Poiché i paesi di tutto il mondo attribuiscono grande importanza al risparmio energetico e alla riduzione delle emissioni, lo sviluppo di veicoli a nuova energia puramente elettrici è diventato una tendenza. Oltre alle prestazioni della batteria, anche la qualità della carrozzeria è un fattore cruciale che influenza l'autonomia di guida dei veicoli a nuova energia. Promuovere lo sviluppo di carrozzerie leggere e di connessioni di alta qualità può migliorare l'autonomia complessiva dei veicoli elettrici, riducendo il più possibile il peso dell'intero veicolo e garantendone al contempo la resistenza e le prestazioni di sicurezza. In termini di alleggerimento delle automobili, la carrozzeria ibrida acciaio-alluminio tiene conto sia della resistenza che della riduzione del peso, diventando un mezzo importante per raggiungere l'alleggerimento della carrozzeria.
Il metodo di giunzione tradizionale per l'unione delle leghe di alluminio presenta scarse prestazioni e bassa affidabilità. La rivettatura autoperforante, come nuova tecnologia di giunzione, è stata ampiamente utilizzata nell'industria automobilistica e aerospaziale grazie al suo assoluto vantaggio nell'unione di leghe leggere e materiali compositi. Negli ultimi anni, studiosi cinesi hanno condotto ricerche pertinenti sulla tecnologia della rivettatura autoperforante e studiato gli effetti di diversi metodi di trattamento termico sulle prestazioni dei giunti rivettati autoperforanti in titanio puro industriale TA1. Si è scoperto che i metodi di trattamento termico di ricottura e tempra hanno migliorato la resistenza statica dei giunti rivettati autoperforanti in titanio puro industriale TA1. Il meccanismo di formazione del giunto è stato osservato e analizzato dal punto di vista del flusso del materiale e la qualità del giunto è stata valutata in base a ciò. Attraverso test metallografici, si è riscontrato che l'ampia area di deformazione plastica è stata raffinata in una struttura fibrosa con una certa tendenza, che ha promosso il miglioramento dello snervamento e della resistenza a fatica del giunto.
La ricerca di cui sopra si concentra principalmente sulle proprietà meccaniche dei giunti dopo la rivettatura di piastre in lega di alluminio. Nella produzione di rivettatura di carrozzerie, le cricche dei giunti rivettati di profili estrusi in lega di alluminio, in particolare leghe di alluminio ad alta resistenza con elevato contenuto di elementi di lega, come la lega di alluminio 6082, sono i fattori chiave che limitano l'applicazione di questo processo sulla carrozzeria. Allo stesso tempo, le tolleranze di forma e posizione dei profili estrusi utilizzati sulla carrozzeria, come piegatura e torsione, influenzano direttamente l'assemblaggio e l'utilizzo dei profili e determinano anche la precisione dimensionale della carrozzeria finale. Per controllare la piegatura e la torsione dei profili e garantirne la precisione dimensionale, oltre alla struttura dello stampo, i fattori più importanti sono la temperatura di uscita dei profili e la velocità di tempra in linea. Maggiore è la temperatura di uscita e maggiore è la velocità di tempra, maggiore sarà il grado di piegatura e torsione dei profili. Per i profili in lega di alluminio destinati alle carrozzerie, è necessario garantire la precisione dimensionale dei profili e l'assenza di cricche durante la rivettatura della lega. Il modo più semplice per ottimizzare la precisione dimensionale e la resistenza alla criccabilità della lega è controllare la criccabilità ottimizzando la temperatura di riscaldamento e il processo di invecchiamento delle barre estruse, mantenendo invariate la composizione del materiale, la struttura dello stampo, la velocità di estrusione e la velocità di tempra. Per la lega di alluminio 6082, a condizione che le altre condizioni di processo rimangano invariate, maggiore è la temperatura di estrusione, minore sarà lo strato a grana grossa, ma maggiore sarà la deformazione del profilo dopo la tempra.
Questo articolo prende in esame la lega di alluminio 6082 con la stessa composizione dell'oggetto di ricerca, utilizza diverse temperature di estrusione e diversi processi di invecchiamento per preparare campioni in stati diversi, e valuta gli effetti della temperatura di estrusione e dello stato di invecchiamento sulla prova di rivettatura attraverso prove di rivettatura. Sulla base dei risultati preliminari, viene ulteriormente determinato il processo di invecchiamento ottimale per fornire indicazioni per la successiva produzione di profili estrusi per il corpo in lega di alluminio 6082.
