钢/铝薄板热无铆连接接头力学性能研究

目的 针对目前车用高强钢和高强度铝合金板料在无铆连接工艺上出现的成形接头效果不佳及接头强度难以满足实际工况等问题,提出一种钢/铝异种材料热无铆塑性连接工艺,以有效提高22MnB5高强钢与7050铝合金铆接接头性能。方法 通过软件Abaqus建立钢/铝异种材料无铆塑性连接有限元模型,对塑性连接接头尺寸特性进行分析;进一步通过仿真分析研究高强钢初始铆接温度对接头截面颈厚与自锁值的影响,并采用拉伸试验研究铝板在不同初始温度下及成形接头在不同冷却方式下对无铆塑性连接接头性能的影响。结果 将有限元仿真分析结果与试验的金相图进行了对比研究,得出二者成形接头的尺寸基本吻合,并产生了有效的机械自锁,证明了仿真模型的准确性。随后,经仿真分析确定,钢加热至700℃时,接头颈厚值与自锁值均最大,分别为0.402、0.357 mm,该成形温度下接头特征尺寸最佳。最后,通过试验分析发现,常温铆接、阀冷、室冷、水冷的拉力峰值分别为2.076 3、5.314 0、2.411 1、2.024 0 kN。由此可得,热处理后接头的抗剪切强度较常温铆接提高了28.5%,在3种冷却方式处理下,阀冷的接头强度最佳,水冷的接头强...     

钢铝板材压力连接模具几何参数多目标优化

为解决钢铝混合车身中钢和铝异种材料间的连接问题,对无铆钉自冲铆连接钢铝异种材料的可行性进行了实验研究和仿真分析.在实验验证的基础上,为得到连接接头处的最优机械性能,以接头颈厚值和自锁值为评价指标,综合运用实验设计、统计分析、代理模型构造响应面以及遗传算法对钢铝压力连接模具几何参数进行多目标优化,得到了接头颈厚值和自锁值...     

铝/钢搅拌摩擦辅助铆接接头界面特性研究

目的探究搅拌摩擦辅助铆接铝/钢接头界面的结合特征,解决传统铆接力学性能较低的问题。方法采用搅拌摩擦焊技术实现了对3mm厚不锈钢板和4mm厚的铝合金板的搭接点焊,采用OM及SEM对铝/钢接头界面结合情况进行分析,并利用EDS对界面处元素分布进行分析。结果搅拌头转速1180 r/min、焊接时间120 s、下压量0.2 mm时,铝/钢接头界面结合较好,平均拉剪力达到6519 N,且在铝/钢界面处产生FeAl金属间化合物。受摩擦热作用的影响,位于下板的铝母材晶粒发生长大变粗,铝铆钉与铝板结合紧密,铝铆钉与铝板的结合情况受搅拌头压力的影响更为显著。结论搅拌摩擦辅助铆接铝/钢异种合金,实现了铆钉与铝板和钢板的有效冶金结合,在铝钢结合界面处存在原子的互扩散现象,且有相应的金属间化合物生成。     

铝/镀锌钢搅拌摩擦铆焊接头组织与力学性能

为实现铝钢之间的优质连接,采用搅拌摩擦铆焊新方法对6061铝合金和DP600镀锌钢进行搭接点焊,利用扫描电子显微镜、能谱仪及拉伸试验对接头的微观组织及力学性能进行了研究.结果表明:接头成形平整美观,中心没有匙孔;接头包含铆接区和扩散区,其中在铆接区铝合金以铝柱的形式嵌入到钢板的圆孔中,形成了一个"铝铆钉",底部有富铝的α固溶体偏聚,圆孔四周形成扩散区,铝和钢形成了冶金结合,依靠金属间化合物Fe Al3连接在一起;接头有3种断裂形式,在最佳工艺参数下接头的抗剪力达到8.2 k N;铝柱上断口的微观形貌是被拉长的韧窝,扩散区的断口由灰色基体和白色颗粒组成.     

