新材料与工艺手册

[无铆连接] 影响汽车轻量化板料无铆钉连接接头强度的因素

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发表于 2019-8-13 15:16:31 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】摘要:为了研究工艺设计对无铆钉连接接头强度的影响,以6061、5052铝合金和Q235普通碳素结构钢板料为无铆钉连接的试验材料,制作同种材料、不同材料、相同厚度和不同厚度的无铆钉接头。通过三种材料的载荷-位移曲线,确定板料的放置位置。对接头进行热处理,并对不同数量接头、不同拉伸速度、不同剪切角度以及不同组合进行试验,探讨各因素对接头强度的影响规律。结果表明;530℃的固溶处理(保温2 h)获得的6061-6061铝合金接头强度最高;随着接头数量和接头剪切角度的增加,接头强度增加;低速拉伸情况下,接头强度变化较小。
关键词:无铆钉接头;接头强度;热处理温度;接头质量

近年来,随着汽车行业的快速发展,对汽车轻量化金属的研究受到重视,并取得一定的成果。汽车轻量化程度是评价汽车质量的一个重要标准,采用轻型材料、合理结构和合理成形工艺能够实现汽车节能减重。由于铝合金材料具有一系列优良特性,如密度小、比刚度和比强度高、抗冲击性能良好、耐腐蚀、易表面着色等,使其成为汽车轻量化的理想材料。汽车车身用板料的连接主要针对同种材料、异种材料、相同厚度和不同厚度的金属薄板的连接。由于钢和铝的熔化温度、线膨胀系数及导热系数方面的差异,导致板材的连接问题成为汽车轻量化的主要障碍[1]。

目前在汽车覆盖件连接中最节能的一种方法就是塑性变形连接,包括有铆钉连接和无铆钉连接两种。无铆钉连接方法正逐渐得到广泛的应用。无铆钉连接技术是利用专用的凹凸模具对连接板件进行冷冲压,根据金属板料的塑性变形能力,不添加任何辅助材料,通过板件之间的内嵌达到连接目的,如图1所示。考察接头质量的现场标准主要通过百分卡表对底厚值进行定性考核,现场确定接头质量。

研究钢铝无铆钉连接的成形机制,对于在汽车工业生产中利用压力连接技术解决钢铝连接问题具有重要的指导意义。影响钢铝连接质量的因素包括材料本身的特性、模具尺寸、压力等参数[3]。因此,探讨钢铝无铆钉连接过程中的板料放置位置、凸模冲压速度、表面摩擦因数、模具尺寸对钢铝无铆钉连接点质量的影响,对于揭示钢铝无铆钉连接的成形机制有重要意义[4-6]。无铆钉连接是一种新的连接方法,但其连接结构和锁铆连接以及螺栓连接结构相似。螺栓连接属于刚性连接,而无铆钉连接主要依靠板料本身的性能而建立起的过盈配合,并使两个板料依靠本身的性能形成机械锁。先前的文献几乎没有对圆形接头的剪切强度进行预测[7-14],参考文献[13]中讨论了抗拉强度,提出预测抗拉强度的分析模型,模型中最重要的影响因素是接头几何尺寸和材料的力学行为,通过有限元分析计算最终的几何形状和板料成形后的力学性能。影响接头质量的因素很多,如图2所示,包括内因和外因两部分,内因和外因相互影响。接头的几何尺寸是影响接头质量最直接的因素。

图1 无铆钉连接过程

Fig.1 Clinching process


图2 无铆钉接头质量的影响因素[2]

Fig.2 Influence factors of the strength of the clinched joint


本试验针对无铆钉连接用的三种板材Q235普通碳素结构钢、6061铝合金、5052铝合金板进行了大量的力学性能等试验,两两搭接设计成6种不同的组合方式,在FCE08-500无铆钉塑性连接的计算机测控试验台架上进行大量的塑性连接工艺试验(相同材料、不同材料、相同厚度、不同厚度板料之间的连接),探讨不同组合、不同拉深速度、不同剪切角度、不同热处理温度以及不同点数对接头质量的影响规律。


