异种金属材料自冲铆接头位置对疲劳强度的影响.pdf

第42卷第9期Vol． 42 No． 9FORGING 结构件疲劳寿命随最大循环载荷的减小而增大;在一定范围内,结构件疲劳强度随搭接尺寸的增大而增大,随后呈降低趋势;二钉结构件的疲劳寿命显著高于单钉结构件的疲劳寿命,但并不随铆钉个数呈倍数的关系增长。关键词:自冲铆接;疲劳强度;异种金属材料;铆接位置;静强度DOI: 10． 13330/j． issn． 1000-3940． 2017． 09． 028中图分类号: TG938 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2017) 09-0150-07Influence of the self-piercing riveting position of dissimilar metal on fatigue strengthHuang Zhichao, Huang Qiuwen, Li Shaojie, Song Tianci(Key Laborary of Conveyance and Equipment, Ministry of Education, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)Abstract: For the purpose of improving the fatigue strength of structural parts, the influences of the self-piercing riveting position on fa-tigue strength of the shear structure were studied by a large number of experiments. A static test on the joints was conducted under twelvedifferent locations, and the fatigue test was performed based on the static test by changing the number of rivets, lap joint size plates, themaximum cyclic loading and margins from rivets to board length and plate width etc. The result shows that when the size of the overlap isfixed, too wide or too small margins can reduce fatigue strength, and fatigue life prolongs with the decrease of the maximum cyclic load-ing. However, within a certain range, fatigue life prolongs with the increase of the size of the overlap, and then it decreases. Therefore,the fatigue life of structural parts with two rivets is significantly higher than that of single rivet, and it does not grow exponentially with theincreasing number of rivets.Key words: self-piercing riveting; fatigue strength; dissimilar metal; riveting position; static strength收稿日期: 2017 -07 -17;修订日期: 2017 -08 -20基金项目:国家自然科学基金资助项目(51565014)作者简介:黄志超(1971 - ),男,博士,教授E-mail: hzcosu@163． com节能减排是汽车制造领域的必然发展趋势,整车质量轻量化是达到该目的的一个重要手段[1]。传统车身材料多为钢板,轻型材料的引入使异种金属材料的连接成为难题,部分轻型材料对温度较敏感,传统电阻点焊方法易产生局部过热,从而降低连接强度。其中铝和铝合金是当今社会汽车轻量化的首选材料[2 -3]。