Karena negara-negara di seluruh dunia sangat mementingkan konservasi energi dan pengurangan emisi, pengembangan kendaraan energi baru murni listrik telah menjadi tren. Selain kinerja baterai, kualitas bodi juga merupakan faktor penting yang memengaruhi jarak tempuh kendaraan energi baru. Mempromosikan pengembangan struktur bodi mobil ringan dan sambungan berkualitas tinggi dapat meningkatkan jarak tempuh kendaraan listrik secara menyeluruh dengan mengurangi bobot seluruh kendaraan sebanyak mungkin sambil memastikan kekuatan dan kinerja keselamatan kendaraan. Dalam hal peringanan mobil, bodi hibrida baja-aluminium memperhitungkan kekuatan dan pengurangan bobot bodi, menjadi sarana penting untuk mencapai peringanan bodi.
Metode sambungan tradisional untuk menyambung paduan aluminium memiliki kinerja sambungan yang buruk dan keandalan yang rendah. Paku keling yang menembus sendiri, sebagai teknologi sambungan baru, telah banyak digunakan dalam industri otomotif dan industri manufaktur kedirgantaraan karena keunggulan mutlaknya dalam menyambung paduan ringan dan material komposit. Dalam beberapa tahun terakhir, para sarjana domestik Tiongkok telah melakukan penelitian yang relevan tentang teknologi paku keling yang menembus sendiri dan mempelajari pengaruh metode perlakuan panas yang berbeda terhadap kinerja sambungan paku keling yang menembus sendiri titanium murni industri TA1. Ditemukan bahwa metode perlakuan panas anil dan pendinginan meningkatkan kekuatan statis sambungan paku keling yang menembus 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 plastik 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 mekanis sambungan setelah paku keling pelat paduan aluminium. Dalam produksi paku keling bodi mobil yang sebenarnya, retakan sambungan paku keling profil ekstrusi paduan aluminium, terutama paduan aluminium berkekuatan tinggi dengan kandungan elemen paduan tinggi, seperti paduan aluminium 6082, merupakan faktor utama yang membatasi penerapan proses ini pada bodi mobil. Pada 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, dan juga menentukan keakuratan dimensi bodi mobil berikutnya. Untuk mengendalikan tekukan dan puntiran profil dan memastikan keakuratan dimensi profil, selain struktur cetakan, suhu saluran keluar profil dan kecepatan pendinginan online merupakan faktor pengaruh yang paling penting. Semakin tinggi suhu saluran keluar dan semakin cepat kecepatan pendinginan, semakin besar derajat tekukan dan puntiran profil. Untuk profil paduan aluminium untuk bodi mobil, perlu dipastikan keakuratan dimensi profil dan paku keling paduan tidak retak. Cara paling sederhana untuk mengoptimalkan keakuratan dimensi dan kinerja retak paku keling paduan adalah mengendalikan retak dengan mengoptimalkan suhu pemanasan dan proses penuaan batang yang diekstrusi sambil menjaga komposisi material, struktur cetakan, kecepatan ekstrusi, dan kecepatan pendinginan tidak berubah. Untuk paduan aluminium 6082, dengan asumsi bahwa kondisi proses lainnya tetap tidak berubah, 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 yang berbeda dan proses penuaan yang berbeda untuk menyiapkan sampel dalam berbagai kondisi, dan mengevaluasi pengaruh suhu ekstrusi dan kondisi penuaan pada uji keling melalui uji keling. Berdasarkan hasil awal, proses penuaan yang optimal selanjutnya ditentukan untuk memberikan panduan bagi produksi profil ekstrusi bodi paduan aluminium 6082 selanjutnya.