1 试验过程

在连接过程中,金属板料的不同位置获得接头质量相差较大,主要原因之一是在冲压两层以上板料过程中,材料力学性能的差异导致其流动差异,进而影响接头质量。图3所示为三种板料的载荷-位移变化曲线。从图3可以看出,三种材料的力学性能差别较大,6061铝合金板和Q235普通碳素结构钢板的屈服强度接近,但是其韧性相差较大,因此在进行两种不同性能板料的连接时,一定要选择合适的板料位置。本试验采用了三种厚度的板材:2 mm厚的6061铝合金板,1.86 mm厚的5052铝合金板和1.45 mm厚的Q235普通碳素结构钢板。六种组合:6061与Q235,5052与5052,6061与5052,6061与6061,5052与Q235,Q235与Q235组合,包含了同种材料、异种材料、相同厚度和不同厚度的组合。

图3 三种板料的位移-载荷变化规律

Fig.3 Load-displacement curves of three sheets


对不同厚度、不同屈服强度的碳素钢板和铝合金板料进行塑性成形连接时,需要选择合适的位置进行压接试验。板料的流动情况受到模具几何尺寸的影响,因此在连接性能差异较大的金属板料时,需要通过仿真来优化模具尺寸。正常情况下,当板料的组合厚度确定后,模具的几何尺寸基本确定,但是由于板料性能差异较大,所以板料的位置成为重要的影响因素。当碳素钢板放到铝合金板下侧,则会获得质量较好的接头;当碳素钢板放到铝合金板上侧,在不改变模具尺寸的前提下,容易发生断裂。主要原因为变形集中在冲头附近,导致冲头圆角处剪切力增大。因此只有通过降低模具的深度来降低失效的发生率,对下模具的深度和直径进行优化以获得质量较好的接头,保证接头具有均衡的抗拉强度和抗剪切强度。

图4出示了一个合格接头和一个不合格接头。当5052铝合金板料放置在Q235普通碳素结构钢板之下,5052铝合金板料直接与下模具接触,导致失效,如图4a所示,可以看到失效位置发生在上板料的颈缩区,其失效属于异常失效,由于冲头和上板料之间的摩擦力或者模具几何尺寸不匹配而导致的韧性失效;当5052铝合金板放置到Q235普通碳素结构钢板之上,5052铝合金板料直接与上模具接触,则会获得一个合格的样本,如图4b所示。

图4 无铆钉连接接头

Fig.4 Clinched joints



两个板料的厚度相差较大,需要将薄板放置在下模具之上,厚板放置在薄板上侧,即6061铝合金板放置到Q235普通碳素结构钢板的上侧进行连接试验。当两个厚度相同的板料,在进行异种材料的连接时,则需要将屈服强度高的板料放置在下模具之上,能够获得较好的接头质量。对于相同材料、不同厚度板料,通常采用薄板放置在厚板之上[2]。而对于韧性相差较大的板料,需要选择韧性较好的板料放置在下侧。5052铝合金板的伸长率为11.42%,Q235普通碳素结构钢板的伸长率为32.43%,而钢板的屈服强度要高于5052铝合金板的,当Q235普通碳素钢板放置到铝合金板上面进行连接时,钢板的变形较大,铝合金板料还来不及填充下模具,上板料变形的材料没有流动空间,能量无法释放,最终发生断裂。针对6061铝合金与Q235普通碳素结构钢、5052铝合金与Q235普通碳素结构钢也设计了多种试验模式,获得相同的结论。因此针对性能相差较大的板料,要获得较好质量的接头,需要考虑板料的放置位置或者改变模具的深度。在本试验研究中考虑通过改变板料位置调整接头质量。铝合金板料和钢板进行连接时,将钢板放置在铝合金板料下侧,以保证接头的连接质量。当异种材料性能差别较大时,通过改变位置如果仍然不能获得理想的接头,则需改变模具的几何尺寸或连接工艺。在本研究中主要讨论了不同板料组合 (6061-5052、5052-Q235、6061-Q235、6061-6061、5052-5052、Q235-Q235由上向下放置)、不同接头数量(两点、单点)、不同剪切角度(45°、90°、180°),不同拉伸速度(2 mm/min、 10 mm/min、 20 mm/min、 30 mm/min)、不同固溶温度(430℃、450℃、530℃、570℃)以及不同的热处理方式(热处理接头530℃、热处理板料530℃)对接头强度的影响规律。


