Page 199 - 《应用声学》2023年第2期

第 42 卷 第 2 期 许龙等： 超声自冲铆复合连接成形性及力学行为研究 387

能和成形结构。Wang 等 [14] 通过固化后 SPR(PC-
0 引言 SPR) 方法研究了碳纤维增强复合材料与铝合金片

接头的力学性能和失效模式，发现与R-SPR接头相
随着航空航天技术的飞速发展，飞机速度可达
比，PC-SPR 接头的强度更好。
2.2 Ma 以上，此时机身局部区域在飞行过程中会
目前，针对超声波金属焊接对SPR 性能影响的
长时间处于 150 C 以上的高温环境，因此对飞机蒙
◦
相关研究，国内外尚未见报道。前期试验验证，选用
皮材料选择有着特殊的要求。而 2A12 和 6061 铝合
6061 铝合金为上板，2A12 铝合金为下板时，SPR 成
金因其比强度高、加工性能优良、耐腐蚀性好和可
形性及静力学性能更优。因此本文采用 SPR 连接
热处理强化等优点，被广泛应用于航空航天工业领
6061-2A12 铝合金异种接头，而后用超声波金属焊
域 [1−2] 。通常情况下，飞机蒙皮采用传统铆接进行
接对 SPR 接头进行复合连接，研究超声波金属焊接
连接，但传统铆接需要进行预成孔，机身上存在大量
对 SPR 成形性及力学行为的影响，旨在为 SPR 连
待铆点，这就会大大降低生产效率，因此研究航空铝
接强度和硬度相对较高、塑形差的合金材料提供相
合金薄板材料连接新技术是非常有必要的。近年来
应数据支撑。
兴起的自冲铆接 (Self-piercing riveting, SPR) 技术
是一种新型机械紧固连接技术，适用于轻合金薄板
1 试验
材料间的点连接 [3−4] 。该技术有诸多优点，如可实
现异种轻合金薄板材料的连接；无需对连接板进行 1.1 SPR试验
预打孔或预处理，操作工艺简单；生产周期短、自动 SPR 是近年来兴起的一种快速机械冷成型工
化程度高、易实现大批量现代化生产 [5−8] 。 艺，利用铆接过程中上下板材及铆钉的塑性大变形
但SPR 在连接强度高、硬度高和塑性较差的合 和回弹所形成的机械内锁来实现对同质或异质薄
金材料时，易出现成形困难、基板开裂、铆钉镦粗 板材料的连接 [15] 。该技术整个工艺过程可描述为：
等现象。因此各国研究人员主要通过工艺改进和 在冲头的作用下，让半空心铆钉压入板材，使其刺穿
复合工艺两种方式以改善上述问题。从工艺改进 上板而不刺穿下板，且在模具和下板共同作用下，使
上看，采用热处理、添加夹层、增加铆钉硬度、改变 半空心铆钉腿部向四周张开形成牢固的机械内锁
铆钉形状等方式；从复合工艺看，采用搅拌摩擦焊、 来实现连接。SPR 工艺过程如图 1(a) 所示，可将铆
激光焊接、电磁焊和粘接等技术与 SPR 进行复合 接工艺过程大致分为4个步骤：
连接。Deng 等 [9] 提出使用感应线圈局部对超高强 (1) 预紧：铆钉在冲头作用下垂直于上板上
度钢(Ultra high strength steel, UHSS)薄片进行预 表面，压边圈在 SPR 系统作用下压紧上板上表面，
热，从而辅助 SPR 工艺对 UHSS 的铆接，发现感应 同时与下模具共同作用使得上下板材紧密接触并
加热可以显著提高UHSS的延展性和降低其抗变形 固定；
性。Zhao 等 [10] 采用改进的热处理方法研究了共晶 (2) 刺穿：铆钉在冲头作用下逐步刺穿上板并
硅形态与接头开裂条件的关系，发现硅含量及其形 刺入下板；

态对SPR接头上裂纹的萌生和扩展起主要作用。Li (3) 整形：铆钉在冲头作用下继续刺入下板，受
等 [11] 通过采用不同的印模工具和石榴石颗粒，研 模具和下板共同作用铆钉腿开始向四周张开，形成
究了局部摩擦对铆钉插入过程、接头特性和静搭抗 机械内锁结构；
切剪强度的影响，发现局部摩擦在铆钉穿孔位置对 (4) 释放：冲头达到 SPR 系统预设刺穿压强和
搭接处剪切强度影响最大。Xian 等 [12] 提出通过摩 行程参数，作用停止并复位。
擦 SPR(F-SPR) 工艺研究转速、给料等参数对接头 试验板材分别为 6061铝合金板和2A12铝合金

形貌和力学性能的影响，发现铆钉转速和进料速率 板，尺寸均为 110 mm×20 mm×1.5 mm，铆钉长度
是决定单侧 F-SPR 过程中产热和接头形成的两个 为 5 mm，下模为凸模。铆接试验在深圳一浦莱斯
关键因素。Zhang等 [13] 提出预穿孔SPR(PH-SPR) 公司生产的SPR 设备(EPRN-TF型)上进行。过程
的新技术，并通过与常规 SPR(R-SPR) 接头进行比 参照 GB 2649-89 焊接接头机械性能试验取样方法。
较，分析了 PH-SPR 接头的接头质量、强度、失效性 铆接过程通过载荷 - 行程曲线在线监控铆接质量，