1 Materiali e metodi sperimentali
Come mostrato nella Tabella 1, la lega di alluminio 6082 è stata fusa e preparata in un lingotto rotondo mediante colata semicontinua. Successivamente, dopo un trattamento termico di omogeneizzazione, il lingotto è stato riscaldato a diverse temperature ed estruso in un profilo su un estrusore da 2200 tonnellate. Lo spessore della parete del profilo era di 2,5 mm, la temperatura del cilindro di estrusione era di 440±10 °C, la temperatura della matrice di estrusione era di 470±10 °C, la velocità di estrusione era di 2,3±0,2 mm/s e il metodo di tempra del profilo era il raffreddamento ad aria compressa. In base alla temperatura di riscaldamento, i campioni sono stati numerati da 1 a 3, tra cui il campione 1 aveva la temperatura di riscaldamento più bassa e la temperatura della billetta corrispondente era 470±5 ℃, la temperatura della billetta corrispondente del campione 2 era 485±5 ℃ e la temperatura del campione 3 era la più alta e la temperatura della billetta corrispondente era 500±5 ℃.
Tabella 1 Composizione chimica misurata della lega di prova (frazione di massa/%)
A condizione che altri parametri di processo, quali composizione del materiale, struttura della matrice, velocità di estrusione e velocità di tempra, rimangano invariati, i campioni da 1 a 3 ottenuti regolando la temperatura di riscaldamento dell'estrusione vengono invecchiati in un forno a resistenza a scatola, con un sistema di invecchiamento di 180 °C/6 h e 190 °C/6 h. Dopo l'isolamento, vengono raffreddati ad aria e quindi rivettati per valutare l'influenza delle diverse temperature di estrusione e dei diversi stati di invecchiamento sulla prova di rivettatura. La prova di rivettatura utilizza una lega 6082 da 2,5 mm di spessore con diverse temperature di estrusione e diversi sistemi di invecchiamento come piastra inferiore e una lega 5754-O da 1,4 mm di spessore come piastra superiore per la prova di rivettatura SPR. La matrice di rivettatura è M260238 e il rivetto è C5,3×6,0 H0. Inoltre, al fine di determinare ulteriormente il processo di invecchiamento ottimale, in base all'influenza della temperatura di estrusione e dello stato di invecchiamento sulla formazione di cricche da rivettatura, la piastra viene selezionata alla temperatura di estrusione ottimale e quindi trattata con diverse temperature e diversi tempi di invecchiamento per studiare l'influenza del sistema di invecchiamento sulla formazione di cricche da rivettatura, al fine di confermare definitivamente il sistema di invecchiamento ottimale. Un microscopio ad alta potenza è stato utilizzato per osservare la microstruttura del materiale a diverse temperature di estrusione, una macchina di prova universale elettronica controllata da microcomputer della serie MTS-SANS CMT5000 è stata utilizzata per testare le proprietà meccaniche e un microscopio a bassa potenza è stato utilizzato per osservare i giunti rivettati dopo la rivettatura in vari stati.
2Risultati sperimentali e discussione
2.1 Effetto della temperatura di estrusione e dello stato di invecchiamento sulla formazione di crepe da rivettatura
Il campionamento è stato effettuato lungo la sezione trasversale del profilo estruso. Dopo la sgrossatura, la smerigliatura fine e la lucidatura con carta vetrata, il campione è stato corroso con NaOH al 10% per 8 minuti e il prodotto di corrosione nero è stato pulito con acido nitrico. Lo strato di grana grossa del campione è stato osservato con un microscopio ad alto ingrandimento, posizionato sulla superficie esterna alla fibbia del rivetto nella posizione di rivettatura prevista, come mostrato in Figura 1. La profondità media dello strato di grana grossa del campione n. 1 era di 352 μm, la profondità media dello strato di grana grossa del campione n. 2 era di 135 μm e la profondità media dello strato di grana grossa del campione n. 3 era di 31 μm. La differenza nella profondità dello strato di grana grossa è dovuta principalmente alle diverse temperature di estrusione. Maggiore è la temperatura di estrusione, minore è la resistenza alla deformazione della lega 6082, minore è l'accumulo di energia di deformazione generato dall'attrito tra la lega e la filiera di estrusione (in particolare la cinghia di lavoro della filiera) e minore è la forza motrice di ricristallizzazione. Pertanto, lo strato superficiale di grano grosso è meno profondo; minore è la temperatura di estrusione, maggiore è la resistenza alla deformazione, maggiore è l'accumulo di energia di deformazione, più facile è la ricristallizzazione e più profondo è lo strato di grano grosso. Per la lega 6082, il meccanismo di ricristallizzazione del grano grosso è la ricristallizzazione secondaria.
