钢铝压-胶复合连接接头力学行为与失效机理研究

在钢铝压印连接界面之间加入胶粘剂,能有效提高接头性能,但接头的力学行为与失效机理非常复杂.以双相高强钢板DP590和铝合金板6061-T6为连接材料,对钢铝压-胶复合连接接头的力学行为和失效机理进行了有限元模拟和试验研究.基于ABAQUS有限元分析软件,采用GTN(Gurson tvergaard needleman)模型+内聚力(Cohesive zone)模型的混合失效模型,模拟了压-胶复合连接接头的成形和失效行为.通过压印连接、胶接以及压-胶复合连接接头的搭接剪切试验,对比分析了以上3种接头的失效模式和力学行为.结合压-胶复合连接接头的胶粘剂分布规律和胶层失效过程,揭示了压-胶复合连接接头的失效机理.     

异种材质自冲铆接接头成形质量研究

以汽车零/部件常用材质双相钢和铝合金的自冲铆接接头为研究对象,采用Simufact.forming有限元模拟仿真软件建立双相钢DP600和铝合金AA6061的自冲铆模型,按基板的不同叠放顺序和铆钉规格进行自冲铆接数值模拟。通过分析铆接接头的钉头高度等参数,找出了铆钉长度和基板的叠放顺序对上下2种叠层材料自冲铆接过程及接头连接质量的影响规律。结果表明:DP600和AA6061为基板的自冲铆接模拟仿真试验中,铆钉长度为6.0 mm时的连接质量最优;铆钉相同而基板叠放顺序互换时,上层为DP600和下层为AA6061的铆接接头质量优于基板叠放顺序互换的铆接接头质量;铆钉长度在一定范围内增大可提高自冲铆接接头的自锁性能,提升自冲铆接接头的质量。     

DP780/AA6061薄板自冲铆接头微动损伤特性

对高强钢DP780与铝合金AA6061薄板的异质自冲铆接连接工艺进行研究,并分别制备了不同搭接顺序的DP780/AA6061(SA)和AA6061/DP780(AS)接头。对两组接头进行了高周疲劳试验,对比分析了两组接头的疲劳性能与失效行为,并进一步利用微观检测技术较系统地分析了两组接头的微动损伤机理。结果表明:AS接头的疲劳性能明显优于SA接头,且两组接头疲劳失效模式依次为铆钉断裂和下板断裂。SA接头和AS接头的上板近端与下板末端接触区域、上板近端与下板远端接触区域和铆钉与下板近端接触区域均发生微动磨损。微动磨损会导致SA及AS接头的铆钉和下板近端均出现疲劳裂纹,由于板材性能的差异,裂纹在铆钉和下板上的传播路径和扩展速率不同,最终导致接头失效模式存在差异。     

高强钢-铝合金异质薄板无铆成形连接试验

针对性能差异较大的异质材料6061-T6铝合金和HC340/590DP双相钢的无损伤连接问题,对基于无铆成形连接的钢铝混合车身连接技术进行研究,通过试验研究了钢-铝无铆连接的成形规律以及不同搭接形式下的连接质量。分别对上钢下铝和上铝下钢两种无铆连接接头形式的连接质量进行研究,利用成形截面颈部厚度、自锁值、底部厚度等重要工艺参数,分析了成形力对接头质量的影响规律。通过拉剪试验研究了无铆接头的强度和能量吸收值。分析和试验结果表明,采用上钢下铝的连接方式,成形力为40 kN时无铆接头质量较好,其强度与安全性均符合设计指标的要求。     

6061/A356异种铝合金脉冲MIG搭接焊*

利用直流脉冲MIG焊接技术,进行6061变形铝合金与A356铸造铝合金板材的搭接焊接,并分析接头的力学性能、微观组织及元素分布。拉伸试验结果表明,当A356铸造铝合金板在上,6061变形铝合金板在下,焊枪行走速度为10 mm/s时,搭接接头抗拉强度最高,为95 MPa。接头拉伸试样的断裂位置都位于焊缝区,断裂形式主要为混合型断裂。微观组织及元素分析结果表明,在A356铝合金一侧的部分熔融区内发生Fe和Mg元素偏聚,形成了片状Al-Fe-Si相和颗粒状Al-Fe-Mg-Si相,这两种富Fe相会削弱接头性能。在6061铝合金一侧的部分熔融区内产生了晶界液化,形成了Al-Mg-Si-Cu相+Al固溶体贫化区的液化组织,且该相周围有Fe元素偏聚。三角区是接头中最薄弱的位置,接头拉伸试样均起裂于此并最终断裂于焊缝。     

