鋼/鋁異種金屬TOX圓點鉚接工藝研究

吳 輝，石小富

(中國電子科技集團公司 第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

鋁及鋁合金因具有密度小、耐腐蝕、導熱及導電性好等特點被廣泛應用于裝備生產，是目前應用最廣泛的一種輕金屬；而鋼作為最傳統的結構材料，在制造業中使用量極大[1]。隨著裝備輕量化的發展趨勢，鋼/鋁雙金屬結構產品越來越多，在航空、航天、車輛制造及其他高端設備中顯示出獨特的優勢和良好的經濟效益[2-5]。

鋼鋁雙金屬結構的連接方法包括機械連接、焊接和粘接等[6]。粘接得到的連接接頭機械強度有限，只能應用于對接頭強度要求很低的場合。對于鋼與鋁的焊接，國內外學者采用熔焊、攪拌摩擦焊、爆炸焊等多種方法開展了相關工藝研究[7-10]，由于鋼和鋁的物理、化學性能相差較大，焊接時易在接頭間產生金屬間脆性物質，導致接頭處產生裂紋及熔合不良等缺陷[11]，工藝穩定性較差。TOX鉚接作為機械連接的一種，沒有熱輸入，屬于冷成形工藝，在連接過程中無需螺釘、鉚釘，動能連接強度優于焊接點，易于實現快速、便捷、大批量生產，是針對鋼鋁異種金屬連接的有效手段[12-13]。本文主要研究TOX鉚接中的TOX圓點鉚接技術。

1 TOX圓點鉚接工藝

TOX圓點鉚接是一種無鉚釘鉚接技術，通過使用圓形凸模將需要連接的材料壓入凹模腔，隨著沖擊力的繼續增大，凸模端的材料被擠壓并向外擴散到凹模端材料內，形成可靠接頭。TOX圓點鉚接工藝過程示意圖如圖1所示。

圖1 TOX圓點鉚接工藝示意圖

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

試驗所用鋼板選為1.5 mm寶鋼SPCC冷軋鋼板(符合標準Q/BQB 408)，所用鋁板為西南鋁業1.5 mm 5A05(O)鋁板(符合標準GB/T 3880.1)，材料的主要成分見表1和表2。其中，鋼板的抗拉強度≥270 MPa，鋁板的抗拉強度為275 MPa。

表1 5A05鋁名義化學成分(質量分數) (%)

表2 SPCC鋼名義化學成分(質量分數) (%)

2.2 試驗方法

鉚接試驗在托克斯CEC08型鉚接機上進行，鉚接頭選用直徑為5 mm的圓點鉚接頭。接頭形式如圖2所示。

圖2 接頭形式示意圖

在不同的壓強(10、12、15、18、21、24、27、30和33 MPa)下進行不同材料搭接形式(鋼板在凸模側、鋁板在凸模側)的鋼/鋁異種金屬TOX鉚接試驗，通過底厚儀(廠家/型號：托克斯/Oditest)測量鉚接點處底厚，得出鉚接點處底厚與壓強的關系；同時，對獲得的接頭通過萬能拉力試驗機(廠家/型號：美特斯/CMT5504)進行剪切強度測量，得出壓強及材料組合方式對接頭剪切強度的影響及優化工藝參數。其中，每種壓強及材料組合方式下均鉚接5組試樣。

在優化工藝參數下重新鉚接15組試樣(其中5組不做任何處理，5組鉚接后噴白色丙烯酸聚氨酯磁漆，5組噴丙烯酸聚氨酯磁漆后鉚接)，將獲得的接頭置入中性鹽霧箱(廠家/型號：唐正電子/TMJ-9701)中進行鹽霧試驗(依據GJB 150.11A—2009交替進行24 h噴鹽霧和24 h干燥2種狀態共96 h)，分析不同表面處理工藝下接頭的抗鹽霧腐蝕能力；同時，將鹽霧試驗后的接頭進行剪切強度測試，分析鹽霧環境對鋼/鋁異種接頭剪切強度的影響。

3 試驗結果與分析

3.1 壓強對鋼/鋁異種材料TOX圓點鉚接接頭的影響

在不同壓強下進行TOX圓點鉚接，結果如下：當壓強為10 MPa時，無論鋼板在凸模側還是鋁板在凸模側，均不能實現鋼/鋁異種金屬的連接；在其余壓強下，鋼/鋁異種金屬均可實現連接，鉚接點處底厚如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著壓強增大，鉚接點處底厚減小，在壓強增大初期，底厚減小幅度較大；當壓強達到27 MPa時，底厚隨壓強的變化趨于穩定，即壓強對底厚影響變小。

圖3 不同鉚接壓強下的底厚

將鋼板在凸模側鉚接所得接頭與鋁板在凸模側鉚接所得接頭的鉚接點處底厚進行比較發現，鋼板在凸模側時，鉚接點處底厚明顯小于鋁板在凸模側時。其中，壓強為27 MPa時，鋼板在凸模側接頭底厚為0.4 mm，而鋁板在凸模側底厚為0.5 mm。