1 Bahan dan metode percobaan
Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, paduan aluminium 6082 dicairkan dan disiapkan menjadi ingot bundar dengan pengecoran semikontinyu. Kemudian, setelah perlakuan panas homogenisasi, ingot dipanaskan hingga suhu yang berbeda dan diekstrusi menjadi profil pada ekstruder 2200 t. 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 bahwa parameter proses lainnya seperti komposisi material, struktur die, kecepatan ekstrusi, kecepatan pendinginan tetap tidak berubah, sampel No. 1 hingga 3 di atas yang diperoleh dengan menyesuaikan suhu pemanasan ekstrusi disimpan dalam tungku resistansi tipe kotak, dan sistem penyimpanannya adalah 180 ℃/6 jam dan 190 ℃/6 jam. Setelah isolasi, sampel didinginkan dengan udara, lalu dipaku keling untuk mengevaluasi pengaruh suhu ekstrusi dan kondisi penyimpanan yang berbeda pada uji keling. Uji keling menggunakan paduan 6082 setebal 2,5 mm dengan suhu ekstrusi dan sistem penyimpanan 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 keling adalah C5.3×6.0 H0. Selain itu, untuk lebih menentukan proses penuaan yang optimal, menurut pengaruh suhu ekstrusi dan kondisi penuaan pada retak akibat paku keling, pelat pada suhu ekstrusi optimal dipilih, lalu diperlakukan dengan suhu yang berbeda dan waktu penuaan yang berbeda untuk mempelajari pengaruh sistem penuaan pada retak akibat paku keling, sehingga akhirnya dapat memastikan sistem penuaan yang optimal. Mikroskop berdaya tinggi digunakan untuk mengamati struktur mikro material pada suhu ekstrusi yang berbeda, 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 yang dipaku keling setelah dipaku keling dalam berbagai kondisi.
2Hasil Eksperimen dan Pembahasan
2.1 Pengaruh suhu ekstrusi dan kondisi penuaan terhadap retak paku keling
Pengambilan sampel dilakukan di sepanjang penampang melintang 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 paku keling pada posisi paku keling 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 penggerak 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 mengalami penuaan pada suhu 180 ℃/6 jam dan 190 ℃/6 jam, masing-masing. Sifat mekanis sampel 2 setelah dua proses penuaan ditunjukkan pada Tabel 2. Di bawah dua sistem penuaan, kekuatan luluh dan kekuatan tarik sampel pada suhu 180 ℃/6 jam secara signifikan lebih tinggi daripada suhu 190 ℃/6 jam, sedangkan perpanjangan keduanya tidak jauh berbeda, yang menunjukkan bahwa 190 ℃/6 jam merupakan perlakuan penuaan berlebih. Karena sifat mekanis paduan aluminium seri 6 berfluktuasi secara signifikan dengan perubahan proses penuaan dalam keadaan under-aging, hal ini tidak kondusif bagi stabilitas proses produksi profil dan pengendalian kualitas paku keling. Oleh karena itu, tidak cocok untuk menggunakan keadaan under-aging 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 keadaan 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 keadaan penuaan puncak, permukaan bawah paku keling relatif halus, dan retak ditekan sampai batas tertentu, yang hanya terlihat di bawah perbesaran mikroskop, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Ketika sampel No. 3 berada dalam keadaan penuaan berlebih, tidak ada retak yang diamati di bawah perbesaran 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 retak yang berbeda setelah dipaku keling
Permukaan setelah dipaku terutama berada dalam tiga keadaan, yaitu retakan yang terlihat oleh mata telanjang (ditandai “×”), retakan kecil yang terlihat di bawah pembesaran mikroskop (ditandai “△”), dan tidak ada retakan (ditandai “○”). Hasil morfologi paku keling dari tiga sampel keadaan di atas di bawah dua sistem penuaan ditunjukkan pada Tabel 3. Dapat dilihat bahwa ketika proses penuaan konstan, kinerja retak paku keling dari 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 dari keadaan penuaan berlebih lebih baik daripada keadaan penuaan puncak.
Tabel 3 Penampakan memukau dari sampel 1 sampai 3 di bawah dua sistem proses
Efek morfologi butiran dan kondisi penuaan pada perilaku retak kompresi aksial profil dipelajari. Kondisi tegangan material selama kompresi aksial konsisten dengan kondisi paku keling yang menembus sendiri. Studi menemukan bahwa retakan berasal dari batas butiran, dan mekanisme retak paduan Al-Mg-Si dijelaskan oleh rumus.
σapp adalah tegangan yang diberikan pada kristal. Saat retak, σapp sama dengan nilai tegangan sebenarnya yang sesuai dengan kekuatan tarik; σa0 adalah resistansi presipitat selama pergeseran intrakristalin; Φ adalah koefisien konsentrasi tegangan, yang terkait dengan ukuran butiran d dan lebar slip p.
