Întrucât țările din întreaga lume acordă o importanță deosebită conservării energiei și reducerii emisiilor, dezvoltarea vehiculelor electrice cu energie nouă a devenit o tendință. Pe lângă performanța bateriei, calitatea caroseriei este, de asemenea, un factor crucial care afectează autonomia vehiculelor cu energie nouă. Promovarea dezvoltării unor structuri ușoare de caroserie auto și a conexiunilor de înaltă calitate poate îmbunătăți autonomia completă a vehiculelor electrice prin reducerea cât mai mult posibil a greutății întregului vehicul, asigurând în același timp performanța de rezistență și siguranță a vehiculului. În ceea ce privește reducerea greutății automobilelor, caroseria hibridă oțel-aluminiu ia în considerare atât rezistența, cât și reducerea greutății caroseriei, devenind un mijloc important de a realiza reducerea greutății caroseriei.
Metoda tradițională de conectare pentru aliajele de aluminiu are performanțe slabe și fiabilitate scăzută. Nituirea autoperforantă, ca o nouă tehnologie de conectare, a fost utilizată pe scară largă în industria auto și industria aerospațială datorită avantajului său absolut în conectarea aliajelor ușoare și a materialelor compozite. În ultimii ani, cercetătorii interni din China au efectuat cercetări relevante privind tehnologia de nituire autoperforantă și au studiat efectele diferitelor metode de tratament termic asupra performanței îmbinărilor nituite autoperforante din titan pur industrial TA1. S-a constatat că metodele de tratament termic prin recoacere și călire au îmbunătățit rezistența statică a îmbinărilor nituite autoperforante din titan pur industrial TA1. Mecanismul de formare a îmbinării a fost observat și analizat din perspectiva fluxului de material, iar calitatea îmbinării a fost evaluată pe baza acestuia. Prin teste metalografice, s-a constatat că zona mare de deformare plastică a fost rafinată într-o structură fibroasă cu o anumită tendință, ceea ce a promovat îmbunătățirea tensiunii de curgere și a rezistenței la oboseală a îmbinării.
Cercetările de mai sus se concentrează în principal pe proprietățile mecanice ale îmbinărilor după nituirea plăcilor din aliaj de aluminiu. În producția efectivă de nituire a caroseriilor auto, fisurile îmbinărilor nituite ale profilelor extrudate din aliaj de aluminiu, în special aliajele de aluminiu de înaltă rezistență cu conținut ridicat de elemente de aliere, cum ar fi aliajul de aluminiu 6082, sunt factorii cheie care restricționează aplicarea acestui proces pe caroseria auto. În același timp, toleranțele de formă și poziție ale profilelor extrudate utilizate pe caroseria auto, cum ar fi îndoirea și răsucirea, afectează direct asamblarea și utilizarea profilelor și determină, de asemenea, precizia dimensională a caroseriei ulterioare. Pentru a controla îndoirea și răsucirea profilelor și a asigura precizia dimensională a profilelor, pe lângă structura matriței, temperatura de ieșire a profilelor și viteza de călire online sunt cei mai importanți factori de influență. Cu cât temperatura de ieșire este mai mare și cu cât viteza de călire este mai rapidă, cu atât gradul de îndoire și răsucire al profilelor este mai mare. Pentru profilele din aliaj de aluminiu destinate caroseriilor auto, este necesar să se asigure precizia dimensională a profilelor și să se asigure că nituirea aliajului nu fisurează. Cea mai simplă modalitate de a optimiza precizia dimensională și performanța de fisurare la nituire a aliajului este de a controla fisurarea prin optimizarea temperaturii de încălzire și a procesului de îmbătrânire a tijelor extrudate, menținând în același timp neschimbate compoziția materialului, structura matriței, viteza de extrudare și viteza de călire. Pentru aliajul de aluminiu 6082, pornind de la premisa că celelalte condiții de proces rămân neschimbate, cu cât temperatura de extrudare este mai mare, cu atât stratul cu granulație grosieră este mai superficial, dar cu atât deformarea profilului după călire este mai mare.