不同壓強下進行鉚接獲得的接頭抗剪強度如圖4所示。從圖4可以看出，當壓強為12～27 MPa時，隨著壓強增大，鉚接接頭抗剪強度增大；當壓強>27 MPa時，接頭抗剪強度隨著壓強的增大而減小，即當壓強為27 MPa時，接頭抗剪強度最大，其中鋼板在凸模側接頭抗剪強度為2.94 kN，鋁板在凸模側抗剪強度為1.68 kN。從圖4還可以看出，當壓強為12和33 MPa時，接頭抗剪強度的標準方差較大，說明在壓力過小或過大時，獲得的接頭抗剪強度不穩定，即在該工藝參數下，不易獲得性能穩定的接頭。

圖4 不同材料組合下接頭抗剪強度對比

3.2 材料組合方式對鋼/鋁異種金屬TOX圓點鉚接接頭的影響

將鋼板在凸模側鉚接所得接頭與鋁板在凸模側鉚接所得接頭的抗剪強度進行對比(見圖4)可以看出，在同一壓強下，鋼板在凸模側時獲得的接頭的抗剪強度平均比鋁板在凸模側時的接頭抗剪強度高約1.0 kN。產生這種現象的原因可能是鋁板屈服強度較低，而鋼板塑性較好，當鋼板在凸模側時，隨著凸模的沖壓，鋼板開始變形，而鋁板由于屈服強度低，鋼板易流入凹模內部形成鎖緊環，而當鋁板在凸模側時，鋼板相較鋁板屈服強度高，不易形成鎖緊環。

3.3 鹽霧環境對不同表面處理工藝下鋼/鋁異種金屬TOX圓點鉚接接頭的影響

比較不同材料組合以及壓強下接頭的抗剪強度可以得出，鋼板在凸模側，壓強27 MPa為鋼/鋁異種金屬TOX鉚接的優化工藝參數。將優化工藝參數下獲得的接頭進行不同表面處理，并將不同處理工藝下的接頭置于鹽霧箱中進行中性鹽霧試驗，試驗后的接頭外表如圖5所示。其中，1#涂覆后進行鉚接，2#鉚接后進行涂覆，3#鉚接后不做任何處理。

圖5 不同處理工藝下接頭鹽霧試驗后試樣表面形貌

從圖5中可以看出，鉚接后不做處理的接頭(3#)腐蝕最為嚴重，在鋼板表面生成了較厚的銹蝕氧化層，鋁板表面與鋼板接觸位置也生成了一層白色的銹蝕層，這主要是由于鋼和鋁電化學效能不同，存在較大的電極電位差，極易發生電化學腐蝕。鉚接后進行涂覆的接頭(2#)由于鋼板、鋁板接觸面內無法形成完整、封閉的涂層，在接觸位置也產生了少許腐蝕；但由于涂覆層對接觸面四周進行了一定程度的封閉，因此2#接頭較3#接頭的銹蝕程度明顯降低。涂覆后進行鉚接的接頭(1#)，由于在鉚接前涂覆層已經對板材表面進行了完整的封閉，而鉚接過程并未對封閉層產生破壞，因此在鹽霧試驗中未發生銹蝕。

不同處理工藝下接頭經過鹽霧試驗后的抗剪強度如圖6所示。從圖6中可以看出，經過鹽霧試驗，涂覆后鉚接的接頭抗剪強度最低，而鉚接后進行涂覆的接頭抗剪強度最高，鉚接后不做處理的接頭抗剪強度居中。分析其原因，將鋼板和鋁板進行涂覆后再進行鉚接，凸模側金屬流動形成擠壓環的過程中，涂覆層首先進入擠壓環，導致鋼板形成擠壓環部分尺寸變小，強度降低；同時，涂覆層強度以及涂覆層與金屬板材之間的附著力也較低，進一步降低了涂覆后進行鉚接接頭的抗剪強度。鉚接后涂覆的接頭以及鉚接后未做處理的接頭經過鹽霧試驗后，在擠壓環內形成了氧化物，氧化物在剪切試驗過程中起到了增加摩擦力的作用，相對提高了接頭的抗剪強度。

圖6 不同處理工藝下接頭鹽霧試驗后抗剪強度對比

4 結語

本文研究了壓強、材料組合方式對鋼/鋁異種金屬TOX圓點鉚接接頭底厚、抗剪強度的影響，同時，研究了不同表面處理工藝下鋼/鋁異種金屬接頭經過鹽霧試驗后的性能變化，得出如下結論。

1)在任意材料組合方式下，隨著壓強的增大，TOX圓點鉚接接頭底厚減小，當壓強>27 MPa時，底厚變化趨于平緩；同時，在同一壓強下，鋼板在凸模側所獲得的接頭底厚小于鋁板在凸模側所獲得的接頭。

2)在任意材料組合方式下，隨著壓強的增大，接頭抗剪強度增大，當壓強達到27 MPa時，接頭抗剪強度達到最大值，隨后隨著壓強增大，接頭抗剪強度降低。

3)在同一壓強下，鋼板在凸模側接頭抗剪強度高于鋁板在凸模側接頭抗剪強度。

4)涂覆后進行鉚接的接頭抗鹽霧性能最好，但接頭抗剪強度下降顯著。