Seiring dengan semakin pentingnya konservasi energi dan pengurangan emisi di berbagai negara di dunia, pengembangan kendaraan energi baru listrik murni telah menjadi tren. Selain performa baterai, kualitas bodi juga menjadi faktor krusial yang memengaruhi jarak tempuh kendaraan energi baru. Mendorong pengembangan struktur bodi mobil yang ringan dan koneksi berkualitas tinggi dapat meningkatkan jarak tempuh komprehensif kendaraan listrik dengan mengurangi bobot keseluruhan kendaraan semaksimal mungkin sekaligus memastikan kekuatan dan performa keselamatan kendaraan. Dalam hal peringanan mobil, bodi hibrida baja-aluminium mempertimbangkan kekuatan dan pengurangan bobot bodi, sehingga menjadi cara penting untuk mencapai peringanan bodi.
Metode penyambungan tradisional untuk paduan aluminium memiliki kinerja penyambungan yang buruk dan keandalan yang rendah. Paku keling tusuk sendiri, sebagai teknologi penyambungan baru, telah banyak digunakan dalam industri otomotif dan manufaktur kedirgantaraan karena keunggulan absolutnya dalam menyambung paduan ringan dan material komposit. Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti domestik Tiongkok telah melakukan penelitian terkait teknologi paku keling tusuk sendiri dan mempelajari pengaruh berbagai metode perlakuan panas terhadap kinerja sambungan paku keling tusuk sendiri titanium murni industri TA1. Ditemukan bahwa metode perlakuan panas anil dan pendinginan meningkatkan kekuatan statis sambungan paku keling tusuk sendiri titanium murni industri TA1. Mekanisme pembentukan sambungan diamati dan dianalisis dari perspektif aliran material, dan kualitas sambungan dievaluasi berdasarkan hal ini. Melalui uji metalografi, ditemukan bahwa area deformasi plastis yang besar disempurnakan menjadi struktur serat dengan kecenderungan tertentu, yang mendorong peningkatan tegangan luluh dan kekuatan lelah sambungan.
Penelitian di atas terutama berfokus pada sifat mekanik sambungan setelah pemakuan pelat paduan aluminium. Dalam proses pemakuan bodi mobil, retakan pada sambungan paku keling profil ekstrusi paduan aluminium, terutama paduan aluminium berkekuatan tinggi dengan kandungan elemen paduan tinggi, seperti paduan aluminium 6082, merupakan faktor kunci yang membatasi penerapan proses ini pada bodi mobil. Di saat yang sama, toleransi bentuk dan posisi profil ekstrusi yang digunakan pada bodi mobil, seperti tekukan dan puntiran, secara langsung memengaruhi perakitan dan penggunaan profil, serta menentukan akurasi dimensi bodi mobil selanjutnya. Untuk mengontrol tekukan dan puntiran profil serta memastikan akurasi dimensi profil, selain struktur cetakan, suhu keluaran profil dan kecepatan pendinginan daring merupakan faktor penentu yang paling penting. Semakin tinggi suhu keluaran dan semakin cepat kecepatan pendinginan, semakin besar derajat tekukan dan puntiran profil. Untuk profil paduan aluminium bodi mobil, akurasi dimensi profil perlu dipastikan dan paku keling paduan tidak retak. Cara paling sederhana untuk mengoptimalkan akurasi dimensi dan kinerja retak paku keling paduan adalah dengan mengendalikan retak dengan mengoptimalkan suhu pemanasan dan proses penuaan batang ekstrusi, dengan tetap menjaga komposisi material, struktur cetakan, kecepatan ekstrusi, dan kecepatan pendinginan. Untuk paduan aluminium 6082, dengan asumsi kondisi proses lainnya tetap sama, semakin tinggi suhu ekstrusi, semakin dangkal lapisan berbutir kasar, tetapi semakin besar deformasi profil setelah pendinginan.
Makalah ini menggunakan paduan aluminium 6082 dengan komposisi yang sama dengan objek penelitian, menggunakan suhu ekstrusi dan proses penuaan yang berbeda untuk menyiapkan sampel dalam berbagai kondisi, dan mengevaluasi pengaruh suhu ekstrusi dan kondisi penuaan terhadap uji keling melalui uji keling. Berdasarkan hasil awal, proses penuaan optimal selanjutnya ditentukan untuk memberikan panduan bagi produksi profil ekstrusi bodi paduan aluminium 6082 selanjutnya.
