超声无铆静力学性能强化试验与机制研究.pdf

第 43 卷 第 2 期Vol.43,No.22024 年 3 月Journal of Applied AcousticsMarch,2024 研究报告 超声无铆静力学性能强化试验与机制研究赵 伦1王世成1,2许 龙3李激光2霍小乐1郭子鑫1林 森1曾照海4(1 深圳职业技术学院智能制造技术研究院深圳518055)(2 辽宁科技大学材料与冶金学院鞍山114051)(3 中国计量大学理学院杭州310018)(4 河南天海电器有限公司连接器本部新能源事业部鹤壁458000)摘要：无铆连接是一种薄板材料连接新技术，可在无需预成孔和表面预处理情况下，实现同种、异种、多层薄板材料高效连接，但由于无铆接头静力学性能较低，极大地限制了该连接技术的推广与发展。为解决该问题，该文选用5A06铝合金与TA1钛合金进行同种金属无铆铆接，并在此基础上进行了超声金属焊接复合试验，基于静拉伸测试和扫描电镜分析，探究超声焊对无铆接头力学性能的强化机制。试验结果表明：超声焊可有效提升无铆接头力学性能，特别是对于铝合金无铆接头；超声焊使得铝合金板接头部分塑性提高，钛合金接头部分则得到硬化；超声焊后无铆接头的受力形式发生改变，从颈部受力变为先焊合区受力再颈部受力，这是超声焊复合强化的根本原因；超声焊可使铝合金无铆接头内部形成一定深度的固相焊，使铝合金接头力学性能得到大幅提升；TA1钛合金无铆接头内部固相焊较浅，力学性能提升相对较低。关键词：超声金属焊；无铆连接；力学性能；微观组织；强化机制中图法分类号:V261.2;TH131.9文献标识码:A文章编号:1000-310X(2024)02-0443-07DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2024.02.024Strengthen mechanism of static mechanical properties of ultrasonic clinched jointsZHAO Lun1WANG Shicheng1,2XU Long3LI Jiguang2HUO Xiaole1GUO Zixin1LIN Sen1ZENG Zhaohai4(1 Institute of Intelligent Manufacturing Technology,Shenzhen Polytechnic,Shenzhen 518055,China)(2 Faculty of Materials and Metallurgy,University of Science and Technology Liaoning,Anshan 114051,China)(3 College of Science,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)(4 Henan Tianhai Electric Co.New Energy Division,Connector Department,Hebi 458000,China)Abstract:Clinching is a new technology for thin-plate material connection.It can realize the efficient con-nection of the same,dissimilar and multi-layer thin-plate materials without pre-hole and surface pretreatment.However,due to the low mechanical performance of clinched joints,the promotion and development of thisconnection technology are greatly limited.In order to solve this problem,this paper selects 5A06 aluminumalloy and TA1 titanium alloy for the same metal clinching.On this basis,the ultrasonic metal weldingcomposite experiment was carried out.Based on static tensile test and scanning electron microscope analysis,the strengthening mechanism of ultrasonic welding on the mechanical properties of clinched joints was explored.2022-11-21收稿;2023-03-14定稿国家自然科学基金项目(12104324),深职院博士后启动基金项目(6022310046K)作者简介:赵伦(1988),男,贵州贵阳人,博士,特聘副研究员,研究方向:智能连接新技术。