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材料和设计

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铆钉距离对连接碳纤维板和AA2024板的自冲铆接接头的影响。

文章信息：

文章历史关键词

2011.6.5接收机械紧固

2011.12.18访问结合

2011.12.22可在线阅览失效分析

摘要：

在制造业中大量的新材料代替钢材使用导致特定的接合方法的显著提高和发展，即使在不同的材料被接合在一起时也能得到有效的力学性能。

应该注意到，通常在使用铝或者镁合金时传统的焊接技术有几种限制。

并且更重要的是,他们不兼容复合材料。

这些材料制成的结构的发展翻新了机械紧固操作的使用。

本文研究铆钉间距离对连接铝板和碳纤维复合材料板的柳钉自冲铆接接头性能的影响。

后来的发现在海陆运输业的广泛领域中都有应用。

研究也涉及结构粘合剂与这项技术的结合使用。

1.介绍：

市场现在需要越来越多可靠耐用的产品，通常是体积和质量越来越小，制造业因此开始使用能提供改良后的机械特性的新材料，从而可以获得更轻的结构。

尽管钢材在大多数应用中都表现有优异的力学性能，然而它们的高密度限制了它们在轻质结构中的应用，同时对大气环境和化学制品侵蚀的敏感性也使它们不适合在腐蚀环境中工作。

在最近的几十年中，航海特别是航天航空业成为使用铝合金或者其它轻质合金甚至复合材料的先锋，现在复合材料被考虑成为代替合金的有利选择，因为其密度低却能提供优异的力学性能。

近几年，它们的用途在不同领域都有明显地推广，例如运输业和高等级体育用品。

总之，应该注意到特殊应用中材料的选择取决于成品的寿命，制造的零部件的总数，装配形式的复杂性，装配花费的金钱，直至最终复合材料以及制造商在使用复合材料时的独特经验被重视。

目前通常取得的最好成绩是由复合材料成分生产的混合物结构与金属部分和底板有关。

此外，近年来一股增长的兴趣，特别是参照运输业显现出来的结合了胶着的结合接头优点的可靠混合物接头（重量和花费减少，能量的吸收增加，张力的缺乏，部分变形等），固有阻力和机械接头产品的解除，如螺栓连接，铆钉连接和自冲铆接。

这些材料之间的结合要求向传统工艺中交替加入技术的使用，尤其是机械紧固重新评价的种类已经被注意到，后来包含了传统铆接即所谓的自冲铆接和铆钉连接。

在自冲铆接中接头通过柄部锚杆的铆钉形式来表现，铆钉被制造商做成不同形状不同材料的标准件。

这项操作不要求板材预钻孔，因为铆钉自身在上部的板材上钻孔了，这消除了精确度的问题，因为铆接机对孔的校准，这是其它铆接技术共有的特性，整个操作可以被总结成四个阶段：

1.顶部铆钉的力量

2.板材顶部的钻孔以及稍后的底端板材铆钉的茎干变形开始

3.底部板材和母材内部铆钉的塑形变形

4.母材内部按钮的形成（构造）和当钻孔机达到预定载荷进程的结束

对这种连接方法的兴趣增长以及自冲铆接技术取得进展，事实上，自冲铆接接头是制作部门的工作，例如航天航空业和包装业，选择通过自冲铆接接头来控制机械元素，既有优点也有缺点，优点如下：

