Dado que países de todo el mundo otorgan gran importancia al ahorro energético y la reducción de emisiones, el desarrollo de vehículos eléctricos de nueva energía se ha convertido en tendencia. Además del rendimiento de la batería, la calidad de la carrocería también es un factor crucial que afecta a la autonomía de los vehículos de nueva energía. Promover el desarrollo de carrocerías ligeras y conexiones de alta calidad puede mejorar la autonomía de los vehículos eléctricos al reducir al máximo el peso del vehículo, garantizando al mismo tiempo su resistencia y seguridad. En cuanto a la reducción de peso de los automóviles, la carrocería híbrida de acero y aluminio considera tanto la resistencia como la reducción de peso, convirtiéndose en un factor clave para lograrlo.
El método tradicional de conexión de aleaciones de aluminio presenta un rendimiento deficiente y una baja fiabilidad. El remache autoperforante, como nueva tecnología de conexión, se ha utilizado ampliamente en la industria automotriz y aeroespacial gracias a sus ventajas para conectar aleaciones ligeras y materiales compuestos. En los últimos años, académicos chinos han realizado investigaciones relevantes sobre la tecnología de remache autoperforante y estudiado los efectos de diferentes métodos de tratamiento térmico en el rendimiento de las uniones remachadas autoperforantes de titanio puro industrial TA1. Se ha descubierto que los métodos de tratamiento térmico de recocido y temple mejoran la resistencia estática de las uniones remachadas autoperforantes de titanio puro industrial TA1. Se ha observado y analizado el mecanismo de formación de la unión desde la perspectiva del flujo de material, y en base a ello se ha evaluado la calidad de la unión. Mediante pruebas metalográficas, se ha descubierto que la amplia área de deformación plástica se ha refinado hasta obtener una estructura fibrosa con cierta tendencia, lo que ha mejorado el límite elástico y la resistencia a la fatiga de la unión.
La investigación anterior se centra principalmente en las propiedades mecánicas de las uniones tras el remachado de placas de aleación de aluminio. En la producción de remachado de carrocerías, las grietas en las uniones remachadas de perfiles extruidos de aleación de aluminio, especialmente las de alta resistencia con alto contenido de elementos de aleación, como la aleación de aluminio 6082, son factores clave que limitan la aplicación de este proceso en la carrocería. Asimismo, las tolerancias de forma y posición de los perfiles extruidos utilizados en la carrocería, como las de flexión y torsión, afectan directamente su ensamblaje y uso, y también determinan la precisión dimensional de la carrocería. Para controlar la flexión y torsión de los perfiles y garantizar su precisión dimensional, además de la estructura de la matriz, la temperatura de salida de los perfiles y la velocidad de temple en línea son los factores más importantes. Cuanto mayor sea la temperatura de salida y mayor la velocidad de temple, mayor será el grado de flexión y torsión de los perfiles. En los perfiles de aleación de aluminio para carrocerías, es necesario garantizar la precisión dimensional de los perfiles y evitar el agrietamiento del remachado. La forma más sencilla de optimizar la precisión dimensional y la resistencia al agrietamiento del remachado es controlar el agrietamiento optimizando la temperatura de calentamiento y el proceso de envejecimiento de las varillas extruidas, manteniendo inalterada la composición del material, la estructura de la matriz, la velocidad de extrusión y la velocidad de temple. En la aleación de aluminio 6082, considerando que las demás condiciones del proceso se mantienen, cuanto mayor sea la temperatura de extrusión, menor será la capa de grano grueso, pero mayor será la deformación del perfil tras el temple.
Este artículo utiliza una aleación de aluminio 6082 con la misma composición que el objeto de investigación, utiliza diferentes temperaturas de extrusión y procesos de envejecimiento para preparar muestras en diferentes estados, y evalúa los efectos de la temperatura de extrusión y el estado de envejecimiento en la prueba de remachado. Con base en los resultados preliminares, se determina el proceso de envejecimiento óptimo para proporcionar una guía para la posterior producción de perfiles de extrusión de cuerpos de aleación de aluminio 6082.
