Al5052鋁合金板材平底無鉚連接質(zhì)量分析

韓慧彥，趙升噸，王永飛，陳超

Al5052鋁合金板材平底無鉚連接質(zhì)量分析

韓慧彥1，趙升噸2，王永飛2，陳超3

（1.山西省財政科學研究院，太原 030006；2.西安交通大學 機械工程學院，西安 710049；3.中南大學 輕合金研究院，長沙 410083）

研究底厚值對平底無鉚連接強度的影響規(guī)律。對2層Al5052鋁合金板材進行平底無鉚連接成形試驗和連接強度檢測試驗，分析底厚值對接頭抗拉強度、抗剪強度和接頭失效形式的影響。隨著底厚值的減小，抗拉強度逐漸增大，抗剪強度逐漸減小。當?shù)缀裰禐?.5 mm時，接頭的連接強度最好，接頭為混合失效。合理控制底厚值可保證接頭的連接強度，為平底無鉚連接接頭質(zhì)量的現(xiàn)場評價提供依據(jù)。

鋁合金板材；平底無鉚連接；接頭強度

汽車作為出行的主要交通工具，其保有量逐年增加，這帶來了能耗激增、環(huán)境污染等問題[1]。研究表明，汽車總重量每降低10%，能耗效率可提高6%～8%[2]，新能源汽車續(xù)航里程可增加5.5%[3]。因此，汽車輕量化是當前汽車行業(yè)發(fā)展的迫切需求[4]。鋁合金由于具有密度低、比強度高、易成形等特點被廣泛應(yīng)用于汽車輕量化中[5]。傳統(tǒng)的點焊工藝難以滿足鋁合金板材連接性能的要求，因而新型的板材連接技術(shù)隨之產(chǎn)生。目前常見的鋁合金板材連接技術(shù)包括鉚釘?shù)逆i鉚連接、無鉚連接等[6-7]，其中無鉚連接利用板材的塑性變形能力，通過專用的凸凹模具，使板材之間相互內(nèi)嵌達到連接目的，具有工藝簡單、連接范圍廣、成本低等特點[8-9]，因而得到了廣泛應(yīng)用。

根據(jù)凹模結(jié)構(gòu)的不同，無鉚連接可以分為整體式凹模無鉚連接、滑塊式凹模無鉚連接和平底無鉚連接3種形式[10]。采用整體式凹模無鉚連接和滑塊式凹模無鉚連接獲得的接頭一側(cè)為凸起、另一側(cè)為凹坑，這會導致板材的兩面均不平整，嚴重影響了車身后期的噴涂工藝，也限制了該技術(shù)在汽車輕量化中的推廣。平底無鉚連接一側(cè)平整光滑，適合有相對運動的場合，是目前板材連接的熱點技術(shù)之一[11]。

無鉚連接的成形質(zhì)量除了與成形模具相關(guān)外，板材的厚度、材質(zhì)等參數(shù)也直接影響了接頭的連接強度和失效形式[12-13]。連接質(zhì)量的評價指標主要包括接頭剖面形狀、連接強度、抗疲勞性能等[14-15]。張杰等[16]研究了底厚值對鍍鋅鋼板接頭強度的影響，結(jié)果表明，當接頭失效模式為混合失效時，接頭的強度較佳。Chen等[17]研究了鋁合金板材的厚度對接頭剖面形狀和連接強度的影響，結(jié)果表明，不同組合方式下接頭的失效形式不同，這會導致接頭的連接強度不同。初明明等[18]分析了同種板材和異種板材對無鉚連接接頭強度的影響，結(jié)果表明，同種板材的連接強度高于異種板材的連接強度。目前研究主要集中在板材材質(zhì)及厚度對連接強度的影響方面，只有少量文獻研究了底厚值對接頭連接強度的影響。

文中以Al5052鋁合金板材為研究對象，進行了平底無鉚連接成形試驗和連接強度試驗，通過分析底厚值對接頭抗拉強度、抗剪強度和接頭失效形式的影響規(guī)律，確定了合理的底厚值，并將底厚值作為現(xiàn)場評價接頭質(zhì)量的指標。