Această lucrare preia aliajul de aluminiu 6082 cu aceeași compoziție ca și obiectul cercetării, utilizează diferite temperaturi de extrudare și diferite procese de îmbătrânire pentru a prepara probe în diferite stări și evaluează efectele temperaturii de extrudare și ale stării de îmbătrânire asupra testului de nituire prin teste de nituire. Pe baza rezultatelor preliminare, procesul optim de îmbătrânire este determinat în continuare pentru a oferi îndrumări pentru producția ulterioară de profile extrudate pentru corpuri din aliaj de aluminiu 6082.
1 Materiale și metode experimentale
După cum se arată în Tabelul 1, aliajul de aluminiu 6082 a fost topit și preparat într-un lingou rotund prin turnare semicontinuă. Apoi, după tratamentul termic de omogenizare, lingoul a fost încălzit la diferite temperaturi și extrudat într-un profil pe un extruder de 2200 t. Grosimea peretelui profilului a fost de 2,5 mm, temperatura cilindrului de extrudare a fost de 440±10 ℃, temperatura matriței de extrudare a fost de 470±10 ℃, viteza de extrudare a fost de 2,3±0,2 mm/s, iar metoda de călire a profilului a fost răcirea puternică cu vânt. În funcție de temperatura de încălzire, probele au fost numerotate de la 1 la 3, dintre care proba 1 a avut cea mai scăzută temperatură de încălzire, iar temperatura corespunzătoare a țaglei a fost de 470±5 ℃, temperatura corespunzătoare a țaglei a probei 2 a fost de 485±5 ℃, iar temperatura probei 3 a fost cea mai ridicată, iar temperatura corespunzătoare a țaglei a fost de 500±5 ℃.
Tabelul 1 Compoziția chimică măsurată a aliajului de testare (fracție masică/%)
În condițiile în care alți parametri ai procesului, cum ar fi compoziția materialului, structura matriței, viteza de extrudare și viteza de răcire, rămân neschimbați, probele nr. 1-3 de mai sus, obținute prin ajustarea temperaturii de încălzire prin extrudare, sunt maturate într-un cuptor cu rezistență de tip cutie, iar sistemul de maturare este 180 ℃/6 h și 190 ℃/6 h. După izolare, acestea sunt răcite cu aer și apoi nituite pentru a evalua influența diferitelor temperaturi de extrudare și stări de maturare asupra testului de nituire. Testul de nituire utilizează aliaj 6082 cu grosimea de 2,5 mm, cu diferite temperaturi de extrudare și diferite sisteme de maturare, ca placă inferioară, și aliaj 5754-O cu grosimea de 1,4 mm, ca placă superioară pentru testul de nituire SPR. Matrița de nituire este M260238, iar nitul este C5.3×6.0 H0. În plus, pentru a determina în continuare procesul optim de îmbătrânire, în funcție de influența temperaturii de extrudare și a stării de îmbătrânire asupra fisurării prin nituire, se selectează placa aflată la temperatura optimă de extrudare și apoi se tratează la diferite temperaturi și timpi de îmbătrânire diferiți pentru a studia influența sistemului de îmbătrânire asupra fisurării prin nituire, astfel încât să se confirme în final sistemul optim de îmbătrânire. S-a utilizat un microscop de mare putere pentru a observa microstructura materialului la diferite temperaturi de extrudare, s-a utilizat o mașină electronică universală de testare controlată de microcomputer din seria MTS-SANS CMT5000 pentru a testa proprietățile mecanice, iar un microscop de mică putere a fost utilizat pentru a observa îmbinările nituite după nituire în diferite stări.
