Dado que os países de todo o mundo lle dan grande importancia á conservación da enerxía e á redución das emisións, o desenvolvemento de vehículos de novas enerxías totalmente eléctricos converteuse nunha tendencia. Ademais do rendemento da batería, a calidade da carrozaría tamén é un factor crucial que afecta á autonomía dos vehículos de novas enerxías. Promover o desenvolvemento de estruturas de carrozaría de automóbiles lixeiras e conexións de alta calidade pode mellorar a ampla autonomía dos vehículos eléctricos ao reducir o peso de todo o vehículo tanto como sexa posible, garantindo ao mesmo tempo a resistencia e o rendemento de seguridade do vehículo. En termos de alixeiramento dos automóbiles, a carrozaría híbrida de aceiro e aluminio ten en conta tanto a resistencia como a redución do peso da carrozaría, converténdose nun medio importante para lograr o alixeiramento da carrozaría.
O método de conexión tradicional para conectar aliaxes de aluminio ten un rendemento de conexión deficiente e baixa fiabilidade. O remachado autoperforante, como nova tecnoloxía de conexión, utilizouse amplamente na industria do automóbil e na industria aeroespacial debido á súa vantaxe absoluta na conexión de aliaxes lixeiras e materiais compostos. Nos últimos anos, estudosos nacionais chineses realizaron investigacións relevantes sobre a tecnoloxía de remachado autoperforante e estudaron os efectos de diferentes métodos de tratamento térmico no rendemento das unións remachadas autoperforantes de titanio puro industrial TA1. Descubriuse que os métodos de tratamento térmico de recocido e temple melloraban a resistencia estática das unións remachadas autoperforantes de titanio puro industrial TA1. O mecanismo de formación da unión observouse e analizouse desde a perspectiva do fluxo de material e, en función disto, avaliouse a calidade da unión. Mediante probas metalográficas, descubriuse que a gran área de deformación plástica se refinaba nunha estrutura de fibra cunha certa tendencia, o que promovía a mellora da tensión de cedencia e da resistencia á fatiga da unión.
A investigación anterior céntrase principalmente nas propiedades mecánicas das unións despois do remachado de placas de aliaxe de aluminio. Na produción real de remachado de carrozarías, as gretas das unións remachadas dos perfís extruídos de aliaxe de aluminio, especialmente as aliaxes de aluminio de alta resistencia con alto contido de elementos de aliaxe, como a aliaxe de aluminio 6082, son os factores clave que restrinxen a aplicación deste proceso na carrozaría. Ao mesmo tempo, as tolerancias de forma e posición dos perfís extruídos utilizados na carrozaría, como a flexión e a torsión, afectan directamente á montaxe e ao uso dos perfís, e tamén determinan a precisión dimensional da carrozaría posterior. Para controlar a flexión e a torsión dos perfís e garantir a precisión dimensional dos perfís, ademais da estrutura da matriz, a temperatura de saída dos perfís e a velocidade de temple en liña son os factores de influencia máis importantes. Canto maior sexa a temperatura de saída e canto máis rápida sexa a velocidade de temple, maior será o grao de flexión e torsión dos perfís. Para os perfís de aliaxe de aluminio para carrozarías, é necesario garantir a precisión dimensional dos perfís e garantir que o remachado da aliaxe non se rache. A forma máis sinxela de optimizar a precisión dimensional e o rendemento de fendamento por remache da aliaxe é controlar a fendamento optimizando a temperatura de quecemento e o proceso de envellecemento das varillas extruídas, mantendo inalteradas a composición do material, a estrutura da matriz, a velocidade de extrusión e a velocidade de temple. Para a aliaxe de aluminio 6082, baixo a premisa de que outras condicións do proceso permanecen inalteradas, canto maior sexa a temperatura de extrusión, menos profunda será a capa de gran groso, pero maior será a deformación do perfil despois do temple.
Este artigo toma unha aliaxe de aluminio 6082 coa mesma composición que o obxecto de investigación, emprega diferentes temperaturas de extrusión e diferentes procesos de envellecemento para preparar mostras en diferentes estados e avalía os efectos da temperatura de extrusión e o estado de envellecemento na proba de remachado mediante probas de remachado. Con base nos resultados preliminares, determínase ademais o proceso de envellecemento óptimo para proporcionar orientación para a posterior produción de perfís de extrusión de corpos de aliaxe de aluminio 6082.
