異質板材連接成形技術的研究現狀

石文勇+馬巖+李哲

摘要：異質板材連接是裝備制造及交通運輸等多個領域實現輕量化的有效途徑之一，但因材質屬性方面存在明顯差異，使用傳統連接方法時存在著一定的技術瓶頸。對TIG焊、激光焊等為代表的焊接方法和機械連接方法的工藝特點及研究現狀進行了詳細評述，重點介紹了各工藝在異質板材連接領域所起的優勢作用及發展潛力，并結合行業發展及使用需求對異質板材連接工藝的發展進行了展望，進而為異質板材連接新工藝的研究及開發提供技術參考。

關鍵詞：異質板材；TIG焊；激光焊；機械連接；輕量化

DOI：1015938/jjhust201702005

中圖分類號： TG306文獻標志碼： A文章編號： 1007-2683（2017）02-0023-06Research Status on the Heterogeneous Sheet

Abstract：The heterogeneous sheet connection forming is one of the effective ways to realize lightweight in many fields， such as equipment manufacturing and transportation However， there are obvious differences in the material properties， when using the traditional connection methods， there is a certain technical bottlenecks In this paper， the technological characteristics and research status of the welding method and mechanical connection method are discussed in detail， such as the TIG welding and the laser welding The advantages and development potential of the technology are introduced in the field of the heterogeneous sheet connection， in combination with the industry development and the use demand， the development of the heterogeneous sheet connection technology is expected， to provide the technical support for the research and development of new heterogeneous sheet connection technology

Keywords：heterogeneous sheet； TIG welding； laser welding； mechanical joints； lightweight

0引言

輕量化是航空航天及汽車等領域實現節能減排的有效手段之一，因此，大量輕質結構材料如鋁鎂合金和復合材料等被廣泛采用[1-2]。但這些材料與鋼或彼此之間的連接較難實現，特別是對于傳統的連接工藝而言，存在著質量難以保證或技術難以逾越等問題。各種新型焊接、機械連接等方法的出現為解決這些瓶頸提供了有效途徑[3-5]。

1焊接方法的研究及應用現狀

11TIG焊

TIG焊（Tungsten Inert Gas Welding）又稱為非熔化極惰性氣體鎢極保護焊，是一種低熔化率的高質量焊接技術[6]，工作原理是電弧在鎢電極和工件之間燃燒，電極并不熔化，只作為電流導體和電弧載體。許多專家學者對TIG焊接板材進行了研究。趙志毅等[7]為改善TIG焊焊接工藝，對GH909板材進行TIG后對焊縫進行了熱處理，焊縫形成有針片狀 ε/ε″ 相、γ /Laves 低熔點共晶相且都在 γ晶間分布；焊縫中心低熔點共晶相所占比例要小于離焊縫中心不遠的邊部，經過固溶處理后焊縫低熔點共晶相所占比例要加大，Nb、Ti 偏析嚴重，焊縫結晶裂紋敏感性有所高，對合金綜合性能產生較大影響。

對高強鋼厚板可采用雙面TIG焊接，Xiong等[8]對高強鋼厚板雙面TIG焊后的熱處理和微觀結構研究表明，雙面雙弧焊接有利于保持良好的焊接強度且通過熱處理工藝對焊縫韌性提高也有很大幫助，其組織為鐵素體和馬氏體的混合物。硬度測試結果顯示高溫回火后熱影響區會有一定程度軟化。

目前在汽車工業中鎂合金用量越來越多。于思榮等[9]采用5mm厚AZ31B擠壓鎂合金板材進行了焊接試驗，采用掃描電子顯微鏡、金相顯微鏡、萬能拉伸試驗機等測試手段對焊縫力學性能、組織變化及斷口形貌等進行了研究，結果表明在合理的焊接速度下，采用130～145A的焊接電流能夠得到良好的焊接接頭，其連接強度可達到母材強度的84%，但是硬度相比母材會有所下降。同時在拉伸試驗中，焊縫斷口出現大量韌窩屬于韌性斷裂；Ding等[10]針對鐵和鎂合金板的焊接進行了研究，實驗采用了一種新型的TIGMIG混合的焊接方式，結果表明隨著銅填充區厚度的增大強化機制發生了變化，填充區厚度為01 mm厚相比002 mm厚時，焊縫處的剪切強度提高了47%。

