加熱溫度對AZ31鎂合金薄板壓力連接接頭性能的影響

石柏軍，李 航，彭 松，廖樹輝

（華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣州510640）

0 引 言

鎂合金是目前工業(yè)應(yīng)用中密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、電磁屏蔽性，同時比強度和比剛度高，減震性好，切削加工和尺寸穩(wěn)定性佳，易回收，有利于環(huán)保等優(yōu)點，在航空、汽車、電子等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，被譽為“21世紀的綠色工程材料”。但由于鎂在高溫下化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性差，熱膨脹系數(shù)較大等原因，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)焊接方法連接鎂合金薄板時會出現(xiàn)疏松氧化層、熱裂紋等問題，因此一般認為鎂合金不適宜焊接［1］。

壓力連接是通過擠壓金屬薄板使其發(fā)生機械變形形成自內(nèi)嵌互鎖的一種連接方式，一般應(yīng)用于塑性較好的材料，如鋼板、鋁板等。與其他連接方法（如傳統(tǒng)熔化焊等）相比，壓力連接的應(yīng)用范圍更廣闊，既能實現(xiàn)不同材料薄板間的連接，又能保證薄板表面鍍層的完好性［2］，同時無需鉚釘?shù)容o助物件，也不會產(chǎn)生廢料，在經(jīng)濟性、環(huán)保性上可以達到更高的水平。目前，工業(yè)生產(chǎn)中鎂合金薄板的連接主要為鎂－鎂、鋼－鎂連接，使壓力連接技術(shù)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。但鎂合金為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，常溫下塑性變形能力較差［3－4］，因此國內(nèi)外對壓力連接技術(shù)的研究與應(yīng)用多集中在高強度鋼板、鋁合金薄板的連接上，對于鎂合金薄板壓力連接的研究鮮有報道。

有研究表明，隨溫度升高，鎂合金材料的抗拉強度下降，塑性明顯提高，材料的各向異性指數(shù)下降［5－7］。為豐富相關(guān)研究，作者以 AZ31鎂合金作為壓力連接試驗對象，對不同溫度下鎂合金薄板的變形機理及連接效果展開探討，旨在為鎂合金壓力連接技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用提供理論支撐。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為AZ31鎂合金薄板，尺寸175mm×30mm×1mm，化學(xué)成分如表1所示，室溫下的力學(xué)性能如表2所示［1］。

表1 AZ31鎂合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Chemical composition of AZ31Mg alloy（mass）%

表2 室溫下AZ31鎂合金的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of AZ31 Mg alloy at room temperature

AZ31鎂合金壓力連接試驗設(shè)備［8－10］如圖1（a）所示。壓機的動力機構(gòu)為氣液混合缸，其利用壓縮空氣最大能產(chǎn)生50kN的壓力，驅(qū)動凸模分三行程運作，達到壓力連接的目的。凸／凹模的結(jié)構(gòu)尺寸滿足體積算法（即根據(jù)材料變形前后體積不變的原理，凸模壓入板件部分體積等于凹模容積［11－13］），主要尺寸如圖1（b）所示。

采用凹模加熱法進行壓力連接試驗，即利用緊繞凹模的加熱線圈對凹模進行加熱，再由凹模把熱量傳遞到板件接頭處。凸模尾端與力傳感器直接接觸，過高的溫度會影響力傳感器的測量精度，因此僅對凹模進行加熱。螺旋加熱圈即表面由銅殼覆蓋的電阻加熱裝置，其溫度調(diào)控由智能控溫器來完成。

鎂合金薄板與周圍常溫空氣的接觸面積較大，冷卻速率很快，因此壓邊圈周圍薄板溫度與凹模加熱目標(biāo)溫度有一定差距，而直接測量接頭處的薄板溫度則難于實現(xiàn)。對于同樣的試驗設(shè)備和環(huán)境，凹模加熱的目標(biāo)溫度與薄板接頭處實際溫差固定，因此接頭處的溫度可由凹模加熱溫度值減去溫差得出。

AZ31鎂合金的壓力連接與鋼板、鋁合金薄板壓力連接的過程不同，為了確保薄板連接時的溫度為目標(biāo)溫度，凸模在快進行程末端需要停留約1min才能進入加壓行程，壓接流程如圖2所示。

