鋁鋰合金鈦合金同種自沖鉚接頭靜力學(xué)試驗(yàn)研究

摘要：為了研究鋁鋰合金、鈦合金同種材料組合自沖鉚接試件的拉伸與剝離性能，本文采用鋁鋰合金1420、鈦合金TA1材料為研究對(duì)象，將以單搭連接、T型連接兩種不同方式分別制作鋁鋰合金和鈦合金的鉚接件，并通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備對(duì)兩種材料的兩組連接件分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)與剝離試驗(yàn)，獲得各組連接件的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明：同種材料，兩組組合形式搭接的連接件力學(xué)性能差距較大。鋁鋰合金單搭組合連接件拉伸試驗(yàn)的最大載荷均值為6577.7N，T型組合連接件剝離試驗(yàn)最大載荷均值為1733.9N。而鈦合金的單搭組合的最大載荷均值為4885.3N，T型組合的最大載荷均值為1212.4N。就能量吸收而言，兩種材料的DD組連接件雖然連接失效前的塑性變形小于TX組連接件的，但DD組的最大載荷均值遠(yuǎn)大于TX組連接件的，故而前者能量吸收值皆大于后者的。

Abstract： In order to study the tensile and peeling properties of self-piercing riveted specimens of the same material of aluminum-lithium alloy and titanium alloy， this paper uses aluminum-lithium alloy 1420 and titanium alloy TA1 as the research objects， and uses single-lap connection and T-shaped connection to produce the riveting parts of aluminum-lithium alloy and titanium alloy， and performs tensile test and peeling test to the two sets of connecting pieces of the two materials separately through the mechanical test equipment to obtain the mechanical performance data of each group of connecting parts and conduct analysis and research. The results show that the mechanical properties of the joints of the same material and the two sets of combined forms have a large gap. The average maximum load in the tensile test of the aluminum-lithium alloy single-lap combined connector is 6577.7N， and the average maximum load in the peeling test of the T-shaped combined connector is 1733.9N. The average maximum load of the titanium alloy single-strand combination is 4885.3N， and the average maximum load of the T-type combination is 1212.4N. As far as energy absorption is concerned， although the plastic deformation of the DD group connectors of the two materials before connection failure is smaller than that of the TX group connectors， the average maximum load of the DD group is much greater than that of the TX group connectors， so the energy absorption value of the former is greater than the latter.

關(guān)鍵詞：鈦合金;鋁鋰合金;T型自沖鉚連接;剝離試驗(yàn)

Key words： titanium alloy;aluminum-lithium alloy;T-type self-piercing riveting connection;peeling test

中圖分類(lèi)號(hào)：TG938????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）28-0186-03

1? 研究意義與現(xiàn)狀

我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)要完成由高能耗、高污染的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式向綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的轉(zhuǎn)型，最主要的實(shí)現(xiàn)途徑就是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)車(chē)身的輕量化。使用新型高強(qiáng)度輕質(zhì)合金作為車(chē)身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化材料是實(shí)現(xiàn)輕量化的有效途徑。在當(dāng)許多具有優(yōu)勢(shì)的新型輕質(zhì)合金材料焊接性能差或需要實(shí)現(xiàn)不同材質(zhì)之間的材料連接時(shí)，自沖鉚接技術(shù)將有著極大的優(yōu)勢(shì)和潛力。鈦合金材料具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、熱膨脹系數(shù)低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。相較普通鋁合金而言，鋁鋰合金以其密度低、剛度和強(qiáng)度高、抗疲勞性性能優(yōu)越等特點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)件可提高15-20%剛度和6%的彈性模量，同時(shí)降低3%的密度，減輕10-15%的質(zhì)量[2-4]。

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)自沖鉚接技術(shù)發(fā)展和推廣也做了許多研究。何曉聰?shù)萚5]研究了5052鋁合金和H62銅合金自沖鉚的機(jī)械性能，提出連接板材的特性對(duì)疲勞強(qiáng)度影響較大，并指出了微動(dòng)磨損現(xiàn)象的存在加速了表面裂紋的產(chǎn)生和連接整體的失效?？瞪賯サ萚6]對(duì)自沖鉚連接件的微動(dòng)磨損機(jī)制進(jìn)行研究，提出改善結(jié)構(gòu)、加大連接板間接觸的強(qiáng)度、減小摩擦系數(shù)等可以有效減小微動(dòng)磨損的影響。Se-Hyung Kang等[7]對(duì)5052鋁合金十字方式、T型方式以及單搭方式的鉚接試件作了靜力學(xué)及疲勞測(cè)試，并指出微動(dòng)磨損的存在使得裂紋在上下板之間和鉚釘與板材之間萌生。

