铝钛异种板材超声无铆接头力学行为及失效机理_王世成.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023铝钛异种板材超声无铆接头力学行为及失效机理王世成1,2,李激光1,赵 伦2,郭子鑫1,2,霍小乐2,梁召峰2,周光平2,Md Shafiqul Islam3(1.辽宁科技大学 材料与冶金学院,辽宁 鞍山 114051;2.深圳职业技术学院 智能制造技术研究院,广东 深圳 518055;3.瑞典布京理工大学 工程学院 机械工程系,瑞典 卡尔斯克鲁纳 37179)摘要:为提升无铆接头的静力学性能,采用了一种超声金属焊与无铆连接复合工艺。以 5A06 铝合金与 TA1 钛合金为基板,采用无铆连接工艺实现铝钛异种板材的连接并进行超声焊处理,通过拉伸-剪切实验和微观组织观察,探究了超声焊对异种板材无铆接头力学性能的影响。结果表明:超声焊可提升无铆接头的成形质量和静力学性能,尤其铝板为上板时。超声无铆复合工艺强化的根本机制是接头内部存在固相焊,从而使受力形式发生改变,从接头颈部受力变为先焊合区受力。超声焊处理提升了铝合金板的塑性,而钛合金板无明显变化。关键词:超声金属焊;无铆连接;异种合金;力学行为;微观组织DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.006中图分类号:TH131.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0035-08Mechanical behaviors and failure mechanism of ultrasonic rivetless joint for Al-Ti dissimilar plate Wang Shicheng1,2,Li Jiguang1,Zhao Lun2,Guo Zixin1,2,Huo Xiaole2,Liang Zhaofeng2,Zhou Guangping2,Md Shafiqul Islam3(1.Faculty of Materials and Metallurgy,University of Science and Technology Liaoning,Anshan 114051,China;2.Institute of Intelligent Manufacturing Technology,Shenzhen Polytechnic,Shenzhen 518055,China;3.Department of Mechanical Engineering,Faculty of Engineering,Blekinge Institute of Technology,Karlskrona 37179,Sweden)Abstract:To enhance the static mechanical properties of rivetless joint,a composite process of ultrasonic metal welding and rivetless con-nection was used.Then,taking 5A06 aluminum and TA1 titanium alloy as the substrates,the connection of Al-Ti dissimilar plates was conducted by rivetless connection,and the ultrasonic welding treatment was performed.Furthermore,the influences of ultrasonic welding on the static mechanical properties of rivetless joints for Al-Ti dissimilar plates were explored by tensile-shear test and microstructure ob-servation.The results show that the ultrasonic welding can improve the forming quality and static mechanical properties of rivetless joint,especially when the aluminum plate is the upper plate.The fundamental mechanism of ultrasonic and