一種確定低延性材料自衝鉚接的鉚接溫度、鉚接速度的方法
2023-05-05 00:42:46 1
專利名稱：一種確定低延性材料自衝鉚接的鉚接溫度、鉚接速度的方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料的連接領域，特別涉及一種確定低延性材料自衝鉚接的鉚接 溫度、鉚接速度的方法。
背景技術：
鎂及其合金等低延性材料由於具有密度小、比強度高、減振性防噪性好，具有良好 的導熱性和電磁屏蔽能力等優點，可以廣泛應用於汽車、通信、電子電器、航空航天、國防及 軍事裝備、交通、冶金化學化工等行業。但是，由於鎂合金的熔點低，線膨脹係數和導熱率 高，與氧、氮的親和力強等缺點，決定了它在焊接、鉚接、螺紋連接等機械連接過程中會產生 一系列的困難，限制了鎂合金在結構件中的使用。近年來國內外學者針對鎂合金等低延性 材料焊接的難點，進行了許多鎂合金焊接的研究，提出了許多新的焊接工藝，如高溫熔融 焊、真空電子束焊、雷射-電弧複合焊、攪拌摩擦焊以及A-TIG焊等。但這些工藝大多尚處 於起步階段，還沒成熟。自衝鉚接是一種新近開發的新型金屬連接方式，是近幾年才發展起來的新型連接 技術。可以有效克服鋁、鎂合金難於焊接的缺點，實現鋁一鋁，鋁一鎂，鋁一鋼，鎂一鋼，鋁、 鎂、鋼甚至金屬材料和高分子材料的同質和異質材料的雙層和多層連接，是目前國外鎂、鋁 合金連接技術的研究熱點。自衝鉚接工藝包括定位、衝壓、穿刺上板、鉚釘腿張開變形、鉚釘 與底板實現機械互鎖幾個工藝步驟，是一種多種材料參與的複合變形的過程。和點焊相比， 自衝鉚接能耗低，不散發煙霧和熱量，噪音低，接頭強度高，疲勞性能好，是一種環保型的連 接工藝。自衝鉚接涉及嚴重的局部塑性變形，很容易導致材料，特別是接頭下底板材料的 開裂，因此，好的自衝鉚接接頭不僅要求具有較高的鉚釘與底板機械互鎖，而且要求鉚接後 下底板不開裂，保留一定的厚度不被鉚釘刺穿。這就要求鉚接材料不僅具有較高的塑性以 利於鉚接過程中的塑性變形，實現鉚釘與下底板的機械互鎖，而且具有一定的強度增加鉚 釘刺穿下底板的阻力。因此，自衝鉚接技術的一大挑戰是室溫條件下低延性材料的鉚接。 到目前為止，幾乎所有的自衝鉚接均集中在高延性材料如鋼板、變形鋁合金板材等材料的 鉚接，很少涉及低延性材料的連接。鎂合金由於僅具有三個滑移系，塑性差，變形能力很低， 室溫下塑性較差，不適合進行大變形成型，難於進行自衝鉚接。要想獲得高質量自衝鉚接接 頭，必須改善鎂合金的延性。預熱是提高鎂合金的塑性變形能力，改善其成型性的有效方 法。但由於自衝鉚接是一個高速變形過程，採用預熱方式改善鎂合金的自衝鉚接性能必須 綜合考慮鉚接溫度、鉚接速度對鎂合金強度、塑性的綜合影響，鉚接溫度和鉚接速度是決定 鎂合金鉚接質量的關鍵技術參數。
發明內容
本發明的目的在於提供一種確定低延性材料自衝鉚接的鉚接溫度、鉚接速度的方
4法，以實現低延性材料的自衝鉚接。本發明採用的技術方案如下—種確定低延性材料自衝鉚接的鉚接溫度、鉚接速度的方法，步驟如下1)根據自衝鉚接機的鉚接速度範圍，確定鉚接速度與應變速率對應關係；2)對低延性材料在不同溫度下進行步驟1)中不同應變速率的拉伸試驗，確定低延性材料在一定溫度和鉚接速度範圍內的伸長率；3)對低延性材料在不同溫度下進行步驟1)中不同應變速率的拉伸試驗，確定低 延性材料在一定溫度和鉚接速度範圍內的抗拉強度變化曲線；4)根據式I計算材料在步驟2)、3)對應鉚接溫度以及鉚接速度條件下的 Zener-Holloman 參數； 其中Q為鉚接材料的再結晶激活能，JmoF1 ；R 為氣體常數 8. 