擠壓溫度和時(shí)效制度對(duì)6082鋁合金擠壓型材自沖鉚接開(kāi)裂的影響

席忠民，李 鑫，李曉宇，牛 魁，徐 義

（廣汽新能源汽車(chē)有限公司 技術(shù)中心，廣州 511434）

由于世界各國(guó)對(duì)節(jié)能減排的重視，發(fā)展純電動(dòng)新能源汽車(chē)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。新能源車(chē)的續(xù)駛里程，除了與電池性能有關(guān)外，車(chē)身的質(zhì)量也是一個(gè)至關(guān)重要的影響因素。推動(dòng)發(fā)展汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的輕量化和連接的高質(zhì)量，在保證汽車(chē)強(qiáng)度和安全性能的前提下，通過(guò)盡可能降低汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量，可以提高電動(dòng)汽車(chē)的綜合續(xù)駛里程。在汽車(chē)輕量化方面鋼鋁混合車(chē)身兼顧了車(chē)身的強(qiáng)度和減重，成為實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化的一個(gè)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(duì)輕型合金、復(fù)合材料連接具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在汽車(chē)行業(yè)和航空航天制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)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(duì)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(píng)估接頭質(zhì)量，通過(guò)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(duì)鋁合金板材鉚接后接頭的力學(xué)性能，而在實(shí)際車(chē)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(chē)身上應(yīng)用的關(guān)鍵因素。同時(shí)，應(yīng)用于車(chē)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(chē)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最重要的影響因素。出口溫度越高，淬火速度越快，型材彎曲扭擰程度越大。對(duì)于車(chē)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(kāi)裂。優(yōu)化合金的尺寸精度和鉚接開(kāi)裂性能，最簡(jiǎn)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(guò)優(yōu)化擠壓棒的加熱溫度和時(shí)效工藝來(lái)控制開(kāi)裂。對(duì)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(duì)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(guò)鉚接試驗(yàn)，評(píng)價(jià)擠壓溫度和時(shí)效狀態(tài)對(duì)鉚接試驗(yàn)的影響。根據(jù)初步的結(jié)果，進(jìn)一步確定了最優(yōu)的時(shí)效工藝，為后續(xù)生產(chǎn)6082鋁合金車(chē)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(guò)半連續(xù)鑄造制備成圓形鑄錠，然后經(jīng)過(guò)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(hào)分別為1～3號(hào)，其中1號(hào)試樣加熱溫度最低，對(duì)應(yīng)的坯料溫度為470±5 ℃，2號(hào)試樣對(duì)應(yīng)的坯料溫度為485±5 ℃，3號(hào)試樣溫度最高，對(duì)應(yīng)的坯料溫度為500±5 ℃。

表1 試驗(yàn)合金實(shí)測(cè)化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

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(guò)調(diào)整擠壓加熱溫度得到的1～3號(hào)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(píng)價(jià)不同擠壓溫度和時(shí)效狀態(tài)對(duì)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)一步確定最優(yōu)的時(shí)效工藝，根據(jù)擠壓溫度和時(shí)效狀態(tài)對(duì)鉚接開(kāi)裂的影響規(guī)律，選取最優(yōu)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(duì)鉚接開(kāi)裂的影響，從而最終確認(rèn)最優(yōu)的時(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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，采用低倍顯微鏡對(duì)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(duì)鉚接開(kāi)裂的影響

沿?cái)D壓型材橫截面取樣，試樣經(jīng)過(guò)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(hào)試樣的平均粗晶層深度為352 μm，2號(hào)試樣的平均粗晶層深度為135 μm，3號(hào)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(chǔ)能越小，由此帶來(lái)的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)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(chǔ)能越大，越容易發(fā)生再結(jié)晶，則粗晶層越深。對(duì)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]。

圖1 不同工藝擠壓型材的粗晶層厚度

將不同擠壓溫度制備的1～3號(hào)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(hào)試樣的兩種時(shí)效工藝處理后的力學(xué)性能見(jiàn)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(shuō)明190 ℃/6 h為過(guò)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(dòng)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(chē)身用型材。

表2 2號(hào)試樣兩種時(shí)效制度下的力學(xué)性能

試片鉚接后的外觀如圖2所示。粗晶層較深的1號(hào)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(jiàn)開(kāi)裂，如圖2a所示。晶粒內(nèi)部由于取向不一致，在變形時(shí)會(huì)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(jiàn)的橘皮現(xiàn)象。提高擠壓溫度制備的粗晶層較淺的3號(hào)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(kāi)裂得到一定程度的抑制，僅在顯微鏡放大的情況下可見(jiàn)，如圖2b所示。當(dāng)3號(hào)試樣處于過(guò)時(shí)效狀態(tài)時(shí)，在顯微鏡放大的情況下也未見(jiàn)開(kāi)裂，如圖2c所示。