1 試驗

鋁合金板材平底無鉚連接試驗包括成形試驗和連接強度試驗。連接試樣為Al5052鋁合金板材，連接試樣長度為80 mm、寬度為25 mm、厚度為2.0 mm。

1.1 平底無鉚連接成形試驗

平底無鉚連接是采用專用的平底模具和沖頭對被連接的2層板材進行沖壓，利用板材金屬的塑性變形能力，通過上板材和下板件之間的內(nèi)嵌形成機械鎖，實現(xiàn)板材連接的加工方法[19]，其工藝過程如圖1所示。首先，通過壓邊圈將上板材和下板材壓緊于平底模具上，沖頭向下運動，上板材金屬沿最小阻力的方向流動，被擠入到?jīng)_頭與壓邊圈的間隙中，下板材發(fā)生彈性變形；其次，沖頭繼續(xù)向下運動，迫使下板材的金屬也向沖頭與壓邊圈的間隙流動，上板材和下板材均發(fā)生塑性變形；最后，上板材和下板材由于流動速度不同，相互內(nèi)嵌形成機械鎖，如圖2所示。機械鎖包括3個幾何參數(shù)：底厚值、互鎖值和頸厚值，其中底厚值是唯一可現(xiàn)場直接獲得的評價指標，互鎖值和頸厚值的獲得需要通過微觀檢測接頭的剖面形狀。

圖1 平底無鉚連接工藝過程

圖2 接頭機械鎖的幾何參數(shù)

1.2 連接強度試驗

平底無鉚連接強度試驗是在成形試驗的基礎(chǔ)上開展抗拉強度和抗剪強度試驗。通過成形試驗實現(xiàn)2層鋁合金板材之間的水平連接和垂直連接，其中水平連接的試樣用于抗剪強度的測量，水平連接試樣搭接部分長度為20 mm，鉚接位置位于搭接部分的中心；垂直連接的試樣用于抗拉強度的測量，鉚接中心距離板材邊緣長度為40 mm，寬度為12.5 mm。在拉伸試驗機上分別對拉伸試樣和剪切試樣進行拉伸，如圖3所示，獲得相應(yīng)的拉伸強度和剪切強度。

為了獲得底厚值對接頭抗拉強度和抗剪強度的影響，將2層Al5052鋁合金板材按照抗拉強度試樣和抗剪試樣的連接方式連接，進行成形試驗，組合厚度為（2.0+2.0）mm，底厚值分別設(shè)置為0.8、0.7、0.6、0.5 mm。為了提高試驗結(jié)果的可靠性，每組試驗重復3次，取3次的平均值作為接頭的抗拉強度和抗剪強度。

圖3 連接強度的試樣及模具

2 結(jié)果與分析

底厚值不同時2層鋁合金板材之間形成的機械鎖如圖4所示。當?shù)缀裰禐?.8 mm時，上層板材和下層板材所形成的機械鎖非常小；隨著底厚值的減小，2層板材之間形成的機械鎖增大，當?shù)缀裰禐?.6 mm時，上層板材和下層板材之間形成明顯的機械鎖；當?shù)缀裰禐?.5 mm時，上層板材和下層板材之間的機械鎖更加清晰。

基于成形試驗獲得不同底厚值的抗拉試樣和抗剪試樣，通過拉伸試驗獲得接頭的抗拉強度和抗剪強度。在拉伸試驗中，位移–載荷曲線中的載荷最大值即為接頭的抗拉強度或抗剪強度。不同底厚值下接頭的抗拉強度和抗剪強度的變化趨勢如圖5所示。

圖4 不同底厚值的接頭剖面圖

圖5 不同底厚值下接頭的連接強度

圖5a為接頭的抗拉強度隨底厚值的變化趨勢?？梢钥闯觯S著底厚值的增大，抗拉強度逐漸減小。當?shù)缀裰禐?.50 mm時，抗拉強度最大，這主要是由接頭的失效形式引起的。在抗拉強度試驗中主要發(fā)生了拉脫失效和混合失效2種模式，如圖6所示。當接頭的底厚值為0.8、0.7、0.6 mm時，抗拉試樣大多發(fā)生拉脫失效（見圖6a），主要是因為當?shù)缀裰递^大時，上板材和下板材間形成的機械鎖較小，當上板材受到拉力向上移動時，會從下板材中脫離，發(fā)生拉脫失效。當?shù)缀裰禐?.5 mm時，發(fā)生了混合失效（見圖6c），混合失效是拉脫失效和斷裂失效的混合模式。當?shù)缀裰禐?.5 mm時，上板材的頸部被進一步拉伸導致接頭的頸厚值減小，當上板材受到拉力時，接頭最小頸厚值位置發(fā)生局部斷裂，隨后上板材從下板材中脫離。