1 Materiales y métodos experimentales
Como se muestra en la Tabla 1, la aleación de aluminio 6082 se fundió y se preparó en un lingote redondo mediante colada semicontinua. Posteriormente, tras el tratamiento térmico de homogeneización, el lingote se calentó a diferentes temperaturas y se extruyó en un perfil en una extrusora de 2200 t. El espesor de pared del perfil fue de 2,5 mm, la temperatura del cilindro de extrusión fue de 440 ± 10 °C, la temperatura de la matriz de extrusión fue de 470 ± 10 °C, la velocidad de extrusión fue de 2,3 ± 0,2 mm/s y el método de temple del perfil fue mediante enfriamiento por viento fuerte. De acuerdo con la temperatura de calentamiento, las muestras se numeraron del 1 al 3, entre las cuales la muestra 1 tuvo la temperatura de calentamiento más baja y la temperatura de palanquilla correspondiente fue de 470 ± 5 ℃, la temperatura de palanquilla correspondiente de la muestra 2 fue de 485 ± 5 ℃ y la temperatura de la muestra 3 fue la más alta y la temperatura de palanquilla correspondiente fue de 500 ± 5 ℃.
Tabla 1 Composición química medida de la aleación de prueba (fracción de masa/%)
Bajo la condición de que otros parámetros del proceso tales como la composición del material, la estructura de la matriz, la velocidad de extrusión, la velocidad de enfriamiento permanezcan sin cambios, las muestras anteriores n.º 1 a 3 obtenidas al ajustar la temperatura de calentamiento de la extrusión se envejecen en un horno de resistencia tipo caja, y el sistema de envejecimiento es de 180 ℃/6 h y 190 ℃/6 h. Después del aislamiento, se enfrían al aire y luego se remachan para evaluar la influencia de diferentes temperaturas de extrusión y estados de envejecimiento en la prueba de remachado. La prueba de remachado utiliza aleación 6082 de 2,5 mm de espesor con diferentes temperaturas de extrusión y diferentes sistemas de envejecimiento como la placa inferior, y aleación 5754-O de 1,4 mm de espesor como la placa superior para la prueba de remachado SPR. La matriz de remachado es M260238, y el remache es C5.3×6.0 H0. Además, para determinar con mayor precisión el proceso óptimo de envejecimiento, según la influencia de la temperatura de extrusión y el estado de envejecimiento en el agrietamiento por remachado, se seleccionó la placa a la temperatura óptima de extrusión y se trató con diferentes temperaturas y tiempos de envejecimiento para estudiar la influencia del sistema de envejecimiento en el agrietamiento por remachado, a fin de confirmar finalmente el sistema óptimo. Se utilizó un microscopio de alta potencia para observar la microestructura del material a diferentes temperaturas de extrusión, una máquina de ensayos universal electrónica controlada por microordenador serie MTS-SANS CMT5000 para evaluar las propiedades mecánicas, y un microscopio de baja potencia para observar las uniones remachadas después del remachado en diferentes estados.
2Resultados experimentales y discusión
2.1 Efecto de la temperatura de extrusión y el estado de envejecimiento en el agrietamiento por remachado
Se tomaron muestras a lo largo de la sección transversal del perfil extruido. Después del desbaste grueso, el desbaste fino y el pulido con papel de lija, la muestra se corroyó con NaOH al 10 % durante 8 minutos y el producto de corrosión negro se limpió con ácido nítrico. La capa de grano grueso de la muestra se observó con un microscopio de alta potencia, que se localizó en la superficie fuera de la hebilla del remache en la posición de remachado prevista, como se muestra en la Figura 1. La profundidad promedio de la capa de grano grueso de la muestra n.º 1 fue de 352 μm, la profundidad promedio de la capa de grano grueso de la muestra n.º 2 fue de 135 μm y la profundidad promedio de la capa de grano grueso de la muestra n.º 3 fue de 31 μm. La diferencia en la profundidad de la capa de grano grueso se debe principalmente a las diferentes temperaturas de extrusión. Cuanto mayor sea la temperatura de extrusión, menor será la resistencia a la deformación de la aleación 6082, menor será el almacenamiento de energía de deformación generado por la fricción entre la aleación y la matriz de extrusión (especialmente la banda de trabajo de la matriz) y menor será la fuerza impulsora de la recristalización. Por lo tanto, la capa superficial de grano grueso es menos profunda; cuanto menor sea la temperatura de extrusión, mayor será la resistencia a la deformación, mayor será el almacenamiento de energía de deformación, más fácil será la recristalización y más profunda será la capa de grano grueso. En la aleación 6082, el mecanismo de recristalización de grano grueso es la recristalización secundaria.
