一种确定低延性材料自冲铆接的铆接温度、铆接速度的方法技术

一种确定低延性材料自冲铆接的铆接温度、铆接速度的方法，通过确定材料的伸长率、强度变化曲线等步骤，快速确定材料的铆接温度和铆接速度，确保材料获得高强度自冲铆接接头，减少材料自冲铆接工艺探索实践，降低合金铆接成本；是一种新型、简便的低延性材料自冲铆接预热温度和铆接速度确定方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属材料的连接领域，特别涉及一种确定低延性材料自冲铆接的铆接 温度、铆接速度的方法。
技术介绍
镁及其合金等低延性材料由于具有密度小、比强度高、减振性防噪性好，具有良好 的导热性和电磁屏蔽能力等优点，可以广泛应用于汽车、通信、电子电器、航空航天、国防及 军事装备、交通、冶金化学化工等行业。但是，由于镁合金的熔点低，线膨胀系数和导热率 高，与氧、氮的亲和力强等缺点，决定了它在焊接、铆接、螺纹连接等机械连接过程中会产生 一系列的困难，限制了镁合金在结构件中的使用。近年来国内外学者针对镁合金等低延性 材料焊接的难点，进行了许多镁合金焊接的研究，提出了许多新的焊接工艺，如高温熔融 焊、真空电子束焊、激光-电弧复合焊、搅拌摩擦焊以及A-TIG焊等。但这些工艺大多尚处 于起步阶段，还没成熟。自冲铆接是一种新近开发的新型金属连接方式，是近几年才发展起来的新型连接 技术。可以有效克服铝、镁合金难于焊接的缺点，实现铝一铝，铝一镁，铝一钢，镁一钢，铝、 镁、钢甚至金属材料和高分子材料的同质和异质材料的双层和多层连接，是目前国外镁、铝 合金连接技术的研究热点。自冲铆接工艺包括定位、冲压、穿刺上板、铆钉腿张开变形、铆钉 与底板实现机械互锁几个工艺步骤，是一种多种材料参与的复合变形的过程。和点焊相比， 自冲铆接能耗低，不散发烟雾和热量，噪音低，接头强度高，疲劳性能好，是一种环保型的连 接工艺。自冲铆接涉及严重的局部塑性变形，很容易导致材料，特别是接头下底板材料的 开裂，因此，好的自冲铆接接头不仅要求具有较高的铆钉与底板机械互锁，而且要求铆接后 下底板不开裂，保留一定的厚度不被铆钉刺穿。这就要求铆接材料不仅具有较高的塑性以 利于铆接过程中的塑性变形，实现铆钉与下底板的机械互锁，而且具有一定的强度增加铆 钉刺穿下底板的阻力。因此，自冲铆接技术的一大挑战是室温条件下低延性材料的铆接。 到目前为止，几乎所有的自冲铆接均集中在高延性材料如钢板、变形铝合金板材等材料的 铆接，很少涉及低延性材料的连接。镁合金由于仅具有三个滑移系，塑性差，变形能力很低， 室温下塑性较差，不适合进行大变形成型，难于进行自冲铆接。要想获得高质量自冲铆接接 头，必须改善镁合金的延性。预热是提高镁合金的塑性变形能力，改善其成型性的有效方 法。但由于自冲铆接是一个高速变形过程，采用预热方式改善镁合金的自冲铆接性能必须 综合考虑铆接温度、铆接速度对镁合金强度、塑性的综合影响，铆接温度和铆接速度是决定 镁合金铆接质量的关键技术参数。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种确定低延性材料自冲铆接的铆接温度、铆接速度的方4法，以实现低延性材料的自冲铆接。本专利技术采用的技术方案如下—种确定低延性材料自冲铆接的铆接温度、铆接速度的方法，步骤如下1)根据自冲铆接机的铆接速度范围，确定铆接速度与应变速率对应关系；2)对低延性材料在不同温度下进行步骤1)中不同应变速率的拉伸试验，确定低延性材料在一定温度和铆接速度范围内的伸长率；3)对低延性材料在不同温度下进行步骤1)中不同应变速率的拉伸试验，确定低 延性材料在一定温度和铆接速度范围内的抗拉强度变化曲线；4)根据式I计算材料在步骤2)、3)对应铆接温度以及铆接速度条件下的 Zener-Holloman 参数； 其中Q为铆接材料的再结晶激活能，JmoF1 ；R 为气体常数 8. 3144，JmoF1K"1 ；T为铆接温度，K 为铆接速度，s—1 ；绘制铆接温度、铆接速度联合作用下的材料抗拉强度和伸长率以及 Zener-Holloman参数关系图，记作图A ；5)根据自冲铆接设备的铆接力，确定铆接时的门槛强度，所述的门槛强度通过式 II计算得到； 式中，P为自冲铆接设备的铆接力，μ为低延性材料的摩擦系数，D0为铆钉腿部的 直径，L0为铆钉长度；6)根据Zener-Holloman参数与材料的抗拉强度、伸长率的关系以及门槛强度，将 图A分为三个区域伸长率急剧增加而抗拉强度降低的区域(I )；伸长率最大且基本恒定而材料的抗拉强度下降的区域(II )；伸长率与抗拉强度都降低的区域(III )；其中区域(I )、( II )以材料的伸长率最大而强度接近门槛强度的线为分界线； 区域(II )、(III)以材料的伸长率最大而强度为门槛强度的60%的线为边界线；区域(II )内对应的铆接温度、铆接速度即为合适的铆接温度、铆接速度的范围。