rivetless composite process strengthe-ning is the presence of solid-phase welding inside the joint,which leads to the change of stress,from the stress on the neck of joint to the stress on the welded area.Ultrasonic welding improves the plasticity of aluminum alloy plate,while the titanium alloy plate has no obvious change.Key words:ultrasonic metal welding;rivetless connection;dissimilar alloy;mechanical behaviors;microstructure收稿日期:2022-07-25;修订日期:2022-10-27基金项目:国家自然科学基金资助项目(12104324);深职院博士后启动基金(6022310046K)作者简介:王世成(1998-),男,硕士研究生E-mail:shichengwang98 通信作者:赵 伦(1988-),男,博士,副研究员E-mail:zhaolun 随着航空工业的不断发展,以铝、镁、钛及其合金为主的轻合金被大量应用于飞机减重。与镁合金相比,铝合金、钛合金凭借其优秀的抗腐蚀性能和抗蠕变性能,被广泛应用于航空航天与军工领域1。目前,国内外已有许多用于连接这些轻合金的新技术,如点焊、自冲铆接和粘接2,但这些连接方法也存在各自的不足之处,如点焊对板材的表面质量要求高、连接过程发热、可能存在焊接缺陷等,且不适合连接熔点不同的材料3。自冲铆接的铆钉会刺穿上、下板,影响材料的密封与防腐性能。同时自冲铆接需要额外的铆钉,增加了成本和重量 4。与以上这些连接方法相比,无铆铆接不需要额外材料即可以实现板材的连接,这大大提高了飞机的轻量化程度 5,同时,无铆铆接还具有提高产品疲劳性能、易于自动化生产、能连接多个相似或不同板材和不破坏连接件表面等优点6。为提高接头质量,国内外的学者进行了各种研究。Zhang X G 等7尝试使用阶梯冲头进行无铆铆接,结果发现使用阶梯冲头可以增加无铆接头的颈部厚度,新接头的拉伸强度与剪切强度分别提升了26.1%和 59.2%。Ren X Q 等8研究了摩擦因数对5182 铝合金板无铆连接的影响,发现板材间的摩擦因数对材料的流动有显著影响,摩擦因数的增加会导致接头颈厚值的减小和互锁量的增加。Peng H等9设计了二冲程压扁铆接法,使接头吸收的能量提高了 82%。Sabra A M K 等10分析了不同回火条件下 7075 铝合金板材的铆接性能,发现 T6 回火状图 1 无铆连接与超声焊处理流程(a)无铆连接设备(b)超声焊接设备示意图(c)试件几何尺寸Fig.1 Treatment process for rivetless connection and ultrasonic welding(a)Rivetless connection equipment(b)Schematic diagram of ultrasonic welding equipment(c)Geometry sizes of specimen态下(未进行退火处理,合金的极限强度较高,为695 MPa)的 7075 铝合金无铆铆接性能较差。杨程等11对钢铝无铆连接的疲劳寿命进行了分析,对比得知剪切工况下接头的疲劳寿命最长。李奇涵等12使用 Kriging 模型优化了无铆铆接的结构工艺参数,使最大抗拉力提高了 9.4%,最大剪切力提高了26.4%。韩善灵等13研究了成形速度及温度对无铆连接的影响,研究表明 300 下接头的嵌入量随着冲头速度的提高而增大,接头强度显著提高。以上研究从不同角度探究了无铆接头的力学性能并进行了优化,但针对超声金属焊接对无铆接头性能影响的相关研究,国内外尚未见报道。本文提出采用超声焊对已成形的 5A06 铝合金与 TA1 钛合金异种板材无铆接头进行复合处理,进而提高无铆接头的力学性能,为无铆铆接工艺的强化处理提供参考。1 材料选择与实验流程实验选用 5A06 铝合金与 TA1 钛合金板材,工件尺寸均为 110 mm20 mm1.5 mm,材料力学性能如表 1 所示,其数据在 MTS(CMT4304)万能实验机上使用引伸计(20 mm 标距)测试得到。