郭亞濤， 許 莎，邢彥峰， 吳海峰， 陸 瑤

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院， 上海 201620)

近年來由于環(huán)保意識增強和輕量化結構需求的提高，鋁/鋼薄板混合連接的應用越來越廣泛，對異種材料的連接要求日益增加[1]。由于鋁合金和雙相鋼的熔點等物理特性差異較大，因此，很難通過傳統(tǒng)焊接工藝形成有效連接[2]。膠接和自沖鉚接可部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接，但膠接接頭易老化且剝離性能差；自沖鉚接技術疲勞強度高、抗剝離性能較優(yōu)，能快速實現(xiàn)各種材料的有效連接[3]。

為提高自沖鉚接頭連接強度和疲勞性能的可靠性，許多學者將自沖鉚接和膠接技術相結合進行研究。國外學者F. Heidarpour等[4]通過試驗研究膠層中不同形狀和大小的三維缺陷對單搭粘接接頭極限剪切強度的影響，結果表明接頭強度隨著缺陷面積的增大近似線性下降。Lukas等[5]通過數(shù)值模擬模擬了鋁合金膠鉚混合連接的過程，仿真結果表明接頭的橫截面和力-位移曲線與試驗結果相差不大。Ali B等[6]通過有限元的方法模擬了異種板材的鉚接過程，指出了鉚接過程可能出現(xiàn)的斷裂形式。Huang等[7]通過試驗制備不同厚度鋁鋼薄板金屬制成的自沖鉚接頭，以研究接頭疲勞性能，分析了接頭相互接觸區(qū)域的失效機理，還進行了疲勞壽命預測的研究。Harish等[8]通過對碳纖維與鋁合金的自沖鉚接頭進行試驗，結果發(fā)現(xiàn)鉚釘平整度對接頭的準靜態(tài)失效載荷和疲勞壽命沒有顯著影響，而鉚釘腿部直徑對接頭疲勞壽命影響較大。Moraes等[9]通過有限元法分析了AA6111和AA5754自沖鉚接頭接觸壓力和疲勞斷裂機制的關系，指出接頭磨損嚴重區(qū)域為高壓力接觸面，并利用LEFM模型預測了接頭微動損傷區(qū)域的疲勞壽命。

國內學者蘭鳳崇等[10]通過數(shù)值模擬對鋁鎂薄板膠接接頭應力分布及強度進行研究，發(fā)現(xiàn)膠層厚度方向上的剪切應力和Von-Mises等效應力變化趨勢基本保持一致，鎂合金側面到鋁合金側面應力呈現(xiàn)遞減的趨勢。劉洋等[11]通過試驗對5052鋁合金薄板與Q215薄板的膠鉚接頭進行了剝離試驗，結果發(fā)現(xiàn)粘接劑對接頭成型質量的影響較大，并且提高了接頭緩沖吸震能力。劉曉東等[12]通過試驗研究了膠鉚接頭拉伸-剪切力學性能，結果發(fā)現(xiàn)鉚釘尺寸和粘膠劑種類對接頭斷裂形式有影響。黃志超等[13]通過試驗制備了自沖鉚接、膠接和膠鉚復合連接3種接頭，研究結構膠對鋁鋼自沖鉚接頭靜力學的影響，結果發(fā)現(xiàn)隨著搭接距離增加，膠鉚復合接頭強度隨著搭接距離的增加而逐漸減小，且膠鉚接頭中膠層承受了主要載荷。張先煉等[14]通過試驗研究了TA1/AL1420鋁鋰合金自沖鉚接頭的疲勞特性，結果發(fā)現(xiàn)接頭的疲勞萌生部位均在接頭磨損最嚴重的區(qū)域，接頭磨損是影響疲勞壽命的一個重要因素。

