预冲孔无铆钉铆接工艺（无铆钉铆接与电阻点焊强度对比试验研究）
预冲孔无铆钉铆接工艺（无铆钉铆接与电阻点焊强度对比试验研究）一、试验准备及试件分析通过对试验过程的研究以及对拉伸试验数据的处理分析研究３种连接工艺的连接强度，对比分析不同板料形式情况下３种连接技术的优异。国内对电阻点焊技术的研究比较成熟，但是对自冲铆接和无铆钉铆接的研究还相对 比较少，主要通过数值模拟和实验来研究自冲铆接过程中不同的铆钉和模具参数对铆接性能的影响。分析自冲铆接过程，为铆钉和模具的设计和制造提供理论依据，然后通过铆接实验效果来评价自冲铆接质量，并优化模具与铆钉形状和尺寸，从而使得铆接接头获得更高的静强度和疲劳强度。本文采用自冲铆接、无铆钉铆接、电阻点焊３种连接工艺对于钢板与钢板、铝板与铝板两种板料连接形式分别进行试验，并对各自的连接接头进行拉伸测试。
目前，板料连接技术日益成熟，技术种类也越来越多，电阻点焊技术是工业生产中板料连接方面使用最广泛的一种连接技术，应用于大部分钢材连接领域，但是有些对温度影响敏感的高强度材料，在焊接过程中容易产生局部过热，导致连接强度下降。
最近兴起的新型板料连接技术，如自冲铆接（有些文献称其为半空心铆钉自冲铆接）、无铆钉铆接等连接技术较点焊等传统技术在某些方面有较大的优势。
自冲铆接能用于铝和铝、铝和钢等部件的连接，也可以适应预加工、预涂层、粘结和密封件的各种表面状态要求；无铆钉铆接不仅可以用于不同金属材料的连接，而且其铆接过程不需要铆钉，有操作简单、节省成本等特点。
国内对电阻点焊技术的研究比较成熟，但是对自冲铆接和无铆钉铆接的研究还相对 比较少，主要通过数值模拟和实验来研究自冲铆接过程中不同的铆钉和模具参数对铆接性能的影响。
分析自冲铆接过程，为铆钉和模具的设计和制造提供理论依据，然后通过铆接实验效果来评价自冲铆接质量，并优化模具与铆钉形状和尺寸，从而使得铆接接头获得更高的静强度和疲劳强度。
本文采用自冲铆接、无铆钉铆接、电阻点焊３种连接工艺对于钢板与钢板、铝板与铝板两种板料连接形式分别进行试验，并对各自的连接接头进行拉伸测试。
通过对试验过程的研究以及对拉伸试验数据的处理分析研究３种连接工艺的连接强度，对比分析不同板料形式情况下３种连接技术的优异。
一、试验准备及试件分析
本文试验所选用的板料为厚度１ｍｍ 的 Q195钢板和厚度１ｍｍ 的5A05-O 铝板。在进行试验之前将板料剪切成长方形板料，其长度和宽度分别为150ｍｍ 和50ｍｍ，采用相同板料搭接的 形式，搭接部分长度为５０ｍｍ，试件尺寸见图１。
图１ 拉伸测试试件尺寸
自冲铆接试验是运用英国HENROB公司生产的RV300023手持式电池驱动自冲铆接机进行的，所用半空心自冲铆钉直径ｄ＝5.3ｍｍ，高度 ｈ＝５ｍｍ，尺寸示 意 图 见 图２，自冲铆接机模具示意图见图３，中部直径 Ｄ＝10mｍ，凸模深度Ｈ＝２ｍｍ。
图２ 半空心自冲机模具尺寸 图３ 自冲铆接机模具尺寸
铆接试验完成后对试验件剖面进行 分 析，用电子数码显微镜对其进行拍照并测量相关尺寸，结果如图４所示。本文主要通过底切量、底部厚度来对接头铆接质量进行评价。
图４ａ为钢板接头剖面图，图中铆钉尾部张开直径为7.636ｍｍ，底部凸出部分直径为 8.835mm，底部厚度为0.1933ｍｍ，底切量为0.3673ｍｍ。
