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。     

SPR自冲铆接技术研究现状及应用前景

SPR(Self-Piercing Riveting)自冲铆接技术作为一种新型连接工艺,广泛应用于汽车车身制造中。阐明SPR工艺研究的难点和铆接的变形过程,归纳总结国内外关于SPR的相关研究现状,探讨接头质量的评价指标及方法,探究未来SPR工艺研究的方向和研究重点,并列举SPR工艺在汽车工业与其他领域中的应用。     

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。     

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。     

下板厚度对钢/铝自冲铆接接头单搭剪切强度的影响

以CR590钢/AA6022-T4铝合金以及CR590钢/S-6000-IH铝合金单搭剪切接头作为实验对象,借助有限元仿真研究了下板厚度对钢/铝自冲铆接接头单搭剪切强度的影响规律。分别建立了2D自冲铆接过程以及3D自冲铆接接头单搭剪切的有限元仿真模型,并通过自冲铆接接头实验的失效模式与载荷-位移曲线验证了仿真的准确性。分析结果表明：当AA6022-T4铝合金下板与S-6000-IH铝合金下板的厚度由1.2 mm增加至3.0 mm时,SPR接头的单搭剪切强度开始由3.7与2.8 MPa增加至4.5与4.2 MPa,而后趋于稳定。并研究了不同铝合金下板厚度对SPR接头关键尺寸(底切量、剩余厚度和垂直互锁值)的影响,进而揭示了下板厚度对SPR接头单搭剪切强度的影响机理,发现：对于两种SPR接头,接头剩余厚度均随着下板厚度的增加而线性增大,但该尺寸不影响铆钉的锁合性能;而底切量随下板厚度的增大保持在0.5 mm不变;垂直互锁值则随着下板厚度的增加先线性增加,当下板厚度大于2.0 mm时则基本保持不变,对于S-6000-IH铝合金下板以及AA6022-T4铝合金下板,其饱和值分别为1.2以及1....     

CFRP与AA6022-T4铝合金的自冲铆接接头力学性能分析

CFRP及铝合金的应用是实现车身轻量化的重要途径,自冲铆接工艺是车身制造中广泛应用的异种材料连接技术。基于CFRP和AA6022-T4铝合金的自冲铆接,首先针对试件搭接顺序对接头性能的影响进行对比分析,结果表明复合板在上层时的接头最大拉伸载荷比复合板在下层时高48%;然后针对复合板为上层试件的搭接顺序,研究了铆钉下压力对接头性能的影响,并从接头单向拉伸强度和接头断裂模式两个方面对不同铆钉下压力所得接头的载荷-位移曲线进行分析,揭示了铆钉下压力对接头性能的影响及机理,即下压力主要通过改变复合板的破坏程度及铆钉在下板的扩张量来影响接头的力学性能。     

板料连接技术进展

介绍板料连接技术进展。主要介绍半空心铆钉自冲铆接、实心铆钉自冲铆接、无模铆冲连接、有模铆冲连接、液压铆接等技术的工作原理，比较各种连接技术的优、缺点。     

无铆钉自冲铆接有限元简化模型建模方法研究

无铆钉自冲铆接被广泛用于异种材料的连接,其失效形式对整车的碰撞性能至关重要。本文对钢铝异种材料无铆钉自冲铆接接头简化有限元模型的建模方法进行了一定的研究。在准静态条件下,分别采用梁单元、实体单元和约束单元(SPR2模型)作为铆接简化有限元模型,进行十字拉伸和搭接剪切试验的仿真分析。结果表明:在十字拉伸工况下,SPR2模型结果的载荷值相比试验稍偏弱,但整体与试验值较符合;在搭接剪切工况下,梁单元无法模拟韧性失效模式,实体单元和SPR2模型均能模拟出韧性失效模式。考虑到实体单元建模复杂,SPR2模型作为铆接简化有限元模型较为理想。在动态加载试验中,对SPR2模型展开进一步研究。SPR2模型在动态十字拉伸试验中跟静态一样可以准确模拟出失效点,同时在动态搭接剪切试验中对失效点的预测比静态更为准确。     

