不同材料壓印接頭的拉剪性能和疲勞性能

鄭俊超，何曉聰，許競楠，曾 凱，丁燕芳

（昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500）

0 引 言

隨著汽車輕量化要求的不斷提高，發(fā)達(dá)國家汽車制造業(yè)在保證汽車強(qiáng)度和安全性不降低的前提下，嘗試用鋁合金、鎂合金等新型薄板輕質(zhì)材料代替鋼板應(yīng)用于汽車車身。但是傳統(tǒng)連接工藝在連接這些輕質(zhì)材料時面臨著巨大困難，而連接質(zhì)量的好壞將直接決定汽車的安全性以及輕量化是否成功，所以這對各種輕質(zhì)材料間或與異種板料間連接提出了新的挑戰(zhàn)。

壓印連接技術(shù)使這一難題得到了很好的解決，作為一種能夠有效連接新型輕質(zhì)薄板材料的冷擠壓連接工藝，因其具有工序簡單、易實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)、高效環(huán)保、符合未來綠色工業(yè)的發(fā)展趨勢等諸多優(yōu)勢，將成為新型節(jié)能汽車制造的一種重要連接技術(shù)。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在壓印連接技術(shù)方面取得了較多研究成果。何曉聰［1］研究了變差系數(shù)法在預(yù)測壓印接頭強(qiáng)度方面的應(yīng)用，得出變差系數(shù)法在產(chǎn)品質(zhì)量評估等方面具有重要意義；Mucha［2］研究了模具幾何尺寸以及壓印連接過程中諸如沖壓力等參數(shù)對連接接頭強(qiáng)度的影響；Carboni［3］等在不同連接點(diǎn)排布結(jié)構(gòu)、不同應(yīng)力比下對接頭進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，并結(jié)合顯微分析及有限元方法，得出搭接結(jié)構(gòu)時，縱向壓印連接點(diǎn)排布與橫向連接點(diǎn)排布的疲勞壽命差異不大，疲勞失效位置位于上、下板結(jié)合的較高應(yīng)力集中區(qū)域；Kim［4］在0.1應(yīng)力比下針對不同幅值做了疲勞試驗(yàn)，得出壓印接頭在50%的最大破壞力左右時達(dá)到疲勞極限。

目前對于壓印接頭疲勞性能的研究均是用整體式下模制備的壓印接頭試樣，而分體式下模壓印接頭疲勞性能的試驗(yàn)研究尚未見報(bào)道。因此，作者采用分體式下模壓印連接設(shè)備，分別對SPCC鋼和5052鋁合金進(jìn)行壓印連接，然后對兩種材料的壓印接頭進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，并根據(jù)汽車行駛中的振動頻率，在不同載荷水平下分別對兩種壓印接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，研究了分體式下模壓印接頭的承載能力及失效機(jī)理，并探討其運(yùn)用于車身次承載結(jié)構(gòu)的可行性；最后借助有限元軟件探討了仿真分析疲勞強(qiáng)度的可行性。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

在RIVCLINCH 1106P50型壓印連接設(shè)備上分別對SPCC鋼和5052鋁合金薄板進(jìn)行壓印連接，如圖1所示，這兩種材料的相關(guān)參數(shù)如表1所示。制備SPCC鋼壓印接頭時選用的上模為SR5210，下模為SR60310，上、下板料的尺寸均為110mm×20mm×1mm，搭接部分長20mm；制備鋁合金壓印接頭時選用的上模為SR5010，下模為SR60314，上、下板料的尺寸均為110mm×20mm×2mm，搭接部分長20mm。設(shè)定工作壓力均為0.6MPa，相應(yīng)的連接力為50kN。