图４ｂ为铝板接头剖面图，铆钉尾部张开直径约为7.688ｍｍ，底部凸出部分直径约为8.875ｍｍ，底部厚度为0.209ｍｍ，底切量为 0.4289ｍｍ。
图４中铆钉的变形截面成轴对称， 钉头下端面材料没有裂纹，铆钉尾部完全张开，有足够的金属包围铆钉底部，有良好的机械自锁性能，下层金属均匀变形，没有出现裂纹或被刺穿的情况，根据接头的形态分析可以确定此次试验的试件质量符合理想要求。
（ａ）钢板连接接头 （ｂ）铝板连接接头
图４ 自冲铆接试验剖面图
无铆钉铆接试验是在瑞威特系列铆接机Ｄｍ20径向液压立式铆接机上完成的，对所得试验件进行分析，结果如图５所示。
图５ａ为钢板接头的剖面，底部直径 约为7.251ｍｍ，凹下部分直径约5.5246ｍｍ，上板料嵌入下板料嵌入量约 0.1918ｍｍ，最低端上下板厚约0.7673ｍｍ。
图５ｂ为铝板接头剖面，底部直径约7.734ｍｍ，凹下部分直径约5.5345ｍｍ，嵌入量约0.2231ｍｍ，最低端上下板厚约为0.6692ｍｍ。
图５中铆接部位的变形截面成轴对称，铆接接头内部的上板料没有裂纹，在铆接颈部的下板料没有破裂，铆接接点中的上下板料保持完好，没有出现冲孔现象，且底部没有出现压薄或压破现象；可以确定此次无铆钉铆接试验达到理想要求。
（ａ）钢板连接接头 （ｂ）铝板连接接头 图５ 无铆钉铆接试件剖面图
电阻点焊试验采用 Ｄｚ－３×１００三相次级整流点焊机进行。由于电阻点焊参数以及焊接板料的表面状态对焊接接头性能影响很大，特别是铝合金表面的氧化膜，点焊时易引起喷溅导致熔核成形不良、焊点强度低或焊点强度不稳定。
为了确保焊接质量和焊点强度的稳定性，焊前用钢丝刷清理一遍。试验参数参照中国机械工程学会焊接学会编制的焊接手册第２卷点焊参考规范，具体参数见表１。
表１ 电阻点焊焊接参数 表１ 电阻点焊焊接参数
对所得试验件进行分析，结果如图６所示。图６ａ为钢板接头剖面图，图中熔核直径为5.73 ｍｍ，高度为1.8587ｍｍ。
图６ｂ为铝板接头剖面图，图中熔核直径为5.3157ｍｍ，高度为1.8574 ｍｍ。
图６中熔核成形比较美观，变形较小，焊接内部没有出现裂纹或孔洞，金属变形均匀，可以确定焊接试件质量符合理想要求。
（ａ）钢板连接接头 （ｂ）铝板连接接头 图６ 电阻点焊试件剖面图
二、试验结果分析
（1）接头效果分析
依照上述方法和参数分别用自冲铆接、无铆钉铆接和电阻点焊３种连接工艺对 Ｑ１９５钢板和 ５Ａ０５－Ｏ铝板进行试验，试件接头形态如图７和图８所示。
（ａ）自冲铆接 （ｂ）无铆钉铆接 （ｃ）电阻点焊图７ 钢板连接接头效果图（图为正面，下图为反面）
对各个接头的外观进行观察可发现，钢板和铝板的自冲铆接接头表面正面由于有铆钉刺入板料缘故留有轻微铆接痕迹；
无铆钉铆接接头表面正面因为模具的挤压导致表面凹下一个小坑，不够平整，反面也有突起；而电阻点焊接头表面没有突出、比较美观，比自冲铆接和无铆钉铆接的接头表面平整很多，只留有一个模糊的焊接痕迹。
对３种试验过程的比较可知：电阻点焊技术连接的试件表面平整，比较美观，但是在焊接铝合金板料前需要对板料表面进行处理，工作量比较大；
而自冲铆接和无铆钉铆接由于是冷连接技术，在试验前不需要处理板料，试验所需时间较短，工作量较小，但是试件表面有凹凸，不够平整，不太美观。