2 结果和讨论2.1 不同板料组合对接头强度的影响

以前的研究[2]讨论并验证了上板料的颈缩区厚度决定接头的抗剪切强度,即上板料的性能决定接头的性能。本试验证明即便是相同的上板料,如果选择不同的下板料所得的接头强度也会有明显的差别,这说明了下板料的材料性能也会影响接头的质量。图5为6061铝合金板料不同组合无铆钉连接接头的抗拉强度。如图5所示,相同的6061铝合金上料板,6061-6061接头的最大失效载荷(1.2 kN),6061-Q235接头的最大失效载荷(1.4 kN),6061-5052接头的最大失效载荷(1.05 kN)。虽然上板料的性能和几何尺寸决定接头的强度,但是对同样的上板料、不同的下板料的性能也影响接头的承载能力,即下板料的屈服强度高,则所获得接头质量要高。如果下板料的力学性能和上板料的力学性能相匹配,在连接过程中不会发生无法弥补的缺陷。

图5 6061板料不同组合无铆钉连接接头的抗拉强度[2]

Fig.5 Tensile strength of different clinched joint combinations of 6061 sheets[2]


对于相同的上板料,选择综合性能好的下板料进行连接,将获得质量好的接头。相同材料在成形连接过程中变形能力相同,所以接触面处形成比较圆滑的过渡;异种材料、不同厚度的板料获得的接头形状不如同种材料的规则、对称、圆润,主要因为两个板料的变形速率不同。待连接组合板料中,上板料的性能决定接头的抗剪切强度,但是由于不同板料的组合对强度影响较大,因此决定接头的抗剪切强度的颈缩厚度不仅与上板料的性能和几何尺寸有关,而且与下板料的性能也密切相关。


2.2 接头数量和剪切角度对接头剪切强度的影响

在进行无铆钉连接时,虽然局部发生剧烈的塑性变形,但是由于冲头半径较小,对冲头直接接触区域以外的材料性能影响也较小,在未变形区域几乎没有任何残余应力,且不受外力的影响,回弹小。接头处的材料发生明显的硬化现象,强度明显提高。因此,每个接头都可以当成一个受力点进行强度试验。图6所示为连接工艺图,单点连接、双点连接以及不同的压接角度或剪切角度连接。

图6 连接工艺图

Fig.6 Connection process


图7所示为三种材料6种组合的不同连接方式对接头强度的影响规律。样本包含了六种组合的四种连接方式。即单点的45°、90°和180°剪切,也包括两点的180°剪切。

对于相同的剪切方向,双点连接强度是单点连接强度的二倍。以图7a Q235-6061的接头为例,单点连接时,最大失效载荷为1.4 kN,两点连接时最大失效载荷为2.8 kN,其他图中描述的各个组合的规律相同。一般情况下,两点连接强度是单点连接强度的2倍左右。随着点数的增加,连接强度也呈近似线性增加。在无铆钉连接过程中,参与变形的部位主要在近冲头区。因此只要在连接时,选择合适的位置进行多点连接就能够保证接头质量,且不会受邻近区域接头的影响,而且也可以提高连接强度。汽车车身的接头不是以单点连接形式出现,所以可以尽可能地增加接头点数提高蒙皮的连接强度而且不增加汽车车身的总质量。前面对四个分区理论的研究可以证明,接头区域外材料性能对接头强度影响几乎为零。因此可以确定增加接头数量会提高板料连接的强度,而不损害板料其他位置的力学性能。

图7 六种组合不同连接工艺无铆钉连接接头的失效载荷

Fig.7 Failure load of clinched joints of 6 different combination with different techniques


