Koska maat ympäri maailmaa pitävät energiansäästöä ja päästöjen vähentämistä erittäin tärkeinä, puhtaasti sähkökäyttöisten uusien energialähteiden ajoneuvojen kehittämisestä on tullut trendi. Akun suorituskyvyn lisäksi myös korin laatu on ratkaiseva tekijä, joka vaikuttaa uusien energialähteiden ajoneuvojen ajomatkaan. Kevyiden korirakenteiden ja korkealaatuisten liitäntöjen kehittämisen edistäminen voi parantaa sähköajoneuvojen kattavaa ajomatkaa vähentämällä koko ajoneuvon painoa mahdollisimman paljon ja varmistamalla samalla ajoneuvon lujuuden ja turvallisuuden. Autojen keventämisen osalta teräs-alumiinihybridikori ottaa huomioon sekä korin lujuuden että painon vähentämisen, ja siitä tulee tärkeä keino korin keventämisen saavuttamiseksi.
Perinteisellä alumiiniseosten liitosmenetelmällä on heikko liitoskyky ja alhainen luotettavuus. Itselävistävää niittaamista uutena liitostekniikkana on käytetty laajalti autoteollisuudessa ja ilmailuteollisuudessa sen ehdottoman edun vuoksi kevytmetallien ja komposiittimateriaalien liittämisessä. Viime vuosina kiinalaiset tutkijat ovat tehneet asiaankuuluvaa tutkimusta itselävistävästä niittaustekniikasta ja tutkineet eri lämpökäsittelymenetelmien vaikutusta TA1-teollisuuspuhtaista titaanista valmistettujen itselävistävien niittausliitosten suorituskykyyn. Havaittiin, että hehkutus- ja sammutuslämpökäsittelymenetelmät paransivat TA1-teollisuuspuhtaista titaanista valmistettujen itselävistävien niittausliitosten staattista lujuutta. Liitoksen muodostumismekanismia tarkasteltiin ja analysoitiin materiaalivirran näkökulmasta, ja liitoksen laatua arvioitiin tämän perusteella. Metallografisten testien avulla havaittiin, että suuri plastinen muodonmuutosalue jalostui kuiturakenteeksi, jolla oli tietty taipumus, mikä edisti liitoksen myötörajan ja väsymislujuuden paranemista.
Yllä oleva tutkimus keskittyy pääasiassa alumiiniseoslevyjen niittaamisen jälkeisten liitosten mekaanisiin ominaisuuksiin. Autonkoreiden varsinaisessa niittaustuotannossa alumiiniseoksesta pursotettujen profiilien, erityisesti korkean seosainepitoisuuden omaavien korkean lujuuden omaavien alumiiniseosten, kuten 6082-alumiiniseoksen, niitattujen liitosten halkeamat ovat keskeisiä tekijöitä, jotka rajoittavat tämän prosessin soveltamista autonkorissa. Samalla autonkorissa käytettyjen pursotettujen profiilien muoto- ja sijaintitoleranssit, kuten taivutus ja kiertyminen, vaikuttavat suoraan profiilien kokoonpanoon ja käyttöön ja määräävät myös seuraavan autonkorin mittatarkkuuden. Profiilien taivutuksen ja kiertymisen hallitsemiseksi ja profiilien mittatarkkuuden varmistamiseksi tärkeimmät vaikuttavat tekijät ovat muotin rakenteen lisäksi profiilien ulostulolämpötila ja online-sammutusnopeus. Mitä korkeampi ulostulolämpötila ja nopeampi sammutusnopeus, sitä suurempi profiilien taivutus- ja kiertymisaste. Autonkoreissa käytettävien alumiiniseosprofiilien osalta on varmistettava profiilien mittatarkkuus ja varmistettava, että seoksen niittaus ei halkeile. Yksinkertaisin tapa optimoida seoksen mittatarkkuus ja niittaamisen halkeilunkestävyys on hallita halkeilua optimoimalla suulakepuristettujen tankojen lämmityslämpötila ja vanhenemisprosessi pitäen samalla materiaalikoostumus, suulakerakenne, suulakepuristusnopeus ja sammutusnopeus muuttumattomina. 6082-alumiiniseokselle, olettaen että muut prosessiolosuhteet pysyvät muuttumattomina, mitä korkeampi on suulakepuristuslämpötila, sitä matalampi on karkearakeinen kerros, mutta sitä suurempi on profiilin muodonmuutos sammutuksen jälkeen.