2Rezultate experimentale și discuții
2.1 Efectul temperaturii de extrudare și al stării de îmbătrânire asupra fisurării prin nituire
S-au prelevat probe de-a lungul secțiunii transversale a profilului extrudat. După șlefuire grosieră, șlefuire fină și lustruire cu șmirghel, proba a fost corodată cu NaOH 10% timp de 8 minute, iar produsul negru de coroziune a fost curățat cu acid azotic. Stratul de granulație grosieră al probei a fost observat cu un microscop de mare putere, care a fost amplasat pe suprafața exterioară a cataramei nitului, în poziția de nituire prevăzută, așa cum se arată în Figura 1. Adâncimea medie a stratului de granulație grosieră al probei nr. 1 a fost de 352 μm, adâncimea medie a stratului de granulație grosieră al probei nr. 2 a fost de 135 μm, iar adâncimea medie a stratului de granulație grosieră al probei nr. 3 a fost de 31 μm. Diferența de adâncime a stratului de granulație grosieră se datorează în principal diferitelor temperaturi de extrudare. Cu cât temperatura de extrudare este mai mare, cu atât rezistența la deformare a aliajului 6082 este mai mică, cu atât stocarea energiei de deformare generată de frecarea dintre aliaj și matrița de extrudare (în special banda de lucru a matriței) este mai mică și cu atât forța motrice de recristalizare este mai mică. Prin urmare, stratul de granulație grosieră de la suprafață este mai puțin adânc; cu cât temperatura de extrudare este mai scăzută, cu atât rezistența la deformare este mai mare, cu atât stocarea energiei de deformare este mai mare, cu atât recristalizarea este mai ușoară și cu atât stratul de granulație grosieră este mai adânc. Pentru aliajul 6082, mecanismul de recristalizare a granulației grosiere este recristalizarea secundară.
(a) Modelul 1
(b) Modelul 2
(c) Modelul 3
Figura 1 Grosimea stratului de granulație grosieră al profilelor extrudate prin diferite procese
Probele 1-3, preparate la diferite temperaturi de extrudare, au fost îmbătrânite la 180 ℃/6 h și, respectiv, 190 ℃/6 h. Proprietățile mecanice ale probei 2 după cele două procese de îmbătrânire sunt prezentate în Tabelul 2. În cele două sisteme de îmbătrânire, rezistența la curgere și rezistența la tracțiune a probei la 180 ℃/6 h sunt semnificativ mai mari decât cele la 190 ℃/6 h, în timp ce alungirea celor două nu este mult diferită, indicând faptul că 190 ℃/6 h este un tratament de supra-îmbătrânire. Deoarece proprietățile mecanice ale aliajului de aluminiu din seria 6 fluctuează foarte mult odată cu schimbarea procesului de îmbătrânire în starea de sub-îmbătrânire, acest lucru nu este propice pentru stabilitatea procesului de producție a profilelor și controlul calității nituirii. Prin urmare, nu este potrivit să se utilizeze starea de sub-îmbătrânire pentru a produce profile de caroserie.
Tabelul 2 Proprietățile mecanice ale probei nr. 2 în condiții de îmbătrânire a două sisteme
Aspectul piesei de testare după nituire este prezentat în Figura 2. Când proba nr. 1 cu un strat cu granulație grosieră mai adâncă a fost nituită în starea de îmbătrânire maximă, suprafața inferioară a nitului a prezentat o coajă de portocală evidentă și fisuri vizibile cu ochiul liber, așa cum se arată în Figura 2a. Datorită orientării inconsistente în interiorul granulelor, gradul de deformare va fi neuniform în timpul deformării, formând o suprafață neuniformă. Când granulele sunt grosiere, neuniformitatea suprafeței devine mai mare, formând un fenomen de coajă de portocală vizibil cu ochiul liber. Când proba nr. 3 cu un strat cu granulație grosieră mai puțin adâncă, preparată prin creșterea temperaturii de extrudare, a fost nituită în starea de îmbătrânire maximă, suprafața inferioară a nitului a fost relativ netedă, iar fisurarea a fost suprimată într-o anumită măsură, ceea ce a fost vizibil doar la mărirea microscopului, așa cum se arată în Figura 2b. Când proba nr. 3 a fost în starea de supraîmbătrânire, nu s-au observat fisuri la mărirea microscopului, așa cum se arată în Figura 2c.