1 Materiais e métodos experimentais
Como se mostra na Táboa 1, a aliaxe de aluminio 6082 fundiuse e preparouse nun lingote redondo mediante fundición semicontinua. Despois, tras o tratamento térmico de homoxeneización, o lingote quentouse a diferentes temperaturas e extruíuse nun perfil nunha extrusora de 2200 t. O grosor da parede do perfil era de 2,5 mm, a temperatura do barril de extrusión era de 440 ± 10 ℃, a temperatura da matriz de extrusión era de 470 ± 10 ℃, a velocidade de extrusión era de 2,3 ± 0,2 mm/s e o método de temple do perfil foi un forte arrefriamento por vento. Segundo a temperatura de quecemento, as mostras numeráronse do 1 ao 3, entre as cales a mostra 1 tiña a temperatura de quecemento máis baixa e a temperatura do lingote correspondente era de 470 ± 5 ℃, a temperatura do lingote correspondente da mostra 2 era de 485 ± 5 ℃ e a temperatura da mostra 3 era a máis alta e a temperatura do lingote correspondente era de 500 ± 5 ℃.
Táboa 1 Composición química medida da aliaxe de proba (fracción másica/%)
Coa condición de que outros parámetros do proceso, como a composición do material, a estrutura da matriz, a velocidade de extrusión e a velocidade de arrefriamento, permanezan inalterados, as mostras nº 1 a 3 anteriores, obtidas axustando a temperatura de quecemento da extrusión, envellecen nun forno de resistencia tipo caixa, e o sistema de envellecemento é de 180 ℃/6 h e 190 ℃/6 h. Despois do illamento, arrefríanse ao aire e logo remachanse para avaliar a influencia das diferentes temperaturas de extrusión e estados de envellecemento na proba de remachado. A proba de remachado utiliza unha aliaxe 6082 de 2,5 mm de espesor con diferentes temperaturas de extrusión e diferentes sistemas de envellecemento como placa inferior, e unha aliaxe 5754-O de 1,4 mm de espesor como placa superior para a proba de remachado SPR. A matriz de remachado é M260238 e o remache é C5.3×6.0 H0. Ademais, para determinar mellor o proceso de envellecemento óptimo, segundo a influencia da temperatura de extrusión e o estado de envellecemento na fisuración do remachado, selecciónase a placa á temperatura de extrusión óptima e trátase con diferentes temperaturas e diferentes tempos de envellecemento para estudar a influencia do sistema de envellecemento na fisuración do remachado, para confirmar finalmente o sistema de envellecemento óptimo. Utilizouse un microscopio de alta potencia para observar a microestrutura do material a diferentes temperaturas de extrusión, unha máquina de ensaios universal electrónica controlada por microcomputador da serie MTS-SANS CMT5000 utilizouse para probar as propiedades mecánicas e un microscopio de baixa potencia utilizouse para observar as unións remachadas despois do remachado en varios estados.
2 Resultados experimentais e discusión
2.1 Efecto da temperatura de extrusión e do estado de envellecemento na fisuración do remachado
Tomáronse mostras ao longo da sección transversal do perfil extruído. Despois dunha esmerilado groso, unha esmerilado fino e un pulido con papel de lixa, a mostra corroíuse con NaOH ao 10 % durante 8 minutos e o produto de corrosión negro limpouse con ácido nítrico. A capa de gran groso da mostra observouse cun microscopio de alta potencia, situado na superficie exterior da fibela do remache na posición de remache prevista, como se mostra na Figura 1. A profundidade media da capa de gran groso da mostra n.º 1 foi de 352 μm, a profundidade media da capa de gran groso da mostra n.º 2 foi de 135 μm e a profundidade media da capa de gran groso da mostra n.º 3 foi de 31 μm. A diferenza na profundidade da capa de gran groso débese principalmente ás diferentes temperaturas de extrusión. Canto maior sexa a temperatura de extrusión, menor será a resistencia á deformación da aliaxe 6082, menor será o almacenamento de enerxía de deformación xerado pola fricción entre a aliaxe e a matriz de extrusión (especialmente a correa de traballo da matriz) e menor será a forza motriz da recristalización. Polo tanto, a capa superficial de gran groso é menos profunda; canto menor sexa a temperatura de extrusión, maior será a resistencia á deformación, maior será o almacenamento de enerxía de deformación, máis doado será recristalizala e máis profunda será a capa de gran groso. Para a aliaxe 6082, o mecanismo de recristalización de gran groso é a recristalización secundaria.
