À medida que países ao redor do mundo atribuem grande importância à conservação de energia e à redução de emissões, o desenvolvimento de veículos elétricos puros de nova energia tornou-se uma tendência. Além do desempenho da bateria, a qualidade da carroceria também é um fator crucial que afeta a autonomia de veículos de nova energia. Promover o desenvolvimento de estruturas de carroceria leves e conexões de alta qualidade pode melhorar a autonomia abrangente de veículos elétricos, reduzindo o peso de todo o veículo o máximo possível, garantindo, ao mesmo tempo, a resistência e o desempenho de segurança do veículo. Em termos de redução de peso de automóveis, a carroceria híbrida de aço e alumínio leva em consideração tanto a resistência quanto a redução de peso da carroceria, tornando-se um meio importante para alcançar a redução de peso da carroceria.
O método tradicional de conexão para conectar ligas de alumínio apresenta baixo desempenho de conexão e baixa confiabilidade. A rebitagem autoperfurante, como uma nova tecnologia de conexão, tem sido amplamente utilizada na indústria automotiva e na indústria aeroespacial devido à sua vantagem absoluta na conexão de ligas leves e materiais compósitos. Nos últimos anos, pesquisadores chineses conduziram pesquisas relevantes sobre a tecnologia de rebitagem autoperfurante e estudaram os efeitos de diferentes métodos de tratamento térmico no desempenho de juntas rebitadas autoperfurantes de titânio puro industrial TA1. Constatou-se que os métodos de tratamento térmico de recozimento e têmpera melhoraram a resistência estática das juntas rebitadas autoperfurantes de titânio puro industrial TA1. O mecanismo de formação da junta foi observado e analisado sob a perspectiva do fluxo de material, e a qualidade da junta foi avaliada com base nisso. Por meio de ensaios metalográficos, constatou-se que a grande área de deformação plástica foi refinada em uma estrutura de fibra com certa tendência, o que promoveu a melhoria da tensão de escoamento e da resistência à fadiga da junta.
A pesquisa acima concentra-se principalmente nas propriedades mecânicas das juntas após a rebitagem de chapas de liga de alumínio. Na produção de rebitagem de carrocerias de automóveis, as trincas nas juntas rebitadas de perfis extrudados de liga de alumínio, especialmente ligas de alumínio de alta resistência com alto teor de elementos de liga, como a liga de alumínio 6082, são os principais fatores que restringem a aplicação desse processo na carroceria. Ao mesmo tempo, as tolerâncias de forma e posição dos perfis extrudados utilizados na carroceria, como flexão e torção, afetam diretamente a montagem e o uso dos perfis e também determinam a precisão dimensional da carroceria subsequente. Para controlar a flexão e a torção dos perfis e garantir a precisão dimensional dos mesmos, além da estrutura da matriz, a temperatura de saída dos perfis e a velocidade de têmpera em linha são os fatores de influência mais importantes. Quanto maior a temperatura de saída e maior a velocidade de têmpera, maior o grau de flexão e torção dos perfis. Para perfis de liga de alumínio para carrocerias de automóveis, é necessário garantir a precisão dimensional dos perfis e garantir que a rebitagem da liga não trinque. A maneira mais simples de otimizar a precisão dimensional e o desempenho da rebitagem da liga é controlar a trinca, otimizando a temperatura de aquecimento e o processo de envelhecimento das barras extrudadas, mantendo inalteradas a composição do material, a estrutura da matriz, a velocidade de extrusão e a velocidade de têmpera. Para a liga de alumínio 6082, sob a premissa de que outras condições do processo permaneçam inalteradas, quanto maior a temperatura de extrusão, mais rasa será a camada de granulação grossa, porém maior será a deformação do perfil após a têmpera.
Este artigo utiliza uma liga de alumínio 6082 com a mesma composição do objeto de pesquisa, utiliza diferentes temperaturas de extrusão e diferentes processos de envelhecimento para preparar amostras em diferentes estados, e avalia os efeitos da temperatura de extrusão e do estado de envelhecimento no teste de rebitagem por meio de ensaios de rebitagem. Com base nos resultados preliminares, o processo de envelhecimento ideal é determinado posteriormente para orientar a produção subsequente de perfis de extrusão de corpos de liga de alumínio 6082.