自冲铆接工艺的出现可以克服电阻电焊技术的弊端,难以焊接的连接件均可采用该工艺进行连接[4]。自冲铆接工艺是一种新型的冷连接技术,不仅可以进行异种板料的连接,而且能进行两层或多层板料的连接,具有低能耗、无污染、无热效应等优点。同时,自冲铆接件的疲劳极限高于焊接连接件的疲劳极限,其工艺快速与大规模的生产特点完全适用于汽车制造的应用[5]。影响自冲铆接连接质量的因素很多,铆钉的高度、材料,凹模凸台的高度等均会对其产生影响。黄志超等[6]对此进行了研究并指出:铆钉高度约高于被铆板料3 mm时铆接效果最佳;一定范围内,凹模凸台高度的增加可以提高铆接接头的自锁性能,适当硬度的铆钉有利于形成具有良好力学性能的铆接接头。在循环载荷的作用下,由于连接孔处几何形状突变导致的局部应力集中,使疲劳裂纹通常萌生于连接部位。因此,汽车结构的疲劳寿命在一定程度上取决于汽车结构连接部位的疲劳寿命,改善连接部位的抗疲劳性尤为重要。工艺、结构件材料、钉孔排布、外载荷等诸多因素均会对结构件疲劳性能万方数据产生影响。其中,合理的干涉配合可以提高结构件的疲劳性能,铆模倾角是影响干涉配合的一个重要因素,倾角越小,干涉量越大,倾角为66°时干涉配合效果最理想,接头的疲劳寿命最长[7 -8]。本文主要从钉孔排布方面进行研究,通过改变铆钉个数、离边间距、搭接尺寸及排列方向等因素对比分析铆钉在不同位置布置下结构件的循环寿命。1 实验准备1． 1 材料与试样车身结构中常见的接头形式多为搭接。本实验采用2 mm厚5052铝合金板和Q235钢板制备用于力学实验的搭接自冲铆接试样,其几何尺寸如图1所示。图1a、图1b、图1c分别为单钉、二钉横向铆接与二钉纵向铆接时的示意图,其中, DL表示铆钉圆心到板长之间的距离, DW表示铆钉圆心到板宽之间的距离, P表示两板的搭接尺寸,横轴线方向为加载力的方向。图1 自伸铆接试样几何尺寸(a)单钉 (b)二钉横向排列 (c)二钉纵向排列Fig． 1 Geometric dimensions of self-piercing riveting samples(a) Single rivet (b) Transverse arrangement with two rivets(c) Longitudinal arrangement with two rivets1． 2 设备本实验采用自冲铆接机对板料进行铆接,瑞格尔RGM4030型实验机对结构件进行静力学实验,QBG -50高频疲劳实验机对结构件进行疲劳实验。其中,静力学实验时采用位移控制,拉伸速度设定为2 mm· min -1。疲劳实验通过载荷控制,选用正弦波进行拉-拉形式加载,应力比取R =0． 1,频率约为85 Hz左右。2 静力学实验拉剪强度是评价自冲铆接头质量的一个重要指标。对自冲铆接头进行拉伸剪切实验不仅有利于整车质量的轻量化,而且为车身疲劳寿命的估计提供了实验依据[9]。为方便表达,分组实验的标注以1,2/ X, Y/ PDL, PDW的形式表示。其中, 1、 2分别代表铆钉的个数为1个和2个; X代表铆接的方向为横向; Y代表铆接的方向为纵向; DL代表铆钉圆心处到板长之间的距离; DW代表铆钉圆心处到板宽之间的距离, P代表两板的搭接尺寸。对试件进行5组实验,如表1所示。由于钢板硬度太高,拉伸机夹具难以夹紧,故在钢板与铝板的一侧分别用环氧树脂胶粘上两块与板料同等厚度、尺寸为40 mm ×50 mm的铝制垫片。既能防止试件与夹具之间发生打滑,又可防止在拉伸实验过程中产生扭矩,示意图如图2所示。表1 静拉伸实验方案Table 1 Static tensile test plans实验序号试件搭接参数1 1 - DL20DW202 2X - P40DL8． 5, 2X - P40DL10． 5, 2X - P40DL12． 53 2X - P30DL12． 5, 2X - P40DL12． 5, 2X - P50DL12． 54 2Y - P40DW8． 5, 2Y - P40DW10． 5, 2Y - P40DW12． 55 2Y - P40DW9． 25, 2Y - P45DW9． 25, 2Y - P50DW9． 25图2 粘上垫片后试件示意图Fig． 2 Schematic diagram of specimen stuck on gaskets2． 1 单钉铆接件对单钉自冲铆接件进行静力学实验,绘制载荷-位移曲线,如图3所示。试件在拉伸过程中,夹持部位的垫片与金属板间的胶层容易失效,导致载荷突变,故造成载荷-位移曲线出现齿状现象。由图3可知,拉伸实验初期,载荷-位移曲线呈现为弹性阶段,随着位移的增大,在载荷达到峰值后开始慢慢卸载,有一段屈服保载阶段,随后破坏失效。