通信作者 E-mail:;4442024 年 3 月The test results show that ultrasonic welding can effectively improve the mechanical properties of clinchedjoints,especially for aluminum alloy riveted joints.Ultrasonic welding improved the plasticity of the aluminumalloy joints,while the titanium alloy joints were hardened.After ultrasonic welding,the stress form of theclinched joint changes,from the stress on the neck to the stress on the welding area first and then on the neck,which is the fundamental reason for the composite strengthening of ultrasonic welding Ultrasonic welding canform a certain depth of solid-phase welding inside the aluminum alloy clinched joint,which greatly improves themechanical properties of the aluminum alloy joint;while the internal solid-phase welding of the TA1 titaniumalloy clinched joint is shallow,and the mechanical properties improvement is relatively low.Keywords:Ultrasonic metal welding;Clinching;Mechanical properties;Microstructure;Strengthen mecha-nism0 引言在全世界节能减排的大背景下，轻量化已经成为新能源汽车发展的趋势。相较钢铁材料，以铝、镁、钛合金为主的轻合金凭借高比刚度、高比强度的优势，成为汽车轻量化的理想材料1。与此同时，轻合金的各种连接方法也被开发出来，例如搅拌摩擦焊、自冲铆接、粘结，但这些方法存在各自的缺点：搅拌摩擦焊的焊接速度相对较低2；自冲铆接会破坏材料表面涂层，钢铆钉连接铝合金板材可能会发生电偶腐蚀3；粘结接头的性能受温度影响大4。与上述方法相比，无铆连接技术具有无需铆钉或焊剂，可连接不同材质、不同板厚的24层塑性板材，不损伤被连接材料表面涂层等优点5。该方法在减轻汽车质量的同时兼顾了绿色环保，受到越来越多汽车制造商的青睐。但无铆连接的静力学性能较差，无法在一些关键部位取代焊接与自冲铆接，为解决此问题，本文将超声金属焊与无铆连接相结合，以增强无铆接头的力学性能。国内外学者对无铆连接开展了大量研究，Abe等6通过优化模具形状控制板材金属流动，减少了无铆连接缺陷的产生。Lee等7使用分析模型预测了无铆接头的强度，提高了接头拉伸强度。Mostafa等8研究了不同热处理状态下7075铝合金的无铆连接性能，发现T6回火状态下的7075铝合金铆接性能较差。李奇涵等9使用Kriging模型优化了无铆连接的结构工艺参数，使最大抗拉力提高了9.4%。黄馨阅10基于遗传算法和正交实验法研究出了金属塑性流动对钢铝无铆接头的影响。陈超等11为降低无铆连接点的凸起高度，提出一种适用于汽车铝合金板材的平压整形无铆连接技术。本文提出采用超声焊和无铆连接进行复合，旨在提升无铆接头的静力学性能，为无铆连接工艺的强化处理提出参考。1材料选择与试验流程本文以5A06铝合金与TA1钛合金板材作为无铆连接研究对象，板材尺寸为110 mm 20 mm 1.5 mm，材料力学性能见表1。表1材料力学性能Table 1 Mechanical properties of materials材料弹性模量/GPa抗拉强度/MPa屈服强度/MPa延伸率/%TA196353316495A068025622312试验选用深圳一浦莱斯有限公司生产P50 S型无铆连接设备，试样设计、铆接过程参照焊接标准(GB-2649)，通过载荷-行程曲线在线监控铆接质量，铆接成型后横向切开接头，对接头互锁量、颈后值、底厚值进行观察来评定接头质量。共计制备无铆接头CA(5A06-5A06)与CT(TA1-TA1)各4个，经过超声焊接参数优化，得到每组10个超声无铆复合接头。超声无铆复合接头命名为UCA(5A06-5A06)与UCT(TA1-TA1)，超声金属焊接设备采用广州新栋力公司生产的NP-C-15-6800VA 型超声焊机。经多次反复试验获得优化超声焊接参数：超声换能器频率为20 kHz，超声波发生器输出功率在2200 W，焊接电流在22 A，振幅为70%，时间为8 s，焊接压力40 N，焊接过程中焊接机的焊接压力与保持时间都不变。铆接、超声焊设备及试样尺寸如图1所示，制备的无铆接头及超声无铆接头如图2所示。第43卷 第2期赵伦等：超声无铆静力学性能强化试验与机制研究445(a)?(b)?(c)?(mm)251.51.52020110?图1超声无铆连接流程Fig.1 Ultrasonic clinching process(a)CA?(b)CT?(c)UCA?(d)UCT?图2无铆和超声无铆接头示意图Fig.2 Schematic diagram of clinched and ultra-sonic clinched joints静拉伸试验在美国MTS(CMT4304型)微机控制万能试验机上进行，无铆连接与超声无铆复合接头各2 组，每组1个接头，设定拉伸速率为5 mm/min以保证接头静力学性能的稳定。