Omdat landen wereldwijd veel belang hechten aan energiebesparing en emissiereductie, is de ontwikkeling van volledig elektrische voertuigen op nieuwe energiebronnen een trend geworden. Naast de prestaties van de accu is ook de kwaliteit van de carrosserie een cruciale factor die de actieradius van voertuigen op nieuwe energiebronnen beïnvloedt. Het bevorderen van de ontwikkeling van lichtgewicht carrosserieën en hoogwaardige verbindingen kan de algehele actieradius van elektrische voertuigen verbeteren door het gewicht van het gehele voertuig zoveel mogelijk te verlagen en tegelijkertijd de sterkte en veiligheidsprestaties van het voertuig te waarborgen. Wat betreft het lichtgewicht maken van auto's, houdt de hybride staal-aluminium carrosserie rekening met zowel de sterkte als de gewichtsvermindering van de carrosserie, en is daarmee een belangrijk middel om een lichtgewicht carrosserie te bereiken.
De traditionele verbindingsmethode voor het verbinden van aluminiumlegeringen heeft slechte verbindingsprestaties en een lage betrouwbaarheid. Zelfborende klinknagels, als nieuwe verbindingstechnologie, worden veel gebruikt in de auto-industrie en de lucht- en ruimtevaartindustrie vanwege hun absolute voordeel bij het verbinden van lichtmetalen en composietmaterialen. De afgelopen jaren hebben Chinese wetenschappers relevant onderzoek gedaan naar de technologie van zelfborende klinknagels en de effecten bestudeerd van verschillende warmtebehandelingsmethoden op de prestaties van TA1 industriële zelfborende geklonken verbindingen van zuiver titanium. Er werd vastgesteld dat gloei- en afschrikwarmtebehandelingsmethoden de statische sterkte van TA1 industriële zelfborende geklonken verbindingen van zuiver titanium verbeterden. Het verbindingsvormingsmechanisme werd geobserveerd en geanalyseerd vanuit het perspectief van materiaalstroom, en de verbindingskwaliteit werd op basis hiervan beoordeeld. Door middel van metallografische tests werd vastgesteld dat het grote plastische vervormingsgebied werd verfijnd tot een vezelstructuur met een zekere tendens, wat de verbetering van de vloeispanning en vermoeiingssterkte van de verbinding bevorderde.
Bovenstaand onderzoek richt zich voornamelijk op de mechanische eigenschappen van de verbindingen na het klinken van aluminiumlegeringsplaten. Bij de daadwerkelijke productie van het klinken van carrosserieën zijn de scheuren in de klinkverbindingen van geëxtrudeerde aluminiumlegeringsprofielen, met name hoogsterkte aluminiumlegeringen met een hoog gehalte aan legeringselementen, zoals aluminiumlegering 6082, de belangrijkste beperkende factoren voor de toepassing van dit proces op de carrosserie. Tegelijkertijd beïnvloeden de vorm- en positietoleranties van de geëxtrudeerde profielen die op de carrosserie worden gebruikt, zoals buigen en torderen, direct de montage en het gebruik van de profielen en bepalen ze ook de maatnauwkeurigheid van de uiteindelijke carrosserie. Om het buigen en torderen van de profielen te beheersen en de maatnauwkeurigheid van de profielen te waarborgen, zijn, naast de matrijsstructuur, de uitlaattemperatuur van de profielen en de online afschriksnelheid de belangrijkste beïnvloedende factoren. Hoe hoger de uitlaattemperatuur en hoe hoger de afschriksnelheid, hoe groter de mate van buiging en torderen van de profielen. Voor aluminiumlegeringsprofielen voor carrosserieën is het noodzakelijk om de maatnauwkeurigheid van de profielen te garanderen en ervoor te zorgen dat de klinknagels niet scheuren. De eenvoudigste manier om de maatnauwkeurigheid en de scheurbestendigheid van de klinknagels te optimaliseren, is door scheurvorming te beheersen door de verwarmingstemperatuur en het verouderingsproces van de geëxtrudeerde staven te optimaliseren, terwijl de materiaalsamenstelling, matrijsstructuur, extrusiesnelheid en afschriksnelheid ongewijzigd blijven. Voor aluminiumlegering 6082 geldt, onder de aanname dat andere procesomstandigheden ongewijzigd blijven, dat hoe hoger de extrusietemperatuur, hoe ondieper de grofkorrelige laag, maar hoe groter de vervorming van het profiel na het afschrikken.
