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应用于轻量化车身的高锰TWIP钢与多材料高速射钉接头

来源:汽车轻量化在线 浏览次数:99 发布日期:2019-01-22

摘要:由于法律要求的限制,汽车制造商被迫减少新车型的污染物排放。节能减排的一种有前景的方法是减轻车辆重量,从而使白车身具有巨大的潜力。这种重量减轻是通过新的车身结构实现的,其中包含不同材料应用的不断增加。此外,像TWIP钢这样的新型轻质材料变得更加重要。使用TWIP钢成功和经济地实施多材料设计需要适当的连接技术。在该项目中,研究了与不同材料相关的具有挑战性的材料组合。在本文中,高速连接被认为是一种创新和有前景的多材料应用连接技术。这种机械连接技术包含一个称为Tack的辅助连接部件(高速射钉),它被高速驱动到连接伙伴中。文中还展示了高速连接面临的挑战以及优化。通过金相分析进行研究及破坏性试验确定机械性能。并将这些特征与当前使用的标准螺钉的结果进行比较。

关键词:多材料设计高锰钢 高速射钉连接

1简介

1.1高速连接

新材料被引入现代车身结构,汽车行业面临着与多材料设计相冲突的目标,这限制了传统的热连接技术。因此,低热连接技术变得越来越重要。高速连接是一种能够实现单面连接并可以应用在钣金和型材之间进行连接的技术。钉状辅助连接部分被加速到20-40m/ s并直接驱动到连接部件中。不需要预孔操作。高速连接的过程如图1所示。

Fig. 1 Sequence of high-speed joining

在该过程中,Tack钉穿透连接部分,并且由于局部瞬间温度升高,材料的流动性得到改善,通过填充Tack螺钉的成型柄的环形槽,最终形状配合,实现连接。

图2显示了在高速连接时可能发生的故障模式。在过冲的情况下,动能不足以实现头部支撑。连接部件之间的间隙通常是过高的连接压力造成的,这也可能导致材料损坏。在这种情况下,动能过高,以至于材料经受了很大的变形,而弹性变形(回弹)不足以在箍柄上施加压缩力。

Fig. 2 Failure modes of highspeed joining

2实验方法

使用BöllhoFF公司的pneumaticRivtac MagazineFeed进行连接研究。检查的材料厚度组合示于表1中。在研究中,使用冷轧TWIP钢组合物X40MnCrAl19-2。
 

关于符合质量标准的连接结果,最具挑战性的材料组合是TWIP钢作为覆盖板和HCT600XD作为基础材料。这可以通过强变形诱导的加工硬化与高断裂伸长率来解释,这使得tack难以穿透TWIP钢作为覆盖片。在连接过程中,TWIP钢的变形引起的加工硬化达到490HV0.5,超过了tack的硬度,约为450±20HV10(比较图4)。使用HCT600XD作为基础材料,表明具有最高强度的材料使得tack渗透更加难以进行变形。
 

 

2.1优化程序

TWIP钢的加工硬化超过FK16-8-3-H3tack硬度约40HV0.5。为了减少tack变形,必须增加tack硬度。目的是进行仅影响tack尖端的热处理。为了实现这一要求,需要具有动态控制回路的电感器。图5显示了具有高强度和延性夹紧区域的硬化尖端,目的是为保持疲劳强度。

使用800至840°C的硬化温度,油作为淬火介质,回火温度200°C,时间60min,实现可重复的tack硬化处理。图12显示了已确定的热处理,用于优化tack,在硬化的尖端没有裂缝。

3实验结果

使用优化的tack行进一步的样品试验。结果如图13所示。作为热处理的结果,尖端不再变形并且连接过程稳定且准确。且不会出现小块或毛刺。优化tack的另一个改进是减少所需的连接压力。在tack钉的初始状态下,大量的总动能被tack钉的变形吸收,并通过优化的tack钉来防止随之发生毛刺和小块.

本研究一个重要的目标是保持tack的强度,特别是疲劳强度。如图14所示,温度仅影响卵形尖端的有限区域。轴承载荷发生的上部钉柄的初始状态不受热处理的影响,因此不会产生疲劳效应。进行微结构分析以表征热处理区域的调整的微观结构。图14显示了尖端的三个不同区域的微观结构。

在第一和第二区,获得了完整的马氏体微观结构。过渡区(区域3)显示出安全和马氏体微观结构。可以假定油作为淬火介质可以达到足够的冷却速度来硬化粘性。优化粘性的硬度测量值(TWIP / Al6xxx )显示在图15中并验证了强度的增加。标准硬度由450±20HV10提高到710HV0.5。

图16显示了最具挑战性的材料-厚度组合TWT= 1.4mm / HCT600XD t = 1.5mm的准静态剪切拉伸试验的结果。

由于标准FK16-8-3-H3tack不可以实现可以接受的接头,因此选择预生成的FK16-8-3-H5作为参考。左图表示力位移行为。 优化的H3tack的结果更可重复,并且关于标准H5-tack的结果的分散更高。最大力增加了8%,能量吸收是一个重要的值,其中碰撞性能提高了71%。失效模式图(左图16)显示H5tack 的脆性破坏和H3tack的延性失效。连接过程和tack的优化导致负载能力提高。

图17中的条形图显示了所有研究的材料-厚度组合的剪切拉伸试验的最大力和能量吸收。

在材料组合TWIP钢与双相钢HCT600XD高速连接的情况下,接头的机械性能与连接方向无关。当以TWIP作为覆盖片,HCT600XD作为基材时,最大作用力和能量吸收稍高,散射几乎没有减少。TWIP/ Al6xxx材料组合的能量吸收显示,由于tack钉的大幅倾斜,能量吸收量最大。TePEx®/ TWIP组合的最大力和能量吸收受到TEPex®的限制,如故障模式图所示。

4结论和展望

基于识别出的高速连接的优化潜力,以最具挑战性的检查材料-厚度-组合(TWIPAs盖板和HCT600XD作为基板)对连接工艺和连接元件进行优化。对tack钉进行特殊处理可显著改善连接效果,并在每种研究材料组合的情况下产生符合质量标准的接头。达到了质量界限,另外,降低了所需的连接压力,提高了工艺稳定性。就机械性能而言,最大作用力以及能量吸收都有所提高。优化tack的疲劳强度和耐腐蚀性将在下一步工作中进一步研究。

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