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。     

7075铝合金预加热处理对自冲铆接质量的提升

针对7075铝合金延展率低从而造成SPR(Self-Piercing Riveting)自冲铆接过程中出现裂纹的问题,提出了对7075铝合金板材进行预加热处理的方法,使用厚度为2 mm的7075铝合金板件作为下层板与厚度为1.2 mm的RC5754铝合金板件作为上层板进行SPR铆接,对比7075铝板预加热处理前后的SPR铆接质量,并且对预加热处理前后的7075铝合金板件进行拉伸比较实验。实验结果表明:通过预加热处理,7075铝合金延展率得到提升。通过预加热处理,7075铝合金在SPR铆接过程中出现裂纹的问题得到了解决。     

铆钉对TA1与1420自冲铆接工艺及失效行为的影响

采用自冲铆接技术对TA1与1420异质薄板组合铆接工艺进行了详细分析,且以长度6 mm,硬度44 HRC ±2 HRC和48 HRC ±2 HRC的铆钉制备了TA1-1420接头（TAF）、1420-TA1接头（ATF）和TA1-1420接头（TAS）.通过拉伸-剪切和疲劳试验获取了三组接头的失效模式,借助电子扫描显微镜研究了铆钉对TA1与1420异质薄板接头失效行为的影响.结果表明,铆钉对TA1与1420异质薄板组合的铆接工艺有明显影响,采用6 mm长度的铆钉能够实现对其有效连接,采用高硬度铆钉可减轻铆钉墩粗程度.铆钉硬度提高使接头失效部位由下板大变形区域下移至接头底部,导致异质薄板组合接头的失效行为存在差异.     

钛合金薄板不同连接方法的拉剪和疲劳性能

以钛合金板材为对象进行压印连接、自冲铆接和电阻点焊连接,对这三种接头进行拉-拉疲劳试验,比较其疲劳性能.结果表明,电阻点焊接头的静力学性能远高于另外两种接头.压印接头和自冲铆接头的疲劳性能较好,其中在长寿命循环时压印接头的疲劳性能更有优势.以200万次为疲劳极限时,三种接头可承受疲劳载荷顺序为压印接头最高,自冲铆接头其次,点焊接头最低.分析是由于点焊接头的热影响区性能差,残余应力叠加等原因造成.而压印和自冲铆接头内部存在板材间隙等,在疲劳加载过程中存在相对滑动和一定的形变量,起到缓解应力集中的作用,因此接头的疲劳性能较好.     

冲击式自穿孔铆接方法及其接头性能

采用一种新型的应用火药作为驱动力的铆接方法和试验设备.对影响该方法的主要因素如模具尺寸、铆钉硬度进行分析.用该设备铆接铝合金板形成的接头的拉剪强度、十字抗拉强度以及疲劳强度与点焊形成的接头进行比较.试验证明这种新型的自穿孔铆接接头比点焊接头有更好的力学性能.     

Strength estimation of self-piercing rivets using lower bound limit load analysis

Abstract

This paper summarises the authors' work on strength and failure mode estimation of self-piercing rivets (SPRs) for automotive applications. First, the static cross tension strength of an SPR joint is estimated using a lower bound limit load based strength estimator. Failure mode associated with the predicted failure strength can also be identified. It is shown that the cross tension strength of an SPR joint depends on the material and gage combinations, rivet design, die design and riveting direction. The analytical rivet strength estimator is then validated by experimental rivet strength measurements and failure mode observations from nine SPR joint populations with various material and gage combinations. Next, the estimator is used to optimise rivet strength. Two illustrative examples are presented in which rivet strength is improved by changing rivet length and riveting direction from the original manufacturing parameters.     

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。     

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.     