电弧辅助铝/镀锌钢涂粉激光熔钎焊界面特性与性能

采用钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊辅助激光熔钎焊方法,实现了5A06铝合金/镀锌钢异种金属涂粉的对接熔钎焊连接,观察分析对接接头焊缝成形、界面微观结构,并测试接头的力学性能。结果表明:选择合适的焊接参数,采用电弧辅助激光熔钎焊方法能够得到良好的铝/镀锌钢对接接头,辅助电弧使得铝合金母材的熔化量显著增多,提高了液态金属在钢背面的润湿铺展,促进了铝/镀锌钢对接接头底部的界面反应。钎焊界面上反应形成不均匀分布金属间化合物层,厚度为3~12μm,其厚度随着焊接电流的增加而增大。通过能谱(Energy dispersive spectrometer,EDS)和X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析表明,一种为向镀锌钢基体内生长的呈锯齿状的Fe2Al5,另一种为向焊缝侧生长的呈絮状的Fe4Al13。随着焊接电流的增大,熔钎焊接头的抗拉强度先增大后减小,接头的抗拉强度最高可达163 MPa。接头的底部和焊缝/镀锌钢对接面的下部为连接的薄弱环节,容易成为断裂的源头。与单一激光熔钎焊相比,采用此方法可增加液态金属对母材的润湿铺展能力,获得力学性能良好的熔钎焊对接接头。     

不同坡口面角度镀锌钢/铝合金激光熔钎焊接头的界面组织和拉伸性能

采用ER4043焊丝对6061-T6铝合金板和AISI 1045镀锌钢板进行激光熔钎焊,铝合金板的坡口面角度为30°,钢板的坡口面角度分别为30°和60°,研究了钢侧钎焊界面的显微组织和微区成分,测试了接头的拉伸性能.结果表明:钢板坡口面角度为60°时接头在焊趾和焊根处的钎焊界面处均形成富锌区,并出现微孔洞,其他区域界面处形成了连续的金属间化合物层;钢板坡口面角度为30°时接头仅在焊趾处形成富锌区,整个钎焊界面处均形成了连续的金属间化合物层;在2种接头中,钢板坡口面下部区域的金属间化合物层厚度均较大,并且钢板坡口面角度为30°时接头中的金属间化合物层厚度大于钢板坡口面角度为60°时的;钢板坡口面角度分别为30°,60°时,接头的平均抗拉强度分别为120.3,151.7 MPa,拉伸断裂均发生在钢/焊缝界面处,均为解理断裂.     

螺纹铆钉式搅拌摩擦铆焊塑性连接机理及接头力学性能研究

为了获得铝合金板材高性能点连接接头,兼顾机械连接与固相焊接的技术优势,采用不同焊具开展了铝合金板材搅拌摩擦铆焊试验。对比研究铆焊成形力、接头形貌及塑性变形机理和力学性能及失效行为,以期阐明螺纹铆钉式搅拌摩擦铆焊工艺对接头性能的强化机制。结果表明：搅拌摩擦铆焊过程中,随工具头位移变化,铆焊成形力呈先迅速增大、达到峰值后在一定范围内保持最后迅速降低的变化趋势;螺纹铆钉搅拌摩擦铆焊接头上下板材之间形成了冶金结合,螺纹铆钉与塑化材料之间形成机械连接;轴肩下方上板的有效板厚、搅拌区的有效结合宽度以及铆钉与被焊材料的有效铆合高度是影响螺纹铆钉搅拌摩擦铆焊接头力学性能的关键技术参数;螺纹铆钉搅拌摩擦铆焊接头的拉伸剪切峰值载荷达到了传统搅拌摩擦点焊接头的1.65倍,十字拉伸峰值载荷达到了传统搅拌摩擦点焊接头的2.7倍。     

