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镁科研:AZ31镁合金轧板与冷轧钢板异种材料的自冲铆接技术

浏览:33 发表时间:2020-09-24 17:01:27


1 研究背景

镁合金重量轻且具有良好的减震性能,镁合金汽车零部件的应用可以减轻汽车重量、提高乘坐舒适性。在汽车工业中,通常使用电阻点焊连接板材,电阻点焊不仅可以缩短焊接时间,还能减小焊后热变形,有效提高焊接质量。但是由于异种金属板的熔点、电阻和晶格的差异,电阻点焊不适用于异种金属板的连接。自冲铆接技术(SPR)是电阻点焊的一种替代方法,已被广泛应用于铝板之间的连接以及铝板与钢板的连接。然而,目前关于自冲铆接技术在镁合金板材与钢板连接中的应用研究非常有限,对SPR接头疲劳强度的研究还非常少,尤其是对不同载荷条件下的疲劳强度研究更少。当镁板和钢板组成的车体采用SPR连接时,对接头进行疲劳强度测试将对评价车体的疲劳强度具有重要意义。

自冲铆接技术是一种冷成形技术,它可以在两块及以上的薄板之间形成牢固的机械互锁连接。该锁紧机构由半管状铆钉形成,铆钉在被冲头按压的情况下穿透上层板并在不破坏下层板的情况下向下层板扩口,如图1所示。SPR技术的优势在于它不需要除铆钉以外的任何材料,不产生有害物质,是一种环境友好的工艺,并具有出色的连接能力。

图1 自冲铆连接技术示意图


近日,来自韩国首尔科技大学的Ho-Kyung Kim博士等人采用自冲铆接技术将AZ31镁合金作为上层板、冷轧钢板作为下层板进行连接,并测试了十字形SPR接头在0°、45°和90°加载角下的单调加载强度和疲劳强度,接头加载角度如图2所示。

图 2 接头加载角度示意图


研究发现,当上层AZ31轧板的轧制方向与加载方向垂直时,加载角为0°、45°和90°的试样单调加载强度有所差异,分别为3764 N、2009 N和1857 N;而当上层板的轧制方向与加载方向平行时,各试样的强度基本相同。若假定疲劳寿命为106周,AZ31板轧制方向垂直于加载方向,则试样在0°、45°和90°加载角下的疲劳极限分别为824 N,257 N和168 N,疲劳比(即疲劳极限/拉伸强度)分别为22%,13%和9%。试样在三种加载角下均出现了裂纹,裂纹均起源于上下层板与铆钉交汇的连接处(如图3所示)。主要是由于接头承受载荷时,承载不匹配产生了微位移,在接头处发生微动磨损,导致裂纹萌生于强度较低的材料中(即AZ31合金)。裂纹沿着上层AZ31板向上扩展,最终发生断裂。通过对不同加载角下的SPR接头试样进行有限元模拟分析,获得了等效应力(σeq)和最大主应力(σ1)的分布。发现最大等效应力为163 MPa,位于上层板、下层板和铆钉接触的三点处;而最大主应力为170 MPa,出现在上下板接触处,与实验结果相符,如图4所示。利用等效应力、最大主应力和等效应力强度因子对不同加载角下的疲劳寿命进行评估后,发现采用最大主应力评估疲劳寿命最准确。

图3 自冲铆接接头的疲劳断口



图 4 自冲铆接接头数值模拟的应力分布


02 文章发表

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2020年第8卷第1期:

[1] Kang S H, Han D W, Kim H K. Fatigue strength evaluation of self-piercing riveted joints of AZ31 Mg alloy and cold-rolled steel sheets[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2020, 8(1): 241-251.


03 中文摘要

镁合金由于具有优异的比强度和比刚度,在汽车上的应用日益广泛。本文采用了汽车面板中常用的自冲铆接(SPR)方法,将AZ31镁合金上板和冷轧钢板下板连接起来。用35 kN的冲孔力制作了具有最佳接头强度的十字形试样,并在加载角为0°、45°和90°时,评估了单调加载强度和疲劳强度。若假定与疲劳极限相对应的疲劳寿命为106周,在0°、45°和90°的加载角下,疲劳比(即疲劳极限/拉伸强度)分别为22%、13%和9%。三种加载角试样的疲劳裂纹均始于铆钉与上、下板接触的交接点,并沿着上层板纵向扩展,最终导致断裂。疲劳寿命可以通过等效应力、最大主应力和等效应力强度因子进行评估,结果发现通过最大主应力可以更好的估算疲劳寿命。


04 Abstract

The application of magnesium alloys to automobiles is increasing due to their superior specific strength and specific stiffness. In this study, an upper sheet of AZ31 magnesium alloy and a lower sheet of cold-rolled steel were joined by self-piercing riveting (SPR), a method commonly used to join automotive panels. A cross-shaped specimen was fabricated with a punching force of 35 kN, which exhibited the best joint strength for the SPR joint specimen geometry. Monotonic and fatigue strengths were evaluated using cross-shaped specimens at loading angles of 0°, 45°, and 90°. The load amplitude corresponding to the fatigue endurance limit was assumed to be at 106 cycles, and the fatigue ratios (= fatigue endurance limit/static strength) at the loading angles of 0°, 45°, and 90° are 22%, 13%, and 9%, respectively. For all three loading angle specimens, fatigue cracks initiated at the triple point where the rivet shank, the upper sheet and the lower sheet are in contact with each other, with the cracks propagating through the thickness of the upper sheet and ultimately leading to fracture. The fatigue lifetimes were evaluated through the von-Mises stress, maximum principal stress, and equivalent stress intensity factor. It was found that the fatigue lifetimes could be evaluated most appropriately through the maximum principal stress.


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