從國內外研究來看，目前主要是通過數(shù)值模擬和試驗的方法，對自沖鉚接的工藝參數(shù)、連接強度和疲勞損傷等方面進行研究，在膠鉚混合接頭疲勞特性和接頭磨損方面的研究較少。課題組通過對雙相鋼DP780/鋁合金6061-T6膠鉚接頭進行正交試驗，得出較優(yōu)參數(shù)組合。使用優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合制備膠鉚接頭進行疲勞試驗，研究接頭的疲勞壽命特性，并利用SEM和EDS對比分析了鉚接和膠鉚接頭下板斷口的微觀形貌和微動磨損。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

本研究所使用材料為雙相鋼DP780、鋁合金薄板6061-T6和結構膠(Araldite2015)。2種薄板板材與結構膠的力學性能[15-17]如表1所示。

通過文獻[18]可知鋁/鋼自沖鉚接-膠接的堆疊順序為鋁板在下和鋼板在上時，接頭質量較好。鋁/鋼膠鉚接頭搭接示意圖如圖1所示。其中L為搭接寬度，上板為雙相鋼DP780，下板為鋁合金6061-T6。根據經驗公式可得[19]：鉚釘長度為6.0 mm，模具內徑為9.0 mm，磨具深度為2.0 mm。

圖1 鋁/鋼薄板膠鉚接頭幾何尺寸Figure 1 Geometry of aluminum/steel sheet rubber riveted joint

1.2 試驗方案

由于工藝參數(shù)很大程度上決定了膠鉚接頭力學性能。因此，課題組根據鉚接壓強、鋁板厚度、搭接寬度和鋁板表面粗糙度4個工藝參數(shù)試制膠鉚接頭。經過實驗分析，課題組所用鉚接壓強為210 MPa，鋼板厚度為1.5 mm，鋁板厚度為2.0 mm，搭接寬度為30.0 mm，鋁板表面粗糙度0.042 3 mm。

使用優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合制備膠鉚接頭，接頭的中、高周疲勞試驗均在MTS Landmark 100 電液伺服試驗機上實行，疲勞試驗機如圖2所示。通過拉剪試驗獲得膠鉚接頭的失效載荷為6.0 kN。為了使膠鉚接頭載荷水平F-疲勞循環(huán)次數(shù)N曲線擬合的更加準確，課題組通過疲勞試驗獲得接頭中、長壽命區(qū)的疲勞數(shù)據，即疲勞循環(huán)次數(shù)在104～106數(shù)量級。課題組先以失效載荷的50%(3.0 kN)作為膠鉚接頭疲勞載荷水平，獲得接頭平均疲勞壽命為84 063次。進一步確定膠鉚接頭在疲勞載荷水平為60%失效載荷(3.6 kN)、40%失效載荷(2.4 kN)和30%失效載荷(1.8 kN)時的疲勞壽命。

圖2 MTS Landmark 100液壓伺服疲勞試驗機Figure 2 MTS Landmark 100 hydraulic servo fatigue testing machine

為了對比鉚接接頭和膠鉚接頭之間的疲勞性能差異，用優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合制備了鉚接接頭，對鉚接接頭施加50%失效載荷(3.0 kN)。每組疲勞載荷水平測試4個試樣，采取應力比為0.1，負荷施加頻率為70 Hz的正弦波載荷進行拉-剪疲勞試驗。疲勞試驗以接頭出現(xiàn)明顯的相對位移或循環(huán)次數(shù)達到100萬作為疲勞試驗終止的條件。

2 疲勞試驗結果與失效機理分析

2.1 疲勞試驗結果

通過疲勞試驗獲得膠鉚接頭在各載荷水平下的疲勞壽命如表2所示，鉚接接頭50%失效載荷(3.0 kN)載荷水平下平均循環(huán)次數(shù)為39 596，而膠鉚接頭50%失效載荷(3.0 kN)載荷水平下平均循環(huán)次數(shù)為84 063。對比2種接頭的疲勞壽命，膠鉚復合接頭比鉚接接頭的疲勞壽命顯著提高。膠接和鉚接技術的結合使接頭疲勞壽命大幅提高，可知結構可膠緩解接頭應力集中現(xiàn)象和改善受力狀況。