5056铝合金/镀锌钢预置涂粉激光熔钎焊组织及性能研究

针对铝/钢焊接的技术难点,采用预置金属粉末的方法,对5056铝合金与ST04Z镀锌钢板进行CO2激光搭接熔钎焊,分析熔钎焊接头成形、接头连接界面的显微组织及其力学性能。结果表明,选择合适的焊接参数,涂粉后能够实现铝合金与镀锌钢的优质连接;熔钎焊接头没有明显的针状Al-Fe金属间化合物向熔化区析出,且过渡层最大厚度小于10μm,在熔化区边缘和熔化区与铝合金结合处熔钎焊根部出现两个富Zn区,Si、Zn、Mn、Mg等元素与Fe和Al或直接形成化合物,或形成固溶物,抑制了Al与Fe直接接触形成脆硬的金属间化合物;接头拉伸试样断裂形式有母材热影响区断裂和焊缝处断裂两种,焊缝处断裂面在铝熔化区一侧,接头平均机械抗力达190 N/mm,约为母材的85.2%。采用此方法可减小铝/钢熔钎接界面过渡层厚度,获得力学性能良好的熔钎焊接头。     

基于激光——MIG复合热源的5A02铝合金/镀锌钢熔——钎焊

基于激光--MIG复合热源焊接技术实现了5A02铝合金/镀锌钢异种金属板材的优质、高效熔-钎焊接,并对焊缝的成形、接头性能及微观结构作了分析.分析结果表明,该焊接技术可以实现5A02铝合金/镀锌钢的高速熔-钎焊接,最高焊接速度可达5 m/min,焊接接头中镀锌钢母材未发生熔化,铝焊缝与镀锌钢母材为钎焊连接;焊接接头的抗拉强度可达153.1 Mpa,约为5A02铝合金母材抗拉强度的75.7%,接近于该铝合金熔化焊接头的强度;拉伸试验中试样断裂在焊缝铝合金母材热影响区,接头的断裂主要是塑性断裂,但有脆性断裂的痕迹.对接头的组织和结构进行分析表明:焊缝钎接界面处生成了一薄层Al-Fe金属间化合物,化合物层的平均厚度约为1.51μm,生成的金属间化合物主要为Fe3Al、FeAl2、Fe2A15、FeAl3,并且在这些化合物的周围会产生Si元素的富集.     

钢铝搅拌摩擦焊搭接接头的机械结合与冶金结合方式

为了在汽车制造业中实现节能环保的目的,铝合金在车身材料中的应用是实现汽车结构轻量化的重要途径。然而,钢/铝异种材料的连接问题尚未得到解决。考虑采用搅拌摩擦焊方法连接钢/铝异种材料,通过控制搅拌针的压入量,获得两种不同结合方式的接头:一种是搅拌针进入钢材中,形成机械+冶金结合的接头;另一种是搅拌针不进入钢材中,仅通过热传递的方式将摩擦热量传输到钢/铝冶金界面上形成冶金结合的接头。对形成的异种材料接头进行剪切测试和连接界面观察。研究结果表明,钢板上的镀锌层对钢/铝接头的形成具有重要影响。在机械+冶金结合的接头中,钢/铝之间的冶金界面层较厚,主要由Al、Zn元素组成;而在冶金结合接头中,界面层的厚度仅为2~3μm,且主要由Fe、Al元素组成,并对影响接头强度的影响因素进行探讨。     

镁/钢异种板自冲铆连接及耐腐蚀性能研究

现有的镁/钢件连接技术尚不能完全满足实际应用的技术要求，压铆、锤铆和旋转半空心铆钉自冲铆接技术(SPR)等容易使镁合金件产生开裂；电阻点焊和搅拌摩擦焊等技术连接强度太低，达不到连接强度要求；螺栓连接和拉铆必须预先打孔，存在操作和装配不方便等问题。研发了一种爆炸驱动的超高速自冲铆接用铆枪和铆接新工艺，铆钉从射钉器的射击口射出的速度大于152m/s，从而实现镁合金板与钢板的实心铆钉自冲铆接，避免镁合金板的开裂，使镁/钢牢固连接，拉剪力F_m≈5273.1N。采用此技术铆接的镁/钢板材试样用密封胶对铆钉及连接搭接部位缝隙进行密封后，耐腐蚀实验(GB/T6461-2002)研究表明，中性盐雾测试结果可达1500小时10级，即试样完好，无腐蚀破坏发生。     