3144，JmoF1K"1 ；T為鉚接溫度，K 為鉚接速度，s—1 ；繪製鉚接溫度、鉚接速度聯合作用下的材料抗拉強度和伸長率以及 Zener-Holloman參數關係圖，記作圖A ；5)根據自衝鉚接設備的鉚接力，確定鉚接時的門檻強度，所述的門檻強度通過式 II計算得到； 式中，P為自衝鉚接設備的鉚接力，μ為低延性材料的摩擦係數，D0為鉚釘腿部的 直徑，L0為鉚釘長度；6)根據Zener-Holloman參數與材料的抗拉強度、伸長率的關係以及門檻強度，將 圖A分為三個區域伸長率急劇增加而抗拉強度降低的區域(I )；伸長率最大且基本恆定而材料的抗拉強度下降的區域(II )；伸長率與抗拉強度都降低的區域(III )；其中區域(I )、( II )以材料的伸長率最大而強度接近門檻強度的線為分界線； 區域(II )、(III)以材料的伸長率最大而強度為門檻強度的60%的線為邊界線；區域(II )內對應的鉚接溫度、鉚接速度即為合適的鉚接溫度、鉚接速度的範圍。區域(II )範圍內接近於區域(I )與區域(II )邊界線位置對應的鉚接溫度和 鉚接速度為最佳鉚接溫度、鉚接速度。低延性材料是指室溫下具有較低的延展性，難於承受大變形量塑性變形的材料， 如鎂或鎂合金、鑄鋼、鑄鋁等都屬於低延性材料。本發明方法特別適合的低延性材料為鎂合金，如變形鎂合金和鑄造鎂合金，如 AZ31鎂合金等。
自衝鉚接涉及嚴重的局部塑性變形，很容易導致材料，特別是接頭下底板材料的 開裂。要獲得高強度的自衝鉚接接頭必須保證鉚接溫度、鉚接速度聯合作用下鎂合金材料 具有足夠的塑性滿足鉚接變形需要和在鉚釘與底板間產生足夠大的機械互鎖量。因此步驟 2)中需要確定材料鉚接溫度、鉚接速度聯合作用下鎂合金材料的塑性變形能力，本發明以 伸長率的大小表示材料塑性變形能力指標。試樣採用5倍標距板材試樣或GB/T228-2002或美國ASTM B557-06或 ASTMB557M-07el金屬材料拉伸試驗標準規定的標準板材試樣。試驗前要在試樣標距範圍內 以適當距離分成若干等分格，標距標記和等分格標距不應該刻到試樣稜角上。試樣在不同 溫度下進行不同應變速率的拉伸試驗。試驗設備可以是Gleeble熱模擬系統或其它計算機 控制材料高溫力學性能檢測設備。試驗過程中，材料可以採用電阻加熱、感應加熱等加熱方 式，加熱過程中將熱電偶固定在材料表面來讀取溫度，要嚴格控制升溫速度和溫度精度，力口 熱速率為10°C /s，溫度精度士 1°C。為了使材料在拉伸前達到熱平衡，將加熱後的材料在 等溫條件下保持10分鐘。拉伸試驗過程中，材料溫度波動嚴格控制在士 1°C。伸長率的測 量和計算方法參照GB/T228-2002或美國ASTM B557-06或ASTM B557M_07el的測定方法確 定。高強度的自衝鉚接接頭不僅要求具有較高的鉚釘與底板機械互鎖，而且要求鉚接後下底板不開裂，保留一定的厚度不被鉚釘刺穿。因此材料自衝鉚接溫度和鉚接速度的確 定需要保證在鉚接溫度和鉚接速度的綜合作用下，材料不但具有足夠的塑性滿足鉚接變形 需要，而且具有足夠的強度避免下底板開裂和被鉚釘刺穿，步驟3)中確定了材料鉚接溫 度、鉚接速度聯合作用下材料的強度的變化。本發明以抗拉強度表示材料的強度評價指標。試樣採用5倍標距板材試樣或GB/T228-2002或美國ASTM B557-06或 ASTMB557M-07el金屬材料拉伸試驗標準規定的標準板材試樣。試驗前要在試樣標距範圍 內以適當距離分成若干等分格，標距標記和等分格標距不應該刻到試樣稜角上。