铝钛异种薄板冷连接工艺及力学性能研究北大核心CSCD

采用5A06铝合金和TA1钛合金薄板进行自冲铆接、拉铆连接和无铆连接,并进行拉伸试验分析接头的力学性能差异。结果表明:自冲铆接头的整体力学性能最优,拉铆接头次之;搭接顺序对自冲铆接头无明显影响;当5A06铝合金板作为上板时,拉铆接头的静力学性能较好,当TA1钛合金板为上板时,无铆接头的静力学性能较好。自冲铆接头的失效形式主要为铝板拉断且断口处有大量韧窝;拉铆接头的失效形式与薄板搭接顺序有关,铝-钛搭接时接头的失效形式为铝板拉断,钛-铝搭接时接头的失效形式为铝板拉脱;无铆接头的失效形式较为统一,均为颈部断裂失效。     

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。     

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。     

电磁铆接和锤铆铆接质量对比分析

通过实验对电磁铆接和锤铆两种铆接方法的铆接质量进行对比。对比内容主要包括干涉量均匀性、铆钉剪切强度和铆钉拉脱强度3个方面。结果表明:电磁铆接的干涉量更均匀,并且镦头尺寸质量稳定,受人为因素影响小;在强度方面,无论是接头剪切强度还是拉脱强度,采用电磁铆接的接头强度均优于采用普通锤铆的接头强度。     

铆钉硬度对铝合金/钢自冲铆接头特征参量与性能的影响

采用不同硬度的铆钉(H1-42 HRC,H2-36 HRC和H3-33 HRC)及不同的铆接力对A5052铝合金与Q235低碳钢进行了自冲铆连接，测量了接头横断面上的各特征参量，并分析了其与铆钉硬度和铆接力的关系。研究了铆钉硬度和铆接力对接头抗剪载荷与十字抗拉载荷的影响。结果表明：随铆接力的增大，H1接头抗剪载荷逐渐增大，H2与H3接头抗剪载荷呈先增大后降低的变化趋势。当铆接力为24 kN时，H2和H3接头的抗剪载荷达到最大值，分别为6.29和5.75 kN。以接头的抗剪载荷与十字抗拉载荷为评价指标，铝合金与低碳钢自冲铆连接时采用H2铆钉(36 HRC)较合适。     

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。     

粘接剂对三明治结构自冲铆接头力学性能的影响

为探究粘接剂对三明治结构自冲铆接头力学性能的影响,制备了三明治结构的自冲铆接头和粘-铆复合接头,通过拉伸-剪切试验研究接头的静失效载荷、失效位移、抗剪刚度及能量吸收能力,分析接头的失效形式及其宏观失效机理,运用MATLAB对接头的静失效载荷和失效位移进行分析。结果表明:泡沫镍夹层可增大三明治结构自冲铆接头的钉脚张开度;粘接剂减小了粘-铆复合三明治结构接头的残余底厚量和钉角张开度,但使接头的抗剪刚度和静失效载荷分别提升了35.5%和30.8%;粘-铆复合三明治接头的失效形式为下板铆接区域板料粘附于铆钉腔内,并随铆钉脱离下板;同时,粘接界面上的次位键断裂。     

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。     

铆向对双铆钉自冲铆接头拉伸及剥离性能的影响

为了探究铆向对自冲铆接头力学性能的影响,制备了不同铆向组合的双铆钉自冲铆接头。在拉伸-剪切试验后,观察了各组接头的宏观失效形式并分析其失效机理。同时运用MATLAB对接头的静失效载荷和失效位移进行了研究,对接头的能量吸收值进行了计算。结果表明:铆接方向影响接头的失效形式及变形程度,影响接头的力学性能。铆向相反的单搭双铆钉接头具有更优的承载能力,其失效位移为9.2 mm,比同向单搭接头组增大了16.5%。铆向相同的双铆钉T型接头静失效载荷略大于铆向相反的接头组,铆向对剥离测试中接头的失效位移影响不大。铆向相反的单搭双铆钉接头能量吸收均值较铆向相同的单搭双铆钉接头提升16.1%;铆向相同的双铆钉T型接头能量吸收均值达57.1 J,比铆向相反的T型接头提升2.9%。     

凹模形状对铝合金/钢电阻铆焊接头性能的影响

采用3种不同形状的凹模对铝合金/钢进行了自冲铆连接,随后对其自冲铆接头进行了电阻点焊,研究了凹模形状和焊接电流对接头的抗剪载荷和十字抗拉载荷的影响,观察并分析了电阻铆焊接头界面接合状态.结果 表明:中心呈正态分布曲面的凹模的自冲铆接头性能较好,在铆接压力为24 kN时接头性能达到最优,其抗剪载荷和十字抗拉载荷分别为5....     

