车用铝薄壁摩擦点焊接头的力学性能机理研究
发布时间：2021-12-31 18:51
电动汽车的发展需求将轻量化提升至更高的优先级,拓展高性能铝镁合金的应用是车身框架减重的关键解决途径。现阶段铝薄壁焊接总成主要采用熔焊手段,存在着裂纹倾向大、变形大以及高能耗下制造成本较高等一系列问题,电阻焊（RSW）接头通常成为车辆结构的薄弱位置。搅拌摩擦点焊（FSSW）具有固相低温融合和对合金壁面不敏感的优势,是一种适合铝薄板连接的方法。目前相关报道多偏重于材料学方向,缺乏面向汽车制造和服役场景中的工程应用考量,对接头力学性能的工艺影响机理尚不明晰,导致车用工况下失效预测匮乏及抗裂性不足。本文围绕汽车薄壁接头在各制造环节中加工因素对成型性能的影响,从基材特性、参数设计、成形过程、焊后组织以及服役连接性能方面,较系统地开展了车用铝薄壁摩擦点焊接头的力学性能机理研究,旨在为车辆焊点结构的强度设计与失效预测提供实验依据和方法支持。论文首先研究了典型车用铝合金5052H32和6061T6的材料力学性能。揭示了其应力状态与应变率耦合影响下的本构响应规律,发现合金流变应力主要受应变强化控制,断裂应变取决于应变率水平,冲击变形能显著增加。对合金弹塑性变形、损伤演化及韧性断裂分别开发出有效的力学表征...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
乘用车燃油消耗与整备质量关系
第1章绪论1第1章绪论1.1轻量化车身结构的材料与连接技术面向新能源汽车的发展需求，电动汽车的开发引发了整车制造的新变革。作为实现节能减排和提高动力性的重要手段，轻量化是汽车设计与制造中持续攻关的共性关键课题。据了解，当汽车整备质量每下降10%，可减少6%～8%的油耗以及4%的尾气排放[1]，如图1.1所示。并且随着电动化趋势下车用动力电池能量密度的制约，续航里程对质量变化更为敏感，由图1.2中某纯电动物流车型的里程影响关系所表明[2]，对轻量化的需求被提升至更高的优先级。由于车身骨架约占整备质量35%，因此成为破解轻量化的重点区域，其中，结构轻量化设计和增加轻质材料的使用比例被视为是行之有效的解决路径，对高性能、高可靠性的轻量化零部件的要求越发迫切[3]。图1.1乘用车燃油消耗与整备质量关系图1.2纯电动物流车续驶里程与质量关系乘用车的承载式白车身框架主体由结构件、加强件和覆盖件构成，采用单一材料制造整车结构显然是不可行的，综合考虑轻量化效果、材料成形性、成本及强度安全性等多方面因素，针对特定部件使用特定材料成为可行的解决方案，追求“正确的材料用于正确的载荷分配”[4]。当前，符合主流发展趋势的多材料车身大量应用了强度或刚性更高的轻质材料代替传统钢材，诸如高强钢、铝镁合金、碳纤维增强复合材料等，这需要对新材料的性能和应用条件有更全面深入的认识和把控。相应地，材料匹配方式也由单一的钢-钢连接向铝-铝、钢-铝等多组合方式转变[5]。
吉林大学博士学位论文2铝合金由于其高耐蚀性、高比强度和可回收性特点成为汽车轻量化的重要原材料之一，车身用铝主要涵盖薄壁板材、挤压型材以及铸锻件。基于铝材的合理运用，奥迪、捷豹以及国内的蔚来、奇瑞等汽车厂商已先后开发出全铝车身和钢-铝混合车身，其中一款典型铝镁合金车身框架的材料应用分布如图1.3所示。其中，AA5052和6061以其较优异的成形性在汽车工业中获得广泛应用，根据它们不同程度的成形极限和热处理状态分别适用于冲压钣金件和结构件[6,7]，壁厚范围由0.8~3.2mm不等。由此，零部件连接不仅涉及铝同材间的接合情况，同时涉及到不同系列牌号的铝材间以及钢-铝异质接合情况。图1.3车身框架中的多种铝镁合金材料应用多材料混用的车身结构不再采用点焊作为结构连接的唯一方法，而是依据被连接基材的物化属性以及连接工艺的原理、技术优势来选择焊接、胶粘、铆接等冶金或机械连接方法及其复合形式[8,9]，所成接头在复杂工况载荷下的失效以及与被连接子结构和材料的交互作用机理较为复杂。点连接形式中，铆接相比于点焊存在以下缺陷：1）破坏母材整体性，降低承载能力[10]；2）铆钉存在增加系统质量；3）生产制造中存在强噪音污染。焊接作为主导组拼装方式，常见工艺包括电阻点焊（RSW,ResistanceSpotWelding）、激光焊、熔化极惰性气体保护焊以及摩擦焊等。对于铝合金而言，内在的物理化学性质导致其高温焊接的可融合性较差[11]，电阻熔焊结构主要存在以下问题：（1）表层致密的Al2O3薄膜熔点极高，导电性极差，极大的接触电阻产生较多的热量，而Al具有低熔点特性因而易在接触面上引起严重飞溅，该现象将带走部分热量和熔化金属，引起熔核直径波动较大，对焊接质量极为不利；（2）Cu电极易与Al发生共晶反应以致电?
