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擠壓溫度和時效制度對6082鋁合金擠壓型材自沖鉚接開裂的影響

來源:鋁深加工      發布日期: 2023年11月09日
信息摘要:由于世界各國對節能減排的重視,發展純電動新能源汽車已經成為一種趨勢。新能源車的續駛里程,除了與電池性能有關外,車身的質量也是一個至關重要的影響因素
      由于世界各國對節能減排的重視,發展純電動新能源汽車已經成為一種趨勢。新能源車的續駛里程,除了與電池性能有關外,車身的質量也是一個至關重要的影響因素。推動發展汽車車身結構的輕量化和連接的高質量,在保證汽車強度和安全性能的前提下,通過盡可能降低汽車整車質量,可以提高電動汽車的綜合續駛里程。在汽車輕量化方面鋼鋁混合車身兼顧了車身的強度和減重,成為實現車身輕量化的一個重要手段。
用傳統的連接方法連接鋁合金,其連接性能差、可靠性低,自沖鉚接作為連接新技術,因其對輕型合金、復合材料連接具有優勢,在汽車行業和航空航天制造業中得到廣泛應用[1]。近年來,國內學者對自沖鉚接技術進行了相關研究,盧毅等[2]研究了不同熱處理方式對TA1工業純鈦自沖鉚接頭性能的影響,發現退火和淬火熱處理方式提高了TA1工業純鈦自沖鉚接頭的靜強度。邢保英等[3]從材料流向角度觀察分析接頭成形機理,并以此評估接頭質量,通過金相試驗發現了在大塑性變形部位被細化為有一定趨向的纖維組織,促使接頭的屈服應力和疲勞強度提高。
上述研究主要針對鋁合金板材鉚接后接頭的力學性能,而在實際車身鉚接生產中,鋁合金擠壓型材,特別是合金元素含量較高的高強鋁合金,如6082鋁合金,鉚接接頭的裂紋是制約該工藝在車身上應用的關鍵因素。同時,應用于車身上的擠壓型材,彎曲扭擰等形位公差直接影響了型材的裝配使用,也決定了后續車身的尺寸精度。為了控制型材的彎曲扭擰、保證型材的尺寸精度,除模具結構外,型材的出口溫度和在線淬火速度是很重要的影響因素。出口溫度越高,淬火速度越快,型材彎曲扭擰程度越大。對于車身用鋁合金型材,既要保證型材尺寸精度,還需保證合金鉚接不開裂。優化合金的尺寸精度和鉚接開裂性能,最簡便的方法是在材料成分、模具結構、擠壓速度、淬火速度不變的情況下,通過優化擠壓棒的加熱溫度和時效工藝來控制開裂。對6082鋁合金而言,在其它工藝條件保持不變的前提下,擠壓溫度越高,粗晶層越淺[4],但淬火后型材變形越大。
本文以相同成分的6082鋁合金為研究對象,采用不同擠壓溫度和不同時效工藝制備了不同狀態的試樣,通過鉚接試驗,評價擠壓溫度和時效狀態對鉚接試驗的影響。根據初步的結果,進一步確定了時效工藝,為后續生產6082鋁合金車身擠壓型材提供指導。
1試驗材料及方法
如表1所示的6082鋁合金熔化后,通過半連續鑄造制備成圓形鑄錠,然后經過均勻化熱處理,鑄錠加熱至不同的溫度,在2 200 t擠壓機上擠壓成型材,其中型材壁厚為2.5 mm,擠壓筒溫度為440±10 ℃,擠壓模溫度為470±10 ℃,擠壓速度為2.3±0.2 mm/s,型材淬火方式采用強風冷卻。按照加熱溫度的高低,試樣編號分別為1~3號,其中1號試樣加熱溫度低,對應的坯料溫度為470±5 ℃,2號試樣對應的坯料溫度為485±5 ℃,3號試樣溫度高,對應的坯料溫度為500±5 ℃。
在材料成分、模具結構、擠壓速度、淬火速度等其它工藝參數不變的情況下,以上通過調整擠壓加熱溫度得到的1~3號試樣,在箱式電阻爐中進行時效處理,時效制度為180 ℃/6 h、190 ℃/6 h,保溫結束后空冷,然后進行鉚接試驗,以評價不同擠壓溫度和時效狀態對鉚接試驗的影響。鉚接試驗以不同擠壓溫度、不同時效制度的2.5 mm厚的6082合金為底層板,厚度為1.4 mm的5754-O合金為上層板進行SPR鉚接試驗,鉚模選用M260238,鉚釘采用C5.3×6.0 H0。此外,為了進一步確定的時效工藝,根據擠壓溫度和時效狀態對鉚接開裂的影響規律,選取擠壓溫度下的板材,然后進行不同溫度、不同時效時間的處理,研究時效制度對鉚接開裂的影響,從而確認時效制度。采用高倍顯微鏡觀察不同擠壓溫度下的材料微觀組織,采用MTS-SANS CMT5000系列微機控制電子萬用試驗機進行力學性能測試,采用低倍顯微鏡對各種狀態鉚接后的鉚接接頭進行觀察。