金属与复合材料搅拌摩擦搭接焊的研究现状

金属与复合材料连接研究目前处于初级阶段。在焊接方面,搅拌摩擦焊作为一种固相连接技术,可以在较低温度下实现物理化学性能差异较大的金属与复合材料的连接。综述了国内外金属与复合材料搅拌摩擦搭接焊的研究现状,在接头形式、焊具设计、焊接参数优化以及连接机制等方面做了详细介绍。结果表明,静止轴肩可有效提高接头表面成形质量及抗拉强度;接头内的锚结构能够有效增加接头的机械互锁能力;通过优化焊具形貌及工艺参数可以增加锚结构尺寸。金属与复合材料的连接机制主要为机械互锁、化学键合以及较弱的范德华力。此外,对金属与复合材料搅拌摩擦焊的发展提出了相关建议。     

汽车用铝钢无匙孔搅拌摩擦点焊接头组织及界面特征研究

随着轻量化技术的发展，镀锌钢板与铝合金等异种金属连接在现代汽车工业中的应用越来越多，回抽式无匙孔搅拌摩擦点焊具有热输入低、焊缝晶粒细小、接头力学性能高等优点，在铝合金等轻金属焊接领域具有很大的优势。本工作使用回抽式搅拌摩擦点焊技术，成功实现了0.7 mm厚的镀锌钢板与2 mm厚的铝合金板的无匙孔搅拌摩擦点焊连接。在不同的焊接转速下，对铝钢异种金属进行无匙孔搅拌摩擦点焊实验研究，分析了无匙孔搅拌摩擦点焊接头的剪切性能、断口形貌、各区微观组织、界面区特征及连接机理。研究结果表明，转速为1 200 r/min、压入量为0.2 mm、焊接时间为15 s时焊接接头最佳，具有最好的力学拉伸性能，断裂位置为热机影响区；通过扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)对接头的微观形貌以及断口形貌进行观察分析发现，在搅拌区接头界面形成了约6μm厚的金属间化合物，为AlFe₃、Al₁₃Fe₄、AlFe；各位置处金属间化物的形貌与厚度不同，断裂方式为混合断裂机制，界面处的连接为机械结合和冶金结合两种接合方式。     

6016与H70板的冲压变形连接过程及剥离强度分析

对6016与H70板的冲压变形连接和剥离过程进行了物理实验和连续数值模拟,分析了不同模具与工艺参数对连接点颈部厚度、互锁及金属流动的影响.研究表明:随着凸模圆角半径(Rp)增大,颈厚值(Tn)增大,互锁值(Tu)减小;凹模深度(Hd)增大,Tn减小、Tu增加.底部厚度X取决于凸模下压量,过大底部材料流动不到位影响互锁,过小则底部太薄,推荐X取总板厚的25%.采用L型试样测剥离抗拉强度时应考虑加载力臂的影响.利用数值模拟可以预测连接强度,并为工艺与模具设计提供有效指导.     

Zn对钢/铝异种金属搅拌摩擦焊接头界面组织及性能的影响

采用离子喷涂方法在钢侧喷涂厚度为0.4 mm的Zn粉,对厚度同为3 mm的6005A-T6铝合金与S420MC钢板进行搭接搅拌摩擦焊实验。采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和显微硬度等方法研究Zn对焊缝界面形貌、微观组织结构、力学性能及界面生长的影响。结果表明:无Zn层钢/铝接头和有Zn层钢/铝接头均在界面处形成了搅拌焊特有的"飞边",并延伸至铝基体中形成机械咬合接头,界面处均有AlFe,AlFe_3,Al_(13)Fe_4金属间化合物产生。有钢质颗粒弥散分布在无Zn层的钢/铝接头的铝基体中。Zn的添加降低了界面反应层厚度,钢/铝搅拌摩擦焊界面结合方式为"机械+冶金"。接头断裂位置均在界面处,无Zn层钢/铝断裂接头为典型的"韧-脆"混合型断裂,有Zn层钢/铝接头为韧性断裂。最高显微硬度值从无Zn层接头的388HV降低到有Zn层接头的210HV。     

