电磁无铆钉铆接工艺及钢—铝接头力学性能研究北大核心CSCD

以AA5052铝合金薄板和DC52D+ZF高强钢薄板为研究对象,探究了不同放电能量下,电磁无铆钉铆接接头的镦头成形、微观形貌和力学性能。结果发现:放电能量值过小,会导致铆钉变形不足,难以形成良好的互锁结构;放电能量值过大,则会导致上板材材料流动过于充分,进而在颈部区域出现微裂纹甚至发生断裂。此外,电磁无铆钉铆接接头的平均互锁值Tu较常规液压无铆钉铆接接头高46.6%。硬度测量结果表明,电磁无铆钉铆接接头中心区域的硬度略高一些。剪切性能测试结果表明,电磁无铆钉铆接接头的剪切性能略高于常规液压无铆钉铆接接头。与常规液压无铆钉铆接接头对比,电磁无铆钉铆接接头在截面互锁程度、显微硬度及剪切性能方面均具有一定的优势。     

铝合金自冲铆接头疲劳性能及失效机理

自冲铆是轻量化材料的有效连接技术,为促进该技术的广泛应用,文中基于两组铝合金自冲铆接头,采用疲劳测试、统计方法、断口分析和X-射线能谱仪元素分析,获得接头疲劳特性和断口典型部位微观组织特征,从而对铝合金自冲铆接头疲劳性能及失效机理进行研究。结果表明,随着疲劳载荷降低,接头疲劳寿命稳定性和相对滑移量下降。由于多铆钉接头有效减小了应力集中,其疲劳强度比单铆钉接头提高了31.36%~23.14%,且多铆钉接头的疲劳寿命稳定性较高。多铆钉接头中存在首要和次要承载顺序,疲劳断裂表面为首要承载顺序所在位置。接头疲劳宏观失效模式均为下板断裂,疲劳裂纹主要萌生于铆钉管腿与下板接触部位,微振磨损区域自铆钉管腿底部向铆钉头方向生长。减缓该部位的摩擦作用,可有效延迟疲劳裂纹萌生和减缓裂纹扩展,从而提高接头疲劳寿命。     

5052H32铝合金薄板自冲铆接和无铆连接对比研究

对厚度为1.2 mm的汽车用5052H32铝合金薄板自冲铆接和无铆连接进行了对比研究。结果表明:铆钉长度为4 mm时,SPR接头互锁值较小,接头强度及能量吸收值较低,受剪切拉伸时铆钉角易从底层板脱离;铆钉长度为6 mm时,SPR接头底层板的最小剩余厚度较小,有腐蚀风险;铆钉长度为5 mm时,SPR接头强度、能量吸收值及剖面金相参数值为综合最优;无铆连接时,铆点数与接头强度值呈线性关系,与能量吸收值的关系可以通过二次多项式进行拟合。不同铆接方式的接头在横向和纵向受力方向上的强度和能量吸收值基本无差异。无铆连接接头受剪切拉伸时,其失效形式有3种:上层板颈部位置撕裂失效,上、下层板互锁脱离失效,混合失效。单点SPR的静强度等效于2个Clinching铆点,单点SPR铆接能量吸收值等效于3.6个Clinching铆点。     

摩擦加热AZ31镁合金板材的自冲铆接

采用摩擦加热的方法对2 mmAZ31镁合金板材进行加热,然后对其进行自冲铆接.对摩擦加热过程中板材的温度变化、板材的表面损伤、自冲铆接效果以及铆接接头的剪切和疲劳性能进行了研究.结果表明,摩擦加热可以将板材的温度迅速提高到自冲铆接所需要的温度,加热过程会对板材表面造成一定损伤,但损伤程度轻微；将镁合金板材摩擦加热至180℃以上再进行自冲铆接可以有效避免板材的开裂,消除裂纹,增加铆钉与板材之间的互锁量,因而可获得具有优良剪切及疲劳性能的自冲铆接接头.与电热板加热同类型镁合金板材的自冲铆接接头相比,摩擦加热自冲铆接接头的剪切强度及疲劳性能均有所增加,这表明摩擦加热对板材表面造成的轻微损伤对铆接接头的力学性能几乎没有影响.     

