Page 201 - 《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 389

7000 钉头环形接触区和上板与铆钉腿接触区均可观测
6000 到明显的黑色焊痕，如图 4(b) 中白圈所标，说明超
5000 声焊接使SPR接头内部形成了超声固相焊。这是因
ᣒᕳ/N 4000 为高频的超声振动使得铆钉与上板发生高速摩擦，

3000 二者接触面发生变形和有限的温升，从而实现了一
2000 种不发生融化的固态焊接。
1000
表 1 接头成形质量参数
0
1 2 3 4 5 6 7
Table 1 Quality parameters of the joints
ͯረ/mm
(a) SPRଌ݀
钉头高度/mm 内锁值/mm 残余底厚/mm
7000
SPR 0.32 0.29 0.41
6000
USPR 0.21 0.42 0.29
ᣒᕳ/N 5000
4000
3000
2000
1000
0
1 2 3 4 5 6 7
ͯረ/mm
(b) USPRଌ݀ (a) SPRଌ݀ʽ౜

图 3 SPR 接头拉伸试验
Fig. 3 Tensile test of SPR joints

2 超声焊接试验结果及分析

2.1 对SPR接头成形质量的影响
(b) USPRଌ݀ʽ౜
采用剖面直观检测法并参考国际常用的 3 个检
测标准来评价接头的成形质量。接头成形质量参数 图 4 接头内部宏观图
如表 1 所示。SPR 连接是利用铆接过程中基板和铆 Fig. 4 Macro view of the inside of the joints
钉的塑性变形和回弹形成的机械内锁来实现的，而 2.2 对SPR接头静力学性能的影响
接头的抗拉强度也主要由接头的内锁量决定。由 由图 3 可知，接头载荷 -位移曲线可大致分为 3
表 1 可知，加入超声焊接后，USPR 接头的内锁量 个变形阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段和失效
0.42 mm，相较SPR接头的0.29 mm，提升了44.8%； 阶段。从弹性变形阶段看，未加超声焊接的 SPR 接
USPR 接头的钉头高度为 0.21 mm，相较 SPR 接头 头，其弹性变形阶段较为一致，且呈现出快速线性
的 0.32，下降了 34.4%；USPR 接头的残余底厚为 上升趋势。因为接头中板材变形量较小，板材变形
0.29 mm，相较SPR接头的0.41 mm，下降了29.3%。 阶段较短，因此接头的弹性变形阶段主要体现为接
由此可知，超声焊接能显著提升接头的内锁值和降 头内锁结构的初期弹性变形。然而加入超声焊接的
低其钉头高度，并使残余底厚保持在合理范围内，说 USPR 接头，由于接头和板材接触部位存在超声固
明超声焊接可提升SPR接头的成形质量。 相焊，变形阶段需克服此处部分焊点，因此其变形
为进一步了解超声焊接对 SPR 接头内部的影 初期呈现缓慢线性增加。从塑性变形阶段看，SPR
响，将USPR接头和 SPR 接头试样沿接头子午线方 接头以较快速度经历弹性变形阶段，以较大的载荷
向切开，如图 4 所示。对比图 4 (a) 和图 4(b) 两组图 进入塑性变形阶段；同时，随着变形位移继续增加，
片可以发现，加入超声焊接后，USPR接头上板与铆 持续上升直至载荷最大值。然而加入超声焊接的