摘要：为了研究铝锂合金、钛合金同种材料组合自冲铆接试件的拉伸与剥离性能，本文采用铝锂合金1420、钛合金TA1材料为研究对象，将以单搭连接、T型连接两种不同方式分别制作铝锂合金和钛合金的铆接件，并通过力学试验设备对两种材料的两组连接件分别进行拉伸试验与剥离试验，获得各组连接件的力学性能数据，并進行分析研究。结果表明：同种材料，两组组合形式搭接的连接件力学性能差距较大。铝锂合金单搭组合连接件拉伸试验的最大载荷均值为6577.7N，T型组合连接件剥离试验最大载荷均值为1733.9N。而钛合金的单搭组合的最大载荷均值为4885.3N，T型组合的最大载荷均值为1212.4N。就能量吸收而言，两种材料的DD组连接件虽然连接失效前的塑性变形小于TX组连接件的，但DD组的最大载荷均值远大于TX组连接件的，故而前者能量吸收值皆大于后者的。

Abstract： In order to study the tensile and peeling properties of self-piercing riveted specimens of the same material of aluminum-lithium alloy and titanium alloy， this paper uses aluminum-lithium alloy 1420 and titanium alloy TA1 as the research objects， and uses single-lap connection and T-shaped connection to produce the riveting parts of aluminum-lithium alloy and titanium alloy， and performs tensile test and peeling test to the two sets of connecting pieces of the two materials separately through the mechanical test equipment to obtain the mechanical performance data of each group of connecting parts and conduct analysis and research. The results show that the mechanical properties of the joints of the same material and the two sets of combined forms have a large gap. The average maximum load in the tensile test of the aluminum-lithium alloy single-lap combined connector is 6577.7N， and the average maximum load in the peeling test of the T-shaped combined connector is 1733.9N. The average maximum load of the titanium alloy single-strand combination is 4885.3N， and the average maximum load of the T-type combination is 1212.4N. As far as energy absorption is concerned， although the plastic deformation of the DD group connectors of the two materials before connection failure is smaller than that of the TX group connectors， the average maximum load of the DD group is much greater than that of the TX group connectors， so the energy absorption value of the former is greater than the latter.

关键词：钛合金;铝锂合金;T型自冲铆连接;剥离试验

Key words： titanium alloy;aluminum-lithium alloy;T-type self-piercing riveting connection;peeling test

中图分类号：TG938                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）28-0186-03

1  研究意义与现状

我国汽车制造业要完成由高能耗、高污染的经济发展模式向绿色经济发展模式的转型，最主要的实现途径就是实现汽车车身的轻量化。使用新型高强度轻质合金作为车身结构的优化材料是实现轻量化的有效途径。在当许多具有优势的新型轻质合金材料焊接性能差或需要实现不同材質之间的材料连接时，自冲铆接技术将有着极大的优势和潜力。钛合金材料具有比强度高、耐腐蚀性好、热膨胀系数低、对环境无污染等特点，被广泛应用于航空航天领域[1]。相较普通铝合金而言，铝锂合金以其密度低、刚度和强度高、抗疲劳性性能优越等特点，作为结构件可提高15-20%刚度和6%的弹性模量，同时降低3%的密度，减轻10-15%的质量[2-4]。

国内外专家学者对自冲铆接技术发展和推广也做了许多研究。何晓聪等[5]研究了5052铝合金和H62铜合金自冲铆的机械性能，提出连接板材的特性对疲劳强度影响较大，并指出了微动磨损现象的存在加速了表面裂纹的产生和连接整体的失效。康少伟等[6]对自冲铆连接件的微动磨损机制进行研究，提出改善结构、加大连接板间接触的强度、减小摩擦系数等可以有效减小微动磨损的影响。Se-Hyung Kang等[7]对5052铝合金十字方式、T型方式以及单搭方式的铆接试件作了静力学及疲劳测试，并指出微动磨损的存在使得裂纹在上下板之间和铆钉与板材之间萌生。

本文通过铝锂合金1420、钛合金材料为研究对象，以单搭连接、T型连接两种不同连接方式分别制作铝锂合金和钛合金的铆接件，并通过力学试验设备对两种材料的两组连接件分别进行拉伸试验与剥离试验，获得各组连接件的力学性能数，并进行分析研究。

2  试验研究

2.1 材料准备

本试验所用铝锂合金1420（AL1420）材料选取2mm厚度，钛合金（TA1）选用厚度为1mm板材。两种板材选用相同的长、宽尺寸，长和宽分别是110mm、20mm。两种板材的材料基本力学性能如表1所示。

2.2 连接及力学试验

本试验用自冲铆接系统对AL1420、TA1进行铆接，制备两种材料的单搭和T型两种组合形式的自冲铆连接件。两种材料的单搭组合的连接件皆编号为DD组，T型组合的连接件皆编号为TX组。各组分别制备5件样本。经过铆接系统对AL1420、TA1进行连接试验，经过对铆接后成型质量的分析，根据其钉脚张开度、残余底厚等参数的比较，确定了铆接连接件的最优铆接参数。铆接AL1420连接件的预压紧压强、刺穿压强、整形压强分别为5MPa、18.5MPa、11MPa，行程为130.5mm，铆接TA1连接件的预压紧压强、刺穿压强、整形压强分别为5 MPa、20.0MPa、12MPa，行程为133.5mm。单搭与T型组合搭接的连接件结构如图1所示。

