Page 159 - 《应用声学》2024年第6期

第 43 卷 第 6 期 许龙等： 低温环境下超声自冲铆接头力学性能 1335

self-piercing riveting joints at low temperature showed brittle fracture morphology. Ultrasonic solid-phase weld
marks were observed inside the ultrasonic self-piercing rivet joint, and metallurgical connections appeared inside
the joint. The above results show that ultrasonic metal welding can effectively improve the low temperature
resistance of self-piercing riveting joints.
Keywords: Low temperature environment; Ultrasonic welding; Self-piercing riveting; Mechanical behaviors;
Fracture analysis

的连接机理和损伤，并推导出了复合材料损伤本构
0 引言
模型。
低温是车身材料在使用时必须考虑的环境因
随着新能源汽车的蓬勃发展，汽车节能化问题
◦
已成为未来汽车技术一大重要发展方向，而解决汽 素，部分地区所处温度可以达到 −30 C [11] 。目前，
车节能化问题最有效的方法是实现车身轻量化。实 针对低温环境下超声波金属焊接对 SPR 头力学性
现车身轻量化的主要途径是使用铝合金、镁合金与 能的影响尚未见相关研究，本文采用 SPR 与 USPR
工艺连接 5A06 铝合金，并对接头在低温下的力学
钛合金等轻质合金来代替传统的钢材用作车身的
薄板材料 [1] 。自冲铆接(Self-piercing riveted, SPR) 性能进行分析，为SPR技术的发展提供相关参考。
技术作为一种新兴的机械连接工艺，能够实现薄板
1 试验
材料的有效连接，具有工艺简单、连接强度高和自
动化程度高等诸多优点，大量应用于车身制造中 [2] 。 1.1 材料选择与试样制备
但是，SPR 技术仍存在一些缺点，在连接强度
试验选用 5A06 铝合金板进行 SPR，板材尺寸
较高的板材时容易出现钉脚张开度低、铆钉镦粗和
为 110 mm×20 mm×1.5 mm，其力学性能参数如
接头出现微小裂纹等问题 [3] 。为了解决这些难点，
表 1所示。
国内外学者对 SPR 技术进行了大量研究。扶文生
等 [4] 对不同规格底模和铆钉组合下的 AA5183-O 表 1 5A06 铝合金力学性能
铝合金 SPR 头进行了有限元仿真，并分析了接头的 Table 1 Mechanical properties of 5A06
aluminum alloy
成型机理与力学性能，发现采用 36MnB4 硼钢铆钉
和平模的接头综合性能更优，能够满足相对较高的 杨氏模量/GPa 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 伸长率/%
承载需要，适用于对抗冲击性能要求较高的结构。
80 256 223 20
黄志超等 [5] 将 M005 丙烯酸高强度结构胶、EVA 泡
沫棉作为层合板制备 AA5052 SPR 头，研究了接头 如图 1 所示，通过 5A06 铝合金搭接制备试样，
的成型质量与静强度，发现层合板作为上板时成型 试样尺寸均为 110 mm×20 mm×1.5 mm，重叠长
质量更佳。许龙等 [6] 将超声金属焊接与 SPR 结合 度为 20 mm，铆钉的高度、直径分别为 5.5 mm、
制备了超声 SPR头(USPR)，发现，超声焊接在接头 7.7 mm，铆钉硬度为H6；底模高度为8 mm，深度为
中形成了超声固相焊，提高了SPR头的稳定性。Ma 1.7 mm。
等 [7] 采用摩擦SPR(F-SPR)工艺连接AA5182铝合 USPR 试验在深圳一浦莱斯公司生产的 SPR
金，与 AA5182 铝合金 SPR 头进行平行比较，发现 设备 (EPRN-TF 型) 上进行，后续采用广州新栋
F-SPR 接头具有更高的剪切强度和更长的疲劳寿 力 公 司 生 产 的 超 声 波 金 属 焊 接 设 备 (NP-C-15-
命。Huang 等 [8] 结合了喷丸工艺，对 AA5052 铝合 6800VA) 对 SPR 头进行超声焊接，制备 USPR 头。
金进行了喷丸处理后进行SPR，研究喷丸对SPR头 铆接过程参照 GB 2649-89 焊接接头机械性能试验
性能的影响，发现喷丸接头的静强度、疲劳强度增 取样方法。铆接过程中，实时观察生成的载荷 -位移
加，裂纹扩展速率降低。Çavuşoğlu 等 [9] 研究了采 曲线并在铆接完成后切开接头观察其成型质量，使
用SPR 连接的 DC04 钢和 AA5182铝合金三重组合 用最优的铆接参数进行批量铆接，制备 5A06-5A06
的接头力学性能，发现上层为硬质材料、下层为软 SPR头(SAA)，后续对SAA接头进行超声金属焊接
质材料时铆钉在下板中的延展率更高。Liu等 [10] 研 制备 5A06-5A06 USPR 头 (USAA)，用于后续静拉
究了碳纤维增强聚合物复合材料和铝合金 SPR 头 伸性能测试。