1、第 30 卷 第 3 期2023 年 3 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.3Mar.2023引文格式:扶文生,张先炼,张 青.5083 铝合金自冲铆接成形机理与失效分析 J.塑性工程学报,2023,30(3):91-98.FU Wensh-eng,ZHANG Xianlian,ZHANG Qing.Forming mechanism and failure analysis of self-piercing riveted of 5083 aluminum alloys J.Journal of Plasticity Engi
2、neering,2023,30(3):91-98.基金项目:长江大学科研发展基金资助项目(8021002902)通信作者:张先炼,男,1992 年生,博士,讲师,主要从事新轻型薄板材料连接技术及疲劳与断裂研究,E-mail:xlianzhang yan-第一作者:扶文生,男,1997 年生,硕士研究生,主要从事薄板材料连接技术研究,E-mail:fwens8 收稿日期:2022-08-23;修订日期:2022-12-295083 铝合金自冲铆接成形机理与失效分析扶文生,张先炼,张 青(长江大学 机械工程学院,湖北 荆州 434023)摘 要:采用不同材质的铆钉及不同规格的下模具研究了 5083
3、 铝合金自冲铆接头的工艺特点,基于有限元及力学试验结果分析了接头的成形机理、力学性能及失效行为。结果表明,采用 36MnB4 硼钢铆钉和平模制备的接头成形质量更高。铆钉材质和模具规格均会影响 5083 铝合金自冲铆接头的成形质量,铆钉材质的优化对成形质量具有更为显著的提升效果。有限元模拟的接头成形截面参数与实际试验截面参数基本一致。成形过程中,铆钉腿与钉头过渡区域为铆钉上的应力集中区域,而被连接板材上的应力集中主要处于塑性变形区域。接头应力集中区域与实际失效特征区域相吻合,5083 铝合金自冲铆接头失效形式均为下板与铆钉分离,且接头承载能力越强,失效后的破坏特征越明显。采用 36MnB4 硼钢
4、铆钉和平模的接头综合性能更优,能够满足相对较高的承载需要,适用于对抗冲击性能要求较高的结构。关键词:自冲铆接;5083 铝合金;塑性成形;静力学性能;失效分析中图分类号:TG386.4 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)03-0091-08doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.03.013Forming mechanism and failure analysis of self-piercing riveted of 5083 aluminum alloysFU Wen-sheng,ZHANG Xian-lian,ZHANG Qing(Sc
5、hool of Mechanical Engineering,Yangtze University,Jingzhou 434023,China)Abstract:The process characteristics of self-piercing riveted(SPR)joints of 5083 aluminum alloy were studied using rivets with different materials and lower dies with different specifications.The forming mechanism,mechanical pro
6、perties and failure behaviors of the joints were analyzed based on the finite element and mechanical test results.The results show that the joint made with 36MnB4 boron steel rivet and flat die has a better forming quality.The forming quality of SPR joints of 5083 aluminum alloy is affected by rivet
7、 material and die specification.The optimization of rivet material has a more significant effect on improving the forming quality.The cross-section parame-ters of the joints obtained by finite element simulation are basically consistent with those of the actual test.In the forming process,the transi
8、tion area between rivet leg and head is the stress concentration area on the rivet,while the stress concentration on the connected sheet is mainly in the plastic deformation area.The stress concentration area of the joint is consistent with the actual failure characteris-tic area.The failure mode of
