金屬夾層對自沖鉚接頭強度和失效形式的影響

宋承裕，何曉聰，魏文杰，盧嘉偉，劉可欣

(昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院, 昆明 650500)

隨著汽車保有量越來越大，汽車尾氣排放給環(huán)境帶來巨大負(fù)擔(dān)。汽車輕量化作為降低原油消耗的重要手段，已得到世界各國的高度重視。汽車車身約占整車總重的30%～60%，汽車運行過程中70%的燃料消耗在車身質(zhì)量中，因此，汽車車身輕量化成為提高燃油經(jīng)濟的關(guān)鍵，而使用輕量化材料是車身輕量化的一個重要手段[1]。泡沫金屬作為一種多功能材料，具有良好的減震吸能、輕質(zhì)高強等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車和航空領(lǐng)域[2]。泡沫金屬夾層作為多功能性材料可以運用在自沖鉚接頭當(dāng)中。自沖鉚(SPR)是一種機械冷連接技術(shù)，可實現(xiàn)兩層或多層板的有效連接，其原理是通過沖頭下行壓迫鉚釘刺入板材，在鉚模的作用下，鉚釘腳中空結(jié)構(gòu)擴張刺入而并不刺穿底層板材，從而形成牢固機械內(nèi)鎖[3]。與其他技術(shù)相比，自沖鉚技術(shù)具有較大的優(yōu)勢，如自沖鉚技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)金屬與非金屬材料的連接，可解決鋁合金板材難以通過電阻點焊焊接等問題，因而得到廣泛的應(yīng)用。

在自沖鉚接工藝層面，金鑫等[4]探究了模具的幾何形狀與鋁/鋼自沖鉚接頭成型質(zhì)量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)接頭的底切量隨凹模寬度增大而減小。張雨桐等[5]利用Simufact Forming探討了凹模深度對AA6062鋁合金自沖鉚接頭質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，凹模深度影響鉚釘與板材接觸區(qū)域的應(yīng)變數(shù)值。Deng等[6]發(fā)現(xiàn)雙錐面凸模較單錐面凸模更能夠提高自沖鉚接頭承載能力和吸震能力。張先煉等[7]開展了鉚釘?shù)挠捕葘宇^失效形式的研究，研究發(fā)現(xiàn)，提高鉚釘?shù)挠捕仁沟媒宇^失效位置發(fā)生變化。Li等[8]回顧了自沖鉚以往的研究成果以及目前的發(fā)展?fàn)顩r，討論了影響接頭質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。上述研究均表明，模具的幾何形狀和鉚釘硬度對接頭力學(xué)特性有較大的影響。在板材性能差異方面，部分學(xué)者也做了一系列的研究。馬運五等[9]通過自沖鉚有限元模型，探索了板材強度對接頭力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，下板最大應(yīng)力受板材屈服強度影響。Rao等[10]探究了碳纖維與鋁合金AA6111自沖鉚力學(xué)性能，研究表明，接頭靜失效載荷與鉚釘頭高度有關(guān)。He等[11]揭示了Al5052鋁合金和H62銅合金自沖鉚接頭強度和失效模式與其剛度相關(guān)。Li[12]采用經(jīng)砂紙打磨后的AA5754鋁合金板材進行鉚接，能夠顯著提高接頭靜強度。通過上述相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，不同的板材性能對接頭失效強度和失效模式產(chǎn)生了顯著的差異。在搭接形式方面，Haque等[13]研究了鋼板單搭接頭和十字接頭自沖鉚的力學(xué)性能，建立了單搭接頭與十字接頭強度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，且兩者之間的誤差小于8%。Kang等[14]研究了三層板自沖鉚接頭的力學(xué)性能，試驗結(jié)果表明，接頭剪切強度隨著中間板材力學(xué)性能的提高而增加。由于泡沫金屬夾層具有吸震緩沖的作用，丁文有等[15]在自沖鉚接頭搭接區(qū)域加入不同厚度的金屬夾層，試驗結(jié)果表明，接頭承受拉-剪能力隨金屬夾層厚度增大而降低。

在接頭搭接區(qū)域加入不同類型泡沫夾層的研究尚鮮有報道，本研究將基于靜力學(xué)實驗，研究不同類型金屬夾層對接頭的影響，并從宏觀和微觀角度分析接頭的失效模式，為自沖鉚后期的研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗以AA5052鋁合金為基板，材料幾何尺寸為110 mm × 20 mm ×1.5 mm。試件鉚接所用半空鉚釘直徑為5.3 mm、高5 mm，硬度H4，下模具為凸模，半空心鉚釘和凸模幾何尺寸如圖1所示。環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠DP460，其力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。泡沫鐵鎳幾何尺寸為20 mm×20 mm×1.0 mm，其材料參數(shù)如表2所示。

