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。     

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。     

TA1钛合金自冲铆接接头疲劳性能及失效机理分析

采用轴向加载的形式对TA1钛合金自冲铆接试样进行疲劳试验,分析了不同因素下试样的疲劳强度变化规律;通过扫描电镜对试样失效断口和微动磨损进行分析,研究试样的失效机理. 结果表明,在同种铆接因素下,试样疲劳强度随应力比的增大而增大,随最大载荷值的增加而下降. 通过断口分析发现,铆钉断裂失效时,疲劳裂纹主要产生在钉胫外侧;基板断裂失效时,疲劳裂纹首先萌生在铆钉胫尾部与下板接触区域. 基板与铆钉的微动磨损在某种情况下存在竞争机制,当铆钉微裂纹扩展速率大于基板时表现为铆钉失效,反之为基板失效.     

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.     

1420铝锂合金自冲铆连接工艺及静态失效机理

采用两种规格铆钉对1420铝锂合金板的自冲铆接过程进行了数值模拟,并对模拟结果进行了验证。基于拉伸-剪切试验研究了两种铆钉接头的静力学性能和失效模式,并利用扫描电子显微镜对试件进行微观失效分析。结果表明:试验结果与模拟结果具有良好的一致性。大规格铆钉接头的静力学性能明显优于小规格铆钉的自冲铆接头。两种接头的失效模式均为下板与铆钉分离;大规格铆钉的接头上板出现严重撕裂,属于韧性断裂。     

向心率对椭圆管状铆钉自冲铆接性能的影响

椭圆管状铆钉属异形铆钉,为研究椭圆向心率对管状铆钉铆接性能的影响,文章对椭圆管状铆钉自冲铆接过程进行数值模拟,对不同向心率的椭圆管状铆钉自冲铆接的搭接、对接和十字搭接接头进行静态拉伸试验、剖面质量试验和失效形式分析。结果表明,向心率对椭圆管状铆钉铆接性能有较大影响,随向心率的减小,铆接性能逐渐变差;向心率大于0.4时铆接性能相对较好,具有足够的铆接强度;放置形式对搭接接头和对接接头的静态拉伸强度有一定影响。     

预加热对TA1钛合金自冲铆接性能的影响

为探究温度对TA1钛合金自冲铆接性能的影响,在预加热条件下采用钛钛TA1+TA1、钛铝TA1+5052、铝钛5052+TA1这3种组合方式进行自冲铆接试验,对所得的接头进行静态拉伸试验,观察20,100和150℃这3种预加热温度下的接头成形截面和拉伸失效形式。结果表明:不同板料组合下的自冲铆接接头的成形截面不同,随着预加热温度升高,成形截面的底厚逐渐降低。在同一温度下,TA1+TA1接头的静强度最高,上板拉出而失效; TA1+5052接头次之,下板产生断裂失效;5052+TA1接头最低,上板产生断裂失效。随着预加热温度的升高,3种接头的静强度明显下降,但是失效形式不发生明显的变化;在能量吸收值方面,TA1+TA1接头的能量吸收值逐渐下降,TA1+5052、5052+TA1接头的能量吸收值逐渐上升。     

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。     

退火处理对钛合金自冲铆接头疲劳特性的影响

对钛合金自冲铆接头整体进行去应力退火处理,并对热处理前后的接头进行静拉伸及疲劳试验;采用三参数幂函数表达式对热处理前后接头的疲劳试验数据进行拟合,得到热处理前后接头的F-lgN曲线;运用扫描电子显微镜对疲劳失效后接头的铆钉断口进行微观观察,并对比分析去应力退火对接头疲劳特性的影响. 结果表明,铆钉断裂为接头在疲劳试验中的主要失效模式;去应力退火对接头疲劳失效模式有很大影响,使得接头在疲劳试验中的薄弱环节具有由铆钉向基板转变的趋势;去应力退火热处理提高了接头在中等寿命区的疲劳特性,但降低了钛合金自冲铆接头在长寿命区的疲劳特性.     

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。     

TA1钛合金板异质粘接-自冲铆复合接头力学性能研究

以TA1钛合金异质单搭粘接-自冲铆复合接头为研究对象,通过剖面直观检测法观察了接头成形质量。基于静力学实验对比了各组接头的静失效载荷及能量吸收性能,分析了各组接头失效模式。结果表明:三种粘接-自冲铆复合接头都具有良好的成形质量,其中TA1-5052复合接头钉脚张开度最大,铆钉刺入深度最深;TA1-Q215复合接头的静失效载荷最高,其能量吸收性能最优;三组接头胶层失效形式皆为基板与胶层粘接界面上的次价键被破坏,当上下板屈服强度差别较小时,接头失效形式为内锁破坏失效;反之,屈服强度较低的板断裂。     

粘接剂对铝合金自冲铆接头力学性能的影响

制备了5052铝合金和8090铝锂合金的同质单搭自冲铆接头和同质单搭粘接-自冲铆复合接头。通过静力学试验获得各组接头的静失效载荷,并计算了各组接头的能量吸收值。分析了各组接头的成形质量及宏观失效机理。结果表明:粘接剂(3MDP100)使5052铝合金自冲铆接头静失效载荷增加了2.30%,使8090铝锂合金自冲铆接头静失效载荷降低了5.37%;粘接剂的使用对接头成形质量影响较大,其相对降低了自冲铆接头的能量吸收值;5052铝合金自冲铆接头的失效模式为下板与铆钉分离;8090铝锂合金自冲铆接头的失效模式为下板与铆钉分离,上板靠近铆钉附近地方发生轻微撕裂且下板出现脱层现象;两种复合接头的失效模式均为下板与铆钉分离以及基板与胶层粘接界面的次价键被破坏。     

