Alors que les pays du monde entier accordent une grande importance aux économies d'énergie et à la réduction des émissions, le développement de véhicules 100 % électriques à énergies nouvelles est devenu une tendance. Outre les performances de la batterie, la qualité de la carrosserie est un facteur crucial pour l'autonomie des véhicules à énergies nouvelles. Promouvoir le développement de structures de carrosserie légères et de connexions de haute qualité permet d'améliorer l'autonomie globale des véhicules électriques en réduisant au maximum le poids total du véhicule tout en garantissant sa résistance et sa sécurité. En matière d'allègement des véhicules, la carrosserie hybride acier-aluminium prend en compte à la fois la résistance et la réduction du poids, ce qui en fait un moyen important d'y parvenir.
La méthode traditionnelle d'assemblage des alliages d'aluminium présente des performances et une fiabilité médiocres. Le rivetage auto-perçant, nouvelle technologie d'assemblage, est largement utilisé dans l'industrie automobile et aérospatiale en raison de son avantage incontestable pour l'assemblage des alliages légers et des matériaux composites. Ces dernières années, des chercheurs chinois ont mené des recherches pertinentes sur la technologie du rivetage auto-perçant et étudié l'effet de différentes méthodes de traitement thermique sur les performances des assemblages rivetés auto-perçants industriels en titane pur TA1. Il a été constaté que les traitements thermiques de recuit et de trempe amélioraient la résistance statique de ces assemblages. Le mécanisme de formation des assemblages a été observé et analysé du point de vue du flux de matière, et la qualité des assemblages a été évaluée sur cette base. Des essais métallographiques ont montré que la grande zone de déformation plastique se transformait en une structure fibreuse présentant une certaine tendance, ce qui favorisait l'amélioration de la limite d'élasticité et de la résistance à la fatigue des assemblages.
Les recherches ci-dessus portent principalement sur les propriétés mécaniques des assemblages après rivetage de plaques en alliage d'aluminium. Lors de la production de rivets de carrosseries automobiles, les fissures des assemblages rivetés de profilés extrudés en alliage d'aluminium, notamment les alliages d'aluminium à haute résistance et à forte teneur en éléments d'alliage, comme l'alliage d'aluminium 6082, constituent les principaux facteurs limitant l'application de ce procédé. Parallèlement, les tolérances de forme et de position des profilés extrudés utilisés sur la carrosserie, telles que le pliage et la torsion, affectent directement l'assemblage et l'utilisation des profilés, et déterminent également la précision dimensionnelle de la carrosserie ultérieure. Afin de contrôler le pliage et la torsion des profilés et de garantir leur précision dimensionnelle, outre la structure de l'outil, la température de sortie des profilés et la vitesse de trempe en ligne sont les facteurs d'influence les plus importants. Plus la température de sortie est élevée et plus la vitesse de trempe est rapide, plus le degré de pliage et de torsion des profilés est élevé. Pour les profilés en alliage d'aluminium destinés aux carrosseries automobiles, il est nécessaire de garantir la précision dimensionnelle des profilés et d'éviter toute fissuration du rivetage. Le moyen le plus simple d'optimiser la précision dimensionnelle et la résistance à la fissuration du rivetage consiste à contrôler la fissuration en optimisant la température de chauffage et le vieillissement des tiges extrudées, tout en conservant la composition du matériau, la structure de la matrice, la vitesse d'extrusion et la vitesse de trempe. Pour l'alliage d'aluminium 6082, à conditions que les autres conditions de traitement restent inchangées, plus la température d'extrusion est élevée, plus la couche à gros grains est fine, mais plus la déformation du profilé après trempe est importante.
Cet article utilise un alliage d'aluminium 6082 de même composition que l'objet de recherche, utilise différentes températures d'extrusion et différents procédés de vieillissement pour préparer des échantillons dans différents états, et évalue l'effet de la température d'extrusion et de l'état de vieillissement sur l'essai de rivetage. Les résultats préliminaires permettent de déterminer le procédé de vieillissement optimal afin de guider la production ultérieure de profilés d'extrusion de corps en alliage d'aluminium 6082.
