文摘以1420铝锂合金(AL1420)为载体制备其同质及其与H62铜合金(H62)、Q215镀锌钢(Q215)和TA1工业纯钛(TA1)异质单搭自冲铆接头。通过静力学试验分析各种接头的静失效载荷及能量吸收性能;就其失效模式分析推断其宏观失效机理。结果表明:TA1－AL1420接头静失效载荷最高，Q215－AL1420接头能量吸收性能最强;除TA1－AL1420接头外，其余各组接头失效位移呈现出的大小规律与能量吸收值的高低规律一致。当上下板材屈服强度相差不大时，接头的失效模式均为下板与铆钉分离;相差较大时，主要以屈服强度较低板断裂失效。
关键词自冲铆，铝锂合金，静失效载荷，能量吸收
中图分类号:TH131．1 DOI:10．3969/j．issn．1007－2330．2016．02．017
引言
近年来，对结构轻量化的需求日益提高，铝锂合金等新轻型材料逐渐被应用于汽车、船舶及航空等工业中。铝锂合金是高比强度及比模量的合金;采用铝锂合金替代传统结构材料，可使构件结构质量减轻15%，刚度提高15%～20%［1］。且较先进复合材料而言，铝锂合金有明显的价格优势。但是采用传统电阻电焊等技术很难甚至不能对其实现连接;而搅拌摩擦焊、激光焊接、自冲铆接、压印连接及结构粘接等薄板材料连接新技术可以对其实现有效连接［2－3］。作为其中之一的自冲铆接是一种快速机械冷连接技术，其连接主要依靠铆接过程中上下板材及铆钉的塑性变形和回弹所形成的机械内锁来实现［4］。目前国内外学者已经对自冲铆接技术进行了一系列研究。FU等［5］研究了铆接参数变化对铝合金自冲铆接头机械性能的影响及其疲劳失效机理，发现疲劳循环至总数的75%时，接头强度逐渐降低，而至90%时强度突然下降，此外还指出刺穿力在一定范围内变化会影响接头静失效载荷，而对疲劳性能几乎没有影响。ATZENI等［6］通过试验和数值模拟的方法分析了不同铆接压力对接头成形性的影响。王医峰等［7－8］利用自冲铆连接系统、材料试验机和电子扫描显微镜等设备研究了TA1钛合金、8090铝锂合金及5052铝合金自冲铆接接头的力学性能和静态失效机理。LI等［9－10］研究了铆钉到板材边缘距离对铝合金自冲铆接头机械性能的影响;发现在板宽一定的情况下，边缘距离在一定范围内增加，接头的剪切和剥离强度也随之增加，且采用11．5mm的边缘距离可获得最优机械性能。然而自冲铆领域对铝锂合金自冲铆接头的研究还相对较少。本文以1420铝锂合金为载体制备其同质及其与H62铜合金、Q215镀锌钢和TA1工业纯钛异质单搭自冲铆接头;以静力学试验为基础分析接头静失效载荷、能量吸收性能及宏观失效机理。以期为后续对铝锂合金自冲铆接头的研究及铝锂合金应用于工程实际提供相关数据支撑。
1实验过程
1．1自冲铆接试验
被铆接板材为1420铝锂合金板(AL1420)、铜合金板(H62)、镀锌钢板(Q215)和工业纯钛板(TA1)，尺寸均为110mm×20mm×1．5mm，其力学性能参数如表1所示。铆接试验在德国Bllhoff公司生产的自冲铆接设备［ＲIVSETVAＲIO－FC(MTF)］上进行。本研究采用接头剖面直观检测法［11］来评价铝锂合金自冲铆接头的成形质量，接头剖面示意图及其评价标准如图1所示。通过多次对比试验获得最优剖面铆接参数，并以之制备AL1420－AL1420(AA)、H62－AL1420(HA)、AL1420－H62(AH)、Q215－AL1420(QA)、AL1420－Q215(AQ)、TA1－AL1420(TA)和AL1420－TA1(AT)单搭接头各10个。
1．2静力学试验
静力学试验在美国MTS公司生产的Land-mark100电液伺服材料试验机上进行。具体方法如下:在试件两端分别夹持尺寸为25mm×20mm×1．5mm的垫片，以减小试件受力不对中附加扭矩导致的影响;拉伸速率设定为5mm/min，失效判据为99%，对各组接头分别进行10次重复拉伸—剪切试验。
2结果及分析
2．1静失效载荷及能量吸收