試驗加熱溫度為150～375℃，每間隔25℃進行一組試驗，每組試驗壓三個接頭，并編號為接頭A、B、C。其中，接頭A用于1／2剖切截面觀測，接頭B、C分別用于正面及背面的表面觀測。此外，在光學(xué)顯微鏡下以40倍的放大倍數(shù)對175℃和300℃兩種凹模溫度下不同壓入行程制備的接頭進行了1／2截面的觀測。

1.2 試驗方法

壓力接頭的失效形式主要有兩種：上板頸部斷裂和上下板分離［11］。前者是由于上板頸部厚度小、強度低所致；后者則因薄板間互鎖值小，鎖止力不足而成［12］。接頭強度試驗在三思微機控制電子萬能試驗機上進行，分為剪切試驗、一字剝離試驗以及十字剝離試驗，以此來評價其連接效果，試樣尺寸如圖3所示。

圖3 強度試樣尺寸Fig.3 Size of sample for strength tests

對凹模溫度300℃的試樣分D、E、F三組測試，其中D組用于剪切試驗，E組用于一字剝離試驗，F(xiàn)組用于十字剝離試驗，拉伸速率為10～50mm·min－1，每組試驗做3次，結(jié)果取3次平均值。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 加熱溫度對連接質(zhì)量的影響

AZ31鎂合金的塑性明顯受溫度影響，溫度越高，其塑性變形阻力越小。由表3可見，在150～250℃進行壓力連接時，上薄板頸部厚度很小，甚至出現(xiàn)裂紋，接頭背面彎折處還出現(xiàn)褶皺。而接頭上薄板頸部厚度和上下薄板間的互鎖值是決定連接效果的兩個指標(biāo)，兩者要同時取得較大值才能獲得較好的接頭。這說明在該溫度區(qū)間進行AZ31鎂合金的壓力連接無法形成質(zhì)量較好的接頭，失效形式為頸部斷裂。在275～300℃進行壓力連接時，接頭形貌良好，但由于上下薄板在高溫下粘著在一起，難以測量上薄板頸部厚度與上下薄板間的互鎖值，故連接效果需要通過強度試驗來進行進一步分析。壓力連接溫度在300℃以上時，隨著加熱溫度的進一步升高，在同樣的壓力下容易造成下薄板材料溢出在背面形成環(huán)形凸臺，甚至穿孔（如表3中最后一組）。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，由于鎂合金在175℃時塑性較300℃時的差，故其壓力連接所需的壓接力在大部分凸模行程中大于300℃下所需的壓接力；凸模行程在1.3～1.7mm之間時，175℃下的壓接力小于300℃下的，因為該溫度下上薄板頸部出現(xiàn)頸縮并開始斷裂；而300℃時，隨著凸模下壓行程增加，其壓接力上升較為平緩。

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圖4 175℃和300℃下AZ31鎂合金的連接過程對比Fig.4 Comparison of AZ31clinching processes between 175℃and 300℃

壓力連接溫度在300℃以上容易造成下薄板材料溢出在背面形成環(huán)形凸臺甚至穿孔的原因是，當(dāng)溫度達到350℃后，AZ31鎂合金變得很軟，凸模行程容易過大，導(dǎo)致接頭底部過薄出現(xiàn)穿孔，并且其穿孔后出現(xiàn)的底部落料會粘在凸／凹模上，影響模具表面性能?？梢?，在該溫度區(qū)間所形成的接頭雖然不會出現(xiàn)裂痕或者褶皺一類提前失效的情況，但其材料在壓力連接過程中流動變形過大，導(dǎo)致其在形貌上差異較大，且上下板間結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，上薄板頸部厚度與互鎖值不可控制。由于凸／凹模具結(jié)構(gòu)尺寸滿足體積算法，從表面看理想的壓力連接效果應(yīng)當(dāng)是薄板材料基本填充滿凹模，而且接頭底厚應(yīng)為板厚的0.2～0.4倍，同時上下薄板均無材料溢出［11—13］。因此，若要在該溫度區(qū)間形成高質(zhì)量的接頭，則需要準確控制凸模下壓行程的位移以及力度。