Tässä artikkelissa käytetään samaa koostumusta omaavaa 6082-alumiiniseosta kuin tutkimuskohteessa, käytetään erilaisia suulakepuristuslämpötiloja ja erilaisia vanhentamisprosesseja näytteiden valmistamiseksi eri tiloissa ja arvioidaan suulakepuristuslämpötilan ja vanhentamistilan vaikutuksia niittauskokeeseen niittauskokeiden avulla. Alustavien tulosten perusteella määritetään optimaalinen vanhentamisprosessi, jotta voidaan antaa ohjeita 6082-alumiiniseoksesta valmistettujen runkoprofiilien myöhemmälle tuotannolle.
1 Kokeelliset materiaalit ja menetelmät
Kuten taulukosta 1 käy ilmi, 6082-alumiiniseos sulatettiin ja valmistettiin pyöreäksi harkoksi puolijatkuvalla valamalla. Sitten, homogenisointilämpökäsittelyn jälkeen, harkko kuumennettiin eri lämpötiloihin ja pursotettiin profiiliksi 2200 t:n ekstruuderilla. Profiilin seinämän paksuus oli 2,5 mm, pursotussylinterin lämpötila oli 440 ± 10 ℃, pursotusmuotin lämpötila oli 470 ± 10 ℃, pursotusnopeus oli 2,3 ± 0,2 mm/s ja profiilin sammutusmenetelmänä oli voimakas tuulijäähdytys. Lämmityslämpötilan mukaan näytteet numeroitiin 1–3, joista näytteellä 1 oli alhaisin lämmityslämpötila ja vastaava aihion lämpötila oli 470 ± 5 ℃, näytteen 2 vastaava aihion lämpötila oli 485 ± 5 ℃ ja näytteen 3 lämpötila oli korkein ja vastaava aihion lämpötila oli 500 ± 5 ℃.
Taulukko 1 Testiseoksen mitattu kemiallinen koostumus (massaosuus/%)
Edellyttäen, että muut prosessiparametrit, kuten materiaalikoostumus, muotin rakenne, suulakepuristusnopeus ja sammutusnopeus pysyvät muuttumattomina, edellä mainitut näytteet nro 1–3, jotka saatiin säätämällä suulakepuristuslämmityslämpötilaa, vanhennetaan laatikkotyyppisessä vastusuunissa, ja vanhentamisjärjestelmä on 180 ℃/6 h ja 190 ℃/6 h. Eristyksen jälkeen ne ilmajäähdytetään ja niitataan sitten, jotta voidaan arvioida eri suulakepuristuslämpötilojen ja vanhentamistilojen vaikutusta niittauskokeeseen. Niittauskokeessa käytetään pohjalevynä 2,5 mm paksua 6082-seosta, jossa on erilaiset suulakepuristuslämpötilat ja vanhentamisjärjestelmät, ja ylälevynä 1,4 mm paksua 5754-O-seosta SPR-niittauskokeessa. Niittausmuotti on M260238 ja niitti on C5,3×6,0 H0. Lisäksi optimaalisen vanhentamisprosessin määrittämiseksi tarkemmin, pursotuslämpötilan ja vanhentamistilan vaikutuksen perusteella niittaushalkeiluun, valitaan optimaalisessa pursotuslämpötilassa oleva levy, jota käsitellään sitten eri lämpötiloissa ja eri vanhentamisajoilla, jotta voidaan tutkia vanhentamisjärjestelmän vaikutusta niittaushalkeiluun ja lopulta varmistaa optimaalinen vanhentamisjärjestelmä. Materiaalin mikrorakennetta tutkittiin eri pursotuslämpötiloissa suuritehoisella mikroskoopilla, mekaanisia ominaisuuksia testattiin MTS-SANS CMT5000 -sarjan mikrotietokoneohjatulla elektronisella yleiskäyttöisellä testauskoneella ja niitattuja liitoksia tarkkailtiin pienitehoisella mikroskoopilla eri tiloissa niittauksen jälkeen.
