自冲铆接头组织及性能分析.pdf

第35卷第7期焊接学报Vol．35No．7
2014年7月TＲANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONJuly2014

自冲铆接头组织及性能分析

许竞楠，何晓聪，曾凯，邢宝英
(昆明理工大学机电工程学院，昆明650500)

摘要:分析了有铆自冲铆接和压印连接的工艺特点，对比了两种不同连接方式的接头抗拉伸－抗剪强度;利用阳
极化覆膜的方法制备接头金相试样，对接头机械自锁区材料的组织及流向进行观测．结果表明，有铆自冲铆接的抗
拉伸－抗剪强度高于压印连接．机械连接导致的材料塑性变形，使晶粒由母材区的等轴状逐渐向纤维状过渡，依据
晶粒分布特性，将有铆自冲铆接头截面划分为:母材未变形区、上板内锁区、下板内锁区、上板过渡区、下板过渡区、
塑性影响区．在接头自锁区附近由于纤维组织的形成，使金属的性能产生各向异性，沿纤维方向的强度和塑性将高
于垂直方向．
关键词:自冲铆;压印连接;机械内锁区;接头金相组织
中图分类号:TH131．1文献标识码:A文章编号:0253－360X(2014)07－0091－05

0序言相同材料连接的自冲铆接头和电阻点焊接头的力学
性能，发现自冲铆接头的静强度低于点焊接头，然而
为降低车身重量，实现减重增效，节能减排，汽自冲铆接头的疲劳寿命远高于点焊接头．从微观角
度看，自冲铆接头的失效是机械内锁失效，自冲铆接
车车身将逐步采用铝合金、镁合金和复合材料等新
后板材材料的组织及性能对于接头静强度和疲劳寿
轻型板材替代钢板．然而，传统的材料连接技术，如
命有较大影响
点焊、激光焊等，由于成本过高、焊接性差等因素，很．
将针对有铆自冲铆和压印连接的铝合金
难实现新轻型板材的连接．自冲铆作为一种板材新5052
型冷加工连接技术，利用板材的塑性大变形形成机单搭自冲铆接头进行拉伸－剪切试验，分析接头机
械内锁区材料的金相组织及其流动特征，为从微观
械内锁达到连接板料的目的．根据有无铆钉，自冲
角度分析自冲铆接头静力学性能和疲劳失效机理提
铆可分为有铆自冲铆和压印连接两种形式．有铆自
［1］供基础
冲铆(self-piercingriveting，SPＲ)是通过冲头将半．
中空的铆钉压入板材，铆钉管腿扩张形成铆扣，在多
层材料间实现机械内锁．压印连接(clinching)［2］是1自冲铆连接试验
通过压印连接模具对金属板件挤压，通过塑性变形
有铆自冲铆铆接过程可分为四步，如图压边
过程形成板材的相互镶嵌．目前自冲铆接技术已应1．
圈首先将上下两块板料压紧;铆钉在冲头作用下，刺
用于国外多种新款车型当中，如Audi全铝车A8，英
［3，4］穿上层板料并刺入但不刺穿下层板料;随着下层板
国Jaguar公司的X350中白车身的连接均采用
料流入凹模，铆钉腿部开始向外扩张，铆钉在冲头和
了自冲铆接技术．
自冲铆技术在接头微观连接机理和失效机理等凹模的共同作用下向周边翻开形成铆扣，使铆钉与
方面缺乏基础研究和实践经验．国内外学者对这些
问题进行初步研究，何晓聪等人［5］对自冲铆接头质
量的剖面检测提出了新的检验标准．Fu和Malick
等人［6，7］对不同铆接压力下的自冲铆接头进行了拉
伸－剪切试验，结果表明随着铆接压力的增大，接头
抗拉伸－剪切载荷也增大．文献［8，9］研究了对于

收稿日期:2013－02－19图1有铆自冲铆的铆接过程
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50965009)Fig.1Processofself-piercingriveting

书
92焊接学报第35卷

上下板料形成一个牢固的机械内锁结构;冲头压力
松弛并回程［10］．
分体式下模压印连接工艺如图2．两块板材首
先被定位;冲头下行，进行预紧;冲头下压将板材挤
压进分体式下模;随着压力增大，下模活动部分向外
张开，使材料在下模型腔内变形，上下板间形成一个
镶嵌结构;冲头压力松弛并回程．

图3试件装夹图
Fig.3Testspecimenclamping

图2压印连接的连接过程材料的弹性极限，开始发生塑性变形;最终铆钉周围
Fig.2Processofclinching材料发生塑性大变形，原内锁结构失效，铆钉从下板
中拖出，连接被破坏，载荷迅速减小，直到两板完全
2自冲铆接头拉伸－剪切试验分开，载荷迅速减小．

2．1材料及试验过程
薄板材料为5052铝合金，力学性能如表1所示．

表15052铝合金力学性能
Table1Mechanicalpropertiesof5052aluminumalloy
密度杨氏模量泊松比屈服强度抗拉强度
(3－3)()
ρ/10kg·mE/GPaγ%ＲeL/MPaＲm/MPa
2．6869．30．33195230
图4单搭有铆自冲铆试件力与位移曲线及失效图
Fig.4