表1 試驗(yàn)材料參數(shù)Tab.1 Material parameter

圖1 壓印連接接頭示意Fig.1 Schematic diagram of clinched joint

每種試驗(yàn)材料各制備12個試樣，在試樣制備過程中，嚴(yán)格控制鋼壓印接頭的底厚（ST值）為0.65mm，鋁合金壓印接頭的底厚為1.4mm。

1.2 試驗(yàn)方法

分別從每組壓印連接接頭試樣中取出6個用于拉剪試驗(yàn)，以便設(shè)計(jì)疲勞試驗(yàn)的載荷分級。用MTS landmark型疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜載拉剪試驗(yàn)，在TestWorks軟件中設(shè)置拉伸速度為5mm·min－1。考慮到單搭試樣夾持后會產(chǎn)生作用力不在同一軸線上的情況，需在夾持端添加相應(yīng)厚度的墊片以保證力的對中。

當(dāng)車輛在路面上行駛時，其產(chǎn)生振動的輸入激勵一般由不平路面、發(fā)動機(jī)以及傳動系統(tǒng)等共同激勵組成，在常規(guī)車速下，不平路面激勵的頻率范圍為0.33～28.3Hz，在車輛行駛平順性振動分析時主要考慮30Hz以下的振動［5］。因此設(shè)定汽車行駛時壓印接頭的振動頻率為20Hz。根據(jù)靜載拉剪試驗(yàn)結(jié)果的平均值，在正弦波載荷和恒定的載荷比r（0.5）下，分別采用6 種不同的載荷水平：70%，75%，80%，85%，90%，95%的最大破壞力，用 MTS landmark型疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)斷裂循環(huán)次數(shù)N。由于目前壓印接頭的疲勞數(shù)據(jù)相對較少，所以以國際焊接學(xué)會制定的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［6］的焊接接頭疲勞壽命500萬次為參照，設(shè)定SPCC鋼壓印連接接頭的循環(huán)基數(shù)為500萬次，而鋁合金焊接接頭的疲勞強(qiáng)度為鋼接頭的1/3～2/3［7］，故設(shè)定鋁合金壓印連接接頭的循環(huán)基數(shù)為200萬次。當(dāng)試樣的位移變化量相對穩(wěn)定循環(huán)周次時的位移變化達(dá)到350%時，認(rèn)為試樣失效。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 拉剪性能

由圖2可見，拉伸過程中，在逐漸增大的拉伸力作用下，SPCC鋼壓印接頭試樣在上板金屬流動形成的頸狀部位被撕裂。

圖2 SPCC鋼壓印接頭試樣在拉剪試驗(yàn)中的破壞過程Fig.2 Failure process of SPCC clinched joint sample during tension-shear test

從圖3可見，6個鋁合金壓印接頭試樣的拉剪載荷－位移曲線相對集中，證明試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠；在拉伸剛開始時，有彈性變形的直線階段，塑性變形的屈服階段不明顯，屈服之后有一段較緩且較平的階段，然后曲線快速降低，直至試樣斷裂。

圖3 5052鋁合金壓印接頭試樣拉剪載荷－位移曲線Fig.3 Tension-shear load vs displacement for 5052aluminun alloy clinched joint

從圖4可看出，6個鋁合金壓印接頭試樣的失效形式均為上板頸部被拉斷，壓印接頭主要承受剪切載荷，其失效模式為剪切失效。由此可推斷壓印接頭在承受拉剪力時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在上、下板結(jié)合的頸部區(qū)域。

圖4 5052鋁合金壓印接頭試樣拉剪失效形貌Fig.4 Tension-shear failure morphology of 5052aluminun alloy clinched joints sample

從圖5可以看出，6個鋼壓印接頭試樣的拉剪載荷－位移曲線也相對集中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。拉伸剛開始時有彈性變形的直線階段，塑性變形的屈服階段不明顯，屈服之后未如鋁合金一樣有一段較緩且較平的階段，而是直接達(dá)到最大載荷后迅速降低，直至斷裂。

圖5 SPCC鋼壓印接頭試樣的拉剪載荷－位移曲線Fig.5 Tension-shear load vs displacement for SPCC steel clinched joint