表 1 TA1 钛合金及 5A06 铝合金板材的力学性能Table 1 Mechanical properties of TA1 titanium alloy and 5A06 aluminum alloy plates材料弹性模量/GPa抗拉强度/MPa屈服强度/MPaTA1 钛合金963533165A06 铝合金80256223 无铆连接与超声焊处理流程如图 1 所示。采用深圳一浦莱斯有限公司生产的无铆铆接设备 P50 S进行无铆连接实验,试样设计和铆接过程参照GB/T 2649198914中焊接接头力学性能实验的取63锻压技术 第 48 卷样方法,并通过载荷-行程曲线在线监控铆接质量。铆接成形后采用线切割横向切开接头,再通过光学显微镜检查接头截面,并对接头互锁量、颈后值、底部厚度进行测量以评定接头质量。共制备异种自冲铆接接头试样 CAT(5A06-TA1)和 CTA(TA1-5A06)各 20 个,其中每种试样各取 10 个用于超声焊复合连接,超声焊后的接头试样分别命名为 UC-AT 与 UCTA。超声焊采用广州新栋力公司生产的 NP-C-15-6800VA 型超声波焊接机进行。经过前期的反复实验确定了超声焊接参数为:焊接能转化器频率为 20 kHz,超声波发生器输出功率为 2200 W,焊接电流为 22 A,振幅为 70%,时间为 8 s,焊接压力为 40 N,焊接过程中焊接机的焊接压力与保持时间均不变。焊接开始前会对焊接工具头进行校核处理,校核合格后再进行焊接。上述各组接头的拉伸-剪切实验在美国 MTS(CMT4304 型)微机控制万能实验机上进行,无铆铆接接头和超声焊复合接头各 2 组,每组 10 个,设定拉伸速率为 5 mmmin-1以保证静力学接头的静力学性能的稳定。为减小试样受力不对中造成的实验误差,分别在试样两端加装 20 mm 25 mm 1.5 mm 的板状 5A06 铝合金垫片。2 实验结果与分析2.1 接头成形质量为了研究超声焊处理对无铆铆接接头性能的影响,使用线切割横向切开接头,并在光学显微镜下观察接头截面的成形质量,各接头横截面如图 2 所示。由图 2 可知,各接头虚线两侧的对称性良好,CAT 和UCAT 接头的成形质量良好,但 CTA 和 UCTA 接头的上板颈部出现了环绕一周的裂纹(图 2c 和图 2d 中圆圈所示)。为了更直观地说明各接头的成形质量,现将各接头的颈厚值 Tn、互锁量 Tu、底部厚度 X 列于图3。图2 无铆接头的典型截面(a)CAT 接头(b)UCAT 接头(c)CTA 接头(d)UCTA 接头Fig.2 Typical sections of rivetless joints(a)CAT joint(b)UCAT joint(c)CTA joint(d)UCTA joint 对比铝钛与钛铝无铆接头可发现:CAT 与 UC-AT 接头中出现了缝隙,互锁量较小;CTA 与 UCTA接头内侧出现了环绕裂纹,互锁量较大。产生缝隙是由于无铆铆接过程并非完全的塑性变形过程,还存在弹性变形,当撤去外力后,材料变形中的弹性变形部分会逐渐恢复6,使接头的形状与尺寸发生73第 6 期王世成等:铝钛异种板材超声无铆接头力学行为及失效机理 图 3 各接头典型参数统计Fig.3 Statistics of typical parameters for various joints变化,铝合金上板在冲头撤去后,下表面发生了回弹,产生了接头缝隙。CTA 和 UCTA 接头处的裂纹是由于接头内侧存在应力集中,根据文献 15 的有限元模拟结果可知,在无铆铆接过程中,板材与冲头接触的位置在变形过程中会产生应力集中,这是因为在下板与凹模接触前,上板与冲头接触处沿凸模方向的变形几乎全部为剪切变形,在强剪切作用力下,接头颈部内侧极易出现裂纹。对比超声焊处 理前后的接头可以发现,超声焊处理后,接头的颈厚值与底部厚度值有所提升,互锁量有轻微下降,接头成形质量得到了改善。超声焊处理时,必须施加一定的压力,这使接头镦粗、颈厚增加,同时钛铝接头裂纹也得到了压合。此外,超声焊会产生高频振动从而加剧了金属的回弹,使铝钛接头底部出现缝隙,底部厚度增加。铝合金在超声焊处理前后均未出现任何裂痕,证明 5A06 铝合金比 TA1钛合金更适合无铆铆接。2.2 接头力学性能图 4 为拉伸-剪切实验结果,由图 4 可知,两组接头在经过超声焊处理后,其峰值载荷与失效位移均有不同程度的提升,特别是 UCAT 接头,其峰值载荷与失效位移得到了大幅度提升。同时,两组接头载荷曲线与坐标轴围成的面积增大,曲线顶部更加圆滑,这代表接头吸收能量与抵抗冲击载荷的能力得到了显著增强,证明了超声焊处理有利于提高无铆接头的力学性能。但从整体来看,超声焊处理后的各组接头曲线更加分散,这可能是由于超声焊处理时产生的温升影响了各接头的稳定性。