12激光焊

激光焊技術屬于熔融焊接的一種，它以激光束為能源沖擊在焊件接頭上，使焊絲融化填充以達到焊接目的[11]。激光焊是一種高效并且精密的焊接方法，對于微、小型零件的精密焊接非常適用。

激光焊技術可焊材質種類范圍大，也可用于相互接合各種異質材料，連接不同物性（如不同電阻）的兩種金屬，如圖1所示。又因它具有焊接熱影響區域較小、能量密度較高、焊接變形較小等優點，廣泛應用于航空航天、輪船制造、汽車制造等多個領域[12-14]。

近年來，在國際上激光焊技術取得了很多的科研成果，為克服焊接存在的一些缺陷，REN等[15]對采用激光焊與膠結技術結合對鎂合金焊接過程進行了研究，工藝過程如圖2所示。對鎂合金分別采用焊接、膠結及兩者結合的這三種連接實驗，對比研究得出結論：兩種技術結合應用連接強度比單獨使用兩種連接方式時高，可顯著提高連接質量。

國內學者田偉等[16]為了研究鎂/鋁異種金屬激光焊接焊縫氣孔的形成原因，對18mm厚AZ91和12 mm厚6016鋁合金板進行了激光焊試驗，使用場發射掃描電鏡及自帶能譜儀設備發現鎂/鋁異種金屬激光焊氣孔產生的主要原因是元素蒸發燒損、殘留母材表面的氧化膜以及母材中存在的原始微氣孔，改善焊接工藝，完全消除或降低上述問題的出現對提高焊接質量，獲得低氣孔率鎂/鋁焊縫是有幫助的。

WU等[17]對激光焊質量的控制進行了研究，分析了有鍍層材料的激光焊技術，通過對連接件腐蝕結果對比表明，發現采用引導弧板和連接弧板可顯著提高激光焊的連接質量。

13其他焊接

隨著焊接技術的不斷發展，焊接方式也發生了多種多樣的變化，除了上述兩種方法還有攪拌摩擦焊、線性摩擦焊等焊接方法。但是每種焊接方法都有其局限性，如激光焊設備相對昂貴、操作復雜；攪拌摩擦焊焊速很低、攪拌頭的磨損消耗太快等。

2機械連接技術的研究現狀

除了焊接法外，鉚接、螺紋連接、沖壓連接等機械連接方法也是實現異質板材連接的重要途徑。

21需附加元素連接

作為一種可拆卸的連接方式，螺紋連接被廣泛應用在板材、棒材及方形材連接中，原理如圖3所示。螺紋連接技術作為一種較為通用的連接方法并占據著舉足輕重的地位[18-19]。在板材連接技術日益進步的今天，螺紋連接仍有其不可替代的作用，應用最為廣泛，該方式除了工藝簡單外還可進行拆卸且連接可靠性也很高。學者們對螺栓連接的裝配參數，預加載力以及疲勞性能等均進行了深入的探索[20-21]。

ZHANG等[22]對三層結構的螺紋連接進行了有限元分析，通過建模進而研究連接過程中的動態特性。同時利用有限元模擬將連接過程中板材以及螺栓或螺釘的連接行為更加直觀化。

WANG等[23]通過一系列的準靜態壓力試驗和橫幅疲勞試驗研究循環加載條件下單個螺栓連接件的疲勞行為。針對傳統焊接技術難以適用復合材料而進行的相應研究結果表明，疲勞損傷指數大于1時，加載序列從低級到到高級進行變化，而當疲勞損傷指數小于1時則相反。

HIRASHIMA等[24]為了分析溫度對鋼框架結構的殘余應力影響，分別對板材厚度、距離及緊固螺栓在高溫條件下的變形行為進行了分析，并在此基礎上進行了拉伸試驗，結果表明不同溫度對失效模式等有很大影響。