試樣在不 同溫度下進行不同應變速率的拉伸試驗。試驗設備可以是Gleeble熱模擬系統或其它計算 機控制材料高溫力學性能檢測設備。試驗過程中，材料可以採用電阻加熱、感應加熱等加熱 方式，加熱過程中將熱電偶固定在材料表面來讀取溫度，要嚴格控制升溫速度和溫度精度， 在加熱至測定溫度時加熱速率為10°C /s，溫度精度士 1°C。為了使材料在拉伸前達到熱平 衡，將材料加熱至測定溫度後在等溫條件下保持lOmin。拉伸試驗過程中，材料溫度波動嚴 格控制士 1°C，試驗機電腦系統要能夠自動記錄載荷_位移數據或應力_應變數據。材料的 抗拉強度參照國標GB/T228-2002或美國ASTM B557-06或B557M_07el的測定方法確定。升高溫度引起材料的軟化，造成材料的強度降低而塑性增加；增大變形速率會引 起材料的硬化，造成材料的強度增加而塑性下降。鎂合金的自衝鉚接性能是由材料在溫度 與應變速率聯合作用下的力學性能決定的。步驟2)、3)中優選在室溫到230°C範圍內進行不同應變速率的拉伸試驗。更優化 的只需分別在室溫、IOO0C、150°C、200°C、230°C進行不同應變速率的拉伸試驗即可。步驟4)中圖A將強度、塑性在鉚接溫度和鉚接速度聯合作用下的表現很好的聯繫 在了一起。自衝鉚接是鉚釘在電動伺服系統或液壓系統所提供的鉚接力的作用下被高速壓 入板料的過程，鉚接過程中材料承受高速變形。本發明假設鉚釘具有足夠的強度和剛度，能夠在鉚接機提供的鉚接力作用下刺穿上、下底板。步驟5)中設定了鉚接材料板材具有一個 門檻強度水平，該強度水平即可確保鉚釘能夠刺穿板材，又能夠保證下底板不被鉚釘刺穿。在鉚接溫度與鉚接速度綜合作用下的鎂合金的抗拉強度應儘可能接近該門檻強 度，如果該強度較門檻強度低，板材太弱，鉚釘很容易刺穿下底板。步驟6)中確定了合適的鉚接溫度、鉚接速度範圍；區域的劃分主要是出於以下考 慮區域(I )中材料具有足夠的強度，但塑性較差，區域(I )與區域(II )的劃分 主要考慮鎂合金具有足夠高的塑性，區域(I )與區域(II )以接近材料最大塑性值為邊 界。區域(II )和區域(III)中材料具有足夠高的塑性，但強度較低。區域(II )和 區域(III)的劃分主要考慮材料具有足夠的強度，以材料的門檻強度的60%為邊界。區域(II )中對應的鎂合金的伸長率最大而強度接近門檻強度，該區域對應的鉚 接溫度，應變速率範圍是最適合鉚接參數的區域。為了避免鉚接時材料強度過低造成鉚釘刺穿下底板，鉚接參數選擇在區域(II ) 範圍內應儘可能接近於區域(I )與區域(II )邊界位置對應的鉚接溫度和鉚接速度。以 此位置對應的鉚接溫度和鉚接速度進行鉚接工藝試驗，檢查鉚接後的接頭外觀，接頭截面 和接頭強度，以接頭不開裂，下底板不被刺穿，鉚釘與下底板機械互鎖量最大，接頭強度最 高對應的最低溫度和最低鉚接速度為最佳鉚接溫度和鉚接速度。本發明適用於鎂或鎂合金、鑄鋼、鑄鋁等低延性材料的同質材料或異質材料間的 自衝鉚接，最主要的應用領域為鎂合金材料的自衝鉚接工藝參數的確定。本發明可用於但不限於家用電器、建築、交通運輸、航空航天等鎂或鎂合金製品的 自衝鉚接等用途。本發明相對於現有技術，有以下優點本發明通過模擬材料在溫度、應變速率聯合作用下材料力學性能的變化，利用 Zener-Hollomon參數與材料強度、塑性的關係，快速確定鎂合金材料的鉚接溫度和鉚接速 度，確保鎂合金材料獲得高強度自衝鉚接接頭，減少鎂合金材料自衝鉚接工藝探索實踐，降 低合金鉚接成本。本發明方法是一種新型、簡便的鎂合金材料自衝鉚接預熱溫度和鉚接速 度的確定方法。