破坏位移在10 mm左右。2． 2 二钉横向铆接结构件2． 2． 1 DL对静强度的影响将第2组实验所得数据绘制成载荷-位移曲线,151第9期黄志超等:异种金属材料自冲铆接头位置对疲劳强度的影响 万方数据图3 单钉铆接件载荷-位移曲线Fig． 3 Load - displacement curve riveting part with single rivet如图4所示。铆钉横向布置时,在搭接尺寸相同的情况下,铆钉圆心处到板长之间距离的改变对试件的峰值载荷及失效位移影响不大。图4 不同DL下二钉结构件的载荷-位移曲线Fig． 4 Load - displacement curves of structural part with tworivets with different DL values2． 2． 2 搭接尺寸对静强度的影响将第3组实验所得数据绘制成载荷-位移曲线,如图5所示。铆钉横向布置时,在保证DL相同的情况下,试件2X - P30DL12． 5的峰值载荷不仅最小,失效位移也发生最早,静强度最差。试件2X -P40DL12． 5的峰值载荷较2X - P30DL12． 5增加6%,2X - P50DL12． 5较2X - P40DL12． 5增加0． 62%。随着搭接尺寸的增大,铆钉横向布置的结构件静强度也随之增大,在达到一定值后增长速度逐渐趋于平缓。2． 3 二钉纵向铆接结构件2． 3． 1 DW对静强度的影响将第4组实验所得数据绘制成载荷-位移曲线,如图6所示。可知,铆钉纵向布置时,在搭接尺寸相同的情况下, DW值越小,试件的失效位移越大。图5 不同搭接尺寸下二钉结构件的载荷-位移曲线Fig． 5 Load - displacement curves of structural part with two rivetswith different lap joint size plates图6 不同DW下二钉结构件的载荷-位移曲线Fig． 6 Load - displacement curves of structural part with tworivets with different DW values其中,试件2Y - P40DW10． 5的峰值载荷最大,比试件2Y - P40DW 12． 5与2Y - P40DW 8． 5分别增加8． 13%与6． 71%。故铆钉圆心处到板宽之间距离过大或过小均会降低试件的静强度。2． 3． 2 搭接尺寸对静强度的影响将第5组实验所得数据绘制成载荷-位移曲线,如图7所示。铆钉纵向布置时,在保证DW相同的情况下,试件2Y - P45DW 9． 25的峰值载荷较2Y -P40DW9． 25增加7． 6%,试件2Y - P50DW 9． 25较2Y - P45DW9． 25增加3． 5%。随着搭接尺寸的增大,铆钉纵向布置的结构件静强度也随之增大,在达到一定值后增长速率会有所减缓。2． 4 失效形式铆钉横向布置时,两钉受载均匀,试件在受拉的过程中,两钉几乎同时发生变形失效。铆钉纵向布置时,靠近钢板端头的钉最先发生变形,当靠近钢板端头的钉发生失效后,远离钢板端头的钉还处251锻 压 技 术 第42卷万方数据图7 不同搭接尺寸下二钉铆接件载荷-位移曲线Fig． 7 Load-displacement curves of structural partwith two rivets under different lap joint sizes于变形阶段,随后才发生失效。所有试件静载荷破坏形式均为自锁失效,铆钉脚与下板分离,如图8所示。图8 拉伸剪切失效Fig． 8 Tensile shear failure综合图3 ~图7可发现,二钉铆接件的峰值载荷均分布在8 ~ 10 kN之间,比单钉铆接件提高了63% ~93%。随着铆钉个数的改变,试件峰值载荷并非随铆钉个数的增加呈现出倍数的增长关系。随着搭接尺寸的增大铆接件静强度也随之增大,但达到一定值后,增长速度会趋于平缓,增长率减小。参数DL对试件的静强度影响不大,参数DW过大或过小均会降低铆接件的静强度。这是由于当两连接板轴向刚度比不等于1时,靠近刚度较大板端头的钉受载最大。故当铆钉横向布置时,两钉的DW值相同且保持不变, DL的改变对铆钉的受载情况影响不大,对试件静强度的大小也影响不大。同理,铆钉纵向布置时,参数DW的改变影响了铆钉的受载情况,试件静强度也会随之发生改变[10]。3 疲劳实验根据静力学实验中试件峰值载荷分布情况,选取合适值的70%作为最大疲劳载荷值进行3组实验,实验方案如表2所示。