1 Materiais e métodos experimentais
Conforme mostrado na Tabela 1, a liga de alumínio 6082 foi fundida e preparada em um lingote redondo por fundição semicontínua. Em seguida, após o tratamento térmico de homogeneização, o lingote foi aquecido a diferentes temperaturas e extrudado em um perfil em uma extrusora de 2200 t. A espessura da parede do perfil foi de 2,5 mm, a temperatura do cilindro de extrusão foi de 440 ± 10 ℃, a temperatura da matriz de extrusão foi de 470 ± 10 ℃, a velocidade de extrusão foi de 2,3 ± 0,2 mm/s e o método de têmpera do perfil foi o resfriamento por vento forte. De acordo com a temperatura de aquecimento, as amostras foram numeradas de 1 a 3, entre as quais a amostra 1 teve a menor temperatura de aquecimento, e a temperatura do tarugo correspondente foi de 470±5 ℃, a temperatura do tarugo correspondente da amostra 2 foi de 485±5 ℃, e a temperatura da amostra 3 foi a mais alta, e a temperatura do tarugo correspondente foi de 500±5 ℃.
Tabela 1 Composição química medida da liga de teste (fração de massa/%)
Sob a condição de que outros parâmetros do processo, como composição do material, estrutura da matriz, velocidade de extrusão e velocidade de têmpera, permaneçam inalterados, as amostras de 1 a 3 acima, obtidas pelo ajuste da temperatura de aquecimento da extrusão, são envelhecidas em um forno de resistência tipo caixa, com sistemas de envelhecimento de 180 ℃/6 h e 190 ℃/6 h. Após o isolamento, elas são resfriadas a ar e, em seguida, rebitadas para avaliar a influência de diferentes temperaturas de extrusão e estados de envelhecimento no teste de rebitagem. O teste de rebitagem utiliza liga 6082 de 2,5 mm de espessura com diferentes temperaturas de extrusão e diferentes sistemas de envelhecimento como placa inferior, e liga 5754-O de 1,4 mm de espessura como placa superior para o teste de rebitagem SPR. A matriz de rebitagem é M260238 e o rebite é C5,3 × 6,0 H0. Além disso, para determinar o processo de envelhecimento ideal, de acordo com a influência da temperatura de extrusão e do estado de envelhecimento na formação de fissuras por rebitagem, a chapa na temperatura de extrusão ideal é selecionada e, em seguida, tratada com diferentes temperaturas e tempos de envelhecimento para estudar a influência do sistema de envelhecimento na formação de fissuras por rebitagem, a fim de, finalmente, confirmar o sistema de envelhecimento ideal. Um microscópio de alta potência foi utilizado para observar a microestrutura do material em diferentes temperaturas de extrusão, uma máquina de ensaio universal eletrônica controlada por microcomputador da série MTS-SANS CMT5000 foi utilizada para testar as propriedades mecânicas e um microscópio de baixa potência foi utilizado para observar as juntas rebitadas após a rebitagem em vários estados.
2Resultados experimentais e discussão
2.1 Efeito da temperatura de extrusão e do estado de envelhecimento na formação de fissuras por rebitagem
A amostragem foi feita ao longo da seção transversal do perfil extrudado. Após desbaste grosseiro, desbaste fino e polimento com lixa, a amostra foi corroída com NaOH a 10% por 8 minutos, e o produto de corrosão preto foi limpo com ácido nítrico. A camada de grãos grossos da amostra foi observada com um microscópio de alta potência, que estava localizado na superfície externa da fivela do rebite na posição de rebitagem pretendida, conforme mostrado na Figura 1. A profundidade média da camada de grãos grossos da amostra nº 1 foi de 352 μm, a profundidade média da camada de grãos grossos da amostra nº 2 foi de 135 μm, e a profundidade média da camada de grãos grossos da amostra nº 3 foi de 31 μm. A diferença na profundidade da camada de grãos grossos se deve principalmente às diferentes temperaturas de extrusão. Quanto maior a temperatura de extrusão, menor a resistência à deformação da liga 6082, menor o armazenamento de energia de deformação gerado pelo atrito entre a liga e a matriz de extrusão (especialmente a correia de trabalho da matriz) e menor a força motriz de recristalização. Portanto, a camada superficial de grãos grossos é mais rasa; quanto menor a temperatura de extrusão, maior a resistência à deformação, maior o armazenamento de energia de deformação, mais fácil é a recristalização e mais profunda a camada de grãos grossos. Para a liga 6082, o mecanismo de recristalização de grãos grossos é a recristalização secundária.
