительность заклепки лучше и стабильнее, когда сплав находится в состоянии перестаривания. В сочетании с использованием профиля кузова, клепка при 180 ℃/10 ~ 12 ч не способствует стабильности качества производственного процесса, контролируемого OEM. Для обеспечения стабильности заклепочного соединения время старения должно быть дополнительно увеличено, но проверка времени старения приведет к снижению эффективности производства профиля и увеличению затрат. При условии 190 ℃ все образцы могут соответствовать требованиям к растрескиванию заклепки, но прочность материала значительно снижается. Согласно требованиям конструкции транспортного средства, предел текучести сплава 6082 должен быть гарантирован выше 270 МПа. Следовательно, температура старения 190 ℃ не соответствует требованиям прочности материала. В то же время, если прочность материала слишком низкая, остаточная толщина нижней пластины заклепочного соединения будет слишком малой. После старения при 190 ℃/8 ч характеристики поперечного сечения заклепок показывают, что остаточная толщина составляет 0,26 мм, что не соответствует требованиям индекса ≥0,3 мм, как показано на рисунке 4а. Рассматривая всесторонне, оптимальная температура старения составляет 185 ℃. После старения в течение 7 ч материал может стабильно соответствовать требованиям к клепке, а прочность соответствует эксплуатационным требованиям. Учитывая производственную стабильность процесса клепки в сварочном цехе, оптимальное время старения предлагается определить как 8 ч. Характеристики поперечного сечения в этой технологической системе показаны на рисунке 4б, что соответствует требованиям индекса блокировки. Левые и правые замки составляют 0,90 мм и 0,75 мм, что соответствует требованиям индекса ≥0,4 мм, а нижняя остаточная толщина составляет 0,38 мм.
Таблица 4 Растрескивание образца № 2 при разных температурах и разном времени старения
Рис.4 Характеристики поперечного сечения заклепочных соединений днищ 6082 при различных состояниях старения
3 Заключение
Чем выше температура прессования профилей из алюминиевого сплава 6082, тем меньше толщина поверхностного крупнозернистого слоя после прессования. Уменьшение толщины крупнозернистого слоя может эффективно снизить концентрацию напряжений на границах зерен, тем самым предотвращая образование трещин при заклепке. Экспериментальные исследования показали, что оптимальная температура прессования составляет не менее 485 ℃.
При одинаковой толщине крупнозернистого слоя профиля алюминиевого сплава 6082 эффективное напряжение на границе зерен сплава в состоянии перестаривания меньше, чем в состоянии пикового старения, риск образования трещин при клепке меньше, а клепальные свойства сплава лучше. С учётом трёх факторов: стабильности клепки, прочности заклёпочного соединения, эффективности термообработки и экономической выгоды, оптимальным режимом старения для сплава является режим 185°C/8 ч.
Время публикации: 05.04.2025