以上結(jié)果表明：適合AZ31鎂合金壓力連接的溫度為250～350℃，最適宜溫度在300℃左右。壓力連接過程監(jiān)控系統(tǒng)對最大壓接力的監(jiān)控顯示，隨著溫度的升高，最大壓接力逐漸變小，其變化關(guān)系如圖5中曲線所示。

圖5 適合于AZ31鎂合金壓力連接的溫度區(qū)域Fig.5 The suitable temperature zone of AZ31clinching

2.2 連接接頭的強度

從圖6可見，接頭其抗剪切強度最大，測得最大切向作用力達到了1 600N，切向位移很小，接頭的破壞形式為上薄板頸部產(chǎn)生扭曲并斷裂，接頭十字剝離最大拉力為600N，拉伸位移較大，接頭破壞形式為頸部被垂直拉斷。而一字剝離試驗的抗拉力為380N，說明剝離過程中接頭四周受力均勻，更好地發(fā)揮了壓力連接技術(shù)使薄板間自內(nèi)嵌的互鎖效果。

圖6 300℃下AZ31鎂合金連接接頭的強度試驗位移－力曲線Fig.6 Displace vs force curves of AZ31Mg alloy clinching joints at 300℃

3 結(jié) 論

（1）適合AZ31鎂合金壓力連接的溫度區(qū)間是250～350℃，以300℃左右為最佳，溫度過低容易導(dǎo)致接頭頸部出現(xiàn)裂痕甚至斷裂，溫度過高時AZ31鎂合金變軟使得凸模下壓行程過大，導(dǎo)致接頭處材料的流動變形過大，底部過薄甚至穿孔。

（2）在300℃條件下壓接AZ31鎂合金，其接頭十字剝離最大承載力為600N，而剪切所能承載的作用力達到了1 600N，連接強度較高。

［1］陳振華.變形鎂合金［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］SABERI S，ENZINGER N，VALLANT R，et al.Influence of plastic anisotropy on the mechanical behavior of clinched joint of different coated thin steel sheets［J］.International Journal of Material Forming，2008，1（1）：273－276.

［3］AVEDESIAN M M，BAKER H.Magnesium And Magnesium Alloys［M］.United States：ASM International，1999：314.

［4］WAGENER H W，LEHNERT F.Deep drawing of magnesium sheet metal at room temperature［J］.Manufacturing Processes Sheet Metal Processing，2004（14）：616－620.

［5］DOEGE E，DR?DER K.Sheet metal forming of magnesium wrought alloys－formability and process technology［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，115（1）：14－19.

［6］張凱鋒，尹德良，吳德忠，等.AZ31鎂合金板的熱拉深性能［J］.中國有色金屬學(xué)報，2003，13（6）：1506－1509.

［7］TAKUDA H，MORISHITA T，KINOSHITA T，et al.Modelling of formula for flow stress of a magnesium alloy AZ31 sheet at elevated temperatures［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，164／165：1258－1262.

［8］童 偉，石柏軍，莊文輝.新型汽車鈑金件壓力連接方法及設(shè)備［J］.機床與液壓，2008，36（7）：93－95.

［9］石柏軍，何燦榮，何濤.基于機械變形的鈑金件連接過程實時監(jiān)控方法的研究與應(yīng)用［J］.機床與液壓，2009，37（5）：35－37.

［10］石柏軍，田恒宇，劉松林.基于窗口技術(shù)的壓接質(zhì)量在線監(jiān)控方法的研究［J］.機床與液壓，2010（9）：151－154.

［11］VARIS J P，LEPIST?J.A simple testing－based procedure and simulation of the clinching process using finite element analysis for establishing clinching parameters［J］.Thin－Walled Structures，2003，41（8）：691－709.

［12］石柏軍，劉松林，田恒宇.壓力連接模具參數(shù)的設(shè)計方法［J］.汽車技術(shù)，2010（6）：52－55.

［13］MUCHA J.The analysis of lock forming mechanism in the clinching joint［J］.Materials and Design，2011，32（10）：4943－4954.