In dit artikel wordt een aluminiumlegering van 6082 met dezelfde samenstelling als het onderzoeksobject gebruikt, worden verschillende extrusietemperaturen en verouderingsprocessen gebruikt om monsters in verschillende toestanden te prepareren en worden de effecten van extrusietemperatuur en verouderingstoestand op de klinktest geëvalueerd. Op basis van de voorlopige resultaten wordt het optimale verouderingsproces verder bepaald om richtlijnen te bieden voor de daaropvolgende productie van extrusieprofielen voor aluminiumlegeringen van 6082.
1 Experimentele materialen en methoden
Zoals weergegeven in tabel 1, werd de 6082 aluminiumlegering gesmolten en tot een ronde staaf verwerkt door middel van semi-continu gieten. Na een homogenisatiewarmtebehandeling werd de staaf verhit tot verschillende temperaturen en geëxtrudeerd tot een profiel op een 2200 t extruder. De wanddikte van het profiel was 2,5 mm, de temperatuur van de extrusiecilinder was 440 ±10 °C, de temperatuur van de extrusiematrijs was 470 ±10 °C, de extrusiesnelheid was 2,3 ±0,2 mm/s en het profiel werd afgekoeld met sterke windkoeling. Afhankelijk van de verwarmingstemperatuur werden de monsters genummerd van 1 tot en met 3, waarbij monster 1 de laagste verwarmingstemperatuur had en de overeenkomstige staaftemperatuur 470±5 ℃ was, de overeenkomstige staaftemperatuur van monster 2 485±5 ℃ was en de temperatuur van monster 3 de hoogste was en de overeenkomstige staaftemperatuur 500±5 ℃ was.
Tabel 1 Gemeten chemische samenstelling van de testlegering (massafractie/%)
Onder de voorwaarde dat andere procesparameters zoals materiaalsamenstelling, matrijsstructuur, extrusiesnelheid en afschriksnelheid ongewijzigd blijven, worden de bovenstaande monsters nr. 1 tot en met 3, verkregen door aanpassing van de extrusieverwarmingstemperatuur, verouderd in een doosvormige weerstandsoven en is het verouderingssysteem 180 ℃/6 uur en 190 ℃/6 uur. Na de isolatie worden ze luchtgekoeld en vervolgens geklonken om de invloed van verschillende extrusietemperaturen en verouderingstoestanden op de klinktest te evalueren. De klinktest gebruikt een 2,5 mm dikke 6082-legering met verschillende extrusietemperaturen en verschillende verouderingssystemen als de onderste plaat en een 1,4 mm dikke 5754-O-legering als de bovenste plaat voor de SPR-klinktest. De klinkmatrijs is M260238 en de klink is C5,3 × 6,0 H0. Om het optimale verouderingsproces verder te bepalen, op basis van de invloed van de extrusietemperatuur en de verouderingstoestand op scheuren in de klinknagels, wordt de plaat met de optimale extrusietemperatuur geselecteerd en vervolgens behandeld met verschillende temperaturen en verouderingstijden om de invloed van het verouderingssysteem op scheuren in de klinknagels te bestuderen en zo uiteindelijk het optimale verouderingsproces te bepalen. Een microscoop met hoge vergroting werd gebruikt om de microstructuur van het materiaal bij verschillende extrusietemperaturen te observeren, een microcomputergestuurde elektronische universele testmachine uit de MTS-SANS CMT5000-serie werd gebruikt om de mechanische eigenschappen te testen, en een microscoop met lage vergroting werd gebruikt om de klinknagelverbindingen na het klinken in verschillende toestanden te observeren.