(a) Modelo 1
(b) Modelo 2
(c) Modelo 3
Figura 1 Espessura da camada de grãos grossos de perfis extrudados por diferentes processos
As amostras 1 a 3, preparadas em diferentes temperaturas de extrusão, foram envelhecidas a 180 ℃/6 h e 190 ℃/6 h, respectivamente. As propriedades mecânicas da amostra 2 após os dois processos de envelhecimento são mostradas na Tabela 2. Nos dois sistemas de envelhecimento, a resistência ao escoamento e a resistência à tração da amostra a 180 ℃/6 h são significativamente maiores do que aquelas a 190 ℃/6 h, enquanto o alongamento dos dois não é muito diferente, indicando que 190 ℃/6 h é um tratamento de sobreenvelhecimento. Como as propriedades mecânicas da liga de alumínio da série 6 flutuam muito com a mudança do processo de envelhecimento no estado de subenvelhecimento, isso não é propício para a estabilidade do processo de produção de perfis e o controle da qualidade da rebitagem. Portanto, não é adequado usar o estado de subenvelhecimento para produzir perfis de carroceria.
Tabela 2 Propriedades mecânicas da amostra nº 2 em dois sistemas de envelhecimento
A aparência da peça de teste após a rebitagem é mostrada na Figura 2. Quando a amostra nº 1 com uma camada de granulação grossa mais profunda foi rebitada no estado de pico de envelhecimento, a superfície inferior do rebite apresentou casca de laranja óbvia e rachaduras visíveis a olho nu, como mostrado na Figura 2a. Devido à orientação inconsistente dentro dos grãos, o grau de deformação será irregular durante a deformação, formando uma superfície irregular. Quando os grãos são grosseiros, a irregularidade da superfície se torna maior, formando um fenômeno de casca de laranja visível a olho nu. Quando a amostra nº 3 com uma camada de granulação grossa mais rasa preparada pelo aumento da temperatura de extrusão foi rebitada no estado de pico de envelhecimento, a superfície inferior do rebite era relativamente lisa e a rachadura foi suprimida até certo ponto, o que só foi visível sob ampliação do microscópio, como mostrado na Figura 2b. Quando a amostra nº 3 estava no estado de superenvelhecimento, nenhuma rachadura foi observada sob ampliação do microscópio, como mostrado na Figura 2c.
(a) Fissuras visíveis a olho nu
(b) Pequenas fissuras visíveis ao microscópio
(c) Sem rachaduras
Figura 2 Diferentes graus de fissuração após rebitagem
Após a rebitagem, a superfície apresenta principalmente três estados: trincas visíveis a olho nu (marcadas com "×"), trincas leves visíveis sob ampliação microscópica (marcadas com "△") e sem trincas (marcadas com "○"). Os resultados da morfologia de rebitagem das amostras dos três estados acima, sob dois sistemas de envelhecimento, são apresentados na Tabela 3. Observa-se que, quando o processo de envelhecimento é constante, o desempenho de trincas de rebitagem da amostra com temperatura de extrusão mais alta e camada de grãos grosseiros mais fina é superior ao da amostra com camada de grãos grosseiros mais profunda; quando a camada de grãos grosseiros é constante, o desempenho de trincas de rebitagem no estado de superenvelhecimento é superior ao do estado de pico de envelhecimento.
Tabela 3 Aspecto de rebitagem das amostras 1 a 3 em dois sistemas de processo
Foram estudados os efeitos da morfologia dos grãos e do estado de envelhecimento no comportamento de fissuração por compressão axial dos perfis. O estado de tensão do material durante a compressão axial foi consistente com o da rebitagem autoperfurante. O estudo constatou que as fissuras se originaram nos contornos dos grãos, e o mecanismo de fissuração da liga Al-Mg-Si foi explicado pela fórmula.
σapp é a tensão aplicada ao cristal. Durante a fissuração, σapp é igual ao valor real da tensão correspondente à resistência à tração; σa0 é a resistência dos precipitados durante o deslizamento intracristalino; Φ é o coeficiente de concentração de tensão, que está relacionado ao tamanho do grão d e à largura de deslizamento p.
