航空铝合金薄板自冲铆接头静力学性能的研究

自冲铆是近年兴起的一种性能优异、绿色和高效的连接新技术,可连接同种、异种和多层板材,有望成为航空轻合金薄板材料连接的关键技术。本文以2A12(A组)和6061(B组)异质自冲铆接头为研究对象,进行静力学性能测试及失效微观分析,对接头成形质量、力学性能、失效形式及失效机理进行系统分析。结果表明:SBA(6061-2A12)接头成形质量最佳,SBB(6061-6061)接头密封性能最好,SAA(2A12-2A12)接头对称性最优;SAA接头具有最强静载强度,SBB接头具有最优抗震吸收能力,SBA和SAB(2A12-6061)接头的综合力学性能较好。SBB接头失效形式均为拉脱失效;SAA接头失效形式最不稳定,出现了3种不同失效形式;接头最主要的失效形式是拉脱失效。

穿透式自冲铆接接头成形工艺及力学性能

为探究穿透式自冲铆接工艺,建立了穿透式自冲铆接过程的有限元仿真模型,并开展了工艺试验研究,探究了铆钉长度和底板厚度对铝合金/聚碳酸酯异质穿透式自冲铆接接头力学性能的影响,分析了PC板的预热温度对铆接成形裂纹产生的影响。结果表明,穿透式自冲铆接工艺过程可分为压紧、刺穿上板、刺穿下板和成形4个阶段;穿透式自冲铆接接头的失效载荷和能量吸收值均随着铆钉长度和底板厚度的增加而增加;热处理不仅可以抑制裂纹的产生,还可以提高接头的力学性能,预热处理后接头的最大失效载荷相较于常温处理的试样提升了26.21%。

基于球形底模的铝合金自冲铆接工艺多元回归模型

针对低延展性铝合金薄板材料自冲铆接成形过程易出现裂纹问题,提出了一种基于球形底模的自冲铆连接工艺.针对7075铝合金材料,采用Box-Behnken Design响应面试验方法,开展自冲铆接头工艺试验研究,确定最优工艺参数.以铆钉长度,冲头速度和冲头行程作为输入变量,接头的失效载荷和能量吸收值为响应值,建立基于球形底模的自冲铆接工艺多元非线性回归模型,并进行试验验证.结果表明,采用球形底模在保证接头强度下有效抑制自冲铆接头机械内锁区裂纹的产生;应用回归模型得到的理论预测值与试验值之间的相对误差较低,回归模型具有较高的可靠性;同时,单因素分析表明,铆钉长度对接头静力学性能的影响最大;交互作用分析中,铆钉长度和冲头行程的交互作用对失效载荷和能量吸收值的影响最为显著.最后通过NSGA-Ⅱ遗传算法确定最优工艺参数组合.

铝合金自冲铆疲劳性能及寿命预测

随着“双碳”政策的提出,轻量化已成为各行业发展的重要课题,铝合金轻量化及其连接技术研究在机械各领域备受青睐并推广。为研究铝合金自冲铆接头的力学性能,使用自冲铆连接工艺连接了6061铝合金自冲铆接头和5754铝合金自冲铆接头,对比了两种铝合金接头的几何参数、显微硬度、静力学性能和疲劳性能。结果表明,两种铝合金接头成形的几何参数相近,5754接头搭接区域的硬度和低疲劳载荷下的连接力学性能优于6061接头,但在高疲劳载荷下6061接头的连接力学性能反而更优。通过结合失效接头中黑色氧化物和疲劳载荷下的微动损伤分析结果,建立了两种铝合金接头基于Paris公式的疲劳寿命预测模型,预测结果与实验数据吻合良好。

CFRP/AA5083自冲铆接头成形性能及损伤机制

选用CFRP和AA5083铝合金进行自冲铆接,探究铆钉嵌入CFRP上表面深度和采用带孔CFRP板材对接头的影响,以实现对复合材料/金属自冲铆接工艺的优化。基于接头的成形曲线和成形截面分析,研究了接头成形质量的影响因素;通过拉伸-剪切试验测试了接头的成形性能与失效行为;结合显微硬度分布特征研究了接头成形特征与失效行为的联系。结果表明:随着铆钉嵌入深度的增大,CFRP板材的压溃损伤持续加重,接头失效行为由铆钉拉脱失效变为CFRP基板撕裂失效,成形性能呈下降趋势;带孔CFRP板材的使用减轻了CFRP的铆接损伤,改善了铆钉的刺入和成形,铝合金板塑性变形区也具有更好的硬化效果,接头具有更优的成形质量和成形性能。