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。     

粘接剂对TA1钛合金异质板T型自冲铆接工艺影响研究

制备了TA1钛合金板与5052铝合金板或Q215镀锌钢板的异质T型自冲铆接头和异质T型粘接-自冲铆复合接头。通过剖面直观观察了接头成形质量,分析了宏观失效机理。基于剥离实验对比了各组接头的最大剥离载荷均值及能量吸收性能。结果表明:粘接剂(3M-DP460)对自冲铆接头成形质量影响较大,其大大提高了T型自冲铆接头的缓冲吸震能力;粘接剂对TA1-5052T型自冲铆接头失效形式无影响,但其改变了TA1-Q215T型自冲铆接头混合失效形式的分布;与TA1-5052T型自冲铆接头相比,其复合接头的最大剥离载荷均值降低了1.2%,粘接剂使TA1-Q215T型自冲铆接头的最大剥离载荷均值降低了6.1%。     

钛铝同异种合金热熔钻铆接头的力学行为及失效机理

以TA1钛合金和5A06铝合金作为实验板材,采用热熔钻铆技术进行连接,通过静拉伸实验和扫描电镜实验对接头的静力学行为及失效机理进行了系统的研究。结果表明：当铝板在下进行铆接时,更有利于形成长而厚的衬套,成形质量更佳,且钛板在上时板材与铆钉间螺纹的啮合程度较低;FTT接头的力学性能最佳并具有最高的缓冲吸震性能,FAT接头的力学性能远高于FTA接头;铝板为下板时,失效形式为典型的韧性断裂特征,铝板为上板时,失效形式呈现脆性断裂特征;钛板断口呈现出剪切断裂和韧性断裂共同作用的混合断裂形式;FAA接头的钉头几乎未损伤,FTT接头的钉头受损严重。     

钛合金同种自冲铆接头的拉伸与剥离性能

为了分析钛合金(TA1)同种自冲铆单搭和T型两种接头的静力学性能,分别对两种接头进行了拉伸和剥离试验,并通过SEM扫描电镜对两种接头的失效部位的微观形貌进行了观察。结果表明:TA1+TA1的T型接头剥离时所承受最大载荷均值(1211.0 N)小于单搭接头拉伸时所承受最大载荷均值(4706.5 N)。单搭接头和T型接头的主要失效形式皆为下板拉脱使机械内锁失效,且下板皆有不同程度的刮擦损伤痕迹;特别是TA1+TA1单搭接头的铆钉管腿处出现不同程度的断裂,铆钉主要断口微观形貌为典型的沿晶断裂;T型接头下板存在很大的刮擦损伤。     

钢铝合金组合板自冲铆接头的力学性能研究

使用铝锂合金板(AL1420)和镀锌钢板(Q215)制备了自冲铆接头。通过对比试验获得了不同组合形式的接头最优铆接参数。通过拉伸-剪切试验研究了接头的静失效载荷及其能量吸收性能,对接头的失效形式及其宏观失效机理进行了分析。结果表明:钢铝合金不同组合形式的自冲铆接接头均能获得良好的成形性。AL1420-AL1420接头静失效载荷最大;Q215-AL1420接头失效位移最大,其缓冲吸震性能最优。钢铝合金组合接头的失效形式均为下板与铆钉分离;且下板材质对接头的综合性能影响较大。     

钛合金自冲铆接头力学性能优越性研究

为了研究钛合金自冲铆接头力学性能的优越性,以TA1钛合金自冲铆(ST)接头为对象,以5052铝镁合金(SAB)、1420、8090铝锂合金(SAA、SAC)和Q215合金钢(SQ)自冲铆接头为参照,依据静力学试验结果对比分析了ST接头成形质量、静失效载荷、能量吸收值,并用扫描电子显微镜对接头静载失效进行了研究。结果表明:ST接头拥有优异的成形质量,钉头高度为0.02 mm,钉脚张开度为0.88 mm,残余底厚适中;钛ST接头拥有最高静失效载荷(6232.3N);ST接头能量吸收均值最高(24.9 J);ST接头静载失效形式为铆钉断裂,其断口呈脆性断裂特征。     

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。     

自然时效对5A06铝合金自冲铆接接头性能的影响

为了研究自然时效对自冲铆接接头的影响,采用5A06铝合金进行自冲铆接,通过拉伸试验,从宏观层面研究自然时效对于5A06铝合金自冲铆接接头性能的影响,从微观层面分析了接头拉脱失效的形式和机理。结果表明:经过一年的自然时效,接头特有的机械内锁结构由于其应力的释放,畸变程度降低,接头的平均峰值载荷下降了15.28%、平均失效位移上升了58.37%、平均能量吸收提升了55.92%。接头不同应力集中处的应力释放不均匀,上、下板应力的集中释放速率不一致,导致两组试验主要失效的部位不同。在经过一年自然时效处理后,接头失效点处的韧窝分布更加密集,形状更大且更深,接头的脆性降低,塑性增加。