(a) Modelo 1
(b) Modelo 2
(c) Modelo 3
Figura 1 Espesor de la capa de grano grueso de perfiles extruidos mediante diferentes procesos
Las muestras 1 a 3 preparadas a diferentes temperaturas de extrusión se envejecieron a 180 ℃/6 h y 190 ℃/6 h, respectivamente. Las propiedades mecánicas de la muestra 2 después de los dos procesos de envejecimiento se muestran en la Tabla 2. Bajo los dos sistemas de envejecimiento, el límite elástico y la resistencia a la tracción de la muestra a 180 ℃/6 h son significativamente más altos que aquellos a 190 ℃/6 h, mientras que el alargamiento de los dos no es muy diferente, lo que indica que 190 ℃/6 h es un tratamiento de sobreenvejecimiento. Dado que las propiedades mecánicas de la aleación de aluminio de la serie 6 fluctúan mucho con el cambio del proceso de envejecimiento en el estado de subenvejecimiento, no es propicio para la estabilidad del proceso de producción del perfil y el control de la calidad del remachado. Por lo tanto, no es adecuado utilizar el estado de subenvejecimiento para producir perfiles de carrocería.
Tabla 2 Propiedades mecánicas de la muestra No. 2 bajo dos sistemas de envejecimiento
La apariencia de la pieza de prueba después del remachado se muestra en la Figura 2. Cuando la muestra n.º 1 con una capa de grano grueso más profunda se remachó en el estado de máximo envejecimiento, la superficie inferior del remache presentó una evidente cáscara de naranja y grietas visibles a simple vista, como se muestra en la Figura 2a. Debido a la orientación inconsistente dentro de los granos, el grado de deformación será desigual durante la deformación, formando una superficie irregular. Cuando los granos son gruesos, la irregularidad de la superficie se hace mayor, formando un fenómeno de cáscara de naranja visible a simple vista. Cuando la muestra n.º 3 con una capa de grano grueso más superficial preparada mediante el aumento de la temperatura de extrusión se remachó en el estado de máximo envejecimiento, la superficie inferior del remache fue relativamente lisa y el agrietamiento se suprimió hasta cierto punto, lo cual solo fue visible bajo aumento de microscopio, como se muestra en la Figura 2b. Cuando la muestra Nº 3 estaba en estado de sobreenvejecimiento, no se observó agrietamiento bajo aumento del microscopio, como se muestra en la Figura 2c.
(a) Grietas visibles a simple vista
(b) Ligeras grietas visibles al microscopio.
(c) Sin grietas
Figura 2 Diferentes grados de agrietamiento después del remachado
La superficie después del remachado se presenta principalmente en tres estados: grietas visibles a simple vista (marcadas con una "×"), grietas leves visibles con aumento microscópico (marcadas con una "△") y ausencia de grietas (marcadas con una "○"). Los resultados de la morfología del remachado de las muestras en los tres estados mencionados, bajo dos sistemas de envejecimiento, se muestran en la Tabla 3. Se puede observar que, cuando el proceso de envejecimiento es constante, el rendimiento de la muestra con mayor temperatura de extrusión y una capa de grano grueso más delgada es mejor que el de la muestra con una capa de grano grueso más profunda; cuando la capa de grano grueso es constante, el rendimiento de la muestra con sobreenvejecimiento es mejor que el de la muestra con envejecimiento máximo.
Tabla 3 Aspecto del remachado de las muestras 1 a 3 bajo dos sistemas de proceso
Se estudiaron los efectos de la morfología del grano y el estado de envejecimiento en el comportamiento de los perfiles ante el agrietamiento por compresión axial. El estado de tensión del material durante la compresión axial fue consistente con el del remache autoperforante. El estudio reveló que las grietas se originaban en los límites de grano, y el mecanismo de agrietamiento de la aleación Al-Mg-Si se explicó mediante la fórmula.
σapp es la tensión aplicada al cristal. Durante la fisuración, σapp es igual al valor real de la tensión, correspondiente a la resistencia a la tracción; σa0 es la resistencia de los precipitados durante el deslizamiento intracristalino; Φ es el coeficiente de concentración de tensiones, relacionado con el tamaño de grano d y la anchura de deslizamiento p.
