CN109940100A - 一种抑制铝合金自冲铆接头裂纹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抑制铝合金自冲铆接头裂纹的铆接方法，将铸铝部件进行预先热处理，再将钢板或其他高延展性的材料与铸铝部件进行铸铝在下的SPR铆接，即完成。与现有技术相比，本发明通过对铸铝部件进行铆前预先热处理，进一步提高铸铝部件的塑性变形能力；同时也可以改善和消除铸铝部件的表面共晶硅偏聚等现象，使铸铝部件的组织更加均匀，从而抑制铆接裂纹的形成，提高接头的服役寿命等。

Description

一种抑制铝合金自冲铆接头裂纹的方法

技术领域

本发明属于金属处理技术领域，涉及一种抑制铝合金自冲铆接头裂纹的方法。

背景技术

多材料混合车身设计成已为最为重要的车身轻量化手段，但传统的工艺技术却难以满足多种材料混合连接，使得轻量化多材料混合车身的装配面临巨大挑战。英国Henrob公司提出的不穿透下层板的SPR(Self-Piercing Riveting)自冲铆接工艺，作为一种机械连接方式，由于其热输入极低，可以有效避免热连接所引起的界面硬脆相、接头软化等问题，广泛应用于汽车车身的制造。

SPR工艺通过半空心铆钉刺穿上层板并在凹模的作用下向外张开，与下层板之间形成机械自锁而实现连接。SPR接头强度主要由铆钉与下板之间的底切量以及板材和铆钉的强度决定，通过优化凹模形貌与铆钉长度可以提高底切量。SPR接头具有良好的静态力学性能和较高的疲劳寿命，已经被多个汽车制造公司应用于铝/钢等异质材料以及多层板的连接。

随着铝合金材料在车身中的广泛应用，铝合金的板材、型材以及铸件所占的比例不断增加，钢铝混合结构的应用越来越多，但对于铸铝等低延展率材料，SPR连接存在着一些问题，主要表现为在SPR加工的塑性变形过程中，特别是当钢板在上、低延展率材料(铸铝等)在下时，铆钉在刺穿上层钢板后，与凹模接触的低延展率材料的下层板的接头内部或底部容易产生开裂；铸铝等低延展率材料在SPR加工中的裂纹现象严重降低了接头质量，并且给接头后续的安全服役留下隐患，特别是会影响到接头的疲劳性能。

为解决低延展率材料在SPR过程中裂纹现象，专利CN103796773A提出了通过在制造接头前的120分钟内、和/或在制造接头期间的至少部分时间中，对7000系列铝合金板材进行热处理，从而暂时降低工件接合区域的拉伸强度，该方法只适用于AA7000系列铝合金板材，且对工艺过程的时间要求过高，实际生产过程的可操作性较差；专利CN104611652A提出了至少200MPa的屈服强度和可达0.4的r/t(弯曲性)比值的6xxx系列铝合金板材的热处理技术，该方法只适用于AA6XXX系列铝合金板材，且没有给出具体的SPR连接过程和方法；CN101495253A提供了采用激光加热低延展率材料，以提高材料的可成形性方法，但通过激光进行加热成本较高，难以大规模应用。

针对钢铝结构的SPR连接，特别是钢-铸铝SPR连接中接头存在的裂纹问题，目前的研究主要集中在疲劳试验过程中疲劳裂纹的萌生和扩展机理方面，关于SPR铆接过程中产生的裂纹产生机理及其抑制方法的研究，未见公开的相关专利，也未见公开的具体技术实施过程的报道。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种抑制铝合金自冲铆接头裂纹的方法，特别是抑制铝钢异种金属自冲铆接头裂纹的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种抑制铝合金自冲铆接头裂纹的铆接方法，将铸铝部件作为下板并进行预先热处理，再将钢板或其他高延展性的材料作为上板与铸铝部件进行铸铝在下的SPR铆接，即完成。

进一步的，预处理为：在炉中于520-550℃下加热并保温3-12h，随后随炉冷却。

进一步的，所述上板为钢板或或变形铝合金板材等其他高延展性的材料，钢板优选340低碳钢板。

进一步的，上板的厚度为0.4-0.85mm。

进一步的，铸铝部件与上板铆接的接头部分的厚度为1.5-3mm。

进一步的，铸铝部件的材质为Al-Si-Mg三相铝合金，其熔程区间570～590℃，抗拉强度≥100Mpa。

进一步的，铆接所用的铆钉的尺寸满足：

d₂＝2t_min+L (1)；

L＝t₁+t₂+C (2)；

C＝0.617d₂-0.1246 (3)；

上述式(1)～式(2)中，d₂为铆钉的腿部直径，L为铆钉的长度，t₁为上板的厚度，t₂为铸铝部件的接头部分的厚度。

进一步的，铆接的速度为230-330mm/s。

本发明通过研究发现，SPR接头是由铆钉在被连接的板材部件中形成稳定的“π”型结构，这就要求上下板材和铆钉都要发生较大的变形，特别是位于下层的板材，其塑性变形能力要与铆钉腿部的扩展程度相匹配。铸造铝合金的塑性变形能力相对较差，因此，当铸铝部件在SPR过程中发生较大变形时，在接头处的部分位置产生了铆接裂纹。