2Experimentele resultaten en discussie
2.1 Effect van extrusietemperatuur en verouderingstoestand op klinkscheuren
De bemonstering werd genomen langs de dwarsdoorsnede van het geëxtrudeerde profiel. Na grof slijpen, fijn slijpen en polijsten met schuurpapier werd het monster gedurende 8 minuten gecorrodeerd met 10% NaOH en werd het zwarte corrosieproduct schoongeveegd met salpeterzuur. De grove korrellaag van het monster werd waargenomen met een krachtige microscoop, die zich op het oppervlak buiten de klinknagelgesp bevond op de beoogde klinkpositie, zoals weergegeven in Afbeelding 1. De gemiddelde diepte van de grove korrellaag van monster nr. 1 was 352 μm, de gemiddelde diepte van de grove korrellaag van monster nr. 2 was 135 μm en de gemiddelde diepte van de grove korrellaag van monster nr. 3 was 31 μm. Het verschil in de diepte van de grove korrellaag wordt voornamelijk veroorzaakt door de verschillende extrusietemperaturen. Hoe hoger de extrusietemperatuur, hoe lager de vervormingsweerstand van de 6082-legering, hoe kleiner de opslag van vervormingsenergie die wordt gegenereerd door de wrijving tussen de legering en de extrusiematrijs (met name de werkband van de matrijs), en hoe kleiner de drijvende kracht achter de rekristallisatie. De grove korrellaag aan het oppervlak is dus ondieper; hoe lager de extrusietemperatuur, hoe groter de vervormingsweerstand, hoe groter de opslag van vervormingsenergie, hoe gemakkelijker de rekristallisatie en hoe dieper de grove korrellaag. Voor de 6082-legering is het mechanisme van de grove korrelrekristallisatie secundaire rekristallisatie.
(a) Model 1
(b) Model 2
(c) Model 3
Figuur 1 Dikte van de grofkorrelige laag van geëxtrudeerde profielen door verschillende processen
Monsters 1 tot en met 3, bereid bij verschillende extrusietemperaturen, werden respectievelijk verouderd bij 180 ℃/6 uur en 190 ℃/6 uur. De mechanische eigenschappen van monster 2 na de twee verouderingsprocessen worden weergegeven in Tabel 2. Onder de twee verouderingssystemen zijn de vloeigrens en treksterkte van het monster bij 180 ℃/6 uur aanzienlijk hoger dan die bij 190 ℃/6 uur, terwijl de rek van de twee niet veel verschilt, wat aangeeft dat 190 ℃/6 uur een oververouderingsbehandeling is. Omdat de mechanische eigenschappen van de aluminiumlegering uit de 6-serie sterk fluctueren met de verandering van het verouderingsproces in de onderverouderingstoestand, is dit niet bevorderlijk voor de stabiliteit van het profielproductieproces en de controle van de klinkkwaliteit. Daarom is het niet geschikt om de onderverouderingstoestand te gebruiken om carrosserieprofielen te produceren.
Tabel 2 Mechanische eigenschappen van monster nr. 2 onder twee verouderingssystemen
Het uiterlijk van het proefstuk na het klinken is weergegeven in figuur 2. Toen monster nr. 1 met een diepere, grofkorrelige laag werd geklonken in de piekverouderingstoestand, vertoonde de onderkant van de klinknagel een duidelijke sinaasappelschil en scheuren die met het blote oog zichtbaar waren, zoals weergegeven in figuur 2a. Door de inconsistente oriëntatie binnen de korrels zal de vervormingsgraad ongelijkmatig zijn tijdens de vervorming, waardoor een oneffen oppervlak ontstaat. Wanneer de korrels grof zijn, wordt de oneffenheid van het oppervlak groter, waardoor een sinaasappelschilverschijnsel ontstaat dat met het blote oog zichtbaar is. Toen monster nr. 3 met een ondiepere, grofkorrelige laag, bereid door de extrusietemperatuur te verhogen, werd geklonken in de piekverouderingstoestand, was de onderkant van de klinknagel relatief glad en werd de scheurvorming tot op zekere hoogte onderdrukt, wat alleen zichtbaar was onder microscoopvergroting, zoals weergegeven in figuur 2b. Toen monster nr. 3 zich in de oververouderingstoestand bevond, werd er geen scheurvorming waargenomen onder microscoopvergroting, zoals weergegeven in figuur 2c.