铝与钢异种材料连接技术及其研究进展

在工业快速发展和节能减排的大环境下,各行业对材料性能的要求越来越高。因此性能更加全面的异种金属结构开始受到关注,钢铝混合结构兼具功能性和经济性的优势,使其在航空航天、车辆等领域得到了广泛的应用。对汽车行业而言,轻量化是未来发展的必然趋势,而钢铝混合车身的应用是白车身减重最直接、有效的方式。与此同时,混合车身的出现也对钢铝连接工艺提出了新的要求。现有的四类钢铝连接工艺包括熔焊、钎焊、机械连接和固态连接。钢与铝的熔点、热导率、延展性和密度等物理化学性质的差异是二者连接存在困难的主要原因。熔焊工艺接头拥有较高强度,但焊接过程中会产生降低接头强度的金属间化合物;钎焊工艺接头强度高、平整性好、焊接参数可控性强,但对板材清洁度要求较高且存在焊接缺陷;机械连接工艺简单且对连接强度有保证,但无法保证接头的气密性;固态连接工艺接头拥有较高强度,但受到尺寸的限制且价格昂贵。目前提高钢铝接头质量的方向主要有:(1)现有工艺参数优化;(2)板材预处理;(3)板材布置形式调整和新工艺;(4)现有工艺复合创新。国内外科研人员对钢铝连接工艺进行大量研究后发现:(1)通过控制实验参数,各类工艺均可获得不同实验条件下的最优接头。(2)对钢板预涂Al层或者Zn层等预处理方式均可增强二者的连接性。(3)机械连接工艺及固态连接工艺中钢板与铝板的相对位置会对接头的质量产生影响。对于部分连接技术,超声波、Zn箔等新元素的加入也可优化接头质量。(4)复合工艺接头质量明显优于单工艺接头,如自冲铆接+电阻点焊(SPR+RSW)、搅拌摩擦焊+冷金属过渡电弧焊接(FSW+CMT)等复合工艺接头。本文综述了现有的四类连接工艺,主要涉及工艺基本原理、技术优劣、接头性能、工艺要领、应用场合;同时对国内外研究现状进行了总结,包括工艺参数、材料种类及尺寸、接头性能及形貌、结论及实验数据;最后对钢铝连接工艺发展方向进行了展望,为钢铝混合车身的设计和制造提供参考。     

铝合金厚板搅拌摩擦焊焊缝金属流动行为研究进展

搅拌摩擦焊接过程中,焊缝成形与金属流动行为密切相关,而金属流动又取决于焊接工艺参数、搅拌头形貌、材料本身性能及温度场分布等影响因素。与铝合金薄板搅拌摩擦焊不同,厚板焊接时焊缝上部、下部温差太大,导致焊缝材料流动形态发生较大变化。基于焊缝成形理论,从焊缝金属流动分析方法、影响因素出发,分析厚板搅拌摩擦焊焊缝金属流动形态及特征,探讨焊缝中疏松、未焊透、包铝伸入、弱连接等缺陷的形成原因,揭示厚板搅拌摩擦焊焊缝成形机理。研究结果为铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接技术在航空、航天等高科技领域的广泛应用提供科学依据和理论基础。     

电动汽车电池包铝合金顶盖拉延成形分析及工艺参数优化

目的 解决轻薄铝合金电池包顶盖拉延成形过程中的工艺质量问题。方法 采用Autoform软件对顶盖拉延成形过程进行仿真分析,在单一条件下分别研究压边力、冲压速度、凹凸模间隙以及摩擦因数对顶盖拉延成形规律的影响。以最大减薄率和最大增厚率为评价指标,通过对以上4个工艺参数进行正交实验优化,且采用正交综合评分法分析实验数据,得出影响评价指标的4个因素的主次关系(冲压速度>压边力>摩擦因数>凹凸模间隙)以及最优工艺参数。结果 最优工艺参数如下:冲压速度为1000 mm/s,压边力为800 kN,摩擦因数为0.12,凹凸模间隙为1.26 mm。采用最优工艺参数进行拉延成形实验验证,实验后测量实物顶盖,实际最大减薄率为14.3%,最大增厚率为8.6%。与仿真值比较,顶盖的实际最大减薄率误差为8.9%、最大增厚率误差为7.5%,实际值与仿真值之间的误差合理。结论 在实际生产中,该工艺参数优化的方法能够为后续轻薄铝合金顶盖的生产制造提供有价值的指导。     