1 Matériel et méthodes expérimentaux
Comme le montre le tableau 1, l'alliage d'aluminium 6082 a été fondu et transformé en lingot rond par coulée semi-continue. Après homogénéisation, le lingot a été chauffé à différentes températures et extrudé en profilé sur une extrudeuse de 2 200 t. L'épaisseur de paroi du profilé était de 2,5 mm, la température du fourreau d'extrusion de 440 ± 10 ℃, celle de la filière de 470 ± 10 ℃, la vitesse d'extrusion de 2,3 ± 0,2 mm/s et la trempe du profilé par refroidissement par air fort. Selon la température de chauffage, les échantillons ont été numérotés de 1 à 3, parmi lesquels l'échantillon 1 avait la température de chauffage la plus basse, et la température de billette correspondante était de 470±5 ℃, la température de billette correspondante de l'échantillon 2 était de 485±5 ℃, et la température de l'échantillon 3 était la plus élevée, et la température de billette correspondante était de 500±5 ℃.
Tableau 1 Composition chimique mesurée de l'alliage d'essai (fraction massique/%)
Sous réserve de modifications des autres paramètres du procédé, tels que la composition du matériau, la structure de la matrice, la vitesse d'extrusion et la vitesse de trempe, les échantillons n° 1 à 3 obtenus par ajustement de la température de chauffage d'extrusion sont vieillis dans un four à résistance de type caisson, à des températures de vieillissement de 180 °C/6 h et 190 °C/6 h. Après isolation, ils sont refroidis à l'air, puis rivetés afin d'évaluer l'influence de différentes températures d'extrusion et états de vieillissement sur l'essai de rivetage. Cet essai utilise un alliage 6082 de 2,5 mm d'épaisseur, avec différentes températures d'extrusion et différents états de vieillissement, comme plaque inférieure, et un alliage 5754-O de 1,4 mm d'épaisseur comme plaque supérieure pour l'essai de rivetage SPR. La matrice de rivetage est en M260238 et le rivet est en C5,3×6,0 H0. De plus, afin de déterminer plus précisément le processus de vieillissement optimal, en fonction de l'influence de la température d'extrusion et de l'état de vieillissement sur la fissuration par rivetage, la plaque à la température d'extrusion optimale est sélectionnée, puis traitée à différentes températures et durées de vieillissement afin d'étudier l'influence du système de vieillissement sur la fissuration par rivetage, afin de confirmer le système de vieillissement optimal. Un microscope haute puissance a été utilisé pour observer la microstructure du matériau à différentes températures d'extrusion ; une machine d'essai universelle électronique MTS-SANS série CMT5000 contrôlée par micro-ordinateur a été utilisée pour tester les propriétés mécaniques ; et un microscope basse puissance a été utilisé pour observer les assemblages rivetés après rivetage dans différents états.
2Résultats expérimentaux et discussion
2.1 Effet de la température d'extrusion et de l'état de vieillissement sur la fissuration par rivetage
Un échantillonnage a été effectué le long de la section transversale du profilé extrudé. Après un dégrossissage, un ponçage fin et un polissage au papier de verre, l'échantillon a été corrodé avec de la soude caustique à 10 % pendant 8 minutes, puis le produit de corrosion noir a été essuyé avec de l'acide nitrique. La couche de gros grains de l'échantillon a été observée au microscope à fort grossissement, situé à la surface extérieure de la boucle du rivet, à l'emplacement prévu pour le rivetage, comme illustré à la figure 1. La profondeur moyenne de la couche de gros grains de l'échantillon n° 1 était de 352 μm, celle de l'échantillon n° 2 de 135 μm et celle de l'échantillon n° 3 de 31 μm. La différence de profondeur de la couche de gros grains est principalement due aux différences de température d'extrusion. Plus la température d'extrusion est élevée, plus la résistance à la déformation de l'alliage 6082 est faible, plus l'énergie de déformation accumulée par le frottement entre l'alliage et la filière (en particulier la bande de travail) est faible et plus la force motrice de recristallisation est faible. Par conséquent, la couche superficielle de gros grains est moins profonde ; plus la température d'extrusion est basse, plus la résistance à la déformation est élevée, plus l'énergie de déformation accumulée est importante, plus la recristallisation est facile et plus la couche de gros grains est profonde. Pour l'alliage 6082, le mécanisme de recristallisation des gros grains est la recristallisation secondaire.