從圖6可見，鋼壓印接頭拉剪試驗(yàn)的失效形式均為上板頸部被拉斷，同時接頭的互鎖部分從下板中剝離，壓印接頭失效模式兼有剪切失效和剝離失效。

圖6 SPCC鋼壓印接頭試樣的拉剪失效形貌Fig.6 Tension-shear failure morphology of SPCC steel clinched joints sample

各試樣的最大破壞載荷見表2，由此計(jì)算出鋁合金壓印接頭靜載破壞力（Fa）的平均值為1 446.599N，標(biāo)準(zhǔn)差29.2；鋼壓印接頭靜載破壞力（Fs）的平均值為2 476.56N，標(biāo)準(zhǔn)差23.87。說明該批試樣數(shù)據(jù)分散性較小，用來做疲勞試驗(yàn)結(jié)果可靠。

2.2 疲勞性能

從圖7可以看出，在疲勞試驗(yàn)過程中，SPCC鋼壓印接頭在軸向交變載荷作用下達(dá)到一定的循環(huán)次數(shù)后，在接頭的盲孔邊緣出現(xiàn)了宏觀裂紋，并沿垂直于載荷方向不斷延伸。由圖8可見，斷裂最后發(fā)生在板材的接頭處，其斷裂方式與拉伸時完全不同，互鎖部分剝離的同時，頸部被撕裂，形成不規(guī)則的毛邊，而拉伸斷裂的頸部則是比較規(guī)則的剪斷。

表2 各試樣在拉剪試驗(yàn)中的最大載荷Tab.2 Maximum load of different samples during tension-shear experiment N

圖7 SPCC鋼壓印接頭的疲勞裂紋形貌Fig.7 Fatigue crack of SPCC steel clinched joint

圖8 SPCC鋼壓印接頭的疲勞失效形貌Fig.8 Fatigue failure morphology of SPCC steel clinched joint

由表3可見，在給定的載荷比（0.5）下，載荷水平越小，其疲勞壽命越長；SPCC鋼壓印接頭在0.75Fs下的疲勞壽命已超過500萬次，可以認(rèn)為低于0.75Fs情況下試樣將不會破壞，與鋼焊接接頭規(guī)范設(shè)計(jì)的疲勞壽命相當(dāng)。

由表4可見，循環(huán)次數(shù)超過200萬次后鋁合金壓印接頭均未損壞，即使是接近最大靜載破壞力時，其疲勞壽命仍能保證在200萬次以上，高于鋁合金焊接接頭的疲勞壽命。這說明鋁合金壓印連接接頭具有良好的疲勞性能，其應(yīng)用于車身次承載結(jié)構(gòu)時，疲勞強(qiáng)度可以得到保證。

表3 SPCC鋼壓印接頭的疲勞壽命Tab.3 Fatigue life of SPCC steel clinched joint

表4 5052鋁合金壓印接頭的疲勞壽命Tab.4 Fatigue life of 5052aluminium alloy clinched joint

3 結(jié) 論

（1）5052鋁合金壓印接頭在靜載下的破壞形式均是從上、下板接觸擠壓的頸部發(fā)生斷裂；SPCC鋼壓印接頭則是在上、下板接觸擠壓的頸部發(fā)生斷裂的同時發(fā)生剝離失效，說明壓印接頭的拉伸強(qiáng)度主要和上板的頸部強(qiáng)度有關(guān)。

（2）SPCC鋼壓印接頭在疲勞試驗(yàn)達(dá)到一定的循環(huán)次數(shù)后，宏觀裂紋出現(xiàn)在接頭的盲孔邊緣，并沿垂直于載荷方向不斷延伸，最后，在板材的接頭處發(fā)生斷裂，其斷裂方式與拉伸時完全不同；SPCC鋼壓印接頭在0.75Fs下的疲勞壽命已超過500萬次，與鋼焊接接頭的疲勞壽命相當(dāng)；而鋁合金壓印接頭每種載荷水平下的循環(huán)周次都可以達(dá)到200萬次，高于鋁合金焊接件的疲勞壽命，這說明壓印連接應(yīng)用于車身次承載結(jié)構(gòu)具有可行性。

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