挤压温度和时效制度对6082铝合金挤压型材自冲铆接开裂的影响

2020-10-29席忠民李晓宇

汽车工程学报 2020年5期

席忠民，李鑫，李晓宇，牛魁，徐义

（广汽新能源汽车有限公司技术中心，广州 511434）

由于世界各国对节能减排的重视，发展纯电动新能源汽车已经成为一种趋势。新能源车的续驶里程，除了与电池性能有关外，车身的质量也是一个至关重要的影响因素。推动发展汽车车身结构的轻量化和连接的高质量，在保证汽车强度和安全性能的前提下，通过尽可能降低汽车整车质量，可以提高电动汽车的综合续驶里程。在汽车轻量化方面钢铝混合车身兼顾了车身的强度和减重，成为实现车身轻量化的一个重要手段。

用传统的连接方法连接铝合金，其连接性能差、可靠性低，自冲铆接作为连接新技术，因其对轻型合金、复合材料连接具有绝对优势，在汽车行业和航空航天制造业中得到广泛应用[1]。近年来，国内学者对自冲铆接技术进行了相关研究，卢毅等[2]研究了不同热处理方式对TA1工业纯钛自冲铆接头性能的影响，发现退火和淬火热处理方式提高了TA1工业纯钛自冲铆接头的静强度。邢保英等[3]从材料流向角度观察分析接头成形机理，并以此评估接头质量，通过金相试验发现了在大塑性变形部位被细化为有一定趋向的纤维组织，促使接头的屈服应力和疲劳强度提高。

上述研究主要针对铝合金板材铆接后接头的力学性能，而在实际车身铆接生产中，铝合金挤压型材，特别是合金元素含量较高的高强铝合金，如6082铝合金，铆接接头的裂纹是制约该工艺在车身上应用的关键因素。同时，应用于车身上的挤压型材，弯曲扭拧等形位公差直接影响了型材的装配使用，也决定了后续车身的尺寸精度。为了控制型材的弯曲扭拧、保证型材的尺寸精度，除模具结构外，型材的出口温度和在线淬火速度是最重要的影响因素。出口温度越高，淬火速度越快，型材弯曲扭拧程度越大。对于车身用铝合金型材，既要保证型材尺寸精度，还需保证合金铆接不开裂。优化合金的尺寸精度和铆接开裂性能，最简便的方法是在材料成分、模具结构、挤压速度、淬火速度不变的情况下，通过优化挤压棒的加热温度和时效工艺来控制开裂。对6082铝合金而言，在其它工艺条件保持不变的前提下，挤压温度越高，粗晶层越浅[4]，但淬火后型材变形越大。

本文以相同成分的6082铝合金为研究对象，采用不同挤压温度和不同时效工艺制备了不同状态的试样，通过铆接试验，评价挤压温度和时效状态对铆接试验的影响。根据初步的结果，进一步确定了最优的时效工艺，为后续生产6082铝合金车身挤压型材提供指导。

1 试验材料及方法

如表1所示的6082铝合金熔化后，通过半连续铸造制备成圆形铸锭，然后经过均匀化热处理，铸锭加热至不同的温度，在2 200 t挤压机上挤压成型材，其中型材壁厚为2.5 mm，挤压筒温度为440±10 ℃，挤压模温度为470±10 ℃，挤压速度为2.3±0.2 mm/s，型材淬火方式采用强风冷却。按照加热温度的高低，试样编号分别为1～3号，其中1号试样加热温度最低，对应的坯料温度为470±5 ℃，2号试样对应的坯料温度为485±5 ℃，3号试样温度最高，对应的坯料温度为500±5 ℃。

表1 试验合金实测化学成分（质量分数/%）

在材料成分、模具结构、挤压速度、淬火速度等其它工艺参数不变的情况下，以上通过调整挤压加热温度得到的1～3号试样，在箱式电阻炉中进行时效处理，时效制度为180 ℃/6 h、190 ℃/6 h，保温结束后空冷，然后进行铆接试验，以评价不同挤压温度和时效状态对铆接试验的影响。铆接试验以不同挤压温度、不同时效制度的2.5 mm厚的6082合金为底层板，厚度为1.4 mm的5754-O合金为上层板进行SPR铆接试验，铆模选用M260238，铆钉采用C5.3×6.0 H0。此外，为了进一步确定最优的时效工艺，根据挤压温度和时效状态对铆接开裂的影响规律，选取最优挤压温度下的板材，然后进行不同温度、不同时效时间的处理，研究时效制度对铆接开裂的影响，从而最终确认最优的时效制度。采用高倍显微镜观察不同挤压温度下的材料微观组织，采用MTS-SANS CMT5000系列微机控制电子万能试验机进行力学性能测试，采用低倍显微镜对各种状态铆接后的铆接接头进行观察。