圖1為實施例1中的鉚接式樣；圖2為Zener-Holloman參數-材料強度和塑性的關係圖；圖3為不同預熱溫度下鉚接的接頭的外觀形貌，a-d對應的鉚接速度皆為110mm/ sec，對應的溫度分別為室溫、1501、1801、2001，e對應的鉚接速度為120mm/sec，溫度 為 180 °Co圖4中(a)為鉚接溫度對鉚釘腿與下板料表面的距離(Atl，At2)以及互鎖量 (At3)的影響，鉚接速度llOmm/sec ;(b)為At!，At2、At3示意圖；圖5為預熱溫度對自衝鉚接頭剪切強度的影響。
具體實施例方式以下以具體實施例來說明本發明的技術方案，但本發明的保護範圍不限於此實施例1採用2mm厚度AZ31鎂合金板材，採用英國Henrob公司生產JA003000自衝鉚接機 進行鉚接，採用直徑為5mm，長度為6mm的平頭半空心鉚釘鉚接，設備鉚接力大約30kN，鉚接 速度< 200mm/sec，試樣形狀和尺寸見圖1。根據本發明方法步驟，試樣採用尺寸為60X 12mm的5倍標距板材試樣，試驗 前在試樣標距範圍內以5mm距離分成若干等分格，標距標記和等分格標距不要刻到試 樣稜角上。根據自衝鉚接機的鉚接速度範圍0-200mm/SeC，確定材料的應變速率範圍為 0. 00128-5S-1。採用 Gleeble-3800 熱模擬系統分別在室溫、100°C、150°C、200°C、230°C進行 拉伸試驗，得到溫度和應變速率聯合作用下的抗拉強度和伸長率。根據式I計算鎂合金在前述對應鉚接溫度以及鉚接速度條件下的 Zener-Holloman 參數； 繪製鉚接溫度、鉚接速度聯合作用下的材料強度和伸長率以及Zener-Holloman 參數關係圖，詳見圖2;通過下式確定鉚接時鎂合金AZ31板材的門檻強度為251MPa ； 式中，P為自衝鉚接設備的鉚接力，μ為鎂合金材料的摩擦係數，Dtl為鉚釘腿部的 直徑，L0為鉚釘長度；根據Zener-Holloman參數與材料的強度、伸長率的關係以及門檻強度，將圖2分 為三個區域伸長率急劇增加而抗拉強度降低的區域(I )；伸長率最大且基本恆定而材料的抗拉強度下降的區域(II )；伸長率與抗拉強度都降低的區域(III )；其中區域(I )、( II )以鎂合金的伸長率最大而強度接近門檻強度的線為分界 線；區域(II )、(III)以鎂合金的伸長率最大而強度為門檻強度的60%的線為邊界線；區域(II )內對應的鉚接溫度180_230°C、鉚接速度50-150mm/SeC即為合適的鉚 接溫度、鉚接速度的範圍。區域(II)和區域(I )交界位置對應的鉚接溫度為180-200 °C，鉚接速度為 110-150mm/sec。在此參數範圍選取鉚接速度110mm/sec，120mm/sec，在180°C，200°C溫度進行工 藝試驗。作為對比，採用相同的鉚接速度，同時進行了溫度為室溫和150°C的對比工藝試驗， 鉚接結果如圖3、4所示，剪切強度如圖5所示。在180°C，110mm/sec條件下進行鉚接，下底 板不開裂，無刺穿現象，接頭完整，強度高且穩定。在18(TC，12mm/sec條件下進行鉚接，下 底板刺穿。在20(TC，110mm/sec進行鉚接，雖然下底板不開裂，但部分接頭下底板刺穿，接頭強度分散性大。得到AZ31鎂合金板材的最佳自衝鉚接溫度為180°C，鉚接速度為110mm/
seco
權利要求
