由于世界各國對節(jié)能減排的重視，發(fā)展純電動新能源汽車已經(jīng)成為一種趨勢。新能源車的續(xù)駛里程，除了與電池性能有關外，車身的質(zhì)量也是一個至關重要的影響因素。推動發(fā)展汽車車身結(jié)構(gòu)的輕量化和連接的高質(zhì)量，在保證汽車強度和安全性能的前提下，通過盡可能降低汽車整車質(zhì)量，可以提高電動汽車的綜合續(xù)駛里程。在汽車輕量化方面鋼鋁混合車身兼顧了車身的強度和減重，成為實現(xiàn)車身輕量化的一個重要手段。
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，因其對輕型合金、復合材料連接具有優(yōu)勢，在汽車行業(yè)和航空航天制造業(yè)中得到廣泛應用[1]。近年來，國內(nèi)學者對自沖鉚接技術進行了相關研究，盧毅等[2]研究了不同熱處理方式對TA1工業(yè)純鈦自沖鉚接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)退火和淬火熱處理方式提高了TA1工業(yè)純鈦自沖鉚接頭的靜強度。邢保英等[3]從材料流向角度觀察分析接頭成形機理，并以此評估接頭質(zhì)量，通過金相試驗發(fā)現(xiàn)了在大塑性變形部位被細化為有一定趨向的纖維組織，促使接頭的屈服應力和疲勞強度提高。
上述研究主要針對鋁合金板材鉚接后接頭的力學性能，而在實際車身鉚接生產(chǎn)中，鋁合金擠壓型材，特別是合金元素含量較高的高強鋁合金，如6082鋁合金，鉚接接頭的裂紋是制約該工藝在車身上應用的關鍵因素。同時，應用于車身上的擠壓型材，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很重要的影響因素。出口溫度越高，淬火速度越快，型材彎曲扭擰程度越大。對于車身用鋁合金型材，既要保證型材尺寸精度，還需保證合金鉚接不開裂。優(yōu)化合金的尺寸精度和鉚接開裂性能，最簡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，通過優(yōu)化擠壓棒的加熱溫度和時效工藝來控制開裂。對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鋁合金為研究對象，采用不同擠壓溫度和不同時效工藝制備了不同狀態(tài)的試樣，通過鉚接試驗，評價擠壓溫度和時效狀態(tài)對鉚接試驗的影響。根據(jù)初步的結(jié)果，進一步確定了時效工藝，為后續(xù)生產(chǎn)6082鋁合金車身擠壓型材提供指導。
1試驗材料及方法
如表1所示的6082鋁合金熔化后，通過半連續(xù)鑄造制備成圓形鑄錠，然后經(jīng)過均勻化熱處理，鑄錠加熱至不同的溫度，在2 200 t擠壓機上擠壓成型材，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風冷卻。按照加熱溫度的高低，試樣編號分別為1～3號，其中1號試樣加熱溫度低，對應的坯料溫度為470±5 ℃，2號試樣對應的坯料溫度為485±5 ℃，3號試樣溫度高，對應的坯料溫度為500±5 ℃。
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，以上通過調(diào)整擠壓加熱溫度得到的1～3號試樣，在箱式電阻爐中進行時效處理，時效制度為180 ℃/6 h、190 ℃/6 h，保溫結(jié)束后空冷，然后進行鉚接試驗，以評價不同擠壓溫度和時效狀態(tài)對鉚接試驗的影響。鉚接試驗以不同擠壓溫度、不同時效制度的2.5 mm厚的6082合金為底層板，厚度為1.4 mm的5754-O合金為上層板進行SPR鉚接試驗，鉚模選用M260238，鉚釘采用C5.3×6.0 H0。此外，為了進一步確定的時效工藝，根據(jù)擠壓溫度和時效狀態(tài)對鉚接開裂的影響規(guī)律，選取擠壓溫度下的板材，然后進行不同溫度、不同時效時間的處理，研究時效制度對鉚接開裂的影響，從而確認時效制度。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系列微機控制電子萬用試驗機進行力學性能測試，采用低倍顯微鏡對各種狀態(tài)鉚接后的鉚接接頭進行觀察。
2試驗結(jié)果與討論