且一般而言，SPR过程的铸铝部件的裂纹分为宏观裂纹和微观裂纹两种，其中，宏观裂纹包括板材下表面的环形裂纹(如图5所示，其中，a图为外观图，b图为a图中圆圈部分的电镜照片)和靠近凹模边缘处的短小裂纹(如图6所示，其中，a图为外观图，b图为a图中圆圈部分的电镜照片)；微观裂纹产生于以下四个位置(参见图7所示)：A铆钉腿部尖端处，裂纹细长且与该处板材变形方向一致；B下板材靠近凹模凸台侧，一族平行于板材下表面且靠近下表面的长裂纹；C远离铆钉腿部尖端且上层板碎渣聚集处，裂纹容易产生且扩展迅速，扩展方向位于该处板材变形的两个方向之间，该处裂纹扩展太过猛烈有直接撕裂的倾向；D铸铝板材“弯折”点上方，水平方向靠近铆鼻固定端下方处，变形虽小，但组织不均匀导致变形不协调，沿两种组织的交界面产生裂纹，并且裂纹贯穿了整个交界面，此外，交界面附近的基体组织也出现了沿晶界开裂的现象。

SPR接头中铸铝部件的裂纹形成的主要原因是：铸铝板材在接头处的大变形导致应力和应变集中分布，从而在这些位置产生裂纹。此外，在一些变形较小的位置，由于组织不均匀导致了变形不协调，加剧了裂纹的萌生和扩展，从而在两种组织的交界面处产生裂纹，并且裂纹贯穿了整个交界面，附近的基体组织也会产生沿晶界开裂的现象。

因此，本发明提出了Al-Si-Mg铸造铝合金SRP过程裂纹的抑制机理，即在保证接头有足够的静态强度的前提下，也就是在较高的铆接速度下，保证合适的接头底切量；同时采取铆前预先热处理，改善铸铝部件的塑性变形能力，从而对钢铝SPR接头裂纹进行有效抑制的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明中，以铸造铝合金为下层板，下层板在铆接过程中与凹模接触；所述的上层板可以为所述的钢板，也可以为其他高延展性的材料，如变形铝合金等；

2)针对Al-Si-Mg铸铝部件在上述SPR过程的出现的宏观裂纹和微观裂纹，提出了各类裂纹易发的位置特征和裂纹产生的本质原因，即由于SPR过程固有的较大的应力和应变集中，以及被连接铸铝部件的组织不均匀性，导致在SPR过程中的裂纹。

3)提出来用于抑制SPR铆接裂纹的铆接前预先退火热处理的方法，采用0.9～0.95Tm(合金固相线温度)的退火温度，以消除铸铝部件因机械加工引起的内应力，稳定铸铝部件的形状和尺寸，并使部分共晶硅球化，提高铸铝板材的塑性变形能力，消除了板材内部的不均匀组织和板材表面的共晶硅偏聚现象。

4)该铆前热处理方法，简单易行，可实现成批部件的热处理；不但成本低，而且热处理后的品质可准确调控，处理后的部件可以储存较长时间内使用，避免了因处理后的时效给实际生产造成的局限。

5)提出了即保证SPR接头的三个主要指标，并且能较好抑制裂纹的SPR加工工艺参数，获得合理的SPR接头形貌，形成的“π”型自锁结构保证了两层板间的可靠连接。

6)采用本发明的铆前热处理工艺，结合本发明提出的铆接工艺参数，对实际部件进行实例应用，不但对SPR过程的出现的宏观裂纹和微观裂纹都得到了可靠的抑制效果，并且接头拉剪载荷和时效模式均达到要求。

附图说明

图1为SPR铆接过程的示意图；

图2为接头部分的形貌示意图；

图3为铆钉的形状示意图；

图4为凹模的形状示意图；

图5为SPR铆接后的接头部分的板材下表面的宏观环状裂纹图；

图6为SPR接头的凹模边缘处的宏观短小裂纹图；

图7为SPR接头的微观裂纹的分布位置图；

图8为铆接速度与接头强度的关系图；

图9为铆接速度与拉剪试验力-位移曲线图；

图10为预先热处理后的铆接接头的宏观形貌图；

图11为铆接前经预先热处理后的铆接接头纵截面的部分形貌图；

图12为铆接前经520℃预先热处理后的铆接接头的纵截面关键位置的微观晶相图；

图13为SPR接头的形貌对比图；

图14为接头失效模式的对比图；

图15为铆接接头的截面数据图；

图16为接头拉剪载荷数据图；

图中，1-铆钉，2-冲头，3-压边圈，4-上板，5-下板，6-凹模。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提出了Al-Si-Mg铸造铝合金SRP过程裂纹的抑制机理，即在保证接头有足够的静态强度的前提下，也就是在较高的铆接速度下，保证合适的接头底切量；同时采取铆前预先热处理，改善铸铝部件的塑性变形能力，从而对钢铝SPR接头裂纹进行有效抑制的方法。