2Kokeelliset tulokset ja keskustelu
2.1 Pursotuslämpötilan ja vanhenemistilan vaikutus niittaushalkeiluun
Näytteet otettiin suulakepuristetun profiilin poikkileikkaukselta. Karkeahiomisen, hienohiomisen ja hiekkapaperilla kiillottamisen jälkeen näytettä korrodoitiin 10-prosenttisella NaOH:lla 8 minuutin ajan, ja musta korroosiotuote pyyhittiin puhtaaksi typpihapolla. Näytteen karkearakeista kerrosta tarkasteltiin suuritehoisella mikroskoopilla, joka sijaitsi niittisoljen ulkopuolella olevalla pinnalla aiotussa niittauskohdassa, kuten kuvassa 1 on esitetty. Näytteen nro 1 karkean rakeisen kerroksen keskimääräinen syvyys oli 352 μm, näytteen nro 2 keskimääräinen karkean rakeisen kerroksen syvyys oli 135 μm ja näytteen nro 3 keskimääräinen karkean rakeisen kerroksen syvyys oli 31 μm. Karkean rakeisen kerroksen syvyyden ero johtuu pääasiassa erilaisista suulakepuristuslämpötiloista. Mitä korkeampi suulakepuristuslämpötila on, sitä pienempi on 6082-seoksen muodonmuutoskestävyys, sitä pienempi on seoksen ja suulakepuristusmuotin (erityisesti muotin työhihnan) välisen kitkan aiheuttama muodonmuutosenergian varastointi ja sitä pienempi on uudelleenkiteytymistä edistävä voima. Siksi pinnan karkearakeinen kerros on matalampi; Mitä alhaisempi on suulakepuristuslämpötila, sitä suurempi on muodonmuutoskestävyys, sitä suurempi on muodonmuutosenergian varastointi, sitä helpompi se on uudelleenkiteytyä ja sitä syvempi on karkearakeinen kerros. 6082-seoksella karkeanrakeisen uudelleenkiteytymisen mekanismi on toissijainen uudelleenkiteytys.
(a) Malli 1
(b) Malli 2
(c) Malli 3
Kuva 1. Eri prosesseilla pursotettujen profiilien karkean rakeisen kerroksen paksuus
Eri suulakepuristuslämpötiloissa valmistettuja näytteitä 1–3 vanhennettiin vastaavasti 180 ℃/6 h ja 190 ℃/6 h lämpötiloissa. Näytteen 2 mekaaniset ominaisuudet kahden vanhentamisprosessin jälkeen on esitetty taulukossa 2. Kahdessa vanhentamisjärjestelmässä näytteen myötölujuus ja vetolujuus 180 ℃/6 h lämpötilassa ovat merkittävästi korkeammat kuin 190 ℃/6 h lämpötilassa, kun taas näiden kahden venymä ei eroa paljon toisistaan, mikä osoittaa, että 190 ℃/6 h lämpötila on ylivanhentamiskäsittely. Koska 6-sarjan alumiiniseoksen mekaaniset ominaisuudet vaihtelevat suuresti vanhentamisprosessin muuttuessa vajaavanhentamistilassa, se ei edistä profiilin valmistusprosessin vakautta eikä niittauslaadun hallintaa. Siksi vajaavanhentamistilan käyttö runkoprofiilien valmistukseen ei ole sopivaa.
Taulukko 2 Näytteen nro 2 mekaaniset ominaisuudet kahdessa vanhentamisjärjestelmässä
Koekappaleen ulkonäkö niittaamisen jälkeen on esitetty kuvassa 2. Kun näyte nro 1, jossa oli syvempi karkearakeinen kerros, niitattiin huippuvanhentamistilassa, niitin alapinnassa oli selkeää appelsiininkuorta ja paljaalla silmällä näkyviä halkeamia, kuten kuvassa 2a on esitetty. Rakeiden sisäisen epätasaisen suuntautumisen vuoksi muodonmuutosaste on epätasainen muodonmuutoksen aikana, jolloin muodostuu epätasainen pinta. Kun rakeet ovat karkeita, pinnan epätasaisuudet suurenevat, jolloin muodostuu appelsiininkuorta, joka näkyy paljaalla silmällä. Kun näyte nro 3, jossa oli matalampi karkearakeinen kerros ja joka oli valmistettu nostamalla pursotuslämpötilaa, niitattiin huippuvanhentamistilassa, niitin alapinta oli suhteellisen sileä ja halkeilua oli jossain määrin vähennetty, mikä oli näkyvissä vain mikroskoopin suurennoksella, kuten kuvassa 2b on esitetty. Kun näyte nro 3 oli ylivanhentamistilassa, niitin alapinta ei havaittu mikroskoopin suurennoksella, kuten kuvassa 2c on esitetty.
