Mivel a világ országai nagy jelentőséget tulajdonítanak az energiatakarékosságnak és a kibocsátáscsökkentésnek, a tisztán elektromos, új energiájú járművek fejlesztése trenddé vált. Az akkumulátor teljesítménye mellett a karosszéria minősége is döntő tényező, amely befolyásolja az új energiájú járművek hatótávolságát. A könnyű karosszériaszerkezetek és a kiváló minőségű csatlakozások fejlesztésének előmozdítása javíthatja az elektromos járművek átfogó hatótávolságát azáltal, hogy a teljes jármű súlyát a lehető legnagyobb mértékben csökkenti, miközben biztosítja a jármű szilárdságát és biztonsági teljesítményét. Az autók könnyűszerkezetes kialakítása szempontjából az acél-alumínium hibrid karosszéria figyelembe veszi mind a karosszéria szilárdságát, mind a súlycsökkentést, így fontos eszközzé válik a karosszéria könnyűszerkezetes kialakításának elérésében.
Az alumíniumötvözetek hagyományos csatlakoztatási módszere gyenge csatlakozási teljesítményt és alacsony megbízhatóságot mutat. Az önlyukasztó szegecselés, mint új csatlakozási technológia, széles körben elterjedt az autóiparban és a repülőgépiparban, mivel abszolút előnyt jelent a könnyűötvözetek és kompozit anyagok összekapcsolásában. Az elmúlt években a kínai hazai tudósok releváns kutatásokat végeztek az önlyukasztó szegecselési technológiával kapcsolatban, és tanulmányozták a különböző hőkezelési módszerek hatását a TA1 ipari tiszta titán önlyukasztó szegecselt kötések teljesítményére. Megállapították, hogy a hőkezelési módszerek javították a TA1 ipari tiszta titán önlyukasztó szegecselt kötések statikus szilárdságát. Az anyagáramlás szempontjából megfigyelték és elemezték a kötés kialakulásának mechanizmusát, és ennek alapján értékelték a kötés minőségét. Metallográfiai vizsgálatok segítségével megállapították, hogy a nagy képlékeny deformációs terület egy bizonyos tendenciájú szálas szerkezetté finomodott, ami elősegítette a kötés folyáshatárának és fáradási szilárdságának javulását.
A fenti kutatás főként az alumíniumötvözet lemezek szegecselés utáni illesztéseinek mechanikai tulajdonságaira összpontosít. Az autó karosszériák tényleges szegecselése során az alumíniumötvözetből készült extrudált profilok, különösen a nagy szilárdságú, magas ötvözőelem-tartalmú alumíniumötvözetek, például a 6082 alumíniumötvözet szegecselt illesztéseinek repedései a legfontosabb tényezők, amelyek korlátozzák ennek az eljárásnak az alkalmazását az autó karosszérián. Ugyanakkor az autó karosszérián használt extrudált profilok alak- és helyzettűrései, mint például a hajlítás és a csavarodás, közvetlenül befolyásolják a profilok összeszerelését és használatát, valamint meghatározzák a későbbi autó karosszéria méretpontosságát is. A profilok hajlításának és csavarodásának szabályozása, valamint a profilok méretpontosságának biztosítása érdekében a szerszámszerkezet mellett a profilok kimeneti hőmérséklete és az online edzési sebesség a legfontosabb befolyásoló tényezők. Minél magasabb a kimeneti hőmérséklet és minél gyorsabb az edzési sebesség, annál nagyobb a profilok hajlítási és csavarodási foka. Az autó karosszériákhoz használt alumíniumötvözet profilok esetében biztosítani kell a profilok méretpontosságát, és gondoskodni kell arról, hogy az ötvözet szegecselése ne repedjen meg. Az ötvözet méretpontosságának és szegecselő repedésteljesítményének optimalizálásának legegyszerűbb módja a repedés szabályozása az extrudált rudak fűtési hőmérsékletének és öregedési folyamatának optimalizálásával, miközben az anyagösszetétel, a szerszámszerkezet, az extrudálási sebesség és a kioltási sebesség változatlan marad. A 6082 alumíniumötvözet esetében, feltételezve, hogy a többi folyamatfeltétel változatlan marad, minél magasabb az extrudálási hőmérséklet, annál sekélyebb a durva szemcsés réteg, de annál nagyobb a profil deformációja a kioltás után.