(a) Crăpături vizibile cu ochiul liber
(b) Crăpături ușoare vizibile la microscop
(c) Fără fisuri
Figura 2 Diferite grade de fisurare după nituire
Suprafața după nituire se prezintă în principal în trei stări, și anume fisuri vizibile cu ochiul liber (marcate cu „×”), fisuri ușoare vizibile la mărirea microscopului (marcate cu „△”) și fără fisuri (marcate cu „○”). Rezultatele morfologiei nituirii pentru probele în cele trei stări de mai sus, sub două sisteme de îmbătrânire, sunt prezentate în Tabelul 3. Se poate observa că atunci când procesul de îmbătrânire este constant, performanța de fisurare prin nituire a probei cu temperatură de extrudare mai ridicată și strat de granulație grosieră mai subțire este mai bună decât cea a probei cu strat de granulație grosieră mai profund; când stratul de granulație grosieră este constant, performanța de fisurare prin nituire în starea de supra-îmbătrânire este mai bună decât cea în starea de îmbătrânire maximă.
Tabelul 3 Aspectul nituirii probelor 1 până la 3 în două sisteme de procesare
Au fost studiate efectele morfologiei granulelor și ale stării de îmbătrânire asupra comportamentului la fisurare prin compresie axială a profilelor. Starea de solicitare a materialului în timpul compresiei axiale a fost în concordanță cu cea a nituirii autoperforante. Studiul a constatat că fisurile provin de la limitele granulelor, iar mecanismul de fisurare al aliajului Al-Mg-Si a fost explicat prin formula următoare.
σapp este tensiunea aplicată cristalului. La fisurare, σapp este egală cu valoarea reală a tensiunii corespunzătoare rezistenței la tracțiune; σa0 este rezistența precipitatelor în timpul alunecării intracristaline; Φ este coeficientul de concentrare a tensiunii, care este legat de dimensiunea granulelor d și de lățimea de alunecare p.
Comparativ cu recristalizarea, structura granulară fibroasă este mai favorabilă inhibării fisurării. Motivul principal este că dimensiunea granulară d este redusă semnificativ datorită rafinării granulare, ceea ce poate reduce eficient factorul de concentrare a tensiunii Φ la limita granulelor, inhibând astfel fisurarea. Comparativ cu structura fibroasă, factorul de concentrare a tensiunii Φ al aliajului recristalizat cu granule grosiere este de aproximativ 10 ori mai mare decât cel al primului.
Comparativ cu îmbătrânirea de vârf, starea de supraîmbătrânire este mai propice inhibării fisurării, care este determinată de diferitele stări ale fazei de precipitare din interiorul aliajului. În timpul îmbătrânirii de vârf, în aliajul 6082 se precipită faze 'β (Mg5Si6) de 20-50 nm, cu un număr mare de precipitate și dimensiuni mici; atunci când aliajul este în supraîmbătrânire, numărul de precipitate din aliaj scade, iar dimensiunea devine mai mare. Precipitatele generate în timpul procesului de îmbătrânire pot inhiba eficient mișcarea dislocațiilor în interiorul aliajului. Forța sa de fixare asupra dislocațiilor este legată de dimensiunea și fracția volumică a fazei de precipitat. Formula empirică este:
f este fracția volumică a fazei precipitate; r este dimensiunea fazei; σa este energia de interfață dintre fază și matrice. Formula arată că, cu cât dimensiunea fazei precipitate este mai mare și cu cât fracția volumică este mai mică, cu atât forța sa de fixare asupra dislocațiilor este mai mică, cu atât este mai ușor ca dislocațiile din aliaj să înceapă să se formeze, iar σa0 din aliaj va scădea de la îmbătrânirea maximă la starea de supraîmbătrânire. Chiar dacă σa0 scade, atunci când aliajul trece de la îmbătrânirea maximă la starea de supraîmbătrânire, valoarea σapp în momentul fisurării aliajului scade mai mult, rezultând o scădere semnificativă a tensiunii efective la limita granulelor (σapp-σa0). Tensiunea efectivă la limita granulelor în starea de supraîmbătrânire este de aproximativ 1/5 din cea de la îmbătrânirea maximă, adică este mai puțin probabil să se fisureze la limita granulelor în starea de supraîmbătrânire, rezultând o performanță de nituire mai bună a aliajului.