(a) Modèle 1
(b) Modèle 2
(c) Modèle 3
Figure 1 Épaisseur de la couche de gros grains de profilés extrudés par différents procédés
Les échantillons 1 à 3, préparés à différentes températures d'extrusion, ont été vieillis respectivement à 180 ℃/6 h et 190 ℃/6 h. Les propriétés mécaniques de l'échantillon 2 après les deux vieillissements sont présentées dans le tableau 2. Sous les deux systèmes de vieillissement, la limite d'élasticité et la résistance à la traction de l'échantillon à 180 ℃/6 h sont nettement supérieures à celles à 190 ℃/6 h, tandis que l'allongement des deux est peu différent, ce qui indique que 190 ℃/6 h est un traitement de survieillissement. Les propriétés mécaniques de l'alliage d'aluminium de la série 6 fluctuant fortement avec l'évolution du vieillissement en sous-vieillissement, cela nuit à la stabilité du processus de production des profilés et au contrôle de la qualité du rivetage. Par conséquent, l'état de sous-vieillissement n'est pas adapté à la production de profilés de carrosserie.
Tableau 2 Propriétés mécaniques de l'échantillon n° 2 sous deux systèmes de vieillissement
L'aspect de l'éprouvette après rivetage est illustré à la figure 2. Lorsque l'échantillon n° 1, présentant une couche à gros grains plus profonde, a été riveté au pic de vieillissement, la surface inférieure du rivet présentait une peau d'orange et des fissures visibles à l'œil nu, comme illustré à la figure 2a. En raison de l'orientation irrégulière des grains, le degré de déformation est irrégulier, formant une surface irrégulière. Lorsque les grains sont grossiers, l'irrégularité de la surface s'accentue, formant un phénomène de peau d'orange visible à l'œil nu. Lorsque l'échantillon n° 3, présentant une couche à gros grains moins profonde, préparé par augmentation de la température d'extrusion, a été riveté au pic de vieillissement, la surface inférieure du rivet était relativement lisse et la fissuration était partiellement supprimée, celle-ci n'étant visible qu'au grossissement au microscope, comme illustré à la figure 2b. Lorsque l'échantillon n° 3 était en état de survieillissement, aucune fissuration n'a été observée au grossissement au microscope, comme illustré à la figure 2c.
(a) Fissures visibles à l'œil nu
(b) Légères fissures visibles au microscope
(c) Pas de fissures
Figure 2 Différents degrés de fissuration après rivetage
Français La surface après rivetage présente principalement trois états : fissures visibles à l'œil nu (marquées « × »), fissures légères visibles au microscope (marquées « △ ») et absence de fissures (marquées « ○ »). Les résultats de la morphologie de rivetage des échantillons à trois états ci-dessus sous deux systèmes de vieillissement sont présentés dans le tableau 3. On peut constater qu'à vieillissement constant, la performance de l'échantillon à température d'extrusion plus élevée et à couche de gros grains plus fine est meilleure à la fissuration par rivetage que celle de l'échantillon à couche de gros grains plus profonde ; à couche de gros grains constante, la performance de l'état de survieillissement est meilleure à celle de l'état de vieillissement maximal.
Tableau 3 Aspect du rivetage des échantillons 1 à 3 sous deux systèmes de traitement
Les effets de la morphologie des grains et de leur état de vieillissement sur le comportement des profilés à la fissuration par compression axiale ont été étudiés. L'état de contrainte du matériau lors de la compression axiale correspondait à celui du rivetage auto-perçant. L'étude a révélé que les fissures provenaient des joints de grains, et le mécanisme de fissuration de l'alliage Al-Mg-Si était expliqué par la formule.
σapp est la contrainte appliquée au cristal. Lors de la fissuration, σapp est égal à la valeur de contrainte réelle correspondant à la résistance à la traction ; σa0 est la résistance des précipités lors du glissement intracristallin ; Φ est le coefficient de concentration de contrainte, lié à la granulométrie d et à la largeur de glissement p.
