淺談異種材料間的連接方法

制造與工

摘 要：近年來，隨著國家的綜合實(shí)力以及生產(chǎn)制造水平的不斷提高，越來越多的新概念進(jìn)入到人們的視野中，現(xiàn)在的重點(diǎn)已不僅在意生產(chǎn)產(chǎn)量，相反的，生產(chǎn)過程中的環(huán)保健康越來越被重視。汽車行業(yè)作為近年來的重要發(fā)展產(chǎn)業(yè)之一，為實(shí)現(xiàn)綠色制造和節(jié)能減排，汽車輕量化技術(shù)逐漸得到重視。目前實(shí)現(xiàn)輕量化的方法主要有結(jié)構(gòu)優(yōu)化、使用輕量化材料以及采用先進(jìn)的制造技術(shù)。隨著鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕質(zhì)材料性能的逐漸提升，異種材料間的連接是現(xiàn)階段制造業(yè)的重點(diǎn)研究內(nèi)容之一。本文將對常見的異種材料間的連接方法進(jìn)行介紹，為異種材料連接的研究提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：綠色制造;節(jié)能減排;異種材料

1 引言

汽車行業(yè)作為國家工業(yè)重要組成部分，近年來為了響應(yīng)國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略以及緩解愈來愈嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，汽車輕量化技術(shù)受到了越來越多的重視。據(jù)相關(guān)資料顯示，汽車自身重量每減輕100kg，油耗將節(jié)約0.6升/100公里。對于傳統(tǒng)的汽車材料而言，多以鋼結(jié)構(gòu)為主，但鋼的密度較大，使得車身重量得不到減輕，油耗增大，對環(huán)境的污染程度也較高。近年來，隨著對鎂、鋁、鈦等密度較小材料性能的深入研究，輕質(zhì)材料的應(yīng)用途徑不斷擴(kuò)大，尤其在汽車行業(yè)中體現(xiàn)得更為明顯?；诖耍囍胁捎玫牟牧辖Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，不再僅以鋼材作為主要材料，更多的是將輕質(zhì)材料與鋼材等異種材料進(jìn)行整合使用。因此，如何實(shí)現(xiàn)異種材料之間的有效連接就成為了研究的重點(diǎn)。

2 連接方法

隨著輕量化技術(shù)地位的不斷提升，異種材料間的連接方法也在不斷地進(jìn)行更新，目前主要采用的連接方法包含焊接、膠接等常用傳統(tǒng)的連接技術(shù)以及自沖鉚接和無鉚連接技術(shù)等新型連接技術(shù)。

2.1 焊接

焊接是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料的制造工藝及技術(shù)，而焊接主要是通過熔焊、壓焊和釬焊三種途徑來達(dá)到接合的目的。在焊接方式中，攪拌摩擦焊作為一種較為新型的焊接技術(shù)，廣泛應(yīng)用于異種材料之間的連接。

攪拌摩擦焊是利用攪拌針，使其一邊旋轉(zhuǎn)一邊前進(jìn)，通過攪拌針與工件之間的不斷摩擦，從而產(chǎn)生熱量，通過摩擦而產(chǎn)生的摩擦熱會使該部位的金屬狀態(tài)發(fā)生變化，從固體變?yōu)闊崴苄誀顟B(tài)，且在攪拌針的作用下，狀態(tài)發(fā)生變化的金屬從前端向后部進(jìn)行塑性的流動，從而將其壓焊為一個整體。攪拌摩擦焊以其焊縫質(zhì)量好、焊件尺寸精度高和綠色焊接等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于鋁及其合金、銅合金、鎂合金、鈦合金等金屬材料的焊接，現(xiàn)階段對于該種連接方式的研究已日趨成熟。但同時攪拌摩擦焊也有其不足之處[1]，如攪拌針與工件分離時，焊縫的端頭處會形成一定的工藝匙孔，從而使得接頭處的力學(xué)性能降低;對于熔點(diǎn)存在較大差異的材料之間，無法發(fā)生有效的熔合;攪拌針由于高速旋轉(zhuǎn)，磨損情況嚴(yán)重，且該材料價格較高，使得該技術(shù)在日常的工業(yè)生產(chǎn)中難以推廣。因此，對該技術(shù)的應(yīng)用還需進(jìn)行深入地研究及分析。

2.2 膠接

膠接是利用結(jié)構(gòu)膠與被連接材料間經(jīng)相互作用而產(chǎn)生的三種力，即機(jī)械結(jié)合力、物理吸附力和化學(xué)鍵合力，從而來實(shí)現(xiàn)有效連接的一種工藝方法。

