铆钉 自冲铆接和无铆接铆接的连接技术分析及分析
目前，钣金连接技术日趋成熟，技术种类也越来越多。 电阻点焊技术是工业生产中应用最广泛的钣金连接连接技术。 它用于大多数钢连接领域，但有些对温度敏感。 对冲击敏感的高强度材料在焊接过程中容易出现局部过热，导致连接强度下降。
最近出现的新型钣金连接技术，如自冲铆接（有文献称之为半空心铆钉自冲铆接）、无铆钉铆接等连接技术在某些方面比传统技术有更大的优势，例如点焊。
自冲铆接可用于铝与铝、铝与钢等构件的连接，还可适应前处理、预涂、粘接、密封等各种表面状态要求； 无铆钉铆接不仅可以用于不同金属材料的连接，而且铆接过程不需要铆钉，具有操作简单、节省成本的特点。
国内电阻点焊技术研究比较成熟，但自冲铆接和无铆钉铆接研究相对较少。 数值模拟和实验主要用于研究自冲铆接过程中不同铆钉和模具参数对铆接性能的影响。 影响。
分析自冲铆接工艺，为铆钉和模具的设计和制造提供理论依据。 然后通过铆接实验结果评价自冲铆接的质量，并优化模具和铆钉的形状和尺寸，使铆接接头获得较高的静强度和疲劳强度。
本文采用自冲铆接、无铆钉铆接、电阻点焊三种连接工艺，对钢板与钢板、铝板与铝板两种板材连接形式进行试验，并对各自的连接接头进行拉伸试验。
通过对试验过程的研究以及拉伸试验数据的处理和分析，研究了三种连接技术的连接强度，并对比分析了三种连接技术在不同板材形式下的优越性。
测试准备和样本分析
本次试验选用的板材为厚度为1mm的Q195钢板和厚度为1mm的5A05-O铝板。 进行测试前，将片材切割成长方形片材，长度和宽度分别为和50mm。 将相同的片材重叠，重叠部分的长度为50mm。 试样尺寸如图1所示。
图1 拉伸试样尺寸
自冲铆接试验采用英国公司生产的手持式电池驱动自冲铆接机进行。 所用半空心自冲铆钉的直径为d=5.3mm，高度为h=5mm。 尺寸示意图如图2所示。 自冲铆接机模具示意图见图3，中间部分直径D=10mm，冲头深度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，对试件横截面进行分析，用电子数码显微镜拍照并测量相关尺寸。 结果如图4所示。本文主要通过咬边量和底部厚度来评价接头的铆接质量。
图4a是钢板接头的剖视图。 图中，铆钉尾部直径为7.，底部突出部分直径为8.，底部厚度为0.，底切为0.。
图4b是铝板接头的剖视图。 铆钉尾部开口直径约为7.，底部突出部分直径约为8.，底部厚度为0.，底切为0.。
在图4中，铆钉的变形横截面是轴对称的。 钉头下端面材料无裂纹。 铆钉尾部完全打开。 铆钉底部周围有足够的金属，具有良好的机械自锁性能。 下部金属变形均匀，无裂纹或裂纹。 在穿刺的情况下，根据接头的形态分析，可以确定本次测试的试件质量满足理想要求。
(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
无铆钉铆接试验在瑞威特系列铆接机Dm20径向液压立式铆接机上完成。 对所得试件进行分析，结果如图5所示。
图5a显示了钢板接头的横截面。 底部直径约7.，凹部直径约5.，上板嵌入下板的量约0.，最下端上下板厚度约为0.。
图5b显示了铝板接头的横截面。 底部直径约为7.，凹部直径约为5.，嵌入量约为0.，最下端上下板厚度约为0.。
在图5中，铆接接头的变形横截面是轴对称的。 铆接处内上板无裂纹，铆颈内下板无裂纹。 铆接处上下板保持完好，无冲孔现象。 底部无变薄、破碎现象； 可以确认本次无铆钉铆接试验满足理想要求。
(a) 钢板连接接头 (b) 铝板连接接头
图5 无铆钉铆接试样截面图