圖6 接頭的失效形式

圖5b為接頭的抗剪強度隨底厚值的變化趨勢。隨著底厚值的增大，抗剪強度呈增大的趨勢。這是由于在抗剪強度試驗中接頭的失效形式均為頸部斷裂失效，如圖6b所示。隨著底厚值的增大，頸厚值逐漸增大，導致頸部環(huán)形面積增大，抗剪強度增大。

對比分析圖5中接頭的抗拉強度和抗剪強度可以看出，抗拉強度一般低于抗剪強度，這也是導致2層鋁合金板材平底無鉚連接失效的主要原因，因此在考慮接頭強度時優(yōu)先考慮增大抗拉強度[20]。綜合接頭的抗拉強度和抗剪強度得出如下結(jié)論：當?shù)缀裰禐?.50 mm時，接頭的連接強度較好，此時最大抗拉強度高達1 441 N，而抗剪強度為1 626 N。

3 結(jié)論

研究了2層Al5052鋁合金板材平底無鉚連接強度的影響規(guī)律，通過試驗分析了不同底厚值的接頭強度，可見隨著底厚值的增大，抗拉強度逐漸減小，抗剪強度逐漸增加。綜合考慮接頭的抗拉強度和抗剪強度，發(fā)現(xiàn)當接頭的底厚值為0.50 mm時，Al5052– Al5052試樣的連接強度最佳，此時抗拉試驗中接頭的失效形式為混合失效。

[1] 李永兵, 馬運五, 樓銘, 等. 輕量化多材料汽車車身連接技術(shù)進展[J]. 機械工程學報, 2016, 52(24): 1-23.

LI Yong-bing, MA Yun-wu, LOU Ming, et al. Advances in Welding and Joining Processes of Multi-Material Lightweight Car Body[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(24): 1-23.

[2] 劉玉杰, 趙建社, 干為民, 等. 輕量化階梯孔結(jié)構(gòu)電解加工試驗研究[J]. 中國機械工程, 2015, 26(11): 1429-1433.

LIU Yu-jie, ZHAO Jian-she, GAN Wei-min, et al. Experimental Research on Electrochemical Machining of Lightweight Stepped Hole Structure[J]. China Mechanical Engineering, 2015, 26(11): 1429-1433.

[3] 丁明德, 張鵬, 劉波. 純電動汽車輕量化機艙支架總成優(yōu)化與驗證[J]. 重慶交通大學學報: 自然科學版, 2021, 40(11): 128-134.

DING Ming-de, ZHANG Peng, LIU Bo. Optimization and Verification of the Lightweight Engine Room Bracket of Electrical Vehicle[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University: Natural Science, 2021, 40(11): 128-134.

[4] 王智文, 馮昌川. 新能源汽車輕量化技術(shù)路徑及開發(fā)策略[J]. 汽車工藝與材料, 2021(6): 1-12.

WANG Zhi-wen, FENG Chang-chuan. New Energy Vehicle Lightweight Technology Path and Development Strategy[J]. Automobile Technology & Material, 2021(6): 1-12.

[5] 張震, 王鴻斌, 王賀, 等. 汽車車身板用變形鋁合金研究進展[J]. 精密成形工程, 2022, 14(1): 71-78.

ZHANG Zhen, WANG Hong-bin, WANG He, et al. Research Progress of Wrought Aluminum Alloy for Automobile Body Sheet[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2022, 14(1): 71-78.

[6] 何玉林, 黨菁, 宗鵬舉. 板材無鉚釘連接技術(shù)的進展[J]. 鍛壓技術(shù), 2021, 46(6): 8-15.

HE Yu-lin, DANG Jing, ZONG Peng-ju. Development of Clinching Technology for Sheets[J]. Forging & Stamping Technology, 2021, 46(6): 8-15.

[7] ESHTAYEH M M, HRAIRI M, MOHIUDDIN A K M. Clinching Process for Joining Dissimilar Materials: State of the Art[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 82(1/2/3/4): 179-195.

[8] KUMMA P, SORANANSRI P. Effect of Blank Holder Force and Edge Radius on Joining Strength in Flat-Clinching Process[J]. Key Engineering Materials, 2020, 6036: 175-181.

[9] RAN Xiang-kun, CHEN Chao, ZHANG Hui-yang, et al. Investigation of the Clinching Process with Rectangle Punch[J]. Thin-Walled Structures, 2021, 166: 108034.