2試驗結果與討論
2.1 擠壓溫度和時效狀態對鉚接開裂的影響
沿擠壓型材橫截面取樣,試樣經過砂紙粗磨、細磨、拋光后,采用10%的NaOH腐蝕8 min后,用硝酸將黑色腐蝕產物擦干凈,用高倍顯微鏡觀察試樣的粗晶層,位于擬鉚接部位鉚扣外側的表面,如圖1所示。其中1號試樣的平均粗晶層深度為352 μm,2號試樣的平均粗晶層深度為135 μm,3號試樣的平均粗晶層深度為31 μm。粗晶層深度的不同主要是由于擠壓溫度不同,擠壓溫度越高,6082合金變形抗力越低,合金與擠壓模(特別是模具工作帶)表面摩擦生成的變形儲能越小,由此帶來的再結晶驅動力越小,因而表層粗晶層越淺;擠壓溫度越低,變形抗力越大,變形儲能越大,越容易發生再結晶,則粗晶層越深。對于6082合金而言,發生粗晶的再結晶機理為二次再結晶[4]。
將不同擠壓溫度制備的1~3號試樣分別在180 ℃/6 h和190 ℃/6 h時效制度下進行時效處理,其中,2號試樣的兩種時效工藝處理后的力學性能見表2。兩種時效制度下,180 ℃/6 h的屈服強度和抗拉強度明顯高于190 ℃/6 h狀態的試樣,而二者延伸率差別不大,說明190 ℃/6 h為過時效處理。由于6系鋁合金在欠時效狀態,其力學性能隨著時效工藝的變化而波動較大,不利于型材生產工藝的穩定和鉚接質量的控制,因此,不適宜采用欠時效狀態生產車身用型材。
試片鉚接后的外觀如圖2所示。粗晶層較深的1號試樣,在峰值時效狀態鉚接時,鉚扣底面有明顯的橘皮,且出現了肉眼可見開裂,如圖2a所示。晶粒內部由于取向不一致,在變形時會出現變形程度不均勻的情況,形成凹凸不平的表面,當晶粒粗大時,表面的凹凸不平程度變大,形成肉眼可見的橘皮現象。提高擠壓溫度制備的粗晶層較淺的3號試樣,在峰值時效狀態鉚接時,鉚扣底部表面較為光滑,且開裂得到一定程度的,僅在顯微鏡放大的情況下可見,如圖2b所示。當3號試樣處于過時效狀態時,在顯微鏡放大的情況下也未見開裂,如圖2c所示。
鉚接后的表面主要為3種狀態,分別為肉眼可見開裂(標記“×”),顯微鏡放大后可見輕微裂紋(標記為“△”),以及無裂紋(標記為“○”)。上述3種狀態試樣在兩種時效制度下的鉚接形貌結果見表3,由表3可知,當時效工藝一定時,擠壓溫度較高、粗晶層較薄的試片鉚接開裂性能優于粗晶層較深的試樣;在粗晶層一定的情況下,過時效狀態的鉚接開裂性能優于峰值時效狀態。
YOSHIHARA等[5]對比研究了晶粒形態和時效狀態對型材軸向壓縮破裂行為的影響,軸向壓縮時材料的應力狀態與自沖鉚接一致。研究發現,裂紋起源于晶界,并用式(1)闡明了Al-Mg-Si合金的開裂機理。
式中:σapp為施加到晶體上的應力,開裂時σapp等于抗拉強度對應的真實應力值;σa0為晶內滑移過程中析出物的阻力;Φ為應力集中系數,與晶粒尺寸d和滑移寬度p相關。
相對于再結晶,纖維狀晶粒組織更有利于開裂,主要原因是因為晶粒細化,晶粒尺寸d明顯降低,可以有效減小晶界的應力集中系數Φ,從而開裂。相對于纖維狀組織,晶粒粗大的再結晶合金,應力集中系數Φ約為前者的10倍[5]。
相對于峰值時效,過時效狀態更有利于開裂,是由合金內部析出相狀態的不同所決定的。峰值時效時,6082合金內析出為20~50 nm的′β(Mg5Si6)相,析出相數量多、尺寸細??;當合金處于過時效時,合金內析出相的數量減少且尺寸變大[6]。時效過程中生成的析出相,能有效合金內部位錯的移動,其對位錯的釘扎力與沉淀相大小和體積分數相關,其經驗公式為
為對位錯的釘扎力(Zener force);f 為沉淀相的體積分數;r為相的大??;σa為相與基體的界面能[7]。公式表明,沉淀相尺寸越大、體積分數越小,其對位錯的釘扎力越小,合金內位錯開動越容易,合金從峰時效到過時效狀態合金內的σa0會降低。即使σa0發生了降低,但當合金從峰時效到過時效狀態時,合金開裂時的σapp值下降幅度更大,導致晶界有效應力(σapp-σa0)大幅下降,過時效的晶界有效應力約為峰值時效時的1/5[5],即過時效狀態下更不易于發生晶界開裂,從而合金鉚接性能更好。