经过静力学试验，获得各组接头的载荷位移曲线，以便比较从中各选取一条典型载荷位移曲线绘制图2。对于试验结果，依据GB/T4883—2008选用格拉布斯(Grubbs)检验法剔除离群值。经检验，所有静失效载荷数据中无离群值，数据有效;而失效位移数据中，AQ接头的第7个数据、TA接头的第3和第4个数据以及AT接头的第3个数据均为离群值，故将其剔除。以其余有效数据计算静失效载荷均值和能量吸收均值并绘制图3。可见，AA接头的静失效载荷为6．02kN，明显低于TA接头，但也明显高于其余5组接头;其能量吸收值为16．8J。TA接头的静失效载荷为6．434kN，是7组接头中的最高值，其能量吸收值为17．5J，仅次于QA接头;而AT接头的静失效载荷为4．818kN，明显低于其余接头，同时AT接头的能量吸收值也最低，仅有12．3J。对于HA、AH、QA及AQ接头，其静失效载荷相差不大，分别为5．304、5．229、5．386和5．448kN;但就能量吸收值而言，QA接头(21．6J)最高，AH接头(16．8J)次之，AQ接头(15．3J)稍高于HA接头(15．1J)，QA接头明显优于其余接头。图3接头静失效载荷及能量吸收Fig．3Staticfailureloadsandenergyabsorptionsofdifferentjoints结合图2可发现，除TA接头外，其余各组接头失效位移呈现出的大小规律与能量吸收值的高低规律一致;因为能量吸收值同时受载荷与失效位移的影响，TA接头载荷上的优势弥补了其失效位移的劣势。接头能量吸收值的大小直接反映接头缓冲吸震性能的优劣，结合以上分析便可依据工程实际需求选取相应接头。综上所述可知，就静失效载荷与能量吸收而言，对于上下板屈服强度相差较大的接头，以屈服强度较低板作为下板的接头综合性能明显优于以其作为上板的接头;而对于上下板屈服强度差距相对较小的接头(如HA、AH、QA及AQ接头)，并未呈现出一定的规律性;且由AA接头可以推断，板材的延展性对接头性能存在一定的影响。
2．2失效模式
各组接头的失效模式见图4。总体来讲，除TA和AT接头外，其余5组接头的失效模式均为下板与铆钉分离;然而由于板材性能的差距以及搭接方式的不同，该5组接头的失效模式也存在一定的差异。图4中AA与AH接头上板靠近铆钉附近均出现撕裂;这是因为AL1420延展性较差，在拉伸失效过程中，板材通过塑性变形无法承受持续增加的载荷，故出现板材撕裂。而对于同样以AL1420作为上板的AQ接头，由于下板Q215延展性较好且表面镀锌，降低了铆钉与板间的摩擦力，拉伸失效过程中，下板内锁区域的损坏变形相对于AA和AH接头更为严重。HA接头由于上板延展性较好且材质较硬，失效过程中并没有出现严重的损伤;然而QA接头因上板延展性较好且材质偏软，上板铆钉孔区域出现了严重的变形。对于TA和AT接头，多数试样因AL1420断裂而失效;仅有3个TA接头试样由于下板与铆钉分离而失效，且该3个接头下板内锁区域变形均非常严重(如图4f左图);这是由TA1强度远高于AL1420且其材质硬度很高所致。结合表1可发现，当上下板材屈服强度相差不大时，接头的失效模式均为下板与铆钉分离;而相差较大时，接头的失效模式主要为屈服强度较低的板断裂失效。
3结论
(1)TA接头的静失效载荷最高，AA接头次之，AT接头最低，其余4组试样差距不大;对于能量吸收值，QA接头最高，TA接头次之，AA与AH接头优于AQ和HA接头，AT接头明显低于其余6组接头。(2)除TA接头外，其余各组接头失效位移呈现出的大小规律与能量吸收值的高低规律一致;对于上下板屈服强度相差较大的接头，以屈服强度较低板作为下板的接头综合性能明显优于以其作为上板的接头;由AA接头可以推断，板材的延展性对接头性能存在一定的影响。(3)多数TA和AT接头试样因AL1420断裂而失效，仅有3个TA接头试样由于下板与铆钉分离而失效;其余5组接头的失效模式均为下板与铆钉分离。当上下板材屈服宏观经济论文强度相差不大时，接头的失效模式均为下板与铆钉分离;而相差较大时，接头主要以屈服强度较低板断裂失效。
作者：张先炼 何晓聪 程强 卢毅 单位：昆明理工大学机电工程学院