1 Bahan dan metode percobaan
Sebagaimana ditunjukkan pada Tabel 1, paduan aluminium 6082 dilebur dan dibentuk menjadi ingot bulat dengan pengecoran semi-kontinyu. Kemudian, setelah perlakuan panas homogenisasi, ingot dipanaskan pada berbagai suhu dan diekstrusi menjadi profil menggunakan ekstruder 2200 ton. Ketebalan dinding profil adalah 2,5 mm, suhu laras ekstrusi adalah 440±10℃, suhu cetakan ekstrusi adalah 470±10℃, kecepatan ekstrusi adalah 2,3±0,2 mm/s, dan metode pendinginan profil adalah pendinginan angin kencang. Menurut suhu pemanasan, sampel diberi nomor 1 hingga 3, di antaranya sampel 1 memiliki suhu pemanasan terendah, dan suhu billet yang sesuai adalah 470±5 ℃, suhu billet sampel 2 yang sesuai adalah 485±5 ℃, dan suhu sampel 3 adalah yang tertinggi, dan suhu billet yang sesuai adalah 500±5 ℃.
Tabel 1 Komposisi kimia terukur dari paduan uji (fraksi massa/%)
Dengan syarat parameter proses lainnya seperti komposisi material, struktur die, kecepatan ekstrusi, dan kecepatan pendinginan tetap tidak berubah, sampel No. 1 hingga 3 di atas yang diperoleh dengan menyesuaikan suhu pemanasan ekstrusi dimatangkan dalam tungku resistansi tipe kotak, dengan sistem penuaan 180℃/6 jam dan 190℃/6 jam. Setelah isolasi, sampel didinginkan dengan udara, kemudian dipaku keling untuk mengevaluasi pengaruh suhu ekstrusi dan kondisi penuaan yang berbeda terhadap uji keling. Uji keling menggunakan paduan 6082 setebal 2,5 mm dengan suhu ekstrusi dan sistem penuaan yang berbeda sebagai pelat bawah, dan paduan 5754-O setebal 1,4 mm sebagai pelat atas untuk uji keling SPR. Die keling adalah M260238, dan paku kelingnya adalah C5.3×6.0 H0. Selain itu, untuk menentukan lebih lanjut proses penuaan optimal, berdasarkan pengaruh suhu ekstrusi dan kondisi penuaan terhadap retak akibat paku keling, pelat dipilih pada suhu ekstrusi optimal, kemudian diolah dengan suhu dan waktu penuaan yang berbeda untuk mempelajari pengaruh sistem penuaan terhadap retak akibat paku keling, sehingga akhirnya dapat memastikan sistem penuaan optimal. Mikroskop berdaya tinggi digunakan untuk mengamati struktur mikro material pada berbagai suhu ekstrusi, mesin uji universal elektronik yang dikendalikan komputer mikro seri MTS-SANS CMT5000 digunakan untuk menguji sifat mekanis, dan mikroskop berdaya rendah digunakan untuk mengamati sambungan paku keling setelah paku keling dalam berbagai kondisi.
2Hasil Percobaan dan Pembahasan
2.1 Pengaruh suhu ekstrusi dan kondisi penuaan terhadap retak paku keling
Pengambilan sampel dilakukan sepanjang penampang profil yang diekstrusi. Setelah penggilingan kasar, penggilingan halus dan pemolesan dengan amplas, sampel dikorosi dengan 10% NaOH selama 8 menit, dan produk korosi hitam dibersihkan dengan asam nitrat. Lapisan butiran kasar sampel diamati dengan mikroskop daya tinggi, yang terletak di permukaan luar gesper keling pada posisi memukau yang dimaksud, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Kedalaman lapisan butiran kasar rata-rata sampel No. 1 adalah 352 μm, kedalaman lapisan butiran kasar rata-rata sampel No. 2 adalah 135 μm, dan kedalaman lapisan butiran kasar rata-rata sampel No. 3 adalah 31 μm. Perbedaan kedalaman lapisan butiran kasar terutama disebabkan oleh suhu ekstrusi yang berbeda. Semakin tinggi suhu ekstrusi, semakin rendah ketahanan deformasi paduan 6082, semakin kecil penyimpanan energi deformasi yang dihasilkan oleh gesekan antara paduan dan cetakan ekstrusi (terutama sabuk kerja cetakan), dan semakin kecil gaya dorong rekristalisasi. Oleh karena itu, lapisan butiran kasar permukaan lebih dangkal; semakin rendah suhu ekstrusi, semakin besar ketahanan deformasi, semakin besar penyimpanan energi deformasi, semakin mudah rekristalisasi, dan semakin dalam lapisan butiran kasar. Untuk paduan 6082, mekanisme rekristalisasi butiran kasar adalah rekristalisasi sekunder.