2.2 Optimizarea temperaturii de extrudare și a sistemului de procesare a îmbătrânirii
Conform rezultatelor de mai sus, creșterea temperaturii de extrudare poate reduce adâncimea stratului cu granulație grosieră, inhibând astfel fisurarea materialului în timpul procesului de nituire. Cu toate acestea, având în vedere premisa anumitor compoziții ale aliajului, structurii matriței de extrudare și procesului de extrudare, dacă temperatura de extrudare este prea mare, pe de o parte, gradul de îndoire și răsucire a profilului va fi agravat în timpul procesului ulterior de călire, făcând ca toleranța dimensiunii profilului să nu îndeplinească cerințele, iar pe de altă parte, va cauza supra-arderea ușoară a aliajului în timpul procesului de extrudare, crescând riscul de resturi de material. Având în vedere starea de nituire, procesul de dimensiune a profilului, fereastra procesului de producție și alți factori, temperatura de extrudare mai potrivită pentru acest aliaj nu este mai mică de 485 ℃, adică proba nr. 2. Pentru a confirma sistemul optim de proces de îmbătrânire, procesul de îmbătrânire a fost optimizat pe baza probei nr. 2.
Proprietățile mecanice ale specimenului nr. 2 la diferite timpi de îmbătrânire la 180 ℃, 185 ℃ și 190 ℃ sunt prezentate în Figura 3, și anume rezistența la rupere, rezistența la tracțiune și alungirea. După cum se arată în Figura 3a, sub 180 ℃, timpul de îmbătrânire crește de la 6 h la 12 h, iar rezistența la rupere a materialului nu scade semnificativ. Sub 185 ℃, pe măsură ce timpul de îmbătrânire crește de la 4 h la 12 h, rezistența la rupere mai întâi crește și apoi scade, iar timpul de îmbătrânire corespunzător celei mai mari valori a rezistenței este de 5-6 h. Sub 190 ℃, pe măsură ce timpul de îmbătrânire crește, rezistența la rupere scade treptat. În general, la cele trei temperaturi de îmbătrânire, cu cât temperatura de îmbătrânire este mai mică, cu atât rezistența maximă a materialului este mai mare. Caracteristicile rezistenței la tracțiune din Figura 3b sunt în concordanță cu rezistența la rupere din Figura 3a. Alungirea la diferite temperaturi de îmbătrânire prezentate în Figura 3c este între 14% și 17%, fără un model de modificare evident. Acest experiment testează stadiul de îmbătrânire maximă până la supraîmbătrânire, iar din cauza micilor diferențe experimentale, eroarea de testare face ca modelul de modificare să fie neclar.
