摘要通过单个无铆钉铆接接头小试件在十字拉伸、搭接剪切和对接剥离工况下的准静态试验和动态试验以及不同加载角度下的准静态试验(0°、30°、45°、60°和90°)，对无铆钉铆接接头的力学行为和失效特征进行了研究。试验结果表明，当剪切方向分力在合力中所占比例越大时，接头的强度越大，但对接头的延展性没有规律性影响。无铆钉铆接接头小试件在十字拉伸试验中发生了脱扣失效，在搭接剪切试验中发生了撕裂失效，在对接剥离工况下两种失效都有可能发生，有时两种失效会同时发生。同时在三种典型工况下无铆钉铆接接头呈现一定的应变率效应，动态试验的峰值载荷均大于准静态试验。
关键词无铆钉铆接；力学试验；力学性能；失效模式
中图分类号TG938
前言
铝合金因其强度较高、密度小成为一种重要的车身材料。在车身中混合使用铝、钢和镁可以有效实现车身轻量化，但是如何解决异种金属的连接问题成为了车用轻质材料发展的研究重点［1］。无铆钉铆接是一种新型连接技术，没有热效应，是目前最为有效的异种材料连接方法，可以应用在铝合金板料之间以及铝合金板与钢板之间的连接。无铆钉铆接连接技术是通过特殊的模具造型使两种或者多种金属依靠彼此之间摩擦力和特殊形状相互连接在一起［2］。铆钉的强度对整车的力学性能影响很大，因此研究无铆钉铆接的力学响应和失效形式至关重要。目前国内外对无铆钉铆接的力学性能研究主要依靠拉伸和剪切试验。杨小宁等［3］通过剪切试验分析了影响无铆钉铆接接头连接强度的因素，发现无铆钉铆接成型的模具参数和不同板厚组合方式对铆接强度都有很大的影响，并给出了模具参数选用的一般范围及不等厚板的最佳组合方式。SamCoppieters［4］设计了一种Arcan-like夹具用于测试不同拉、剪比例工况下的无铆钉铆接接头强度，并建立了无铆钉铆接接头在不同拉、剪比例工况下的失效面及失效规律。JacekMucha［5］通过剪切试验探究了双点无铆钉铆接接头的力学性能，并研究了十字拉伸和搭接剪切工况下单个无铆钉铆接接头小试件的失效形式。本文设计了多种工况下的单个无铆钉铆接接头小试件，并完成了准静态和动态加载速度下的十字拉伸试验、搭接剪切试验和对接剥离试验以及不同加载角度下的准静态试验，通过试验全面研究单个无铆钉铆接接头小试件在多种工况下的力学响应和失效形式。
1试验及试验设备
本文中所用的单个无铆钉铆接接头小试件全部在济南某公司的无铆钉铆接机上加工完成。单个无铆钉铆接接头小试件上层板(冲头一侧)材料是铝合金6061T6，下层板材料是低碳钢Q235。为了确定无铆钉铆接接头的变形特征和失效形式，本文从三个方面设计了无铆钉铆接接头小试件试验的试验矩阵:(1)为了探究不同加载角度工况下的无铆钉铆接接头的力学性能，设计了五种加载角度的准静态试验，加载角度分别是0°(纯剪切)、30°、45°、60°和90°(纯拉伸)，其中加载角度表示接头所受合力与剪切方向分力之间的夹角，相对应的准静态试验夹具设计如图1所示，图1中F表示合力，Fn表示拉伸方向分力，Ft表示剪切方向分力，试验装置如图2所示，力的加载由万能试验机完成，位移采集采用DIC(数字图像相关法)［6］。(2)除了常见的拉伸和剪切工况外，弯矩加载也是一种常见的受力形式。为此，加入了对接剥离试验，与十字拉伸(纯拉伸)试验和搭接剪切(纯剪切)试验一起作为三种典型的工况去探究无铆钉铆接接头的力学性能，针对三种典型工况所设计的小试件尺寸图如图3所示，所加工的小试件如图4所示。(3)为了探究无铆钉铆接接头的对应变率的敏感程度，对三种典型工况设计了不同加载速度的试验，准静态加载速度是1mm/min，动态试验在落锤塔上进行，理论设计锤头与夹具接触时的速度是6m/s，由于滑轨接触摩擦的影响，实际速度会稍小。试验装置如图5所示。
2试验结果
2.1三种工况下的准静态试验结果
一般来说，接头的连接强度和延展性依赖于其失效形式。对于无铆钉铆接接头来说，一般会出现三种失效形式:脱扣失效形式(图6a)、撕裂失效形式(图6b)和混合失效形式。混合失效形式是指内侧(凸模)母材颈部发生部分撕裂的同时两板之间也发生了完全脱离的一种失效形式。一般来说，混合失效形式的峰值载荷、最大位移和总能量等都介于脱扣失效形式和撕裂失效形式之间，属于两种失效形式之间的过渡失效形式。本文的试验中出现的失效形式主要是:脱扣失效和撕裂失效。单个无铆钉铆接接头在三种典型工况下的失效形式及其对应的曲线如图7～图10所示，对应的试验结果详细数据参见表1。本文选用五个参数用来评定无铆钉铆接接头在不同工况下的力学性能，分别为:峰值载荷，峰值载荷时位移，最大位移，峰值载荷时能量和总能量。在十字拉伸工况下，本文所用的无铆钉铆接接头小试件只出现了一种失效形式，即脱扣失效形式。十字拉伸工况下所产生的总能量为306N•mm，小于LS-S的总能量819N•mm和CP-S的总能量2035N•mm，结合十字拉伸工况下的接头局部受力分析示意图11a可知其主要原因是:此种工况下接头局部的受力几乎全部依赖于两层板之间的摩擦，母材本身性能贡献较少。