由于世界各國對節(jié)能減排的重視,發(fā)展純電動新能源汽車已經(jīng)成為一種趨勢。新能源車的續(xù)駛里程,除了與電池性能有關(guān)外,車身的質(zhì)量也是一個至關(guān)重要的影響因素。推動發(fā)展汽車車身結(jié)構(gòu)的輕量化和連接的高質(zhì)量,在保證汽車強(qiáng)度和安全性能的前提下,通過盡可能降低汽車整車質(zhì)量,可以提高電動汽車的綜合續(xù)駛里程。在汽車輕量化方面鋼鋁混合車身兼顧了車身的強(qiáng)度和減重,成為實(shí)現(xiàn)車身輕量化的一個重要手段。
用傳統(tǒng)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(shù),因其對輕型合金、復(fù)合材料連接具有優(yōu)勢,在汽車行業(yè)和航空航天制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。近年來,國內(nèi)學(xué)者對自沖鉚接技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究,盧毅等[2]研究了不同熱處理方式對TA1工業(yè)純鈦?zhàn)詻_鉚接頭性能的影響,發(fā)現(xiàn)退火和淬火熱處理方式提高了TA1工業(yè)純鈦?zhàn)詻_鉚接頭的靜強(qiáng)度。邢保英等[3]從材料流向角度觀察分析接頭成形機(jī)理,并以此評估接頭質(zhì)量,通過金相試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了在大塑性變形部位被細(xì)化為有一定趨向的纖維組織,促使接頭的屈服應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度提高。
上述研究主要針對鋁合金板材鉚接后接頭的力學(xué)性能,而在實(shí)際車身鉚接生產(chǎn)中,鋁合金擠壓型材,特別是合金元素含量較高的高強(qiáng)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(yīng)用的關(guān)鍵因素。同時(shí),應(yīng)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(xù)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(jié)構(gòu)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(yōu)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(jié)構(gòu)、擠壓速度、淬火速度不變的情況下,通過優(yōu)化擠壓棒的加熱溫度和時(shí)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(shí)效工藝制備了不同狀態(tài)的試樣,通過鉚接試驗(yàn),評價(jià)擠壓溫度和時(shí)效狀態(tài)對鉚接試驗(yàn)的影響。根據(jù)初步的結(jié)果,進(jìn)一步確定了時(shí)效工藝,為后續(xù)生產(chǎn)6082鋁合金車身擠壓型材提供指導(dǎo)。
1試驗(yàn)材料及方法
如表1所示的6082鋁合金熔化后,通過半連續(xù)鑄造制備成圓形鑄錠,然后經(jīng)過均勻化熱處理,鑄錠加熱至不同的溫度,在2 200 t擠壓機(jī)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(qiáng)風(fēng)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(yīng)的坯料溫度為470±5 ℃,2號試樣對應(yīng)的坯料溫度為485±5 ℃,3號試樣溫度高,對應(yīng)的坯料溫度為500±5 ℃。
在材料成分、模具結(jié)構(gòu)、擠壓速度、淬火速度等其它工藝參數(shù)不變的情況下,以上通過調(diào)整擠壓加熱溫度得到的1~3號試樣,在箱式電阻爐中進(jìn)行時(shí)效處理,時(shí)效制度為180 ℃/6 h、190 ℃/6 h,保溫結(jié)束后空冷,然后進(jìn)行鉚接試驗(yàn),以評價(jià)不同擠壓溫度和時(shí)效狀態(tài)對鉚接試驗(yàn)的影響。鉚接試驗(yàn)以不同擠壓溫度、不同時(shí)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(jìn)行SPR鉚接試驗(yàn),鉚模選用M260238,鉚釘采用C5.3×6.0 H0。此外,為了進(jìn)一步確定的時(shí)效工藝,根據(jù)擠壓溫度和時(shí)效狀態(tài)對鉚接開裂的影響規(guī)律,選取擠壓溫度下的板材,然后進(jìn)行不同溫度、不同時(shí)效時(shí)間的處理,研究時(shí)效制度對鉚接開裂的影響,從而確認(rèn)時(shí)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(jī)控制電子萬用試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試,采用低倍顯微鏡對各種狀態(tài)鉚接后的鉚接接頭進(jìn)行觀察。
2試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 擠壓溫度和時(shí)效狀態(tài)對鉚接開裂的影響
