Da Energieeinsparung und Emissionsreduzierung weltweit einen hohen Stellenwert haben, liegt die Entwicklung rein elektrischer Fahrzeuge mit alternativen Antrieben im Trend. Neben der Batterieleistung ist auch die Qualität der Karosserie ein entscheidender Faktor für die Reichweite von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben. Die Förderung leichter Karosseriestrukturen und hochwertiger Verbindungen kann die Reichweite von Elektrofahrzeugen verbessern, indem das Gesamtgewicht des Fahrzeugs so weit wie möglich reduziert wird und gleichzeitig die Stabilität und Sicherheit des Fahrzeugs gewährleistet bleibt. Im Hinblick auf die Leichtbauweise von Automobilen berücksichtigt die Stahl-Aluminium-Hybridkarosserie sowohl die Stabilität als auch das Gewicht und ist ein wichtiges Mittel zur Leichtbauweise.
Herkömmliche Verbindungsmethoden für Aluminiumlegierungen weisen eine unzureichende Verbindungsleistung und geringe Zuverlässigkeit auf. Stanznieten hingegen, eine neue Verbindungstechnologie, wird aufgrund ihrer klaren Vorteile bei der Verbindung von Leichtmetallen und Verbundwerkstoffen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie häufig eingesetzt. In den letzten Jahren haben chinesische Wissenschaftler die Stanzniettechnologie eingehend erforscht und die Auswirkungen verschiedener Wärmebehandlungsverfahren auf die Leistung von Stanznietverbindungen aus TA1-Industrietitan untersucht. Dabei zeigte sich, dass Glühen und Abschrecken die statische Festigkeit von Stanznietverbindungen aus TA1-Industrietitan verbessern. Der Mechanismus der Verbindungsbildung wurde unter dem Gesichtspunkt des Materialflusses beobachtet und analysiert, und die Verbindungsqualität wurde darauf basierend bewertet. Metallografische Untersuchungen zeigten, dass sich der große plastische Verformungsbereich zu einer tendenziösen Faserstruktur verfeinerte, was die Streckgrenze und die Dauerfestigkeit der Verbindung verbesserte.
Die oben genannten Untersuchungen konzentrierten sich hauptsächlich auf die mechanischen Eigenschaften der Verbindungen nach dem Nieten von Aluminiumlegierungsplatten. Bei der tatsächlichen Nietproduktion von Karosserien sind Risse in den Nietverbindungen von Strangpressprofilen aus Aluminiumlegierungen, insbesondere von hochfesten Aluminiumlegierungen mit hohem Legierungselementgehalt wie der Aluminiumlegierung 6082, die Hauptfaktoren, die die Anwendung dieses Verfahrens an der Karosserie einschränken. Gleichzeitig wirken sich Form- und Lagetoleranzen der an der Karosserie verwendeten Strangpressprofile, wie z. B. Biegung und Verdrehung, direkt auf deren Montage und Verwendung aus und bestimmen auch die Maßgenauigkeit der späteren Karosserie. Um die Biegung und Verdrehung der Profile zu kontrollieren und deren Maßgenauigkeit sicherzustellen, sind neben der Matrizenstruktur die Austrittstemperatur der Profile und die Online-Abschreckgeschwindigkeit die wichtigsten Einflussfaktoren. Je höher die Austrittstemperatur und je schneller die Abschreckgeschwindigkeit, desto größer ist der Biegungs- und Verdrehungsgrad der Profile. Bei Aluminiumlegierungsprofilen für Karosserien ist die Maßgenauigkeit der Profile sicherzustellen und sicherzustellen, dass die Legierungsnieten nicht reißen. Die einfachste Möglichkeit, die Maßgenauigkeit und das Rissverhalten der Legierung beim Nieten zu optimieren, besteht darin, die Rissbildung durch Optimierung der Heiztemperatur und des Alterungsprozesses der Strangpressstäbe unter Beibehaltung von Materialzusammensetzung, Matrizenstruktur, Strangpressgeschwindigkeit und Abschreckgeschwindigkeit zu kontrollieren. Bei der Aluminiumlegierung 6082 gilt unter der Voraussetzung, dass die übrigen Prozessbedingungen unverändert bleiben: Je höher die Strangpresstemperatur, desto flacher die grobkörnige Schicht, desto stärker aber die Profilverformung nach dem Abschrecken.