提高质量预测的精度首先需要准确测试材料的力学性能和建立合适的数学模型[15]。R.Davies[10]等人研究了不同剪切方向下的最大失效载荷,测试结果表明,剪切载荷随着压接角度的增加而增加。如果圆形接头属于刚性连接,则剪切方向对失效载荷没有任何影响,但是由于无铆钉圆形接头结构的特殊性而导致压接角度对失效载荷有很大影响。一般的理论认为,圆形接头是轴对称的,因此剪切方向与接头的承载能力无关。而事实上,由于无铆钉连接的特殊性,虽然同螺栓连接一样,没有形成冶金结合,但是接头主要因母材塑性变形产生,且接头与母材仍然保持连接的状态,即接头仍然属于母材的一部分。圆形接头的连接也不像矩形接头具有明显的方向性,因此在拉伸过程中较大的相对滑移是不可避免的。然而不论滑移程度如何,接头形状如何,接头强度都会随着压接角度的增加而增加,压接角度为180°的接头强度高于压接角度90°接头的强度。图8主要描述两种压接角度的接头在准静载荷的作用下能量的损耗和载荷变化规律。不难发现,压接角度为90°的接头从最大失效载荷到断裂是陡峭下降的趋势,这说明在被扭转拉伸的过程中,接头受强化的程度严重。同时,从压接角度90°的接头失效规律看,90°压接角度的接头的韧性较好,消耗能量基本上高于压接角度180°接头的。

对压接角度为90°的接头进行剪切强度试验时,发现接头承受复杂的变形,包括挤压变形、扭转变形和拉伸变形,因此理论上所能承受的最大失效载荷小于压接角度为180°的接头的最大失效载荷。由于两个板料之间并没有形成牢固的金属键,只是通过机械锁在两个板料之间形成内嵌的接头,因此在进行拉伸试验时,两个接头会出现相对滑动。当两个板料的接触面由于摩擦力的作用发生锁死时,上板料颈缩区发生硬化,直至断裂。在图7a中,取压接角度为90°接头的失效载荷曲线上两个点,开始点代表相对滑移开始。在开始点之前,无论哪种压接角度的变化趋势和变化程度都是相同的,这一现象与螺栓连接的相同。在开始点之后,载荷随着位移增加而增加,但是增量变化较小。该现象产生的原因是由于两个板料之间的相对滑动而产生,虽然相对滑动使增量的步长减少,但是变形仍然继续,随着位移的增加,接头处的材料持续发生塑性变形。当载荷达到停止点时,相对滑动停止,两个板料被机械锁锁死,此时的失效是由于局部弯曲、剪切、挤压和拉伸而产生。接头处的材料被强化,强度迅速增加,韧性下降,因此在外力的作用下会出现急剧下降的现象,如剪切方向为180°时,失效载荷的变化规律。当剪切方向为90°时,剪切强度试验过程中,接头处将产生撕裂、剪断等失效形式。图8b可以看出,当压接角度为90°时,接头的失效耗能高于压接角度为180°的接头的。

图8 不同剪切角度下的能量损耗

Fig.8 Energy loss with different shear angles


图9所示为5052-Q235组合接头的抗剪切强度试验和抗拉强度试验获得的断口宏观形貌,两种断裂样本都是发生在颈缩位置的环形断裂。从断口形貌看出,压接角度为180°的接头形貌(图9a)和压接角度为90°的形貌(图9b)有明显差别。压接角度为90°的接头韧性较好,而压接角度为180°接头韧性比90°的差,但强度则相反。图9b可以看出,断口处具有明显的撕裂痕迹,这说明在进行剪切强度试验时,首先由剪切力产生强大的塑性变形,而后发生剧烈的撕裂,最后导致断裂。图9的断口形貌也能解释图8的剪切方向与最大失效载荷之间关系,能够揭示两种不同压接角度的接头强度差异的原因。压接角度为90°的接头韧性要高于压接角度为180°的接头韧性,而强度则明显低于压接角度为180°的接头强度。从断口形貌可以判断接头的受力情况,也能反应失效的演变过程。断口形貌比较复杂,不仅受所加外载荷方式(拉伸或剪切)的影响,也受加载过程的影响(拉伸转化为剪切)。当与拉伸方向呈现90°剪切时,机械锁有被拖拽的痕迹,上板料被扭转。

