镁合金板材摩擦加热自冲铆接技术研究

论文摘要

由于环保和节能的需要,轻量化已成为汽车发展的方向。镁合金不仅重量轻,而且具有许多优良性能,被认为是21世纪最具开发和应用潜力的“绿色材料”。采用镁合金材料制造汽车构件,有可能在提高安全性的同时,达到节能和环保的目的。由于镁合金具有高导电、导热性以及在焊接过程中易于形成氧化层等因素,传统的焊接技术并不适用于镁合金的连接。自冲铆接技术是被汽车制造商广泛应用的一项连接技术,常用于连接韧性较好的金属板材。镁合金在室温下的韧性较差,不能直接采用自冲铆接技术进行连接。加热可以改善镁合金的韧性,因此,对加热镁合金进行自冲铆接,有可能获得良好的铆接效果。镁合金的加热方法有多种,但到目前为此,还没有一种可实际应用的加热方法。为此,本文作者提出了一种摩擦加热镁合金板材的新方法,并将该方法与自冲铆接技术相结合,对AZ31镁合金板材进行了铆接试验,对板材的铆接效果、接头强度以及接头的疲劳性能进行了系统研究。研究的主要内容和结果总结如下：1.研究了AZ31镁合金板材摩擦加热的可行性,对摩擦速度、磨头直径、磨头压力以及模具预热温度对板材温度变化的影响进行了系统研究。结果表明：摩擦加热方法是可行的,摩擦可以使AZ31镁合金板材的温度快速上升,并达到所需要的温度。在一定条件下,增加摩擦速度,可以加快板材温度的上升,当摩擦速度为3600r/min时,板材温度上升最快,且对板材的损伤较小；随着磨头直径的增加,板材温度上升的速度增大,板材表面的磨痕深度先减小,后增大；磨头压力越大,板材温度的上升越快,但板材的表面损伤也相应增加；与室温情况相比,板材夹具的温度越高,板材温度的上升越快,且加热结束后温度下降也越慢。2.研究了摩擦加热镁合金板材的自冲铆接效果。对不同加热温度时铆接接头的外观形貌、截面形貌以及机械互锁量进行了观察与分析。结果表明,室温下对AZ31镁合金板材进行自冲铆接,可导致被铆接板材发生脆裂,从而使铆接帽和接头截面上出现裂纹。摩擦加热可有效降低镁合金板材的脆裂倾向,并且随着摩擦加热温度的上升,铆接接头上的裂纹数量下降,当加热温度上升到180-200℃时,裂纹基本消失。而且,随着加热温度的上升,铆钉与被铆接板材之间的互锁量也有一定增加。3.研究了摩擦加热镁合金板材自冲铆接接头的剪切拉伸强度和疲劳性能。结果表明,与室温铆接接头相比,摩擦加热镁合金板材铆接接头的强度明显提高,当板材温度上升到180℃时,接头的强度最高,继续提高加热温度到200℃时,接头强度稍有下降；摩擦加热150℃、180℃和200℃铆接接头的疲劳性能相近,但明显高于未加热板材铆接接头的疲劳性能。与电热板加热180℃镁合金板材自冲铆接接头相比,摩擦加热180℃镁合金板材自冲铆接接头的强度和疲劳性能均有所提高。这表明,摩擦加热对镁合金板材表面产生的微量损伤对铆接接头的强度和疲劳性能不仅没有造成不良影响,反而有所改善,这进一步证明了摩擦加热方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 引言
• 1.1 镁合金的特性及应用
• 1.1.1 镁及镁合金的特点
• 1.1.2 镁合金的分类
• 1.1.3 镁合金在汽车工业中的应用与发展
• 1.2 镁合金连接方法
• 1.2.1 镁合金的焊接
• 1.2.2 镁合金的粘接
• 1.2.3 镁合金的铆接
• 1.2.4 镁合金的自冲铆接
• 1.3 自冲铆接技术
• 1.3.1 自冲铆接工艺类型
• 1.3.2 半空心铆钉自冲铆接的工艺过程
• 1.3.3 自冲铆接接头质量的评价方法
• 1.3.4 自冲铆接技术的研究现状
• 1.3.5 自冲铆接技术在汽车产业上的应用前景
• 1.4 镁合金的自冲铆接技术研究现状
• 1.5 本文的主要研究内容及技术路线
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 研究的技术路线
• 2 镁合金板材的摩擦加热及加热参数的确定
• 2.1 试验材料与试验方法
• 2.1.1 试验材料与设备
• 2.1.2 试验方法
• 2.2 摩擦速度的确定
• 2.2.1 摩擦速度对镁板温度变化的影响
• 2.2.2 摩擦速度对镁板表面磨损量的影响
• 2.3 磨头直径的确定
• 2.3.1 磨头直径对镁板温度变化的影响
• 2.3.2 磨头直径对镁板表面磨损量的影响
• 2.4 磨头压力的确定
• 2.4.1 磨头压力对镁板温度变化的影响
• 2.4.2 磨头压力对镁板表面磨损量的影响
• 2.5 夹具温度的影响
• 2.6 本章小结
• 3 摩擦加热镁合金板材的自冲铆接
• 3.1 试验材料与方法
• 3.1.1 试验材料与设备
• 3.1.2 试验方法
• 3.2 摩擦加热温度对自冲铆接接头形貌的影响
• 3.2.1 不同摩擦加热温度下铆接接头的外观及切面
• 3.2.2 不同摩擦加热温度下镁板表面的磨损量
• 3.3 摩擦加热温度对自冲铆接接头互锁量的影响
• 3.3.1 互锁量的测量
• 3.3.2 摩擦加热温度对接头互锁量的影响
• 3.4 本章小结
• 4 摩擦加热镁合金板材自冲铆接接头的剪切拉伸及疲劳性能
• 4.1 试验材料及方法
• 4.1.1 试验材料及设备
• 4.1.2 试验方法
• 4.2 剪切试验
• 4.2.1 不同加热温度下铆接接头的剪切试验结果与讨论
• 4.2.2 剪切试验失效模式分析
• 4.3 疲劳试验
• 4.3.1 疲劳试验数据的分析方法
• 4.3.2 不同加热温度下铆接接头的疲劳试验结果与讨论
• 4.3.3 疲劳试验失效模式分析
• 4.4 本章小结
• 5 全文结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果