(a) Paljaalla silmällä näkyvät halkeamat
(b) Mikroskoopissa näkyviä pieniä halkeamia
(c) Ei halkeamia
Kuva 2 Erilaiset halkeiluasteet niittaamisen jälkeen
Niittaamisen jälkeinen pinta on pääasiassa kolmessa tilassa: paljaalla silmällä näkyviä halkeamia (merkitty "×"), mikroskoopilla suurennettaessa näkyviä pieniä halkeamia (merkitty "△") ja ei halkeamia (merkitty "○"). Yllä mainittujen kolmen tilan näytteiden niittausmorfologian tulokset kahdessa vanhennusjärjestelmässä on esitetty taulukossa 3. Voidaan nähdä, että kun vanhentamisprosessi on vakio, korkeamman pursotuslämpötilan ja ohuemman karkean rakeisen kerroksen omaavan näytteen niittaushalkeilukyky on parempi kuin syvemmän karkean rakeisen kerroksen omaavan näytteen; kun karkean rakeisen kerroksen määrä on vakio, ylivanhentamistilan niittaushalkeilukyky on parempi kuin huippuvanhentamistilan.
Taulukko 3 Näytteiden 1–3 niittaava ulkonäkö kahdessa prosessijärjestelmässä
Tutkittiin raemuodon ja ikääntymistilan vaikutusta profiilien aksiaaliseen puristushalkeilukäyttäytymiseen. Materiaalin jännitystila aksiaalisen puristuksen aikana oli yhdenmukainen itselävistävän niittauksen kanssa. Tutkimuksessa havaittiin, että halkeamat saivat alkunsa raerajoilta, ja Al-Mg-Si-seoksen halkeilumekanismi selitettiin kaavalla.
σapp on kiteeseen kohdistuva jännitys. Halkeilua suoritettaessa σapp on yhtä suuri kuin vetolujuutta vastaava todellinen jännityksen arvo; σa0 on erkaumien vastus kiteen sisäisen liukumisen aikana; Φ on jännityskeskittymäkerroin, joka liittyy raekokoon d ja liukumisleveyteen p.
Uudelleenkiteytymiseen verrattuna kuitumaisen raerakenteen halkeilun esto on suotuisampi. Tärkein syy tähän on raekoon d merkittävä pieneneminen raekoon hienontumisen vuoksi, mikä voi tehokkaasti pienentää jännityskonsentraatiokerrointa Φ raerajan kohdalla ja siten estää halkeilua. Karkeamman uudelleenkiteytyneen seoksen jännityskonsentraatiokerroin Φ on noin 10 kertaa suurempi kuin kuituisen rakenteen.