(a) Modello 1
(b) Modello 2
(c) Modello 3
Figura 1 Spessore dello strato di grana grossa dei profili estrusi mediante diversi processi
I campioni da 1 a 3 preparati a diverse temperature di estrusione sono stati invecchiati rispettivamente a 180 °C/6 h e 190 °C/6 h. Le proprietà meccaniche del campione 2 dopo i due processi di invecchiamento sono riportate nella Tabella 2. Con i due sistemi di invecchiamento, il limite di snervamento e la resistenza a trazione del campione a 180 °C/6 h sono significativamente superiori a quelli a 190 °C/6 h, mentre l'allungamento tra i due non è molto diverso, indicando che 190 °C/6 h è un trattamento di sovrainvecchiamento. Poiché le proprietà meccaniche della lega di alluminio serie 6 variano notevolmente con la variazione del processo di invecchiamento nello stato di sottoinvecchiamento, ciò non favorisce la stabilità del processo di produzione del profilo e il controllo della qualità della rivettatura. Pertanto, non è adatto utilizzare lo stato di sottoinvecchiamento per produrre profili di carrozzeria.
Tabella 2 Proprietà meccaniche del campione n. 2 in due sistemi di invecchiamento
L'aspetto del provino dopo la rivettatura è mostrato in Figura 2. Quando il campione n. 1 con uno strato a grana grossa più profondo è stato rivettato nello stato di invecchiamento massimo, la superficie inferiore del rivetto presentava un evidente effetto buccia d'arancia e crepe visibili a occhio nudo, come mostrato in Figura 2a. A causa dell'orientamento non uniforme all'interno dei grani, il grado di deformazione sarà irregolare durante la deformazione, formando una superficie irregolare. Quando i grani sono grossolani, l'irregolarità della superficie aumenta, formando un effetto buccia d'arancia visibile a occhio nudo. Quando il campione n. 3 con uno strato a grana grossa più superficiale, preparato aumentando la temperatura di estrusione, è stato rivettato nello stato di invecchiamento massimo, la superficie inferiore del rivetto era relativamente liscia e le cricche sono state in una certa misura soppresse, visibili solo con ingrandimento al microscopio, come mostrato in Figura 2b. Quando il campione n. 3 era nello stato di invecchiamento eccessivo, non sono state osservate cricche con ingrandimento al microscopio, come mostrato in Figura 2c.
(a) Crepe visibili ad occhio nudo
(b) Lievi crepe visibili al microscopio
(c) Nessuna crepa
Figura 2 Diversi gradi di fessurazione dopo la rivettatura
La superficie dopo la rivettatura si presenta principalmente in tre stati: cricche visibili a occhio nudo (contrassegnate con "×"), lievi cricche visibili al microscopio (contrassegnate con "△") e nessuna cricca (contrassegnata con "○"). I risultati della morfologia della rivettatura dei campioni nei tre stati sopra indicati, sottoposti a due sistemi di invecchiamento, sono riportati nella Tabella 3. Si può osservare che, a processo di invecchiamento costante, le prestazioni di criccabilità della rivettatura del campione con temperatura di estrusione più elevata e strato di grano grosso più sottile sono migliori rispetto a quelle del campione con strato di grano grosso più profondo; a processo di invecchiamento costante, le prestazioni di criccabilità della rivettatura in condizioni di sovrainvecchiamento sono migliori rispetto a quelle in condizioni di invecchiamento massimo.
Tabella 3 Aspetto avvincente dei campioni da 1 a 3 in due sistemi di processo
Sono stati studiati gli effetti della morfologia dei grani e dello stato di invecchiamento sul comportamento dei profili in termini di cricche da compressione assiale. Lo stato di sforzo del materiale durante la compressione assiale era coerente con quello della rivettatura autoperforante. Lo studio ha rilevato che le cricche provenivano dai bordi dei grani e il meccanismo di criccatura della lega Al-Mg-Si è stato spiegato dalla formula.
σapp è lo sforzo applicato al cristallo. In caso di rottura, σapp è uguale al valore di sforzo reale corrispondente alla resistenza a trazione; σa0 è la resistenza dei precipitati durante lo scorrimento intracristallino; Φ è il coefficiente di concentrazione dello sforzo, che è correlato alla dimensione del grano d e all'ampiezza di scorrimento p.
