本次试验所用的板材材料为AL5052铝合金。近些年, 由于AL5052铝合金具有较高的强度和优良的成形性能, 这种板材在汽车车身上得到了广泛应用。采用Instron5982拉伸试验机进行拉伸试验得到AL5052铝合金的力学性能。AL5052铝合金的泊松比为0.33, 弹性模量为62.7 GPa, 屈服强度为186 MPa。所有试验用的AL5052铝合金板都沿轧制方向统一从一块厚1.9 mm, 长2000 mm、宽1500 mm的大AL5052铝合金板上切割下来。切割后的铝合金板长度为80 mm, 宽度为25 mm。

采用无铆连接试验产生无铆连接点。无铆连接试验设备采用如图2所示的一普莱斯公司研发的无铆连接冲压机。无铆连接所用的模具分为圆模和分瓣式模具两种。本次试验采用如图3所示的分瓣式模具。分瓣式模具由模具钢制成, 具有很高的刚度和强度, 包括冲头、压边圈、分瓣模、下模和复位弹簧等。在连接过程中, 下模固定在无铆连接冲压机下端, 冲头安装在无铆连接试验机上端。冲头下行的速度设置为0.5 mm/s, 下模固定不动。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 无铆连接冲压机Fig.2 Mechanical clinching machine without rivet

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 分瓣式模具Fig.3 Extensible dies

无铆连接冲压机可通过位移传感器和各类阀门精确检测、记录和控制冲头的位移。无铆连接点的颈厚值t_n和内锁值t_s是影响连接强度的两个主要尺寸参数。凸起高度h是影响连接点外观的主要参数。无铆连接点的关键尺寸参数如图4所示。通过控制冲头的位移产生底厚值X分别为1.4、1.5、1.6 mm的无铆连接点。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 无铆连接点关键尺寸参数Fig.4 Main geometrical parameters of clinched joint

目前无铆连接技术没有大范围应用于连接汽车车身的一个重要原因就是无铆连接处存在一个较高的凸起。该凸起不仅严重影响了汽车车身的美观程度, 还导致无铆连接技术无法应用于汽车狭窄空间处的板材连接。本文在研究过程中将连接处的凸起高度控制在1.1 mm以下, 以使该平压重塑形工艺具有更强的工程实际应用价值, 可应用于汽车车身狭窄空间处的板材连接。

通过一台160 kN的伺服液压机对产生的无铆连接点进行平压重塑形试验。如图5所示, 采用一个带凸起的模具和一个平整的模具对无铆连接点的凸起施加压力。带凸起的模具上有一个凸起, 无铆连接点的凹坑倒扣在该凸起上。在重塑形过程中, 设置伺服液压机的输出力为25 kN, 下行速度为0.05 mm/s。当输出力达到25 kN时, 伺服液压机停止工作, 平压重塑形过程结束。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 平压重塑形模具Fig.5 Reshaping dies

剪切强度和拉伸强度是连接点强度的两个主要评价指标。剪切强度可以评价连接点在承受径向载荷时的抗剪能力, 而拉伸强度可以评价连接点在承受轴向载荷时的抗拉能力。目前, 很多学者在研究中主要将剪切强度作为连接点的评价指标^[13]。

在本次试验中, 对平压重塑形连接点进行剪切试验, 得到平压重塑形无铆连接点的剪切强度, 并以此作为评价连接点强度的指标。采用Instron5982试验机进行剪切试验, 剪切速度设置为2 mm/min。当上层板材和下层板材分离失效时, Instron5982试验机停止工作。用于剪切试验的试样连接方式如图6所示。上层板材和下层板材位于同一直线上, 平压重塑形连接点置于上层板材和下层板材重叠处的中心位置。在剪切试验过程中, 下层板材固定不动, 上层板材在试验机的带动下向上运动直到连接点失效。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 剪切试验试样Fig.6 Specimen used for shearing test

Instron5982试验机在剪切试验过程中测量得到的最大力就是连接点的最大剪切强度。为了保证试验的合理性和准确性, 每组试验重复进行5次, 取5次试验所得的平均值作为连接点的剪切强度, 并以此为指标评价连接点的强度。

按照试验方法得到底厚值分别为1.4、1.5、1.6 mm的无铆连接点和平压重塑形无铆连接点。在对这些连接点进行剪切试验后得到各类连接点的平均剪切强度如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 连接点的剪切强度 Table 1 Shearing strengths of joints 连接点类型 底厚值/mm 平均剪切强度/N 无铆连接点 1.4 1501.6 无铆连接点 1.5 1584.9 无铆连接点 1.6 1692.7 平压重塑形铆连接点 1.4 1982.1 平压重塑形铆连接点 1.5 2088.5 平压重塑形铆连接点 1.6 2136.9

表1 连接点的剪切强度 Table 1 Shearing strengths of joints

从表1可以看到, 所有平压重塑形连接点的剪切强度都高于无铆连接点。在所有连接点中, 底厚值为1.6 mm的平压重塑形连接点具有最高的剪切强度, 而底厚值为1.4 mm的无铆连接点具有最低的剪切强度。当底厚值为1.4 mm时, 平压重塑形连接点的强度比无铆连接点的强度增加了32.0%。当底厚值为1.6 mm时, 平压重塑形连接点的强度比无铆连接点的强度增加了26.2%。当底厚值为1.5 mm时, 平压重塑形连接点的强度比无铆连接点的强度增加了31.8%。对于不同的底厚值, 平压重塑形连接工艺均可有效提高无铆连接点的强度。当无铆连接点的强度不能满足需求时, 可以采用平压重塑形连接点代替无铆连接点以获得更高的连接强度。