图9 5052-Q235接头宏观断口形貌

Fig.9 Macro fracture morphologies of 5052-Q235 joints


图10所示为6061-6061接头在剪切方向180°和剪切方向90°拉伸条件下的接头微观断口形貌。从断口形貌看出,接头失效是由孔洞的损伤累计而产生的一种韧性失效行为。因为剪切方向为90°的接头承受复杂力的作用,变形明显,韧性较好。剪切方向为180°的接头承受近似的剪切力作用,发生韧性失效。但是由于该接头是冲压连接过程的一个结果,因此在颈缩位置具有明显的纤维组织,图10a可以明显看到相似的椭圆孔洞,并具有一定的方向性,显示出接头具有较好的韧性和强度。对比图10b可以看到,断口虽然出现在颈缩区,但是由于剪切方向为90°的接头在失效过程中变形较复杂,在拉伸过程中承受较强的塑性变形而导致韧性失效。宏观形貌图9和微观形貌图10能够进一步揭示图8中对不同剪切方向下失效载荷与位移变化规律产生的原因。

图10 6061-6061接头不同压接角度的断口形貌

Fig.10 Crack morphologies of 6061-6061 joints at different press angles


2.3 拉伸速度对接头剪切强度的影响

在无铆钉连接过程中,板料在静载荷作用下,发生硬化形成带状纤维组织。因而在进行180°剪切方向的水平拉伸时,接头快速进入屈服阶段,迅速发生断裂。图11所示为低速加载时,拉伸速度对接头强度的影响情况。本试验则是考察不同轧制方向(0°,45°,90°)板料的组合接头的强度。从图11可知,当拉伸速度为2mm/min的接头韧性最高,而拉伸速度为30mm/min时韧性最差,而且随着拉伸速度的增加,强度几乎不会发生改变,韧性有明显提高。速度的变化对接头的承载能力影响较小,但速度对接头韧性有较大影响,速度越高接头韧性越差,速度越低韧性越好。

大量的试验表明,几乎所有的材料都存在一种所谓的临界变形速度,超过这一速度后,由于塑性变形来不及传播,材料的塑性急剧下降。不同材料具有不用的临界变形速度,大约在15 m/s~150 m/s范围内变化[2]。在临界变形速度范围以内,随变形速度增加,材料的变形抵抗力增加,塑性有不同程度的提高。不同材料对于变形速度反应不一样,对于铝合金,低速变形时塑性变化不大,高速变形时塑性相同或略有提高[16]。

在拉伸试验中,首先避免夹具和试样之间的滑移,其次要控制好拉伸速度,以免影响数据的准确性。国内外大量试验证明:试样的变形速度直接影响试验结果,当材料已经发生强化时,速度的改变对其强度的影响不是很大,但是随着速度的增加,材料的拉伸韧性在逐渐降低。当选择较慢的冲击速度时,达到破坏需要的时间更长。

图11 拉伸速度对接头强度的影响规律

Fig.11 Influence of tensile speed on the joint strength


2.4 固溶处理对接头剪切强度的影响

持续加温2 h到达目标温度,保温2 h,缓慢降温2 h至室温,6061铝合金经过不同固溶温度处理后的金相组织如图12所示。在室温下,由于6061是轧制而成的,因此看不到明显的晶界,只能看到板料中粒子的轧制方向;当固溶温度为430℃或450℃时,晶粒变大,与室温下的组织相比,固溶处理后的组织发生明显的变化,但仍然没有发生相变,各元素在基体中逐渐均匀化,因此性能较室温下的好;当固溶温度达到530℃时,第二相Mg2Si逐渐渗入到基体中,Mg2Si溶解度最高;当固溶温度达到570℃时,出现晶粒粗大现象,轧制带状组织基本消失,呈现弥散状态(如图12e所示)。因为6061铝合金在固溶处理条件下,第二强化相Mg2Si析出,当温度是530℃时,固溶强化效果最好,6061的第二强化相渗透率较高,使得板料的强度和韧性达到最佳状态。


图12 不同固溶温度处理(保温2 h)的6061铝合金的金相组织

Fig.12 Microstructures of 6061 aluminum alloy at different solution temperatures and held for 2h


