铝钛异种板材超声无铆接头力学行为及失效机理_王世成.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023铝钛异种板材超声无铆接头力学行为及失效机理王世成1,2,李激光1,赵 伦2,郭子鑫1,2,霍小乐2,梁召峰2,周光平2,Md Shafiqul Islam3(1.辽宁科技大学 材料与冶金学院,辽宁 鞍山 114051;2.深圳职业技术学院 智能制造技术研究院,广东 深圳 518055;3.瑞典布京理工大学 工程学院 机械工程系,瑞典 卡尔斯克鲁纳 37179)摘要:为提升无铆接头的静力学性能,采用了一种超声金属焊与无铆连接复合工艺。以 5A06 铝合金与 TA1 钛合金为基板,采用无铆连接工艺实现铝钛异种板材的连接并进行超声焊处理,通过拉伸-剪切实验和微观组织观察,探究了超声焊对异种板材无铆接头力学性能的影响。结果表明:超声焊可提升无铆接头的成形质量和静力学性能,尤其铝板为上板时。超声无铆复合工艺强化的根本机制是接头内部存在固相焊,从而使受力形式发生改变,从接头颈部受力变为先焊合区受力。超声焊处理提升了铝合金板的塑性,而钛合金板无明显变化。关键词:超声金属焊;无铆连接;异种合金;力学行为;微观组织DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.006中图分类号:TH131.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0035-08Mechanical behaviors and failure mechanism of ultrasonic rivetless joint for Al-Ti dissimilar plate Wang Shicheng1,2,Li Jiguang1,Zhao Lun2,Guo Zixin1,2,Huo Xiaole2,Liang Zhaofeng2,Zhou Guangping2,Md Shafiqul Islam3(1.Faculty of Materials and Metallurgy,University of Science and Technology Liaoning,Anshan 114051,China;2.Institute of Intelligent Manufacturing Technology,Shenzhen Polytechnic,Shenzhen 518055,China;3.Department of Mechanical Engineering,Faculty of Engineering,Blekinge Institute of Technology,Karlskrona 37179,Sweden)Abstract:To enhance the static mechanical properties of rivetless joint,a composite process of ultrasonic metal welding and rivetless con-nection was used.Then,taking 5A06 aluminum and TA1 titanium alloy as the substrates,the connection of Al-Ti dissimilar plates was conducted by rivetless connection,and the ultrasonic welding treatment was performed.Furthermore,the influences of ultrasonic welding on the static mechanical properties of rivetless joints for Al-Ti dissimilar plates were explored by tensile-shear test and microstructure ob-servation.The results show that the ultrasonic welding can improve the forming quality and static mechanical properties of rivetless joint,especially when the aluminum plate is the upper plate.The fundamental mechanism of ultrasonic and rivetless composite process strengthe-ning is the presence of solid-phase welding inside the joint,which leads to the change of stress,from the stress on the neck of joint to the stress on the welded area.Ultrasonic welding improves the plasticity of aluminum alloy plate,while the titanium alloy plate has no obvious change.Key words:ultrasonic metal welding;rivetless connection;dissimilar alloy;mechanical behaviors;microstructure收稿日期:2022-07-25;修订日期:2022-10-27基金项目:国家自然科学基金资助项目(12104324);深职院博士后启动基金(6022310046K)作者简介:王世成(1998-),男,硕士研究生E-mail:shichengwang98 通信作者:赵 伦(1988-),男,博士,副研究员E-mail:zhaolun 随着航空工业的不断发展,以铝、镁、钛及其合金为主的轻合金被大量应用于飞机减重。