表2 疲劳实验方案Table 2 Fatigue test plans实验序号静载/ kN动载/ kN试件搭接参数6 2． 02 1． 651 - DL20DW202X - P40DL12． 52Y - P40DW12． 57 3． 35 2． 742X - P40DL12． 52Y - P40DW12． 52X - P40DL10． 52Y - P40DW10． 52X - P40DL8． 52Y - P40DW8． 52X - P30DL12． 52X - P50DL12． 58 3． 50 2． 862Y - P40DW9． 252Y - P45DW9． 252Y - P50DW9． 253． 1 单钉铆接件以单钉结构件静拉伸实验所得峰值载荷的70%作为最大疲劳循环载荷值进行疲劳实验,即设置静载为2． 02 kN,动载为1． 65 kN,得到结构件疲劳循环次数为187． 55千次。3． 2 二钉横向铆接结构件3． 2． 1 DL对疲劳强度的影响图9 DL - N图Fig． 9 Line chart for DL - N将试件2X - P40DL 8． 5, 2X - P40DL 10． 5与2X - P40DL12． 5所得疲劳循环次数绘制成DL - N图,如图9所示。从图9中可看出, DL值过大或过小均会降低试件的疲劳强度。这是因为铆接点是整个构件中最薄弱的部分,铆接点越靠近板的边界,351第9期黄志超等:异种金属材料自冲铆接头位置对疲劳强度的影响 万方数据来承受对薄弱点循环冲击的材料就越少;然而,两个铆接点越靠近,在循环载荷的作用下,两个铆接点会产生相互作用,加速结构件的破坏[11]。3． 2． 2 搭接尺寸对疲劳强度的影响将试件2X - P30DL 12． 5, 2X - P40DL 12． 5与2X - P50DL12． 5所得疲劳循环次数绘制成P - N图,如图10所示。铆钉横向布置时,搭接尺寸由30 mm增加到40 mm时,试件疲劳强度随搭接尺寸的增大而增大;而当搭接尺寸由40 mm增加到50 mm时,试件疲劳强度却略有降低。图10 不同DW值下的P - N图Fig． 10 Line chart for P - N with different DW values3． 2． 3 载荷值对疲劳寿命的影响在静载3． 35 kN、动载2． 74 kN的作用下,试件2X - P40DL12． 5的疲劳循环次数为358． 5千次。而在静载2． 02 kN、动载1． 65 kN的作用下,试件2X - P40DL12． 5的疲劳循环次数为1794． 3千次,增长了近5倍。这是由于自冲铆接头在循环载荷的作用下存在累计损伤和静载破坏两个阶段。随着载荷值的减小,接头刚性线性变化速度逐渐趋于平缓,这表明载荷越小,裂纹扩展越慢,接头疲劳寿命越长[12]。3． 3 二钉纵向铆接结构件3． 3． 1 DW对疲劳强度的影响将试件2Y - P40DW 8． 5, 2Y - P40DW 10． 5与2Y - P40DW12． 5所得疲劳循环次数绘制成DW - N图,如图11所示。 DW值过大或过小均会降低试件的疲劳强度。同理,铆接点是整个构件中最薄弱的部分,铆接点离板的边界越靠近,用来承受对薄弱点循环冲击的材料就越少;然而两个铆接点越靠近,在循环载荷的作用下,两个铆接点会产生相互作用,加速结构件的破坏[11]。图11 DW - N图Fig． 11 Line chart for DW - N3． 3． 2 搭接尺寸对疲劳强度的影响将试件2Y - P40DW9． 25, 2Y - P45DW 9． 25与2Y - P50DW9． 25所得疲劳循环次数绘制成P - N图,如图12所示。铆钉纵向布置时,搭接尺寸由40 mm增长到45 mm时,试件疲劳强度随搭接尺寸的增大而增大;而当搭接尺寸由45 mm增长到50 mm时,试件疲劳强度却略有降低。图12 不同DL值下的P - N图Fig． 12 Line chart for P - N with different DL values3． 3． 3 载荷值对疲劳寿命的影响在静载3． 35 kN、动载2． 74 kN的作用下,试件2Y - P40DL12． 5的疲劳循环次数为126． 35千次。而在静载2． 02 kN、动载1． 65 kN的作用下,试件2Y - P40DL12． 5的疲劳循环次数为485． 5千次,增长了近3． 84倍。同理,自冲铆接头在循环载荷的作用下存在累计损伤和静载破坏两个阶段。随着载荷值的减小,接头刚性线性变化速度逐渐趋于平缓,这表明载荷越小,裂纹扩展越慢,接头疲劳寿命越长[12]。3． 