Influence of resistance heating on self-piercing riveted dissimilar joints of AA6061-T6 and galvanized DP590

The hybrid use of aluminum alloy and advanced high strength steel (AHSS) has become an inevitable trend for fabricating a lightweight auto-body. Self-piercing riveting (SPR) as a preferred cold-forming fastening method is facing problem like weak interlocking when joining dissimilar combinations with considerably unequal thickness. In this study, a hybrid joining method, named rivet-welding (RW) was proposed to improve the robustness and strength of the SPR joint, by applying an electric current to it. For better evaluating the new process, the effects of heating time and electrode design on the microstructure, micro-hardness distribution, and mechanical performance of the RW joints were studied and compared systematically with the traditional SPR ones. The results showed that the electric current could improve the microstructure of the steel rivet and bottom DP590, and under long heating time, the inter-metallic compounds (IMC) could be formed at the interface of trapped AA6061-T6 and bottom DP590. Meanwhile, the electric current could increase the micro-hardness of the rivet and bottom DP590, and soften the AA6061-T6 around the rivet leg. In addition, the RW process using lower annular electrode A (LAE_A) could obtain 12.1% higher tensile-shear strength compared with the traditional SPR process.     

实心铆钉铆接与螺栓连接强度对比试验研究

采用螺栓连接、实心铆钉铆接两种连接方式对钢板进行连接试验。对实心铆钉铆接进行了有限元数值模拟,得出合理的铆钉高度。对螺栓连接件与实心铆钉铆接件进行板料搭接及对接结构拉伸强度测试,结果表明:螺栓连接件的抗剪强度略大于实心铆钉铆接件的抗剪强度,螺栓连接件的抗剥离强度明显大于实心铆钉铆接件的抗剥离强度。     

Self-piercing riveting process: An experimental and numerical investigation

The self-piercing riveting is a young technology for joining sheet metals in automotive structures. In this paper, the riveting process has been simulated numerically using the finite element code LS-Dyna. A 2D axisymmetric model was generated including two sheets to be joined, rivet and tools. The rivet and tools geometries are based on the Böllhoff standards. An implicit solution technique with r-adaptivity has been used. The advantages and the limits of using r-adaptivity in this class of metal forming process are discussed. In addition, parametric studies on important parameters for the forming process, i.e. friction, mesh size and failure criteria are presented. In order to validate the numerical simulation of the riveting process, a new test device was developed in order to record the force applied on the rivet during the riveting process. An extensive experimental program on specimens made of aluminium alloy 6060 in two different tempers, T4 and T6, has been used as a database for the validation of the numerical simulations. The results show the capability to simulate the riveting process for different combination of plate material and rivet geometries.     

直流脉冲电流对铝合金的损伤修复和电阻评估

用拉伸试验对4043和2024T4铝合金造成损伤和冷加工硬化,施加的应力处于屈服强度和抗拉强度之间.2024 T4铝合金在225MPa下循环到其半寿命(85 000次)造成疲劳损伤.被损伤的试件用直流电脉冲处理.用电桥分别测量原始试件、损伤试件和电脉冲处理试件的电阻.结果表明,随着脉冲处理时间的增加,4043铝合金拉伸造成损伤的试件延伸率增加,屈服强度和抗拉强度减小;0.5 s脉冲处理试样的力学性能十分接近未损伤试样的性能.2024T4铝合金的疲劳损伤试件经0.8s电脉冲处理后的寿命显著提高.经过疲劳或拉伸损伤的铝合金电阻明显增加,再经电脉冲处理后电阻减小,但是其电阻仍高于原始试件.处理时间对最终的电阻值影响很小,但是力学性能随处理的时间不同差别很大.虽然电阻可描述铝合金的损伤,但是它对力学性能不十分敏感,因此电阻不是一个很好的表证损伤愈合的方法.组织观察显示,经过电脉冲处理后损伤得到部分愈合,并存在再结晶现象.