石柏軍，李 航，彭 松，廖樹輝

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州510640）

0 引 言

鎂合金是目前工業(yè)應(yīng)用中密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、電磁屏蔽性，同時(shí)比強(qiáng)度和比剛度高，減震性好，切削加工和尺寸穩(wěn)定性佳，易回收，有利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在航空、汽車、電子等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”。但由于鎂在高溫下化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性差，熱膨脹系數(shù)較大等原因，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)焊接方法連接鎂合金薄板時(shí)會(huì)出現(xiàn)疏松氧化層、熱裂紋等問題，因此一般認(rèn)為鎂合金不適宜焊接［1］。

壓力連接是通過擠壓金屬薄板使其發(fā)生機(jī)械變形形成自內(nèi)嵌互鎖的一種連接方式，一般應(yīng)用于塑性較好的材料，如鋼板、鋁板等。與其他連接方法（如傳統(tǒng)熔化焊等）相比，壓力連接的應(yīng)用范圍更廣闊，既能實(shí)現(xiàn)不同材料薄板間的連接，又能保證薄板表面鍍層的完好性［2］，同時(shí)無需鉚釘?shù)容o助物件，也不會(huì)產(chǎn)生廢料，在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性上可以達(dá)到更高的水平。目前，工業(yè)生產(chǎn)中鎂合金薄板的連接主要為鎂－鎂、鋼－鎂連接，使壓力連接技術(shù)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。但鎂合金為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，常溫下塑性變形能力較差［3－4］，因此國內(nèi)外對(duì)壓力連接技術(shù)的研究與應(yīng)用多集中在高強(qiáng)度鋼板、鋁合金薄板的連接上，對(duì)于鎂合金薄板壓力連接的研究鮮有報(bào)道。

有研究表明，隨溫度升高，鎂合金材料的抗拉強(qiáng)度下降，塑性明顯提高，材料的各向異性指數(shù)下降［5－7］。為豐富相關(guān)研究，作者以 AZ31鎂合金作為壓力連接試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)不同溫度下鎂合金薄板的變形機(jī)理及連接效果展開探討，旨在為鎂合金壓力連接技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用提供理論支撐。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為AZ31鎂合金薄板，尺寸175mm×30mm×1mm，化學(xué)成分如表1所示，室溫下的力學(xué)性能如表2所示［1］。

表1 AZ31鎂合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of AZ31Mg alloy（mass）%

表2 室溫下AZ31鎂合金的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of AZ31 Mg alloy at room temperature

AZ31鎂合金壓力連接試驗(yàn)設(shè)備［8－10］如圖1（a）所示。壓機(jī)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)為氣液混合缸，其利用壓縮空氣最大能產(chǎn)生50kN的壓力，驅(qū)動(dòng)凸模分三行程運(yùn)作，達(dá)到壓力連接的目的。凸／凹模的結(jié)構(gòu)尺寸滿足體積算法（即根據(jù)材料變形前后體積不變的原理，凸模壓入板件部分體積等于凹模容積［11－13］），主要尺寸如圖1（b）所示。

采用凹模加熱法進(jìn)行壓力連接試驗(yàn)，即利用緊繞凹模的加熱線圈對(duì)凹模進(jìn)行加熱，再由凹模把熱量傳遞到板件接頭處。凸模尾端與力傳感器直接接觸，過高的溫度會(huì)影響力傳感器的測量精度，因此僅對(duì)凹模進(jìn)行加熱。螺旋加熱圈即表面由銅殼覆蓋的電阻加熱裝置，其溫度調(diào)控由智能控溫器來完成。

鎂合金薄板與周圍常溫空氣的接觸面積較大，冷卻速率很快，因此壓邊圈周圍薄板溫度與凹模加熱目標(biāo)溫度有一定差距，而直接測量接頭處的薄板溫度則難于實(shí)現(xiàn)。對(duì)于同樣的試驗(yàn)設(shè)備和環(huán)境，凹模加熱的目標(biāo)溫度與薄板接頭處實(shí)際溫差固定，因此接頭處的溫度可由凹模加熱溫度值減去溫差得出。

AZ31鎂合金的壓力連接與鋼板、鋁合金薄板壓力連接的過程不同，為了確保薄板連接時(shí)的溫度為目標(biāo)溫度，凸模在快進(jìn)行程末端需要停留約1min才能進(jìn)入加壓行程，壓接流程如圖2所示。

試驗(yàn)加熱溫度為150～375℃，每間隔25℃進(jìn)行一組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)壓三個(gè)接頭，并編號(hào)為接頭A、B、C。其中，接頭A用于1／2剖切截面觀測，接頭B、C分別用于正面及背面的表面觀測。此外，在光學(xué)顯微鏡下以40倍的放大倍數(shù)對(duì)175℃和300℃兩種凹模溫度下不同壓入行程制備的接頭進(jìn)行了1／2截面的觀測。

1.2 試驗(yàn)方法

壓力接頭的失效形式主要有兩種：上板頸部斷裂和上下板分離［11］。前者是由于上板頸部厚度小、強(qiáng)度低所致；后者則因薄板間互鎖值小，鎖止力不足而成［12］。接頭強(qiáng)度試驗(yàn)在三思微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，分為剪切試驗(yàn)、一字剝離試驗(yàn)以及十字剝離試驗(yàn)，以此來評(píng)價(jià)其連接效果，試樣尺寸如圖3所示。