DP800 双相高强钢折弯及回弹研究

目的针对高强度钢板成形过程中的回弹问题,研究工艺参数对回弹的影响规律,优选工艺参数组合,以获得回弹较小的V形件。方法采用dynaform软件对V形件进行成形及回弹的数值模拟,以摩擦因数、模具间隙、冲压速度、凹模圆角半径等工艺参数为自变量,以回弹前后水平距离差最大值为因变量,设计了四因素三水平的正交试验方案,研究多个工艺参数对回弹影响的规律。结果实验结果表明,V形件回弹值大小随着摩擦因数的增大呈现减小趋势;随着模具间隙、凹模圆角半径的增大,回弹值呈现增大的趋势;而冲压速度对V形件回弹的影响较小,且工艺参数影响V形件回弹大小的主次顺序为模具间隙、摩擦因数、凹模圆角半径、冲压速度。结论优选工艺参数组合为:摩擦因数为0.2、模具间隙为2.6 mm、冲压速度为1200 mm/s、凹模圆角半径为12 mm,此时回弹水平距离差最大值为0.566 mm,最大减薄率为1.40%;实际生产可以忽略冲压速度对回弹的影响,仿真结果对实际生产具有指导意义。     

铝/钢异种材料搅拌摩擦焊研究进展

由于铝、钢的物理化学性质存在巨大差异,铝/钢的连接是焊接领域的难点问题。搅拌摩擦焊是低热输入的固态连接方法,能够有效控制铝/钢金属间化合物的生长,且搅拌针强烈的搅拌作用可增加铝/钢异种材料机械咬合程度,得到高质量的铝/钢焊接接头,铝/钢搅拌摩擦焊已经成为了焊接领域的热点问题。文中综述了铝/钢搅拌摩擦焊国内外研究现状,涉及到接头形式、焊缝成形、焊接工艺和力学性能,着重介绍了铝/钢搅拌摩擦焊接头的连接机制,并围绕铝/钢搅拌摩擦焊存在的两大问题,对铝/钢搅拌摩擦焊新技术进行总结,并进一步提出了铝/钢搅拌摩擦焊的基础研究方向。     

ta‐C beschichtete Werkzeuge für die Trockenumformung von Aluminiumblechen

ta‐C coated tools for dry forming of aluminum sheets The suitability of ta‐C coated tool surfaces for sheet forming of aluminum alloys was examined by strip‐draw testing. It was shown that ta‐C coatings, which are known as DLC coatings with superior wear resistance are also favourable concerning the anti‐adhesive behaviour. In attempts with AlMg5Mn‐ as well as Al99Mg1‐sheet materials several hundred sheets could be formed without noticeable aluminum adhering at the ta‐C coated tool surface. Neither the coefficients of friction nor the surface qualities of the aluminum sheets worsened during the observed period. Compared with tests of uncoated tools in combination with lubricants, the dry ta‐C coated tool behaves comparable with a good lubricant. In a real clinch test with aluminum sheets the positive results from strip‐draw experiments were confirmed. Using ta‐C coated clinching stamps and no lubricants a large number of clinching processes could be performed without noticeable adhering and increase of stripping forces.     

薄板铝铜搭接搅拌摩擦焊工艺

目的研究铝铜异种材料的搅拌摩擦焊搭接工艺,揭示搭接接头界面行为演变的基本规律。方法对1mm的6061铝合金与1 mm的紫铜薄板进行搅拌摩擦焊搭接焊接,测试焊缝的力学性能,对焊缝组织进行分析。结果焊缝表面成形良好,焊缝内部无缺陷。接头的最高拉伸强度达到1447 N,观察拉伸接头断口形貌,发现断裂均发生在上层铝合金的热影响区。结论接头连接界面区域生成钩状"自锁紧"结构,这种钩状"自锁紧"结构增加了铝铜之间的有效接触面积,有利于提高焊缝连接强度。     

模具结构对箔板电磁微成形的影响

对T2紫铜箔板进行电磁微成形实验,研究不同模具结构对材料成形性能的影响.采用激光共聚焦显微镜及轮廓仪研究不同模具结构对箔板电磁微成形的影响规律,分析模具结构对材料流动规律的影响.研究结果表明:随着电压的升高坯料出现不同程度的翘曲现象,采用凸型模具更有利于凹模内气体的排除,使得坯料能够迅速贴模;随着电压的升高材料成形性不断提高,采用凹型模具比采用凸型模具更加有利于微槽精度的提高;电磁成形制件应变分布均匀,凸型模具成形制件壁厚最小值出现在微槽侧壁,成形过程以拉深成形为主;凹型模具成形制件最小壁厚出现在微槽底部,成形过程以胀形为主.     