为减小试件受力不对中造成的试验误差，分别在试件两端加装20 mm 25 mm 1.5 mm的板状垫片。2试验结果与分析2.1接头成形质量为观察超声焊前后接头质量，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。如图3(a)(d)所示，各接头对称性良好，上下板紧密结合，没有较大缝隙，其中CT接头颈部出现了小的开裂，UCA接头颈部出现了极细的环绕裂纹。为了更直观对比说明各接头质量情况，图3(e)给出了各接头的颈厚值Tn、互锁量Tu、底部厚度X。Tn=0.30 mmTu=0.69 mmX=0.57 mmTn=0.49 mmTu=0.37 mmX=1.06 mmX=0.55 mmTn=0.32 mmTu=0.71 mmX=0.98 mmTu=0.37 mmTn=0.53 mm0.30.320.490.530.30.320.490.530.30.320.490.53CA?(c)CT?(d)UCT?(e)?(a)CA?(b)UCA?UCA?CT?UCT?0.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1?/mm?Tn?Tu?X图3接头典型横截面和参数对比Fig.3 Parameters comparison and typical cross-sections and of the joints4462024 年 3 月由图3可知，在超声焊处理前，CT接头出现了较小的缝隙与裂纹，而CA接头成型质量良好，没有缝隙与开裂，两种接头都形成了合格的互锁，CA接头互锁量比CT接头大，而颈厚、底厚值比CT接头小。UCT接头质量良好，UCA接头则出现了一圈极细的颈部裂纹。CT裂纹产生的原因是：无铆连接过程中，板材与冲头接触位置存在应力集中12，因为在接头下板与底模接触并发生塑性变形前，上板已经随冲头发生剪切变形，导致上板颈部内侧存在强剪切应力，极易出现裂纹。而UCA 接头中的裂纹可能是由于超声焊过程中的高频振动使颈部应力得到释放。对比超声焊前后的接头，颈厚值与互锁量有所提升，底厚有一定下降，总体来看接头质量得到改善。2.2接头力学性能图4为接头载荷位移曲线，无铆接头经过超声焊后，其峰值载荷与失效位移都得到了不同程度的提升。相比钛合金接头，铝合金接头的力学性能获得了更大幅度的提升，同时载荷曲线顶端更加圆滑，与坐标轴围成图形的面积也更大，这表明铝合金接头抵抗冲击与吸收能力的能力得到了显著增强。但观察曲线下降的趋势可发现，超声处理后的载荷曲线比较分散，接头稳定性有所下降，可能是受到了超声焊过程中温度升高与高频振动的影响。经由载荷位移曲线，计算出图5所示的各接头力学性能的柱状图，图5(a)(c)分别代表峰值载荷、失效位移与能量吸收均值。可以发现铝合金接头的力学性能提升最为显著，UCA接头相比CA接头峰值载荷均值提高了196.8%，失效位移均值提高了208.42%，能量吸收均值提高了974.19%，三项力学指标均有大幅度提升。同时钛合金接头也有明显的力学性能提升，峰值载荷均值提高了7.06%，失效位移均值提高了97.27%，能量吸收均值提高了116.84%。结果表明：超声焊对5A06铝合金接头的强化效果更好。246810121401000200030004000500060007000 CT UCT246810121401000200030004000500060007000?/N?/N?/mm?/mm CA UCA(a)CA?UCA?(b)CT?UCT?图4接头静拉伸试验结果Fig.4 Static tensile test results of the joints(a)?(b)?(c)?1670.1255248.3884956.9885618.763CAA/UCAACTT/UCTT01000200030004000500060007000?/N?/mm?1.8413.3745.6786.656CA/UCACT/UCT024681.1827.73612.69716.775CA/UCACT/UCT048121620?/J?图5接头力学性能参数Fig.5 Mechanical properties parameters of the joints第43卷 第2期赵伦等：超声无铆静力学性能强化试验与机制研究4472.3接头失效形式分析对接头失效形式进行分析，探究接头失效的根本原因，有助于针对特定的失效形式进行预防。图6为接头失效形式，图6(a)(d)分别对应CA、CT、UCA、UCT接头。首先对CA与CT接头进行分析：CA、CT无铆接头均为接头颈部剪切断裂失效。铝合金无铆接头上下板平整，无任何断裂与翘曲。钛合金无铆接头部分上板出现了小幅度翘曲，对应下板保持平直，大部分板材也较平整。同时可以注意到，与铝合金无铆接头不同的是钛合金接头一端互锁被拉起，说明钛合金无铆接头形成互锁的能力弱于铝合金。UCA接头除颈部断裂失效还出现一例上板断裂失效，UCT接头则全部为颈部剪切断裂，同时接头一侧互锁也被拉起，而且更明显。相比于CA接头，UCA接头上下板材均出现了一定程度翘曲，接头周围可发现明显的超声焊痕，说明此处形成了固相焊合区。UCT接头与CT接头相比，上板均发生了更大程度的翘曲，而且下板也产生了对应的变形，接头附近焊痕较浅，钛合金接头也形成了超声固相焊。CA、CT无铆接头失效形式均为颈部剪切断裂失效，虽然CT接头出现了部分脱出，但其失效形式仍为颈部剪切断裂，结合铆接过程中接头颈部存在应力集中的情况来看，颈厚值是接头受剪切拉伸时的主要影响因素。