Fig.3 Proprietățile mecanice ale materialelor la diferite temperaturi și timpi de îmbătrânire
După tratamentul de îmbătrânire menționat mai sus, fisurarea îmbinărilor nituite este rezumată în Tabelul 4. Din Tabelul 4 se poate observa că, odată cu creșterea timpului, fisurarea îmbinărilor nituite este suprimată într-o anumită măsură. La 180 ℃, când timpul de îmbătrânire depășește 10 ore, aspectul îmbinării nituite este într-o stare acceptabilă, dar instabilă. La 185 ℃, după o îmbătrânire de 7 ore, aspectul îmbinării nituite nu prezintă fisuri, iar starea este relativ stabilă. La 190 ℃, aspectul îmbinării nituite nu prezintă fisuri, iar starea este stabilă. Din rezultatele testelor de nituire, se poate observa că performanța de nituire este mai bună și mai stabilă atunci când aliajul este într-o stare supra-îmbătrânită. Combinată cu utilizarea profilului corpului, nituirea la 180 ℃/10~12 ore nu conduce la stabilitatea calității procesului de producție controlat de producătorul de echipamente originale (OEM). Pentru a asigura stabilitatea îmbinării nituite, timpul de îmbătrânire trebuie prelungit în continuare, însă verificarea timpului de îmbătrânire va duce la o eficiență redusă a producției profilelor și la creșterea costurilor. În condițiile de 190 ℃, toate probele pot îndeplini cerințele de fisurare prin nituire, dar rezistența materialului este redusă semnificativ. Conform cerințelor de proiectare a vehiculului, rezistența la curgere a aliajului 6082 trebuie garantată a fi mai mare de 270 MPa. Prin urmare, temperatura de îmbătrânire de 190 ℃ nu îndeplinește cerințele de rezistență a materialului. În același timp, dacă rezistența materialului este prea mică, grosimea reziduală a plăcii inferioare a îmbinării nituite va fi prea mică. După îmbătrânirea la 190 ℃/8 h, caracteristicile secțiunii transversale nituite arată că grosimea reziduală este de 0,26 mm, ceea ce nu îndeplinește cerința indicelui de ≥0,3 mm, așa cum se arată în Figura 4a. Privind în ansamblu, temperatura optimă de îmbătrânire este de 185 ℃. După o îmbătrânire de 7 ore, materialul poate îndeplini stabil cerințele de nituire, iar rezistența îndeplinește cerințele de performanță. Având în vedere stabilitatea producției procesului de nituire în atelierul de sudură, se propune ca timpul optim de îmbătrânire să fie determinat la 8 ore. Caracteristicile secțiunii transversale în cadrul acestui sistem de proces sunt prezentate în Figura 4b, care îndeplinește cerințele indicelui de interblocare. Interblocările stânga și dreapta sunt de 0,90 mm și 0,75 mm, ceea ce îndeplinește cerințele indicelui de ≥0,4 mm, iar grosimea reziduală inferioară este de 0,38 mm.
Tabelul 4 Fisurarea probei nr. 2 la diferite temperaturi și timpi de îmbătrânire diferiți
Fig.4 Caracteristicile secțiunii transversale ale îmbinărilor nituite ale plăcilor de bază din oțel 6082 la diferite stări de îmbătrânire
3 Concluzie
Cu cât temperatura de extrudare a profilelor din aliaj de aluminiu 6082 este mai mare, cu atât stratul cu granulație grosieră de la suprafață este mai superficial după extrudare. Grosimea mai mică a stratului cu granulație grosieră poate reduce eficient factorul de concentrare a tensiunii la limita granulelor, inhibând astfel fisurarea prin nituire. Cercetările experimentale au stabilit că temperatura optimă de extrudare nu este mai mică de 485 ℃.
Când grosimea stratului cu granulație grosieră al profilului din aliaj de aluminiu 6082 este aceeași, tensiunea efectivă la limita granulelor aliajului în starea de îmbătrânire excesivă este mai mică decât cea în starea de îmbătrânire maximă, riscul de fisurare în timpul nituirii este mai mic, iar performanța de nituire a aliajului este mai bună. Luând în considerare cei trei factori: stabilitatea nituirii, valoarea de interblocare a îmbinării nituite, eficiența producției tratamentului termic și beneficiile economice, sistemul optim de îmbătrânire pentru aliaj este determinat a fi 185℃/8h.
Data publicării: 05 aprilie 2025