钢/铝/铝三层板自冲铆接头静载特性及模拟分析

采用自冲铆技术实现了三层板钢/铝/铝异种金属的有效连接。通过接头截面对比研究了3种搭接顺序下接头的成形质量,以成形质量较好的接头为基础,研究了搭接结构对接头的影响,通过拉伸-剪切试验研究了接头静力学性能,结合有限元模拟分析了接头的成形机理与静载失效特性。结果表明:钢板在上层时,接头成形质量优于其它搭接顺序;搭接结构对接头的综合性能影响较大,上板与下板同侧的搭接结构具有更高的静失效载荷,接头的失效形式为中板撕裂失效;中板与下板同侧的搭接结构具有更高的能量吸收值,接头的失效形式为铆钉拉脱失效;成形模拟结果以及拉伸-剪切模拟结果均与实际结果具有较高的一致性。

板材厚度组合对CFRP-Al自冲铆接头底切值的影响

选取5组不同厚度组合的碳纤维复合材料(CFRP)板和铝合金板进行自冲铆连接对比试验,并限定板厚组合为唯一的影响因素,以探索板厚组合对自冲铆接头底切值的影响规律。结果表明,CFRP上板厚度固定,接头底切值随着下板厚度的增加而提升,而固定铝合金下板厚度,接头底切值则随上板厚度的增加而降低。分析认为,铝合金下板的厚度限制钉脚刺入下板的深度并决定了底切值的上限,同时,自冲铆过程中铆钉钉脚切割上板形成的残余材料堆积于钉孔内,并在钉脚刺入铝合金下板过程中对下板产生挤压作用,导致钉孔下方的下板被压薄,且对下板的压薄作用随着上板厚度的增加而增强,从而接头的底切值随着上板厚度增加而下降。

复合材料与金属薄板自冲铆接成型工艺及影响因素研究

为探究复合材料与金属异种薄板自冲铆接工艺的影响因素,选用碳纤维增强复合材料(CFRP)分别与1.5、2.0 mm的AA5083铝合金,1.5 mm的镀锌钢DC54D+Z,1.2 mm的超高强钢DP1180进行自冲铆接试验;基于成型剖面对比分析研究接头的成型特点,并通过力学试验进一步研究接头在静载作用下的力学性能与失效行为。结果表明:断裂的纤维丝始终存在于铆钉脚与下板的间隙区域,导致铆钉脚不能刺入下板,对成型产生负面影响;金属板材质和厚度均对接头性能有所影响,强度越高和厚度越大,接头成型质量越差;复合材料-金属接头刚度受下板金属材料的影响较小;接头失效形式均为拉脱失效,承载能力与机械内锁强度成正比,可采取措施使铆钉刺入下板,增大钉脚张开度来防止产生拉脱失效;这4组接头成型过程中铆钉对纤维板的压溃损伤程度相同,拉脱失效后铆钉的倾斜角度和碳纤维板的破坏程度基本一致。

汽车轻量化机械连接工艺技术研究

为积累轻量化车身连接技术设计及制造经验,提升车身机械连接工艺质量,针对自冲铆接、无铆连接、热熔自攻丝铆接、螺栓连接、拉铆、压铆车身轻量化机械连接技术进行了总结分析,详细阐述了各个工艺的工艺原理、工艺特点、质量控制方法和创新工艺方案。

整车耐撞自冲铆连接仿真失效参数求解方法研究

研究提出了一种基于Ls-dyna软件的自冲铆连接整车耐撞仿真方法,结合不同受力状态下的试验及有限元分析,求解不同受力状态下的自冲铆连接的失效参数,从而在保证仿真精度的同时提升仿真计算效率。在基于试验设计的基础上,首先建立了铆接接头的精细仿真模型,并利用*CONSTRAINED_SPR2建立了简化的仿真模型,以试验与精细仿真结果的提取值作为简化参数输入,可极大提高整车耐撞模型的运算速度。该方法通过与试验结果标定分析,可实现自冲铆连接失效力峰值仿真精度达90%以上,可应用于整车级耐撞分析。

连接方式对HC420/780DP-AA6063接头剪切拉伸性能的影响

通过剪切拉伸试验研究了HC420/780DP钢与AA6063挤压铝合金胶接、自冲铆接、螺栓连接、胶铆连接及胶螺连接接头的剪切拉伸性能,结果表明:自冲铆接和螺栓连接会破坏板材的完整性,剪切拉伸过程中铆钉或螺栓与板材接触位置发生应力集中,导致裂纹萌生、扩展,最终铆钉拉脱或AA6063挤压铝合金撕裂;结构胶增大了钢/铝接头的受力面积,剪切拉伸过程中强度较低的AA6063挤压铝合金发生断裂;胶接、胶铆连接、胶螺连接接头最大剪切载荷基本一致,但胶铆连接、胶螺连接接头吸收的能量与胶接接头相比分别增大了11.8%和8%;当钢/铝接头处于仅受剪切拉伸载荷的服役环境时,可考虑单独使用结构胶进行连接,无需额外使用自冲铆接或螺栓连接。