2.1 擠壓溫度和時效狀態(tài)對鉚接開裂的影響
沿擠壓型材橫截面取樣，試樣經(jīng)過砂紙粗磨、細磨、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號試樣的平均粗晶層深度為352 μm，2號試樣的平均粗晶層深度為135 μm，3號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能越小，由此帶來的再結(jié)晶驅(qū)動力越小，因而表層粗晶層越淺；擠壓溫度越低，變形抗力越大，變形儲能越大，越容易發(fā)生再結(jié)晶，則粗晶層越深。對于6082合金而言，發(fā)生粗晶的再結(jié)晶機理為二次再結(jié)晶[4]。
將不同擠壓溫度制備的1～3號試樣分別在180 ℃/6 h和190 ℃/6 h時效制度下進行時效處理，其中，2號試樣的兩種時效工藝處理后的力學性能見表2。兩種時效制度下，180 ℃/6 h的屈服強度和抗拉強度明顯高于190 ℃/6 h狀態(tài)的試樣，而二者延伸率差別不大，說明190 ℃/6 h為過時效處理。由于6系鋁合金在欠時效狀態(tài)，其力學性能隨著時效工藝的變化而波動較大，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，不適宜采用欠時效狀態(tài)生產(chǎn)車身用型材。
試片鉚接后的外觀如圖2所示。粗晶層較深的1號試樣，在峰值時效狀態(tài)鉚接時，鉚扣底面有明顯的橘皮，且出現(xiàn)了肉眼可見開裂，如圖2a所示。晶粒內(nèi)部由于取向不一致，在變形時會出現(xiàn)變形程度不均勻的情況，形成凹凸不平的表面，當晶粒粗大時，表面的凹凸不平程度變大，形成肉眼可見的橘皮現(xiàn)象。提高擠壓溫度制備的粗晶層較淺的3號試樣，在峰值時效狀態(tài)鉚接時，鉚扣底部表面較為光滑，且開裂得到一定程度的，僅在顯微鏡放大的情況下可見，如圖2b所示。當3號試樣處于過時效狀態(tài)時，在顯微鏡放大的情況下也未見開裂，如圖2c所示。
鉚接后的表面主要為3種狀態(tài)，分別為肉眼可見開裂（標記“×”），顯微鏡放大后可見輕微裂紋（標記為“△”），以及無裂紋（標記為“○”）。上述3種狀態(tài)試樣在兩種時效制度下的鉚接形貌結(jié)果見表3，由表3可知，當時效工藝一定時，擠壓溫度較高、粗晶層較薄的試片鉚接開裂性能優(yōu)于粗晶層較深的試樣；在粗晶層一定的情況下，過時效狀態(tài)的鉚接開裂性能優(yōu)于峰值時效狀態(tài)。
YOSHIHARA等[5]對比研究了晶粒形態(tài)和時效狀態(tài)對型材軸向壓縮破裂行為的影響，軸向壓縮時材料的應力狀態(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合金的開裂機理。
式中：σapp為施加到晶體上的應力，開裂時σapp等于抗拉強度對應的真實應力值；σa0為晶內(nèi)滑移過程中析出物的阻力；Φ為應力集中系數(shù)，與晶粒尺寸d和滑移寬度p相關。
相對于再結(jié)晶，纖維狀晶粒組織更有利于開裂，主要原因是因為晶粒細化，晶粒尺寸d明顯降低，可以有效減小晶界的應力集中系數(shù)Φ，從而開裂。相對于纖維狀組織，晶粒粗大的再結(jié)晶合金，應力集中系數(shù)Φ約為前者的10倍[5]。
相對于峰值時效，過時效狀態(tài)更有利于開裂，是由合金內(nèi)部析出相狀態(tài)的不同所決定的。峰值時效時，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??；當合金處于過時效時，合金內(nèi)析出相的數(shù)量減少且尺寸變大[6]。時效過程中生成的析出相，能有效合金內(nèi)部位錯的移動，其對位錯的釘扎力與沉淀相大小和體積分數(shù)相關，其經(jīng)驗公式為
為對位錯的釘扎力（Zener force）；f 為沉淀相的體積分數(shù)；r為相的大??；σa為相與基體的界面能[7]。公式表明，沉淀相尺寸越大、體積分數(shù)越小，其對位錯的釘扎力越小，合金內(nèi)位錯開動越容易，合金從峰時效到過時效狀態(tài)合金內(nèi)的σa0會降低。即使σa0發(fā)生了降低，但當合金從峰時效到過時效狀態(tài)時，合金開裂時的σapp值下降幅度更大，導致晶界有效應力（σapp-σa0）大幅下降，過時效的晶界有效應力約為峰值時效時的1/5[5]，即過時效狀態(tài)下更不易于發(fā)生晶界開裂，從而合金鉚接性能更好。
