6005A合金挤压型材压溃性能研究

2020-05-12曹东升杨志勇冯小东

铝加工 2020年2期

曹东升，姜珊，何金，杨志勇，冯小东

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

在汽车工业中，薄壁梁是组成汽车车身结构的重要零部件，在车身安全结构中起着重要作用。薄壁梁结构的吸能变形行为是车身设计的关键，其载荷峰值不能超过后端结构的承载极限[1-2]。铝合金具有比钢更高的吸能性及变形稳定性，是汽车轻量化的理想材料。其中6×××系铝合金由于具有较好的加工性能和较高的韧性且强度适中，被广泛应用在汽车吸能盒和纵梁等部件上[3-4]。

本文主要针对6005A系铝合金乘用车用纵梁型材，研究不同截面形状、时效制度对其压溃性能的影响，为优化纵梁型材压溃性能提供理论依据。

1 试验材料与方法

试验所用材料为我公司生产的6005A铝合金挤压型材，合金成分见表1。根据实际生产经验选取3种不同截面形状（田字形、八边形和日字形截面）的6005A 合金进行压溃对比试验，使用31.5MN 挤压机进行挤压。表2为型材挤压工艺信息。挤压完成后对3种断面分别采用3组不同的制度进行时效，即欠时效、峰值时效及过时效，具体时效制度及试样编号见表3。1-1试样为1号断面时效处理155℃×8h所得试样，1-2试样为1号断面时效处理185℃×7h所得试样，1-3试样为1号断面时效处理220℃×2.5h所得试样，其他试样编号以此类推。

表1 6005A合金化学成分（质量分数/%）

表2 型材挤压相关参数

表3 时效制度及试样编号

完成时效处理后截取拉伸试样及压溃试样，分别在AG-X 100kN H电子万能试验机和2000kN电液伺服压力试验机上进行力学性能和压溃检测。对比3种断面经过不同时效制度后的力学及压溃性能。

2 试验结果及分析

3种截面（田字形、八边形和日字形）在不同时效制度下测得的力学性能如图1所示。图2为各试样对应的压溃效果图。

2.1 时效制度对铝合金压溃性能的影响

由图2可知，1号田字形断面在过时效制度下溃缩良好，表面无裂纹，试样整体形成了多个完整褶皱，能量有效吸收并均匀传递，压溃效果较好；而在欠时效及峰值时效状态下则变形不均匀，有开裂现象，压溃效果较差。2号八边形断面随着时效制度的加强，溃缩效果越来越好，褶皱层次越来越分明。欠时效时吸能较集中，有细小裂纹，压溃效果欠佳；峰值时效状态下压溃试样凸起变小，易裂风险降低；过时效的褶皱较为有层次，能量逐层传递。3号日字形断面在3种时效制度处理后进行压溃，所得褶皱均未严重开裂，但两侧明显受力不均，在3种时效制度下该试样都有不同程度的溃缩偏移。各试样压溃吸能数据见表4。

总之，同一型材在过时效（220℃×2.5h）状态下压溃效果较好，试样表面褶皱完整无裂纹，层叠均匀，吸收能量及能够承受的最大载荷均高于欠时效及峰值时效，受压溃力作用时试样能有效吸能，将外力所做的功转化为变形能。因此可知，汽车薄壁纵梁型材采用过时效制度时其压溃吸能效果最佳。

表4 压溃吸能数据

2.2 截面形状对铝合金压溃性能的影响

型材截面形状不同压溃效果也存在较大差异。由图2可知，1号田字形断面内腔中有四根筋，内筋起到分散压溃力且吸能的作用，能量能够通过内筋持续传递，型材具有较好的变形抗力；2号八边形断面由于棱边较多，能从多方向分担压溃力，变形更加均匀，不易产生裂纹；3号日字形断面在压溃过程中易产生偏移，变形不均匀。

由表4可知，试样1-3吸收能量为17284.8J，最大载荷246793N，为9个试样中压溃效果最好的截面。对比不同截面形状压溃效果图可知，截面形状对压溃性能有较大影响，直接决定受到撞击力后能量的传递与吸收，因此优化汽车纵梁截面设计至关重要。田字形及八边形吸收能量较大，具有较好的抗撞击能力。其中1号田字形截面在过时效状态下所得的1-3试样经压溃后，褶皱最多且均匀，吸能最多，压溃效果最好，最适合作为汽车薄壁梁型材。

2.3 力学性能与压溃效果的关联性

结合图1和图2可知，1、2号断面在过时效状态下的抗拉强度、屈服强度均较小，断后延伸率较好，压溃效果较好，溃缩褶皱均匀且不开裂。由此可知，同一合金其力学性能的不同对压溃效果有一定影响。

欠时效状态下，强化相β相析出不充分，对位错运动的阻碍较弱，型材表现为较低强度，较高塑性；峰值时效时，β相颗粒弥散析出较多，对位错阻碍作用加强，故强度大幅度提高。但当时效温度继续升高，达到过时效状态时，原本弥散析出的β相颗粒聚集长大的趋势增大，长大的β相削弱了其对位错运动的阻碍作用，导致型材力学性能下降。研究证明，适当的过时效处理后，材料组织和零件尺寸的稳定性将大幅度提升[5]。然而当过时效严重时，6005A纵梁型材的综合力学性能会明显下降。

由试验结果可知，对于汽车用6005A吸能型材而言，当强度较大、断后延伸率较小时，吸能效果较差，受撞击后型材容易沿边角处开裂，无法保证车体受碰撞时吸收能量，保护车内人员安全。故汽车纵梁型材需要具有较好的综合力学性能，当受到撞击时，薄壁梁能够逐层变形吸能但不向内占据更多空间，冲击力能够沿车身均匀传递，避免对车内造成冲击挤压，从而保护人员安全。作为汽车薄壁梁型材，6005A合金经220℃×2.5h时效处理后其综合力学性能较好，吸能效果达到最佳状态。