区域(II )范围内接近于区域(I )与区域(II )边界线位置对应的铆接温度和 铆接速度为最佳铆接温度、铆接速度。低延性材料是指室温下具有较低的延展性，难于承受大变形量塑性变形的材料， 如镁或镁合金、铸钢、铸铝等都属于低延性材料。本专利技术方法特别适合的低延性材料为镁合金，如变形镁合金和铸造镁合金，如 AZ31镁合金等。自冲铆接涉及严重的局部塑性变形，很容易导致材料，特别是接头下底板材料的 开裂。要获得高强度的自冲铆接接头必须保证铆接温度、铆接速度联合作用下镁合金材料 具有足够的塑性满足铆接变形需要和在铆钉与底板间产生足够大的机械互锁量。因此步骤 2)中需要确定材料铆接温度、铆接速度联合作用下镁合金材料的塑性变形能力，本专利技术以 伸长率的大小表示材料塑性变形能力指标。试样采用5倍标距板材试样或GB/T228-2002或美国ASTM B557-06或 ASTMB557M-07el金属材料拉伸试验标准规定的标准板材试样。试验前要在试样标距范围内 以适当距离分成若干等分格，标距标记和等分格标距不应该刻到试样棱角上。试样在不同 温度下进行不同应变速率的拉伸试验。试验设备可以是Gleeble热模拟系统或其它计算机 控制材料高温力学性能检测设备。试验过程中，材料可以采用电阻加热、感应加热等加热方 式，加热过程中将热电偶固定在材料表面来读取温度，要严格控制升温速度和温度精度，力口 热速率为10°C /s，温度精度士 1°C。为了使材料在拉伸前达到热平衡，将加热后的材料在 等温条件下保持10分钟。拉伸试验过程中，材料温度波动严格控制在士 1°C。伸长率的测 量和计算方法参照GB/T228-2002或美国ASTM B557-06或ASTM B557M_07el的测定方法确 定。高强度的自冲铆接接头不仅要求具有较高的铆钉与底板机械互锁，而且要求铆接后下底板不开裂，保留一定的厚度不被铆钉刺穿。因此材料自冲铆接温度和铆接速度的确 定需要保证在铆接温度和铆接速度的综合作用下，材料不但具有足够的塑性满足铆接变形 需要，而且具有足够的强度避免下底板开裂和被铆钉刺穿，步骤3)中确定了材料铆接温 度、铆接速度联合作用下材料的强度的变化。本专利技术以抗拉强度表示材料的强度评价指标。试样采用5倍标距板材试样或GB/T228-2002或美国ASTM B557-06或 ASTMB557M-07el金属材料拉伸试验标准规定的标准板材试样。试验前要在试样标距范围 内以适当距离分成若干等分格，标距标记和等分格标距不应该刻到试样棱角上。试样在不 同温度下进行不同应变速率的拉伸试验。试验设备可以是Gleeble热模拟系统或其它计算 机控制材料高温力学性能检测设备。试验过程中，材料可以采用电阻加热、感应加热等加热 方式，加热过程中将热电偶固定在材料表面来读取温度，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定低延性材料自冲铆接的铆接温度、铆接速度的方法，其特征在于，步骤如下：１）根据自冲铆接机的铆接速度范围，确定铆接速度与应变速率对应关系；２）对低延性材料在不同温度下进行步骤１）中不同应变速率的拉伸试验，确定低延性材料在一定温度和铆接速度范围内的伸长率；３）对低延性材料在不同温度下进行步骤１）中不同应变速率的拉伸试验，确定低延性材料在一定温度和铆接速度范围内的抗拉强度变化曲线；４）根据式Ⅰ计算材料在步骤２）、３）对应铆接温度以及铆接速度条件下的Ｚｅｎｅｒ－Ｈｏｌｌｏｍａｎ参数；Ｚ＝＊ｅｘｐ（Ｑ／ＲＴ）……Ⅰ其中Ｑ为铆接材料的再结晶激活能，Ｊｍｏｌ↑［－１］；Ｒ为气体常数８．３１４４，Ｊｍｏｌ↑［－１］Ｋ↑［－１］；Ｔ为铆接温度，Ｋ＊为铆接速度，ｓ↑［－１］；绘制铆接温度、铆接速度联合作用下的材料抗拉强度和伸长率以及Ｚｅｎｅｒ－Ｈｏｌｌｏｍａｎ参数关系图，记作图Ａ；５）根据自冲铆接设备的铆接力，确定铆接时的门槛强度，所述的门槛强度通过式Ⅱ计算得到；［σ↓［ｂ］］＝４Ｐ／（４πμＤ↓［０］Ｌ↓［０］＋πＤ↓［０］↑［２］）（ＭＰａ）……Ⅱ式中，Ｐ为自冲铆接设备的铆接力，μ为低延性材料的摩擦系数，Ｄ↓［０］为铆钉腿部的直径，Ｌ↓［０］为铆钉长度；６）根据Ｚｅｎｅｒ－Ｈｏｌｌｏｍａｎ参数与材料的抗拉强度、伸长率的关系以及门槛强度，将图Ａ分为三个区域：伸长率急剧增加而抗拉强度降低的区域（Ⅰ）；伸长率最大且基本恒定而材料的抗拉强度下降的区域（Ⅱ）；伸长率与抗拉强度都降低的区域（Ⅲ）；其中区域（Ⅰ）、（Ⅱ）以材料的伸长率最大而强度接近门槛强度的线为分界线；区域（Ⅱ）、（Ⅲ）以材料的伸长率最大而强度为门槛强度的６０％的线为边界线；区域（Ⅱ）内对应的铆接温度、铆接速度即为合适的铆接温度、铆接速度的范围。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘忠侠，王培中，王军伟，王明星，
申请(专利权)人：郑州大学，通用汽车全球技术经营公司，
类型：发明
国别省市：41[中国|河南]