4 失效形式自冲铆接头试样接头的失效形式均为上板靠近451锻 压 技 术 第42卷万方数据铆接孔或铆接孔处疲劳断裂,裂纹方向与载荷方向约为90°,如图13中标注所示。自冲铆接头局部塑性应变集中导致疲劳裂纹的形成。裂纹萌生后,裂纹扩展分为两个阶段:第1阶段,裂纹沿剪切应力最大的面向内部扩展,滑移面趋向大致与主应力轴成45°;第2阶段,由于晶粒难滑移,裂纹的扩展方向逐渐转向至与拉伸应力垂直的方向约呈90°[13]。图13 疲劳失效(a)横向布置 (b)纵向布置Fig． 13 Fatigue failure(a) Transverse arrangement (b) Longitudinal arrangement相比于单钉铆接件的疲劳寿命,在静载2． 02 kN、动载1． 65 kN的作用下,试件2X - P40DL12． 5与2Y - P40DW12． 5的疲劳循环次数分别提高了9． 5和2． 6倍。从板材与接头两方面来考虑,在铆接过程中,铆钉刺入导致材料流动,细化了板材晶粒。多铆钉连接时,更多的晶界会阻碍裂纹的扩展,从而提高了板材的疲劳性能。而且多铆钉可以共同承载,降低损伤效应,从而提高了自冲铆接头的疲劳强度。4 结论(1)二钉铆接件比单钉铆接件静强度提高63% ~93%。 DL对试件静强度影响不大, DW过大或过小均会降低试件的静强度。在一定范围内,结构件静强度随搭接尺寸的增大而增大,随后增长速度逐渐趋于平缓。(2)二钉铆接件相比单钉铆接件疲劳强度有显著提高,但并不随铆钉个数呈线性关系增长; DL与DW过大或过小均会降低试件的疲劳强度。在一定范围内,试件疲劳强度随搭接尺寸的增大而增大,随后呈现下降趋势;铆接件疲劳寿命随着最大循环载荷的减小而增大。(3)静力学实验中,铆钉横向布置时试件峰值载荷主要集中在8 ~ 9 kN,铆钉纵向布置时试件峰值载荷主要集中在9 ~10 kN。这是由于试件在拉伸过程中,横向排列的两个铆钉受载均匀,几乎同时发生变形失效;而纵向排列的两个铆钉中,靠近钢板端头的钉受载最大,最先发生变形,远离钢板端头的钉受载更小,当靠近钢板端头的钉发生失效后,远离钢板端头的钉还未发生失效,依旧处于一个保载阶段,故抗拉性能更好。(4)疲劳实验中,铆钉纵向布置时试件疲劳循环次数均低于200千次,而铆钉横向布置时试件疲劳循环次数大部分都高于200千次。这是因为铆钉纵向布置时,靠近钢板端头的钉承受主要载荷作用,最容易萌生裂纹产生疲劳破坏;铆钉横向布置时,两钉受载均匀,延长了疲劳寿命。参考文献:[1] 郭玉琴,朱新峰,杨艳,等.汽车轻量化材料及制造工艺研究现状[J].锻压技术, 2015, 40 (3): 1 -6.Guo Y Q, Zhu X F, Yang Y, et al. Research state of lightweightmaterial and manufacture processes in automotive industry [J].Forging (2)吴欣教授(美国韦恩州立大学): Elasticity, Plasticity and Fracture of Materials in Shape Metal Forming; (3)王德成研究员(机械科学研究总院) -中国制造2025与塑性成形技术; (4)张新泉博士(澳大利亚力拓铝业) -关于铝合金在中国发展的展望; (5)李逢川(中国第二重型机械集团公司) -8万吨模锻压机及大型钛合金模锻工艺技术; (6)赵升吨教授(西安交通大学) -智能机器及其实施途径;(7)张君研究员(中国重型机械研究院) -中国金属塑性加工高端重型装备与创新发展; (8)张晓静博士(德国SimTec Engi-neering GmbH) -稳健设计和全型面回弹预补偿技术及其在国际汽车工业领域的应用; (9)王礼良博士(英国帝国理工学院)— — — Knowledge Based Cloud FE simulation A multi - objective FEA system for advanced FE simulation of hot stamping process;(10)王新云教授(华中科技大学) -多工位精密模锻成形工艺及装备。各分会场为:板材成形/管材成形;体积成形;变形理论与仿真;特种成形/微纳成形;成形装备与智能化;先进材料、新工艺/新技术二、联系方式地址:北京市海淀区学清路18号塑性工程学会秘书处电话: 010 -62920654, 13693629920 E-mail: duanya@ cmes． org中国机械工程学会塑性工程分会651锻 压 技 术 第42卷万方数据