表2 各載荷水平下接頭疲勞試驗結果

課題組通過最小二乘法[20]對膠鉚接頭的疲勞數(shù)據進行擬合，可以獲得膠鉚接頭載荷水平-疲勞循環(huán)次數(shù)(F-N)曲線，為保證載荷與疲勞循環(huán)次數(shù)之間的線性關系，課題組使用單對數(shù)坐標。其載荷水平-循環(huán)次數(shù)之間關系表達式有：

lgN=a+bF。

(1)

式中：a和b為常量。

(2)

(3)

式中：F為疲勞循環(huán)載荷，N為疲勞循環(huán)次數(shù)，i為載荷水平編號。

通過計算得到鋁/鋼膠鉚接頭的載荷-疲勞壽命(F-N)擬合曲線方程的統(tǒng)計量如表3所示。其中R平方值是回歸平方和占總平方和的比例，R是擬合優(yōu)度指標。R范圍為0～1，其越靠近1表明擬合度越高。課題組在0.05的水平下調整后的R為0.959，表明對接頭F-N曲線擬合度很高，能夠較好的表明接頭疲勞數(shù)據點的變化趨勢。

表3 膠鉚接頭F-N曲線擬合統(tǒng)計量

綜上可知膠鉚接頭F-N曲線擬合方程為

F=8.685-1.174lgN。

(4)

從表2可知，膠鉚接頭滑移量與載荷水平成正比，隨著載荷水平增大而增大。在3.0 kN載荷水平下，膠鉚接頭與鉚接接頭相比滑移量相對較小，由于結構膠和鉚接自鎖結構的結合，接頭的受力狀況得到改善，接頭疲勞性能更加優(yōu)異和穩(wěn)定。如圖3所示，上下2條曲線為疲勞測試過程中試件軸向位移與疲勞周次曲線的包絡線，其中上邊的曲線為峰值載荷對應的軸向位移，下邊的曲線為峰谷載荷對應的軸向位移，2條曲線之間的距離為接頭軸向相對滑移量。在疲勞測試過程中，膠鉚接頭和鉚接接頭的滑移量基本保持不變，這一區(qū)間內的疲勞壽命占總壽命的90%以上。這與疲勞裂紋的萌生和裂紋擴展占總疲勞壽命絕大部分有很好的關聯(lián)性，最后的裂紋快速擴展階段發(fā)生在最后少數(shù)的疲勞循環(huán)周期中。

圖3 2種接頭疲勞測試過程中相對位移變化Figure 3 Relative displacement changes of two joints during fatigue test

如圖4所示，在膠鉚接頭中高疲勞壽命區(qū)間內，載荷水平與疲勞壽命的對數(shù)呈現(xiàn)負相關的聯(lián)系。當載荷為1.8 kN時，膠鉚接頭疲勞壽命達到106數(shù)量級，通過擬合公式可計算出載荷水平為1.2 kN時，疲勞循環(huán)次數(shù)超過200萬，即可認為接頭為無限疲勞壽命。

圖4 膠鉚接頭載荷-疲勞循環(huán)次數(shù)曲線Figure 4 Load-fatigue cycle times curve of rubber riveted joint

2.2 失效機理

鉚接接頭和膠鉚接頭在50%失效載荷水平下的典型失效模式如圖5所示，2種接頭均為板材遠端鉚釘腳處斷裂，斷裂面垂直疲勞載荷方向，膠鉚接頭膠層失效模式為混合失效。課題組采用掃描電子顯微鏡(SEM)對2種接頭疲勞失效斷口進行微觀分析，并且2種接頭掃描位置相同，其位置如圖5(a)中4個虛線方框所示。