2.2 擠壓溫度及時效工藝制度的優(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，從而鉚接過程中材料開裂，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，擠壓溫度過高，一方面會導致型材在后續(xù)淬火過程中發(fā)生彎曲扭擰的程度加劇，使型材尺寸公差不滿足要求，另一方面會導致合金在擠壓過程中易發(fā)生過燒，增加了材料報廢的風險，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號試樣。為了確認優(yōu)的時效工藝制度，以2號試樣為基礎，進行時效工藝的優(yōu)化。
2號試片在180 ℃、185 ℃以及190 ℃下不同時效時間的力學性能如圖3所示，分別為屈服強度、抗拉強度和延伸率。由圖3a可知，在180 ℃條件下，時效時間從6 h增加至12 h，材料屈服強度未見明顯降低；在185℃條件下，隨著時效時間從4 h增加至12 h，屈服強度先升高后降低，強度高值對應的時效時間為5～6 h；在190 ℃條件下，隨著時效時間的增加，屈服強度逐漸降低。從整體上來看，3種時效溫度下，時效溫度越低，材料的峰值強度越高。圖3b抗拉強度表現(xiàn)出的特點與圖3a屈服強度一致。圖3c所示的不同時效溫度下的延伸率均在14%～17%之間，無明顯變化規(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]測試的為欠時效至峰值時效狀態(tài)，而本試驗測試的為峰值時效至過時效階段，且由于試驗差異較小，測試誤差導致變化規(guī)律不明顯。
經(jīng)過上述時效處理后，鉚接的開裂情況匯總見表4。由表4可知，隨著時間的增加，鉚接開裂得到一定程度的。在180 ℃條件下，當時效時間超過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，在時效7 h后，鉚接外觀無裂紋，且狀態(tài)比較穩(wěn)定；在190 ℃條件下，鉚接外觀無裂紋且狀態(tài)穩(wěn)定。從鉚接試驗結(jié)果可以看出，合金處于過時效狀態(tài)時鉚接性能更好且較為穩(wěn)定，結(jié)合車身型材的使用情況，在180 ℃/10～12 h條件下進行鉚接，不利于主機廠控制生產(chǎn)過程的質(zhì)量穩(wěn)定性，為了保證鉚接穩(wěn)定，需要繼續(xù)延長時效時間，但驗證時效時間會導致型材生產(chǎn)效率降低和成本增加。在190 ℃條件下，試樣均能滿足鉚接開裂的需要，但材料的強度明顯降低，根據(jù)整車設計的要求，需保證6082合金的屈服強度大于270 MPa，因此，在190 ℃的時效溫度不滿足材料強度要求。同時，材料強度過低，會出現(xiàn)鉚接接頭底板殘余厚度過小，190 ℃/8 h時效后，鉚接截面特征顯示，殘余厚度為0.26 mm，不滿足≥0.3 mm的指標要求，如圖4a所示。綜合考慮，優(yōu)的時效溫度為185 ℃，當時效7 h后，材料能穩(wěn)定地滿足鉚接要求，且強度滿足性能要求?？紤]到焊裝車間鉚接工藝的生產(chǎn)穩(wěn)定性，優(yōu)的時效時間擬確定為8 h，該工藝制度下的截面特征如圖4b所示，滿足互鎖指標要求，左右互鎖為0.90 mm、0.75 mm，滿足≥0.4 mm的指標要求，且底層殘余厚度為0.38 mm。
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力集中系數(shù)，從而鉚接開裂。試驗研究確定較優(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，合金的晶界有效應力在過時效狀態(tài)時小于峰值時效狀態(tài)，鉚接過程中開裂風險更小，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)濟效益三方面因素，確定該合金較優(yōu)的時效制度為185℃/8 h
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