9、 the SPR joints of 5083 aluminum alloy is the separation of the lower plate and the rivet,and the stronger the bearing capacity of the joint is,the more obvious the failure characteristics are.The joint with 36MnB4 boron steel rivet and flat die has a better comprehensive performance.It is suitable
10、for the structures with the needs of relatively high bearing capacity and high im-pact resistance.Key words:self-piercing riveting;5083 aluminum alloy;plastic forming;static mechanical property;failure analysis 引言随着全球经济快速发展,能源和环境问题日益突出。为完成 2030 年“碳达峰”与 2060 年“碳中和”目标,国家主张大力发展清洁能源和新型轻量化材料1;其中铝合金的发展较为突
11、出,因其具有比强度高、耐蚀性好及易于加工等特点,被大量应用于汽车轻量化制造中2。然而,传统的电阻点焊等连接工艺难以直接实现对铝合金材料的有效连接。近年来,为满足对新型轻量化材料的连接需求,自冲铆接(Self-piercing Riveted,SPR)技术得到了快速发展,它是一种连接两层或多层板的机械冷连接技术,主要依靠半空心铆钉与金属板材产生塑性变形而形成牢固的机械内锁结构以实现连接。该技术可以实现对铝合金薄板的高质量连接,已在汽车、船舶、建筑和家电等行业中获得广泛应用。国内外学者针对铝合金薄板的自冲铆接工艺开展了大量的研究工作。杜爱民等3指出进行 3 层板自冲铆接时,其铆接成形质量和接头静力
12、学性随着各层板厚度的均匀程度提升而提升。张永超等4对B1500HS 高强度钢与 AA5052 铝合金自冲铆接成形接头进行了力学性能分析,指出高强钢作为上层板,铝合金作为下层板时,接头成形质量和疲劳性能最好。毛晓东等5研究了自冲铆接工艺参数对5182-O铝合金接头组织性能的影响,结果表明接头性能随着铆钉高度的增加先提高后降低,在铆钉高度为6.0 mm 时性能达到最佳。单丰武等6对比分析了5057H32 铝合金薄板的自冲铆接和无铆连接工艺,发现两种连接方式接头在横向和纵向的受力方向上的强度和能量吸收值没有差距,但单点自冲铆接头的静强度和能量吸收值均优于无铆连接。赵新华等7阐述了自冲铆接工艺流程、铆
13、接参数对铆接质量的影响以及半空心铆钉自冲铆接研究进展。JEONG T E 等8研究了铝板抗拉强度对铝/钢自冲铆接头质量的影响,发现接头强度随上板抗拉强度增大而增大。王建军等9指出铆钉、铆模、板材特性和冲铆速度是影响铆接质量的关键因素。亓海全等10研究了 Q235/5083 异种材料自冲铆接头的力学性能,发现 5083 铝板作为下板与 Q235 铆接时,接头性能最好。5083 铝合金因较高的可塑性与良好的焊接性等性能在机械制造业中使用广泛,然而目前针对同种5083 铝合金薄板自冲铆接工艺的深入研究还较少。本研究通过对 5083 铝合金薄板进行自冲铆接成形和力学拉伸试验,分析铆钉材料以及下模具的规
14、格对接头的成形质量和静力学性能的影响,结合有限元分析结果讨论了 5083 铝合金自冲铆接头的成形机理,并分析了接头的失效行为。可为铝合金薄板的自冲铆接工艺优化及接头设计提供参考和依据,具有一定的实践意义和应用价值。1 试验1.1 试验材料研究 对 象 为 5083 铝 合 金 薄 板,其 尺 寸 为100 mm25 mm1.5 mm,力学性能参数如表1 所示。表 1 5083 铝合金薄板力学性能参数Tab.1 Mechanical property parameters of 5083 aluminum alloy sheet参数屈服强度/MPa弹性模量/GPa抗拉强度/MPa伸长率/%值16
15、870300241.2 自冲铆接试验研究采用市场上常见的两种半空心自冲铆钉,分别由 45 钢或 36MnB4 硼钢制成,其力学性能参数如表 2 所示,可见 36MnB4 硼钢的力学性能总体上优于 45 钢,但其成本也相对更高;试验采用的自冲铆钉规格如图 1 所示,下模具规格如图 2 所示。5083 铝合金薄板自冲铆接工艺试验在 EP-CTF 型立式自冲铆接机设备上进行,设定冲头行程 62.3 mm,铆接力 49 kN。共制备了 4 组自冲铆接头,分别为:采用 45 钢铆钉和凸模制备的接头(ST 接头)、采用45 钢铆钉和平模制备的接头(SP 接头)、采用36MnB4 硼钢铆钉和凸模制备的接头(
16、PT 接头)以及采用 36MnB4 硼钢铆钉和平模制备的接头(PP 接头),接头试样尺寸如图 3 所示。表 2 铆钉材质力学性能参数Tab.2 Mechanical property parameters of rivet materials材料屈服强度/MPa弹性模量/GPa伸长率/%硬度/HRC36MnB4 硼钢172020622424645 钢3552101642461.3 成形过程模拟基于 Simufact 对 PP 接头成形过程进行有限元分29塑性工程学报第 30 卷图 1 半空心铆钉结构尺寸示意图Fig.1 Structure and dimension schematic diagram of semi-tubular rivet图 2 自冲铆接下模具(a)凸模(b)平模Fig.2 Lower dies for SPR(a)Convex die(b)Flat bottom die图 3 自冲铆接头示意图Fig.3 Schematic diagram of SPR joint析。依据 5083 铝合金薄板自冲铆接工艺试验,构建自冲铆接工艺过程模型如图 4 所示。模拟过程设置
