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(jìng)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(guó)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(shí)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(duì)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(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、高效環(huán)保、符合未來(lái)綠色工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)等諸多優(yōu)勢(shì)，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(lái)，國(guó)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(cè)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(píng)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(guò)程中諸如沖壓力等參數(shù)對(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)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(shí)達(dá)到疲勞極限。

目前對(duì)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(jiàn)報(bào)道。因此，作者采用分體式下模壓印連接設(shè)備，分別對(duì)SPCC鋼和5052鋁合金進(jìn)行壓印連接，然后對(duì)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(dòng)頻率，在不同載荷水平下分別對(duì)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(duì)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(shí)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(zhǎng)20mm；制備鋁合金壓印接頭時(shí)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(zhǎng)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(gè)試樣，在試樣制備過(guò)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(gè)用于拉剪試驗(yàn)，以便設(shè)計(jì)疲勞試驗(yàn)的載荷分級(jí)。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?？紤]到單搭試樣夾持后會(huì)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(duì)中。

當(dāng)車輛在路面上行駛時(shí)，其產(chǎn)生振動(dòng)的輸入激勵(lì)一般由不平路面、發(fā)動(dòng)機(jī)以及傳動(dòng)系統(tǒng)等共同激勵(lì)組成，在常規(guī)車速下，不平路面激勵(lì)的頻率范圍為0.33～28.3Hz，在車輛行駛平順性振動(dòng)分析時(shí)主要考慮30Hz以下的振動(dòng)［5］。因此設(shè)定汽車行駛時(shí)壓印接頭的振動(dòng)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(duì)較少，所以以國(guó)際焊接學(xué)會(huì)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(wàn)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(wàn)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(wàn)次。當(dāng)試樣的位移變化量相對(duì)穩(wěn)定循環(huán)周次時(shí)的位移變化達(dá)到350%時(shí)，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(jiàn)，拉伸過(guò)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(dòng)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(guò)程Fig.2 Failure process of SPCC clinched joint sample during tension-shear test

從圖3可見(jiàn)，6個(gè)鋁合金壓印接頭試樣的拉剪載荷－位移曲線相對(duì)集中，證明試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠；在拉伸剛開(kāi)始時(shí)，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(gè)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(shí)，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(gè)鋼壓印接頭試樣的拉剪載荷－位移曲線也相對(duì)集中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。拉伸剛開(kāi)始時(shí)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(jiàn)，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(shí)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(jiàn)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(shuō)明該批試樣數(shù)據(jù)分散性較小，用來(lái)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(guò)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(jiàn)，斷裂最后發(fā)生在板材的接頭處，其斷裂方式與拉伸時(shí)完全不同，互鎖部分剝離的同時(shí)，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(jiàn)，在給定的載荷比（0.5）下，載荷水平越小，其疲勞壽命越長(zhǎng)；SPCC鋼壓印接頭在0.75Fs下的疲勞壽命已超過(guò)500萬(wàn)次，可以認(rèn)為低于0.75Fs情況下試樣將不會(huì)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(jiàn)，循環(huán)次數(shù)超過(guò)200萬(wàn)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(shí)，其疲勞壽命仍能保證在200萬(wàn)次以上，高于鋁合金焊接接頭的疲勞壽命。這說(shuō)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(shí)，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(shí)發(fā)生剝離失效，說(shuō)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(shí)完全不同；SPCC鋼壓印接頭在0.75Fs下的疲勞壽命已超過(guò)500萬(wàn)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(wàn)次，高于鋁合金焊接件的疲勞壽命，這說(shuō)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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