避免预钻孔

需要较少的能量

不同材料能被连接在一起

它是一个快速操作和低成本技术

获得的接头在疲劳载荷条件下表现出很高的强度

同时，这种连接技术的缺点也必须要考虑到：

·成形过程中需要较大的力值

·不同于盲孔铆接法，接头的每一侧都必须是可理解的。

另外，自冲铆接系统装置比点焊系统简单，更重要的是，没有有害的烟尘产生。

科学文献专注于理解和强调工艺参数在影响自冲铆接接头的机械性能中的作用。

一些作者也通过分析每种技术的优点来比较铆接接头和焊接接头或者胶接接头的力学特征。

由Han等人得出，通过冲击试验比较自冲铆接和焊接接头的优点，研究者们注意到铆接接头有很好的减震能力。

一些学者研究了自冲铆接接头的失效形式：

付和马利克注意到穿孔板的断裂是疲劳试验中发生的唯一失效形式，陈和汉等人发现铆钉断裂和薄板材料破坏都可能发生在疲劳试验中，这受到微振磨损行为的影响。

自冲铆接接头的失效机理受到界面环境的影响，界面环境可以改变载荷传递规律。

韩[12]研究了二次弯曲效应与应变仪铆接工艺的特点，在剪切试验中得出二次弯曲降低了自冲铆接接头的疲劳寿命并且试样配置在影响强度和SPR接头的破坏机理上有显著效果。

Fratini和Ruisi[13]研究了由AA6082-T6铝合金和玻璃纤维复合材料层压板（MAT450）制造的接头。

作者研究了来自三种不同厚度的连接薄板上的三种不同类型的标本。

接头由不同压力级别的冲压铆合机产生。

从静态测试的失败确定了对这些标本进行打孔的油压接头的质量及其力学行为的影响。

总的来说,可以得出自冲铆接可以有效地用于连接玻璃纤维复合材料板和铝板的结论。

特别地,复合材料必须放置在接头的顶部,即接近冲压铆接系统。

迪弗朗哥等[14]研究了AA2024-T6铝（下板）和碳纤维复合材料层压板（上板）的接头,研究了接头的静态和疲劳性能。

接头的失效呈现以下特点:

铆钉的头进入孔切割碳纤维,直到接头失效（轴承效应）。

学者们还对铆接接头进行疲劳测试。

这些测试可以得出这样的结论:

铝和碳纤维的接头是可行的并且能得到最好的力学性能的接头。

有必要仔细地选择铆接压力。

其他作者通过模拟冲击试验（碰撞试验）来研究spr接头的性能。

李使用了取自5j32-t4铝样本与冷轧钢板连接的特殊的样本。

（SPCEN）。

对SPR接头执行的测试结果与有着相同几何结构的胶接样本相比，获得的结果与进行冲击试验的刚试样点焊接头比较，两种接头具有相同的几何结构。

结果表明,RSW接头吸收更多的能量,有更高的最大失效载荷并且承受较小的变形。

然而,通过引入一个额外的参数,定义为能量吸收和结构重量之间的比例,SPR接头价值最高，其次是胶接接头。

作者得出结论,可以获得更高效的解决方案，通过结合胶接和SPR技术在同一个接头上。

图1.自冲铆接过程.

需要连接两个或两个以上的不同的材料在制造行业中非常普遍；这个逐步加大的需求增加了复合材料的使用。

正如前面提到的,复合材料的使用已经越来越广泛,由于它的力学性能和轻质，复合材料正被应用到许多领域。

复合材料有一些品质有待提高:

刚度、重量、强度和疲劳寿命。

在目前的文献中，单个搭接接头的失效形式通过失效试验研究。

特别是研究两个铆钉被纵向放置在接头中和铆钉之间三种不同的间隔。

环氧树脂作为胶粘剂。

获得的接头要通过拉伸和疲劳试验的测试。

工艺的第一部分是形成接头的静态特性,一旦SPR机达到最有效的油压值，疲劳试验将通过对接头加载不同的负载级别进行。

在第二部分中，通过改变铆钉之间的间距（30、45、60毫米）得到疲劳曲线。

2.实验的程序

2.1.制备标本

本文通过实验测试研究了结合铝和碳纤维的单一SPR搭接接头的静态和疲劳特性。

底板是大小200*25毫米,厚度2.7毫米的铝2024T6,而上层板是由大小25*200毫米,厚度等于1.5毫米的碳纤维构成。

重叠的长度等于90毫米,几何配置还包括使用两个自冲铆接接头纵向放置在不同的距离（di=1,2,3），特别地,选择铆钉之间的三种不同距离,30，45，60毫米（图2）。