Comparée à la recristallisation, la structure granulaire fibreuse est plus propice à l'inhibition de la fissuration. La principale raison est que la taille des grains d est considérablement réduite grâce à l'affinage, ce qui permet de réduire efficacement le facteur de concentration de contrainte Φ aux joints de grains, inhibant ainsi la fissuration. Comparé à la structure fibreuse, le facteur de concentration de contrainte Φ de l'alliage recristallisé à gros grains est environ dix fois supérieur à celui de la première.
Comparé au vieillissement maximal, le survieillissement est plus propice à l'inhibition de la fissuration, déterminée par les différents états de précipitation au sein de l'alliage. Lors du vieillissement maximal, des phases 'β (Mg5Si6) de 20 à 50 nm précipitent dans l'alliage 6082, avec un grand nombre de précipités et de petites tailles ; lors du survieillissement, le nombre de précipités diminue et leur taille augmente. Les précipités générés lors du vieillissement peuvent inhiber efficacement le mouvement des dislocations à l'intérieur de l'alliage. Leur force d'ancrage sur les dislocations est liée à la taille et à la fraction volumique de la phase précipitée. La formule empirique est :
f est la fraction volumique de la phase précipitée ; r est la taille de la phase ; σa est l'énergie d'interface entre la phase et la matrice. La formule montre que plus la taille de la phase précipitée est grande et plus sa fraction volumique est petite, plus sa force d'ancrage sur les dislocations est faible, plus il est facile pour les dislocations dans l'alliage de se former, et σa0 dans l'alliage diminue du vieillissement maximal à l'état de survieillissement. Même si σa0 diminue, lorsque l'alliage passe du vieillissement maximal à l'état de survieillissement, la valeur σapp au moment de la fissuration de l'alliage diminue davantage, ce qui entraîne une diminution significative de la contrainte effective au joint de grain (σapp-σa0). La contrainte effective au joint de grain du survieillissement est environ 1/5 de celle du vieillissement maximal, c'est-à-dire qu'il est moins probable qu'il se fissure au joint de grain dans l'état de survieillissement, ce qui se traduit par de meilleures performances de rivetage de l'alliage.
2.2 Optimisation de la température d'extrusion et du système de processus de vieillissement
D'après les résultats ci-dessus, l'augmentation de la température d'extrusion peut réduire la profondeur de la couche à gros grains, inhibant ainsi la fissuration du matériau lors du rivetage. Cependant, compte tenu de la composition de l'alliage, de la structure de la filière et du procédé d'extrusion, une température d'extrusion trop élevée peut, d'une part, aggraver la flexion et la torsion du profilé lors de la trempe ultérieure, rendant la tolérance dimensionnelle du profilé non conforme aux exigences, et, d'autre part, entraîner une surcuisson de l'alliage lors de l'extrusion, augmentant ainsi le risque de rebut. Compte tenu de l'état de rivetage, du procédé de fabrication, de la fenêtre de production et d'autres facteurs, la température d'extrusion la plus adaptée à cet alliage est d'au moins 485 °C (échantillon n° 2). Afin de confirmer le système de vieillissement optimal, ce dernier a été optimisé sur la base de l'échantillon n° 2.
Les propriétés mécaniques de l'échantillon n° 2 à différents temps de vieillissement à 180 ℃, 185 ℃ et 190 ℃ sont présentées à la figure 3. Il s'agit de la limite d'élasticité, de la résistance à la traction et de l'allongement. Comme le montre la figure 3a, à 180 ℃, le temps de vieillissement passe de 6 h à 12 h, et la limite d'élasticité du matériau ne diminue pas significativement. À 185 ℃, lorsque le temps de vieillissement passe de 4 h à 12 h, la limite d'élasticité augmente d'abord puis diminue, le temps de vieillissement correspondant à la valeur de résistance maximale étant de 5 à 6 h. À 190 ℃, lorsque le temps de vieillissement augmente, la limite d'élasticité diminue progressivement. Globalement, aux trois températures de vieillissement, plus la température de vieillissement est basse, plus la résistance maximale du matériau est élevée. Les caractéristiques de la résistance à la traction de la figure 3b sont cohérentes avec celles de la figure 3a. L'allongement à différentes températures de vieillissement, illustré à la figure 3c, est compris entre 14 % et 17 %, sans évolution notable. Cette expérience teste le vieillissement maximal jusqu'au survieillissement et, en raison des faibles différences expérimentales, l'erreur de test rend l'évolution peu claire.