En comparación con la recristalización, la estructura fibrosa del grano favorece la inhibición del agrietamiento. Esto se debe principalmente a que el tamaño de grano d se reduce significativamente gracias al refinamiento del grano, lo que reduce eficazmente el factor de concentración de tensiones Φ en el límite de grano, inhibiendo así el agrietamiento. En comparación con la estructura fibrosa, el factor de concentración de tensiones Φ de la aleación recristalizada con granos gruesos es aproximadamente diez veces mayor que el de la primera.
En comparación con el envejecimiento máximo, el sobreenvejecimiento favorece la inhibición del agrietamiento, lo cual se determina por los diferentes estados de la fase de precipitación dentro de la aleación. Durante el sobreenvejecimiento, se precipitan fases 'β (Mg₁Si₂) de 20-50 nm en la aleación 6082, con una gran cantidad de precipitados y tamaños pequeños; cuando la aleación se encuentra en sobreenvejecimiento, la cantidad de precipitados disminuye y el tamaño aumenta. Los precipitados generados durante el proceso de envejecimiento pueden inhibir eficazmente el movimiento de las dislocaciones dentro de la aleación. Su fuerza de fijación sobre las dislocaciones está relacionada con el tamaño y la fracción volumétrica de la fase de precipitado. La fórmula empírica es:
f es la fracción de volumen de la fase precipitada; r es el tamaño de la fase; σa es la energía de interfaz entre la fase y la matriz. La fórmula muestra que cuanto mayor sea el tamaño de la fase precipitada y menor la fracción de volumen, menor será su fuerza de fijación sobre las dislocaciones, más fácil será que se inicien dislocaciones en la aleación, y σa0 en la aleación disminuirá del estado de envejecimiento máximo al sobreenvejecimiento. Incluso si σa0 disminuye, cuando la aleación pasa del estado de envejecimiento máximo al sobreenvejecimiento, el valor de σapp en el momento del agrietamiento de la aleación disminuye más, lo que resulta en una disminución significativa en la tensión efectiva en el límite de grano (σapp-σa0). La tensión efectiva en el límite de grano del sobreenvejecimiento es aproximadamente 1/5 de la del envejecimiento máximo, es decir, es menos probable que se agriete en el límite de grano en el estado de sobreenvejecimiento, lo que resulta en un mejor rendimiento de remachado de la aleación.
2.2 Optimización del sistema de proceso de envejecimiento y temperatura de extrusión
Según los resultados anteriores, aumentar la temperatura de extrusión puede reducir la profundidad de la capa de grano grueso, inhibiendo así el agrietamiento del material durante el proceso de remachado. Sin embargo, dada la composición de la aleación, la estructura de la matriz de extrusión y el proceso de extrusión, una temperatura de extrusión demasiado alta puede, por un lado, agravar el grado de flexión y torsión del perfil durante el temple posterior, lo que hace que la tolerancia del tamaño del perfil no cumpla con los requisitos, y por otro, provocar que la aleación se sobrecaliente fácilmente durante el proceso de extrusión, aumentando el riesgo de desprendimiento de material. Considerando el estado del remachado, el proceso de tamaño del perfil, la ventana de producción y otros factores, la temperatura de extrusión más adecuada para esta aleación es al menos 485 °C, es decir, la muestra n.º 2. Para confirmar el sistema óptimo de envejecimiento, este se optimizó con base en la muestra n.º 2.
Las propiedades mecánicas de la muestra n.º 2 a diferentes tiempos de envejecimiento a 180 ℃, 185 ℃ y 190 ℃ se muestran en la Figura 3, que son el límite elástico, la resistencia a la tracción y elongación. Como se muestra en la Figura 3a, por debajo de 180 ℃, el tiempo de envejecimiento aumenta de 6 h a 12 h, y el límite elástico del material no disminuye significativamente. Por debajo de 185 ℃, a medida que el tiempo de envejecimiento aumenta de 4 h a 12 h, el límite elástico primero aumenta y luego disminuye, y el tiempo de envejecimiento correspondiente al valor de resistencia más alto es de 5-6 h. Por debajo de 190 ℃, a medida que aumenta el tiempo de envejecimiento, el límite elástico disminuye gradualmente. En general, a las tres temperaturas de envejecimiento, cuanto menor sea la temperatura de envejecimiento, mayor será la resistencia máxima del material. Las características de la resistencia a la tracción en la Figura 3b son consistentes con el límite elástico en la Figura 3a. La elongación a diferentes temperaturas de envejecimiento, que se muestra en la Figura 3c, oscila entre el 14 % y el 17 %, sin un patrón de cambio evidente. Este experimento evalúa la etapa de envejecimiento máximo a sobreenvejecimiento, y debido a las pequeñas diferencias experimentales, el error de prueba hace que el patrón de cambio sea poco claro.