考慮到螺紋連接需要對連接件進行預處理，鉚釘連接方法應運而生。該技術是通過外加半空心或實心鉚釘對板材完成連接的一種機械連接，同樣可以對一些難以焊合的材料進行連接，其工作原理如圖4所示。但是由于鉚釘材質，大小及板材屬性的差異，很多技術難題應運產生[25-26]。如欲連接板材硬度過大，此時鉚釘材質的選擇以及形狀的設計便成為了一個難點。

鉚接工藝被廣泛應用于白車身的生產中。由于高強鋼與鋁合金在車身中的應用，進而兩種板材的連接應運而生，這一創新性的應用，大大減輕了車身重量，提高了節能減排的效果。機械連接過程適用于多材料的混合連接，BUSSE等[27]致力于研究鉚接技術在汽車白車身連接方面的應用，同時對其連接的順序進行設計，使得連接效果達到最優，并利用有限元模擬軟件對此進行進一步的模擬優化。BLANCHOT等[28]對鉚接工藝連接的連接件進行測試，分析其在鉚釘部位的應變及應力變化情況。

實心鉚釘沖壓鉚接技術是一種外加實心金屬連接件的連接方法，該技術得以推廣及應用。通過技術的不斷改進使得到沖壓連接件的表面質量變得更好，該結構的優勢在混合材料的連接中更加凸顯，使其連接強度變大，利用改進后模具的方便技術條件擴展了實心沖壓鉚接的應用范圍[29]。VARIS等[30]對高強鋼的鉚接技術進行了綜合性描述，先后給出了11種不同的鉚接方法與469種相關測試，這對鉚接工藝的深入研究提供了重要依據。

擺碾鉚接技術是利用鉚頭作一種繞鉚釘的軸線連續的回轉運動，鉚頭在旋轉的同時向下垂直下壓完成整個連接過程，其中鉚釘的軸線不與鉚頭的軸線同軸[31-32]，而是呈一定角度的夾角如圖5所示。

擺碾鉚接技術即為碾壓鉚接技術，于20世紀60年代正式被應用在連接領域，與傳統的機械鉚接技術相比，該工藝具有連接效率較高、鉚接過程所需壓力較小、鉚接件的質量相對較高以及良好的降噪效果等優點。正是因為擺碾技術所具備的優點，所以相關研究得以全面展開。

22無附加元素連接

相對需附加連接元素的連接技術而言，無需附加連接元素的連接技術可更進一步的達到減輕連接質量的效果。原理就是利用連接件具備的屬性，根據其變形性能完成連接[33-35]。包括TOX圓點連接等技術在內的眾多技術都在連接領域得到廣泛的認可與應用[36-37]。

由于輕量化理念逐步成為了社會的熱點話題，越來越多的科研人員對無鉚釘技術進行了深入的探索和研究。一些專家學者對此進行不同角度的模擬及實驗研究[38-40]。

當前通過多種材料的混合體在白車身行業的生產應用中實現了輕量化設計。車身上高強鋼和鋁合金的比例逐漸增加，而機械連接適用于多種材料的混合連接。但是，當與高強鋼結合，需要像鉚釘這樣的外加元素。

YANG等[41]提出了一種可以預測連接強度的分析模型，該模型是通過對連接部分的厚度和深度的分析進一步完成對連接強度的預測。FRANCESCO等[42]利用有限元模擬對鉚接過程中金屬塑性流動行為進行了分析，并且還建立了相應的預測模型。

在沖壓連接技術中，工藝參數對連接強度起到了決定性作用，JACEK等[43]通過實驗與模擬結合，研究了模具的幾何參數對鎖緊程度和所需成形力進行了預測及分析，從圖6所示實驗結果看，模具半徑以及凹模深度等參數對連接結果影響很大。通過對比可知，模擬與實驗結果十分符合。

LEE等[44]通過對高強鋼DP780和鋁合金板A5052在沖壓連接過程中工藝參數對連接過程的影響進行了深入研究，結果表明，由于鋁合金與高強鋼的延展性不同，在連接過程中會產生一些缺陷，比如沒有完成互鎖連接或上部板材產生頸縮、下部板材發生破裂等情況。

