热处理对铝合金自冲铆接头裂纹和力学性能的影响

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.177

工程设计学报

2025, Vol. 32

Issue (3): 359-366 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.177

可靠性与保质设计

热处理对铝合金自冲铆接头裂纹和力学性能的影响

邢保英¹(

),陈锦聪¹,阎治铭²(

),张洪申¹,曾凯¹,邹春芽³

^1.昆明理工大学机电工程学院，云南昆明 650500
^2.昆明理工大学工程训练中心，云南昆明 650500
^3.广州亨龙智能装备股份有限公司，广东广州 510990

Influence of heat treatment on cracks and mechanical properties of self-piercing riveted joint in aluminum alloy

Baoying XING¹(

),Jincong CHEN¹,Zhiming YAN²(

),Hongshen ZHANG¹,Kai ZENG¹,Chunya ZOU³

^1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China
^2.Engineering Training Center, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China
^3.Guangzhou Heron Intelligent Equipment Co. , Ltd. , Guangzhou 510990, China

全文: PDF(4460 KB) HTML

摘要：

针对2024铝合金自冲铆接头底部易出现裂纹的问题，通过铆接实验来分析裂纹形成机理，并结合2024铝合金板材先退火再铆接的工艺开展裂纹抑制研究；同时，对比了接头剖面的显微组织和力学性能，并采用扫描电镜（scanning electron microscope, SEM）对接头断口特征进行分析，以探究其失效机理，进而分析热处理工艺对接头力学性能和失效形式的影响。结果表明，2024铝合金板材经360 ℃退火处理后，其塑性和延伸率显著提高，硬度下降了23.6%。当2024铝合金板材未经退火处理直接进行铆接时，裂纹萌生点位于铆钉管腿尖区域，接头底部出现沿径向分布的宏观裂纹；退火处理后接头底部无明显裂纹，连接点的密封性、抗腐蚀性能显著增强。未退火处理组接头剖面的晶粒结构粗大、不规则，且铆钉管腿尖区域的变形较大，而退火处理组接头剖面的晶粒结构细化且更匀称。退火处理组接头的静强度下降了12.93%，但失效位移和能量吸收值分别提高了27.3%和19.31%，其失效形式由上板完全断裂转变为下板撕裂，且连接点底部被铆扣拉穿，断口由脆性断裂转变为韧性断裂。研究结果可为自冲铆接工艺在汽车、航空航天等领域的应用提供重要参考。

关键词： 2024铝合金; 自冲铆接头; 裂纹; 热处理工艺; 力学性能; 失效形式

Abstract:

Aiming at the problem that cracks were prone to occur at the bottom of the self-piercing riveted joint in 2024 aluminum alloy, the crack formation mechanism was analyzed through riveting experiments, and the crack suppression was investigated by combining the annealing and riveting processes of the 2024 aluminum alloy sheet. Meanwhile, the microstructure and mechanical properties of the joints were compared, and the fracture characteristics of the joints were analyzed using scanning electron microscopy (SEM) to explore their failure mechanism, thereby analyzing the influence of heat treatment process on the mechanical properties and failure forms of the joints. The results showed that the plasticity and ductility of the 2024 aluminum alloy sheet increased after annealing treatment at 360 ℃, while the hardness decreased by 23.6%. In the case of riveting the 2024 aluminum alloy sheet without annealing treatment, the crack initiation occurred at the rivet tube leg tip area, and macro cracks appeared along the radial direction at the joint bottom. After annealing treatment, there were no obvious cracks at the joint bottom, which significantly improved the sealing performance and corrosion resistance of the connection point. The grain structure of the joint section in the unannealed group was coarse and irregular, and the deformation at the rivet tube leg tip area was significant. In contrast, the grain structure of the joint section in the annealed group was refined and more uniform. Although the static strength of the joints decreased by 12.93% after annealing treatment, the failure displacement and energy absorption values increased by 27.3% and 19.31%, respectively. The failure mode transformed from complete fracture of the upper plate to tearing of the lower plate, with the bottom of the connection point being pulled through by the rivet clinch. Additionally, the fracture mode changed from brittle fracture to ductile fracture. The research results can provide important references for the application of self-punching riveting process in fields such as automobiles and aerospace.

Key words: 2024 aluminum alloy self-piercing riveted joint crack heat treatment process mechanical property failure mode

收稿日期: 2024-10-28 出版日期: 2025-07-02

CLC:

TG 166.3

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52065034);云南省基础研究计划资助项目(202401AT070350)

通讯作者: 阎治铭 E-mail: xbb0808@163.com;yanman2904@qq.com

作者简介: 邢保英（1986—），女，副教授，硕士生导师，博士，从事薄板连接技术研究，E-mail: xbb0808@163.com，https://orcid.org/0009-0002-2888-9860

	服务
	把本文推荐给朋友
	加入引用管理器
	E-mail Alert
	RSS
	作者相关文章
	邢保英
	陈锦聪
	阎治铭
	张洪申
	曾凯
	邹春芽

引用本文:

邢保英,陈锦聪,阎治铭,张洪申,曾凯,邹春芽. 热处理对铝合金自冲铆接头裂纹和力学性能的影响[J]. 工程设计学报, 2025, 32(3): 359-366.