In dieser Arbeit wird eine Aluminiumlegierung 6082 mit der gleichen Zusammensetzung wie das Forschungsobjekt verwendet. Mithilfe unterschiedlicher Extrusionstemperaturen und unterschiedlicher Alterungsprozesse werden Proben in unterschiedlichen Zuständen hergestellt. Die Auswirkungen von Extrusionstemperatur und Alterungszustand auf den Nietversuch werden anhand von Nietversuchen bewertet. Basierend auf den vorläufigen Ergebnissen wird der optimale Alterungsprozess weiter bestimmt, um eine Orientierung für die anschließende Herstellung von Extrusionsprofilen aus Aluminiumlegierung 6082 zu bieten.
1 Experimentelle Materialien und Methoden
Wie in Tabelle 1 dargestellt, wurde die Aluminiumlegierung 6082 geschmolzen und durch halbkontinuierliches Gießen zu einem runden Barren verarbeitet. Nach der Homogenisierungswärmebehandlung wurde der Barren auf unterschiedliche Temperaturen erhitzt und auf einem 2200-t-Extruder zu einem Profil extrudiert. Die Profilwandstärke betrug 2,5 mm, die Temperatur des Extrusionszylinders 440 ± 10 °C, die Temperatur der Extrusionsdüse 470 ± 10 °C, die Extrusionsgeschwindigkeit 2,3 ± 0,2 mm/s und das Profilabschreckverfahren war Starkwindkühlung. Entsprechend der Heiztemperatur wurden die Proben von 1 bis 3 nummeriert, wobei Probe 1 die niedrigste Heiztemperatur hatte und die entsprechende Knüppeltemperatur 470 ± 5 °C betrug, die entsprechende Knüppeltemperatur von Probe 2 485 ± 5 °C betrug und die Temperatur von Probe 3 die höchste war und die entsprechende Knüppeltemperatur 500 ± 5 °C betrug.
Tabelle 1 Gemessene chemische Zusammensetzung der Testlegierung (Massenanteil/%)
Unter der Bedingung, dass andere Prozessparameter wie Materialzusammensetzung, Matrizenstruktur, Extrusionsgeschwindigkeit und Abschreckgeschwindigkeit unverändert bleiben, werden die oben genannten Proben Nr. 1 bis 3, die durch Anpassen der Extrusionsheiztemperatur erhalten wurden, in einem Widerstandskastenofen gealtert. Das Alterungssystem beträgt 180 °C/6 h und 190 °C/6 h. Nach der Isolierung werden sie luftgekühlt und anschließend genietet, um den Einfluss unterschiedlicher Extrusionstemperaturen und Alterungszustände auf den Niettest zu bewerten. Für den Niettest wird eine 2,5 mm dicke 6082-Legierung mit unterschiedlichen Extrusionstemperaturen und unterschiedlichen Alterungssystemen als Bodenplatte und eine 1,4 mm dicke 5754-O-Legierung als Oberplatte für den SPR-Niettest verwendet. Die Nietmatrize ist M260238 und der Niet ist C5,3 × 6,0 H0. Um den optimalen Alterungsprozess weiter zu bestimmen, wird außerdem je nach Einfluss der Extrusionstemperatur und des Alterungszustands auf die Rissbildung beim Nieten die Platte mit der optimalen Extrusionstemperatur ausgewählt und dann bei unterschiedlichen Temperaturen und mit unterschiedlichen Alterungszeiten behandelt, um den Einfluss des Alterungssystems auf die Rissbildung beim Nieten zu untersuchen und so schließlich das optimale Alterungssystem zu bestätigen. Ein Hochleistungsmikroskop wurde verwendet, um die Mikrostruktur des Materials bei unterschiedlichen Extrusionstemperaturen zu beobachten, eine mikrocomputergesteuerte elektronische Universalprüfmaschine der Serie MTS-SANS CMT5000 wurde verwendet, um die mechanischen Eigenschaften zu testen, und ein Schwachleistungsmikroskop wurde verwendet, um die Nietverbindungen nach dem Nieten in verschiedenen Zuständen zu beobachten.