本发明包括以下几部分：

1、铸铝部件的铆前预先热处理：

铆接前对铸铝板材进行退火热处理，其作用是消除铸铝部件因机械加工引起的内应力，稳定铸铝部件的形状和尺寸，并使部分共晶硅球化，从而改善合金的塑性，进一步提高铸铝部件的塑性变形能力；同时也可以改善和消除铸铝部件的表面共晶硅偏聚等现象，使铸铝部件的组织更加均匀，从而抑制铆接裂纹的形成，提高接头的服役寿命。

本发明的铸铝部件的SPR铆前预先热处理的参数如下：

-退火温度：520℃～550℃；

-退火保温时间：3h～12h；

-加热速度和保温时间：根据不同部件的结构形式，以部件不产生裂纹和不发生大的变形为原则，且保证不使强化相熔化；

-冷却方式：随炉冷却。

2、合理的铆接速度及其与接头静态强度的关联

铆接速度是制铝钢异种金属SPR过程的关键参数，所谓的铆接速度是指铆钉刺入上板材内的速度；铆接速度直接影响SPR接头形貌(如图2所示)三个主要指标(底部厚度、剩余厚度、底切量)的关键参数；

低铆速下的SPR过程中，铆钉插入到下板材中较浅，且铆钉扩展不充分，所形成的自锁结构强度远低于上板材的抗拉强度，当SPR接头在受到外界载荷时，优先发生自锁失效，即铆钉腿部从下层板材中脱落出来，接头的连接强度较低；在一定范围内，铆速增大时，接头底切量增大，剩余厚度和底部厚度均减小；随着铆速的增大，接头底切量逐渐增大，铆钉腿部嵌入下层板越深，铆钉与下层板所形成的互锁程度就越高，接头的连接强度也就越高。

但是，当铆速过大时，SPR接头底切量的增加变得缓慢，且底部厚度过小导致下层板材有被铆钉腿部尖端刺穿的风险。此外，在较高铆速下进行铆接时，位于下层的铸铝板材在大变形处产生较多微观裂纹，部分位置的裂纹扩展明显，进而导致直接产生撕裂的宏观裂纹。

因此，选择合适的铆速对获得良好的铆接接头尤为重要。

本发明通过试验测试，图8和图9分别为铆接速度与接头强度和拉剪试验力-位移曲线的关系图，可知适宜的铆接速度为230-330mm/s。

以下结合具体实施例来对本发明进行更进一步的说明。

实施例1

取0.65mm的340低碳钢板与接头部分为2.5mm的AlSi10Mg铸铝部件进行钢上、铝下的SPR搭接，其中，铆钉的腿部直径Φ5.3mm、长度5mm，采用较高的铆速300mm/s，铆接设备选用Henrob电动伺服型自冲铆接设备。铆接过程的具体可参见图1，即将上板4(即钢板)与下板5(即铸铝部件)叠层放置在凹模6上，然后，在上板4与下板5的叠层件的上表面的压铆部位设置压边圈3，冲头2即对铆钉1进行冲压，实现铆接。铆钉的结构参见图3所示，凹模的形状参见图4所示。

当未进行铆前预先热处理时，在铆接结束后发现接头处铸铝板材的下表面产生开裂现象，形成一圈或半圈环形裂纹(如图5所示)；此外在铸铝板材下表面平整处与接头凸出位置的交界处也产生了细小但密集的裂纹(如图6所示)；

对铸铝AlSi10Mg部件进行铆前预先热处理，退火温度为520℃，加热时间2h，保温(520℃)时间4h，然后随炉冷却；将退火热处理后的铸铝板材和低碳钢板材搭接进行SPR连接，通过观察接头下表面成形形貌及纵截面形貌，铆接裂纹得到了很好的抑制，接头性能达到要求。

1)针对宏观裂纹的改善情况：

-未经铆前预先热处理的接头的环形裂纹、与凹模“转折点”接触位置的细小裂纹完全得到抑制，图10为铆前经520℃预先热处理后的铆接头底部的宏观形貌，图11为铆前经520℃预先热处理后的铆接接头纵截面的部分形貌接头；