Huippuvanhenemiseen verrattuna ylivanhenemistila on suotuisampi halkeilun estolle, mikä määräytyy seoksen sisällä olevien erilaisten saostumisfaasien tilojen mukaan. Huippuvanhenemisen aikana 6082-seokseen saostuu 20–50 nm:n paksuisia 'β (Mg5Si6) -faaseja, joissa saostumien määrä on suuri ja koko pieni. Kun seos on ylivanhenemisessa, saostumien määrä seoksessa vähenee ja koko kasvaa. Vanhenemisprosessin aikana syntyvät saostumat voivat tehokkaasti estää dislokaatioiden liikkumisen seoksen sisällä. Niiden dislokaatioihin kohdistuva puristusvoima liittyy saostumisfaasin kokoon ja tilavuusosuuteen. Empiirinen kaava on:
f on sakkautumisfaasin tilavuusosuus; r on faasin koko; σa on faasin ja matriisin välinen rajapintaenergia. Kaava osoittaa, että mitä suurempi sakkautumisfaasin koko ja mitä pienempi tilavuusosuus, sitä pienempi sen kiinnitysvoima dislokaatioihin, sitä helpommin dislokaatioita seoksessa alkaa syntyä, ja seoksen σa0 pienenee huippuvanhenemisesta ylivanhenemistilaan. Vaikka σa0 pienenisikin, seoksen siirtyessä huippuvanhenemisesta ylivanhenemistilaan σapp-arvo seoksen halkeiluhetkellä pienenee enemmän, mikä johtaa tehollisen jännityksen (σapp-σa0) merkittävään pienenemiseen raerajalla. Ylivanhenemisen raerajalla oleva tehollinen jännitys on noin 1/5 huippuvanhenemisen jännityksestä, eli seos halkeilee epätodennäköisemmin raerajalla ylivanhenemistilassa, mikä johtaa seoksen parempaan niittauskykyyn.
2.2 Ekstruusiolämpötilan ja vanhentamisprosessijärjestelmän optimointi
Yllä olevien tulosten mukaan suulakepuristuslämpötilan nostaminen voi vähentää karkean kerroksen paksuutta, mikä estää materiaalin halkeilua niittausprosessin aikana. Tietyn seoskoostumuksen, suulakepuristusmuotin rakenteen ja suulakepuristusprosessin olosuhteissa liian korkea suulakepuristuslämpötila voi kuitenkin lisätä profiilin taivutus- ja kiertymisastetta seuraavan sammutusprosessin aikana, jolloin profiilin kokotoleranssi ei täytä vaatimuksia. Toisaalta seos ylikuumenee helposti suulakepuristusprosessin aikana, mikä lisää materiaalin romutumisriskiä. Ottaen huomioon niittaustilan, profiilin kokoprosessin, tuotantoprosessin ja muut tekijät, sopiva suulakepuristuslämpötila tälle seokselle on vähintään 485 ℃, eli näyte nro 2. Optimaalisen vanhentamisprosessijärjestelmän varmistamiseksi vanhentamisprosessi optimoitiin näytteen nro 2 perusteella.
Näytteen nro 2 mekaaniset ominaisuudet eri vanhentamisajoilla 180 ℃:ssa, 185 ℃:ssa ja 190 ℃:ssa on esitetty kuvassa 3. Ominaisuudet ovat myötölujuus, vetolujuus ja venymä. Kuten kuvassa 3a on esitetty, 180 ℃:ssa vanhentamisaika kasvaa 6 tunnista 12 tuntiin, eikä materiaalin myötölujuus laske merkittävästi. Alle 185 ℃:ssa vanhentamisajan kasvaessa 4 tunnista 12 tuntiin myötölujuus ensin kasvaa ja sitten laskee, ja suurinta lujuusarvoa vastaava vanhentamisaika on 5–6 tuntia. Alle 190 ℃:ssa vanhentamisajan kasvaessa myötölujuus laskee vähitellen. Kaiken kaikkiaan kolmessa vanhentamislämpötilassa materiaalin huippulujuus on sitä suurempi, mitä alhaisempi vanhentamislämpötila on. Kuvassa 3b esitetyt vetolujuuden ominaisuudet ovat yhdenmukaiset kuvan 3a myötölujuuden kanssa. Kuvassa 3c esitetty venymä eri vanhenemislämpötiloissa on 14–17 %, eikä selvää muutoskuviota ole. Tässä kokeessa testataan huippuvanhenemisvaihetta ylivanhenemisvaiheeseen, ja pienten kokeellisten erojen vuoksi testivirhe aiheuttaa sen, että muutoskuvio on epäselvä.