沿?cái)D壓型材橫截面取樣,試樣經(jīng)過砂紙粗磨、細(xì)磨、拋光后,采用10%的NaOH腐蝕8 min后,用硝酸將黑色腐蝕產(chǎn)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(cè)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(jié)晶驅(qū)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(fā)生再結(jié)晶,則粗晶層越深。對于6082合金而言,發(fā)生粗晶的再結(jié)晶機(jī)理為二次再結(jié)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(shí)效制度下進(jìn)行時(shí)效處理,其中,2號試樣的兩種時(shí)效工藝處理后的力學(xué)性能見表2。兩種時(shí)效制度下,180 ℃/6 h的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯高于190 ℃/6 h狀態(tài)的試樣,而二者延伸率差別不大,說明190 ℃/6 h為過時(shí)效處理。由于6系鋁合金在欠時(shí)效狀態(tài),其力學(xué)性能隨著時(shí)效工藝的變化而波動較大,不利于型材生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定和鉚接質(zhì)量的控制,因此,不適宜采用欠時(shí)效狀態(tài)生產(chǎn)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(shí)效狀態(tài)鉚接時(shí),鉚扣底面有明顯的橘皮,且出現(xiàn)了肉眼可見開裂,如圖2a所示。晶粒內(nèi)部由于取向不一致,在變形時(shí)會出現(xiàn)變形程度不均勻的情況,形成凹凸不平的表面,當(dāng)晶粒粗大時(shí),表面的凹凸不平程度變大,形成肉眼可見的橘皮現(xiàn)象。提高擠壓溫度制備的粗晶層較淺的3號試樣,在峰值時(shí)效狀態(tài)鉚接時(shí),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(dāng)3號試樣處于過時(shí)效狀態(tài)時(shí),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(tài),分別為肉眼可見開裂(標(biāo)記“×”),顯微鏡放大后可見輕微裂紋(標(biāo)記為“△”),以及無裂紋(標(biāo)記為“○”)。上述3種狀態(tài)試樣在兩種時(shí)效制度下的鉚接形貌結(jié)果見表3,由表3可知,當(dāng)時(shí)效工藝一定時(shí),擠壓溫度較高、粗晶層較薄的試片鉚接開裂性能優(yōu)于粗晶層較深的試樣;在粗晶層一定的情況下,過時(shí)效狀態(tài)的鉚接開裂性能優(yōu)于峰值時(shí)效狀態(tài)。
YOSHIHARA等[5]對比研究了晶粒形態(tài)和時(shí)效狀態(tài)對型材軸向壓縮破裂行為的影響,軸向壓縮時(shí)材料的應(yīng)力狀態(tài)與自沖鉚接一致。研究發(fā)現(xiàn),裂紋起源于晶界,并用式(1)闡明了Al-Mg-Si合金的開裂機(jī)理。
式中:σapp為施加到晶體上的應(yīng)力,開裂時(shí)σapp等于抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的真實(shí)應(yīng)力值;σa0為晶內(nèi)滑移過程中析出物的阻力;Φ為應(yīng)力集中系數(shù),與晶粒尺寸d和滑移寬度p相關(guān)。
相對于再結(jié)晶,纖維狀晶粒組織更有利于開裂,主要原因是因?yàn)榫Я<?xì)化,晶粒尺寸d明顯降低,可以有效減小晶界的應(yīng)力集中系數(shù)Φ,從而開裂。相對于纖維狀組織,晶粒粗大的再結(jié)晶合金,應(yīng)力集中系數(shù)Φ約為前者的10倍[5]。
相對于峰值時(shí)效,過時(shí)效狀態(tài)更有利于開裂,是由合金內(nèi)部析出相狀態(tài)的不同所決定的。峰值時(shí)效時(shí),6082合金內(nèi)析出為20~50 nm的′β(Mg5Si6)相,析出相數(shù)量多、尺寸細(xì)小;當(dāng)合金處于過時(shí)效時(shí),合金內(nèi)析出相的數(shù)量減少且尺寸變大[6]。時(shí)效過程中生成的析出相,能有效合金內(nèi)部位錯的移動,其對位錯的釘扎力與沉淀相大小和體積分?jǐn)?shù)相關(guān),其經(jīng)驗(yàn)公式為
為對位錯的釘扎力(Zener force);f 為沉淀相的體積分?jǐn)?shù);r為相的大小;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?jǐn)?shù)越小,其對位錯的釘扎力越小,合金內(nèi)位錯開動越容易,合金從峰時(shí)效到過時(shí)效狀態(tài)合金內(nèi)的σa0會降低。即使σa0發(fā)生了降低,但當(dāng)合金從峰時(shí)效到過時(shí)效狀態(tài)時(shí),合金開裂時(shí)的σapp值下降幅度更大,導(dǎo)致晶界有效應(yīng)力(σapp-σa0)大幅下降,過時(shí)效的晶界有效應(yīng)力約為峰值時(shí)效時(shí)的1/5[5],即過時(shí)效狀態(tài)下更不易于發(fā)生晶界開裂,從而合金鉚接性能更好。