(a) Modelo 1
(b) Modelo 2
(c) Modelo 3
Figura 1 Espesor da capa de gran groso de perfís extruídos por diferentes procesos
As mostras 1 a 3 preparadas a diferentes temperaturas de extrusión foron envellecidas a 180 ℃/6 h e 190 ℃/6 h, respectivamente. As propiedades mecánicas da mostra 2 despois dos dous procesos de envellecemento móstranse na Táboa 2. Nos dous sistemas de envellecemento, o límite elástico e a resistencia á tracción da mostra a 180 ℃/6 h son significativamente maiores que as de 190 ℃/6 h, mentres que o alongamento dos dous non é moi diferente, o que indica que 190 ℃/6 h é un tratamento de sobreenvellecemento. Dado que as propiedades mecánicas da aliaxe de aluminio da serie 6 flutúan moito co cambio do proceso de envellecemento no estado de subenvellecemento, isto non favorece a estabilidade do proceso de produción de perfís nin o control da calidade do remachado. Polo tanto, non é axeitado usar o estado de subenvellecemento para producir perfís de carrozaría.
Táboa 2 Propiedades mecánicas da mostra n.º 2 en dous sistemas de envellecemento
A aparencia da peza de proba despois do remachado móstrase na Figura 2. Cando a mostra n.º 1 cunha capa de gran groso máis profunda foi remachada no estado de envellecemento máximo, a superficie inferior do remache presentaba unha pel de laranxa evidente e gretas visibles a simple vista, como se mostra na Figura 2a. Debido á orientación inconsistente dentro dos grans, o grao de deformación será desigual durante a deformación, formando unha superficie desigual. Cando os grans son grosos, a irregularidade da superficie faise maior, formando un fenómeno de pel de laranxa visible a simple vista. Cando a mostra n.º 3 cunha capa de gran groso menos superficial preparada aumentando a temperatura de extrusión foi remachada no estado de envellecemento máximo, a superficie inferior do remache era relativamente lisa e as gretas suprimiuse ata certo punto, o que só era visible con aumento de microscopio, como se mostra na Figura 2b. Cando a mostra n.º 3 estaba no estado de sobreenvellecemento, non se observou greta con aumento de microscopio, como se mostra na Figura 2c.
(a) Fendas visibles a simple vista
(b) Fendas leves visibles ao microscopio
(c) Sen fendas
Figura 2 Diferentes graos de fisuración despois do remachado
A superficie despois do remachado atópase principalmente en tres estados, concretamente, fendas visibles a simple vista (marcadas con "×"), fendas lixeiras visibles con aumento de microscopio (marcadas con "△") e sen fendas (marcadas con "○"). Os resultados da morfoloxía do remachado das mostras dos tres estados anteriores en dous sistemas de envellecemento móstranse na Táboa 3. Pódese observar que cando o proceso de envellecemento é constante, o rendemento de fendamento por remachado da mostra con maior temperatura de extrusión e capa de gran groso máis fina é mellor que o da mostra con capa de gran groso máis profunda; cando a capa de gran groso é constante, o rendemento de fendamento por remachado do estado de sobreenvellecemento é mellor que o do estado de envellecemento máximo.
Táboa 3 Aspecto de remachado das mostras 1 a 3 en dous sistemas de proceso
Estudáronse os efectos da morfoloxía do gran e o estado de envellecemento no comportamento de fisuración por compresión axial dos perfís. O estado de tensión do material durante a compresión axial foi consistente co do remache autoperforante. O estudo descubriu que as fisuras se orixinaban nos límites de gran e que o mecanismo de fisuración da aliaxe Al-Mg-Si explícase mediante a fórmula.
σapp é a tensión aplicada ao cristal. Ao rachar, σapp é igual ao valor real da tensión correspondente á resistencia á tracción; σa0 é a resistencia dos precipitados durante o deslizamento intracristalino; Φ é o coeficiente de concentración de tensión, que está relacionado co tamaño de gran d e a anchura de deslizamento p.