折弯长度与铆钉数量对T型自冲铆接头静力学性能的影响

为了研究折弯长度及铆钉数量对T型自冲铆接头静力学性能的影响,采用最优铆接参数制备了两铆钉折弯长度分别为20 mm(AAT)和40 mm(DAA),单个铆钉折弯长度为40 mm(SAA)三组5052铝合金T型自冲铆接头。基于拉伸-剥离实验,分析了各组接头的强度、刚度、失效形式以及能量吸收水平。对自冲铆T型接头所受弯矩进行了分析,推导出T型自冲铆接头弯矩计算公式。结果表明:AAT组失效载荷约为DAA组1.1倍,DAA组失效载荷约为SAA组2倍;三组自冲铆接头失效模式分别为:DAA组与SAA组均为铆钉从下板拉脱,AAT组仅有1个铆钉从上板拉脱;DAA组能量吸收值约为AAT组的1.5倍,约为SAA组的1.9倍。     

钉脚张开度对自冲铆构件机械内锁刚度的影响

利用数字图像分析技术研究了铆钉张开度对自冲铆接头机械内锁结构刚度的影响.借助材料性能试验机对具有不同铆钉张开度的5052铝合金板自冲铆接头进行单向静拉伸试验,加载过程中利用CCD获取自冲铆机械内锁结构形变的图像序列,利用图像相关分析计算不同载荷水平下铆钉脚与底板的滑移错动量,建立滑移-载荷曲线,并据此评估结构件刚度大小;建立自冲铆接头有限元模型,对比分析不同钉脚张开度的自冲铆机械内锁的失效过程.结果表明,在受载状态下,自冲铆接头存在一个临界滑移启动载荷值,当外载荷小于此临界值时,机械内锁结构保持相对完整,处于弹性变形阶段;大于此临界值时,滑移错动量明显增大,结构发生塑性大变形,并最终呈现脱离失效模式.其次,钉脚张开度对自冲铆构件的强度和刚度影响较大,提高钉脚张开度有助于增大构件整体刚度.     

自冲铆接头组织及性能分析

分析了有铆自冲铆接和压印连接的工艺特点,对比了两种不同连接方式的接头抗拉伸-抗剪强度;利用阳极化覆膜的方法制备接头金相试样,对接头机械自锁区材料的组织及流向进行观测.结果表明,有铆自冲铆接的抗拉伸-抗剪强度高于压印连接.机械连接导致的材料塑性变形,使晶粒由母材区的等轴状逐渐向纤维状过渡,依据晶粒分布特性,将有铆自冲铆接头截面划分为:母材未变形区、上板内锁区、下板内锁区、上板过渡区、下板过渡区、塑性影响区.在接头自锁区附近由于纤维组织的形成,使金属的性能产生各向异性,沿纤维方向的强度和塑性将高于垂直方向.     

碳纤维-铝合金电磁铆接与准静态压铆对比

为了探究电磁铆接技术在碳纤维复合材料上的可行性,采用碳纤维-铝合金结构为研究对象。探究了碳纤维-铝合金电磁铆接接头的干涉量及剪切、拉脱性能,并与传统准静态压铆技术进行了对比。结果表明:无论是Φ4 mm铆钉,还是Φ6 mm铆钉,电磁铆接结构相对干涉量不仅均匀性更好,而且平均值更高,分别从4.96%提升到5.20%,6.85%提升到7.85%;电磁铆接接头剪切性能有较大提高,对于Φ4 mm铆钉和Φ6 mm铆钉,电磁铆接最大剪切力相比准静态压铆分别提高了19.7%和5.2%;电磁铆接接头拉脱性能有较小提高,对于Φ4 mm铆钉和Φ6 mm铆钉,电磁铆接最大拉脱力相比准静态压铆提高了3.9%和6.6%。结果说明电磁铆接技术更适合复合材料的连接。     

