超声振动辅助塑性变形行为及铆接工艺应用

发布时间：2020-10-31 16:33

　　 超声振动塑性成形技术可以降低成形力,减小表面摩擦,改善表面成形质量,提高材料成形极限,促进变形,因此被广泛关注,已在拉丝、挤压和拉拔等多种塑性成形工艺中展开应用。现阶段我国航空航天领域取得了巨大进步,铆接技术因在飞机结构连接领域的重要作用而备受关注,随着航空用大直径钛合金与铝合金铆钉的大量应用,传统铆接方式已经难以克服铆钉的变形抗力并达到铆接干涉配合标准。将超声振动辅助塑性成形技术应用到铆接工艺,有望降低铆接力,促进塑性变形,改善铆接干涉量,提高铆接强度,推动我国铆接技术的发展及航空事业的进步。然而超声振动塑性变形机理较为复杂,作用机制尚不明确;目前对航空用钛合金与铝合金的超声振动塑性变形机理研究较少;超声辅助铆接技术尚处于初步探索阶段,还需要进行进一步的研究。本文选用航空铆钉常用Ti45Nb钛合金与2A10铝合金材料作为研究对象。针对以上问题,进行了超声辅助压缩试验,研究了超声振动辅助塑性变形行为并对塑性变形机理进行了分析。在万能试验机上搭载超声振动系统进行了超声辅助压缩试验,分析了超声加载过程中的材料变形行为。结合材料微观表征测试(OM、SEM、EBSD、TEM)结果、压缩过程中的温度变化和硬度测量结果研究了超声塑性变形机理;进行了钛合金和铝合金铆钉连接2A12-T4铝合金板材的超声辅助铆接试验。研究了超声辅助铆接过程中的铆接成形力。通过金相试验研究了铆钉镦头内部组织变化。利用影像测量仪测量变形后钉杆的直径,进而计算干涉量,分析了超声振动铆接质量。利用单铆钉与双铆钉剪切试验研究了不同铆接方式获得的铆接构件的铆接强度。研究表明:超声振动可以显著降低钛合金及铝合金变形过程中的流动应力,且下降幅度受超声加载时间影响较大。流动应力降低的主要原因是超声应力叠加效应和超声软化效应;通过对变形后材料的微观表征数据分析认为,超声能量更容易被晶体缺陷吸收,促进位错的移动、积累与重排,增加了位错与空位密度,从而使得小角度晶界数量的增加以及晶粒取向的改变,提高了变形能力。本文研究发现压缩试样和铆钉镦头部位径向塑性变形不协调,出现剪切变形现象,形成剪切带,剪切带中晶粒变形剧烈。在铝合金中,由于超声振动为位错移动提供了能量,使得位错克服了第二相粒子的阻碍,增加了小变形区变形程度,减小了小变形区和大变形区变形程度差,在一定程度上缓解了剪切带剧烈变形现象,使得变形更为均匀。在钛合金中,变形量较大的区域,如大变形区、剪切带和中心变形区,自身晶体缺陷数量多,受超声能量的作用更大,超声振动辅助变形现象与铝合金相反。在钛合金铆钉和铝合金铆钉连接2A12-T4铝合金板材的超声辅助单铆钉铆接试验中:铆接变形力在超声作用下显著降低,钛合金铆钉与铝合金铆钉铆接变形力分别下降了 6.41%和5.94%;相比于常规铆接,钛合金铆钉超声铆接后钉孔间干涉量提高了 1.76倍,铝合金铆钉提高了 1.96倍,而且超声铆接使得干涉量沿钉杆轴线分布更为均匀,具有更好的连接性能;超声铆接件的剪切强度比常规铆接方式提高了 2.45%,具有更好的铆接性能。双铆钉铆接强度试验中:超声铆接剪切性能略优于常规铆接,平行于剪切方向的双铆钉排列方式剪切强度要高于垂直于剪切方向的双铆钉排列方式。这对传统铆接工艺具有一定的参考价值。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：V262;TG306
【部分图文】：