Ez a tanulmány a kutatási tárgyéval megegyező összetételű 6082-es alumíniumötvözetet használ, különböző extrudálási hőmérsékleteket és öregítési eljárásokat alkalmaz különböző állapotú minták előállításához, és szegecselési vizsgálatok segítségével értékeli az extrudálási hőmérséklet és az öregítési állapot hatását a szegecselési vizsgálatra. Az előzetes eredmények alapján meghatározza az optimális öregítési folyamatot, amely iránymutatást nyújt a 6082-es alumíniumötvözetből készült test extrudált profilok későbbi gyártásához.
1 Kísérleti anyagok és módszerek
Amint az 1. táblázatban látható, a 6082-es alumíniumötvözetet félfolyamatos öntéssel megolvasztottuk és kerek tuskóvá alakítottuk. Homogenizációs hőkezelés után a tuskót különböző hőmérsékletekre melegítettük, majd egy 2200 tonnás extruderen profillá extrudáltuk. A profil falvastagsága 2,5 mm, az extrudáló henger hőmérséklete 440±10 ℃, az extrudáló szerszám hőmérséklete 470±10 ℃, az extrudálási sebesség 2,3±0,2 mm/s volt, a profil edzési módja pedig erős szélhűtés volt. A melegítési hőmérséklet szerint a mintákat 1-től 3-ig számoztuk, amelyek közül az 1. minta rendelkezett a legalacsonyabb melegítési hőmérséklettel, a hozzá tartozó tuskó hőmérséklete 470±5 ℃, a 2. minta tuskó hőmérséklete 485±5 ℃, a 3. minta hőmérséklete pedig a legmagasabb, a hozzá tartozó tuskó hőmérséklete 500±5 ℃ volt.
1. táblázat A vizsgált ötvözet mért kémiai összetétele (tömegszázalék/%)
Feltéve, hogy az egyéb folyamatparaméterek, mint például az anyagösszetétel, a szerszámszerkezet, az extrudálási sebesség és a kioltási sebesség változatlanok maradnak, a fenti 1-3. számú, az extrudálási fűtési hőmérséklet beállításával kapott mintákat egy doboz típusú ellenállás-kemencében öregítik, az öregítőrendszer pedig 180 ℃/6 óra és 190 ℃/6 óra. A szigetelés után levegővel hűtik őket, majd szegecselnek, hogy kiértékeljék a különböző extrudálási hőmérsékletek és öregítési állapotok hatását a szegecselési vizsgálatra. A szegecselési vizsgálathoz alsó lemezként 2,5 mm vastag 6082 ötvözetet használnak különböző extrudálási hőmérsékletekkel és öregítési rendszerekkel, felső lemezként pedig 1,4 mm vastag 5754-O ötvözetet az SPR szegecselési vizsgálathoz. A szegecselő szerszám M260238, a szegecs pedig C5,3×6,0 H0. Ezenkívül az optimális öregítési folyamat további meghatározása érdekében, az extrudálási hőmérséklet és az öregítési állapot szegecselési repedésre gyakorolt hatása alapján, kiválasztják az optimális extrudálási hőmérsékletű lemezt, majd különböző hőmérsékletekkel és különböző öregítési időkkel kezelik, hogy megvizsgálják az öregítési rendszer szegecselési repedésre gyakorolt hatását, és végül megerősítik az optimális öregítési rendszert. Nagy teljesítményű mikroszkópot használtak az anyag mikroszerkezetének megfigyelésére különböző extrudálási hőmérsékleteken, egy MTS-SANS CMT5000 sorozatú mikrokomputerrel vezérelt elektronikus univerzális vizsgálógépet használtak a mechanikai tulajdonságok vizsgálatára, és kis teljesítményű mikroszkópot használtak a szegecselt kötések megfigyelésére a szegecselés után különböző állapotokban.