Fig.3 Propriétés mécaniques des matériaux à différentes températures et durées de vieillissement
Après le vieillissement ci-dessus, la fissuration des assemblages rivetés est résumée dans le tableau 4. Ce tableau montre qu'avec le temps, la fissuration des assemblages rivetés diminue dans une certaine mesure. À 180 °C, après un vieillissement supérieur à 10 h, l'assemblage riveté présente un aspect acceptable, mais instable. À 185 °C, après un vieillissement de 7 h, l'assemblage riveté est exempt de fissures et son état est relativement stable. À 190 °C, il est exempt de fissures et son état est stable. Les résultats des essais de rivetage montrent que les performances de rivetage sont meilleures et plus stables lorsque l'alliage est vieilli. Associé à l'utilisation du profil de carrosserie, le rivetage à 180 °C/10 à 12 h nuit à la stabilité de la qualité du processus de production contrôlé par le constructeur. Afin de garantir la stabilité de l'assemblage riveté, le temps de vieillissement doit être prolongé, mais la vérification de ce temps entraînera une réduction de l'efficacité de production du profil et une augmentation des coûts. À 190 °C, tous les échantillons peuvent satisfaire aux exigences de fissuration par rivetage, mais la résistance du matériau est considérablement réduite. Conformément aux exigences de conception des véhicules, la limite d'élasticité de l'alliage 6082 doit être garantie supérieure à 270 MPa. Par conséquent, une température de vieillissement de 190 °C ne répond pas aux exigences de résistance du matériau. De plus, une résistance du matériau trop faible entraînera une épaisseur résiduelle de la plaque inférieure de l'assemblage riveté trop faible. Après vieillissement à 190 °C/8 h, les caractéristiques de la section rivetée montrent une épaisseur résiduelle de 0,26 mm, ce qui ne répond pas à l'exigence d'indice ≥ 0,3 mm, comme illustré à la figure 4a. Globalement, la température optimale de vieillissement est de 185 °C. Après un vieillissement de 7 h, le matériau peut satisfaire de manière stable aux exigences de rivetage et sa résistance répond aux exigences de performance. Compte tenu de la stabilité de production du procédé de rivetage en atelier de soudage, il est proposé de déterminer une durée de vieillissement optimale de 8 h. Les caractéristiques de la section rivetée dans ce système de procédé sont illustrées à la figure 4b, qui répond aux exigences d'indice d'emboîtement. Les emboîtements gauche et droit mesurent 0,90 mm et 0,75 mm, ce qui répond aux exigences d'indice ≥ 0,4 mm, et l'épaisseur résiduelle inférieure est de 0,38 mm.
Tableau 4 Fissuration de l'échantillon n° 2 à différentes températures et différents temps de vieillissement
Fig.4 Caractéristiques transversales des assemblages rivetés de plaques inférieures 6082 à différents états de vieillissement
3 Conclusion
Plus la température d'extrusion des profilés en alliage d'aluminium 6082 est élevée, plus la couche superficielle à gros grains après extrusion est fine. Cette épaisseur réduite permet de réduire efficacement la concentration de contraintes aux joints de grains, inhibant ainsi les fissures de rivetage. Des recherches expérimentales ont montré que la température d'extrusion optimale n'est pas inférieure à 485 °C.
À épaisseur constante de la couche à gros grains du profilé en alliage d'aluminium 6082, la contrainte effective aux joints de grains de l'alliage en état de vieillissement excessif est inférieure à celle observée en état de vieillissement maximal, le risque de fissuration lors du rivetage est moindre et les performances de rivetage de l'alliage sont meilleures. Compte tenu de trois facteurs : la stabilité du rivetage, la capacité d'emboîtement des assemblages rivetés, l'efficacité du traitement thermique et les avantages économiques, le système de vieillissement optimal pour l'alliage est déterminé à 185 °C/8 h.
Date de publication : 05/04/2025