圖2 鉚接后不同程度的開(kāi)裂

鉚接后的表面主要為3種狀態(tài)，分別為肉眼可見(jiàn)開(kāi)裂（標(biāo)記“×”），顯微鏡放大后可見(jiàn)輕微裂紋（標(biāo)記為“△”），以及無(wú)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(jiàn)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(kāi)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(guò)時(shí)效狀態(tài)的鉚接開(kāi)裂性能優(yōu)于峰值時(shí)效狀態(tài)。

表3 1～3號(hào)試樣在兩種工藝制度下的鉚接外觀

YOSHIHARA等[5]對(duì)比研究了晶粒形態(tài)和時(shí)效狀態(tài)對(duì)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(kāi)裂機(jī)理。

式中：σapp為施加到晶體上的應(yīng)力，開(kāi)裂時(shí)σapp等于抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的真實(shí)應(yīng)力值；σa0為晶內(nèi)滑移過(guò)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(duì)于再結(jié)晶，纖維狀晶粒組織更有利于抑制開(kāi)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，從而抑制開(kāi)裂。相對(duì)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(duì)于峰值時(shí)效，過(guò)時(shí)效狀態(tài)更有利于抑制開(kāi)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)??；當(dāng)合金處于過(guò)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(guò)程中生成的析出相，能有效抑制合金內(nèi)部位錯(cuò)的移動(dòng)，其對(duì)位錯(cuò)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(duì)位錯(cuò)的釘扎力（Zener force）；f為沉淀相的體積分?jǐn)?shù)；r為相的大?。沪襛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(duì)位錯(cuò)的釘扎力越小，合金內(nèi)位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)越容易，合金從峰時(shí)效到過(guò)時(shí)效狀態(tài)合金內(nèi)的σa0會(huì)降低。即使σa0發(fā)生了降低，但當(dāng)合金從峰時(shí)效到過(guò)時(shí)效狀態(tài)時(shí)，合金開(kāi)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(guò)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(guò)時(shí)效狀態(tài)下更不易于發(fā)生晶界開(kāi)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，從而抑制鉚接過(guò)程中材料開(kāi)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(guò)高，一方面會(huì)導(dǎo)致型材在后續(xù)淬火過(guò)程中發(fā)生彎曲扭擰的程度加劇，使型材尺寸公差不滿(mǎn)足要求，另一方面會(huì)導(dǎo)致合金在擠壓過(guò)程中易發(fā)生過(guò)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(hào)試樣。為了確認(rèn)最優(yōu)的時(shí)效工藝制度，以2號(hào)試樣為基礎(chǔ)，進(jìn)行時(shí)效工藝的優(yōu)化。

2號(hào)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(jiàn)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)度最高值對(duì)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(lái)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(wú)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(cè)試的為欠時(shí)效至峰值時(shí)效狀態(tài)，而本試驗(yàn)測(cè)試的為峰值時(shí)效至過(guò)時(shí)效階段，且由于試驗(yàn)差異較小，測(cè)試誤差導(dǎo)致變化規(guī)律不明顯。

圖3 不同時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間下的材料力學(xué)性能

經(jīng)過(guò)上述時(shí)效處理后，鉚接的開(kāi)裂情況匯總見(jiàn)表4。由表4可知，隨著時(shí)間的增加，鉚接開(kāi)裂得到一定程度的抑制。在180 ℃條件下，當(dāng)時(shí)效時(shí)間超過(guò)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(wú)裂紋，且狀態(tài)比較穩(wěn)定；在190 ℃條件下，鉚接外觀無(wú)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(guò)時(shí)效狀態(tài)時(shí)鉚接性能更好且較為穩(wěn)定，結(jié)合車(chē)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(guò)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(zhǎng)時(shí)效時(shí)間，但驗(yàn)證時(shí)效時(shí)間會(huì)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(mǎn)足鉚接開(kāi)裂的需要，但材料的強(qiáng)度明顯降低，根據(jù)整車(chē)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(mǎn)足材料強(qiáng)度要求。同時(shí)，材料強(qiáng)度過(guò)低，會(huì)出現(xiàn)鉚接接頭底板殘余厚度過(guò)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(mǎn)足≥0.3 mm的指標(biāo)要求，如圖4a所示。綜合考慮，最優(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(mǎn)足鉚接要求，且強(qiáng)度滿(mǎn)足性能要求?？紤]到焊裝車(chē)間鉚接工藝的生產(chǎn)穩(wěn)定性，最優(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(mǎn)足互鎖指標(biāo)要求，左右互鎖為0.90 mm、0.75 mm，滿(mǎn)足≥0.4 mm的指標(biāo)要求，且底層殘余厚度為0.38 mm。

表4 2號(hào)試樣在不同溫度下不同時(shí)效時(shí)間的開(kāi)裂情況

圖4 不同時(shí)效態(tài)6082底層板鉚接接頭截面特征

3 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)，從而抑制鉚接開(kāi)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(guò)時(shí)效狀態(tài)時(shí)小于峰值時(shí)效狀態(tài)，鉚接過(guò)程中開(kāi)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