SPCC冷轧钢胶焊连接工艺研究及数值模拟

 为了研究胶焊工艺对接头力学性能的影响,并分析胶焊接头的温度场演变规律,针对1.5 mm厚的SPCC冷轧钢薄板,开展胶接点焊和电阻点焊的正交试验,并应用极差和方差分析得到最佳工艺参数,借助材料性能试验机对两种接头进行单向静拉伸试验获得接头的失效载荷,对比分析点焊和胶焊接头的力学性能,建立胶焊接头的仿真模型,分析接头熔核区温度场的演变规律,采用超声波C扫描成像检测熔核直径。结果表明,影响胶焊接头拉剪载荷的主、次因素依次为焊接电流、焊接时间、电极压力;胶焊接头和点焊接头的平均失效载荷分别为11 071.12和10 179.72 N,胶层的引入提高了接头的失效载荷;随着焊接时间的增加,熔融的金属液增多,熔核沿着径向和轴向呈椭圆形扩张,熔核中心的径向温度均高于轴向温度,模拟获得的熔核尺寸与超声C扫描测得熔核直径分别为6.17、5.61 mm。     

铆钉分布形式对自冲铆接头力学性能的影响

该文采用Landmark试验机对5052铝合金自冲铆接头进行力学性能测试来研究铆钉分布形式对自冲铆接头力学性能的影响。获得了单铆钉自冲铆(简称SR)接头、横向分布双铆钉自冲铆(DRT)接头和纵向分布双铆钉自冲铆(DRL)接头的静力学和疲劳性能,采用正态分布和威布尔分布对试验数据进行分析检验其有效性。结果表明：DRT接头静强度约为SR接头的2倍;DRL接头静强度约为SR接头的1.9倍。DRL接头比DRT接头具有更好的能量吸收能力。双铆钉自冲铆接头的疲劳性能优于SR接头。铆钉分布形式对接头疲劳变形量影响较小,但是对寿命影响较大。当疲劳载荷较高时,DRL接头可提高疲劳寿命。随着疲劳载荷降低,DRT接头可显著增加疲劳寿命。     

自冲铆成形机理及静力学性能分析

对自冲铆接头进行静力学试验,观察和分析力学性能的差异和失效形式。用ANSYS/LS-DYNA模拟铆接过程中各个阶段材料的流向分布,观察自冲铆成形过程。以5052铝合金自冲铆接头为金相实验对象,采用阳极化制膜进行制样,微分干涉相衬法对其进行组织形态和流向观察分析,验证模拟结果,从微观角度分析自冲铆的成形机理及对接头力学性能的影响。     

铝锂合金T型自冲铆接头疲劳特性及失效机理

为研究T型自冲铆接头的疲劳特性,以铝锂合金(AL1420)同种及其与铜合金(H62)和不锈钢(410)异种组合制备的AA、HA和SA三组T型自冲铆接头为研究对象,基于其静力学试验采用正弦波进行拉-拉加载疲劳试验,用二参数威布尔分布对所得疲劳数据的有效性进行验证,采用最小二乘拟合直线得到拟合的F-N曲线,并采用SEM扫描电镜对各组典型疲劳失效断口进行微观分析。结果表明:SA组疲劳寿命对载荷变化最敏感,并且疲劳寿命随相对滑移量的增加而减小;由三组T型接头失效形式可看出接头薄弱环节有由铆钉向板材转移的趋势;从微观分析疲劳断口可知裂纹萌生区多为形貌特征较为平坦的准解理,裂纹瞬断区形貌更加突出,多为沿晶断裂或韧窝形貌。     

TA1异质自冲铆接头力学性能及失效机理

通过自冲铆接对比试验获得接头最优铆接参数,并以此制备TA1钛合金板分别与Al5052铝合金板和H62铜合金板的异质自冲铆接头。通过静力学实验和疲劳实验研究异质接头的力学性能,并运用疲劳三参数经验公式拟合S-N曲线,最后利用扫描电镜和能谱仪进行断口分析和能谱分析进而研究接头的疲劳失效机理。结果表明,TA1-H62(STH)接头静失效载荷优于TA1-Al5052(STA)接头;且前者在低载荷下疲劳寿命优于后者,STA接头则在高载荷下优势明显。STA接头疲劳失效模式为下板断裂,STH接头则出现了两种失效模式;两板间及铆钉与上下板之间接触区域发生的剧烈微震磨损是导致疲劳裂纹萌生的主要原因。     

粘接剂对自冲铆接头强度影响

对Y2纯铝板单搭自冲铆接头、粘接接头与自冲铆-粘接复合接头分别进行拉伸剪切试验,研究粘接剂对单搭自冲铆接头强度和能量吸收能力的影响,并分析接头破坏模式和失效机理。结果表明:粘接剂的使用对单搭自冲铆接头强度有一定程度的提高作用,但是对能量吸收能力有一定程度的减弱作用。在自冲铆-粘接复合接头中,粘接剂对自冲铆接头的破坏模式无影响,铆接对粘接层的破坏模式也无影响。选用合适的粘接剂,单搭自冲铆-粘接复合接头的综合性能优于自冲铆接头和粘接接头。因此,自冲铆和粘接的组合可以获得良好的连接结构。     

AA5052自冲铆接头成形质量及其静力学性能研究

通过改变整形力、刺穿力及行程研究铆接工艺参数对AA5052自冲铆接头性能的影响,进而探究接头成形质量及其对接头静力学性能的影响。结果表明:接头失效模式均为下板与铆钉分离,这是由于在拉伸-剪切试验过程中,位于下板内部的机械内锁遭到破坏,铆钉从下板拉出。在一定范围内,随着整形力的增加钉头高度逐渐减小,接头表面越平整,内锁长度却逐渐增加;随着刺穿力的增加,钉脚张开度减小,但内锁长度却逐渐增加,可形成较好内锁值;随着行程增大,钉脚张开度随之增大,内锁长度也会增加,接头可形成较好的机械内锁且具有较好的密封抗蚀能力。整形力对AA5052自冲铆接头静力学性能影响最低,刺穿力和行程均对试件的拉伸载荷和能量吸收能力有显著影响。     

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%。     

自冲铆接铆钉材料流场的数值模拟研究

以厚度为2 mm的同种AA5052铝合金板料为铆接对象,利用Simufact Forming16.0软件建立铝合金自冲铆接的仿真模型。设定不同水平的铆钉内腔高度和铆钉高度,分别进行模型非线性有限元计算。分析了不同铆钉工艺参数下铆钉材料流场变化以及对接头成形质量和铆接最大冲压载荷的影响。试验表明：仿真结果与实际的接头截面成形效果相似,接头主要变形区域内的板料流速较大;较小内腔高度的铆钉形成的接头内锁结构更优,残余底厚为0.784 mm、钉脚张开度为1.058 mm,铆钉材料径向流速更快;钉脚张开度、铆钉材料径向流速和铆接的最大冲压载荷均随着铆钉高度的增加而增大,残余底厚随着铆钉高度的增加而减小。