(a) Model 1
(b) Model 2
(c) Model 3
Gambar 1 Ketebalan lapisan butiran kasar profil ekstrusi dengan proses yang berbeda
Sampel 1 hingga 3 yang disiapkan pada suhu ekstrusi yang berbeda dimatangkan masing-masing pada 180 ℃/6 jam dan 190 ℃/6 jam. Sifat mekanis sampel 2 setelah dua proses penuaan ditunjukkan pada Tabel 2. Pada kedua sistem penuaan tersebut, kekuatan luluh dan kekuatan tarik sampel pada 180 ℃/6 jam secara signifikan lebih tinggi daripada pada 190 ℃/6 jam, sementara perpanjangan keduanya tidak jauh berbeda, menunjukkan bahwa 190 ℃/6 jam merupakan perlakuan penuaan berlebih. Karena sifat mekanis paduan aluminium seri 6 berfluktuasi secara signifikan seiring dengan perubahan proses penuaan pada kondisi under-aging, hal ini tidak kondusif bagi stabilitas proses produksi profil dan pengendalian kualitas paku keling. Oleh karena itu, kondisi under-aging tidak cocok digunakan untuk memproduksi profil bodi.
Tabel 2 Sifat mekanik sampel No. 2 pada dua sistem penuaan
Penampakan benda uji setelah dipaku keling ditunjukkan pada Gambar 2. Ketika sampel No. 1 dengan lapisan butiran kasar yang lebih dalam dipaku keling dalam kondisi penuaan puncak, permukaan bawah paku keling memiliki kulit jeruk dan retakan yang terlihat dengan mata telanjang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Karena orientasi yang tidak konsisten di dalam butiran, derajat deformasi akan tidak merata selama deformasi, membentuk permukaan yang tidak rata. Ketika butiran kasar, ketidakrataan permukaan menjadi lebih besar, membentuk fenomena kulit jeruk yang terlihat dengan mata telanjang. Ketika sampel No. 3 dengan lapisan butiran kasar yang lebih dangkal yang disiapkan dengan meningkatkan suhu ekstrusi dipaku keling dalam kondisi penuaan puncak, permukaan bawah paku keling relatif halus, dan retak ditekan sampai batas tertentu, yang hanya terlihat di bawah pembesaran mikroskop, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Ketika sampel No. 3 berada dalam kondisi penuaan berlebih, tidak ada retak yang diamati di bawah pembesaran mikroskop, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2c.
(a) Retakan yang terlihat dengan mata telanjang
(b) Retakan kecil terlihat di bawah mikroskop
(c) Tidak ada retakan
Gambar 2 Tingkat keretakan yang berbeda setelah dipaku keling
Permukaan setelah dipaku keling terutama berada dalam tiga kondisi, yaitu retakan yang terlihat dengan mata telanjang (ditandai "×"), retakan kecil yang terlihat di bawah mikroskop (ditandai "△"), dan tanpa retakan (ditandai "○"). Hasil morfologi paku keling dari ketiga sampel kondisi di atas pada dua sistem penuaan ditunjukkan pada Tabel 3. Dapat dilihat bahwa ketika proses penuaan konstan, kinerja retak paku keling spesimen dengan suhu ekstrusi yang lebih tinggi dan lapisan butiran kasar yang lebih tipis lebih baik daripada spesimen dengan lapisan butiran kasar yang lebih dalam; ketika lapisan butiran kasar konstan, kinerja retak paku keling pada kondisi penuaan berlebih lebih baik daripada kondisi penuaan puncak.
Tabel 3 Penampilan memukau sampel 1 hingga 3 di bawah dua sistem proses
Pengaruh morfologi butir dan kondisi penuaan terhadap perilaku retak tekan aksial profil telah dipelajari. Kondisi tegangan material selama tekan aksial konsisten dengan kondisi tegangan pada paku keling penusuk sendiri. Studi ini menemukan bahwa retakan berasal dari batas butir, dan mekanisme retak paduan Al-Mg-Si dijelaskan oleh rumus tersebut.
σapp adalah tegangan yang diberikan pada kristal. Saat retak, σapp sama dengan nilai tegangan sebenarnya yang berkaitan dengan kekuatan tarik; σa0 adalah resistansi presipitat selama pergeseran intrakristalin; Φ adalah koefisien konsentrasi tegangan, yang berkaitan dengan ukuran butir d dan lebar slip p.