[10] PENG Hao, CHEN Chao, ZHANG Hui-yang, et al. Recent Development of Improved Clinching Process[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 110(11/12): 3169-3199.

[11] GERSTMANN T, AWISZUS B. Hybrid Joining: Numerical Process Development of Flat-Clinch-Bonding[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2020, 277: 116421.

[12] 張越, 何曉聰, 高愛鳳, 等. 輕質(zhì)合金壓印接頭質(zhì)量判斷及其力學性能研究[J]. 力學季刊, 2018, 39(2): 368-373.

ZHANG Yue, HE Xiao-cong, GAO Ai-feng, et al. Quality Judgment and Mechanical Property Research of Light Alloy Clinched Joints[J]. Chinese Quarterly of Mechanics, 2018, 39(2): 368-373.

[13] ABOZAR B V, JALALI A A, FRANCESCO L. Failure Behavior in Electrically-Assisted Mechanical Clinching Joints[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2021, 68(PA): 1683-1693.

[14] 王艷茹, 侯紅玲, 陳鑫, 等. 板材無鉚釘鉚接質(zhì)量及強度分析[J]. 塑性工程學報, 2022, 29(3): 93-100.

WANG Yan-ru, HOU Hong-ling, CHEN Xin, et al. Analysis of Quality and Strength of Plate in Riveting without Rivets[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2022, 29(3): 93-100.

[15] SANTOSH K, VIMAL E, SWAMYBABU V, et al. Influence of Surface Roughness, Friction Coefficient, and Wrap Angle on Clinching Joint Strength and Its Correlation with Belt Friction Phenomenon[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2022, 236(2): 326-337.

[16] 張杰, 何曉聰, 張越, 等. 底厚對鍍鋅鋼壓印接頭失效模式影響分析[J]. 塑性工程學報, 2017, 24(4): 83-88.

ZHANG Jie, HE Xiao-cong, ZHANG Yue, et al. Influence Analysis of Bottom Thickness on Failure Mode of Clinched Joints[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2017, 24(4): 83-88.

[17] CHEN C, ZHANG H Y, REN X Q, et al. Investigation of Flat-Clinching Process using Various Thicknesses Aluminum Alloy Sheets[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, 114(7): 2075-2084.

[18] 初明明, 何曉聰, 張越, 等. 鍍鋅鋼同種異種板材壓印接頭的力學性能研究[J]. 熱加工工藝, 2018, 47(9): 18-21.

CHU Ming-ming, HE Xiao-cong, ZHANG Yue, et al. Study on Mechanical Properties of Similar and Dissimilar Sheets Clinched Joints of Galvanized Steel[J]. Hot Working Technology, 2018, 47(9): 18-21.

[19] LIU Chen, HAN Xiao-lan, WU Wen-wu, et al. Study on the Analytical Model of Joint Strength Prediction of Flat-Clinching[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2021, 43(10): 1-7.

[20] COPPIETERS S, LAVA P, BAES S, et al. Analytical Method to Predict the Pull-out Strength of Clinched Connections[J]. Thin-Walled Structures, 2012, 52: 42-52.

Quality Analysis of Al5052 Aluminum Alloy Sheet with Flat Clinching

HAN Hui-yan1, ZHAO Sheng-dun2, WANG Yong-fei2, CHEN Chao3

(1. Financial Research Institute of Shanxi Province, Taiyuan 030006, China; 2. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China; 3. Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China)

The work aims to study the effect law of the bottom thickness on the joint strength of the flat clinching. The flat clinching experiments and joint strength tests were carried out on two layers of Al5052 aluminum alloy sheet to analyze the effects of bottom thickness on the tensile strength, the shear strength and the joint failure form. As the bottom thickness decreased, the tensile strength gradually increased and the shear strength gradually decreased. When the bottom thickness value was 0.5 mm, the joint strength was the best, and the joint was failed with mixed failure. The joint strength can be guaranteed by reasonable control of bottom thickness, which provides a basis for the on-site evaluation of the quality of the flat clinching.

aluminum alloy sheet; flat clinching; joint strength

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.07.010

TG456

A

1674-6457(2022)07-0072-05

2022–04–27

航天先進制造技術(shù)研究聯(lián)合基金重點項目（U1937203）；湖南省“湖湘高層次人才”項目（2021RC5001）；陜西省液壓技術(shù)重點實驗室開放基金（YYJS2022KF06）

韓慧彥（1977—），男，高級工程師，主要研究方向為工業(yè)信息化、政務(wù)信息化。

責任編輯：蔣紅晨