Kuva 3. Materiaalien mekaaniset ominaisuudet eri vanhenemislämpötiloissa ja -ajoissa
Edellä mainitun vanhentamiskäsittelyn jälkeen niitattujen liitosten halkeilu on esitetty taulukossa 4. Taulukosta 4 voidaan nähdä, että ajan myötä niitattujen liitosten halkeilu vähenee jossain määrin. 180 ℃:n lämpötilassa, kun vanhentamisaika ylittää 10 tuntia, niitatun liitoksen ulkonäkö on hyväksyttävässä tilassa, mutta epävakaa. 185 ℃:n lämpötilassa, 7 tunnin vanhentamisen jälkeen, niitatun liitoksen ulkonäkö on halkeamaton ja tila on suhteellisen vakaa. 190 ℃:n lämpötilassa niitatun liitoksen ulkonäkö on halkeamaton ja tila on vakaa. Niittaustestien tuloksista voidaan nähdä, että niittauskyky on parempi ja vakaampi, kun seos on ylivanhennetussa tilassa. Yhdessä runkoprofiilin käytön kanssa niittaus 180 ℃:n lämpötilassa 10–12 tunnin aikana ei edistä OEM-valmistajan valvoman tuotantoprosessin laadun vakautta. Niitatun liitoksen vakauden varmistamiseksi vanhentamisaikaa on pidennettävä edelleen, mutta vanhentamisajan todentaminen johtaa profiilin tuotantotehokkuuden laskuun ja kustannusten nousuun. 190 ℃:n lämpötilassa kaikki näytteet täyttävät niittausmurtuman vaatimukset, mutta materiaalin lujuus heikkenee merkittävästi. Ajoneuvosuunnittelun vaatimusten mukaisesti 6082-seoksen myötölujuuden on oltava yli 270 MPa. Siksi 190 ℃:n vanhentamislämpötila ei täytä materiaalin lujuusvaatimuksia. Samanaikaisesti, jos materiaalin lujuus on liian alhainen, niitatun liitoksen pohjalevyn jäännöspaksuus on liian pieni. 190 ℃:ssa/8 tunnissa vanhentamisen jälkeen niitatun liitoksen poikkileikkausominaisuudet osoittavat, että jäännöspaksuus on 0,26 mm, mikä ei täytä ≥0,3 mm:n indeksivaatimusta, kuten kuvassa 4a on esitetty. Kokonaisvaltaisesti tarkasteltuna optimaalinen vanhentamislämpötila on 185 ℃. 7 tunnin vanhentamisen jälkeen materiaali täyttää vakaasti niittausvaatimukset ja lujuus täyttää suorituskykyvaatimukset. Ottaen huomioon niittausprosessin tuotannon vakauden hitsauspajassa, optimaaliseksi vanhentamisajaksi ehdotetaan 8 tuntia. Tämän prosessijärjestelmän poikkileikkausominaisuudet on esitetty kuvassa 4b, ja ne täyttävät lukitusindeksivaatimukset. Vasen ja oikea lukitus ovat 0,90 mm ja 0,75 mm, jotka täyttävät ≥0,4 mm:n indeksivaatimukset, ja pohjan jäännöspaksuus on 0,38 mm.
Taulukko 4 Näytteen nro 2 halkeilu eri lämpötiloissa ja eri vanhentamisajoissa
Kuva 4. 6082-pohjalevyjen niitattujen liitosten poikkileikkausominaisuudet eri ikääntymisvaiheissa
3 Johtopäätös
Mitä korkeampi 6082-alumiiniseosprofiilien suulakepuristuslämpötila on, sitä matalampi on karkearakeinen pintakerros suulakepuristuksen jälkeen. Matalampi karkearakeinen kerros voi tehokkaasti vähentää jännityskeskittymiskerrointa raerajalla, mikä estää niittaamisen halkeilua. Kokeelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että optimaalinen suulakepuristuslämpötila on vähintään 485 ℃.
Kun 6082-alumiiniseoksesta valmistetun karkean profiilin paksuus on sama, seoksen raerajan efektiivinen jännitys ylivanhentamistilassa on pienempi kuin huippuvanhentamistilassa, halkeilun riski niittaamisen aikana on pienempi ja seoksen niittausominaisuudet ovat paremmat. Kun otetaan huomioon niittausvakaus, niitattujen liitosten lukitusarvo, lämpökäsittelyn tuotantotehokkuus ja taloudelliset hyödyt, seoksen optimaalinen vanhentamisjärjestelmä on 185 ℃/8 h.
Julkaisun aika: 05.04.2025
