摘要：由于法律要求的限制，汽車制造商被迫減少新車型的污染物排放。節(jié)能減排的一種有前景的方法是減輕車輛重量，從而使白車身具有巨大的潛力。這種重量減輕是通過新的車身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，其中包含不同材料應(yīng)用的不斷增加。此外，像TWIP鋼這樣的新型輕質(zhì)材料變得更加重要。使用TWIP鋼成功和經(jīng)濟(jì)地實(shí)施多材料設(shè)計(jì)需要適當(dāng)?shù)?/span>連接技術(shù)。在該項(xiàng)目中，研究了與不同材料相關(guān)的具有挑戰(zhàn)性的材料組合。在本文中，高速連接被認(rèn)為是一種創(chuàng)新和有前景的多材料應(yīng)用連接技術(shù)。這種機(jī)械連接技術(shù)包含一個稱為Tack的輔助連接部件（高速射釘），它被高速驅(qū)動到連接伙伴中。文中還展示了高速連接面臨的挑戰(zhàn)以及優(yōu)化。通過金相分析進(jìn)行研究及破壞性試驗(yàn)確定機(jī)械性能。并將這些特征與當(dāng)前使用的標(biāo)準(zhǔn)螺釘?shù)慕Y(jié)果進(jìn)行比較。

關(guān)鍵詞：多材料設(shè)計(jì)高錳鋼 高速射釘連接

1簡介

1.1高速連接

新材料被引入現(xiàn)代車身結(jié)構(gòu)，汽車行業(yè)面臨著與多材料設(shè)計(jì)相沖突的目標(biāo)，這限制了傳統(tǒng)的熱連接技術(shù)。因此，低熱連接技術(shù)變得越來越重要。高速連接是一種能夠?qū)崿F(xiàn)單面連接并可以應(yīng)用在鈑金和型材之間進(jìn)行連接的技術(shù)。釘狀輔助連接部分被加速到20-40m/ s并直接驅(qū)動到連接部件中。不需要預(yù)孔操作。高速連接的過程如圖1所示。

Fig. 1 Sequence of high-speed joining

在該過程中，Tack釘穿透連接部分，并且由于局部瞬間溫度升高，材料的流動性得到改善，通過填充Tack螺釘?shù)某尚捅沫h(huán)形槽，最終形狀配合，實(shí)現(xiàn)連接。

圖2顯示了在高速連接時可能發(fā)生的故障模式。在過沖的情況下，動能不足以實(shí)現(xiàn)頭部支撐。連接部件之間的間隙通常是過高的連接壓力造成的，這也可能導(dǎo)致材料損壞。在這種情況下，動能過高，以至于材料經(jīng)受了很大的變形，而彈性變形（回彈）不足以在箍柄上施加壓縮力。

Fig. 2 Failure modes of highspeed joining

2實(shí)驗(yàn)方法

使用B?llhoFF公司的pneumaticRivtac MagazineFeed進(jìn)行連接研究。檢查的材料厚度組合示于表1中。在研究中，使用冷軋TWIP鋼組合物X40MnCrAl19-2。
 

關(guān)于符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的連接結(jié)果，最具挑戰(zhàn)性的材料組合是TWIP鋼作為覆蓋板和HCT600XD作為基礎(chǔ)材料。這可以通過強(qiáng)變形誘導(dǎo)的加工硬化與高斷裂伸長率來解釋，這使得tack難以穿透TWIP鋼作為覆蓋片。在連接過程中，TWIP鋼的變形引起的加工硬化達(dá)到490HV0.5，超過了tack的硬度，約為450±20HV10（比較圖4）。使用HCT600XD作為基礎(chǔ)材料，表明具有最高強(qiáng)度的材料使得tack滲透更加難以進(jìn)行變形。
 

2.1優(yōu)化程序

TWIP鋼的加工硬化超過FK16-8-3-H3tack硬度約40HV0.5。為了減少tack變形，必須增加tack硬度。目的是進(jìn)行僅影響tack尖端的熱處理。為了實(shí)現(xiàn)這一要求，需要具有動態(tài)控制回路的電感器。圖5顯示了具有高強(qiáng)度和延性夾緊區(qū)域的硬化尖端,目的是為保持疲勞強(qiáng)度。