铝合金大功率超声波焊接界面及接头性能研究

尽管大功率超声波焊接更适合异种金属的焊接,在汽车轻量化上应用的研究较少.研究6061-T6铝合金与纯铜、6061-T6铝合金与DC04钢大功率超声波焊接的界面及接头性能,主要包括界面的温升、中间相的生成以及接头的力学性能、拉伸断口形貌.结果表明,在钢/铝超声波焊接中,在焊接时间1s、压力1.98 kN和振幅27 μm时,界面生成厚度为1.70 μm、主要成分为FeAl3和Fe2Al5且连续分布的中间相;近一半的超声功率转化为界面能量;焊接区域面积明显大于焊头端面;界面发生了较大的塑性变形,存在明显的机械互锁;接头的最高强度为3.95 kN,拉伸破坏行为为界面式破坏,且断裂模式为韧性-脆性复合断裂.在铜/铝焊接中,在焊接时间0.54 s、压力1.45 kN和振幅25 μm时,界面生成厚度为1.95μm、主要成分为Al2Cu的中间相,获得的接头最高强度为3.20kN,其拉伸破坏行为为拉拔式破坏.研究了中间相厚度与接头强度的关系,适当的IMC厚度能促进连接.     

高强钢厚板激光-GMAW复合双面同步横焊特性研究

针对30 mm厚船用高强钢10Ni5Cr Mo V对接接头横焊应用需求,开展激光-熔化极气体保护电弧(Gas metal arc welding,GMAW)复合双面同步横焊特性研究。研究结果表明,针对横焊位姿因重力、非对称坡口对熔滴、电弧的影响,利用激光对电弧的吸引和收缩作用,通过减小光-丝间距,有效地抑制了电弧侧壁燃弧,熔滴在电磁力和等离子流力的作用下,稳定过渡到熔池中,实现了熔滴过渡稳定性控制,解决了激光-GMAW复合横焊位姿电弧偏离和熔滴下落等过程控制难题与侧壁未熔合问题;厚板激光-GMAW复合双面同步横焊包括打底层和填充层焊接,其中打底层焊接是保证接头焊接质量的关键;采用激光-GMAW复合双面同步横焊新方法,4道焊接完成了30 mm厚船用高强钢10Ni5Cr Mo V横焊位姿的高强、高效连接。焊缝表面成形良好,无裂纹、未焊透和侧壁未熔合等缺陷。接头的抗拉强度高于母材,且其–50℃冲击吸收能量为57.3 J。     

铝-铜合金异质材料复合搭接自冲铆性能研究

通过试验方法研究不同刺穿方向下铝合金和铜合金(简称Al-Cu)组合的自冲铆(SPR)接头的力学性能,并进行材料性能测试。对Cu-Cu的SPR接头进行铆接试验和有限元模拟以分析其可成形性。对不同刺穿方向下Al和Cu组合的SPR接头进行力学性能测试,获得其载荷-位移曲线。结果表明:SPR接头抗拉伸剪切强度高于抗剥离强度;Cu-Cu接头强度最高,Cu-Al次之,Al-Cu最小。拉伸剪切条件下,内锁结构决定接头力学性能,失效模式均为铆钉从下板中被拉出;剥离条件下,内锁结构和板材特性决定接头力学性能,上板强度较小时,铆钉从上板铆孔处脱离;下板强度较小时,铆钉脱离下板;上、下板强度较高且接近时,铆钉脱离下板。     