圖1 鉚釘與模具的幾何尺寸(單位：mm)

表1 環(huán)氧樹脂膠DP460性能參數(shù)

1.2 自沖鉚接試驗

試驗利用德國Bollhoff公司生產(chǎn)的RIVEST VARIO-FC(MTF)型自沖鉚機器分別制備AA5052-AA5052自沖鉚接頭(A0)、AA5052-泡沫鐵鎳-AA5052自沖鉚接頭(A1)和AA5052-涂膠泡沫鐵鎳-AA5052自沖鉚接頭(A2)。

3組接頭制備過程如下：A0、A1組試件無需對板材表面處理，直接鉚接，搭接區(qū)域幾何尺寸為20 mm × 20 mm ，其中A1組接頭的板材之間放置金屬夾層。對于A2組接頭，首先對上下板的搭接區(qū)域采用砂紙打磨處理，用酒精對打磨區(qū)域脫脂洗滌，然后在搭接區(qū)均勻涂抹環(huán)氧樹脂膠并放置金屬夾層，在沖頭的擠壓下，膠層厚度幾乎可以忽略，最后將鉚接好的試件放置于保溫箱固化48 h。試件示意圖如圖2所示。經(jīng)過多次反復(fù)試鉚和對比，確定此次試驗的鉚接參數(shù)為：行程132.46 mm，預(yù)緊壓強5 MPa,刺穿壓強15 MPa,整形壓強10 MPa，接頭截面如圖3所示。

圖2 復(fù)合接頭幾何尺寸(單位：mm)

圖3 接頭截面示意圖

1.3 靜力學(xué)試驗

為了減小試件在試驗中力的作用線不對中所產(chǎn)生的彎矩，對試件夾持端粘貼片，其幾何尺寸為20 mm×20 mm×1.5 mm，采用美國MTS Landmark100型電液伺服材料試驗機對試件進行拉伸-剪切試驗，拉伸速率為5 mm/min，失效判據(jù)為99%，即當(dāng)拉伸試件的峰值載荷減少99%，則判定試件失效，每組接頭進行10次重復(fù)試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭靜失效載荷分析

由于A0、A1和A2組各組內(nèi)接頭載荷-位移曲線趨勢基本一致，故分別從3組接頭載荷-位移曲線各選取一條有代表性曲線，如圖4所示。

圖4 接頭拉伸-剪切載荷-位移曲線

為了檢驗試驗數(shù)據(jù)的有效性，本研究采用了MATALAB R2014b中l(wèi)illitest正態(tài)分布擬合優(yōu)度測試函數(shù)，檢驗試驗結(jié)果是否服從正態(tài)分布；再使用樣本置信區(qū)間估計命令(normfit)，以95%置信度估計置信區(qū)間，對試驗結(jié)果進行檢驗。表3的接頭正態(tài)分布參數(shù)估值結(jié)果表明，各組接頭數(shù)據(jù)均位于其組置信區(qū)間內(nèi)，說明數(shù)據(jù)皆有效。

表3 各組接頭正態(tài)分布參數(shù)估計值

在3組接頭靜失效載荷中，A2組最大(4 664.0 N)，比A1組(3 943.3 N)高18.2%，A0組(3 586.0 N)最小。A1組試件搭接區(qū)存在泡沫金屬夾層，在鉚釘拉出過程中，由于泡沫金屬硬度較大且表面較粗糙，使得鉚釘腿與基板之間摩擦力增大，阻礙鉚釘腿從鉚扣中拔出，進而增加了接頭靜失效載荷。從其接頭載荷-位移曲線走勢可以看出，初始階段接頭承受載荷迅速上升，但位移變化很小，載荷經(jīng)歷多次小幅度突變，這主要是由于包裹在鉚釘腿的泡沫金屬層表面凹凸不平，使得在鉚釘拉出過程中多次受阻，因而載荷出現(xiàn)多次突變，隨著接頭從鉚扣中緩慢拉出，載荷逐漸降至為零。而A2組接頭泡沫金屬表面涂有環(huán)氧樹脂膠，在泡沫金屬和膠層共同作用下，接頭承受載荷能力進一步提升。接頭載荷-位移曲線表現(xiàn)為先以接近線性增加至載荷峰值，由于膠層界面遭到破壞，載荷迅速下降，而后載荷曲線緩慢下降，直至趨近于零。