第一章绪论??模具间相对振动造成的表面效应［１９］。??（１）体积效应??超声振动体积效应一般包括应力叠加效应、声软化效应和声残余效应。其中??应力叠加效应产生原因是：超声波发生器发出的超声信号是以一定的频率与振幅??发出的，因此超声冲头也是以一定的频率与振幅进行机械振动。这种在加载过程??中冲头的振动会造成小幅度周期性卸载和加载现象，导致应力出现周期性波动，??形成了应力叠加效应［２Ｑ］。在应力叠加效应作用下的卸载行为会使得材料平均应力??下降，如图１－１中（ＩＩ）所示。??１５０?????Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｒｅｓｕｌｔ?（ｏｒｉｇｉｎａｌ?ｓｔｒｅｓｓ）?????Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｒｅｓｕｌｔ?（ａｖｅｒａｇｅ?ｓｔｒｅｓｓ）??—■—?ＦＥ?ａｎａｌｙｓｉｓ?ｒｅｓｕｌｔ?＿＿??咖、＾＊＊＊＊＊＾??＾?１００?－?ｖｉｂｒａｔｉｏ／??ｌ??Ｈ?５０?＇ｌｌ?（ＩＩ）ｖｉｂｒａｔｉｏｎ??ａ?（Ｉ）?Ｆｌｏｗ?ｓｔｒｅｓｓ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ｒｅｌａｔｅｄ?ｔｏ?ａｃｏｕｓｔｉｃ?ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ??Ｈ?（ｄｏｍｉｎａｎｔ?ｅｆｆｅｃｔ）?ａｎｄ?ｆｒｉｃｔｉｏｎ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．??Ｒ?（ＩＩ）?Ｆｌｏｗ?ｓｔｒｅｓｓ?ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ｒｅｌａｔｅｄ?ｔｏ??〇?＾?ｓｔｒｅｓｓ?ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ．??＾???０?０．１?０．２?０．３?０．４??Ｔｒｕｅ?ｓｔｒａｉｎ??图１－１超声加载应力应变曲线图［２１］??在图１－２应力叠加原理简图中显示，材料加载应力应变曲线是常规加载与超??声加载相

加，有助于位错的移动。而热软化则是使得试样的??整体温度升高，缺失了超声软化的定向作用，因此在造成相同的软化条件下，热??软化所需要的能量要比声软化高１〇７倍［２９］。??在超声振动的作用下材料发生塑性变形，材料内部的变形机制发生了变化，??在超声加载结束之后这部分变化被遗留下来，在应力上会表现为经过超声辅助变??形试样的流动应力高于或者低于常规变形（未经过超声振动辅助变形）试样的流??动应力，这种现象被称为声残余硬化／软化效应。该现象在间歇性超声加载的试验??中表现得更为明显，如图１－３所示，在结束超声振动后，材料的应力应变曲线高??于／低于常规变形应力应变曲线，表明在超声振动辅助变形阶段，材料内部变形机??制发生了变化。??１０ＣＸ）?－Ｉ?ｎｏ?ｖｉｂｒａｔｉｏｎ??４．〇ｅ?ｐｍ??９００?－?５．６３?ｐｍ?一??？?６．４４?ｐｍ?＇??ｓ〇〇－＝＊０４Ｘ??２?６００－?７２５??｜?５００－?，?Ｊ」〇〇?一＿＾一一一??Ｉ?４００－?Ｉ？７５??２００－?ｉ?１／?ＫＳ：?Ｉ?卜??■?＇?６００?．??，?ｒＪ?Ｉ?■?Ｌ，???１００－?＊?０．２８?０２９?０．３０?０．３１??ｊ?Ｓｔｒａｎ??０．０?０１?０．２?０３?０．４?０５?０．６?０．７?０８??Ｓｔｒａｉｎ??图１－３声残余效应［１４］??Ｙａｏ等人［１２］建立了晶体塑性模型用以分析声残余效应，从位错的角度解释了??声残余效应。他们认为声残余硬化效应是由于超声促进了位错的增殖与移动，使??得位错密度增加，从而材料硬化，而声残余软化效应是由于位错塞积的过程中，??矢量相反的位错相互

第一章绪论??薄壁机械连接技术有铆接、焊接与螺接，相较于焊接带来的难以消除的组织??缺陷（焊接热影响区）以及螺接的昂贵的造价与自身重量高的问题，铆接成形过??程中不会对被连接材料造成过度的变形、身具有造价低廉、自重较孝加工成本??低等优点。因此在航空领域，飞机设计制造广泛使用铆接来组装复杂结构件。??通常一架飞机机身大约需要上百万个铆钉。现如今我国航空航天事业蓬勃发??展，我国第一款自主设计、研制的具有商业价值的大型客机Ｃ９１９己经首飞成功，??该客机在上海浦东总装制造中心完成装配，同样大量使用了铆接工艺［４Ｇ－Ｍ。如图??１－４所示。??ｍｍ??图１－４?Ｃ９１９铆接过程??１．２．１超声辅助铆接技术提出背景??在新型飞机制造连接过程中，为实现结构轻量化，钛合金、铝合金等轻质合??金被大量使用，尤其是Ｔｉ４５Ｎｂ钛合金与２Ａ１０铝合金作为航空铆钉材料被大量??应用［４４４９］。航空航天领域传统铆接形式有锤铆和压铆［５（）］。这两种传统铆接方式逐??渐不能满足新材料的研制设计对铆接提出的要求：（１）为实现新型飞机结构的??结构可靠性，要求铆接干涉量均匀分布，然而传统铆接难以实现干涉量分布于整??个钉杆，无法满足结构长寿命的要求；（２）新型飞机结构中越来越多的使用大??直径铆钉，而传统压铆铆接方式难以克服大直径铆钉的变形抗力，锤铆需要多次??打击，且易导致铆钉镦头开裂。通过热铆工艺可以降低铆钉变形抗力，但冷却后??干涉量将变小，且大小难以控制［５１，５２］。??为克服传统铆接的缺点，美国率先着手研宄了电磁铆接技术。该技术是电磁??６??
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本文编号：2864204