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對(duì)兩種不同基板壓印接頭進(jìn)行局部熱處理，研究局部熱處理對(duì)不同基板壓印接頭拉伸力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：局部熱處理能夠提高接頭強(qiáng)度、增大接頭拉伸位移及能量吸收值。局部熱處理使基板強(qiáng)度增大，接頭內(nèi)鎖部分在從基板拉出時(shí)阻力變大，導(dǎo)致內(nèi)鎖部分被撕裂的程度加大，也正是這個(gè)原因使得壓印接頭的綜合力學(xué)性能得到提升。
壓印連接技術(shù)是近年來(lái)得到迅速發(fā)展的一種機(jī)械連接技術(shù)，可以有效連接一些難于焊接甚至是不能焊接的新型薄板材料。在連接新型薄板材料方面，壓印連接技術(shù)具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)和潛力。汽車結(jié)構(gòu)輕量化的進(jìn)程中，大量地應(yīng)用了新型薄板材料，如鋁合金、鎂合金等，而壓印連接技術(shù)可以較好地實(shí)現(xiàn)這些材料的連接，在結(jié)構(gòu)輕量化的進(jìn)程中發(fā)揮巨大作用。
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)壓印連接技術(shù)的研究還處于初期階段，主要側(cè)重于對(duì)壓印連接過(guò)程工藝的研究。Ippolito 等提出了用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)化壓印連接過(guò)程。何曉聰從工藝參數(shù)、動(dòng)態(tài)工藝模擬、接頭強(qiáng)度、振動(dòng)特性等方面綜述了兩層板壓印連接技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，并研究了采用變差系數(shù)法預(yù)測(cè)壓印接頭強(qiáng)度。周云郊等采用有限元模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法研究了鋼-鋁異種板材壓印連接時(shí)幾何工藝參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化。楊慧艷等[7]基于試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了鋁合金壓印連接過(guò)程和接頭性能。為了具體的模擬壓印過(guò)程，Hamel 等發(fā)展了有限元程序網(wǎng)格自動(dòng)重劃技術(shù)。目前，幾乎所有關(guān)于增大接頭強(qiáng)度的研究均集中于工藝參數(shù)研究，熱處理網(wǎng)(http://rechuli.chvacuum.com/)認(rèn)為還沒(méi)有學(xué)者研究采用某種工藝處理成形后的壓印接頭來(lái)提升其力學(xué)性能。
本文研究了局部熱處理對(duì)壓印接頭力學(xué)性能的影響。對(duì)鍍鋅鋼板(Zn-Coated)以及冷軋鋼板(SPCC)的壓印接頭進(jìn)行局部熱處理，對(duì)比研究熱處理前后壓印接頭拉伸剪切強(qiáng)度變化。
1、試件制備
采用RIVCLINCH1106 P50 壓印連接設(shè)備制備試件，設(shè)定連接工作壓力為0.6MPa，根據(jù)材料性能選定壓印模具為矩形模具。試件搭接長(zhǎng)度20mm，整體尺寸如圖1 所示。試件分為兩組，一組為鍍鋅鋼板，另一組為冷軋鋼板。綜合考慮壓印接頭的成形性，選用1.5mm 厚的鍍鋅鋼板及1.0mm 厚的冷軋鋼板。每組試件制備24 個(gè)。
圖1 試件示意圖
2、試驗(yàn)安排
2.1、局部熱處理試驗(yàn)
局部熱處理用氧乙炔焰對(duì)壓印接頭進(jìn)行加熱。為保證壓印接頭材料不被氧化，氧氣與乙炔按1.1：1.2 的比例調(diào)配。用氧乙炔焰將壓印接頭加熱到1000℃左右，用手持式工業(yè)測(cè)溫儀測(cè)溫。加熱到指定溫度后迅速放入水中淬火。兩組試件各加熱12 個(gè)，其余12 個(gè)不加熱。局部熱處理完成之后將鍍鋅鋼板未熱處理與已熱處理的試件分別命名為A1 組與B1 組，將冷軋鋼板未熱處理與已熱處理的試件分別命名為A2組與B2 組。
2.2、拉伸剪切試驗(yàn)
試件制備好并熱處理之后，共有4 組(A1、B1、A2 和B2)。將試件按組依次在MTSlandmark100 型電液伺服試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試件進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)。試件兩端各夾持30mm，拉伸速率5 mm/min。為了防止拉伸過(guò)程產(chǎn)生扭矩，在試件夾持端根據(jù)試件厚度加上等厚的墊片。
3、結(jié)果及分析
3.1、接頭強(qiáng)度分析