2Experimentelle Ergebnisse und Diskussion
2.1 Einfluss der Extrusionstemperatur und des Alterungszustands auf die Rissbildung beim Nieten
Die Proben wurden entlang des Querschnitts des extrudierten Profils entnommen. Nach dem Grobschleifen, Feinschleifen und Polieren mit Sandpapier wurde die Probe 8 Minuten lang mit 10 %iger NaOH korrodiert und das schwarze Korrosionsprodukt mit Salpetersäure abgewischt. Die Grobkornschicht der Probe wurde mit einem Hochleistungsmikroskop beobachtet, das sich auf der Oberfläche außerhalb der Nietschnalle an der vorgesehenen Nietposition befand, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die durchschnittliche Grobkornschichttiefe von Probe Nr. 1 betrug 352 μm, die durchschnittliche Grobkornschichttiefe von Probe Nr. 2 betrug 135 μm und die durchschnittliche Grobkornschichttiefe von Probe Nr. 3 betrug 31 μm. Der Unterschied in der Tiefe der Grobkornschicht ist hauptsächlich auf die unterschiedlichen Extrusionstemperaturen zurückzuführen. Je höher die Extrusionstemperatur, desto geringer der Verformungswiderstand der 6082-Legierung, desto geringer die durch die Reibung zwischen Legierung und Extrusionsdüse (insbesondere dem Düsenband) erzeugte Verformungsenergie und desto geringer die Rekristallisationskraft. Daher ist die oberflächliche Grobkornschicht flacher; je niedriger die Extrusionstemperatur, desto höher der Verformungswiderstand, desto höher die Verformungsenergie, desto leichter die Rekristallisation und desto tiefer die Grobkornschicht. Bei der 6082-Legierung ist der Mechanismus der Grobkornrekristallisation eine sekundäre Rekristallisation.
(a) Modell 1
b) Modell 2
(c) Modell 3
Abbildung 1 Dicke der Grobkornschicht von Strangpressprofilen nach verschiedenen Verfahren
Die bei unterschiedlichen Extrusionstemperaturen hergestellten Proben 1 bis 3 wurden bei 180 °C/6 h bzw. 190 °C/6 h gealtert. Die mechanischen Eigenschaften von Probe 2 nach den beiden Alterungsprozessen sind in Tabelle 2 aufgeführt. Unter den beiden Alterungssystemen sind die Streckgrenze und die Zugfestigkeit der Probe bei 180 °C/6 h deutlich höher als bei 190 °C/6 h, während sich die Dehnung beider Proben kaum unterscheidet. Dies deutet darauf hin, dass 190 °C/6 h eine Überalterung darstellt. Da die mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung der Serie 6 im unteralterten Zustand mit der Änderung des Alterungsprozesses stark schwanken, ist dies der Stabilität des Profilherstellungsprozesses und der Kontrolle der Nietqualität nicht förderlich. Daher ist der unteralterte Zustand nicht zur Herstellung von Karosserieprofilen geeignet.
Tabelle 2 Mechanische Eigenschaften der Probe Nr. 2 unter zwei Alterungssystemen
Das Aussehen des Prüflings nach dem Nieten ist in Abbildung 2 dargestellt. Als Probe Nr. 1 mit einer tieferen, grobkörnigen Schicht im Zustand höchster Alterung vernietet wurde, wies die Unterseite des Niets deutliche Orangenhaut und mit bloßem Auge sichtbare Risse auf (Abbildung 2a). Aufgrund der ungleichmäßigen Ausrichtung der Körner ist der Verformungsgrad während der Verformung ungleichmäßig, wodurch eine unebene Oberfläche entsteht. Bei grobkörnigerer Körner werden die Unebenheiten der Oberfläche größer, wodurch eine mit bloßem Auge sichtbare Orangenhaut entsteht. Als Probe Nr. 3 mit einer flacheren, grobkörnigen Schicht, die durch Erhöhung der Extrusionstemperatur hergestellt wurde, im Zustand höchster Alterung vernietet wurde, war die Unterseite des Niets relativ glatt, und die Rissbildung war bis zu einem gewissen Grad unterdrückt, was nur unter mikroskopischer Vergrößerung sichtbar war (Abbildung 2b). Als Probe Nr. 3 im Zustand überalterter Probe war, wurden unter mikroskopischer Vergrößerung keine Risse beobachtet (Abbildung 2c).