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。     

TA1钛合金自冲铆接与点焊连接抗拉剪性能的对比

采用自冲铆接(SPR)和电阻点焊对厚度为1.5 mm的钛合金板材进行了连接试验。通过剖面直观检测法分析了自冲铆接头成形质量并获得板材的最优铆接参数;利用超声波C扫描法对点焊接头进行了超声成像检测,获得其熔核直径;对试件进行拉伸-剪切试验并比较了两种接头的静力学性能。结果表明:自冲铆连接工艺可以在不预先热处理条件下对钛合金同种板材进行有效连接;在点焊接头的熔核直径与铆钉钉腿直径接近的条件下,点焊接头比自冲铆接头的静失效载荷高,点焊接头的能量吸收能力更强,适用于对缓冲吸震性能要求较高的结构。     

铁道车辆热铆连接的有限元分析

为了进一步研究铁道车辆热铆连接过程,基于热固耦合有限元理论建立铆钉和铆接件的有限元模型,模拟热铆连接过程,并结合试验进行验证。将热铆连接变形过程分为6个阶段,分析铆钉在热铆连接过程中的受力和变形情况,并通过改变铆钉钉杆长度和镦头高度,分析不同参数对热铆连接的影响,并得到最佳热铆参数。结果表明:铆钉的最大应力集中在铆钉镦头和与铆接件边缘相接触的中心部位,最大应变集中在镦头靠近铆接件边缘的位置;钉杆长度小于一定值时,铆钉的最大应力均发生在铆钉镦头顶部和镦头与铆接件边缘相接触的中心部位,超过该值时,应力集中位置只出现在铆钉镦头顶部;铆钉的最大应力随镦头高度总体呈下降趋势。     

粘-铆复合"三明治"结构自冲铆接头的力学性能研究

为了探究粘接剂对"三明治"结构自冲铆接头性能的影响,制备了"三明治"结构的自冲铆接头和粘-铆复合接头,观测了接头的成形特征并分析了其成形机理。通过拉伸-剪切试验和剥离试验研究了接头的刚度、静失效载荷及能量吸收能力。结果表明:泡沫镍夹层可增大"三明治"结构自冲铆接头的钉脚张开度;粘接剂的润滑作用减小复合"三明治"结构接头的残余底厚和钉角张开度,粘铆复合接头的失效位移和能量吸收值降低;粘接剂使单搭接头的抗剪刚度和静失效载荷分别提高54.6%和27.5%,同时使十字接头的拉压刚度提高115.5%。     

TA1钛合金异种板自冲铆接头剪切-剥离性能研究

采用自冲铆接技术(SPR)对厚度1.5 mm的钛合金(TA1)与1420铝锂合金(1420)以及铜合金(H62)异种板材组合进行了连接试验,并对制成的单搭和T型接头进行了剪切与剥离试验,分析了各组接头的失效模式以及静力学性能。结果表明:单搭接头组的静失效载荷均值明显高于T型接头组,但前者的能量吸收均值小于后者,接头形式及失效模式对能量吸收值有很大影响;TA1钛合金异种自冲铆接头拉伸剪切的失效模式取决于塑性变形后铆钉脚的强度、铆扣强度及下板接头处的材料强度。     

连接形式与基板厚度对自冲铆接头静力学性能的影响

为了研究连接形式与基板厚度对自冲铆接头静力学性能的影响,制备了双铆钉搭接长度40 mm的5052铝合金自冲铆接头,其中两组拉伸-剥离试样的基板厚度分别为1.5 mm(DAA)和2.0 mm(BBT),一组拉伸-剪切试样的基板厚度为2 mm(DR)。基于准静态力学试验,分析了各组接头的强度、刚度、失效形式以及能量吸收水平。结果表明:DR组失效载荷约为BBT组的2.8倍,BBT组失效载荷约为DAA组的1.9倍;DR组刚度大于BBT组和DAA组;BBT组弯矩一直大于DAA组。三组自冲铆接头的失效模式为:DAA组、BBT与DR组均为铆钉与上板从下板拉脱,上板两个铆钉头下陷。BBT组能量吸收值约为DR组的1.2倍,约为DAA组的1.9倍。