Baoying XING,Jincong CHEN,Zhiming YAN,Hongshen ZHANG,Kai ZENG,Chunya ZOU. Influence of heat treatment on cracks and mechanical properties of self-piercing riveted joint in aluminum alloy[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(3): 359-366.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.177 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I3/359

表1 2024铝合金板材的力学性能

图1 自冲铆接设备和凸台凹模、铆钉、铆接冲头

图2 自冲铆接头搭接示意

表2 不同温度退火处理后2024铝合金板材的力学性能

图3 不同温度退火处理后接头的裂纹分布

图4 接头底部裂纹示意

图5 铆钉管腿尖部位材料流动示意

图6 未退火与退火处理接头的底部裂纹对比

图7 未退火与退火处理接头的剖面形状对比

表3 未退火与退火处理接头剖面的几何参数对比 (mm)

图8 接头剖面显微组织的观察区域

图9 未退火与退火处理接头剖面处的显微组织对比

图10 未退火与退火处理接头的载荷—位移曲线对比

图11 未退火与退火处理接头的失效位移和能量吸收值对比

图12 未退火与退火处理接头的失效形式对比

图13 未退火处理接头失效断口的微观形貌

图14 退火处理接头失效断口的微观形貌

[1]	李永兵，马运五，楼铭，等. 轻量化多材料汽车车身连接技术进展［J］. 机械工程学报， 2016， 52（24）： 1-23. doi：10.3901/jme.2016.24.001 LI Y B， MA Y W， LOU M， et al. Advances in welding and joining processes of multi-material lightweight car body［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2016， 52（24）： 1-23. doi: 10.3901/jme.2016.24.001
[2]	HE X C， PEARSON I， YOUNG K. Self-pierce riveting for sheet materials： state of the art［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2008， 199（1/3）： 27-36.
[3]	HE X C， GU F S， BALL A. Recent development in finite element analysis of self-piercing riveted joints［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2012， 58（5/8）： 643-649.
[4]	MORI K， MAENO T， FUZISAKA S. Punching of ultra-high strength steel sheets using local resistance heating of shearing zone［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2012， 212（2）： 534-540.
[5]	陈贵坤，曾凯，邢保英，等. 铝合金自冲铆工艺参数的多元非线性回归模型［J］. 机械工程学报， 2022， 58（22）： 227-234. doi：10.3901/jme.2022.22.227 CHEN G K， ZENG K， XING B Y， et al. Multiple nonlinear regression model of process parameters for aluminum alloy self-piercing riveting［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2022， 58（22）： 227-234. doi: 10.3901/jme.2022.22.227
[6]	王涛. 超高强钢板与铝合金薄板自冲铆连接工艺研究［J］. 汽车工艺与材料， 2020（4）： 58-62. WANG T. Study on the technologies of self piercing riveting connection between ultra high strength steel plate and aluminum alloy sheet［J］. Automobile Technology & Material， 2020（4）： 58-62.
[7]	NEUSER M， KAPPE F， BUSCH M， et al. Joining suitability of cast aluminium for self-piercing riveting［J］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering， 2021， 1157（1）： 012005.
[8]	DROSSEL W G， JÄCKEL M. New die concept for self-pierce riveting materials with limited ductility［J］. Key Engineering Materials， 2014， 611-612： 1452-1459.
[9]	王健强，潘伟涛，钱让发，等. 7075铝合金预加热处理对自冲铆接质量的提升［J］. 机床与液压， 2019， 47（14）： 181-183. WANG J Q， PAN W T， QIAN R F， et al. Quality improvement of self-piercing riveting by the preheating treatment of 7075 aluminum alloy［J］. Machine Tool & Hydraulics， 2019， 47（14）： 181-183.
[10]	DURANDET Y， DEAM R， BEER A， et al. Laser assisted self-pierce riveting of AZ31 magnesium alloy strips［J］. Materials & Design， 2010， 31（）： S13-S16.
[11]	EASTON M， BEER A， BARNETT M， et al. Magnesium alloy applications in automotive structures［J］. JOM， 2008， 60（11）： 57-62.
[12]	亓海全，秦翔智，孙延焕，等. Q235/5083异种材料自冲铆接头力学性能的研究［J］. 有色金属科学与工程， 2018， 9（6）： 45-49. QI H Q， QIN X Z， SUN Y H， et al. Mechanical properties of Q235/5083 dissimilar material self-impact riveting head［J］. Nonferrous Metals Science and Engineering， 2018， 9（6）： 45-49.
[13]	孙一帆，胡国杰，刘梦金，等. 喷丸强化对2024铝合金/钛合金铆接件微动疲劳性能的影响［J］. 表面技术， 2023， 52（1）： 381-393. SUN Y F， HU G J， LIU M J， et al. Effect of shot peening on fretting fatigue resistance of 2024 aluminum alloy/titanium alloy riveted joint［J］. Surface Technology， 2023， 52（1）： 381-393.
[14]	JÄCKEL M， MAUL S， KRAUS C， et al. Numerical simulation of thermal supported self-pierce riveting of an ultra high-strength aluminium alloy［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2018， 1063： 012074.
[15]	MA Y W， LOU M， LI Y B， et al. Effect of rivet and die on self-piercing rivetability of AA6061-T6 and mild steel CR4 of different gauges［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2018， 251： 282-294.
[16]	JIA Y L， HUANG Z C， ZHANG Y C， et al. Forming quality and fatigue behavior of self-piercing riveted joints of DP590 and AA6061 plates［J］. Advances in Materials Science and Engineering， 2021， 2021（1）： 4381544.
[17]	KOTADIA H R， RAHNAMA A， SOHN I R， et al. Performance of dissimilar metal self-piercing riveting （SPR） joint and coating behaviour under corrosive environment［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2019， 39： 259-270.
[18]	雷军乐，刘高宇，赵伦，等. 自然时效对5A06铝合金自冲铆接接头性能的影响［J］. 锻压技术， 2024， 49（4）： 125-130. LEI J L， LIU G Y， ZHAO L， et al. Influence of natural aging on properties of self-piercing riveting joint for 5A06 aluminum alloy［J］. Forging & Stamping Technology， 2024， 49（4）： 125-130.
[19]	张航，何克准，黄淑萍，等. 固溶前退火对2024铝合金薄板组织与性能的影响［J］. 金属热处理， 2019， 44（6）： 169-171. ZHANG H， HE K Z， HUANG S P， et al. Effect of annealing before solution treatment on microstructure and properties of 2024 aluminum alloy sheet［J］. Heat Treatment of Metals， 2019， 44（6）： 169-171.