Rispetto alla ricristallizzazione, la struttura a grano fibroso è più favorevole all'inibizione della formazione di cricche. Il motivo principale è che la dimensione del grano d si riduce significativamente grazie all'affinamento del grano, che può ridurre efficacemente il fattore di concentrazione degli sforzi Φ al bordo del grano, inibendo così la formazione di cricche. Rispetto alla struttura fibrosa, il fattore di concentrazione degli sforzi Φ della lega ricristallizzata a grano grosso è circa 10 volte superiore.
Rispetto all'invecchiamento di picco, lo stato di sovra-invecchiamento è più favorevole all'inibizione della formazione di cricche, determinata dai diversi stati di precipitazione all'interno della lega. Durante l'invecchiamento di picco, nella lega 6082 precipitano fasi β (Mg5Si6) di 20-50 nm, con un elevato numero di precipitati e di piccole dimensioni; quando la lega è in sovra-invecchiamento, il numero di precipitati nella lega diminuisce e le dimensioni aumentano. I precipitati generati durante il processo di invecchiamento possono inibire efficacemente il movimento delle dislocazioni all'interno della lega. La forza di ancoraggio sulle dislocazioni è correlata alle dimensioni e alla frazione di volume della fase precipitata. La formula empirica è:
f è la frazione di volume della fase precipitata; r è la dimensione della fase; σa è l'energia di interfaccia tra la fase e la matrice. La formula mostra che maggiore è la dimensione della fase precipitata e minore è la frazione di volume, minore è la sua forza di ancoraggio sulle dislocazioni, più facile è l'inizio delle dislocazioni nella lega, e il σa0 nella lega diminuirà dal picco di invecchiamento allo stato di sovrainvecchiamento. Anche se σa0 diminuisce, quando la lega passa dal picco di invecchiamento allo stato di sovrainvecchiamento, il valore di σapp al momento della criccatura della lega diminuisce ulteriormente, con conseguente riduzione significativa dello sforzo efficace al bordo grano (σapp-σa0). Lo sforzo efficace al bordo grano in sovrainvecchiamento è circa 1/5 di quello al picco di invecchiamento, ovvero è meno probabile che si verifichino cricche al bordo grano nello stato di sovrainvecchiamento, con conseguente migliore prestazione di rivettatura della lega.
2.2 Ottimizzazione della temperatura di estrusione e del sistema di processo di invecchiamento
Secondo i risultati sopra riportati, l'aumento della temperatura di estrusione può ridurre la profondità dello strato a grana grossa, inibendo così la formazione di crepe nel materiale durante il processo di rivettatura. Tuttavia, in base a una determinata composizione della lega, alla struttura della matrice di estrusione e al processo di estrusione, una temperatura di estrusione troppo elevata può, da un lato, aggravare il grado di flessione e torsione del profilo durante il successivo processo di tempra, rendendo la tolleranza dimensionale del profilo non conforme ai requisiti, e, dall'altro, causare una facile sovracottura della lega durante il processo di estrusione, aumentando il rischio di scarti di materiale. Considerando lo stato di rivettatura, il processo dimensionale del profilo, la finestra del processo di produzione e altri fattori, la temperatura di estrusione più adatta per questa lega non è inferiore a 485 °C, ovvero il campione n. 2. Per confermare il sistema di processo di invecchiamento ottimale, il processo di invecchiamento è stato ottimizzato in base al campione n. 2.
Le proprietà meccaniche del campione n. 2 a diversi tempi di invecchiamento a 180 °C, 185 °C e 190 °C sono illustrate in Figura 3, ovvero il limite di snervamento, la resistenza a trazione e l'allungamento. Come mostrato in Figura 3a, a 180 °C, il tempo di invecchiamento aumenta da 6 ore a 12 ore e il limite di snervamento del materiale non diminuisce significativamente. A 185 °C, con l'aumentare del tempo di invecchiamento da 4 ore a 12 ore, il limite di snervamento aumenta e poi diminuisce, e il tempo di invecchiamento corrispondente al valore di resistenza più elevato è di 5-6 ore. A 190 °C, con l'aumentare del tempo di invecchiamento, il limite di snervamento diminuisce gradualmente. Nel complesso, alle tre temperature di invecchiamento, più bassa è la temperatura di invecchiamento, maggiore è la resistenza massima del materiale. Le caratteristiche del limite di snervamento in Figura 3b sono coerenti con il limite di snervamento in Figura 3a. L'allungamento a diverse temperature di invecchiamento, mostrato in Figura 3c, è compreso tra il 14% e il 17%, senza un andamento di variazione evidente. Questo esperimento testa la fase di invecchiamento di picco fino al sovra-invecchiamento e, a causa delle piccole differenze sperimentali, l'errore del test rende poco chiaro l'andamento della variazione.