本文通過(guò)鋁鋰合金1420、鈦合金材料為研究對(duì)象，以單搭連接、T型連接兩種不同連接方式分別制作鋁鋰合金和鈦合金的鉚接件，并通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備對(duì)兩種材料的兩組連接件分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)與剝離試驗(yàn)，獲得各組連接件的力學(xué)性能數(shù)，并進(jìn)行分析研究。

2? 試驗(yàn)研究

2.1 材料準(zhǔn)備

本試驗(yàn)所用鋁鋰合金1420（AL1420）材料選取2mm厚度，鈦合金（TA1）選用厚度為1mm板材。兩種板材選用相同的長(zhǎng)、寬尺寸，長(zhǎng)和寬分別是110mm、20mm。兩種板材的材料基本力學(xué)性能如表1所示。

2.2 連接及力學(xué)試驗(yàn)

本試驗(yàn)用自沖鉚接系統(tǒng)對(duì)AL1420、TA1進(jìn)行鉚接，制備兩種材料的單搭和T型兩種組合形式的自沖鉚連接件。兩種材料的單搭組合的連接件皆編號(hào)為DD組，T型組合的連接件皆編號(hào)為T(mén)X組。各組分別制備5件樣本。經(jīng)過(guò)鉚接系統(tǒng)對(duì)AL1420、TA1進(jìn)行連接試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)鉚接后成型質(zhì)量的分析，根據(jù)其釘腳張開(kāi)度、殘余底厚等參數(shù)的比較，確定了鉚接連接件的最優(yōu)鉚接參數(shù)。鉚接AL1420連接件的預(yù)壓緊壓強(qiáng)、刺穿壓強(qiáng)、整形壓強(qiáng)分別為5MPa、18.5MPa、11MPa，行程為130.5mm，鉚接TA1連接件的預(yù)壓緊壓強(qiáng)、刺穿壓強(qiáng)、整形壓強(qiáng)分別為5?MPa、20.0MPa、12MPa，行程為133.5mm。單搭與T型組合搭接的連接件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過(guò)觀察連接件的子午面成型情況，可知鉚釘在上下板間具有良好的成型性。對(duì)兩種材料的DD組和TX組的連接件在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜力學(xué)試驗(yàn)。設(shè)定DD組的拉伸速率和TX組的剝離速率皆為5mm/min，門(mén)檻值為99%。對(duì)兩組接頭分別進(jìn)行5次重復(fù)性拉伸和剝離試驗(yàn)。

3? 結(jié)果分析

3.1 失效分析

對(duì)單搭組合和T型組合的自沖鉚連接件的失效形式分析，本文以AL1420制備的連接件為例。圖2所示為AL1420的兩組連接件分別進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)與剝離試驗(yàn)后的失效情況。由圖2（a）可知，單搭組合的DD組連接件在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，因連接件受軸向力不對(duì)中存在一定的力矩，隨著載荷和位移的變化在連接件失效時(shí)連接部位發(fā)生了翹曲。隨著載荷增加，鉚釘腳勾住的下板部位不能夠支撐連接，下板內(nèi)鎖部位圓孔發(fā)生變形，進(jìn)一步鉚釘從下板拉脫，同時(shí)上板與鉚釘頭接觸的部位因拉伸過(guò)程鉚釘受力出現(xiàn)了不同程度的凹陷，甚至發(fā)生鉚釘部分與上板分離。由圖2（b）可知，當(dāng)剝離試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，TX組的T型連接件鉚接內(nèi)鎖機(jī)構(gòu)除受到軸向拉力的同時(shí)，還會(huì)受到以鉚釘?shù)桨宀恼蹚澨幘嚯x為力臂的力矩影響，因而鉚釘直接從下板拉脫，伴隨下板折彎部分發(fā)生一定程度彎曲。較DD組的失效形式，因TX組的受載復(fù)雜，TX組上板與鉚釘頭接觸區(qū)域及下板內(nèi)鎖部位圓孔皆變形較小。TX組下板鉚接處顯著的留下鉚釘從下板剝離時(shí)的部分刮痕。