膠接技術(shù)憑借其在同種材料及異種材料之間均能產(chǎn)生有效連接，從而得到了廣泛的關(guān)注及應(yīng)用。利用膠接技術(shù)對材料進(jìn)行連接時，整體連接處的應(yīng)力分布較為均勻、密封性能好、抗振性能高。由于不同材料間的熱膨脹系數(shù)會存在一定差異，因此將膠接技術(shù)用于異種材料連接時，會出現(xiàn)不好的問題，如固化變形和脫膠等，力學(xué)性能得不到保障;利用膠接技術(shù)連接材料前需對材料的表面進(jìn)行處理，表面質(zhì)量需達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，因為膠接質(zhì)量的高低會受到膠接表面狀況的影響;單獨(dú)使用膠接工藝無法得到理想的連接效果，需將其它工藝與膠接工藝進(jìn)行組合，從而得到質(zhì)量較高的連接，不利于快速掌握及應(yīng)用[2]。

2.3 自沖鉚接

自沖鉚接是利用鉚釘和被連接板料在冷塑性變形下使其快速實(shí)現(xiàn)自鎖的連接技術(shù)。該種技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)多組異種材料的連接，如鎂、鋁等輕量金屬和非金屬之間的連接、有色金屬和有色金屬或與黑色金屬的連接。現(xiàn)階段常見的自沖鉚接工藝類型包含兩種，即實(shí)心鉚釘自沖鉚接工藝和半空心鉚釘自沖鉚接工藝[3]。

自沖鉚接技術(shù)具有能耗小、壽命高、密封性能好等優(yōu)點(diǎn)，但在對鋼板進(jìn)行連接時，接頭處的抗拉強(qiáng)度較小，連接效果不佳;由于在自沖鉚接過程中，板料不僅與凸模發(fā)生接觸，同時與模具也發(fā)生接觸，因此對于單面鉚接的連接效果，該技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)。

2.4 無鉚連接

無鉚連接技術(shù)是在常溫下對板料施加壓力，金屬在一定形狀的模具中發(fā)生塑性變形，通過金屬的流動，從而使兩層或者多層板料形成自鎖而連接在一起[4]。

無鉚連接技術(shù)從開始到最終的成形過程主要包含五個階段，即板料定位階段、鉚接初始成形階段、鉚接形成階段、鉚接鐓鍛保壓階段以及鉚接退模階段，金屬材料通過這五個階段的變形過程，從而實(shí)現(xiàn)同種材料或者異種材料之間的有效連接。無鉚連接技術(shù)作為新型連接技術(shù)的代表，具有其自身的特點(diǎn)[5]：無鉚連接技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣，無論是對同種材料或異種材料、兩層或多層板料以及中間有夾層的板料均可通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效連接;利用無鉚連接技術(shù)處理表面有鍍層或漆層的板料時，不會影響其抗腐蝕性能，因此該技術(shù)對板料表面質(zhì)量的要求較低;利用無鉚連接技術(shù)處理鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料時，連接接頭處的力學(xué)性能較好;通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)利用無鉚連接技術(shù)獲得的連接點(diǎn)強(qiáng)度與接頭參數(shù)，如頸厚值和自鎖值有一定關(guān)系，因此為了保障在使用該技術(shù)時能夠獲得較高的連接點(diǎn)強(qiáng)度，可通過調(diào)整其參數(shù)值來控制及改善連接效果;無鉚連接技術(shù)的連接過程耗時短，效率高，自動化程度較高，設(shè)備簡單輕便，可單獨(dú)進(jìn)行操作，不需任何的附加件及其它工序的配合;在對動態(tài)疲勞強(qiáng)度要求較高的汽車領(lǐng)域，無鉚連接技術(shù)憑借其能夠?qū)崿F(xiàn)單點(diǎn)或多點(diǎn)連接而得到廣泛應(yīng)用;對于抗拉極限一般在1500 MPa以上的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，利用現(xiàn)有的無鉚連接裝置無法實(shí)現(xiàn)其連接，因此在實(shí)現(xiàn)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼與鋁合金之間的連接方面還需要再進(jìn)行深入地研究，以便擴(kuò)展無鉚連接技術(shù)的應(yīng)用場合。

3 結(jié)論

異種材料的相互連接技術(shù)在近幾十年內(nèi)得到了快速發(fā)展，隨著輕量化技術(shù)的不斷推進(jìn)，對于異種材料間連接的性能要求會越來越高，對其連接方式的研究亦會逐漸深入。本文對常用的連接方式以及新型連接技術(shù)進(jìn)行整理及表達(dá)，希望能對研究異種材料間連接的學(xué)者提供一定的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉會杰，潘慶，孔慶偉，等.攪拌摩擦焊焊接缺陷的研究[J].焊接，2007，（2）：17-21.

[2]ZHU X B，LI Y B，CHEN G L，et al. Curing-Induced Distortion Mechanism in Adhesive Bonding of Aluminum AA6061-T6 and Steels[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering Transactions of the Asme， 2013，135（5）：1-11.

[3]劉瑞軍，李雙義，張連洪，等.自沖鉚接技術(shù)在汽車車身輕量化中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù)，2004，（11）：45-46.

[4]楊欣怡.板材無鉚連接機(jī)理研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2018.

[5]胡亞民，李紅，李文艷.一種先進(jìn)的板料沖壓連接技術(shù)─TOX連接技術(shù)[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù)，2000，35（5）：15-17.