一種確定低延性材料自衝鉚接的鉚接溫度、鉚接速度的方法，其特徵在於，步驟如下1)根據自衝鉚接機的鉚接速度範圍，確定鉚接速度與應變速率對應關係；2)對低延性材料在不同溫度下進行步驟1)中不同應變速率的拉伸試驗，確定低延性材料在一定溫度和鉚接速度範圍內的伸長率；3)對低延性材料在不同溫度下進行步驟1)中不同應變速率的拉伸試驗，確定低延性材料在一定溫度和鉚接速度範圍內的抗拉強度變化曲線；4)根據式I計算材料在步驟2)、3)對應鉚接溫度以及鉚接速度條件下的Zener-Holloman參數； Z= exp ( QRT )I 其中Q為鉚接材料的再結晶激活能，Jmol-1；R為氣體常數8.3144，Jmol-1K-1；T為鉚接溫度，K為鉚接速度，s-1；繪製鉚接溫度、鉚接速度聯合作用下的材料抗拉強度和伸長率以及Zener-Holloman參數關係圖，記作圖A；5)根據自衝鉚接設備的鉚接力，確定鉚接時的門檻強度，所述的門檻強度通過式II計算得到； [ b]= 4P 4 D 0 L 0+ D 0 2 ( MPa )II 式中，P為自衝鉚接設備的鉚接力，μ為低延性材料的摩擦係數，D0為鉚釘腿部的直徑，L0為鉚釘長度；6)根據Zener-Holloman參數與材料的抗拉強度、伸長率的關係以及門檻強度，將圖A分為三個區域伸長率急劇增加而抗拉強度降低的區域(Ⅰ)；伸長率最大且基本恆定而材料的抗拉強度下降的區域(Ⅱ)；伸長率與抗拉強度都降低的區域(Ⅲ)；其中區域(Ⅰ)、(Ⅱ)以材料的伸長率最大而強度接近門檻強度的線為分界線；區域(Ⅱ)、(III)以材料的伸長率最大而強度為門檻強度的60％的線為邊界線；區域(Ⅱ)內對應的鉚接溫度、鉚接速度即為合適的鉚接溫度、鉚接速度的範圍。FSA00000154793900012.tif
2.如權利要求1所述的確定低延性材料自衝鉚接的鉚接溫度、鉚接速度的方法，其特 徵在於，區域(II )範圍內接近於區域(I )與區域(II )邊界線位置對應的鉚接溫度和 鉚接速度為最佳鉚接溫度、鉚接速度。
3.如權利要求1或2所述的確定低延性材料自衝鉚接的鉚接溫度、鉚接速度的方法，其 特徵在於，低延性材料為鎂合金。
4.如權利要求3所述的確定低延性材料自衝鉚接的鉚接溫度、鉚接速度的方法，其特 徵在於，步驟2)和3)中鎂合金採用5倍標距板材試樣。
5.如權利要求4所述的確定低延性材料自衝鉚接的鉚接溫度、鉚接速度的方法，其特 徵在於，在室溫到300°C範圍內進行不同應變速率的拉伸試驗。
6.如權利要求5所述的確定低延性材料自衝鉚接的鉚接溫度、鉚接速度的方法，其特 徵在於，分別在室溫、100°C、150°C、200 V、230 V進行不同應變速率的拉伸試驗。
7.如權利要求6所述的確定低延性材料自衝鉚接的鉚接溫度、鉚接速度的方法，其特 徵在於，鎂合金在加熱至測定溫度時加熱速率為10°C /s。
8.如權利要求7所述的確定低延性材料自衝鉚接的鉚接溫度、鉚接速度的方法，其特 徵在於，鎂合金加熱至測定溫度後在等溫條件下保持lOmin。
全文摘要
一種確定低延性材料自衝鉚接的鉚接溫度、鉚接速度的方法，通過確定材料的伸長率、強度變化曲線等步驟，快速確定材料的鉚接溫度和鉚接速度，確保材料獲得高強度自衝鉚接接頭，減少材料自衝鉚接工藝探索實踐，降低合金鉚接成本；是一種新型、簡便的低延性材料自衝鉚接預熱溫度和鉚接速度確定方法。
文檔編號B29C65/60GK101856714SQ20101019821
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月11日 優先權日2010年6月11日
發明者劉忠俠, 王軍偉, 王培中, 王明星 申請人:鄭州大學;通用汽車全球技術經營公司