(a) Scheuren die met het blote oog zichtbaar zijn
(b) Lichte scheuren zichtbaar onder de microscoop
(c) Geen scheuren
Figuur 2 Verschillende graden van scheurvorming na het klinken
Het oppervlak na het klinken bevindt zich hoofdzakelijk in drie toestanden: scheuren zichtbaar met het blote oog (aangegeven met "×"), lichte scheuren zichtbaar onder microscoop (aangegeven met "△") en geen scheuren (aangegeven met "○"). De resultaten van de klinkmorfologie van de bovenstaande drie toestanden onder twee verouderingssystemen worden weergegeven in Tabel 3. Bij een constant verouderingsproces is het klinkscheurgedrag van het monster met een hogere extrusietemperatuur en een dunnere grove korrellaag beter dan dat van het monster met een diepere grove korrellaag; bij een constante grove korrellaag zijn de klinkscheurprestaties van de oververouderingstoestand beter dan die van de piekverouderingstoestand.
Tabel 3 Klinkend uiterlijk van monsters 1 tot en met 3 onder twee processystemen
De effecten van korrelmorfologie en verouderingstoestand op het axiale drukscheurgedrag van profielen werden bestudeerd. De spanningstoestand van het materiaal tijdens axiale druk kwam overeen met die van zelfborende klinknagels. Uit het onderzoek bleek dat de scheuren ontstonden vanuit de korrelgrenzen en dat het scheurmechanisme van de Al-Mg-Si-legering werd verklaard door de formule.
σapp is de spanning die op het kristal wordt uitgeoefend. Bij scheurvorming is σapp gelijk aan de werkelijke spanningswaarde die overeenkomt met de treksterkte; σa0 is de weerstand van de precipitaten tijdens intrakristallijne glijding; Φ is de spanningsconcentratiecoëfficiënt, die gerelateerd is aan de korrelgrootte d en de glijbreedte p.
Vergeleken met rekristallisatie is een vezelige korrelstructuur gunstiger voor het remmen van scheurvorming. De belangrijkste reden hiervoor is dat de korrelgrootte d aanzienlijk wordt verkleind door korrelverfijning, wat de spanningsconcentratiefactor Φ aan de korrelgrens effectief kan verlagen en zo scheurvorming kan remmen. Vergeleken met een vezelstructuur is de spanningsconcentratiefactor Φ van een gerekristalliseerde legering met grove korrels ongeveer 10 keer zo groot als die van de eerste.
Vergeleken met piekveroudering is de oververouderingstoestand gunstiger voor het remmen van scheurvorming, wat wordt bepaald door de verschillende precipitatiefasen in de legering. Tijdens piekveroudering worden 20-50 nm 'β (Mg5Si6)-fasen neergeslagen in de 6082-legering, met een groot aantal precipitaten en kleine deeltjesgroottes; wanneer de legering oververoudering is, neemt het aantal precipitaten in de legering af en worden de deeltjesgroottes groter. De precipitaten die tijdens het verouderingsproces ontstaan, kunnen de beweging van dislocaties in de legering effectief remmen. De vasthoudkracht op dislocaties is gerelateerd aan de grootte en volumefractie van de precipitaatfase. De empirische formule is:
f is de volumefractie van de precipitaatfase; r is de grootte van de fase; σa is de grensvlakenergie tussen de fase en de matrix. De formule laat zien dat hoe groter de precipitaatfase en hoe kleiner de volumefractie, hoe kleiner de vastzetkracht op dislocaties, hoe gemakkelijker dislocaties in de legering kunnen ontstaan, en hoe σa0 in de legering zal afnemen van de piekveroudering naar de oververouderingstoestand. Zelfs als σa0 afneemt, neemt de σapp-waarde op het moment van scheuren van de legering meer af wanneer de legering van de piekveroudering naar de oververouderingstoestand gaat, wat resulteert in een significante afname van de effectieve spanning aan de korrelgrens (σapp-σa0). De effectieve spanning aan de korrelgrens van oververoudering is ongeveer 1/5 van die op het moment van piekveroudering, dat wil zeggen dat het minder waarschijnlijk is dat er scheuren ontstaan aan de korrelgrens in de oververouderingstoestand, wat resulteert in betere klinkprestaties van de legering.