[1]	杨贵秋,邢保英,曾凯,何晓聪,赵腾飞. 腐蚀环境下钢/铝压印-胶接复合接头的静力学性能研究[J]. 工程设计学报, 2024, 31(5): 663-669.
[2]	张佳,周兆明,练章华,李锴,陈智. 乏燃料水池覆面板对接焊缝裂纹检测研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(3): 372-379.
[3]	丁宇奇,杨超梁,芦烨,杨明,张佳贺,刘凯,卢宏. 基于多判别条件的储罐内爆弱顶性能评价分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 144-153.
[4]	刘政,王兵振,何改云,张原飞,程绪宇. 极区集成式光伏供电装置结构设计与分析[J]. 工程设计学报, 2022, 29(4): 493-499.
[5]	郑明军, 赵晨磊, 吴文江, 杨摄. 全地形移动机器人车身结构分析与优化[J]. 工程设计学报, 2021, 28(2): 195-202.
[6]	何育民, 程婉莹, 朱宝慧, 徐欢欢. 矩形梁裂纹柔度测量方法研究[J]. 工程设计学报, 2017, 24(6): 618-623.
[7]	任远, 张成成, 高靖云, 李孟光. 涡轮盘篦齿裂纹扩展的有限元数值模拟[J]. 工程设计学报, 2016, 23(2): 152-159,165.
[8]	李雪鹏，王艾伦. 频繁启停过程中拉杆微裂纹引起的组合转子性能退化研究[J]. 工程设计学报, 2015, 22(2): 129-136.
[9]	胡俊峰，郝亚洲，徐贵阳. 基于有限元法的柔性铰链力学模型和性能分析[J]. 工程设计学报, 2014, 21(5): 432-438.
[10]	李雪鹏, 王艾伦. 拉杆疲劳裂纹导致的组合转子性能退化研究[J]. 工程设计学报, 2014, 21(4): 382-388.
[11]	律辉，王优强，刘昺丽，卢宪玖. 不同板条形状对艉轴承的力学性能影响研究及其结构优化[J]. 工程设计学报, 2014, 21(3): 292-300.
[12]	陈宝，陈茜，Christian Lohse，雷刚. 基于“双法多程式”的悬架橡胶衬套力学性能估算与试验验证[J]. 工程设计学报, 2014, 21(1): 43-50.
[13]	谭兴强, 贾舒媛, 谢志江. 6_PUS并联机器人动力学性能参数优化设计[J]. 工程设计学报, 2013, 20(6): 470-475.
[14]	王倩倩, 张义民, 吕昊. 基于可靠性的裂纹齿轮点蚀寿命参数灵敏度评估[J]. 工程设计学报, 2013, 20(4): 282-286.
[15]	方水光, 邵丹璐, 金英连, 王斌锐. 柔性仿人机械臂设计与动力学仿真[J]. 工程设计学报, 2012, 19(4): 307-311.

Viewed

Full text

Abstract

Cited

Shared

Discussed