(a) Mit bloßem Auge sichtbare Risse
(b) Leichte Risse unter dem Mikroskop sichtbar
(c) Keine Risse
Abbildung 2 Unterschiedliche Rissgrade nach dem Nieten
Nach dem Nieten weist die Oberfläche im Wesentlichen drei Zustände auf: mit bloßem Auge sichtbare Risse (markiert mit „ד), unter Mikroskopvergrößerung sichtbare leichte Risse (markiert mit „△“) und keine Risse (markiert mit „○“). Die Ergebnisse der Nietmorphologie der drei oben genannten Probenzustände unter zwei Alterungssystemen sind in Tabelle 3 aufgeführt. Es ist ersichtlich, dass bei konstantem Alterungsprozess die Nietrissbildung der Probe mit höherer Extrusionstemperatur und dünnerer Grobkornschicht besser ist als die der Probe mit tieferer Grobkornschicht; bei konstanter Grobkornschicht ist die Nietrissbildung im überalterten Zustand besser als im maximal gealterten Zustand.
Tabelle 3 Nieterscheinung der Proben 1 bis 3 unter zwei Prozesssystemen
Die Auswirkungen der Kornmorphologie und des Alterungszustands auf das axiale Kompressionsrissverhalten von Profilen wurden untersucht. Der Spannungszustand des Materials während der axialen Kompression entsprach dem von Stanznieten. Die Studie ergab, dass die Risse von den Korngrenzen ausgingen, und der Rissbildungsmechanismus der Al-Mg-Si-Legierung wurde durch die Formel erklärt.
σapp ist die auf den Kristall wirkende Spannung. Bei Rissbildung entspricht σapp dem tatsächlichen Spannungswert, der der Zugfestigkeit entspricht; σa0 ist der Widerstand der Ausscheidungen beim intrakristallinen Gleiten; Φ ist der Spannungskonzentrationskoeffizient, der von der Korngröße d und der Gleitbreite p abhängt.
Im Vergleich zur Rekristallisation ist eine faserige Kornstruktur risshemmender. Der Hauptgrund dafür ist die deutlich reduzierte Korngröße d durch die Kornverfeinerung, die den Spannungskonzentrationsfaktor Φ an der Korngrenze effektiv senken und so die Rissbildung hemmen kann. Im Vergleich zur faserigen Struktur ist der Spannungskonzentrationsfaktor Φ einer rekristallisierten Legierung mit groben Körnern etwa zehnmal so hoch wie bei der ersten.