使用800至840°C的硬化溫度，油作為淬火介質(zhì)，回火溫度200°C，時間60min,實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的tack硬化處理。圖12顯示了已確定的熱處理，用于優(yōu)化tack，在硬化的尖端沒有裂縫。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用優(yōu)化的tack行進(jìn)一步的樣品試驗(yàn)。結(jié)果如圖13所示。作為熱處理的結(jié)果，尖端不再變形并且連接過程穩(wěn)定且準(zhǔn)確。且不會出現(xiàn)小塊或毛刺。優(yōu)化tack的另一個改進(jìn)是減少所需的連接壓力。在tack釘?shù)某跏紶顟B(tài)下，大量的總動能被tack釘?shù)淖冃挝眨⑼ㄟ^優(yōu)化的tack釘來防止隨之發(fā)生毛刺和小塊.

本研究一個重要的目標(biāo)是保持tack的強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)度。如圖14所示，溫度僅影響卵形尖端的有限區(qū)域。軸承載荷發(fā)生的上部釘柄的初始狀態(tài)不受熱處理的影響，因此不會產(chǎn)生疲勞效應(yīng)。進(jìn)行微結(jié)構(gòu)分析以表征熱處理區(qū)域的調(diào)整的微觀結(jié)構(gòu)。圖14顯示了尖端的三個不同區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)。

在第一和第二區(qū)，獲得了完整的馬氏體微觀結(jié)構(gòu)。過渡區(qū)(區(qū)域3)顯示出安全和馬氏體微觀結(jié)構(gòu)。可以假定油作為淬火介質(zhì)可以達(dá)到足夠的冷卻速度來硬化粘性。優(yōu)化粘性的硬度測量值(TWIP / Al6xxx )顯示在圖15中并驗(yàn)證了強(qiáng)度的增加。標(biāo)準(zhǔn)硬度由450±20HV10提高到710HV0.5。

圖16顯示了最具挑戰(zhàn)性的材料-厚度組合TWT= 1.4mm / HCT600XD t = 1.5mm的準(zhǔn)靜態(tài)剪切拉伸試驗(yàn)的結(jié)果。

由于標(biāo)準(zhǔn)FK16-8-3-H3tack不可以實(shí)現(xiàn)可以接受的接頭，因此選擇預(yù)生成的FK16-8-3-H5作為參考。左圖表示力位移行為。 優(yōu)化的H3tack的結(jié)果更可重復(fù)，并且關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)H5-tack的結(jié)果的分散更高。最大力增加了8％，能量吸收是一個重要的值，其中碰撞性能提高了71％。失效模式圖（左圖16）顯示H5tack 的脆性破壞和H3tack的延性失效。連接過程和tack的優(yōu)化導(dǎo)致負(fù)載能力提高。

圖17中的條形圖顯示了所有研究的材料-厚度組合的剪切拉伸試驗(yàn)的最大力和能量吸收。

在材料組合TWIP鋼與雙相鋼HCT600XD高速連接的情況下，接頭的機(jī)械性能與連接方向無關(guān)。當(dāng)以TWIP作為覆蓋片，HCT600XD作為基材時，最大作用力和能量吸收稍高，散射幾乎沒有減少。TWIP/ Al6xxx材料組合的能量吸收顯示，由于tack釘?shù)拇蠓鶅A斜，能量吸收量最大。TePEx®/ TWIP組合的最大力和能量吸收受到TEPex®的限制，如故障模式圖所示。

4結(jié)論和展望

基于識別出的高速連接的優(yōu)化潛力，以最具挑戰(zhàn)性的檢查材料-厚度-組合(TWIPAs蓋板和HCT600XD作為基板)對連接工藝和連接元件進(jìn)行優(yōu)化。對tack釘進(jìn)行特殊處理可顯著改善連接效果，并在每種研究材料組合的情況下產(chǎn)生符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的接頭。達(dá)到了質(zhì)量界限，另外，降低了所需的連接壓力，提高了工藝穩(wěn)定性。就機(jī)械性能而言，最大作用力以及能量吸收都有所提高。優(yōu)化tack的疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性將在下一步工作中進(jìn)一步研究。