Fig.3 Propiedades mecánicas de los materiales a diferentes temperaturas y tiempos de envejecimiento.
Después del tratamiento de envejecimiento anterior, el agrietamiento de las juntas remachadas se resume en la Tabla 4. Se puede ver en la Tabla 4 que con el aumento del tiempo, el agrietamiento de las juntas remachadas se suprime hasta cierto punto. Bajo la condición de 180 ℃, cuando el tiempo de envejecimiento excede las 10 h, la apariencia de la junta remachada está en un estado aceptable, pero inestable. Bajo la condición de 185 ℃, después de envejecer durante 7 h, la apariencia de la junta remachada no tiene grietas y el estado es relativamente estable. Bajo la condición de 190 ℃, la apariencia de la junta remachada no tiene grietas y el estado es estable. A partir de los resultados de la prueba de remachado, se puede ver que el rendimiento del remachado es mejor y más estable cuando la aleación está en un estado de sobreenvejecimiento. Combinado con el uso del perfil de la carrocería, el remachado a 180 ℃/10~12 h no favorece la estabilidad de la calidad del proceso de producción controlado por el OEM. Para garantizar la estabilidad de la unión remachada, el tiempo de envejecimiento debe extenderse aún más, pero la verificación del tiempo de envejecimiento reducirá la eficiencia de la producción del perfil y aumentará los costos. Bajo la condición de 190 ℃, todas las muestras pueden cumplir con los requisitos de agrietamiento por remachado, pero la resistencia del material se reduce significativamente. De acuerdo con los requisitos de diseño del vehículo, se debe garantizar que el límite elástico de la aleación 6082 sea superior a 270 MPa. Por lo tanto, la temperatura de envejecimiento de 190 ℃ no cumple con los requisitos de resistencia del material. Al mismo tiempo, si la resistencia del material es demasiado baja, el espesor residual de la placa inferior de la unión remachada será demasiado pequeño. Después del envejecimiento a 190 ℃/8 h, las características de la sección transversal remachada muestran que el espesor residual es de 0,26 mm, que no cumple con el requisito de índice de ≥0,3 mm, como se muestra en la Figura 4a. Considerando integralmente, la temperatura óptima de envejecimiento es 185 ℃. Después del envejecimiento durante 7 h, el material puede cumplir de manera estable con los requisitos de remachado, y la resistencia cumple con los requisitos de rendimiento. Considerando la estabilidad de la producción del proceso de remachado en el taller de soldadura, se propone que el tiempo óptimo de envejecimiento se determine como 8 h. Las características de la sección transversal bajo este sistema de proceso se muestran en la Figura 4b, que cumple con los requisitos de índice de enclavamiento. Los enclavamientos izquierdo y derecho son de 0,90 mm y 0,75 mm, que cumplen con los requisitos de índice de ≥0,4 mm, y el espesor residual inferior es de 0,38 mm.
Tabla 4 Agrietamiento de la muestra n.º 2 a diferentes temperaturas y diferentes tiempos de envejecimiento
Fig.4 Características transversales de las uniones remachadas de las placas inferiores 6082 en diferentes estados de envejecimiento
3 Conclusión
Cuanto mayor sea la temperatura de extrusión de los perfiles de aleación de aluminio 6082, menor será la capa superficial de grano grueso tras la extrusión. Este menor espesor de la capa de grano grueso puede reducir eficazmente el factor de concentración de tensiones en el límite de grano, inhibiendo así el agrietamiento por remachado. Estudios experimentales han determinado que la temperatura óptima de extrusión no es inferior a 485 °C.
Cuando el espesor de la capa de grano grueso del perfil de aleación de aluminio 6082 es el mismo, la tensión efectiva del límite de grano de la aleación en estado de sobreenvejecimiento es menor que en el estado de máximo envejecimiento, el riesgo de agrietamiento durante el remachado es menor y el rendimiento de la aleación es mejor. Considerando tres factores: estabilidad del remachado, valor de enclavamiento de la unión remachada, eficiencia de producción del tratamiento térmico y beneficios económicos, el sistema de envejecimiento óptimo para la aleación se determina a 185 °C/8 h.
Hora de publicación: 05-abr-2025