由此说明本文所用的无铆钉铆接接头小试件在加工过程中所设计的凸模行程不大，从而导致互锁值较小(互锁值定义如图12所示)，容易发生脱扣失效形式。在搭接剪切工况下，本文所用的无铆钉铆接接头小试件只出现了撕裂失效形式。搭接剪切工况与其它两种工况相比有最大的峰值载荷和最小的失效位移，接头表现出了很大的强度和刚度。呈现很大的刚性是由无铆钉铆接接头的几何形状所决定的，特殊的凹槽接头形状使得垂直凹槽方向的变形受到了很强的阻碍作用，不易发生变形。同时主要的受力都集中在内侧板材的凹槽颈部处，如图11b所示，使得内侧颈部材料受到类似剪切的作用，如图7可见内侧铝合金板材呈现剪切滑移失效形式。一般来说，当内侧(凸模一侧)的板材为韧性材料，如低碳钢等，较为容易出现脱扣失效形式。因为本文所用的内侧板材是脆性材料铝合金6061T6，所以容易发生撕裂失效形式。在对接剥离工况下，本文所用的无铆钉铆接接头小试件出现了三种失效形式，即脱扣失效形式、撕裂失效形式和混合失效形式。结合图10和图11c可看出，接头处受力侧的内侧板材发生了主要变形，受到了很大的摩擦力作用。在对接剥离工况下，这三种失效形式从弹性段到塑形段的过程基本变形过程都相同，如图13所示，脱扣失效形式的载荷在上升到一定阶段后试件最早发生失效，所以峰值载荷和最大位移都远远小于撕裂失效形式。混合失效形式下的峰值载荷和最大位移等结果都处于两者之间，属于一种两种失效形式之间的过渡形式，从图13中也可以看出混合失效的接头上同时出现了脱扣失效和撕裂失效。
2.2不同加载角度的准静态试验结果
通过不同加载角度的准静态试验可以更深入研究无铆钉铆接接头的力学行为。本文完成了五种加载角度的准静态试验:0°(纯剪切)、30°、45°、60°和90°(纯拉伸)，试验设计和试验装置如图1和图2所示，详细试验结果参见表2，载荷－位移曲线参见图14。在表2中同样用五个参数用来评定接头的力学性能，即峰值载荷，峰值载荷时的位移，最大位移，峰值载荷时的能量和总能量。必须指出图14和表2中只取了相应工况下发生几率最大的失效形式，以相应失效形式下的试验结果互相比较。通过图14可明显地看出加载角度的变化对无铆钉铆接接头的峰值载荷、最大位移等有很大影响，同时对接头的刚度也有很大影响。当拉伸方向的加载力为主导外力时，主要变形集中在接头附近的母材上而非接头本身;当剪切方向的加载力为主导外力时，塑性变形主要发生在接头附近进而导致接头整体呈现刚性的特征。图15所示为峰值载荷和最大移分别与加载角度之间的关系，可以看出当剪切方向的分力在合力中所占比例较大时，接头的强度就比较大，这是由无铆钉铆接接头特有的几何形状所决定的。峰值载荷和初始刚度都随着加载角度的增加而下降。最大位移，即接头的延展性并不存在明显的规律，有一定的随机性，原因可能与以下三个方面有关:(1)成形时对母材造成的预损伤无法控制良好。(2)摩擦力的不确定性。(3)失效模式的转换与过渡，从图中可以看出在加载角度30°和60°附近是两个转折点，结合不同加载角度工况下的失效形式即0°加载时是撕裂失效，90°加载时是脱扣失效，其他加载角度属于混合失效模式。
2.3三种工况下准静态和动态试验结果
通过不同加载速度的无铆钉铆接接头小试件试验可以探究接头对应变率的敏感性。通过图16可以看出，在三种典型工况下无铆钉铆接接头呈现一定的应变率效应，主要体现在峰值载荷的差别上，同类试件的动态试验峰值载荷都比准静态试验值高。
3结论
本文进行了单个无铆钉铆接接头小试件的准静态和动态十字拉伸试验、搭接剪切试验和对接剥离试验，和不同加载角度下的准静态试验，并分析了各种加载工况下的无铆钉铆接接头的力学性能。不同加载角度的工况对无铆钉铆接接头的峰值载荷、延展性和刚度等有很大影响。加载角度越大，即剪切分力越大时，接头的强度越大，但是接头的延展性没有明显规律。在十字拉伸工况下，本文所用的无铆钉铆接接头小试件发生了脱扣失效，这是由于接头局部受到的力主要是锁扣处两板之间的摩擦力，摩擦力大小与锁扣值有关，锁扣值小，则容易发生脱扣失效。在搭接剪切工况下，本文所用的无铆钉铆接接头小试件发生了撕裂失效，且峰值载荷最大和失效位移最小，锁扣处两板之间相互挤压，内侧颈部材料受到了剪切力，所以接头的强度依赖于母材性能，内侧板材是脆性材料铝合金6061T6，容易发生撕裂失效。在对接剥离工况下，本文所用的无铆钉铆接接头小试件出现了三种失效形式，即脱扣失效形式、撕裂失效形式和混合失效形式。这三种失效形式从弹性段到塑形段的基本变形过程相同，脱扣失效形式的试件最早发生失效，峰值载荷和最大位移都远远小于撕裂失效形式。混合失效形式下的峰值载荷和最大位移等结果都处于两者之间。在三种典型工况下无铆钉铆接接头呈现一定的应变率效应，主要体现在峰值载荷的不同。同类试件的动态试验的峰值载荷均大于准静态试验的峰值载荷。致谢本论文试验主要在清华大学汽车碰撞实验室完成，在此深表感谢。
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作者：周璐瑶 吕婕 陆善彬 单位：吉林大学汽车工程学院