Fig.3 Proprietà meccaniche dei materiali a diverse temperature e tempi di invecchiamento
Dopo il trattamento di invecchiamento sopra descritto, la formazione di cricche nei giunti rivettati è riassunta nella Tabella 4. Dalla Tabella 4 si può osservare che, con l'aumentare del tempo, la formazione di cricche nei giunti rivettati viene in una certa misura attenuata. A 180 °C, quando il tempo di invecchiamento supera le 10 ore, l'aspetto del giunto rivettato è in uno stato accettabile, ma instabile. A 185 °C, dopo 7 ore di invecchiamento, l'aspetto del giunto rivettato non presenta cricche e lo stato è relativamente stabile. A 190 °C, l'aspetto del giunto rivettato non presenta cricche e lo stato è stabile. Dai risultati dei test di rivettatura, si può osservare che le prestazioni di rivettatura sono migliori e più stabili quando la lega è in uno stato di invecchiamento eccessivo. In combinazione con l'utilizzo del profilo della carrozzeria, la rivettatura a 180 °C/10~12 ore non favorisce la stabilità qualitativa del processo produttivo controllato dall'OEM. Per garantire la stabilità del giunto rivettato, il tempo di invecchiamento deve essere ulteriormente prolungato, ma la verifica del tempo di invecchiamento comporterà una riduzione dell'efficienza produttiva del profilo e un aumento dei costi. A 190 °C, tutti i campioni possono soddisfare i requisiti di criccabilità della rivettatura, ma la resistenza del materiale è significativamente ridotta. Secondo i requisiti di progettazione del veicolo, il limite di snervamento della lega 6082 deve essere garantito superiore a 270 MPa. Pertanto, la temperatura di invecchiamento a 190 °C non soddisfa i requisiti di resistenza del materiale. Allo stesso tempo, se la resistenza del materiale è insufficiente, lo spessore residuo della piastra inferiore del giunto rivettato sarà insufficiente. Dopo l'invecchiamento a 190 °C/8 ore, le caratteristiche della sezione trasversale rivettata mostrano uno spessore residuo di 0,26 mm, che non soddisfa il requisito di indice ≥0,3 mm, come mostrato in Figura 4a. Considerando nel complesso, la temperatura di invecchiamento ottimale è di 185 °C. Dopo un invecchiamento di 7 ore, il materiale può soddisfare stabilmente i requisiti di rivettatura e la resistenza soddisfa i requisiti prestazionali. Considerando la stabilità produttiva del processo di rivettatura nell'officina di saldatura, si propone di determinare il tempo di invecchiamento ottimale in 8 ore. Le caratteristiche della sezione trasversale in questo sistema di processo sono mostrate in Figura 4b, che soddisfa i requisiti di indice di interblocco. Gli interblocchi sinistro e destro sono di 0,90 mm e 0,75 mm, che soddisfano i requisiti di indice ≥0,4 mm, e lo spessore residuo inferiore è di 0,38 mm.
Tabella 4 Cracking del campione n. 2 a diverse temperature e diversi tempi di invecchiamento
Fig.4 Caratteristiche della sezione trasversale dei giunti rivettati delle piastre inferiori 6082 a diversi stati di invecchiamento
3 Conclusion
Maggiore è la temperatura di estrusione dei profili in lega di alluminio 6082, minore sarà lo spessore superficiale dello strato a grana grossa dopo l'estrusione. Uno spessore inferiore dello strato a grana grossa può ridurre efficacemente il fattore di concentrazione degli sforzi al bordo del grano, inibendo così la formazione di cricche da rivettatura. Ricerche sperimentali hanno stabilito che la temperatura di estrusione ottimale non è inferiore a 485 °C.
A parità di spessore dello strato a grana grossa del profilo in lega di alluminio 6082, lo stress effettivo al bordo del grano della lega in condizioni di invecchiamento eccessivo è inferiore rispetto a quello in condizioni di invecchiamento massimo, il rischio di cricche durante la rivettatura è minore e le prestazioni di rivettatura della lega sono migliori. Considerando i tre fattori: stabilità della rivettatura, valore di incastro del giunto rivettato, efficienza produttiva del trattamento termico e vantaggi economici, il sistema di invecchiamento ottimale per la lega è determinato a 185 °C/8 ore.
Data di pubblicazione: 05-04-2025