通过观察连接件的子午面成型情况，可知铆钉在上下板间具有良好的成型性。对两种材料的DD组和TX组的连接件在材料试验机上进行静力学试验。设定DD组的拉伸速率和TX组的剥离速率皆为5mm/min，门槛值为99%。对两组接头分别进行5次重复性拉伸和剥离试验。

3  结果分析

3.1 失效分析

对单搭组合和T型组合的自冲铆连接件的失效形式分析，本文以AL1420制备的连接件为例。图2所示为AL1420的两组连接件分别进行了拉伸试验与剥离试验后的失效情况。由图2（a）可知，单搭组合的DD组连接件在进行拉伸试验时，因连接件受轴向力不对中存在一定的力矩，随着载荷和位移的变化在连接件失效时连接部位发生了翘曲。随着载荷增加，铆钉脚勾住的下板部位不能够支撑连接，下板内锁部位圆孔发生变形，进一步铆钉从下板拉脱，同时上板与铆钉头接触的部位因拉伸过程铆钉受力出现了不同程度的凹陷，甚至发生铆钉部分与上板分离。由图2（b）可知，当剥离试验进行时，TX组的T型连接件铆接内锁机构除受到轴向拉力的同时，还会受到以铆钉到板材折弯处距离为力臂的力矩影响，因而铆钉直接从下板拉脱，伴随下板折弯部分发生一定程度弯曲。较DD组的失效形式，因TX组的受载复杂，TX组上板与铆钉头接触区域及下板内锁部位圆孔皆变形较小。TX组下板铆接处显著的留下铆钉从下板剥离时的部分刮痕。

3.2 能量吸收

能量吸收作为连接件受载失效时所需吸收的能量，其大小可以用于综合评价连接性能。AL1420制备的DD组能量吸收值为24.68J，TX组的能量吸收值为10.95J。DD组的单搭组合连接件虽然连接失效前的塑性变形均值为6.63mm小于T型组合连接件的9.23mm，但DD组的最大载荷均值为6577.69N远大于TX组连接件的1733.92N，故而前者能量吸收能力优于后者的。TA1制备的DD组能量吸收值为12.04J，TX组的能力吸收值为11.09J。

3.3 强度分析

连接件的强度分析从对其加载的过程及其承受最大载荷能力和发生的最大变形失效位移等方面出发考虑。对两种材料的DD组和TX组的连接件在材料试验机上分别进行静力学试验。试验得到连接件的载荷-位移曲线，通过曲线分析加载过程和连接件的失效过程间的联系。以AL1420材料的载荷位-移曲线为例分析，如图3所示。从载荷-位移曲线观察两组连接件，在失效发生时TX组时在较短的时间和位移内迅速出现完全失效，而DD组则是从承载最大载荷到完全失效具有一定的载荷缓冲下降阶段。这一差别在将来的工程应用中要予以关注。

将静力学试验所获得数据通过MATLAB中lillietest拟合优度函数进行数据是否服从正态分布的检验。经函数检测，所得数据均服从正态分布。各组连接件最大载荷和最大位移量的统计量见表2。其中AL1420材料的DD组和TX组统计量如表中AL1420-DD组、AL1420-TX组所示，TA1材料的DD组和TX组统计量如表中TA1-DD组、TA1-TX组所示。

由表2可知，两种材料在最大位移量上，TX组因存在折弯，连接件在受到剥离的轴向作用力时除铆钉内锁结构受载形变剥离外，折弯处也发生了较大塑性变形。从而使得TX组连接件在失效时出现较大的位移量。从连接件承载能力分析，AL1420材料的DD组连接件最大载荷均值为6577.7N，TX组连接件的最大载荷均值为1733.9N。TA1材料的DD组最大载荷均值为4885.3N，TX组的为1212.4N。同一种材料的两组连接件成型参数、材料等皆相同，仅搭接形式存在差别而导致连接处受力情况不同，T型搭接在剥离时连接处所受载荷更为复杂，使得AL1420的TX組连接件承受载荷的能力仅为单搭DD组的26.4%，TA1的TX组承载能力也仅为单搭DD组的24.8%。这也进一步说明AL1420、TA1的自冲铆连接件的抗剥离性能要弱于其抗拉伸的性能，所以在铝锂合金1420、钛合金TA1的工程结构设计中可以优先考虑使用单搭的搭接方式应用。

参考文献：

[1]李婷.一种新型低成本钛制造工艺-场辅助烧结-锻造[J]. 钛工业进展，2017，34（3）：44.

[2]何晓聪.薄板材料连接新技术[M].北京：冶金工业出版社，2016.

[3]赵一生.应变速率对8090铝锂合金动能吸收能力的影响[J].兵器材料科学与工程，2010，33（4）：43-45.

[4]李玉龙，杨文忠，刘元镛.铝锂合金材料冲击动态特性的实验研究[J].西北工业大学学报，1994，12（4）：542-546.

[5]X He， L Zhao， C Deng. Self-piercing riveting of similar and dissimilar metal sheets of aluminum alloy and copper alloy[J]. Materials & Design， 2015， 65： 923-933.

[6]康少伟，黄志超，陈兴茂.自冲铆接中微动的研究概况[J].煤矿机械，2008，29（6）：7-9.

[7]SH Kang， HK Kim. Fatigue strength evaluation of self-piercing riveted Al-5052 joints under different specimen configurations[J]. International Journal of Fatigue， 2015， 80： 58-68.

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基金项目：2019年度市级科技计划指导性项目（2019020）。

作者简介：程强（1989-），男，浙江衢州人，助理研究员，硕士，主要从事薄板材料连接技术研究。