铆钉高度对胶铆复合连接接头性能的影响

以1mm厚的DC04钢板与2mm厚的5052铝合金板为铆接对象,在两板之间添加厚度为0.1mm、0.2mm、0.3mm的结构胶,并分别用4mm、5mm和6mm高的铆钉制备自冲铆接接头。通过拉伸剪切试验分析失效形式、观察不同接头的截面成形,并通过电化学腐蚀试验研究添加结构胶对接头的耐蚀性影响。结果表明:铆钉高度一定时,胶厚为0.1mm的接头拉剪强度最大,胶厚的增加会减小接头的内锁值。不同高度的铆钉会造成接头不同的失效形式,4mm高的铆钉接头的主要失效形式为胶层失效后上下板分离;5mm高的铆钉接头失效形式是铆钉脱离下板失效;6mm高的铆钉失效形式为上板撕裂,铆钉脱离上板失效。添加结构胶可以提高接头的耐蚀性,且随着胶厚的增加,耐蚀性也随之增加。

凹模对钢/铝自冲铆接成形及组织的影响

以厚度为1 mm的DC04钢板和2 mm的AA6061-T6铝合金为铆接对象,通过有限元模拟、静力学测试、金相、扫描电镜、硬度测试等方法研究了3种凹模对钢/铝自冲铆接接头力学性能和组织性能的影响。结果表明:3种凹模铆接试样的等效应力和等效塑性应变发生的位置大致相同;凸台凹模铆接试样的头部高度、最小底部厚度、内锁值分别为0.18 mm、0.59 mm、1.09 mm,与模拟准确度一致;3种凹模由拉伸试验测得的最大载荷力分别为2.89 kN、3.14 kN、3.37 kN,凸台凹模铆接试样拥有更高的强度和承载能力;凹模铆接接头宏观失效形式为上基板撕裂失效,凸台凹模接头处的硬度值略高于母材本身的硬度,在铆钉管脚处更加明显。

基于深度学习的自冲铆接偏铆缺陷检测算法研究

自冲铆接技术适合铝钢等异种材料连接,接头性能可靠,在航空工业中有着广阔的应用场景,但目前针对自冲铆接缺陷无损检测的相关研究较少。提出了基于深度学习的自冲铆接偏铆缺陷检测算法,首先通过剪切力学性能试验得出偏铆自冲铆接件相较于正常铆接件力学性能下降了5.6%;然后通过自冲铆接偏铆件外部形貌特征将偏铆程度由外部特征定义在0~10的区间;最后探究了单步检测同双步检测间的检测效果差异,提出了YOLOv5s(You Only Look Once v5s)加ResNet18的检测方案,并通过Grad-CAM(Gradient-Weighted Class Activation Mapping)对不同检测方案的效果差异进行了可视化的解释。测试表明,提出的YOLOv5s加ResNet18的检测方案在所采集的数据测试集中可以达到100%正确率,高于仅用YOLOv5s取得的95.18%正确率,远高于仅用ResNet18取得的84.1%正确率。

铆钉硬度对铝合金/钢自冲铆接头特征参量与性能的影响

采用不同硬度的铆钉(H1-42 HRC,H2-36 HRC和H3-33 HRC)及不同的铆接力对A5052铝合金与Q235低碳钢进行了自冲铆连接,测量了接头横断面上的各特征参量,并分析了其与铆钉硬度和铆接力的关系。研究了铆钉硬度和铆接力对接头抗剪载荷与十字抗拉载荷的影响。结果表明:随铆接力的增大,H1接头抗剪载荷逐渐增大,H2与H3接头抗剪载荷呈先增大后降低的变化趋势。当铆接力为24 kN时,H2和H3接头的抗剪载荷达到最大值,分别为6.29和5.75 kN。以接头的抗剪载荷与十字抗拉载荷为评价指标,铝合金与低碳钢自冲铆连接时采用H2铆钉(36 HRC)较合适。

钛/低碳钢的自冲铆-电阻点焊复合连接工艺研究

以钛为上板、低碳钢为下板,分别采用自冲铆、自冲铆-电阻点焊复合工艺对其进行连接,对比分析了两类接头的主要几何特征参量和抗剪性能。结果表明:自冲铆+电阻点焊复合连接接头的残余底厚和钉脚张开度比自冲铆接头的大,尤其在采用较大电流的焊接情况下。与钛/低碳钢自冲铆接头相比,焊接电流为6~10 kA获得的自冲铆+电阻点焊复合连接接头的抗剪载荷较大,最大值达到6.71 kN,提高了约56%。