Dibandingkan dengan rekristalisasi, struktur butiran berserat lebih kondusif untuk menghambat retak. Alasan utamanya adalah ukuran butiran d berkurang secara signifikan akibat penghalusan butiran, yang secara efektif dapat mengurangi faktor konsentrasi tegangan Φ pada batas butiran, sehingga menghambat retak. Dibandingkan dengan struktur berserat, faktor konsentrasi tegangan Φ paduan rekristalisasi dengan butiran kasar sekitar 10 kali lipat dari yang sebelumnya.
Dibandingkan dengan penuaan puncak, kondisi penuaan berlebih lebih kondusif terhadap penghambatan retak, yang ditentukan oleh perbedaan fase presipitasi di dalam paduan. Selama penuaan puncak, fase 'β (Mg5Si6) berukuran 20-50 nm diendapkan dalam paduan 6082, dengan jumlah presipitasi yang besar dan ukuran yang kecil; ketika paduan berada dalam kondisi penuaan berlebih, jumlah presipitasi dalam paduan berkurang dan ukurannya menjadi lebih besar. Presipitasi yang dihasilkan selama proses penuaan dapat secara efektif menghambat pergerakan dislokasi di dalam paduan. Gaya penjepitnya pada dislokasi berkaitan dengan ukuran dan fraksi volume fase presipitasi. Rumus empirisnya adalah:
f adalah fraksi volume fase presipitat; r adalah ukuran fase; σa adalah energi antarmuka antara fase dan matriks. Rumus menunjukkan bahwa semakin besar ukuran fase presipitat dan semakin kecil fraksi volumenya, semakin kecil gaya penjepitnya pada dislokasi, semakin mudah dislokasi pada paduan terjadi, dan σa0 pada paduan akan menurun dari kondisi penuaan puncak ke kondisi penuaan berlebih. Bahkan jika σa0 menurun, ketika paduan beralih dari kondisi penuaan puncak ke kondisi penuaan berlebih, nilai σapp pada saat retak paduan semakin menurun, sehingga menghasilkan penurunan tegangan efektif yang signifikan pada batas butir (σapp-σa0). Tegangan efektif pada batas butir saat penuaan berlebih sekitar 1/5 dari tegangan pada saat penuaan puncak, artinya, kecil kemungkinannya untuk retak pada batas butir saat penuaan berlebih, sehingga menghasilkan kinerja paku keling paduan yang lebih baik.
2.2 Optimalisasi suhu ekstrusi dan sistem proses penuaan
Berdasarkan hasil di atas, peningkatan suhu ekstrusi dapat mengurangi kedalaman lapisan berbutir kasar, sehingga menghambat keretakan material selama proses pemakuan. Namun, dengan mempertimbangkan komposisi paduan, struktur cetakan ekstrusi, dan proses ekstrusi tertentu, jika suhu ekstrusi terlalu tinggi, di satu sisi, derajat tekukan dan puntiran profil akan meningkat selama proses pendinginan berikutnya, sehingga toleransi ukuran profil tidak memenuhi persyaratan, dan di sisi lain, paduan akan mudah terbakar berlebihan selama proses ekstrusi, sehingga meningkatkan risiko pengikisan material. Dengan mempertimbangkan kondisi pemakuan, proses ukuran profil, jendela proses produksi, dan faktor-faktor lainnya, suhu ekstrusi yang lebih sesuai untuk paduan ini adalah minimal 485 ℃, yaitu sampel No. 2. Untuk memastikan sistem proses penuaan yang optimal, proses penuaan dioptimalkan berdasarkan sampel No. 2.
Sifat mekanis spesimen No. 2 pada waktu penuaan yang berbeda pada 180 ℃, 185 ℃ dan 190 ℃ ditunjukkan pada Gambar 3, yaitu kekuatan luluh, kekuatan tarik dan perpanjangan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a, di bawah 180 ℃, waktu penuaan meningkat dari 6 jam menjadi 12 jam, dan kekuatan luluh material tidak berkurang secara signifikan. Di bawah 185 ℃, saat waktu penuaan meningkat dari 4 jam menjadi 12 jam, kekuatan luluh pertama meningkat dan kemudian menurun, dan waktu penuaan yang sesuai dengan nilai kekuatan tertinggi adalah 5-6 jam. Di bawah 190 ℃, saat waktu penuaan meningkat, kekuatan luluh secara bertahap menurun. Secara keseluruhan, pada tiga suhu penuaan, semakin rendah suhu penuaan, semakin tinggi kekuatan puncak material. Karakteristik kekuatan tarik pada Gambar 3b konsisten dengan kekuatan luluh pada Gambar 3a. Perpanjangan pada berbagai suhu penuaan yang ditunjukkan pada Gambar 3c berkisar antara 14% dan 17%, tanpa pola perubahan yang jelas. Eksperimen ini menguji tahap penuaan puncak hingga penuaan berlebih, dan karena perbedaan eksperimen yang kecil, kesalahan pengujian menyebabkan pola perubahan menjadi tidak jelas.