Im Vergleich zur Spitzenalterung ist der Zustand der Überalterung förderlicher für die Rissbildung. Dies wird durch die unterschiedlichen Ausscheidungsphasenzustände innerhalb der Legierung bestimmt. Während der Spitzenalterung werden in der Legierung 6082 20–50 nm große β-Phasen (Mg5Si6) ausgeschieden, mit einer großen Anzahl von Ausscheidungen und kleiner Größe. Bei Überalterung der Legierung nimmt die Anzahl der Ausscheidungen ab und die Größe nimmt zu. Die während des Alterungsprozesses gebildeten Ausscheidungen können die Bewegung von Versetzungen innerhalb der Legierung wirksam hemmen. Ihre Haltekraft auf Versetzungen hängt von der Größe und dem Volumenanteil der Ausscheidungsphase ab. Die empirische Formel lautet:
f ist der Volumenanteil der Ausscheidungsphase; r ist die Größe der Phase; σa ist die Grenzflächenenergie zwischen der Phase und der Matrix. Die Formel zeigt, dass je größer die Ausscheidungsphase und je kleiner ihr Volumenanteil ist, desto geringer ist ihre Fixierungskraft auf Versetzungen, desto leichter können Versetzungen in der Legierung entstehen und desto geringer ist die Abnahme von σa0 in der Legierung vom Zustand maximaler Alterung zum Zustand überalterter Phase. Selbst wenn σa0 abnimmt, nimmt der σapp-Wert zum Zeitpunkt der Rissbildung der Legierung stärker ab, wenn die Legierung vom Zustand maximaler Alterung in den Zustand überalterter Phase übergeht, was zu einer signifikanten Abnahme der effektiven Spannung an der Korngrenze (σapp-σa0) führt. Die effektive Spannung an der Korngrenze bei überalterter Phase beträgt etwa 1/5 der Spannung bei maximaler Alterung, d. h., im Zustand überalterter Phase ist die Rissbildung an der Korngrenze weniger wahrscheinlich, was zu einer besseren Nietleistung der Legierung führt.
2.2 Optimierung der Extrusionstemperatur und des Alterungsprozesses
Den obigen Ergebnissen zufolge kann eine Erhöhung der Extrusionstemperatur die Tiefe der grobkörnigen Schicht verringern und so die Rissbildung im Material während des Nietvorgangs verhindern. Unter der Voraussetzung einer bestimmten Legierungszusammensetzung, der Struktur der Extrusionsform und des Extrusionsprozesses führt eine zu hohe Extrusionstemperatur jedoch einerseits dazu, dass sich das Profil beim anschließenden Abschreckvorgang stärker verbiegt und verdreht, wodurch die Profilgrößentoleranz nicht mehr den Anforderungen entspricht, und andererseits dazu, dass die Legierung während des Extrusionsprozesses leicht überbrennt, was das Risiko von Materialausschuss erhöht. Unter Berücksichtigung des Nietzustands, des Profilgrößenprozesses, des Produktionsprozessfensters und anderer Faktoren beträgt die geeignetere Extrusionstemperatur für diese Legierung nicht weniger als 485 °C (Probe Nr. 2). Um das optimale Alterungsprozesssystem zu bestätigen, wurde der Alterungsprozess anhand von Probe Nr. 2 optimiert.
Die mechanischen Eigenschaften von Probe Nr. 2 bei unterschiedlichen Alterungszeiten bei 180 °C, 185 °C und 190 °C sind in Abbildung 3 dargestellt. Dabei handelt es sich um Streckgrenze, Zugfestigkeit und Dehnung. Wie in Abbildung 3a gezeigt, steigt die Alterungszeit unter 180 °C von 6 auf 12 Stunden an, ohne dass die Streckgrenze des Materials nennenswert abnimmt. Unter 185 °C steigt die Alterungszeit von 4 auf 12 Stunden an, wobei die Streckgrenze zunächst ansteigt und dann abnimmt. Die Alterungszeit, die dem höchsten Festigkeitswert entspricht, beträgt 5 bis 6 Stunden. Unter 190 °C sinkt die Streckgrenze mit zunehmender Alterungszeit allmählich. Insgesamt gilt bei allen drei Alterungstemperaturen: Je niedriger die Alterungstemperatur, desto höher die Spitzenfestigkeit des Materials. Die Eigenschaften der Zugfestigkeit in Abbildung 3b stimmen mit der Streckgrenze in Abbildung 3a überein. Die in Abbildung 3c dargestellte Dehnung bei unterschiedlichen Alterungstemperaturen liegt zwischen 14 % und 17 % und weist kein erkennbares Veränderungsmuster auf. Dieses Experiment testet die Phase von der Spitzenalterung bis zur Überalterung. Aufgrund der geringen experimentellen Unterschiede führt der Testfehler dazu, dass das Veränderungsmuster unklar ist.