图 4 无铆接头的拉伸-剪切实验曲线(a)铝钛接头(b)钛铝接头Fig.4 Tensile-shear test curves for rivetless joints(a)Aluminum-titanium joints(b)Titanium-aluminum joints 图 5 为通过载荷-位移曲线计算所得的接头力学性能指标,由图 5 可知,经过超声焊处理后两组接头的力学性能均有提升,其中 UCAT 接头的综合力学性能提升最为显著,重点关注的 3 项力学性能指标均有大幅度提升。与 CAT 接头相比,UCAT 接头的峰值载荷均值提高了 180.90%,失效位移均值提高了 196.61%,吸收能量均值提高了 821.21%。同时,UCTA 接头也有明显的性能提升,UCTA 接头的峰值载荷均值提高了 6.037%,失效位移均值提高了 62.340%,吸收能量均值提高了 81.580%。这表明超声焊在强化异种金属时,对铝为上板的接头的力学性能提升幅度更大。2.3 接头失效形式对无铆铆接的接头失效形式进行分析,有助于找到失效的根本原因,并对失效形式进行优化,提出预防失效的措施。4 组接头的典型失效形式如图 6所示。未经过超声焊处理的接头失效形式主要由接头成形质量和板材力学性能决定。所有的 CAT 与 CTA接头均为颈部断裂失效,未出现接头脱出失效和板83锻压技术 第 48 卷图 5 无铆接头的力学性能(a)峰值载荷均值(b)失效位移均值(c)吸收能量均值Fig.5 Mechanical properties for rivetless joints(a)Average values of peak load(b)Average values of failure displacement(c)Average values of energy absorption 图 6 无铆接头典型失效形式(a)CAT 接头(b)UCAT 接头(c)CTA 接头(d)UCTA 接头Fig.6 Typical failure modes for rivetless joints(a)CAT joints(b)UCAT joints(c)CTA joints(d)UCTA joints93第 6 期王世成等:铝钛异种板材超声无铆接头力学行为及失效机理 材断裂失效,同时 CAT 接头板材均保持平整,部分CTA 接头上板出现了小幅度翘曲,大部分板材保持平整。这说明在本次实验中,接头的颈厚值是影响无铆接头质量的主要因素。对于超声焊处理后的接头,UCTA 接头均为颈部断裂失效,此外还出现了少量上板断裂失效。在未断裂的板材中,UCAT 接头的上板接头处发生了大幅度的翘曲,UCTA 接头上、下板接头处均发生了一定幅度的翘曲。板材变形及断裂说明经超声焊处理后,接头的受力发生了改变,接头在无铆铆接点的周围区域得到了超声焊合,形成了固相焊,拉伸时不再为颈部直接受力,而是焊合区先受力、颈部再受力,这使得接头的抗拉强度和破坏位移提高,接头抵抗剪切拉伸变形的能力得到了增强。同时,UCAT 接头的超声焊迹相较 UCTA 接头更加明显,结合接头力学性能指标以及板材的变形情况来看,UCAT 接头超声焊的强化效果比 UCTA 接头的更好,因为在进行超声焊处理时,超声焊接工具头是与接头上板直接接触,当铝合金作为接头上板时,铝合金发生塑性变形与工具头贴合更紧密,减少了超声波能量的损失,更好地发挥了超声焊的连接作用。2.4 微观组织为更详细地对断口形貌进行观察,进一步分析接头失效形式,选取了各组接头的颈部断口与超声焊痕进行了 SEM 分析,如图 7 和图 8 所示。由图 6可知,CAT 和 CTA 接头表面未出现明显的焊痕,实验前记号笔标记清晰可见,而 UCAT 和 UCTA 接头有明显的焊痕,故对其进行观察。图 7 为拉伸-剪切实验后在接头上板残留的超声焊痕迹,对比发现,UCAT 接头的铝合金上板表面出现了较为明显的焊接分区,图 7a 中靠近接头部分存在成片完整的焊痕,而远离接头处的焊痕呈较浅的片层状,如图 7a中圆圈所示,并且这两片区域之间存在明显的分界线,如图 7a 中白线所示。可以推断出,超声焊的效果受无铆铆接的影响,靠近铆接接头处的板材在接头压力的作用下,压合更加紧密,超声焊效果更好。图 7b 中 UCTA 接头附近并未发现和 UCAT 接头一样的大片焊痕,板材表面留下的分散的片层状焊痕也较 UCAT 浅,但能够发现 UCTA 接头板材表面存在析出物粒子,如图 7b 所示,可能为钛铝化合物或其氧化物。结合图 6 焊痕可知,UCAT 接头的超声固相焊较深,板材之间产生了紧密的结合,而 UCTA 接头的固相焊程度较浅,仅停留在试样表面。