En comparación coa recristalización, a estrutura fibrosa do gran é máis propicia para a inhibición do rachado. A razón principal é que o tamaño do gran d se reduce significativamente debido ao refinamento do gran, o que pode reducir eficazmente o factor de concentración de tensión Φ no límite do gran, inhibindo así o rachado. En comparación coa estrutura fibrosa, o factor de concentración de tensión Φ da aliaxe recristalizada con grans grosos é aproximadamente 10 veces maior que o da primeira.
En comparación co envellecemento máximo, o estado de sobreenvellecemento é máis propicio para a inhibición do rachado, que está determinada polos diferentes estados de fase de precipitación dentro da aliaxe. Durante o envellecemento máximo, precipitáronse fases 'β (Mg5Si6) de 20-50 nm na aliaxe 6082, cun gran número de precipitados e tamaños pequenos; cando a aliaxe está en sobreenvellecemento, o número de precipitados na aliaxe diminúe e o tamaño faise maior. Os precipitados xerados durante o proceso de envellecemento poden inhibir eficazmente o movemento das dislocacións dentro da aliaxe. A súa forza de fixación sobre as dislocacións está relacionada co tamaño e a fracción volumétrica da fase de precipitado. A fórmula empírica é:
f é a fracción volumétrica da fase de precipitado; r é o tamaño da fase; σa é a enerxía da interface entre a fase e a matriz. A fórmula mostra que canto maior sexa o tamaño da fase de precipitado e menor sexa a fracción volumétrica, menor será a súa forza de fixación sobre as dislocacións, máis doado será que se inicien as dislocacións na aliaxe, e a σa0 na aliaxe diminuirá desde o estado de envellecemento máximo ao estado de sobreenvellecemento. Mesmo se σa0 diminúe, cando a aliaxe pasa do estado de envellecemento máximo ao estado de sobreenvellecemento, o valor de σapp no momento da fisuración da aliaxe diminúe máis, o que resulta nunha diminución significativa da tensión efectiva no límite de gran (σapp-σa0). A tensión efectiva no límite de gran do sobreenvellecemento é aproximadamente 1/5 da do límite de envellecemento máximo, é dicir, é menos probable que se fisure no límite de gran no estado de sobreenvellecemento, o que resulta nun mellor rendemento de remachado da aliaxe.
2.2 Optimización da temperatura de extrusión e do sistema de proceso de envellecemento
Segundo os resultados anteriores, o aumento da temperatura de extrusión pode reducir a profundidade da capa de gran groso, inhibindo así o agrietamento do material durante o proceso de remachado. Non obstante, baixo a premisa de certa composición da aliaxe, estrutura da matriz de extrusión e proceso de extrusión, se a temperatura de extrusión é demasiado alta, por unha banda, o grao de flexión e torsión do perfil agravarase durante o proceso de temple posterior, facendo que a tolerancia do tamaño do perfil non cumpra os requisitos e, por outra banda, fará que a aliaxe se sobrequeime facilmente durante o proceso de extrusión, aumentando o risco de raspado de material. Tendo en conta o estado de remachado, o proceso de tamaño do perfil, a xanela do proceso de produción e outros factores, a temperatura de extrusión máis axeitada para esta aliaxe non é inferior a 485 ℃, é dicir, a mostra nº 2. Para confirmar o sistema óptimo do proceso de envellecemento, o proceso de envellecemento optimizouse en función da mostra nº 2.
As propiedades mecánicas da mostra n.º 2 a diferentes tempos de envellecemento a 180 ℃, 185 ℃ e 190 ℃ móstranse na Figura 3, que son o límite elástico, a resistencia á tracción e o alongamento. Como se mostra na Figura 3a, por debaixo de 180 ℃, o tempo de envellecemento aumenta de 6 h a 12 h, e o límite elástico do material non diminúe significativamente. Por debaixo de 185 ℃, a medida que o tempo de envellecemento aumenta de 4 h a 12 h, o límite elástico primeiro aumenta e despois diminúe, e o tempo de envellecemento correspondente ao valor de resistencia máis alto é de 5-6 h. Por debaixo de 190 ℃, a medida que aumenta o tempo de envellecemento, o límite elástico diminúe gradualmente. En xeral, ás tres temperaturas de envellecemento, canto menor sexa a temperatura de envellecemento, maior será a resistencia máxima do material. As características da resistencia á tracción na Figura 3b son consistentes co límite elástico da Figura 3a. O alongamento a diferentes temperaturas de envellecemento mostrado na Figura 3c está entre o 14 % e o 17 %, sen un patrón de cambio obvio. Este experimento comproba o período de envellecemento máximo ata o de sobreenvellecemento e, debido ás pequenas diferenzas experimentais, o erro da proba fai que o patrón de cambio non sexa claro.