2. Kísérleti eredmények és megbeszélés
2.1 Az extrudálási hőmérséklet és az öregedési állapot hatása a szegecselési repedésekre
A mintát az extrudált profil keresztmetszete mentén vették. Durva csiszolás, finom csiszolás és csiszolópapírral történő polírozás után a mintát 8 percig 10%-os NaOH-dal korrodálták, majd a fekete korróziós terméket salétromsavval letörölték. A minta durva szemcsés rétegét nagy teljesítményű mikroszkóppal vizsgálták, amely a szegecscsaton kívüli felületen, a tervezett szegecselési pozícióban helyezkedett el, ahogy az az 1. ábrán látható. Az 1. minta átlagos durva szemcsés rétegvastagsága 352 μm, a 2. minta átlagos durva szemcsés rétegvastagsága 135 μm, a 3. minta átlagos durva szemcsés rétegvastagsága pedig 31 μm volt. A durva szemcsés réteg mélységének különbsége főként az eltérő extrudálási hőmérsékleteknek köszönhető. Minél magasabb az extrudálási hőmérséklet, annál alacsonyabb a 6082 ötvözet deformációs ellenállása, annál kisebb az ötvözet és az extrudáló szerszám (különösen a szerszámmegmunkáló szalag) közötti súrlódás által generált deformációs energiatárolás, és annál kisebb az átkristályosodási hajtóerő. Ezért a felületi durva szemcsés réteg sekélyebb; Minél alacsonyabb az extrudálási hőmérséklet, annál nagyobb az alakváltozási ellenállás, annál nagyobb az alakváltozási energiatárolás, annál könnyebb az átkristályosodás, és annál mélyebb a durva szemcsés réteg. A 6082 ötvözet esetében a durva szemcsés átkristályosodás mechanizmusa a másodlagos átkristályosodás.
(a) 1. modell
(b) 2. modell
(c) 3. modell
1. ábra Különböző eljárásokkal extrudált profilok durva szemcsés rétegének vastagsága
Az 1–3. mintákat különböző extrudálási hőmérsékleteken készítettük, és rendre 180 ℃/6 órán, illetve 190 ℃/6 órán keresztül öregítettük. A 2. minta mechanikai tulajdonságait a két öregítési folyamat után a 2. táblázat mutatja. A két öregítési rendszerben a minta folyáshatára és szakítószilárdsága 180 ℃/6 óránál jelentősen magasabb, mint a 190 ℃/6 óránál mért értékek, míg a kettő nyúlása nem különbözik jelentősen, ami arra utal, hogy a 190 ℃/6 óra túlöregedési kezelés. Mivel a 6-os sorozatú alumíniumötvözet mechanikai tulajdonságai az alulöregedési állapotban az öregedési folyamat változásával nagymértékben ingadoznak, ez nem segíti elő a profilgyártási folyamat stabilitását és a szegecselés minőségének szabályozását. Ezért nem alkalmas az alulöregedési állapot alkalmazása karosszériaelemek előállítására.