Comparada à recristalização, a estrutura de grãos fibrosos é mais propícia à inibição de trincas. A principal razão é que o tamanho de grão d é significativamente reduzido devido ao refinamento do grão, o que pode efetivamente reduzir o fator de concentração de tensões Φ no contorno do grão, inibindo assim a formação de trincas. Comparada à estrutura fibrosa, a liga recristalizada com grãos grosseiros tem um fator de concentração de tensões Φ cerca de 10 vezes maior que a anterior.
Comparado ao envelhecimento de pico, o estado de sobreenvelhecimento é mais propício à inibição de trincas, que é determinada pelos diferentes estados da fase de precipitação dentro da liga. Durante o envelhecimento de pico, fases 'β (Mg5Si6) de 20-50 nm são precipitadas na liga 6082, com um grande número de precipitados e tamanhos pequenos; quando a liga está em sobreenvelhecimento, o número de precipitados na liga diminui e o tamanho se torna maior. Os precipitados gerados durante o processo de envelhecimento podem inibir efetivamente o movimento de discordâncias dentro da liga. Sua força de fixação sobre as discordâncias está relacionada ao tamanho e à fração volumétrica da fase precipitada. A fórmula empírica é:
f é a fração volumétrica da fase precipitada; r é o tamanho da fase; σa é a energia da interface entre a fase e a matriz. A fórmula mostra que quanto maior o tamanho da fase precipitada e menor a fração volumétrica, menor sua força de fixação sobre as discordâncias, mais fácil será para as discordâncias na liga começarem, e o σa0 na liga diminuirá do pico de envelhecimento para o estado de superenvelhecimento. Mesmo que σa0 diminua, quando a liga passa do pico de envelhecimento para o estado de superenvelhecimento, o valor de σapp no momento da fissuração da liga diminui mais, resultando em uma diminuição significativa na tensão efetiva no contorno de grão (σapp-σa0). A tensão efetiva no contorno de grão do superenvelhecimento é cerca de 1/5 daquela no pico de envelhecimento, ou seja, é menos provável que ocorra fissuração no contorno de grão no estado de superenvelhecimento, resultando em melhor desempenho de rebitagem da liga.
2.2 Otimização do sistema de temperatura de extrusão e processo de envelhecimento
De acordo com os resultados acima, o aumento da temperatura de extrusão pode reduzir a profundidade da camada de granulação grossa, inibindo assim a formação de fissuras no material durante o processo de rebitagem. No entanto, considerando a composição da liga, a estrutura da matriz de extrusão e o processo de extrusão, se a temperatura de extrusão for muito alta, por um lado, o grau de flexão e torção do perfil será agravado durante o processo de têmpera subsequente, fazendo com que a tolerância do tamanho do perfil não atenda aos requisitos, e, por outro lado, fará com que a liga seja facilmente queimada durante o processo de extrusão, aumentando o risco de sucata do material. Considerando o estado de rebitagem, o processo de dimensionamento do perfil, a janela do processo de produção e outros fatores, a temperatura de extrusão mais adequada para esta liga não é inferior a 485 ℃, ou seja, a amostra nº 2. A fim de confirmar o sistema de processo de envelhecimento ideal, o processo de envelhecimento foi otimizado com base na amostra nº 2.
As propriedades mecânicas da amostra nº 2 em diferentes tempos de envelhecimento a 180 ℃, 185 ℃ e 190 ℃ são mostradas na Figura 3, que são resistência ao escoamento, resistência à tração e alongamento. Conforme mostrado na Figura 3a, abaixo de 180 ℃, o tempo de envelhecimento aumenta de 6 h para 12 h, e a resistência ao escoamento do material não diminui significativamente. Abaixo de 185 ℃, conforme o tempo de envelhecimento aumenta de 4 h para 12 h, a resistência ao escoamento primeiro aumenta e depois diminui, e o tempo de envelhecimento correspondente ao maior valor de resistência é de 5-6 h. Abaixo de 190 ℃, conforme o tempo de envelhecimento aumenta, a resistência ao escoamento diminui gradualmente. No geral, nas três temperaturas de envelhecimento, quanto menor a temperatura de envelhecimento, maior a resistência de pico do material. As características da resistência à tração na Figura 3b são consistentes com a resistência ao escoamento na Figura 3a. O alongamento em diferentes temperaturas de envelhecimento mostrado na Figura 3c está entre 14% e 17%, sem um padrão de mudança óbvio. Este experimento testa o estágio de envelhecimento de pico até o superenvelhecimento e, devido às pequenas diferenças experimentais, o erro do teste torna o padrão de mudança pouco claro.