虽然无铆连接使试样之间更加紧密的压合,但钛合金无法紧贴超声焊工具头,在焊接过程中发生了打滑,损失了部分超声能量,焊接效果不佳。图 7 超声焊痕区的微观组织(a)UCAT 接头(b)UCTA 接头Fig.7 Microstructures of ultrasonic welding scar area(a)UCAT joint(b)UCTA joint 图 8 为不同接头的上板颈部断口形貌,首先对CAT 及 UCAT 接头进行观察,可以发现超声焊处理后韧窝尺寸和深度明显增大。韧窝尺寸主要受第二相粒子的尺寸、形状及分布、材料本身塑性、变形硬化指数、外加应力和温度等影响。一般情况下,第二相粒子的尺寸与分布对韧窝的尺寸影响较为明显,较大的韧窝里往往有着较大的第二相粒子,但本实验使用的为同一批 5A06 铝合金板,第二相粒子的大小与分布一致,且拉伸-剪切实验时的拉伸速度、温度相同,所以,这表明韧窝大小的变化与材料本身的相对塑性及变形硬化指数有关。材料的变形硬化指数越大,越难以发生内颈缩,会产生更多的显微空洞或通过剪切断裂而连接,这就会导致韧窝变浅变小,即韧窝尺寸越大,材料的塑性越好,04锻压技术 第 48 卷图 8 颈部断口的微观组织(a)CAT 接头(b)UCAT 接头(c)CTA 接头(d)UCTA 接头Fig.8 Microstructures of fracture area in neck(a)CAT joint(b)UCAT joint(c)CTA joint(d)UCTA joint局部抗失稳能力越强。结合 2.2 节中接头的力学性能测试结果来看,UCAT 接头的吸收能量值和失效位移均有显著提升,可以得出结论,铝合金为上板时,超声焊处理使 5A06 铝合金接头的塑韧性得到了提升,接头得到了强化;而 CTA 接头与 UCTA 接头相比,其韧窝大小并封锁明显变化,超声焊处理对接头的塑性并未产生较大的影响。3 结论(1)超声焊处理可通过提高接头的颈厚值与底部厚度来提升接头质量,钛铝异种接头内部裂纹在超声焊作用下得到了明显改善,接头的内锁值仅有小幅度下降。(2)超声焊处理可提升无铆接头的静力学性能,尤其当铝板作为上板时,接头拉伸-剪切实验的峰值载荷均值提高了 180.9%,吸收能量均值提高了821.21%;而当钛板作为上板时,接头的峰值载荷均值仅提高了 6.037%,吸收能量均值提高了 81.58%。(3)无铆铆接的板间缝隙与环绕裂纹缺陷是由于上板回弹变形与剪切应力集中造成的;超声焊强化的根本机制为接头内部存在固相焊,从而导致受力形式发生改变,从单纯的接头颈部受力变为先焊合区受力。颈部断口的微观组织显示,超声焊处理使铝合金板的塑性得到了提升,而钛合金板并无明显变化。参考文献:1 潘复生,张津,张喜燕,轻合金材料新技术 M.北京:化学工业出版社,2008.Pan F S,Zhang J,Zhang X Y.New Technology of Light Alloy Materials M.Beijing:Chemical Industry Press,2008.(下转第 90 页)14第 6 期王世成等:铝钛异种板材超声无铆接头力学行为及失效机理 7 鲁世红,付婧颐,丁腾飞,等.金属板料数控渐进成形工艺的研究现状 J 锻压技术,2022,47(10):1-11.Lu S H,Fu J Y,Ding T F,et al.Research status of numerical control progressive forming process for sheet metal J.Forging&Stamping Technology,2022,47(10):1-11.8 Ambrogio G,Costantino I,De N L,et al.Influence of some rele-vant process parameters on the dimensional accuracy in incremental forming:A numerical and experimental investigation J.Journal of Materials Processing Technology,2004,153-154(1):501-507.9 Joost D,Yasemin T,Alex S,et al.Experimental study on force measurements for single point incremental forming J.Journal of Materials 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