而UCT接头板材出现了翘曲及个别板材的断裂，板材出现变形及破坏说明接头的受力形式发生了改变，从单纯接头受力变为先板材焊合区受力再接头颈部受力，这使得接头的失效位移及峰值载荷提高，力学性能得到大幅增强。UCA接头的焊接痕迹更为明显，结合力学性能提升幅度来看，超声焊对铝合金无铆接头强化效果更好，这是因为铝合金硬度较低，在超声焊的过程中，铝合金表面能产生比钛合金更大的塑性形变，从而紧贴焊接工具头及底模，不发生打滑，损失较少的超声波能量，达到更好的焊接效果。2.4显微形貌分析为更详细地对断口形貌进行观察，进一步分析失效形式，选取各组接头超声焊痕与颈部断口进行扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)分析。?(a)CA?(b)CT?(c)UCT?(d)UCT?图6接头失效形式Fig.6 Failure modes of the joints4482024 年 3 月2.4.1超声焊痕SEM分析图7为静拉伸试验后接头上板超声焊痕SEM图。由图6可知，CA与CT接头表面与连接前并无明显变化，而UCA与UCT接头均出现焊接痕迹。对比图7发现，UCA表面并不是整齐的平面，而是出现了图7红圈中材料断裂时才出现的片层状断口，还出现了黄圈中合金熔化后再凝固的痕迹，这表明UCA接头上下板紧密的焊合在一起，并且留下了一定深度的焊接影响区。而UCT表面即使在电镜下也十分平整，钛合金表面出现了小范围较浅的片层状痕迹，这表明UCT接头的焊合区仅停留在试件表面。结合力学性能提升情况，可以得出结论，在本次试验的超声焊参数下，5A06铝合金超声波焊复合处理的效果更好。(a)UCA?(b)UCT?200 m?200 m图7上板超声焊痕SEM分析Fig.7 SEM analysis of ultrasonic weld marks onthe upper plate2.4.2断口SEM分析图8为4种接头上板颈部断口SEM图，对比CA接头与UCA接头，发现超声焊后韧窝尺寸明显变大，深度也增加了，影响韧窝尺寸的主要因素有第二相粒子的尺寸、形状、分布、材料本身塑性、变形硬化情况、温度等。一般情况下，韧窝尺寸主要受第二相粒子的尺寸与分布影响，但本试验使用的板材均为同一批次，合金成分、轧制条件、热处理情况全部相同，在拉伸试验时的速度、温度也没有改变，这表明韧窝尺寸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，韧窝尺寸越大，材料的塑性越好，材料的局部抗失稳能力越强。结合之前拉伸剪切试验得到的结果，UCA的能量吸收值及失效位移均有显著提升，可以得出结论，本次试验条件下的超声焊处理使5A06铝合金接头塑性得到了提升。而对于CTT与UCTT接头韧窝的变化来说，韧窝尺寸变小，表明当TA1钛合金作为上板并形成接头时，接头得到了硬化。(a)CA?20 m20 m(b)UCA?(c)CT?(d)UCT?20 m20 m图8断口SEM对比图Fig.8 SEM comparison of fracture3结论本文对5A06铝合金与TA1钛合金无铆接头进行超声焊，通过静拉伸试验结果，对比无铆与超声无铆接头的力学性能，并采用光学显微镜与扫描电镜探究接头失效形式和失效机理进行分析，得出了以下结论：(1)超声焊可有效提升无铆接头的力学性能，特别是对于5A06铝合金无铆接头，5A06铝合金接头的峰值载荷均值提高了196.8%，失效位移均值提高了208.42%，能量吸收均值提高了974.19%；TA1钛合金接头的峰值中均值提高了7.06%，失效位移均值提高了97.27%，能量吸收均值提高了116.84%。(2)颈厚值是无铆接头失效的主要影响因素，而超声焊后接头的受力形式发生改变，从原来单纯的接头颈部受力变为先焊合区受力再接头颈部受力，这就是超声焊强化的根本原因。(3)超声焊可使5A06铝合金无铆接头内部形成固相焊，同时超声焊使铝合金接头部分的韧性得到提升；而TA1钛合金无铆接头内部固相焊并不明显，超声焊使钛合金板接头部分发生了硬化。第43卷 第2期赵伦等：超声无铆静力学性能强化试验与机制研究449参考文献1 赵德望.轻合金超声波焊接力学性能及连接机理研究 D.大连:大连理工大学,2019.2 Cam G,Mistikoglu S.Recent developments in friction stirwelding of Al-alloysJ.Journal of Materials Engineeringand Performance,2014,23(6):19361953.3 LiDZ,ChrysanthouA,PatelI,etal.Self-piercing riveting-a reviewJ.The International Journalof Advanced Manufacturing Technology,2017,92(58):17771824.4 Peng H,Chen C,Zhang H Y,et al.Recent develop-ment of improved clinching processJ.The InternationalJournal of Advanced Manufacturing Technology,2020,110(1112):31693199.5 徐正昭.无铆钉连接成形规律及其工艺研究 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