Fig. 3 Propiedades mecánicas dos materiais a diferentes temperaturas e tempos de envellecemento
Despois do tratamento de envellecemento mencionado anteriormente, a formación de gretas nas unións remachadas resúmese na Táboa 4. Na Táboa 4 pódese ver que, co aumento do tempo, a formación de gretas nas unións remachadas suprímese ata certo punto. A 180 ℃, cando o tempo de envellecemento supera as 10 h, a aparencia da unión remachada está nun estado aceptable, pero inestable. A 185 ℃, despois dun envellecemento de 7 h, a aparencia da unión remachada non presenta gretas e o estado é relativamente estable. A 190 ℃, a aparencia da unión remachada non presenta gretas e o estado é estable. A partir dos resultados da proba de remachado, pódese ver que o rendemento do remachado é mellor e máis estable cando a aliaxe está nun estado sobreenvellecido. En combinación co uso do perfil do corpo, o remachado a 180 ℃/10~12 h non favorece a estabilidade da calidade do proceso de produción controlado polo fabricante de equipos orixinais. Para garantir a estabilidade da unión remachada, é necesario prolongar aínda máis o tempo de envellecemento, pero a verificación do tempo de envellecemento levará a unha redución da eficiencia da produción de perfís e a un aumento dos custos. Na condición de 190 ℃, todas as mostras poden cumprir os requisitos de fenda por remachado, pero a resistencia do material redúcese significativamente. De acordo cos requisitos do deseño do vehículo, débese garantir que a resistencia elástica da aliaxe 6082 sexa superior a 270 MPa. Polo tanto, a temperatura de envellecemento de 190 ℃ non cumpre os requisitos de resistencia do material. Ao mesmo tempo, se a resistencia do material é demasiado baixa, o grosor residual da placa inferior da unión remachada será demasiado pequeno. Despois do envellecemento a 190 ℃/8 h, as características da sección transversal remachada mostran que o grosor residual é de 0,26 mm, o que non cumpre o requisito de índice de ≥0,3 mm, como se mostra na Figura 4a. Considerando de forma exhaustiva, a temperatura óptima de envellecemento é de 185 ℃. Despois de 7 horas de envellecemento, o material pode cumprir de forma estable os requisitos de remachado e a resistencia cumpre cos requisitos de rendemento. Tendo en conta a estabilidade da produción do proceso de remachado no taller de soldadura, proponse que o tempo óptimo de envellecemento se determine en 8 horas. As características da sección transversal neste sistema de proceso móstranse na Figura 4b, que cumpre os requisitos do índice de entrelazado. Os entrelazados esquerdo e dereito son de 0,90 mm e 0,75 mm, o que cumpre os requisitos do índice de ≥0,4 mm, e o grosor residual inferior é de 0,38 mm.
Táboa 4 Rachadura da mostra n.º 2 a diferentes temperaturas e diferentes tempos de envellecemento
Fig. 4 Características da sección transversal das unións remachadas de placas inferiores 6082 en diferentes estados de envellecemento
3 Conclusión
Canto maior sexa a temperatura de extrusión dos perfís de aliaxe de aluminio 6082, menos profunda será a capa de gran groso da superficie despois da extrusión. Un grosor de capa de gran groso menor pode reducir eficazmente o factor de concentración de tensión no límite de gran, inhibindo así a fisuración por remachado. A investigación experimental determinou que a temperatura óptima de extrusión non é inferior a 485 ℃.
Cando o grosor da capa de gran groso do perfil de aliaxe de aluminio 6082 é o mesmo, a tensión efectiva do límite de gran da aliaxe no estado de sobreenvellecemento é menor que no estado de envellecemento máximo, o risco de rachaduras durante o remachado é menor e o rendemento de remachado da aliaxe é mellor. Tendo en conta os tres factores: estabilidade do remachado, valor de entrelazado da unión remachada, eficiencia da produción do tratamento térmico e beneficios económicos, o sistema de envellecemento óptimo para a aliaxe determínase en 185 ℃/8 h.
Data de publicación: 05-04-2025