-经铆前预先热处理的接头的下表面成形良好，无开裂现象出现，效果非常理想。

2)针对微观裂纹的抑制情况：

-520℃预先热处理后的微观裂纹的抑制效果如图12所示，铆钉腿部尖端A处的细长型裂纹完全被消除，即使在该位置有较多块状初晶硅聚集，在大变形下也并没有形成裂纹源。靠近凹模凸台侧的铸铝板材B处也没有平行的细长裂纹出现，而靠近上层板材碎渣聚集的铸铝板材C处，裂纹撕裂现象大为改善，偶有裂纹出现并且尺寸较小，也没有得到进一步扩展。

-经过退火热处理，铸铝板材组织均匀，内部不再存在等轴晶区，因此由于组织不均匀而引起的界面裂纹也自动消除。

3)接头宏观形貌变化：未经预先热处理、520℃预先热处理的SPR接头形貌对比如图13(图中，a图为未预先热处理的SPR接头，b图为经过与先热处理的SPR接头)所示，铆接接头截面数据如图15，热处理前后的铆钉腿部的变形程度变化不大，板材间均无明显间隙，接头的成形形貌都很良好。

4)接头拉剪载荷：未经预先热处理的SPR接头与经预先热处理的SPR接头的拉伸载荷见图16。与未经预先热处理的SPR接头的拉剪载荷相比，铸铝板材铆接前经退火热处理的SPR接头，其拉剪载荷变化不大，由于拉剪载荷的大小主要由接头底切量决定，而接头的底切量变化很小，不会引起接头拉剪载荷发生较大的变化。虽然经过520℃预先热处理的铸铝部件的抗拉强度有所降低，但SPR接头的破坏强度主要和铆钉的底切量和上层板的破坏强度有关系，与铸铝板强度的关系不大，因此经预先热处理后的铸铝SPR接头强度未见明显变化。

5)接头的拉伸失效模式：两种情况下的接头的拉剪失效形式均为上板材失效，参见图14所示图中，a图为未预先热处理的情况，b图为经过预先热处理的情况，从图中可看出，在拉伸试验过程中，上板材由于强度不足而沿垂直于拉伸载荷方向开裂，之后缺口沿着载荷方向扩展，使上板材沿此方向发生撕裂，最终导致接头失效。断口均出现在上板材，属于SPR接头理想的失效形式。，证明了本发明提出的铆接速度可以确保铆钉腿部在下板材内扩展充分，形成的“π”型自锁结构保证了两层板间的可靠连接。

实施例2

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，预先加热处理的工艺条件为：在530℃的温度下加热并保温12h。

实施例3

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，预先加热处理的工艺条件为：在550℃的温度下加热并保温3h。

以上各实施例中，所采用的铸铝部件的材质可以根据需要替换为符合“Al-Si-Mg三相铝合金，熔程区间570～590℃，抗拉强度≥100Mpa，厚度1.5mm～3.0mm”的其他任意形式的部件。

以上各实施例中，如无特别说明，则表明为本领域的常规部件或常用技术。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出符合本发明所限定的各种适应性修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抑制铝合金自冲铆接头裂纹的铆接方法，其特征在于，取铸造铝合金部件作为下板，并先进行预先热处理，再将其与上板进行SPR铆接，即完成。

2.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金自冲铆接头裂纹的铆接方法，其特征在于，预处理为：在炉中于520-550℃下加热并保温3-12h，随后随炉冷却。

3.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金自冲铆接头裂纹的铆接方法，其特征在于，所述上板为高延展性板材，其为钢板或变形铝合金。

4.根据权利要求3所述的一种抑制铝合金自冲铆接头裂纹的铆接方法，其特征在于，钢板为340低碳钢板。

5.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金自冲铆接头裂纹的铆接方法，其特征在于，上板的厚度为0.4-0.85mm。

6.根据权利要求1所述的一种抑制铝和金自冲铆接头裂纹的铆接方法，其特征在于，铸造铝合金部件与上板铆接的接头部分的厚度为1.5-3mm。

7.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金自冲铆接头裂纹的铆接方法，其特征在于，铸铝部件的材质为Al-Si-Mg三相铝合金，其熔程区间570～590℃，抗拉强度≥100Mpa。

8.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金自冲铆接头裂纹的铆接方法，其特征在于，铆接所用的铆钉的尺寸满足：

d₂＝2t_min+L (1)；

L＝t₁+t₂+C (2)；

C＝0.617d₂-0.1246 (3)；

上述式(1)～式(2)中，d₂为铆钉的腿部直径，L为铆钉的长度，t₁为上板的厚度，t₂为铸铝部件的接头部分的厚度。

9.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金自冲铆接头裂纹的铆接方法，其特征在于，铆接的速度为230-330mm/s。

10.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金自冲铆接头裂纹的铆接方法，其特征在于，铆接过程中，所述下板的下表面还与凹模接触。