圖5 接頭典型疲勞失效模式Figure 5 Typical fatigue failure modes of joints

圖6所示為膠鉚接頭下板斷口處4個不同區(qū)域的微觀形貌特征，圖6(c)為區(qū)域3的微觀形貌圖，其斷口區(qū)域形貌有明顯的魚鱗狀紋路與韌窩的混合特征，可知此區(qū)域為裂紋快速擴展區(qū)。圖6(b)為區(qū)域2的微觀形貌特征圖，可以觀察到解理臺階和二次裂紋，根據微觀形貌特征可判斷此區(qū)域為疲勞源。圖6(a)為膠鉚接頭斷口區(qū)域1微觀形貌，此區(qū)域出現(xiàn)明顯的魚鱗紋路與韌窩混合的特征，可判斷此區(qū)域為疲勞裂紋擴展區(qū)。圖6(d)為區(qū)域4的SEM圖，區(qū)域4為韌窩形貌，此形貌是典型的韌性斷口特性，可知此區(qū)域為韌性斷裂區(qū)。通過上面分析，可知膠鉚接頭疲勞裂紋形成于區(qū)域2，并向區(qū)域1和3擴展，由于區(qū)域3結構薄弱，此方向裂紋擴展速度較快，區(qū)域1結構較厚，可以承受更大的疲勞載荷，因此區(qū)域1疲勞裂紋擴展較慢。區(qū)域4為韌性斷裂區(qū)，即區(qū)域1疲勞斷裂后，區(qū)域4在疲勞載荷作用下快速被撕裂，膠鉚接頭在疲勞斷裂過程中，一側為疲勞斷裂，一側為韌性快速斷裂。

圖6 膠鉚接頭典型疲勞斷口微觀形貌Figure 6 Typical fatigue fracture microstructure of rubber riveted joint

圖7(c)所示為鉚接接頭區(qū)域3的疲勞斷口微觀形貌特征，其與膠鉚接頭的區(qū)域2形貌特征相同，均為解理臺階和二次裂紋混合出現(xiàn)，即鉚接接頭的區(qū)域3為疲勞初始裂紋位置。圖7(b)所示為鉚接接頭區(qū)域2，此區(qū)域微觀形貌特征為魚鱗狀紋路,可知區(qū)域2為裂紋擴展區(qū)。根據膠鉚接頭疲勞斷口微觀形貌分析分析可知，鉚接接頭區(qū)域1和區(qū)域4分別為裂紋擴展區(qū)和韌性斷裂區(qū)。由以上對2種接頭的疲勞斷口微觀形貌分析可知，鉚接接頭的疲勞初始裂紋萌生位置在接頭下板與鉚釘腳尖接觸的部位，裂紋向強度薄弱的一側擴展，另一側在應力集中的情況下被快速撕裂。由于膠鉚接頭中使用了結構膠，改變接頭受力狀況，減小了下板與鉚釘腳處的接觸應力，疲勞初始裂紋萌生位置出現(xiàn)在強度更大的區(qū)域2，致使整個接頭疲勞壽命得以提高。

圖7 鉚接接頭典型疲勞斷口微觀形貌Figure 7 Typical fatigue fracture microstructure of riveted joint

為了進一步研究膠鉚接頭和鉚接接頭受力狀況的區(qū)別，課題組采用X射線能譜儀(EDS)對圖8中的方框區(qū)域A和B進行定量能譜檢測。圖8所示分別為膠鉚接頭和鉚接接頭下板斷口能譜檢測區(qū)域。

圖8 接頭下板斷口能譜分析區(qū)域Figure 8 Fracture energy spectrum analysis area of lower plate of joint

圖9與圖10分別為鉚接接頭和膠鉚接頭下板能譜分析區(qū)域，兩圖中黑色方框對應圖8中的方框的上、中、下3個區(qū)域，分別對3個區(qū)域的磨屑元素質量分數(shù)進行定量分析。