Abb. 3 Mechanische Eigenschaften von Materialien bei unterschiedlichen Alterungstemperaturen und Alterungszeiten
Die Rissbildung der Nietverbindungen nach der oben beschriebenen Alterungsbehandlung ist in Tabelle 4 zusammengefasst. Aus Tabelle 4 ist ersichtlich, dass mit zunehmender Zeit die Rissbildung der Nietverbindungen bis zu einem gewissen Grad unterdrückt wird. Bei 180 °C und einer Alterungszeit von mehr als 10 Stunden ist das Erscheinungsbild der Nietverbindung akzeptabel, aber instabil. Bei 185 °C und 7 Stunden Alterung ist das Erscheinungsbild der Nietverbindung rissfrei und relativ stabil. Bei 190 °C ist das Erscheinungsbild der Nietverbindung rissfrei und stabil. Die Ergebnisse der Niettests zeigen, dass die Nietleistung besser und stabiler ist, wenn die Legierung überaltert ist. In Kombination mit der Verwendung des Karosserieprofils trägt das Nieten bei 180 °C/10–12 Stunden nicht zur Qualitätsstabilität des vom OEM kontrollierten Produktionsprozesses bei. Um die Stabilität der Nietverbindung zu gewährleisten, muss die Alterungszeit verlängert werden. Diese Überprüfung verringert jedoch die Effizienz der Profilherstellung und erhöht die Kosten. Bei 190 °C erfüllen alle Proben die Anforderungen hinsichtlich Nietrissen, die Materialfestigkeit nimmt jedoch erheblich ab. Gemäß den Anforderungen der Fahrzeugkonstruktion muss die Streckgrenze der Legierung 6082 über 270 MPa liegen. Daher wird die Alterungstemperatur von 190 °C den Anforderungen an die Materialfestigkeit nicht gerecht. Gleichzeitig ist die Restdicke der Bodenplatte der Nietverbindung zu gering. Wie in Abbildung 4a dargestellt, beträgt die Restdicke des genieteten Querschnitts nach 8 Stunden Alterung bei 190 °C 0,26 mm und erfüllt damit nicht die Indexanforderung von ≥ 0,3 mm. Insgesamt beträgt die optimale Alterungstemperatur 185 °C. Nach 7-stündiger Alterung erfüllt das Material die Nietanforderungen stabil, und die Festigkeit entspricht den Leistungsanforderungen. Unter Berücksichtigung der Produktionsstabilität des Nietprozesses in der Schweißwerkstatt wird eine optimale Alterungszeit von 8 Stunden vorgeschlagen. Die Querschnittseigenschaften dieses Prozesssystems sind in Abbildung 4b dargestellt und erfüllen die Anforderungen an den Verzahnungsindex. Die linken und rechten Verzahnungen betragen 0,90 mm bzw. 0,75 mm, was den Indexanforderungen von ≥ 0,4 mm entspricht, und die untere Restdicke beträgt 0,38 mm.
Tabelle 4 Rissbildung der Probe Nr. 2 bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Alterungszeiten
Abb. 4 Querschnittseigenschaften von Nietverbindungen von 6082-Bodenplatten in verschiedenen Alterungszuständen
3 Fazit
Je höher die Extrusionstemperatur von Profilen aus Aluminiumlegierung 6082, desto flacher ist die grobkörnige Oberflächenschicht nach der Extrusion. Die geringere Dicke der grobkörnigen Schicht kann den Spannungskonzentrationsfaktor an der Korngrenze wirksam reduzieren und so Nietrisse verhindern. Experimentelle Untersuchungen haben ergeben, dass die optimale Extrusionstemperatur nicht unter 485 °C liegt.
Bei gleicher Dicke der grobkörnigen Schicht des Profils aus Aluminiumlegierung 6082 ist die effektive Korngrenzenspannung der Legierung im Überalterungszustand geringer als im Spitzenalterungszustand, das Risiko von Rissen beim Nieten ist geringer und die Nietleistung der Legierung ist besser. Unter Berücksichtigung der drei Faktoren Nietstabilität, Verriegelungswert der Nietverbindung, Produktionseffizienz der Wärmebehandlung und wirtschaftlicher Nutzen wird das optimale Alterungssystem für die Legierung auf 185 °C/8 h festgelegt.
Beitragszeit: 05.04.2025