ABE等[45]通過對連接件進行連接強度和剪切強度等性能測試，明晰了模具直徑、凹模深度及凹模圓角半徑等因素的影響，研究結果表明模具直徑和凹模深度是連接質量的決定性因素，可直接控制其剪切強度與連接強度，而連接后板材厚度及互鎖寬度則決定了其抗剝離的強度。

WANG等[46]利用有限元模擬對自沖鉚接技術進行了分析，成功地解決了模擬技術在連接過程中大變形及斷裂方面的瓶頸問題，對凹模幾何形狀、鉚釘材料性能等方面進行了剖析，最后利用實驗驗證了模擬結果的準確性。

評價連接質量還有一個很重要的依據，就是其失效形式，通過對沖壓連接技術主要失效形式的歸類可知，大致可分為三類：第一類是由于在連接處其頸部厚度相對其他連接件要小，使得在此次所能承受載荷較小的原因；第二類是由于處于連接位置處的互鎖寬度不夠，致使受到載荷作用時，其位于上側的板材整體與下側板材分離開來；第三類則是兼具前述兩種失效形式的集合，即連接處有一端變形過度，使得此處板材過薄，而另一側板材又存在變形不足，互鎖寬度不足，受到載荷作用，變形過度側被拉裂，而變形不足處則被拉出。產生這些缺陷主要是由于凸凹模的設計及連接時沖頭的壓力等影響。

3粘接/鉚粘復合連接

作為三大連接方式之一，膠接在汽車工業領域中的應用已經有較長歷史，與其它連接方法相比，膠粘連接具有其獨特優勢：粘接采用面接觸而非點或線接觸，與點焊及鉚接相比，不易產生應力集中，連接強度和剛度及疲勞強度也相對較高且連接范圍廣，能應用于各種輕金屬、鋼材以及不同材料的連接。膠粘劑在車身上的應用，最初是以防腐和密封為目的，后來逐步發展到對連接強度和剛度也提出較高要求。新一代結構膠粘劑具有高強度、高剛度，同時在沖擊載荷作用的時又具有足夠的韌性和柔性特點，能夠滿足車身結構的需求，擴大了膠粘連接的應用范圍[47]，如新寶馬7系鋼鋁混合結構車身中，鋁質頂蓋和鋼質側圍框架之間僅使用膠粘連接完成裝配的。但膠粘連接也有其固有缺點，首先，由于聚合物的本身特性，在相對較惡劣環境下，粘膠劑的連接效果容易受溫度和濕度的影響，對二者比較敏感；其次，膠的凝固需要加熱且耗時相對較長，凝固前需要對板料進行固定以防板間相互滑動；最后，膠接破壞形式是突然性開裂，失效時承受的載荷瞬間降為零，在車身結構中應用時存在著安全隱患，因此，一般鉚粘復合連接共同應用于車身結構[48，49]。

但從國內外的研究及應用現狀來看，其在車身上的全面應用還處于初級階段，相關理論研究尚不成熟。如鉚粘復合連接所獲接頭的強度和剛度性能、疲勞特性、吸能特性等并不是鉚接和粘接的簡單相加，影響性能的因素較多，但這些因素和上述性能之間的因果關系及其規律尚不清楚；在混合材料車身結構中，面對不同部位不同材料特定的組合，采用哪一種鉚接方式和粘接進行復合連接才能獲得最優的綜合性能，目前尚有待研究。

4結論及展望

上述連接工藝在同時實現材料和結構輕量化等方面的作用及實效都非常顯著。進行板材變形連接新技術的開發對于異質板材連接部件的研制具有重要意義，特別是作為實現輕量化的有效途徑之一，板材變形連接新技術為異質材料或結構的復合應用提供了理論依據。

但隨著使用要求及應用范圍的逐漸拓寬，對連接工藝的創新性研究仍在持續地展開著。噴丸連接、冷壓變形連接及磁脈沖輔助板材連接等新型方法應運而生，豐富了現有連接工藝的實施手段。除此以外，多層（三層以上）異質板材連接、熱壓變形連接等也是研究者日趨關注的重要方向。

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（編輯：王萍）