（ａ）自冲铆接 （ｂ）无铆钉铆接 （ｃ）电阻点焊 （ａ）自冲铆接 （ｂ）无铆钉铆接 （ｃ）电阻点焊
（2）拉伸试验接头静强度分析
拉伸试验是静强度分析中最基本的试验，也是研究板 料 连 接 接 头 质 量 最 重要的试验项目之一。
本文采用日本岛津 ＡＧ－２５０ＫＮ２ＳＭＤ 精密万能试验机对所有试验件进行拉伸测试，试验速度为１ｍｍ／ｍｉｎ。试 验 所 得 数 据 如 表２所示。试验得到的拉伸曲线如图９和图１０所示。
表２ 拉伸试验数据 表２ 拉伸试验数据
图９ 钢板接头拉伸曲线
图１０ 铝板接头拉伸曲线
图９所示是采用1.0ｍｍ＋1.0ｍｍ 的 Ｑ１９５钢板连接的３种连接工艺接头的拉伸试验曲线。
图中，电阻点焊接头能承受的最大载荷为5445Ｎ，自冲铆接为3432Ｎ，无铆钉铆接为2327Ｎ，可以明显看出电阻点焊接头的抗拉剪性能好于自冲铆接和无铆钉铆接接头的抗拉剪性能。
试验的初始阶段，曲线中承载载荷与加载行程近似呈比例关系，图中自冲铆接曲线的斜率小于无铆和电阻点焊的斜率。
原因是：钢板的电阻点焊性能好、刚性好所以刚度大；半空心铆钉由于产生塑性变形，连接处包括上下面板料和铆钉等，因而刚度比其他二种连接方式小。
另外，自冲铆接和无铆钉铆接接头的拉伸曲线变化较陡，载荷消失较快，无铆钉铆接失效行程只有2.8ｍｍ 左右，自冲铆接失效行程较大，为6.6ｍｍ 左右。
而电阻点焊在达到最大载荷后，载荷先迅速减小，但总的行程达到9.5ｍｍ左右，可以很明显看出，对于钢板的连接，自冲铆接和无铆钉铆接接头失效比电阻点焊失效快。
这说明靠高温使得钢板达到近似原子间的结合的电阻点焊技术对于低碳钢的连接效果是比较理想的，其最大载荷接近于板料的屈服极限，拉伸时焊点没有破坏，而是板料达到屈服极限后产生破裂。
图１０所示为连接５Ａ０５－Ｏ 铝板的３种接头的拉伸试验曲线。图中电阻点焊接头承受的最大载荷约为1488Ｎ，自冲铆接为1733Ｎ，无铆钉铆接为７３９Ｎ。
首先可以明显看出铝板的自冲铆接接头抗拉强度要大于其余二者，其次，图中三条曲线变化趋势相似，即在试验初始，曲线斜率近似相同，载荷与行徎近似呈比例关系。
自冲铆接接头的拉伸曲线在１ｍｍ 到4.5ｍｍ行程区间载荷持续保持在最大载荷附近，当行程大于4.5ｍｍ后，载荷开始下降，此时连接开始失效。
可以看出自冲铆接试件保持较大载荷的效果比较好，而电阻点焊和无铆曲线载荷达到最大值后立刻开始下降，几乎没有保持的过程。
由此可看出，对于铝板与铝板的连接，自冲铆接连接效果要好于传统电阻点焊和无铆钉铆接。
对图９和图１０的曲线对比分析又可发现：电 阻点焊的钢板接头承载的最大载荷近似于铝板接头的3.65倍。
铝板电阻点焊接头的拉伸曲线没有出现钢板接头的波动屈服，曲线变化比钢板曲线陡，同时达到最大载荷所需行程也缩小了近１／２，整个失效过程总行程缩小了，可见电阻点焊焊接铝板的质量下降，效果不好；
自冲铆接的钢板接头最大载荷近似铝板接头最大载荷的1.98倍，同样钢板接头达到最大载荷所需行程约为铝板接头的２倍，但是两条曲线形状变化不大，失效所需总行程也几乎相同，这说明自冲铆接对于不同金属的连接性能变化较小，比较稳定；
无铆钉铆接钢板接头承受最大载荷是铝板接头最大载荷的3.15倍，钢板接头失效总行程约为铝板接头的2.8倍，可看出，无铆钉铆接连接铝板的效果也不理想。