自冲铆接凹模损伤对铆接质量的影响

采用了试验结合有限元仿真的方法,对自冲铆接(Self-Piercing Riveting,SPR)设备中的重要部件凹模出现的不同程度的损伤情况可能对SPR接头质量产生的影响进行了试验研究。对凹模的受损情况进行统计分类,根据凹模的受损程度将凹模分为早期受损、中前期受损等5个级别。使用不同受损程度的凹模对厚度为1. 5 mm的A6111铝板进行自冲铆接,测量铆接接头的外观质量与接头剖面几何参数。通过拉伸-剥离仿真试验,探究凹模断裂损伤对SPR铆接接头的连接质量的影响。试验结果表明:凹模损伤会对接头表面外观质量造成损伤,并且会随着凹模损伤程度的增加而增大;凹模没有发生断裂时,凹模损伤对接头剖面的几何参数不会产生太大影响;凹模发生断裂,会降低接头的连接质量。     

无铆和自冲铆在汽车行业中的应用

采用不同厚度板材对自冲铆铆接和无铆钉铆接进行两种连接方法试验。通过拉伸试验测定接头抗剪强度,并结合接头失效形式、接头剖面形貌对铆接接头进行综合评价分析。结果表明:板材越厚,无铆和自冲铆接头失效过程中需要吸收更多能量,因而有更高的连接刚度和抗剪强度;无铆接头常见失效形式为上下板材拉脱失效;自冲铆接头常见失效形式为板材撕裂失效和铆钉腿部拉脱失效。     

TA1铆焊复合接头与自冲铆接头力学性能对比

采用铆焊复合连接技术(对TA1进行自冲铆接后,再对其进行电阻点焊)对TA1钛板进行了连接,通过分析TA1铆焊复合接头与自冲铆接头的载荷-位移曲线和宏观失效形式,比较了TA1铆焊复合接头与自冲铆接头在静力学性能、截面成形、失效机理、能量吸收值等方面的不同。结果表明:铆焊复合接头的平均静失效载荷大于自冲铆接头的平均静失效载荷;与自冲铆接头相比,铆焊复合接头中铆钉与板材、板材与板材之间接触更致密;铆焊复合接头的失效形式为铆钉腿被切断,同时伴随下板撕裂,自冲铆接接头的失效形式为铆钉腿被切断;在能量吸收值方面,铆焊复合接头相比自冲铆接头更大。     

不同结构形式的航空铝合金自冲铆接接头的静失效行为

采用自冲铆接技术制备了5052铝合金在凸底和平底两种模具下的铆接结构。通过改变板材的搭接形式,开展了自冲铆接接头在拉伸-剪切和剥离载荷作用下的力学响应及失效行为分析。结果表明：薄板作为上板铆接可以承受更高的剪切载荷并可增大失效位移。当板厚相同时,平底模具接头的抗剪切能力和抗剥离能力优于凸底模具接头。从宏观角度,凸底模具接头的失效形式主要为纽帽粘附铆钉底部从下板拔出失效,同时有上板断裂失效形式出现;平底模具接头的失效形式为拉脱失效以及上板轻微撕裂而导致的铆钉嵌入下板失效。从微观角度,平底模具剥离接头以上板在铆口的剪切断裂为主要失效原因;对于薄板作为上板的凸底模具单搭接头,失效机理为上板的微孔聚集型韧性断裂;其余因铆钉拔出而失效的接头,其下板铆口处呈现显著的刮擦形貌。     

实心铆钉自冲铆接数值模拟及参数优化

采用DEFORM-2D有限元分析软件对实心铆钉自冲铆接工艺过程进行数值模拟,分析了铆接成形过程中板料断裂损伤的分布以及发展趋势,实验证明:数值模拟的剖面形状与实物剖面形状一致.通过数值模拟得出的应力分布规律,优化了实心铆钉几何形状,在铆钉的头部铆钉杆采用过渡圆角,使得应力分布合理;优化压边力、间隙、凹模圆角,可以有效提高铆接质量和外观.     