电阻点焊试验采用Dz-3×100三相二次整流点焊机进行。 由于电阻点焊参数和被焊板材的表面状态对焊接接头的性能影响很大，特别是铝合金表面的氧化膜，在点焊时很容易产生飞溅，导致熔核形成不良、焊点强度低或焊点强度差。 不稳定。
为了保证焊接质量和焊点强度的稳定，焊接前用钢丝刷清理干净。 试验参数参考中国机械工程学会焊接学会编着的《焊接手册》第二卷《点焊参考规范》。 具体参数如表1所示。
表1 电阻点焊焊接参数
对得到的试件进行分析，结果如图6所示。图6a是钢板接头的剖视图。 图中，熔核的直径为 5.73 mm，高度为 1.8587 mm。
图6b是铝板接头的剖视图。 图中，熔核直径为5.，高度为1.。
图6中，熔核形成较为美观，变形小，焊缝内部无裂纹、孔洞，金属变形均匀。 可以判定焊接试件的质量满足理想要求。
(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
测试结果分析
联合效应分析
根据上述方法和参数，对Q195钢板和5A05-O铝板采用自冲铆接、无铆钉铆接和电阻点焊三种连接工艺进行测试。 试件的接头形状如图7和图8所示。
(a) 自冲铆接 (b) 无铆钉铆接 (c) 电阻点焊
图7 钢板连接缝效果图（上图为正面，下图为背面）
观察各接头外观，可以发现钢板、铝板自冲铆接接头正面因铆钉穿入板材内而有轻微的铆痕；
无铆钉铆接接头表面因模具挤压，正面有小凹坑，不够平整，反面也有突起； 而电阻点焊接头表面无突起，比自冲铆接和无铆钉铆接的接头更美观、更光滑。 很多，只留下微弱的焊痕。
三种试验工艺对比表明：采用电阻点焊技术连接的试件表面光滑、美观，但在焊接铝合金板材之前需要对板材表面进行处理，需要较大的工作量；
由于自冲铆接和无铆钉铆接都是冷连接技术，因此在测试前不需要对板材进行处理。 测试所需时间较短，工作量较小。 但试件表面凹凸不平，不够光滑，不太美观。
(a) 自冲铆接 (b) 无铆钉铆接 (c) 电阻点焊
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，也是研究钣金连接接头质量的最重要的试验项目之一。
本文采用日本岛津AG-精密万能试验机对所有试件进行拉伸试验。 测试速度为1mm/min。 试验所得数据如表2所示。试验所得拉伸曲线如图9和图10所示。
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为采用1.0mm+1.0mm Q195钢板连接的三种连接技术接头的拉伸试验曲线。
图中，电阻点焊接头可承受的最大载荷为，自冲铆接可承受的最大载荷为，无铆钉铆接为。 可以明显看出，电阻点焊接头的拉伸剪切性能优于自冲铆接和无铆钉铆接接头。 拉伸和剪切性能。
试验初期，曲线中的承载载荷与加载行程近似成正比。 图中自冲铆接曲线的斜率比无铆钉和电阻点焊的斜率要小。
原因是：钢板具有良好的电阻点焊性能和良好的刚性，因此具有较高的刚度； 半空心铆钉具有塑性变形，连接包括上下面板材料和铆钉，因此刚度比其他两种连接方法小。
此外，自冲铆接和无铆钉铆接接头的拉伸曲线变化陡峭，载荷消失快。 无铆钉铆接的失效行程仅为2.8mm左右，而自冲铆接的失效行程较大，约为6.6mm。
电阻点焊达到最大负载后，负载首先迅速减小，但总行程达到9.5mm左右。 可以明显看出，对于钢板的连接，自冲铆接和无铆钉铆接接头的失效情况比电阻点焊多。 快的。
这表明电阻点焊技术依靠高温实现钢板的近原子结合，非常适合低碳钢的连接。 其最大载荷接近板材的屈服极限。 拉伸时焊点不会损坏，但板材在达到屈服极限后会破裂。
图10为5A05-O铝板连接的三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，自冲铆接承受的最大载荷为，无铆钉铆接承受的最大载荷为739N。