2.2 Optimalisatie van het extrusietemperatuur- en verouderingsprocessysteem
Volgens de bovenstaande resultaten kan een verhoging van de extrusietemperatuur de diepte van de grofkorrelige laag verminderen, waardoor scheurvorming in het materiaal tijdens het klinkproces wordt voorkomen. Echter, onder bepaalde omstandigheden, zoals de samenstelling van de legering, de structuur van de extrusiematrijs en het extrusieproces, zal een te hoge extrusietemperatuur enerzijds de buig- en torsiegraad van het profiel verergeren tijdens het daaropvolgende afschrikproces, waardoor de tolerantie van de profielafmetingen niet aan de eisen voldoet. Anderzijds zal het ervoor zorgen dat de legering gemakkelijk oververbrand raakt tijdens het extrusieproces, waardoor het risico op materiaalverspilling toeneemt. Rekening houdend met de klinktoestand, het profielafmetingsproces, het productieproces en andere factoren, is de meest geschikte extrusietemperatuur voor deze legering minimaal 485 °C, dat wil zeggen monster nr. 2. Om het optimale verouderingsproces te bevestigen, werd het verouderingsproces geoptimaliseerd op basis van monster nr. 2.
De mechanische eigenschappen van specimen nr. 2 bij verschillende verouderingstijden bij 180 ℃, 185 ℃ en 190 ℃ worden weergegeven in figuur 3, namelijk vloeigrens, treksterkte en rek. Zoals weergegeven in figuur 3a, neemt de verouderingstijd onder 180 ℃ toe van 6 uur tot 12 uur en neemt de vloeigrens van het materiaal niet significant af. Onder 185 ℃, naarmate de verouderingstijd toeneemt van 4 uur tot 12 uur, neemt de vloeigrens eerst toe en neemt vervolgens af, en de verouderingstijd die overeenkomt met de hoogste sterktewaarde is 5-6 uur. Onder 190 ℃ neemt de vloeigrens geleidelijk af naarmate de verouderingstijd toeneemt. Over het algemeen geldt bij de drie verouderingstemperaturen: hoe lager de verouderingstemperatuur, hoe hoger de pieksterkte van het materiaal. De kenmerken van de treksterkte in figuur 3b komen overeen met de vloeigrens in figuur 3a. De rek bij verschillende verouderingstemperaturen, weergegeven in figuur 3c, ligt tussen 14% en 17%, zonder duidelijk veranderingspatroon. Dit experiment test de piekveroudering tot en met de oververouderingsfase, en vanwege de kleine experimentele verschillen zorgt de testfout ervoor dat het veranderingspatroon onduidelijk is.