2. táblázat A 2. minta mechanikai tulajdonságai két öregítési rendszerben
A próbadarab szegecselés utáni megjelenését a 2. ábra mutatja. Amikor az 1. számú mintát mélyebb durva szemcsés réteggel szegecselték a csúcsöregedési állapotban, a szegecs alsó felületén szabad szemmel is látható narancshéj-elváltozás és repedések voltak, amint az a 2a. ábrán látható. A szemcsék belsejében lévő inkonzisztens orientáció miatt az alakváltozás mértéke egyenetlen lesz az alakváltozás során, egyenetlen felületet képezve. Amikor a szemcsék durvák, a felület egyenetlensége nagyobb lesz, szabad szemmel is látható narancshéj-jelenséget képezve. Amikor a sekélyebb durva szemcsés réteggel ellátott 3. számú mintát az öregedési csúcsállapotban szegecselték, a szegecs alsó felülete viszonylag sima volt, és a repedés bizonyos mértékig visszafogott volt, ami csak mikroszkópos nagyítás alatt volt látható, amint az a 2b. ábrán látható. Amikor a 3. számú minta túlöregedési állapotban volt, mikroszkópos nagyítás alatt nem volt megfigyelhető repedés, amint az a 2c. ábrán látható.
(a) Szabad szemmel látható repedések
(b) Mikroszkóp alatt látható enyhe repedések
(c) Nincsenek repedések
2. ábra Szegecselés utáni repedés különböző fokai
A szegecselés utáni felület főként három állapotban van, nevezetesen szabad szemmel látható repedések („×”), mikroszkópos nagyításban látható enyhe repedések („△”) és repedésmentesek („○”). A fenti három állapotú minták szegecselési morfológiai eredményeit két öregítési rendszer alatt a 3. táblázat mutatja. Látható, hogy állandó öregítési folyamat esetén a magasabb extrudálási hőmérsékletű és vékonyabb durva szemcsés rétegű minták szegecselési repedésteljesítménye jobb, mint a mélyebb durva szemcsés rétegű mintáké; állandó durva szemcsés réteg esetén a túlöregedett állapot szegecselési repedésteljesítménye jobb, mint a csúcsöregedési állapoté.
3. táblázat Az 1–3. minták szegecselő megjelenése két folyamatrendszerben
Vizsgálták a szemcsemorfológia és az öregedési állapot hatását a profilok axiális nyomás alatti repedési viselkedésére. Az anyag feszültségi állapota az axiális nyomás során megegyezett az önlyukasztó szegecselés feszültségi állapotával. A tanulmány megállapította, hogy a repedések a szemcsehatárokból erednek, és az Al-Mg-Si ötvözet repedési mechanizmusát a következő képlettel magyarázták.
σapp a kristályra ható feszültség. Repedéskor a σapp egyenlő a szakítószilárdságnak megfelelő valódi feszültségértékkel; σa0 a kiválások ellenállása a kristályon belüli csúszás során; Φ a feszültségkoncentrációs együttható, amely a d szemcsemérethez és a p csúszási szélességhez kapcsolódik.
Az átkristályosítással összehasonlítva a rostos szemcseszerkezet jobban elősegíti a repedésgátlást. Ennek fő oka, hogy a szemcsefinomodás miatt jelentősen csökken a szemcseméret (d), ami hatékonyan csökkentheti a feszültségkoncentrációs tényezőt (Φ) a szemcsehatáron, ezáltal gátolva a repedést. A rostos szerkezettel összehasonlítva a durva szemcséjű átkristályosított ötvözet feszültségkoncentrációs tényezője (Φ) körülbelül tízszerese az előbbinek.