自冲铆接和无铆钉铆接都属于机械连接、冷连接，整个过程没有热量交换，其连接质量完全取决于机械自锁强度大小和被铆接材料性能，钢板比铝板硬度高，且钢板材料和自冲铆钉材料性能接近，所以同种连接方式中钢板连接强度比铝板高，并且拉伸失效行程长。
综上可知：
- 对于钢板与钢板的连接，电阻点焊接头的连接性能要好于属于机械连接的自冲铆接和无铆钉铆接；
- 钢板与钢板之间的连接强度是铝板与铝板之间的同种连接的２到４倍；
- 电阻点焊和无铆钉铆接对于铝板连接的连接效果不太理想，连接质量下降较大，自冲铆接的连接质量变化最小，性能比较稳定，拉伸失效行程比电阻点焊和无铆钉铆接都大，连接铝板有比较理想的效果。
（3）接头失效形态分析
图11、图12分别是３种连接工艺试件的钢板接头拉伸失效图和铝板接头失效图。
图11ａ中自冲铆接接头的铆钉头部保留在上板料中，尾部从下板料分离，产生了剥离失效；
图11ｂ中无铆钉铆接接头连接处板料被剪断，上板料断出一个孔，剪断的板料留在下板料中，发生了剪断失效；
图11ｃ中电阻点焊接头失效形式最为特殊，钢板被撕开一个缺口，这是因为 Ｑ１９５钢板属于低碳钢，具有良好的焊接性，电阻点焊产生高温使板料之间实现了近似原子间的结合。
所以焊接点具有很高的静强度，此强度近似为材料的屈服强度，拉伸时焊点并未破坏，而是焊点附近的板料被撕裂，导致板料严重破坏，再次说明对于低碳钢的连接传统电阻点焊工艺具有很明显的技术优势。
可看出，对于钢板连接，自冲铆接和无铆钉铆接接头失效比电阻点焊接头快，承受载荷能力不如电阻点焊。
（ａ）自冲铆接 （ｂ）无铆钉铆接 （ｃ）电阻点焊 图11钢板接头失效图（上为正面，下为反面）
（ａ）自冲铆接 （ｂ）无铆钉铆接 （ｃ）电阻点焊 图1２ 铝板接头拉伸失效图 （上为正面，下为反面）
自冲铆接和无铆钉铆接的铝板接头失效形式与钢板类似，图12ａ、图12ｂ发生了剥离失效和剪断失效。
图12ｃ是铝板电阻点焊接头的失效 图，观察发现：试件上下板料均没有被破坏，只有焊点处有一点突起，没有达到类似钢板的原子重新结合的效果，连接形式发生变化，接头质量严重下降，载荷消失变快。
从失效形式上可看出，对于不同材料的连接，自冲铆接和无铆钉铆接失效形式变化不大，而电阻点焊失效形式发生了很大变化，导致其接头质量严重下降，性能变差。
可见，连接质量与连接形式和失效形式有很大的关系，而且同种连接形式连接不同材料时失效形式可能发生很大变化从而直接影响连接质量的好坏，因此，在生产中要根据材料的特性等方面选择合适的连接方式以避免连接质量的降低。
三、螺丝君经验总结
- 对于钢板与钢板的连接，电阻点焊接头抗剪性能优于自冲铆接和无铆钉铆接接头，连接形态亦比自冲铆接和无铆钉铆接美观；对于铝板与铝板连接，自冲铆接接头的抗拉剪性能比无铆钉铆接以及传统的电阻点焊接头强，但是接头形态不如电阻点焊接头形态美观。
- 钢板与钢板之间的连接强度是铝板与铝板之间的连接强度的２到４倍。
- 同一种连接形式的连接质量与连接材料有很大关系，对于不同材料应该采取适当的连接形式，如低碳钢连接适合采用电阻点焊工艺，铝合金等非低碳钢连接适合采用自冲铆接工艺等。
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