Figuur 3 Mechanische eigenschappen van materialen bij verschillende verouderingstemperaturen en verouderingstijden
Na de bovenstaande verouderingsbehandeling is het scheuren van de geklonken verbindingen samengevat in Tabel 4. Uit Tabel 4 blijkt dat met het toenemen van de tijd het scheuren van de geklonken verbindingen tot op zekere hoogte wordt onderdrukt. Onder de omstandigheden van 180 ℃, wanneer de verouderingstijd 10 uur overschrijdt, is het uiterlijk van de geklonken verbinding in een acceptabele staat, maar instabiel. Onder de omstandigheden van 185 ℃, na 7 uur veroudering, heeft het uiterlijk van de geklonken verbinding geen scheuren en is de toestand relatief stabiel. Onder de omstandigheden van 190 ℃ heeft het uiterlijk van de geklonken verbinding geen scheuren en is de toestand stabiel. Uit de klinktestresultaten kan worden gezien dat de klinkprestaties beter en stabieler zijn wanneer de legering zich in een oververouderde toestand bevindt. Gecombineerd met het gebruik van het carrosserieprofiel is klinken bij 180 ℃ / 10 ~ 12 uur niet bevorderlijk voor de kwaliteitsstabiliteit van het productieproces dat door de OEM wordt gecontroleerd. Om de stabiliteit van de geklonken verbinding te waarborgen, moet de verouderingstijd verder worden verlengd, maar de verificatie van de verouderingstijd zal leiden tot een verminderde efficiëntie van de profielproductie en hogere kosten. Onder de voorwaarde van 190 ℃ kunnen alle monsters voldoen aan de eisen van klinkscheuren, maar de sterkte van het materiaal wordt aanzienlijk verminderd. Volgens de eisen van het voertuigontwerp moet de vloeigrens van 6082-legering gegarandeerd groter zijn dan 270 MPa. Daarom voldoet de verouderingstemperatuur van 190 ℃ niet aan de eisen voor materiaalsterkte. Tegelijkertijd, als de materiaalsterkte te laag is, zal de restdikte van de bodemplaat van de geklonken verbinding te klein zijn. Na veroudering bij 190 ℃ / 8 uur laten de geklonken dwarsdoorsnede-eigenschappen zien dat de restdikte 0,26 mm is, wat niet voldoet aan de indexvereiste van ≥ 0,3 mm, zoals weergegeven in Afbeelding 4a. Als we alles in zijn geheel beschouwen, is de optimale verouderingstemperatuur 185 ℃. Na veroudering gedurende 7 uur kan het materiaal stabiel voldoen aan de klinkvereisten en voldoet de sterkte aan de prestatie-eisen. Gezien de productiestabiliteit van het klinkproces in de laswerkplaats, wordt voorgesteld om de optimale verouderingstijd te bepalen als 8 uur. De dwarsdoorsnede-eigenschappen onder dit processysteem worden weergegeven in Afbeelding 4b, die voldoet aan de interlocking-indexvereisten. De linker- en rechterinterlocks zijn 0,90 mm en 0,75 mm, wat voldoet aan de indexvereisten van ≥ 0,4 mm, en de onderste restdikte is 0,38 mm.
Tabel 4 Barsten van monster nr. 2 bij verschillende temperaturen en verschillende verouderingstijden
Figuur 4. Dwarsdoorsnede-eigenschappen van geklonken verbindingen van 6082 bodemplaten in verschillende verouderingsstadia
3 Conclusie
Hoe hoger de extrusietemperatuur van 6082 aluminiumlegeringsprofielen, hoe dunner de oppervlaktelaag met grofkorrelige korrels na extrusie. Een dunnere laagdikte van de grofkorrelige korrel kan de spanningsconcentratiefactor aan de korrelgrens effectief verminderen, waardoor klinkscheuren worden voorkomen. Experimenteel onderzoek heeft aangetoond dat de optimale extrusietemperatuur minimaal 485 °C bedraagt.
Wanneer de dikte van de grofkorrelige laag van het 6082 aluminiumlegeringsprofiel gelijk is, is de effectieve spanning van de korrelgrens van de legering in de oververouderingstoestand lager dan in de piekverouderingstoestand, is het risico op scheurvorming tijdens het klinken kleiner en zijn de klinkprestaties van de legering beter. Rekening houdend met drie factoren: klinkstabiliteit, de vergrendelingswaarde van de klinkverbinding, de efficiëntie van de warmtebehandeling en de economische voordelen, wordt het optimale verouderingssysteem voor de legering bepaald op 185 °C/8 uur.
Plaatsingstijd: 5 april 2025