SPFC440钢/5052铝自冲铆接头与胶铆复合接头腐蚀性能对比

为研究SPFC440钢与5052铝合金自冲铆接头的腐蚀性能,分别制备了自冲铆接和胶铆复合两种接头。通过对不同腐蚀时长下的两种接头试样进行疲劳性能测试,分析了粘胶剂对铆接接头腐蚀疲劳性能的影响,并对疲劳断口、裂纹扩展进行SEM和EDS检测。结果表明：粘胶剂的存在不仅提高了接头强度,还保护了金属界面,减小了电偶腐蚀的影响;随着腐蚀时间的增长,复合接头的最大静载荷值不断减小,自冲铆接接头最大静载荷先增大后减小;复合接头的拉伸失效模式与自冲铆接接头的失效形式相似;自冲铆接接头的疲劳裂纹主要集中在下板料的铆钉周围,复合接头主要为下基板的断裂;铆钉与下板相互接触区域以及两板间接触面出现了严重微动磨损。     

铝/镀锌钢薄板异种金属CMT熔钎焊接头组织与力学性能

采用冷金属过渡方法对铝合金和镀锌钢板进行了熔钎焊连接,使用扫描电镜、能谱分析和拉伸试验分析了接头的截面形貌、组织特征、焊接缺陷及力学性能。试验结果表明,铝合金和镀锌钢能得到成形美观、性能良好的搭接接头。对焊缝金属的组织特征分析表明,焊接接头由熔化区、中心界面区、过渡界面区和富锌区组成,在焊缝金属和镀锌板的界面区形成厚度为3～4μm的金属间化合物层(主要成分为Fe3Al、FeAl2、Fe2Al5和FeAl3),富锌区由富铝的固溶体和残留的锌组成。在进行拉伸试验时,断裂发生在热影响区,接头强度为204MPa。     

一种新型钢铝连接技术的疲劳耐久性能研究

介绍了一种新型钢铝连接技术IW(Intelligence Welding),该技术通过将特制钢钉冲压铆入铝板和特制钢钉与钢板进行点焊两步工艺完成钢板与铝板的连接。为了完善基于连接强度的接头疲劳耐久性能数据,通过疲劳耐久性能试验获取此种钢铝连接技术的接头疲劳耐久性能。结果表明:相同载荷条件下,钢铝IW连接接头的剪切疲劳寿命远高于十字拉伸疲劳耐久寿命。     

轻量化薄板无铆钉铆接的力学性能及接头断裂机理

轻量化作为汽车节能减排的重要手段,得到世界各国的高度重视。目前车身大都采用多材料混用,而异质材料用传统电阻点焊难以形成可靠连接。无铆钉铆接技术是一种冷成形连接工艺,避免了接头热输入问题,通过材料的机械自锁作用形成有效接头。文章通过控制铆接行程,凸凹模直径等参数对不同材料匹配的铆接试样进行拉剪实验。结合成形过程中力-位移曲线,研究无铆钉铆接接头的力学性能及断裂机理。研究发现,拉剪过程中铆接试样出现三种断裂模式,即上层板铆钉压溃,界面断裂和下层板铆钉塑性变形。其中,发生下层板铆钉塑性变形断裂模式的试样表现出更高的拉剪强度和较好的吸能效果。对于界面断裂、上层板接头颈部发生开裂,接头拉剪强度取决于上层板侧壁厚度。     

6061铝合金/Q235镀锌钢冷金属过渡熔钎焊接头的显微组织及拉伸性能

采用冷金属过渡(CMT)熔钎焊工艺对6061铝合金和Q235镀锌钢异种材料进行了对接焊,并对焊接接头的显微组织和拉伸性能进行了研究。结果表明:焊接接头表面成形质量良好;焊接接头由熔化区、热影响区和界面层等3部分构成;熔化区组织由α-Al固溶体和铝硅共晶组织组成,热影响区组织较母材的发生了粗化,界面层形成了金属间化合物(IMCs),界面层厚度约为8μm,且界面层向熔化区单向生长;6061铝合金母材侧的焊接热影响区的硬度最低(42HV),界面层的硬度最高(365HV);对接接头的抗拉强度为161 MPa,约为6061铝合金的0.69倍,抗拉强度明显高于搭接接头的。