考虑铆钉位置不确定性的异种轻质金属铆接接头疲劳寿命优化

针对铆钉位置坐标对铆接接头疲劳寿命的影响问题,采用单行替换法来实现了铆接接头的寿命优化。首先,对铝合金自冲铆接接头进行单调拉伸和疲劳试验研究,通过试验数据拟合获得S-N曲线。然后,建立自冲铆接结构的有限元模型,通过Abaqus进行循环载荷作用下的铆接接头力学分析,研究了铆接点位置对铆接接头力学性能的影响。最后,将铆接点的坐标作为设计变量,铆接结构疲劳寿命为优化目标,基于单行替换法进行全局寻优,获得了铆接接头最大疲劳寿命时的位置坐标,为技术人员开展铆接接头设计提供了参考依据。

镁/钢异种板自冲铆连接及耐腐蚀性能研究

现有的镁/钢件连接技术尚不能完全满足实际应用的技术要求,压铆、锤铆和旋转半空心铆钉自冲铆接技术(SPR)等容易使镁合金件产生开裂;电阻点焊和搅拌摩擦焊等技术连接强度太低,达不到连接强度要求;螺栓连接和拉铆必须预先打孔,存在操作和装配不方便等问题。研发了一种爆炸驱动的超高速自冲铆接用铆枪和铆接新工艺,铆钉从射钉器的射击口射出的速度大于152m/s,从而实现镁合金板与钢板的实心铆钉自冲铆接,避免镁合金板的开裂,使镁/钢牢固连接,拉剪力F_(m)≈5273.1N。采用此技术铆接的镁/钢板材试样用密封胶对铆钉及连接搭接部位缝隙进行密封后,耐腐蚀实验(GB/T6461-2002)研究表明,中性盐雾测试结果可达1500小时10级,即试样完好,无腐蚀破坏发生。

粘接剂对盐性环境下自冲铆接头耐久性的影响

制备了多组自冲铆接头及粘接-自冲铆复合接头(粘-铆复合接头),以0.6 mol·L^(-1)的NaCl溶液作为腐蚀液,进行了周期浸没加速腐蚀试验。通过腐蚀动力学、静力学测试及扫描电子显微镜对比分析了腐蚀环境下各组接头的力学性能和失效机理。结果表明,通过平底凹模制备的同种材料接头的耐腐蚀性更优。对于采用凸台凹模制备的接头,粘接剂的使用可减缓同种材料接头腐蚀速率、加剧异种材料接头的腐蚀速率。在腐蚀后的接头搭接区域观察到乳白色薄层和暗红色铁锈,该区域为主要腐蚀部位。异种材料接头搭接区域较同种材料接头的腐蚀程度更为严重。短时腐蚀可提高自冲铆接头强度,但随腐蚀时间的增加,接头强度呈下降趋势。腐蚀环境对异种材料接头影响更为显著。粘接剂的存在减缓了异种材料接头的腐蚀效应。接头断口形貌表明异种材料接头电化学反应剧烈,腐蚀液通过缝隙渗入接头内部,互锁结构被腐蚀。下板铆扣区域底部脱落由该区域早期产生的裂纹所致。异种材料接头生成的腐蚀产物表面疏松,利于Cl元素的渗透。

基于响应面法的自冲铆-粘接复合接头强度预测

为建立可快速预测铆接参数对自冲铆-粘接复合接头力学性能影响的模型,基于响应面法对AA5182、AA5052和AL1420三种铝合金板材开展了自冲铆-粘接复合连接工艺实验研究。以板材硬度、胶层厚度及刺穿压强为自变量,失效载荷值和能量吸收值为响应值,建立各因素与优化目标的响应面回归模型,并通过实验验证模型的可靠性。研究结果表明:该回归模型预测结果值与实验结果误差小于10%,即模型显著性较高,可用来预测自冲铆-粘接复合接头的静力学性能。在单因素作用下,失效载荷值受各因素影响顺序为:板材硬度>刺穿压强>胶层厚度,各因素对能量吸收值影响情况为:板材硬度>胶层厚度>刺穿压强。板材硬度对失效载荷值与能量吸收值的影响最为显著,并且随板材硬度的增加,两者皆呈先增加后减小的变化趋势。在交互作用下,板材硬度和胶层厚度对失效载荷值影响最大,刺穿压强与胶层厚度对能量吸收值影响最显著。通过对模型预测结果分析可得:在确保接头质量的情况下,适当增大刺穿压强可有效提高接头能量吸收值。使用粘接剂时,胶层厚度须控制在0.5~0.9 mm才能与其余两因素相互配合,达到最好的铆接效果。