2 试验结果与讨论

2.1 挤压温度和时效状态对铆接开裂的影响

沿挤压型材横截面取样，试样经过砂纸粗磨、细磨、抛光后，采用10%的NaOH腐蚀8 min后，用硝酸将黑色腐蚀产物擦干净，用高倍显微镜观察试样的粗晶层，位于拟铆接部位铆扣外侧的表面，如图1所示。其中1号试样的平均粗晶层深度为352 μm，2号试样的平均粗晶层深度为135 μm，3号试样的平均粗晶层深度为31 μm。粗晶层深度的不同主要是由于挤压温度不同，挤压温度越高，6082合金变形抗力越低，合金与挤压模（特别是模具工作带）表面摩擦生成的变形储能越小，由此带来的再结晶驱动力越小，因而表层粗晶层越浅；挤压温度越低，变形抗力越大，变形储能越大，越容易发生再结晶，则粗晶层越深。对于6082合金而言，发生粗晶的再结晶机理为二次再结晶[4]。

图1 不同工艺挤压型材的粗晶层厚度

将不同挤压温度制备的1～3号试样分别在180 ℃/6 h和190 ℃/6 h时效制度下进行时效处理，其中，2号试样的两种时效工艺处理后的力学性能见表2。两种时效制度下，180 ℃/6 h的屈服强度和抗拉强度明显高于190 ℃/6 h状态的试样，而二者延伸率差别不大，说明190 ℃/6 h为过时效处理。由于6系铝合金在欠时效状态，其力学性能随着时效工艺的变化而波动较大，不利于型材生产工艺的稳定和铆接质量的控制，因此，不适宜采用欠时效状态生产车身用型材。

表2 2号试样两种时效制度下的力学性能

试片铆接后的外观如图2所示。粗晶层较深的1号试样，在峰值时效状态铆接时，铆扣底面有明显的橘皮，且出现了肉眼可见开裂，如图2a所示。晶粒内部由于取向不一致，在变形时会出现变形程度不均匀的情况，形成凹凸不平的表面，当晶粒粗大时，表面的凹凸不平程度变大，形成肉眼可见的橘皮现象。提高挤压温度制备的粗晶层较浅的3号试样，在峰值时效状态铆接时，铆扣底部表面较为光滑，且开裂得到一定程度的抑制，仅在显微镜放大的情况下可见，如图2b所示。当3号试样处于过时效状态时，在显微镜放大的情况下也未见开裂，如图2c所示。

图2 铆接后不同程度的开裂

铆接后的表面主要为3种状态，分别为肉眼可见开裂（标记“×”），显微镜放大后可见轻微裂纹（标记为“△”），以及无裂纹（标记为“○”）。上述3种状态试样在两种时效制度下的铆接形貌结果见表3，由表3可知，当时效工艺一定时，挤压温度较高、粗晶层较薄的试片铆接开裂性能优于粗晶层较深的试样；在粗晶层一定的情况下，过时效状态的铆接开裂性能优于峰值时效状态。

表3 1～3号试样在两种工艺制度下的铆接外观

YOSHIHARA等[5]对比研究了晶粒形态和时效状态对型材轴向压缩破裂行为的影响，轴向压缩时材料的应力状态与自冲铆接一致。研究发现，裂纹起源于晶界，并用式（1）阐明了Al-Mg-Si合金的开裂机理。

式中：σapp为施加到晶体上的应力，开裂时σapp等于抗拉强度对应的真实应力值；σa0为晶内滑移过程中析出物的阻力；Φ为应力集中系数，与晶粒尺寸d和滑移宽度p相关。

相对于再结晶，纤维状晶粒组织更有利于抑制开裂，主要原因是因为晶粒细化，晶粒尺寸d明显降低，可以有效减小晶界的应力集中系数Φ，从而抑制开裂。相对于纤维状组织，晶粒粗大的再结晶合金，应力集中系数Φ约为前者的10倍[5]。