图2.几何配置（尺寸为毫米）

众所周知，在科学文献中,结合接头的弱点往往是在较低的金属胶接和/或复合粘接接口的附着力上。

胶粘剂的选择对于接头的力学性能是至关重要的,因为设计师必须从广泛的胶粘剂中选择最合适的。

在目前研究中正在使用热固性环氧胶粘剂与低粘度稀释剂类型SX10ver2（Ea=3GPa,σr,a=60Mpa）。

以这种方式复合胶接界面的附着力得以提高，由于追求有机涂层和基体之间的兼容性组合（相同的环氧树脂）。

该树脂适合强化产品的生产，并且它特别适合在室温或者温暖的温度下浸渍,为了可以用手或用真空袋的方法形成层面板。

获得的碳层压板堆焊了六层的组织类型巴达维亚0l/90l碳纤维（200g/m2）。

外部层取向0l,确保大的抗拉强度值,而内部的被对称地放置在±45l,,限制铆接后孔附近的压力集中。

为了获得足够的粗糙度，加工处理的层压过程中使用一个特殊的复合层，在复合材料的表面有纹理的压痕。

铝标本被砂布（P60级）处理成表面单向磨损,随后用丙酮清洗。

碳纤维的层压板制作方法是首先用手糊的方法,然后将层压板放置在一个真空袋,由一个特殊缝合塑料封口机密封两端（真空封口机胶带）。

一旦真空袋准备好后，将连接真空泵，创建一个0.73千克/平方厘米（通过测量探针监控）的环境。

泵造成的压强的影响带来很多好处,包括去除层之间的空气，使层之间更紧实，负载传动作用更有效和减少层压板的湿度。

此外,压力的应用使树脂均匀分布在整个结构中，同时也消除多余的树脂。

事实上,如果发生树脂过度,层压板将承受绝大多数基体特性；反过来,如果树脂量是不够的,纤维干燥的点将是引起接头脆断的原因。

板的制备,特别是外部压力的应用程序必须发生在低粘度的条件下,为了节省机械能和避免这种情况,加工已经开始,材料在压缩,微裂缝和损伤的扩展的危险。

控制温度等于24℃,30%的湿度,标本处于这些条件下大约48h后进行处理。

两种材料的机械性能是通过拉伸测试初步获得,根据ASTM标准执行。

获得的碳层压板的力学性能是:

EL =ET=28.1GPa,GLT=1.12,VLT=0.38和σr,c=352MPa。

使用的铝合金的力学性能是:

EAl=65800MPa,σs,Al=350MPa,σr,Al=440MPa。

机械连接是用平埋头自冲铆接。

使用的铆钉是由奥氏体钢制作的，被设计用来连接的总厚度等于4.5毫米。

图3.铆钉模结构（尺寸毫米）

Fastriv为自冲铆接指定FSC4865001A01铆钉,铆钉的几何结构和相应的模型如图3所示；应该注意到,对于每种类型的铆钉使用适当的几何结构冲模，为了获得一个正确的铆钉变形。

模架的重要性,即冲压机和冲模,它对接头的有效性能是至关重要的。

模具的形状影响铆钉的塑性变形和底板的材料,因此也影响接头的力学性能。

自冲铆接铆钉的连接是通过一种德事隆SN2紧固系统电动液压推动机,铆接机的特点是:

最大油压500bar,最大负载60kN,2s的周期时间。

铆接机被预先用来测试来确定油压和板材上铆钉负载之间的关系。

得到了以下压强（bar）和力（N）的线性关系:

F=87.234×P+2382.8

（1）

在这个实验中选择压强值为300bar下铆接来保证接头最好的力学性能（如之前第佛朗哥等人所确定的[14]）.压焊是遵循严格的程序进行的，包括以下阶段:

用丙酮清洗部件，在薄板应用胶剂;使用适当的校准厚度（1.6毫米和2.8毫米）,以确保粘合层的所需厚度（0.1毫米）;接头通过终端机在轻微压力下结束和在室温下涪烘至少36h。

2.2.力学测试

拉伸测试是由MTS材料试验机（材料测试系统）810在100kN负载单元下进行的。

实验最初涉及接头静力特性的研究,抗拉强度和失效模式的测定，通过研究实验得到的几何图形。

为了监控接头的失效模式，在整个实验测试期间使用佳能5D高清数码相机重复拍摄。

3.结果与讨论

3.1.静态结果

总共15个碳铝单搭接接头标本进行了测试，使用了三种类型的连接方法。

所有实验测试位移被控制在0.5毫米/分钟的速度。

这个速度足以检测接头损伤是由哪点开始的。

静态调查中发现的进一步研究的方法在文献[17]。

尤其是关于夹具方面被认为是避免在拉伸实验中发生任何弯曲现象。

更重要的是样本边缘的最后修整也要检查以排除微裂缝的存在影响测试结果。

正如美国试验材料学会D1002[16]指出的，在测试机对接头的定位中负载线沿着接头的对称轴。

可以通过材料零件的嵌入称为标签。

如果这个预防措施没有在测试执行过程中生效,接头将承受一个旋度,只有当载重线正好与接头的轴线一致时才停止。

更重要的是负载情况下不会是纯剪力。

这种现象必须清除或减轻，因为它可能在胶基质界面推动裂纹的产生和局部化,造成裂纹扩散并最终导致接头失效。

此外,接头的阻力减少因为应变能消耗能量。

样本的侧面涂上白色脆性的油漆来评估准确的初始点的粘合剂产量,而且还凸显了复合铝界面分层各个阶段的演化。

图4.铆钉间距离等于30mm（a）,45mm（b）,60mm（c）的静态结果和下拉例子（d）

图4显示了此图相关的几何构型研究（表示位移的机器的横梁测试）。

所有研究的几何配置可以看出,负载线性增加直到出现一个小的下拉，对应的是压焊的第一次缺陷,然后有一个进一步线性提高的负荷值直到第二个下拉荷载，对比比第一个更大幅度的位移曲线,对应第二次压焊失败发生。

通过实时采集高分辨率的照片可以注意到,两个压焊缺陷都发生的样本边缘两个铆钉中的一个中。

然后负载再增加到最大值,伴随着铝碳纤维复合材料界面的失效过程开始。

之后,在某些情况下突然第三次下降被注意到,由于载荷继续增长，铆钉之间的结合失效,直到接头完全断裂，载荷达到一个值，这个值低于之前获得的最大值。

在其他情况下铆钉之间的粘合层依然完好,由于邻近铆钉的碳层失效，接头会立即断裂。

图5.接头抗拉强度测试:

实验中平均值和误差报告

从第一次静力测试结果的观察报告来看,可以发现最大负载的值由接头和铆钉之间的距离决定，d1约等于6.6kN,接头最大值在d2和d3分别为7.4kN和8kN时得到。

获得的拉伸力对应铆钉之间三个不同的距离被绘制在图5中。

极限抗拉强度,即进行测试时每一个铆钉距离的平均值，有单调的趋势随着铆钉之间距离的增加。

总体来说，可以声称SPR压焊接头显示碳层压板的失效是由于铆钉孔。

断裂是由于铆钉的存在沿横截面非均匀应力状态引起的。

众所周知的断裂理论,由于孔洞引起边缘应力集中，导致几何不连续性。

应该注意到,碳层压板的失效以纵向边缘的屈服为特征。

这种现象以显著误差的存在来凸显，通过偏离线性荷载与位移的曲线（见图4）。

然而,在任何情况下应该注意的积极作用是，由于铆钉之间的粘合剂的存在会引起一种“桥接”效应,形成一个令人满意的接头性能，最终达到破裂,没有明显的层间破坏现象。

目前的调查中使用的碳板的宽度是不足以避免失效与应力集中有关（图6）。

所有混合接头的特点是在金属粘合界面脱胶。

图6.在静力测试中碳层的失效

图7.铆钉之间不同距离的负载级别的调查值的疲劳试验结果

3.2.疲劳结果

疲劳试验是用同一批次用于静力测试的标本进行的。

疲劳测试是由应用正弦循环荷载最小值和最大值比的0.1,特别是在不同的负载级别下的测试:

即6300,5600,4900和4200N。

测试的负载频率等于10Hz。

接头的抗疲劳强度调查中发现的方法进一步研究在文献[18]。

静力测试中强调的方面再次被加工处理。

此外在整个实验中都在观测疲劳曲线。

图7显示了各个负荷水平和各个被考虑到的几何配置下的一些典型的疲劳曲线。

铆钉之间距离为45毫米和60毫米的样本疲劳试验最大负载水平等于4200N没有生效,因为它是更倾向于避免超过106次,而在铆钉距离为30mm最大负载水平为6300N的疲劳试验中没有提及，因为他们不超过103次。

观察图7所示的疲劳曲线有三个不同的领域:

随着位移的线性增长直到达到外加荷载值的第一领域,位移几乎保持不变的领域,位移迅速增长直到接头立即失效的最后领域。

获得的结果定性符合在文献[19]的发现,即使在后一种情况下简单的聚合物被认为是代替复合面板。

图8显示了铆钉距离的三个值（30、45、60毫米）的维勒曲线。

实验测试表明即使施加载荷的值接近静态抗拉强度，接头的疲劳强度也很高;实验结果的一个相当大的散射被注意到。

最好的情况发生在铆钉之间的距离配置等于60毫米（见图8）。

图8研究铆钉之间的三各距离获得维勒曲线

两种不同类型的裂缝观察:

测试中进行了直到250000次接头出现了类似于静态测试中的裂缝模式,即在横向方向上的铆钉孔附近发现碳层压板的失效;

测试的周期大于250000,复合面板仍然破损并且裂纹生长在铝合金沿横截面方向的铆钉孔的附近。

在疲劳试验,以及静态试验中,两种不同的压焊性能被发现:

两者之间的粘合层自冲铆接接头仍然完好无损,而在外缘和铆钉之间的区域发生分层,这发生是因为大量的周期循环和较低的附加荷载（图9a）;

所有压焊的彻底失效,这发生在低数量的周期循环和较高的附加荷载（图9b）。

图9压焊在疲劳试验中的失效。

4.结论

本文对连接两种不同的材料,如碳纤维层压板和铝合金通过机械连接（SPR）和胶接的可能性进行了研究。

通过静态和疲劳试验对三个不同的几何配置即铆钉之间不同的距离进行了研究。

应该注意到,只是三个不同等级的铆钉间距离被考虑,总范围30毫米,上部和下部级别分别为30和60毫米。

进一步的测试应在考虑范围,最终确认结果。

在进行的试验活动中，两个铆钉间距离为60mm时的接头特征在抗拉强度方面显示最好的静态性能，而三种被测配置的接头失效方法是相同的。

这表明单搭接接头失效的原因–至少考虑案例研究–di是独立的参数,但取决于碳层的宽度不足以增加混合接头的结构效率。

工作继续研究接头的疲劳性能。

疲劳试验在不同荷载水平下进行。

基准是最大静载荷、失效时的循环数量和破坏机理。

疲劳性能在铆钉距离为60毫米的情况下显著加大了。

每个配置测试接头在静态和疲劳加载下的失效模式的表明,随着碳层宽度的增加强度达到最优化。

再次,以后的考虑应在今后的测试中进一步被证实都在铆钉间距离的考虑范围。

此外,作者也想要探讨例如文献[20]提出的创新方案的可行性。

局部加热–例如通过激光源–能在过程力学和接头的过程性能中提供积极影响。

感谢

这项工作已经由研究部（意大利部大学和科学研究）的基金支持。

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