圖9 鉚接接頭下板能譜點掃描分析區(qū)域Figure 9 Energy spectrum point scanning analysis area of lower plate of riveted joint

圖10 膠鉚接頭下板能譜點掃描分析區(qū)域Figure 10 Energy spectrum point scanning analysis area of lower plate of rubber riveted joint

課題組在鉚接接頭B區(qū)域選取上、中、下3個點進行點能譜分析，分別對應的譜圖編號為18，19和20。在疲勞試驗中，該區(qū)域與鉚釘腿緊密貼合，通過檢測此區(qū)域的磨屑，可得知鋁板和鉚釘腿接觸面之間的受力狀況。鉚接接頭B區(qū)域能譜分析如圖11所示，課題組所使用鉚釘為鍍鋅合金鋼，其中Fe元素來自鉚釘，Zn元素來鉚釘外表鍍層，Al和Mg元素來自鋁合金板材，O元素主要來自微量磨屑的氧化物。從元素質量分數(shù)分布來看，F(xiàn)e和Zn元素在區(qū)域B中18和20號譜圖2個點區(qū)域質量分數(shù)比譜圖19高，說明區(qū)域B的上部和下部位磨損嚴重，中間部位摩擦損傷相對較小。譜圖18為靠近鉚釘腳尖區(qū)域，說明鉚釘腳尖處有劇烈的摩擦損傷，較多的磨屑意味著較大的應力和滑動位移。譜圖20區(qū)域為上板和下板接觸區(qū)域，說明在疲勞測試過程中上、下板之間也存在著較為嚴重的磨損。

圖11 鉚接接頭B區(qū)域元素質量分數(shù)能譜分析Figure 11 Energy spectrum analysis of element mass fraction in area B of riveted joint

膠鉚接頭區(qū)域A選取上、中、下3個點進行點能譜分析，分別對應圖譜編號為21，22和23。膠鉚接頭區(qū)域A能譜分析如圖12所示，膠鉚接頭區(qū)域A的22號譜圖的Fe元素和Zn元素明顯高于21和23號譜圖，說明膠鉚接頭的鉚釘腳處應力減小，上下板的微動磨損也得以改善。通過與鉚接接頭的EDS結果對比分析可知，膠層改善了接頭受力狀況，使鉚釘腳尖處的應力與上下板接觸之間的磨損減小，使鉚接接頭受力最大的部位由上部的18號譜圖位置轉移到中部的19號譜圖位置。結合兩種接頭SEM分析可知，鉚接接頭的鉚釘腳尖處應力大且磨損嚴重，疲勞裂紋初始萌生部位出現(xiàn)下板與鉚釘腳尖接觸面的位置，鉚釘腳尖處的下板結構強度薄弱，以致鉚接接頭疲勞壽命降低。膠接和鉚接技術的結合使接頭受力狀況得到改善。

3 結論

課題組通過膠接和鉚接技術的結合，利用試驗研究膠鉚接頭的不同載荷下的疲勞壽命及接頭接觸摩擦損傷。

1) 膠鉚接頭在失效載荷30%，40%，50%和60%的疲勞載荷水平下，膠鉚接頭疲勞循環(huán)次數(shù)隨著疲勞載荷水平的增加而減少，且在50%疲勞載荷水平下，膠鉚接頭疲勞壽命比鉚接接頭顯著提高。

2) 在50%疲勞載荷水平下，膠鉚接頭與鉚接接頭斷口失效模式均為一側發(fā)生疲勞斷裂后，另一側緊跟著發(fā)生快速的韌性斷裂。

3) 根據對2種接頭的斷口微觀形貌和各區(qū)域元素質量分數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)膠鉚接頭與鉚接接頭的疲勞初始裂紋萌生位置不同，膠接技術和鉚接技術的結合，改善了接頭受力狀況，使得膠鉚接頭比鉚接接頭擁有更優(yōu)的疲勞性能。