铆向组合对双铆钉自冲铆接头力学性能的影响

为探究铆向组合对双铆钉自冲铆接头力学性能的影响,制备不同铆向组合的5组双铆钉自冲铆接头,通过拉伸-剪切试验,分析各组接头的宏观失效形式,并对接头失效断口进行扫描电子显微(SEM)观察,分析其失效机理;同时运用MATLAB对接头的剪切刚度、静失效载荷、失效位移及能量吸收值进行分析。结果表明:铆接方向会影响接头的失效形式及变形程度,从而影响接头的力学性能。窄板双铆钉自冲铆接头的失效模式为板材韧性断裂,宽板接头的铆钉脱离下板。铆向影响窄板接头在弹塑性阶段的剪切刚度,但对宽板接头的刚度无显著影响。对于靠近铆接区自由端处的铆钉,当铆钉脚朝外时,窄板接头的静失效载荷最强,但失效位移、能量吸收值减小;两铆钉铆向相反时,宽板接头可获得更大的静失效载荷和失效位移。     

TA1/5A06同质自冲铆接头的力学性能北大核心CSCD

为了进一步研究自冲铆接技术在航空航天领域的应用,选用TA1钛合金和5A06铝合金航空合金薄板材料作为基板,采用自冲铆接技术进行连接,并通过拉伸试验和扫描电镜试验对接头的静力学性能及微观组织进行系统的研究。结果表明:同质接头的成形对称性良好,铆接较硬板材时易出现空腔;基板的自身性能对接头静载强度的影响较大;5A06-5A06接头的失效位移最大,上板拉脱是由于铆钉周围产生了微裂纹;TA1-TA1接头的静失效载荷最大,缓冲吸震性能较好,其接头铆钉的断裂形式为沿晶断裂和显微孔穴聚集共同作用的混合型断裂。     

粘接剂对铝合金自冲铆接头力学性能的影响

制备了5052铝合金和8090铝锂合金的同质单搭自冲铆接头和同质单搭粘接-自冲铆复合接头。通过静力学试验获得各组接头的静失效载荷,并计算了各组接头的能量吸收值。分析了各组接头的成形质量及宏观失效机理。结果表明:粘接剂(3MDP100)使5052铝合金自冲铆接头静失效载荷增加了2.30%,使8090铝锂合金自冲铆接头静失效载荷降低了5.37%;粘接剂的使用对接头成形质量影响较大,其相对降低了自冲铆接头的能量吸收值;5052铝合金自冲铆接头的失效模式为下板与铆钉分离;8090铝锂合金自冲铆接头的失效模式为下板与铆钉分离,上板靠近铆钉附近地方发生轻微撕裂且下板出现脱层现象;两种复合接头的失效模式均为下板与铆钉分离以及基板与胶层粘接界面的次价键被破坏。     

向心率对椭圆管状铆钉自冲铆接性能的影响

椭圆管状铆钉属异形铆钉,为研究椭圆向心率对管状铆钉铆接性能的影响,文章对椭圆管状铆钉自冲铆接过程进行数值模拟,对不同向心率的椭圆管状铆钉自冲铆接的搭接、对接和十字搭接接头进行静态拉伸试验、剖面质量试验和失效形式分析。结果表明,向心率对椭圆管状铆钉铆接性能有较大影响,随向心率的减小,铆接性能逐渐变差;向心率大于0.4时铆接性能相对较好,具有足够的铆接强度;放置形式对搭接接头和对接接头的静态拉伸强度有一定影响。     

TA1钛合金自冲铆接接头疲劳性能及失效机理分析

采用轴向加载的形式对TA1钛合金自冲铆接试样进行疲劳试验,分析了不同因素下试样的疲劳强度变化规律;通过扫描电镜对试样失效断口和微动磨损进行分析,研究试样的失效机理. 结果表明,在同种铆接因素下,试样疲劳强度随应力比的增大而增大,随最大载荷值的增加而下降. 通过断口分析发现,铆钉断裂失效时,疲劳裂纹主要产生在钉胫外侧;基板断裂失效时,疲劳裂纹首先萌生在铆钉胫尾部与下板接触区域. 基板与铆钉的微动磨损在某种情况下存在竞争机制,当铆钉微裂纹扩展速率大于基板时表现为铆钉失效,反之为基板失效.     

30%碳纤维增强PA6复合材料的超声焊接-铆接复合连接工艺

该研究采用一种特殊设计的具有双凸缘结构的铆钉，制备了30%碳纤维增强PA6复合材料的超声波焊接-铆接复合连接接头，研究了焊-铆接头的宏观形貌、截面结构、失效形式、抗剪强度和剥离强度，并分析了焊-铆接头力学性能的改善机制。结果表明，超声波焊接-铆接复合连接的过程由库伦摩擦、铆钉铆入上板、铆钉铆入下板、焊合面材料熔化和凝固5个阶段组成。所制备双凸缘钉子的沟槽有效阻止了接头焊合面熔化材料的溢出，促进了铆钉与铆接板材间的机械互锁和铆钉周围焊核的形成，因此改善了焊-铆接头的抗剪强度、剥离强度和吸能性能。相对于抗剪强度，其对剥离强度的改善效果更显著。采用最佳焊铆参数下制备的焊-铆接头的抗剪强度和剥离强度较单一超声波焊接头分别提高了29.9%和39.2%。焊-铆接头的强度的改善缘于焊合面上铆钉周围形成的焊核及铆钉与铆接板材间的机械互锁的综合作用。     