在剪切试验中得到的各种类型连接点的剪切力-位移曲线如图7所示。所有平压重塑形连接点的剪切力-位移曲线都高于无铆连接点。所有的剪切力-位移曲线具有相似的发展趋势。在达到剪切力峰值之前, 连接点的剪切力随位移的增加而增加。在达到剪切力峰值之后, 连接点的剪切力随位移的增加而降低。在这个过程中, 两块板材渐渐发生分离, 连接点失效。从图7可以看到, 平压重塑形连接点在失效前的位移都高于无铆连接点, 说明平压重塑形连接点的安全性更高。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 剪切力-位移曲线Fig.7 Shearing force-displacement curve

断裂失效和剥离失效是无铆连接点失效的两种主要模式。当具有较小的颈厚值时, 连接点颈部所能承受的最大剪切力低于机械锁脱开所需要的最大剪切力, 这种情况下容易发生断裂失效。当具有较小的机械锁时, 机械锁脱开所需要的最大剪切力低于连接点颈部所能承受的最大剪切力, 这种情况下容易发生剥离失效。

如图8所示, 无铆连接点和平压重塑形连接点在剪切试验中的主要失效模式都是断裂失效, 平压重塑形工艺没有改变无铆连接点的失效模式。在剪切过程中, 当剪切力达到颈部所能承受的最大剪切力后, 上层板材在颈部发生断裂, 与下层板材分离, 机械锁失效。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 连接点失效模式Fig.8 Failure mode of joints

连接点在剪切试验中的能量吸收情况是评价连接点质量的一个重要指标, 该值可以通过计算剪切力-位移曲线中剪切力与横坐标所包围的面积得到。所得的各种类型连接点的能量吸收值如图9所示。所有平压重塑形连接点的能量吸收值都高于无铆连接点的能量吸收值。

图9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 各种类型连接点的能量吸收值Fig.9 Energy absorption of joints

当底厚值为1.4 mm时, 平压重塑形连接点的能量吸收值比无铆连接点的能量吸收值增加了29.8%。当底厚值为1.6 mm时, 平压重塑形连接点的能量吸收值比无铆连接点的能量吸收值增加了37.5%。当底厚值为1.5 mm时, 平压重塑形连接点的能量吸收值比无铆连接点的能量吸收值增加了32.2%。平压重塑形连接工艺可有效提高无铆连接点的能量吸收能力, 使无铆连接点的可靠性和安全性大大提高了。

无铆连接点的几何形状和尺寸参数对无铆连接点的强度和失效模式有重要影响。无铆连接点的颈厚值t_n和内锁值t_s是影响连接强度的两个主要尺寸参数。当失效模式为断裂失效时, 颈厚值对连接点的强度有重要影响。当失效模式为剥离失效时, 内锁值对连接点的强度有重要影响。在剪切试验中, 平压重塑形连接点和无铆连接点的失效模式都是断裂失效。这说明, 对于本次试验的连接点, 剪切强度主要受颈厚值的影响。颈厚值是决定无铆连接点和平压重塑形连接点剪切强度的关键因素之一。

如图10所示, 本次试验产生的各种类型的连接点的颈厚值各不相同。底厚值为1.6 mm的平压重塑形连接点的颈厚值最大, 而底厚值为1.4 mm的无铆连接点的颈厚值最小, 相差19.7%。平压重塑形工艺有助于增大无铆连接点的颈厚值。

图10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图10 连接点的尺寸参数Fig.10 Geometrical parameters of joints

从以上讨论中可以发现, 连接点剪切强度、能量吸收值的变化趋势和连接点颈厚值的变化趋势是一致的。这说明颈厚值直接决定着平压重塑形连接点的剪切强度。

从试验结果可以发现, 底厚值为1.6 mm的连接点的剪切强度和能量吸收等指标均优于底厚值为1.4 mm和1.5 mm的连接点。随着冲头继续向下运动, 底厚值越来越小, 而颈厚值也会越来越小^[14], 因此连接点的强度也会越来越低。

底厚值为1.6 mm的平压重塑形连接点的剪切强度和颈厚值最大。底厚值为1.6 mm的无铆连接点和平压重塑形连接点的剖面图如图11所示。图11中左边是平压重塑形连接点, 右边是无铆连接点。从图11中可以看出, 连接点的上层板材和下层板材在平压重塑形之后仍然通过机械锁连接在一起。机械锁在平压重塑形过程中没有被损坏。平压重塑形连接点的颈厚值得到了加强, 这也是平压重塑形连接点剪切强度得到增加的主要原因。

图11

Fig.11

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图11 连接点剖面Fig.11 Cross-sectional profiles of joints

从图10和图11还可以看到, 平压重塑形连接点的凸起低于无铆连接点的凸起。当底厚值为1.6 mm时, 平压重塑形连接点的凸起高度比无铆连接点低34.8%。平压重塑形连接工艺可有效降低连接点的凸起高度, 使连接点可应用于对表面有较高要求的地方。