2.2 擠壓溫度及時(shí)效工藝制度的優(yōu)化
根據(jù)上述結(jié)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(jié)構(gòu)和擠壓工藝一定的前提下,擠壓溫度過高,一方面會導(dǎo)致型材在后續(xù)淬火過程中發(fā)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(dǎo)致合金在擠壓過程中易發(fā)生過燒,增加了材料報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn),使擠壓工藝參數(shù)窗口變窄,不利于工業(yè)化生產(chǎn)。綜合考慮鉚接狀態(tài)和型材尺寸工藝、生產(chǎn)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(rèn)優(yōu)的時(shí)效工藝制度,以2號試樣為基礎(chǔ),進(jìn)行時(shí)效工藝的優(yōu)化。
2號試片在180 ℃、185 ℃以及190 ℃下不同時(shí)效時(shí)間的力學(xué)性能如圖3所示,分別為屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率。由圖3a可知,在180 ℃條件下,時(shí)效時(shí)間從6 h增加至12 h,材料屈服強(qiáng)度未見明顯降低;在185℃條件下,隨著時(shí)效時(shí)間從4 h增加至12 h,屈服強(qiáng)度先升高后降低,強(qiáng)度高值對應(yīng)的時(shí)效時(shí)間為5~6 h;在190 ℃條件下,隨著時(shí)效時(shí)間的增加,屈服強(qiáng)度逐漸降低。從整體上來看,3種時(shí)效溫度下,時(shí)效溫度越低,材料的峰值強(qiáng)度越高。圖3b抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出的特點(diǎn)與圖3a屈服強(qiáng)度一致。圖3c所示的不同時(shí)效溫度下的延伸率均在14%~17%之間,無明顯變化規(guī)律,與廖儒福[6]觀察到的現(xiàn)象不一致,這是由于廖儒福[6]測試的為欠時(shí)效至峰值時(shí)效狀態(tài),而本試驗(yàn)測試的為峰值時(shí)效至過時(shí)效階段,且由于試驗(yàn)差異較小,測試誤差導(dǎo)致變化規(guī)律不明顯。
經(jīng)過上述時(shí)效處理后,鉚接的開裂情況匯總見表4。由表4可知,隨著時(shí)間的增加,鉚接開裂得到一定程度的。在180 ℃條件下,當(dāng)時(shí)效時(shí)間超過10 h后,鉚接外觀處于可接受狀態(tài),但不穩(wěn)定;在185 ℃條件下,在時(shí)效7 h后,鉚接外觀無裂紋,且狀態(tài)比較穩(wěn)定;在190 ℃條件下,鉚接外觀無裂紋且狀態(tài)穩(wěn)定。從鉚接試驗(yàn)結(jié)果可以看出,合金處于過時(shí)效狀態(tài)時(shí)鉚接性能更好且較為穩(wěn)定,結(jié)合車身型材的使用情況,在180 ℃/10~12 h條件下進(jìn)行鉚接,不利于主機(jī)廠控制生產(chǎn)過程的質(zhì)量穩(wěn)定性,為了保證鉚接穩(wěn)定,需要繼續(xù)延長時(shí)效時(shí)間,但驗(yàn)證時(shí)效時(shí)間會導(dǎo)致型材生產(chǎn)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(qiáng)度明顯降低,根據(jù)整車設(shè)計(jì)的要求,需保證6082合金的屈服強(qiáng)度大于270 MPa,因此,在190 ℃的時(shí)效溫度不滿足材料強(qiáng)度要求。同時(shí),材料強(qiáng)度過低,會出現(xiàn)鉚接接頭底板殘余厚度過小,190 ℃/8 h時(shí)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(biāo)要求,如圖4a所示。綜合考慮,優(yōu)的時(shí)效溫度為185 ℃,當(dāng)時(shí)效7 h后,材料能穩(wěn)定地滿足鉚接要求,且強(qiáng)度滿足性能要求??紤]到焊裝車間鉚接工藝的生產(chǎn)穩(wěn)定性,優(yōu)的時(shí)效時(shí)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(biāo)要求,左右互鎖為0.90 mm、0.75 mm,滿足≥0.4 mm的指標(biāo)要求,且底層殘余厚度為0.38 mm。
結(jié)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(yīng)力集中系數(shù),從而鉚接開裂。試驗(yàn)研究確定較優(yōu)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(yīng)力在過時(shí)效狀態(tài)時(shí)小于峰值時(shí)效狀態(tài),鉚接過程中開裂風(fēng)險(xiǎn)更小,合金的鉚接性能更好。綜合鉚接穩(wěn)定性、鉚接接頭互鎖值、熱處理生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益三方面因素,確定該合金較優(yōu)的時(shí)效制度為185℃/8 h
以上就是
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