1420铝锂合金自冲铆连接工艺及静态失效机理

采用两种规格铆钉对1420铝锂合金板的自冲铆接过程进行了数值模拟,并对模拟结果进行了验证。基于拉伸-剪切试验研究了两种铆钉接头的静力学性能和失效模式,并利用扫描电子显微镜对试件进行微观失效分析。结果表明:试验结果与模拟结果具有良好的一致性。大规格铆钉接头的静力学性能明显优于小规格铆钉的自冲铆接头。两种接头的失效模式均为下板与铆钉分离;大规格铆钉的接头上板出现严重撕裂,属于韧性断裂。     

自冲铆接铆钉材料流场的数值模拟研究

以厚度为2 mm的同种AA5052铝合金板料为铆接对象，利用Simufact Forming16.0软件建立铝合金自冲铆接的仿真模型。设定不同水平的铆钉内腔高度和铆钉高度，分别进行模型非线性有限元计算。分析了不同铆钉工艺参数下铆钉材料流场变化以及对接头成形质量和铆接最大冲压载荷的影响。试验表明：仿真结果与实际的接头截面成形效果相似，接头主要变形区域内的板料流速较大；较小内腔高度的铆钉形成的接头内锁结构更优，残余底厚为0.784 mm、钉脚张开度为1.058 mm,铆钉材料径向流速更快；钉脚张开度、铆钉材料径向流速和铆接的最大冲压载荷均随着铆钉高度的增加而增大，残余底厚随着铆钉高度的增加而减小。     

铆接力对铝/钢自冲铆接头几何特性的影响

以铝合金为穿孔板、以低碳钢为锁紧板,对其进行了自冲铆连接。观察、分析了接头横断面几何特性随铆接力的变化。随着铆接力的增大,铝合金与钢自冲铆接头的喇叭口直径、铆钉腿展开度、切入量均呈增大趋势,而下板凸起高度、底角余量则呈下降趋势。在16～24 kN铆接力范围内,铝合金与钢自冲铆接头的底部厚度变化较小,当铆接力大于24 kN,底部厚度随铆接力的增大突然下降。结果表明:铝合金与钢自冲铆接头的抗剪载荷随着铆接力的增大呈先增大后下降的变化趋势,铆接力为24 kN时接头抗剪载荷达到最大,约为5.88 kN。     

半空心铆钉自冲铆接工艺过程的数值模拟

采用DEFORM-2D软件对半空心铆钉自冲铆接工艺过程进行数值模拟,分析了铆接成形过程、应力应变和行程载荷变化趋势.采用观察铆接截面形状和行程-载荷曲线的方法,分析了凹模凸台高度和铆钉材料对铆接接头质量的影响.结果表明,在一定范围内增加凹模凸台高度,能提高铆接接头的自锁性能;适当硬度的铆钉有利于形成具有良好的力学性能的铆接接头.     

5052铝合金单搭自冲铆接头微动疲劳损伤机理研究

采用5052铝合金单搭自冲铆接头进行疲劳试验,研究了微动疲劳损伤对单搭自冲铆接头疲劳寿命的影响。并运用扫描电镜和能谱仪对接头微动损伤区域进行了微观分析,研究了接头微动疲劳损伤机理。结果表明:在应力比为0.1、最大疲劳载荷为接头拉剪强度的80%时,接头疲劳寿命为36826次;最大疲劳载荷为接头拉剪强度的30%时,达到疲劳寿命极限200万次。接头疲劳寿命与其微动疲劳损伤程度有关,微动疲劳损伤会减弱接头的疲劳寿命。接头疲劳失效形式主要为下板沿铆钉扣处断裂,断裂方向与加载方向垂直。接头微动疲劳损伤过程可分为微动损伤阶段和微动疲劳阶段。在微动损伤阶段,微动磨屑在接头微动接触面不断产生。在微动疲劳阶段,脱层和微裂纹的出现导致接头失效。