A csúcsöregítéssel összehasonlítva a túlöregedési állapot jobban kedvez a repedésgátlásnak, amelyet az ötvözeten belüli különböző kicsapódási fázisállapotok határoznak meg. A csúcsöregítés során a 6082 ötvözetben 20-50 nm-es 'β (Mg5Si6) fázisok válnak ki, nagyszámú és kis méretű kiválással; amikor az ötvözet túlöregedésben van, az ötvözetben lévő kiválások száma csökken, és a méretük nagyobb lesz. Az öregítési folyamat során keletkező kiválások hatékonyan gátolhatják a diszlokációk mozgását az ötvözeten belül. A diszlokációkra ható rögzítő ereje összefügg a kicsapódási fázis méretével és térfogatarányával. Az empirikus képlet a következő:
f a kicsapódási fázis térfogataránya; r a fázis mérete; σa a fázis és a mátrix közötti határfelületi energia. A képlet azt mutatja, hogy minél nagyobb a kicsapódási fázis mérete és minél kisebb a térfogataránya, annál kisebb a diszlokációkra ható rögzítőereje, annál könnyebben indulnak be a diszlokációk az ötvözetben, és az ötvözet σa0 értéke a csúcsöregedéstől a túlöregedési állapotig csökken. Még ha a σa0 csökken is, amikor az ötvözet a csúcsöregedésből a túlöregedési állapotba kerül, az ötvözet repedésekor a σapp érték még jobban csökken, ami a szemcsehatáron fellépő effektív feszültség (σapp-σa0) jelentős csökkenéséhez vezet. A túlöregedés szemcsehatárán a effektív feszültség körülbelül 1/5-e a csúcsöregedésnél fellépő feszültségnek, azaz kisebb a valószínűsége a szemcsehatáron fellépő repedésnek a túlöregedési állapotban, ami az ötvözet jobb szegecselőképességét eredményezi.
2.2 Az extrudálási hőmérséklet és az öregítési folyamatrendszer optimalizálása
A fenti eredmények szerint az extrudálási hőmérséklet növelése csökkentheti a durvaszemcsés réteg vastagságát, ezáltal gátolva az anyag repedését a szegecselési folyamat során. Bizonyos ötvözet-összetétel, extrudáló szerszám szerkezete és extrudálási folyamat mellett azonban, ha az extrudálási hőmérséklet túl magas, akkor egyrészt a profil hajlítási és csavarodási foka megnő a későbbi edzési folyamat során, így a profilméret-tűrés nem felel meg a követelményeknek, másrészt az ötvözet könnyen túléghet az extrudálási folyamat során, ami növeli az anyag selejtezésének kockázatát. A szegecselési állapotot, a profilméret-folyamatot, a gyártási folyamat ablakát és egyéb tényezőket figyelembe véve, ehhez az ötvözethez a legmegfelelőbb extrudálási hőmérséklet legalább 485 ℃, azaz a 2. minta. Az optimális öregítési folyamatrendszer megerősítése érdekében az öregítési folyamatot a 2. minta alapján optimalizálták.
A 2. számú minta mechanikai tulajdonságait különböző öregítési idők mellett, 180 ℃-on, 185 ℃-on és 190 ℃-on a 3. ábra mutatja be, ezek a folyáshatár, a szakítószilárdság és a nyúlás. Amint a 3a. ábra mutatja, 180 ℃ alatt az öregítési idő 6 óráról 12 órára nő, és az anyag folyáshatára nem csökken jelentősen. 185 ℃ alatt, ahogy az öregítési idő 4 óráról 12 órára nő, a folyáshatár először nő, majd csökken, és a legnagyobb szilárdsági értékhez tartozó öregítési idő 5-6 óra. 190 ℃ alatt, ahogy az öregítési idő növekszik, a folyáshatár fokozatosan csökken. Összességében a három öregítési hőmérsékleten minél alacsonyabb az öregítési hőmérséklet, annál nagyobb az anyag csúcsszilárdsága. A 3b. ábrán látható szakítószilárdság jellemzői összhangban vannak a 3a. ábrán látható folyáshatárral. A 3c. ábrán látható, hogy a különböző öregítési hőmérsékleteken a nyúlás 14% és 17% között van, és nincs egyértelmű változási minta. Ez a kísérlet a csúcsöregedéstől a túlzott öregedési szakaszig terjedő szakaszt vizsgálja, és a kis kísérleti különbségek miatt a teszthiba miatt a változási minta nem egyértelmű.