Fig.3 Propriedades mecânicas dos materiais em diferentes temperaturas e tempos de envelhecimento
Após o tratamento de envelhecimento acima, a fissuração das juntas rebitadas é resumida na Tabela 4. Pode-se observar na Tabela 4 que, com o aumento do tempo, a fissuração das juntas rebitadas é suprimida até certo ponto. Sob a condição de 180 ℃, quando o tempo de envelhecimento excede 10 h, a aparência da junta rebitada está em um estado aceitável, mas instável. Sob a condição de 185 ℃, após o envelhecimento por 7 h, a aparência da junta rebitada não apresenta fissuras e o estado é relativamente estável. Sob a condição de 190 ℃, a aparência da junta rebitada não apresenta fissuras e o estado é estável. A partir dos resultados do teste de rebitagem, pode-se observar que o desempenho da rebitagem é melhor e mais estável quando a liga está em um estado superenvelhecido. Combinado com o uso do perfil da carroceria, a rebitagem a 180 ℃/10 a 12 horas não contribui para a estabilidade da qualidade do processo de produção controlado pelo OEM. Para garantir a estabilidade da junta rebitada, o tempo de envelhecimento precisa ser estendido ainda mais, mas a verificação do tempo de envelhecimento levará à redução da eficiência da produção do perfil e ao aumento dos custos. Sob a condição de 190 ℃, todas as amostras podem atender aos requisitos de trincas por rebitagem, mas a resistência do material é significativamente reduzida. De acordo com os requisitos de projeto do veículo, o limite de escoamento da liga 6082 deve ser garantido como superior a 270 MPa. Portanto, a temperatura de envelhecimento de 190 ℃ não atende aos requisitos de resistência do material. Ao mesmo tempo, se a resistência do material for muito baixa, a espessura residual da placa inferior da junta rebitada será muito pequena. Após o envelhecimento a 190 ℃/8 h, as características da seção transversal rebitada mostram que a espessura residual é de 0,26 mm, o que não atende ao requisito de índice de ≥ 0,3 mm, conforme mostrado na Figura 4a. Considerando de forma abrangente, a temperatura ideal de envelhecimento é de 185 ℃. Após o envelhecimento por 7 h, o material pode atender de forma estável aos requisitos de rebitagem, e a resistência atende aos requisitos de desempenho. Considerando a estabilidade da produção do processo de rebitagem na oficina de soldagem, o tempo ideal de envelhecimento é proposto para ser determinado como 8 h. As características da seção transversal sob este sistema de processo são mostradas na Figura 4b, que atende aos requisitos de índice de intertravamento. Os intertravamentos esquerdo e direito são de 0,90 mm e 0,75 mm, que atendem aos requisitos de índice de ≥ 0,4 mm, e a espessura residual inferior é de 0,38 mm.
Tabela 4 Rachaduras da amostra nº 2 em diferentes temperaturas e tempos de envelhecimento
Fig.4 Características da seção transversal das juntas rebitadas das placas de fundo 6082 em diferentes estados de envelhecimento
3 Conclusão
Quanto maior a temperatura de extrusão dos perfis de liga de alumínio 6082, mais rasa será a camada superficial de granulação grossa após a extrusão. A espessura mais rasa da camada de granulação grossa pode reduzir efetivamente o fator de concentração de tensões no contorno de grão, inibindo assim a formação de trincas por rebitagem. Pesquisas experimentais determinaram que a temperatura ideal de extrusão não é inferior a 485 °C.
Quando a espessura da camada de granulação grossa do perfil de liga de alumínio 6082 é a mesma, a tensão efetiva do contorno de grão da liga no estado de sobreenvelhecimento é menor do que no estado de pico de envelhecimento, o risco de trincas durante a rebitagem é menor e o desempenho de rebitagem da liga é melhor. Levando em consideração os três fatores: estabilidade da rebitagem, valor de intertravamento da junta rebitada, eficiência da produção do tratamento térmico e benefícios econômicos, o sistema de envelhecimento ideal para a liga é determinado como 185°C/8h.
Horário da publicação: 05/04/2025