3.2 能量吸收

能量吸收作為連接件受載失效時(shí)所需吸收的能量，其大小可以用于綜合評(píng)價(jià)連接性能。AL1420制備的DD組能量吸收值為24.68J，TX組的能量吸收值為10.95J。DD組的單搭組合連接件雖然連接失效前的塑性變形均值為6.63mm小于T型組合連接件的9.23mm，但DD組的最大載荷均值為6577.69N遠(yuǎn)大于TX組連接件的1733.92N，故而前者能量吸收能力優(yōu)于后者的。TA1制備的DD組能量吸收值為12.04J，TX組的能力吸收值為11.09J。

3.3 強(qiáng)度分析

連接件的強(qiáng)度分析從對(duì)其加載的過(guò)程及其承受最大載荷能力和發(fā)生的最大變形失效位移等方面出發(fā)考慮。對(duì)兩種材料的DD組和TX組的連接件在材料試驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行靜力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)得到連接件的載荷-位移曲線，通過(guò)曲線分析加載過(guò)程和連接件的失效過(guò)程間的聯(lián)系。以AL1420材料的載荷位-移曲線為例分析，如圖3所示。從載荷-位移曲線觀察兩組連接件，在失效發(fā)生時(shí)TX組時(shí)在較短的時(shí)間和位移內(nèi)迅速出現(xiàn)完全失效，而DD組則是從承載最大載荷到完全失效具有一定的載荷緩沖下降階段。這一差別在將來(lái)的工程應(yīng)用中要予以關(guān)注。

將靜力學(xué)試驗(yàn)所獲得數(shù)據(jù)通過(guò)MATLAB中l(wèi)illietest擬合優(yōu)度函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布的檢驗(yàn)。經(jīng)函數(shù)檢測(cè)，所得數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布。各組連接件最大載荷和最大位移量的統(tǒng)計(jì)量見(jiàn)表2。其中AL1420材料的DD組和TX組統(tǒng)計(jì)量如表中AL1420-DD組、AL1420-TX組所示，TA1材料的DD組和TX組統(tǒng)計(jì)量如表中TA1-DD組、TA1-TX組所示。

由表2可知，兩種材料在最大位移量上，TX組因存在折彎，連接件在受到剝離的軸向作用力時(shí)除鉚釘內(nèi)鎖結(jié)構(gòu)受載形變剝離外，折彎處也發(fā)生了較大塑性變形。從而使得TX組連接件在失效時(shí)出現(xiàn)較大的位移量。從連接件承載能力分析，AL1420材料的DD組連接件最大載荷均值為6577.7N，TX組連接件的最大載荷均值為1733.9N。TA1材料的DD組最大載荷均值為4885.3N，TX組的為1212.4N。同一種材料的兩組連接件成型參數(shù)、材料等皆相同，僅搭接形式存在差別而導(dǎo)致連接處受力情況不同，T型搭接在剝離時(shí)連接處所受載荷更為復(fù)雜，使得AL1420的TX組連接件承受載荷的能力僅為單搭DD組的26.4%，TA1的TX組承載能力也僅為單搭DD組的24.8%。這也進(jìn)一步說(shuō)明AL1420、TA1的自沖鉚連接件的抗剝離性能要弱于其抗拉伸的性能，所以在鋁鋰合金1420、鈦合金TA1的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以?xún)?yōu)先考慮使用單搭的搭接方式應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李婷.一種新型低成本鈦制造工藝-場(chǎng)輔助燒結(jié)-鍛造[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展，2017，34（3）：44.

[2]何曉聰.薄板材料連接新技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2016.

[3]趙一生.應(yīng)變速率對(duì)8090鋁鋰合金動(dòng)能吸收能力的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程，2010，33（4）：43-45.

[4]李玉龍，楊文忠，劉元鏞.鋁鋰合金材料沖擊動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，12（4）：542-546.

[5]X He， L Zhao， C Deng. Self-piercing riveting of similar and dissimilar metal sheets of aluminum alloy and copper alloy[J]. Materials & Design， 2015， 65： 923-933.

[6]康少偉，黃志超，陳興茂.自沖鉚接中微動(dòng)的研究概況[J].煤礦機(jī)械，2008，29（6）：7-9.

[7]SH Kang， HK Kim. Fatigue strength evaluation of self-piercing riveted Al-5052 joints under different specimen configurations[J]. International Journal of Fatigue， 2015， 80： 58-68.

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基金項(xiàng)目：2019年度市級(jí)科技計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目（2019020）。

作者簡(jiǎn)介：程強(qiáng)（1989-），男，浙江衢州人，助理研究員，碩士，主要從事薄板材料連接技術(shù)研究。