3. ábra Az anyagok mechanikai tulajdonságai különböző öregítési hőmérsékleteken és öregítési időkben
A fenti öregítési kezelés után a szegecselt kötések repedését a 4. táblázat foglalja össze. A 4. táblázatból látható, hogy az idő növekedésével a szegecselt kötések repedése bizonyos mértékig csökken. 180 ℃-on, amikor az öregítési idő meghaladja a 10 órát, a szegecselt kötés megjelenése elfogadható állapotban van, de instabil. 185 ℃-on, 7 óra öregítés után a szegecselt kötés megjelenése repedésmentes, és állapota viszonylag stabil. 190 ℃-on a szegecselt kötés megjelenése repedésmentes, és állapota stabil. A szegecselési teszt eredményeiből látható, hogy a szegecselési teljesítmény jobb és stabilabb, ha az ötvözet túlöregedett állapotban van. A testprofil használatával kombinálva a 180 ℃/10~12 órán át tartó szegecselés nem segíti elő az OEM által ellenőrzött gyártási folyamat minőségének stabilitását. A szegecselt kötés stabilitásának biztosítása érdekében az öregítési időt tovább kell növelni, de az öregítési idő ellenőrzése a profilgyártás hatékonyságának csökkenéséhez és a költségek növekedéséhez vezet. 190 ℃-os körülmények között minden minta megfelel a szegecselt repedés követelményeinek, de az anyag szilárdsága jelentősen csökken. A járműtervezési követelmények szerint a 6082 ötvözet folyáshatárának garantáltan nagyobbnak kell lennie, mint 270 MPa. Ezért a 190 ℃-os öregítési hőmérséklet nem felel meg az anyag szilárdsági követelményeinek. Ugyanakkor, ha az anyag szilárdsága túl alacsony, a szegecselt kötés alsó lemezének maradék vastagsága túl kicsi lesz. 190 ℃/8 órás öregítés után a szegecselt keresztmetszeti jellemzők azt mutatják, hogy a maradék vastagság 0,26 mm, ami nem felel meg a ≥0,3 mm-es indexkövetelménynek, amint az a 4a. ábrán látható. Összességében az optimális öregítési hőmérséklet 185 ℃. 7 órás öregítés után az anyag stabilan megfelel a szegecselési követelményeknek, és a szilárdság is megfelel a teljesítménykövetelményeknek. Figyelembe véve a szegecselési folyamat gyártási stabilitását a hegesztőműhelyben, az optimális öregítési időt 8 órának javasoljuk meghatározni. A folyamatrendszer keresztmetszeti jellemzőit a 4b. ábra mutatja, amelyek megfelelnek az összekapcsolási index követelményeinek. A bal és jobb oldali összekapcsolások 0,90 mm és 0,75 mm, amelyek megfelelnek a ≥0,4 mm-es indexkövetelménynek, az alsó maradék vastagság pedig 0,38 mm.
4. táblázat A 2. minta repedése különböző hőmérsékleteken és öregítési időkben
4. ábra: 6082-es fenéklemezek szegecselt kötéseinek keresztmetszeti jellemzői különböző öregedési állapotokban
3 Következtetés
Minél magasabb a 6082 alumíniumötvözet profilok extrudálási hőmérséklete, annál sekélyebb a felületi durvaszemcsés réteg az extrudálás után. A sekélyebb durvaszemcsés rétegvastagság hatékonyan csökkentheti a feszültségkoncentrációs tényezőt a szemcsehatáron, ezáltal gátolva a szegecselési repedést. Kísérleti kutatások kimutatták, hogy az optimális extrudálási hőmérséklet legalább 485 ℃.
Amikor a 6082 alumíniumötvözet profil durva szemcsés rétegének vastagsága azonos, az ötvözet szemcsehatárának effektív feszültsége a túlöregedési állapotban kisebb, mint a csúcsöregedési állapotban, a szegecselés során a repedés kockázata kisebb, és az ötvözet szegecselési teljesítménye jobb. Figyelembe véve a szegecselési stabilitás, a szegecselt kötés reteszelő értéke, a hőkezelési termelési hatékonyság és a gazdasági előnyök három tényezőjét, az ötvözet optimális öregítési rendszere 185 ℃/8 óra.
Közzététel ideje: 2025. április 5.