Dibandingkan dengan rekristalisasi, struktur butiran berserat lebih kondusif terhadap penghambatan retak. Alasan utamanya adalah ukuran butiran d berkurang secara signifikan karena penyempurnaan butiran, yang secara efektif dapat mengurangi faktor konsentrasi tegangan Φ pada batas butiran, sehingga menghambat retak. Dibandingkan dengan struktur berserat, faktor konsentrasi tegangan Φ dari 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 berbagai kondisi fase presipitasi di dalam paduan. Selama penuaan puncak, fase 'β (Mg5Si6) berukuran 20-50 nm diendapkan dalam paduan 6082, dengan sejumlah besar presipitasi dan ukuran kecil; ketika paduan mengalami 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 terkait 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 volume, semakin kecil gaya penjepitnya pada dislokasi, semakin mudah dislokasi pada paduan untuk dimulai, dan σa0 pada paduan akan menurun dari puncak penuaan ke keadaan penuaan berlebih. Bahkan jika σa0 menurun, ketika paduan berubah dari puncak penuaan ke keadaan penuaan berlebih, nilai σapp pada saat retak paduan menurun lebih banyak, menghasilkan penurunan yang signifikan pada tegangan efektif pada batas butir (σapp-σa0). Tegangan efektif pada batas butir penuaan berlebih adalah sekitar 1/5 dari yang pada puncak penuaan, yaitu, lebih kecil kemungkinannya untuk retak pada batas butir dalam keadaan penuaan berlebih, menghasilkan kinerja memukau 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, berdasarkan premis komposisi paduan tertentu, struktur cetakan ekstrusi, dan proses ekstrusi, jika suhu ekstrusi terlalu tinggi, di satu sisi, derajat pembengkokan dan puntiran profil akan diperburuk selama proses pendinginan berikutnya, sehingga toleransi ukuran profil tidak memenuhi persyaratan, dan di sisi lain, akan menyebabkan paduan mudah terbakar berlebihan selama proses ekstrusi, sehingga meningkatkan risiko pengikisan material. Dengan mempertimbangkan keadaan pemakuan, proses ukuran profil, jendela proses produksi, dan faktor-faktor lainnya, suhu ekstrusi yang lebih sesuai untuk paduan ini tidak kurang dari 485 ℃, yaitu sampel No. 2. Untuk memastikan sistem proses penuaan yang optimal, proses penuaan dioptimalkan berdasarkan sampel No. 2.
Sifat mekanik 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 suhu penuaan yang berbeda yang ditunjukkan pada Gambar 3c adalah antara 14% dan 17%, tanpa pola perubahan yang jelas. Percobaan ini menguji tahap penuaan puncak hingga tahap penuaan berlebih, dan karena perbedaan eksperimen yang kecil, kesalahan pengujian menyebabkan pola perubahan menjadi tidak jelas.
Gambar 3 Sifat mekanik bahan pada suhu penuaan dan waktu penuaan yang berbeda
Setelah perlakuan penuaan di atas, keretakan pada sambungan paku keling dirangkum dalam Tabel 4. Dapat dilihat dari Tabel 4 bahwa dengan bertambahnya waktu, keretakan 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 retak dan keadaannya relatif stabil. Di bawah kondisi 190 ℃, tampilan sambungan paku keling tidak retak 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 berkurangnya 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 yang dipaku 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 paku keling, dan kekuatannya memenuhi persyaratan kinerja. Mempertimbangkan stabilitas produksi proses paku keling 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 Retaknya 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 butiran, sehingga menghambat retak akibat paku keling. Penelitian eksperimental telah menentukan bahwa suhu ekstrusi optimal tidak kurang dari 485 ℃.
Bila ketebalan lapisan butiran kasar profil paduan aluminium 6082 sama, tegangan efektif batas butiran paduan dalam keadaan penuaan berlebih lebih rendah daripada tegangan dalam keadaan penuaan puncak, risiko retak selama pemancangan lebih kecil, dan kinerja pemancangan paduan lebih baik. Dengan mempertimbangkan tiga faktor stabilitas pemancangan, 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
