鋁鋰合金鈦合金同種自沖鉚接頭靜力學試驗研究

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，并通過力學試驗設備對兩種材料的兩組連接件分別進行拉伸試驗與剝離試驗，獲得各組連接件的力學性能數據，并進行分析研究。結果表明：同種材料，兩組組合形式搭接的連接件力學性能差距較大。鋁鋰合金單搭組合連接件拉伸試驗的最大載荷均值為6577.7N，T型組合連接件剝離試驗最大載荷均值為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.

關鍵詞：鈦合金;鋁鋰合金;T型自沖鉚連接;剝離試驗

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

中圖分類號：TG938????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1006-4311（2020）28-0186-03

1? 研究意義與現狀

我國汽車制造業要完成由高能耗、高污染的經濟發展模式向綠色經濟發展模式的轉型，最主要的實現途徑就是實現汽車車身的輕量化。使用新型高強度輕質合金作為車身結構的優化材料是實現輕量化的有效途徑。在當許多具有優勢的新型輕質合金材料焊接性能差或需要實現不同材質之間的材料連接時，自沖鉚接技術將有著極大的優勢和潛力。鈦合金材料具有比強度高、耐腐蝕性好、熱膨脹系數低、對環境無污染等特點，被廣泛應用于航空航天領域[1]。相較普通鋁合金而言，鋁鋰合金以其密度低、剛度和強度高、抗疲勞性性能優越等特點，作為結構件可提高15-20%剛度和6%的彈性模量，同時降低3%的密度，減輕10-15%的質量[2-4]。

國內外專家學者對自沖鉚接技術發展和推廣也做了許多研究。何曉聰等[5]研究了5052鋁合金和H62銅合金自沖鉚的機械性能，提出連接板材的特性對疲勞強度影響較大，并指出了微動磨損現象的存在加速了表面裂紋的產生和連接整體的失效。康少偉等[6]對自沖鉚連接件的微動磨損機制進行研究，提出改善結構、加大連接板間接觸的強度、減小摩擦系數等可以有效減小微動磨損的影響。Se-Hyung Kang等[7]對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及疲勞測試，并指出微動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。

本文通過鋁鋰合金1420、鈦合金材料為研究對象，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，并通過力學試驗設備對兩種材料的兩組連接件分別進行拉伸試驗與剝離試驗，獲得各組連接件的力學性能數，并進行分析研究。

2? 試驗研究

2.1 材料準備

本試驗所用鋁鋰合金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、寬尺寸，長和寬分別是110mm、20mm。兩種板材的材料基本力學性能如表1所示。

2.2 連接及力學試驗

本試驗用自沖鉚接系統對AL1420、TA1進行鉚接，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為DD組，T型組合的連接件皆編號為TX組。各組分別制備5件樣本。經過鉚接系統對AL1420、TA1進行連接試驗，經過對鉚接后成型質量的分析，根據其釘腳張開度、殘余底厚等參數的比較，確定了鉚接連接件的最優鉚接參數。鉚接AL1420連接件的預壓緊壓強、刺穿壓強、整形壓強分別為5MPa、18.5MPa、11MPa，行程為130.5mm，鉚接TA1連接件的預壓緊壓強、刺穿壓強、整形壓強分別為5?MPa、20.0MPa、12MPa，行程為133.5mm。單搭與T型組合搭接的連接件結構如圖1所示。

通過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。對兩種材料的DD組和TX組的連接件在材料試驗機上進行靜力學試驗。設定DD組的拉伸速率和TX組的剝離速率皆為5mm/min，門檻值為99%。對兩組接頭分別進行5次重復性拉伸和剝離試驗。

3? 結果分析

3.1 失效分析

對單搭組合和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行了拉伸試驗與剝離試驗后的失效情況。由圖2（a）可知，單搭組合的DD組連接件在進行拉伸試驗時，因連接件受軸向力不對中存在一定的力矩，隨著載荷和位移的變化在連接件失效時連接部位發生了翹曲。隨著載荷增加，鉚釘腳勾住的下板部位不能夠支撐連接，下板內鎖部位圓孔發生變形，進一步鉚釘從下板拉脫，同時上板與鉚釘頭接觸的部位因拉伸過程鉚釘受力出現了不同程度的凹陷，甚至發生鉚釘部分與上板分離。由圖2（b）可知，當剝離試驗進行時，TX組的T型連接件鉚接內鎖機構除受到軸向拉力的同時，還會受到以鉚釘到板材折彎處距離為力臂的力矩影響，因而鉚釘直接從下板拉脫，伴隨下板折彎部分發生一定程度彎曲。較DD組的失效形式，因TX組的受載復雜，TX組上板與鉚釘頭接觸區域及下板內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所需吸收的能量，其大小可以用于綜合評價連接性能。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遠大于TX組連接件的1733.92N，故而前者能量吸收能力優于后者的。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 強度分析

連接件的強度分析從對其加載的過程及其承受最大載荷能力和發生的最大變形失效位移等方面出發考慮。對兩種材料的DD組和TX組的連接件在材料試驗機上分別進行靜力學試驗。試驗得到連接件的載荷-位移曲線，通過曲線分析加載過程和連接件的失效過程間的聯系。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，在失效發生時TX組時在較短的時間和位移內迅速出現完全失效，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。這一差別在將來的工程應用中要予以關注。

將靜力學試驗所獲得數據通過MATLAB中lillietest擬合優度函數進行數據是否服從正態分布的檢驗。經函數檢測，所得數據均服從正態分布。各組連接件最大載荷和最大位移量的統計量見表2。其中AL1420材料的DD組和TX組統計量如表中AL1420-DD組、AL1420-TX組所示，TA1材料的DD組和TX組統計量如表中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除鉚釘內鎖結構受載形變剝離外，折彎處也發生了較大塑性變形。從而使得TX組連接件在失效時出現較大的位移量。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、材料等皆相同，僅搭接形式存在差別而導致連接處受力情況不同，T型搭接在剝離時連接處所受載荷更為復雜，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%。這也進一步說明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的工程結構設計中可以優先考慮使用單搭的搭接方式應用。

參考文獻：

[1]李婷.一種新型低成本鈦制造工藝-場輔助燒結-鍛造[J]. 鈦工業進展，2017，34（3）：44.

[2]何曉聰.薄板材料連接新技術[M].北京：冶金工業出版社，2016.

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

[4]李玉龍，楊文忠，劉元鏞.鋁鋰合金材料沖擊動態特性的實驗研究[J].西北工業大學學報，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.自沖鉚接中微動的研究概況[J].煤礦機械，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.

————————————

基金項目：2019年度市級科技計劃指導性項目（2019020）。

作者簡介：程強（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研究。