首先可以明显看出，铝板自冲铆接接头的抗拉强度大于其他两种。 其次，图中3条曲线的变化趋势相似，即在试验开始时，曲线的斜率大致相同，载荷与位移大致成正比。
自冲铆接头的拉伸曲线使载荷在1mm至4.5mm的行程范围内保持在最大载荷附近。 当行程超过4.5mm时，负载开始下降，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较好，而电阻点焊和非铆接曲线载荷达到最大值后立即开始下降，几乎没有维护过程。
可见，对于铝板之间的连接，自冲铆接连接效果优于传统的电阻点焊和无铆钉铆接。
对图9和图10中曲线的对比分析还表明，电阻点焊钢板接头承受的最大载荷约为铝板接头的3.65倍。
铝板电阻点焊接头的拉伸曲线没有表现出钢板接头的波动屈服强度。 曲线变化比钢板曲线更陡。 同时，达到最大负载所需的行程也减少了近1/2。 整个失效过程的总行程减少。 可见电阻点焊接铝板质量下降，效果不好；
自冲铆接钢板接头的最大载荷约为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的行程大约是铝板接头的两倍。 但两条曲线的形状变化不大，失效所需的总行程几乎相同。 相同，说明自冲铆接对于不同金属的连接性能变化较小，相对稳定；
无铆钉铆接钢板接头的最大载荷是铝板接头最大载荷的3.15倍。 钢板接头的总破坏行程约为铝板接头的2.8倍。 可见，无铆钉铆接铝板连接效果并不理想。
自冲铆接和无铆钉铆接都属于机械连接和冷连接。 整个过程没有热交换。 连接的质量完全取决于机械自锁的强度和被铆接材料的性能。 钢板比铝板硬，且钢板材质与自冲铆钉的材料性能相似，因此在相同连接方式下钢板的连接强度高于铝板，且拉伸破坏行程更长。
总结：
接头失效模式分析
图11和图12分别为三种连接技术试件的钢板接头拉伸破坏图和铝板接头破坏图。
图11a中，自冲铆接接头的铆头残留在上层板材中，尾部与下层板材分离，导致剥离失效；
在图11b中，板材在无铆钉铆接接头的连接点处被剪切，并且从上板材上破出一个孔。 被剪切的片材残留在下片材中，发生剪切破坏；
图11c中电阻点焊接头的失效模式最为特殊。 钢板上裂开了一道缝隙。 这是因为Q195钢板是低碳钢，具有良好的焊接性。 电阻点焊产生的高温使片材达到近似原子间键合的状态。 组合。
因此，焊点具有很高的静强度，大约为材料的屈服强度。 拉伸时焊点并未损坏，但焊点附近的板材被撕裂，导致板材严重损坏。 这再次说明，对于低合金钢连接的传统电阻点焊工艺具有明显的技术优势。
可见，对于钢板连接，自冲铆接和无铆钉铆接接头比电阻点焊接头失效速度更快，且其承载能力也不如电阻点焊。
(a) 自冲铆接 (b) 无铆钉铆接 (c) 电阻点焊
图11 钢板接头失效示意图（上为正面，下为背面）
(a) 自冲铆接 (b) 无铆钉铆接 (c) 电阻点焊
图12 铝板接头拉伸破坏图（上为正面，下为背面）
自冲铆接和无铆接铝板接头的破坏模式与钢板相似，均发生剥离破坏和剪切破坏，如图12a和图12b所示。
图12c是铝板电阻点焊接头的失效图。 观察到试件的上下板没有损坏，仅在焊接点处有轻微的突出，没有达到类似于钢板的原子复合的效果。 连接形式发生变化，接头质量严重下降，载荷消失得更快。
从失效形式可以看出，对于不同材料的连接，自冲铆接和无铆钉铆接的失效形式变化不大，而电阻点焊的失效形式变化较大，导致接头下降严重质量和性能较差。
可见，连接质量与连接形式和失效模式有很大关系，而同一连接形式与不同材料连接时，失效模式可能发生较大变化，直接影响连接质量。 因此，在生产过程中，必须确定材料的质量。 从特性等方面选择合适的连接方式，避免连接质量下降。
综上所述