与镁合金相比,铝合金、钛合金凭借其优秀的抗腐蚀性能和抗蠕变性能,被广泛应用于航空航天与军工领域1。目前,国内外已有许多用于连接这些轻合金的新技术,如点焊、自冲铆接和粘接2,但这些连接方法也存在各自的不足之处,如点焊对板材的表面质量要求高、连接过程发热、可能存在焊接缺陷等,且不适合连接熔点不同的材料3。自冲铆接的铆钉会刺穿上、下板,影响材料的密封与防腐性能。同时自冲铆接需要额外的铆钉,增加了成本和重量 4。与以上这些连接方法相比,无铆铆接不需要额外材料即可以实现板材的连接,这大大提高了飞机的轻量化程度 5,同时,无铆铆接还具有提高产品疲劳性能、易于自动化生产、能连接多个相似或不同板材和不破坏连接件表面等优点6。为提高接头质量,国内外的学者进行了各种研究。Zhang X G 等7尝试使用阶梯冲头进行无铆铆接,结果发现使用阶梯冲头可以增加无铆接头的颈部厚度,新接头的拉伸强度与剪切强度分别提升了26.1%和 59.2%。Ren X Q 等8研究了摩擦因数对5182 铝合金板无铆连接的影响,发现板材间的摩擦因数对材料的流动有显著影响,摩擦因数的增加会导致接头颈厚值的减小和互锁量的增加。Peng H等9设计了二冲程压扁铆接法,使接头吸收的能量提高了 82%。Sabra A M K 等10分析了不同回火条件下 7075 铝合金板材的铆接性能,发现 T6 回火状图 1 无铆连接与超声焊处理流程(a)无铆连接设备(b)超声焊接设备示意图(c)试件几何尺寸Fig.1 Treatment process for rivetless connection and ultrasonic welding(a)Rivetless connection equipment(b)Schematic diagram of ultrasonic welding equipment(c)Geometry sizes of specimen态下(未进行退火处理,合金的极限强度较高,为695 MPa)的 7075 铝合金无铆铆接性能较差。杨程等11对钢铝无铆连接的疲劳寿命进行了分析,对比得知剪切工况下接头的疲劳寿命最长。李奇涵等12使用 Kriging 模型优化了无铆铆接的结构工艺参数,使最大抗拉力提高了 9.4%,最大剪切力提高了26.4%。韩善灵等13研究了成形速度及温度对无铆连接的影响,研究表明 300 下接头的嵌入量随着冲头速度的提高而增大,接头强度显著提高。以上研究从不同角度探究了无铆接头的力学性能并进行了优化,但针对超声金属焊接对无铆接头性能影响的相关研究,国内外尚未见报道。本文提出采用超声焊对已成形的 5A06 铝合金与 TA1 钛合金异种板材无铆接头进行复合处理,进而提高无铆接头的力学性能,为无铆铆接工艺的强化处理提供参考。1 材料选择与实验流程实验选用 5A06 铝合金与 TA1 钛合金板材,工件尺寸均为 110 mm20 mm1.5 mm,材料力学性能如表 1 所示,其数据在 MTS(CMT4304)万能实验机上使用引伸计(20 mm 标距)测试得到。表 1 TA1 钛合金及 5A06 铝合金板材的力学性能Table 1 Mechanical properties of TA1 titanium alloy and 5A06 aluminum alloy plates材料弹性模量/GPa抗拉强度/MPa屈服强度/MPaTA1 钛合金963533165A06 铝合金80256223 无铆连接与超声焊处理流程如图 1 所示。采用深圳一浦莱斯有限公司生产的无铆铆接设备 P50 S进行无铆连接实验,试样设计和铆接过程参照GB/T 2649198914中焊接接头力学性能实验的取63锻压技术 第 48 卷样方法,并通过载荷-行程曲线在线监控铆接质量。铆接成形后采用线切割横向切开接头,再通过光学显微镜检查接头截面,并对接头互锁量、颈后值、底部厚度进行测量以评定接头质量。共制备异种自冲铆接接头试样 CAT(5A06-TA1)和 CTA(TA1-5A06)各 20 个,其中每种试样各取 10 个用于超声焊复合连接,超声焊后的接头试样分别命名为 UC-AT 与 UCTA。超声焊采用广州新栋力公司生产的 NP-C-15-6800VA 型超声波焊接机进行。经过前期的反复实验确定了超声焊接参数为:焊接能转化器频率为 20 kHz,超声波发生器输出功率为 2200 W,焊接电流为 22 A,振幅为 70%,时间为 8 s,焊接压力为 40 N,焊接过程中焊接机的焊接压力与保持时间均不变。焊接开始前会对焊接工具头进行校核处理,校核合格后再进行焊接。上述各组接头的拉伸-剪切实验在美国 MTS(CMT4304 型)微机控制万能实验机上进行,无铆铆接接头和超声焊复合接头各 2 组,每组 10 个,设定拉伸速率为 5 mmmin-1以保证静力学接头的静力学性能的稳定。为减小试样受力不对中造成的实验误差,分别在试样两端加装 20 mm 25 mm 1.5 mm 的板状 5A06 铝合金垫片。2 实验结果与分析2.1 接头成形质量为了研究超声焊处理对无铆铆接接头性能的影响,使用线切割横向切开接头,并在光学显微镜下观察接头截面的成形质量,各接头横截面如图 2 所示。由图 2 可知,各接头虚线两侧的对称性良好,CAT 和UCAT 接头的成形质量良好,但 CTA 和 UCTA 接头的上板颈部出现了环绕一周的裂纹(图 2c 和图 2d 中圆圈所示)。为了更直观地说明各接头的成形质量,现将各接头的颈厚值 Tn、互锁量 Tu、底部厚度 X 列于图3。图2 无铆接头的典型截面(a)CAT 接头(b)UCAT 接头(c)CTA 接头(d)UCTA 接头Fig.2 Typical sections of rivetless joints(a)CAT j