图13所示为室温下(未固溶处理)的6061-6061铝合金无铆钉连接接头断口形貌和530℃固溶处理的接头断口形貌。由于固溶530℃2 h时,6061铝合金没有发生相变,所以没有对微观的金相组织进行观测,仅仅观测断口的微观形貌。

图14所示为6061-6061铝合金接头不同固溶温度下接头的承载能力,包括连接前固溶处理和连接后固溶处理的接头强度。后530℃代表的先连接,后热处理;未进行标注的则是先热处理,后连接。由图14可知,当对固溶处理后的板料进行无铆钉连接时,接头失效载荷大约1.6 kN(530℃),而连接后对接头进行固溶处理的接头失效载荷大约1.38 kN(后530℃),室温下的接头失效载荷大约1.0 kN。比较不同热处理顺序的接头的韧性可以看出,对接头进行固溶处理的韧性要高于对板料固溶处理的韧性。在固溶处理过程中,随着温度的增加,均匀化程度也增加,当温度达到530℃时,各元素的均匀化程度达到最高,其中固溶强化相Mg2Si最大程度溶入基体中,即在此温度下板料的韧性和强度等综合性能达到最佳状态。

图14说明固溶处理板料提高强度的效果比固溶处理接头的效果好,其中一个重要的原因是Mg2Si溶解度的差异。对连接板料进行固溶处理后,Mg2Si的分布是均匀的,但是接头的特殊结构使固溶处理后的Mg2Si的成分是不均匀的,即强化相在颈缩区的含量不同,由于形状的差异导致Mg2Si不均匀,即在颈缩区的Mg2Si含量不均衡。因此在相同固溶温度下,对接头进行热处理的连接韧性要比对板料热处理的连接韧性好,但是强度要差,这一结论为选择固溶热处理的顺序提供试验依据。

图13 不同状态下接头断口形貌

Fig.13 Crack morphologies of clinched joint in different tempers


图15为先固溶处理后连接的6061-6061铝合金接头的断口形貌。从图15不难看出,任何温度下的断口都包含了大量被拉长的韧窝,说明断裂前孔洞经历塑性变形,属于韧性断裂。

图14 6061-6061接头固溶处理前后对最大失效载荷的影响

Fig.14 Effect of solution treatment on the max-failure load of 6061-6061


图14表明,在530℃时,接头的强度比其他的温度的。在固溶温度530℃时,椭圆形孔被拉伸具有一定方向的孔洞结构说明,在此温度下的固溶处理工艺使接头的强度都得到较大的提高。固溶温度为570℃的接头强度低于530℃的接头的,但韧性要高于530℃的接头的。


图15 先固溶处理后连接时不同温度固溶温度保温

2 h 6061-6061铝合金无铆钉连接接头断口形貌

Fig.15 Crack morphologies of clinched joints of 6061-6061 aluminum sheets treated with jointing after solution for 2h at different solution temperatures


对比图12可以说明,当固溶温度超过530℃时,接头性能明显下降,通过图14能够进一步说明这个现象。对比图15中的530℃2 h断口形貌与图13d的形貌可以看出,相同固溶温度不同固溶处理顺序获得接头断口形貌的差异,断口形貌差异也反映在图14示出的最大失效载荷与韧性的差异。


3 结 论

1)随着板材无铆钉连接接头数量的增加,接头强度呈近似线性增加的趋势。

2)通过固溶热处理提高接头强度,固溶处理板料提高接头强度比固溶处理接头更为有效。

3)压接角度为180°的接头强度高于压接角度为90°的接头强度。

4)不同的组合对接头的强度影响较大,对于铝合金板料和钢板的连接需要将钢板放置到铝合金板料的下侧,避免颈缩位置发生失效。

5)低速拉伸时(2 mm/min,10 mm/min,20 mm/min,30 mm/min),拉伸速度对接头强度影响较小,但对接头的韧性影响较大。


来源:作者:徐 凡1,赵升吨2,朱牧之2,陈 炜1(1.江苏大学 机械工程学院,江苏 镇江 212000;2.西安交通大学 机械工程学院,陕西 西安 710049)




发表于 2019-10-25 08:29:42 | 显示全部楼层
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