圖3 強(qiáng)度試樣尺寸Fig.3 Size of sample for strength tests

對(duì)凹模溫度300℃的試樣分D、E、F三組測試，其中D組用于剪切試驗(yàn)，E組用于一字剝離試驗(yàn)，F(xiàn)組用于十字剝離試驗(yàn)，拉伸速率為10～50mm·min－1，每組試驗(yàn)做3次，結(jié)果取3次平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 加熱溫度對(duì)連接質(zhì)量的影響

AZ31鎂合金的塑性明顯受溫度影響，溫度越高，其塑性變形阻力越小。由表3可見，在150～250℃進(jìn)行壓力連接時(shí)，上薄板頸部厚度很小，甚至出現(xiàn)裂紋，接頭背面彎折處還出現(xiàn)褶皺。而接頭上薄板頸部厚度和上下薄板間的互鎖值是決定連接效果的兩個(gè)指標(biāo)，兩者要同時(shí)取得較大值才能獲得較好的接頭。這說明在該溫度區(qū)間進(jìn)行AZ31鎂合金的壓力連接無法形成質(zhì)量較好的接頭，失效形式為頸部斷裂。在275～300℃進(jìn)行壓力連接時(shí)，接頭形貌良好，但由于上下薄板在高溫下粘著在一起，難以測量上薄板頸部厚度與上下薄板間的互鎖值，故連接效果需要通過強(qiáng)度試驗(yàn)來進(jìn)行進(jìn)一步分析。壓力連接溫度在300℃以上時(shí)，隨著加熱溫度的進(jìn)一步升高，在同樣的壓力下容易造成下薄板材料溢出在背面形成環(huán)形凸臺(tái)，甚至穿孔（如表3中最后一組）。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，由于鎂合金在175℃時(shí)塑性較300℃時(shí)的差，故其壓力連接所需的壓接力在大部分凸模行程中大于300℃下所需的壓接力；凸模行程在1.3～1.7mm之間時(shí)，175℃下的壓接力小于300℃下的，因?yàn)樵摐囟认律媳“孱i部出現(xiàn)頸縮并開始斷裂；而300℃時(shí)，隨著凸模下壓行程增加，其壓接力上升較為平緩。

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圖4 175℃和300℃下AZ31鎂合金的連接過程對(duì)比Fig.4 Comparison of AZ31clinching processes between 175℃and 300℃

壓力連接溫度在300℃以上容易造成下薄板材料溢出在背面形成環(huán)形凸臺(tái)甚至穿孔的原因是，當(dāng)溫度達(dá)到350℃后，AZ31鎂合金變得很軟，凸模行程容易過大，導(dǎo)致接頭底部過薄出現(xiàn)穿孔，并且其穿孔后出現(xiàn)的底部落料會(huì)粘在凸／凹模上，影響模具表面性能?？梢?，在該溫度區(qū)間所形成的接頭雖然不會(huì)出現(xiàn)裂痕或者褶皺一類提前失效的情況，但其材料在壓力連接過程中流動(dòng)變形過大，導(dǎo)致其在形貌上差異較大，且上下板間結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，上薄板頸部厚度與互鎖值不可控制。由于凸／凹模具結(jié)構(gòu)尺寸滿足體積算法，從表面看理想的壓力連接效果應(yīng)當(dāng)是薄板材料基本填充滿凹模，而且接頭底厚應(yīng)為板厚的0.2～0.4倍，同時(shí)上下薄板均無材料溢出［11—13］。因此，若要在該溫度區(qū)間形成高質(zhì)量的接頭，則需要準(zhǔn)確控制凸模下壓行程的位移以及力度。

以上結(jié)果表明：適合AZ31鎂合金壓力連接的溫度為250～350℃，最適宜溫度在300℃左右。壓力連接過程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)最大壓接力的監(jiān)控顯示，隨著溫度的升高，最大壓接力逐漸變小，其變化關(guān)系如圖5中曲線所示。

圖5 適合于AZ31鎂合金壓力連接的溫度區(qū)域Fig.5 The suitable temperature zone of AZ31clinching

2.2 連接接頭的強(qiáng)度

從圖6可見，接頭其抗剪切強(qiáng)度最大，測得最大切向作用力達(dá)到了1 600N，切向位移很小，接頭的破壞形式為上薄板頸部產(chǎn)生扭曲并斷裂，接頭十字剝離最大拉力為600N，拉伸位移較大，接頭破壞形式為頸部被垂直拉斷。而一字剝離試驗(yàn)的抗拉力為380N，說明剝離過程中接頭四周受力均勻，更好地發(fā)揮了壓力連接技術(shù)使薄板間自內(nèi)嵌的互鎖效果。

圖6 300℃下AZ31鎂合金連接接頭的強(qiáng)度試驗(yàn)位移－力曲線Fig.6 Displace vs force curves of AZ31Mg alloy clinching joints at 300℃

3 結(jié) 論

（1）適合AZ31鎂合金壓力連接的溫度區(qū)間是250～350℃，以300℃左右為最佳，溫度過低容易導(dǎo)致接頭頸部出現(xiàn)裂痕甚至斷裂，溫度過高時(shí)AZ31鎂合金變軟使得凸模下壓行程過大，導(dǎo)致接頭處材料的流動(dòng)變形過大，底部過薄甚至穿孔。

（2）在300℃條件下壓接AZ31鎂合金，其接頭十字剝離最大承載力為600N，而剪切所能承載的作用力達(dá)到了1 600N，連接強(qiáng)度較高。

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