拉伸剪切試驗(yàn)得到各個(gè)試件的載荷峰值，每組試件剔除差異較大的4 個(gè)數(shù)據(jù)，剩余8 個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)計(jì)算可得各組剩余的8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分別為：A1組27.765，B1 組139.848，A2 組145.320，B2 組63.338。各組接頭的抗拉強(qiáng)度平均值如圖2 所示。比較A1 組與A2 組強(qiáng)度可知，在局部熱處理前，鍍鋅鋼板壓印接頭的抗拉強(qiáng)度比冷軋鋼板壓印接頭的抗拉強(qiáng)度高15.27%。比較A1 組與B1 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，局部熱處理使鍍鋅鋼板壓印接頭的抗拉強(qiáng)度提高16.72%；比較A2 組與B2 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，局部熱處理使冷軋鋼板壓印接頭的抗拉強(qiáng)度提高40.07%。由上可知，局部熱處理對(duì)冷軋鋼板壓印接頭的抗拉強(qiáng)度提升幅度較局部熱處理對(duì)鍍鋅鋼板壓印接頭的抗拉強(qiáng)度提升幅度大。最終冷軋鋼板壓印接頭的抗拉強(qiáng)度較鍍鋅鋼板壓印接頭的抗拉強(qiáng)度高4.11%。
圖2 抗拉強(qiáng)度均值
3.2、接頭拉伸位移分析
接頭拉伸失效位移是接頭性能另一個(gè)重要指標(biāo)。MTS 拉伸試驗(yàn)機(jī)設(shè)定拉伸強(qiáng)度達(dá)到峰值后下降95%時(shí)判定接頭失效，按這個(gè)判定標(biāo)準(zhǔn)得到各個(gè)有效接頭對(duì)應(yīng)的拉伸位移，求得各組試件拉伸位移均值如圖3 所示。可以看出，在局部熱處理前接頭的拉伸位移基本一樣，鍍鋅鋼板壓印接頭(A1)與冷軋鋼板壓印接頭(A2)的拉伸位移均值分別為2.54mm 和2.58mm。局部熱處理對(duì)兩種基板壓印接頭的拉伸失效位移均有提高作用，其中鍍鋅鋼板壓印接頭經(jīng)局部熱處理拉伸位移(B1)達(dá)到4.77mm，提高87.8%;冷軋鋼板壓印接頭經(jīng)局部熱處理(B2)拉伸失效位移達(dá)到3.86mm，提高49.6%。
圖3 拉伸失效位移均值
3.3、接頭能量吸收能力分析
圖4 載荷-位移曲線
通過(guò)試驗(yàn)可以得到載荷-位移曲線，如圖4 所示。求取載荷-位移曲線與坐標(biāo)軸所圍成區(qū)域的面積即可得壓印接頭的能量吸收能力，好的能量吸收能力顯示出接頭具有良好的吸震能力。求取各組試件能量吸收量的均值，如圖5 所示。可以看出，在局部熱處理之前鍍鋅鋼板壓印接頭(A1)的能量吸收能力優(yōu)于冷軋鋼板壓印接頭(A2)的能量吸收能力，前者比后者高32.0%。在局部熱處理之后，壓印接頭能量吸收能力大幅度提升;其中，鍍鋅鋼板壓印接頭局部熱處理之后(B1)能量吸收能力提升71.4%，冷軋鋼板壓印接頭局部熱處理之后(B2)能量吸收能力提升65.7%。局部熱處理之后鍍鋅鋼板壓印接頭(B1)的能量吸收能力依然比冷軋鋼板壓印接頭(B2)高36.5%。綜上可知，鍍鋅鋼板壓印接頭的能量吸收能力無(wú)論是在局部熱處理前還在局部熱處理之后都要優(yōu)于冷軋鋼板，且局部熱處理對(duì)鍍鋅鋼板壓印接頭的能量吸收能力提升作用更明顯。
圖5 能量吸收值
3.4、接頭失效分析
目前對(duì)兩層板壓印連接的研究表明，壓印接頭的失效模式有上板頸部斷裂失效與內(nèi)鎖拉脫失效。上板頸部斷裂失效是在拉伸剪切載荷的作用下，隨拉伸位移的增加，拉伸載荷逐漸增大，達(dá)到最大值時(shí)，上板在頸部厚度最小的位置發(fā)生斷裂造成接頭失效;內(nèi)鎖拉脫失效主要是由于基板的強(qiáng)度較大，接頭中上板在下板中鑲嵌量不夠充分，上板頸部強(qiáng)度大于上板在下板中的自鎖強(qiáng)度，接頭在拉伸剪切載荷作用下，上板在下板中的自鎖結(jié)構(gòu)先失效，導(dǎo)致上下板分離而失效。
本次試驗(yàn)4 組接頭的失效形式如圖6 所示，均為內(nèi)鎖拉脫失效。雖然拉脫形式一樣，但拉脫時(shí)內(nèi)鎖部分被撕裂的程度不一樣，如圖6 橢圓區(qū)域所示。從圖6 可以看出，鍍鋅鋼板與冷軋鋼板的壓印接頭在局部熱處理之后拉脫時(shí)內(nèi)鎖部分被撕裂的程度變大；而且可以看出冷軋鋼板壓印接頭局部熱處理對(duì)內(nèi)鎖部分撕裂增大的程度較鍍鋅鋼板要大。這種現(xiàn)象很好地反映出試驗(yàn)結(jié)果，局部熱處理使基板強(qiáng)度得到提高，壓印接頭在拉脫過(guò)程中內(nèi)鎖結(jié)構(gòu)擠壓下板時(shí)基板的變形困難，摩擦增大，最終使得接頭強(qiáng)度得到提升;上板被撕裂的程度增大，導(dǎo)致失效位移加大；而強(qiáng)度提升以及失效位移加大使得接頭的能量吸收能力得到提高。
圖6 接頭失效形式
4、結(jié)論
(1) 局部熱處理對(duì)鍍鋅鋼板以及冷軋鋼板壓印接頭的拉伸強(qiáng)度有提高作用，冷軋鋼板壓印接頭強(qiáng)度提升幅度大；對(duì)兩種基板壓印接頭失效位移有增大作用，且鍍鋅鋼板壓印接頭失效位移增大的幅度大;對(duì)兩種基板壓印接頭能量吸收能力有提高作用，且鍍鋅鋼板壓印接頭能量吸收能力提高幅度大。
(2) 局部熱處理使的鍍鋅鋼板與冷軋鋼板壓印接頭在拉脫失效時(shí)內(nèi)鎖部分撕裂的程度加大，且冷軋鋼板壓印接頭內(nèi)鎖部分撕裂增加的幅度大。
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