SPR自冲铆接技术研究现状及应用前景

SPR(Self-Piercing Riveting)自冲铆接技术作为一种新型连接工艺,广泛应用于汽车车身制造中。阐明SPR工艺研究的难点和铆接的变形过程,归纳总结国内外关于SPR的相关研究现状,探讨接头质量的评价指标及方法,探究未来SPR工艺研究的方向和研究重点,并列举SPR工艺在汽车工业与其他领域中的应用。

铆速对SPR自冲铆接接头成形性能的影响

针对低碳钢340和铝合金6000的异种金属SPR自冲铆接接头,利用板材-铆钉-设备的设计思路,计算并选择合适的铆钉和铆接设备。采用五种不同的铆接速度进行该种接头的自冲铆接试验。观察各铆速下接头的截面成形形貌,并测得铆速增大时,接头底切量增大,底部厚度和剩余厚度均减小。通过测试接头的拉剪强度、脱落强度,发现两者均随铆速的增大而增大,且脱落强度增幅较小。接头失效形式主要为自锁失效和板材失效两种。铆速对接头成形性能的影响机理,主要由冲压载荷峰值变化和应变速率变化两方面组成。载荷峰值越大,接头成形性越好;应变速率越大,板材加工硬化程度越高且断裂应力越大。

DP590/AA6111钢铝FDS与SPR接头强度试验及仿真

为对比FDS、SPR接头的力学性能并考察SPR2约束单元模型模拟FDS接头力学行为的适用性,对DP590/AA6111搭接组合下FDS、SPR接头进行多种加载工况下的力学试验。通过十字拉伸、十字剪切、十字拉剪、短搭接拉伸试验对比分析两种接头的失效模式、强度和吸能特性;基于LS-DYNA软件中接头简化力学模型SPR2,对接头强度进行仿真分析;用LS-OPT优化软件识别SPR2模型参数,并通过短搭接拉伸仿真进行验证。结果表明:在各加载工况下,FDS、SPR接头的失效模式主要为下板螺纹失效、下板铆钉脱铆;FDS接头的承载性能为SPR接头的1.1~1.3倍;FDS接头的吸能性能为SPR接头的1.6~2.6倍;SPR2模型无法准确描述接头达到极限承载点后的阶梯状失效行为。

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。

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.

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%。

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。

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。

铝、钛同质薄板冷连接工艺及接头力学性能研究

冷连接技术是一种绿色、新型和高效的机械连接技术,可实现轻型合金的有效连接,在汽车和航空领域有极大的应用前景。本文对几种典型的冷连接工艺接头的力学性能和失效机理进行了对比研究,对采用自冲铆接、拉铆连接和无铆连接三种工艺制备的各组接头进行搭接剪切试验,研究了不同搭接工艺和不同搭接材料对接头失效形式和力学性能的影响,并对这三种连接方式进行适用性分析。结果表明:自冲铆接、拉铆连接、无铆连接都可以实现5A06铝合金和TA1钛合金的有效连接,其中自冲铆接具有最强的力学性能和能量吸收,拉铆接头次之,无铆接头最差;TA1-TA1接头的力学性能均高于5A06-5A06接头;改变其连接方式和连接材料均可有效提升接头的力学性能;接头的主要失效原因均为破坏了接头的机械互锁结构。

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。

低温环境下超声自冲铆接头力学性能

作为一种新型的机械连接技术,自冲铆接技术已广泛应用于车身制造中。该文选用5A06铝合金作为试验板材,使用自冲铆接工艺与超声焊接工艺制备自冲铆接头与超声自冲铆接头,通过常温拉伸与低温拉伸方法探究超声振动对自冲铆接头力学性能的影响。结果表明:超声金属焊接能够有效地提升自冲铆接头在常温与低温环境下的力学性能;低温下超声自冲铆接头脆性增加,一定程度上降低了接头的稳定性,出现了多种失效形式;低温下自冲铆接头与超声自冲铆接头断口呈脆性断裂形貌;在超声自冲铆接头内部观察到超声固相焊痕,接头内部出现了冶金连接。以上结果说明超声金属焊接有效提升了自冲铆接头的抗低温性能。

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。

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。

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。

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。

基于试验的自冲铆接头失效机理分析

通过试验对比分析了自冲铆接头在静态力学性能测试和疲劳试验中的拉伸剪切和剥离失效机理。结果表明:母材强度和厚度、内锁长度、母材与铆钉之间的接触摩擦系数决定着自冲铆接头的静载强度和失效形式;板材轧制方向、材料缺陷、铆接成形残余应力以及接触界面摩擦系数是影响自冲铆接头疲劳寿命和疲劳失效的主要因素。

基于正交试验的铝合金——高强钢异种金属自冲铆接工艺优化

以铝合金AA6061-T6和双相钢DP590为研究对象,通过正交试验方法研究了铆钉长度、凹模中部直径和凹模凸台高度对铝合金-高强钢自冲铆接接头成形规律、接头几何特征量、拉剪强度以及失效模式的影响规律,分析了影响自冲铆接接头强度的关键因素以及在2mm AA6061-T6+1.2mm DP590组合下的最优工艺参数组合,可为自冲铆接工艺优化提供有益的借鉴。