2.2 接頭失效模式分析

A0、A1和A2組接頭失效模式如圖5所示。對比3組接頭失效模式可以看出，3組接頭均為拉脫失效且接頭上板搭接區(qū)出現(xiàn)不同程度的曲翹，鉚釘孔發(fā)生膨脹，同時鉚釘腿與下板發(fā)生劇烈摩擦，鉚扣處出現(xiàn)一定程度撕裂，接頭內(nèi)鎖結(jié)構(gòu)遭到破壞，A0組接頭鉚釘從下板拉脫，而A1和A2組接頭下板底部與鉚釘一并從下板拉脫。

圖5 接頭拉伸-剪切試驗的失效形式

由此可知，由于鋁合金具有良好的塑性，在沖頭和模具的擠壓下，下板與鉚釘腔內(nèi)泡沫金屬發(fā)生粘連作用，在拉剪載荷作用下，鉚釘與下板底部一并從下板拉脫。A2組在鉚釘拉脫之前，先表現(xiàn)為膠層次價鍵發(fā)生斷裂，且在鉚釘拉脫過程中伴隨著鉚釘孔的擠壓和剮蹭，在鉚釘完全拉脫之后，由于膠層粘連作用，小部分泡沫金屬附著于下板搭接區(qū)且有一定程度的撕裂。

2.3 接頭能量吸收值

能量吸收值是衡量機械結(jié)構(gòu)緩沖吸震能力的重要指標(biāo)，本研究通過MATALABR2014b編程計算各組接頭的能量吸收值(J)，A0、A1和A2組接頭能量吸收值結(jié)果如圖6所示。A0組能量吸收值最大(11.779 J)，A1組(11.684 J)次之，A2(10.939 J)組最小。A1、A2組接頭能量吸收值均小于A0組，原因是A1組接頭加入泡沫金屬夾層后靜失效載荷比A0組稍大，但由于包裹鉚釘腿泡沫金屬被壓縮后，在其表面有類似金屬顆粒的作用，在鉚釘腿拉脫過程中，使得接頭多次出現(xiàn)載荷突變且位移變化很小，這一定程度減小了接頭能量吸收值。而A2組接頭由于泡沫金屬加入膠層，降低了整個接頭的剛度，接頭在拉-剪載荷作用下，表現(xiàn)為粘接面脆斷，接頭載荷瞬間陡降，而位移變化很小，故接頭能量吸值減小。

圖6 接頭能量吸收值

2.4 接頭斷口分析

為進一步了解接頭靜態(tài)失效機理，本文采用高真空掃描電子顯微鏡對失效斷口進行分析。由于3組試件失效類型相同，故只選取A1組試件斷口進行分析，圖7(a)為接頭宏觀斷口圖。A區(qū)域出現(xiàn)較多的白色物質(zhì)、劃痕、撕裂棱以及材料脫層現(xiàn)象，如圖7(b)所示。B區(qū)域不同平面上出現(xiàn)明顯擠壓條痕和極少白色物質(zhì)，如圖7(c)所示。由此可以認(rèn)為，鉚釘在拉剪載荷作用下，鉚釘從鉚扣區(qū)緩慢拉出，鉚釘腿前端部分與下板A區(qū)發(fā)生了劇烈的摩擦，且伴隨著對B區(qū)的擠壓，在剪切力的作用下，下板出現(xiàn)撕裂棱和材料分層現(xiàn)象，其中白色物質(zhì)為鉚釘腿與下板刮擦后留下的氧化物，B區(qū)不同平面擠壓條痕是由于鉚釘腿對下板擠壓造成的。

圖7 失效接頭SEM圖

3 結(jié) 論

1) 接頭中加入泡沫鐵鎳夾層及涂膠泡沫鐵鎳夾層，其承受拉剪載荷能力顯著提高，能量吸收值減小。A1組和A2組最大平均靜失效載荷分別比A0組提高了9.9%和30%，A1組和A2組接頭能量吸收值分別為A0組的99.1%和92.8%，A0組更適合緩沖吸震要求較高的機構(gòu)。

2)3組接頭均為鉚釘拉脫失效，上板出現(xiàn)不同程度的曲翹，A0組接頭鉚釘從下板拉脫，而A1和A2組接頭下板底部與鉚釘一并從下板拉脫，鉚釘孔發(fā)生刮擦和擠壓，鉚扣處有輕微撕裂，接頭內(nèi)鎖結(jié)構(gòu)強度小于板材強度。

3)3組接頭失效模式微觀特征為：鉚釘從鉚扣拉出，鉚釘前端與下板A區(qū)發(fā)生劇烈摩擦且伴隨對B區(qū)的擠壓，最終鉚釘在拉剪載荷下完全從下板拉脫。