2.2 擠壓溫度及時效工藝制度的優化
根據上述結果可知,提高擠壓溫度,可以降低粗晶層深度,從而鉚接過程中材料開裂,但在合金成分、擠壓模具結構和擠壓工藝一定的前提下,擠壓溫度過高,一方面會導致型材在后續淬火過程中發生彎曲扭擰的程度加劇,使型材尺寸公差不滿足要求,另一方面會導致合金在擠壓過程中易發生過燒,增加了材料報廢的風險,使擠壓工藝參數窗口變窄,不利于工業化生產。綜合考慮鉚接狀態和型材尺寸工藝、生產工藝窗口等多方面因素,本合金比較適宜的擠壓溫度為不低于485 ℃,即2號試樣。為了確認優的時效工藝制度,以2號試樣為基礎,進行時效工藝的優化。
2號試片在180 ℃、185 ℃以及190 ℃下不同時效時間的力學性能如圖3所示,分別為屈服強度、抗拉強度和延伸率。由圖3a可知,在180 ℃條件下,時效時間從6 h增加至12 h,材料屈服強度未見明顯降低;在185℃條件下,隨著時效時間從4 h增加至12 h,屈服強度先升高后降低,強度高值對應的時效時間為5~6 h;在190 ℃條件下,隨著時效時間的增加,屈服強度逐漸降低。從整體上來看,3種時效溫度下,時效溫度越低,材料的峰值強度越高。圖3b抗拉強度表現出的特點與圖3a屈服強度一致。圖3c所示的不同時效溫度下的延伸率均在14%~17%之間,無明顯變化規律,與廖儒福[6]觀察到的現象不一致,這是由于廖儒福[6]測試的為欠時效至峰值時效狀態,而本試驗測試的為峰值時效至過時效階段,且由于試驗差異較小,測試誤差導致變化規律不明顯。
經過上述時效處理后,鉚接的開裂情況匯總見表4。由表4可知,隨著時間的增加,鉚接開裂得到一定程度的。在180 ℃條件下,當時效時間超過10 h后,鉚接外觀處于可接受狀態,但不穩定;在185 ℃條件下,在時效7 h后,鉚接外觀無裂紋,且狀態比較穩定;在190 ℃條件下,鉚接外觀無裂紋且狀態穩定。從鉚接試驗結果可以看出,合金處于過時效狀態時鉚接性能更好且較為穩定,結合車身型材的使用情況,在180 ℃/10~12 h條件下進行鉚接,不利于主機廠控制生產過程的質量穩定性,為了保證鉚接穩定,需要繼續延長時效時間,但驗證時效時間會導致型材生產效率降低和成本增加。在190 ℃條件下,試樣均能滿足鉚接開裂的需要,但材料的強度明顯降低,根據整車設計的要求,需保證6082合金的屈服強度大于270 MPa,因此,在190 ℃的時效溫度不滿足材料強度要求。同時,材料強度過低,會出現鉚接接頭底板殘余厚度過小,190 ℃/8 h時效后,鉚接截面特征顯示,殘余厚度為0.26 mm,不滿足≥0.3 mm的指標要求,如圖4a所示。綜合考慮,優的時效溫度為185 ℃,當時效7 h后,材料能穩定地滿足鉚接要求,且強度滿足性能要求??紤]到焊裝車間鉚接工藝的生產穩定性,優的時效時間擬確定為8 h,該工藝制度下的截面特征如圖4b所示,滿足互鎖指標要求,左右互鎖為0.90 mm、0.75 mm,滿足≥0.4 mm的指標要求,且底層殘余厚度為0.38 mm。
結論
(1)6082鋁合金型材擠壓溫度越高,擠出后的表層粗晶層越淺;較淺的粗晶層厚度可有效減小晶界的應力集中系數,從而鉚接開裂。試驗研究確定較優的擠壓溫度為不低于485 ℃。
在6082鋁合金型材粗晶層厚度相同的情況下,合金的晶界有效應力在過時效狀態時小于峰值時效狀態,鉚接過程中開裂風險更小,合金的鉚接性能更好。綜合鉚接穩定性、鉚接接頭互鎖值、熱處理生產效率及經濟效益三方面因素,確定該合金較優的時效制度為185℃/8 h
       以上就是常熟國強和茂管材有限公司為你總結的擠壓溫度和時效制度對6082鋁合金擠壓型材自沖鉚接開裂的影響,如果還有什么相關知識不明白的,可以咨詢我們,本文轉載于“鋁深加工”。
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