Gambar 3 Sifat mekanik material pada suhu penuaan dan waktu penuaan yang berbeda
Setelah perlakuan penuaan di atas, retak pada sambungan paku keling dirangkum dalam Tabel 4. Dapat dilihat dari Tabel 4 bahwa dengan bertambahnya waktu, retak pada sambungan paku keling ditekan sampai batas tertentu. Di bawah kondisi 180 ℃, ketika waktu penuaan melebihi 10 jam, tampilan sambungan paku keling berada dalam keadaan yang dapat diterima, tetapi tidak stabil. Di bawah kondisi 185 ℃, setelah penuaan selama 7 jam, tampilan sambungan paku keling tidak memiliki retakan dan keadaannya relatif stabil. Di bawah kondisi 190 ℃, tampilan sambungan paku keling tidak memiliki retakan dan keadaannya stabil. Dari hasil uji paku keling, dapat dilihat bahwa kinerja paku keling lebih baik dan lebih stabil ketika paduan berada dalam keadaan yang terlalu tua. Dikombinasikan dengan penggunaan profil bodi, paku keling pada 180 ℃/10~12 jam tidak kondusif bagi stabilitas kualitas proses produksi yang dikontrol oleh OEM. Untuk memastikan stabilitas sambungan paku keling, waktu penuaan perlu diperpanjang lebih lanjut, tetapi verifikasi waktu penuaan akan menyebabkan penurunan efisiensi produksi profil dan peningkatan biaya. Di bawah kondisi 190 ℃, semua sampel dapat memenuhi persyaratan retak paku keling, tetapi kekuatan material berkurang secara signifikan. Menurut persyaratan desain kendaraan, kekuatan luluh paduan 6082 harus dijamin lebih besar dari 270 MPa. Oleh karena itu, suhu penuaan 190 ℃ tidak memenuhi persyaratan kekuatan material. Pada saat yang sama, jika kekuatan material terlalu rendah, ketebalan sisa pelat bawah sambungan paku keling akan terlalu kecil. Setelah penuaan pada 190 ℃/8 jam, karakteristik penampang terpaku menunjukkan bahwa ketebalan sisa adalah 0,26 mm, yang tidak memenuhi persyaratan indeks ≥0,3 mm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a. Mempertimbangkan secara komprehensif, suhu penuaan optimal adalah 185 ℃. Setelah penuaan selama 7 jam, material dapat secara stabil memenuhi persyaratan memukau, dan kekuatannya memenuhi persyaratan kinerja. Mempertimbangkan stabilitas produksi proses memukau di bengkel las, waktu penuaan optimal diusulkan untuk ditentukan sebagai 8 jam. Karakteristik penampang di bawah sistem proses ini ditunjukkan pada Gambar 4b, yang memenuhi persyaratan indeks interlocking. Interlock kiri dan kanan adalah 0,90 mm dan 0,75 mm, yang memenuhi persyaratan indeks ≥0,4 mm, dan ketebalan sisa bawah adalah 0,38 mm.
Tabel 4 Retak sampel No. 2 pada suhu dan waktu penuaan yang berbeda
Gambar 4 Karakteristik penampang sambungan paku keling pelat dasar 6082 pada berbagai kondisi penuaan
3 Kesimpulan
Semakin tinggi suhu ekstrusi profil paduan aluminium 6082, semakin dangkal lapisan permukaan berbutir kasar setelah ekstrusi. Ketebalan lapisan berbutir kasar yang lebih dangkal dapat secara efektif mengurangi faktor konsentrasi tegangan pada batas butir, sehingga menghambat retak akibat paku keling. Penelitian eksperimental telah menentukan bahwa suhu ekstrusi optimal tidak kurang dari 485℃.
Ketika ketebalan lapisan berbutir kasar profil paduan aluminium 6082 sama, tegangan efektif batas butir paduan pada kondisi penuaan berlebih lebih rendah daripada tegangan efektif batas butir pada kondisi penuaan puncak, risiko retak selama pemakuan lebih kecil, dan kinerja pemakuan paduan lebih baik. Dengan mempertimbangkan tiga faktor, yaitu stabilitas pemakuan, nilai interlock sambungan paku keling, efisiensi produksi perlakuan panas, dan manfaat ekonomi, sistem penuaan optimal untuk paduan ditentukan pada suhu 185℃/8 jam.
Waktu posting: 05-Apr-2025