相对于峰值时效，过时效状态更有利于抑制开裂，是由合金内部析出相状态的不同所决定的。峰值时效时，6082合金内析出为20～50 nm的′β（Mg5Si6）相，析出相数量多、尺寸细小；当合金处于过时效时，合金内析出相的数量减少且尺寸变大[6]。时效过程中生成的析出相，能有效抑制合金内部位错的移动，其对位错的钉扎力与沉淀相大小和体积分数相关，其经验公式为为对位错的钉扎力（Zener force）；f为沉淀相的体积分数；r为相的大小；σa为相与基体的界面能[7]。公式表明，沉淀相尺寸越大、体积分数越小，其对位错的钉扎力越小，合金内位错开动越容易，合金从峰时效到过时效状态合金内的σa0会降低。即使σa0发生了降低，但当合金从峰时效到过时效状态时，合金开裂时的σapp值下降幅度更大，导致晶界有效应力（σapp-σa0）大幅下降，过时效的晶界有效应力约为峰值时效时的1/5[5]，即过时效状态下更不易于发生晶界开裂，从而合金铆接性能更好。

2.2 挤压温度及时效工艺制度的优化

根据上述结果可知，提高挤压温度，可以降低粗晶层深度，从而抑制铆接过程中材料开裂，但在合金成分、挤压模具结构和挤压工艺一定的前提下，挤压温度过高，一方面会导致型材在后续淬火过程中发生弯曲扭拧的程度加剧，使型材尺寸公差不满足要求，另一方面会导致合金在挤压过程中易发生过烧，增加了材料报废的风险，使挤压工艺参数窗口变窄，不利于工业化生产。综合考虑铆接状态和型材尺寸工艺、生产工艺窗口等多方面因素，本合金比较适宜的挤压温度为不低于485 ℃，即2号试样。为了确认最优的时效工艺制度，以2号试样为基础，进行时效工艺的优化。

2号试片在180 ℃、185 ℃以及190 ℃下不同时效时间的力学性能如图3所示，分别为屈服强度、抗拉强度和延伸率。由图3a可知，在180 ℃条件下，时效时间从6 h增加至12 h，材料屈服强度未见明显降低；在185℃条件下，随着时效时间从4 h增加至12 h，屈服强度先升高后降低，强度最高值对应的时效时间为5～6 h；在190 ℃条件下，随着时效时间的增加，屈服强度逐渐降低。从整体上来看，3种时效温度下，时效温度越低，材料的峰值强度越高。图3b抗拉强度表现出的特点与图3a屈服强度一致。图3c所示的不同时效温度下的延伸率均在14%～17%之间，无明显变化规律，与廖儒福[6]观察到的现象不一致，这是由于廖儒福[6]测试的为欠时效至峰值时效状态，而本试验测试的为峰值时效至过时效阶段，且由于试验差异较小，测试误差导致变化规律不明显。

图3 不同时效温度和时效时间下的材料力学性能

经过上述时效处理后，铆接的开裂情况汇总见表4。由表4可知，随着时间的增加，铆接开裂得到一定程度的抑制。在180 ℃条件下，当时效时间超过10 h后，铆接外观处于可接受状态，但不稳定；在185 ℃条件下，在时效7 h后，铆接外观无裂纹，且状态比较稳定；在190 ℃条件下，铆接外观无裂纹且状态稳定。从铆接试验结果可以看出，合金处于过时效状态时铆接性能更好且较为稳定，结合车身型材的使用情况，在180 ℃/10～12 h条件下进行铆接，不利于主机厂控制生产过程的质量稳定性，为了保证铆接稳定，需要继续延长时效时间，但验证时效时间会导致型材生产效率降低和成本增加。在190 ℃条件下，试样均能满足铆接开裂的需要，但材料的强度明显降低，根据整车设计的要求，需保证6082合金的屈服强度大于270 MPa，因此，在190 ℃的时效温度不满足材料强度要求。同时，材料强度过低，会出现铆接接头底板残余厚度过小，190 ℃/8 h时效后，铆接截面特征显示，残余厚度为0.26 mm，不满足≥0.3 mm的指标要求，如图4a所示。综合考虑，最优的时效温度为185 ℃，当时效7 h后，材料能稳定地满足铆接要求，且强度满足性能要求。考虑到焊装车间铆接工艺的生产稳定性，最优的时效时间拟确定为8 h，该工艺制度下的截面特征如图4b所示，满足互锁指标要求，左右互锁为0.90 mm、0.75 mm，满足≥0.4 mm的指标要求，且底层残余厚度为0.38 mm。