铝/钢异种金属的超声振动强化搅拌摩擦焊接工艺

采用新型超声振动强化搅拌摩擦焊接工艺实现了6061-T6铝合金以及QP980高强钢的搭接焊, 对比分析了有无超声作用下, 接头的宏观形貌、微观组织和拉伸剪切性能, 同时研究了超声振动对焊接载荷的影响。结果表明: 焊接前对母材施加超声振动, 可以起到软化母材的作用, 促进了材料的塑性流动, 扩大了铝/钢界面区和焊核区, 使更多的钢颗粒随搅拌针旋转进入铝合金侧, 在界面区边缘形成钩状结构, 进而提高了接头的失效载荷; 超声改变了FSW接头断裂位置和断口形貌, 提高了接头力学性能, 在本实验工艺参数范围内, 接头最大的平均失效载荷为4.99 kN; 当焊接速度为90 mm/min, 下压量为0.1 mm时, 施加超声振动使接头的平均失效载荷提高了0.98 kN, 拉剪性能提升28.24%;施加超声振动后轴向力F_z、搅拌头扭矩M_t和主轴输出功率分别下降2.46%, 6.44%和4.59%。     

Experimental determination of spring back and thinning effect of aluminum sheet metal during L-bending operation

In automotive industry, significant efforts are being put forth to replace steel sheets with aluminum sheets for various applications. Besides its higher cost, there are several technical hurdles for wide usage of aluminum sheets in forming. Major problems in aluminum sheet metal forming operations are deformation errors and spring back effect. These problems are dependent on the number of parameters such as die and tool geometry, friction condition, loading condition and anisotropic properties of the metal.To predict the exact shape, the geometry based punch contact program must be used. The shape changes once the punch is withdrawn, because of the materials elasticity. Prediction of such a spring back effect is a major challenging problem in industry involving sheet metal forming operations. It also needs applying appropriate back tension during the forming complex shapes. Slight deformation of the metal leads to non-axisymmetric loading. One can predict the residual stress by determining plastic and elastic deformation. Thus appropriate spring back effect can be investigated.The present investigation was carried out to determine the spring back and thinning effect of aluminum sheet metal during L-bending operation. Number of specimens with thickness varying from 0.5 mm to 3.5 mm were prepared. The experiments were conducted for different clearances between punch and die. It is observed that, beyond a particular clearance for each thickness of the sheet metal, the spring back and thinning effects were linearly increasing. However, below the critical clearance, scratches on the surface of the sheet metal were seen due to wear. The scratches were analyzed through Scanning Electron micrographs. As the clearance between punch and die reduces further, more wear on the punching surface was observed. And, as the clearance increases it leads to increase the spring back effect and fracture propagation.     

A general strategy for the reliable joining of Al/Ti dissimilar alloys via ultrasonic assisted friction stir welding

Ultrasonic assisted friction stir welding (UaFSW) was used to join 6061-T6 aluminum and Ti6Al4V alloys. A small plunge depth endowed with the low heat input was used and the sound joints without obvious thickness reduction were achieved. A diffusion-type bonding without the intermetallic compounds layer was observed at the joint interface. The ultrasonic improved the diffusion thickness and decreased the average size of grains and titanium alloy fragments. A hook-like structure was formed at the bottom interface of the UaFSW joint, which improved the bonding length and the mechanical interlocking. The microhardness of the stir zone was increased because of the further grain refinement induced by ultrasonic. The maximum tensile strength of the UaFSW joint was 236 MPa, which reached 85% of the base 6061-T6 alloy.