【参考文献】：
期刊论文
[1]汽车车身铝板材料回填式搅拌摩擦点焊技术试验研究[J]. 王征征,王子欣,崔颖,周林柱,李金宝,周明文,刘国山. 汽车工艺与材料. 2019(12)
[2]搅拌针形状对Al-Mg-Si合金搅拌摩擦焊过程中材料流动和力学性能的影响（英文）[J]. Krishna Kishore MUGADA,Kumar ADEPU. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019(11)
[3]汽车碰撞安全与轻量化研发中的若干挑战性课题[J]. 周青,夏勇,聂冰冰,黄毅,赖兴华. 中国公路学报. 2019(07)
[4]轻量化对电动汽车续驶里程的影响研究[J]. 尚勇. 时代汽车. 2019(07)
[5]铝合金薄板搅拌摩擦焊搭接界面缺陷与接头性能[J]. 刘伟,熊江涛,赵华夏,栾国红,李京龙. 焊接学报. 2018(10)
[6]Microstructure and mechanical optimization of probeless friction stir spot welded joint of an Al-Li alloy[J]. Q.Chu,W.Y.Li,X.W.Yang,J.J.Shen,A.Vairis,W.Y.Feng,W.B.Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2018(10)
[7]基于各向异性GTN模型的铝合金损伤参数确定[J]. 肖晋,胡玉梅,金晓清,陈敏治,周迎娥,邵金华. 机械强度. 2018(05)
[8]铝合金搅拌摩擦焊接头的组织缺陷与工艺参数关系的研究[J]. 孙金睿,朱海,于洪河,关平,孙龙. 热加工工艺. 2018(13)
[9]Refill friction stir spot welding of 5083-O aluminum alloy[J]. Zhiwu Xu,Zhengwei Li,Shude Ji,Liguo Zhang. Journal of Materials Science & Technology. 2018(05)
[10]基于CEL方法搅拌摩擦焊材料流动及缺陷的模拟[J]. 朱智,王敏,张会杰,张骁,于涛,吴振强. 中国有色金属学报. 2018(02)
博士论文
[1]6005A-T6铝合金搅拌摩擦焊接头的组织与性能研究[D]. 董鹏.吉林大学 2014
[2]铝合金搅拌摩擦点焊过程及其动态再结晶数值模拟[D]. 高增.河南理工大学 2012
[3]焊点排布对结构耐撞性影响的研究和应用[D]. 武雪原.清华大学 2010
[4]6063铝合金薄板搅拌摩擦焊接工艺及机理的研究[D]. 李兵.东北大学 2009
硕士论文
[1]6082-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头微观组织及力学性能的研究[D]. 刘亮.吉林大学 2019
[2]AZ31B镁合金准静态下应力三轴性对断裂行为的影响[D]. 廖解放.西南科技大学 2017
[3]基于拓扑优化的汽车车身焊点布置优化研究[D]. 于晨.大连理工大学 2017
[4]6082-T6铝合金电子束焊接工艺及其接头组织与性能[D]. 罗传孝.南京航空航天大学 2013
[5]基于Gurson模型的高强钢塑性断裂行为研究[D]. 杨祯.天津大学 2012
[6]汽车正碰有限元仿真分析精度影响因素研究[D]. 谢斌.湖南大学 2011
[7]5052铝合金搅拌摩擦点焊工艺及组织性能研究[D]. 张家龙.天津大学 2009
本文编号：3560786
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
乘用车燃油消耗与整备质量关系
第1章绪论1第1章绪论1.1轻量化车身结构的材料与连接技术面向新能源汽车的发展需求，电动汽车的开发引发了整车制造的新变革。作为实现节能减排和提高动力性的重要手段，轻量化是汽车设计与制造中持续攻关的共性关键课题。据了解，当汽车整备质量每下降10%，可减少6%～8%的油耗以及4%的尾气排放[1]，如图1.1所示。并且随着电动化趋势下车用动力电池能量密度的制约，续航里程对质量变化更为敏感，由图1.2中某纯电动物流车型的里程影响关系所表明[2]，对轻量化的需求被提升至更高的优先级。由于车身骨架约占整备质量35%，因此成为破解轻量化的重点区域，其中，结构轻量化设计和增加轻质材料的使用比例被视为是行之有效的解决路径，对高性能、高可靠性的轻量化零部件的要求越发迫切[3]。图1.1乘用车燃油消耗与整备质量关系图1.2纯电动物流车续驶里程与质量关系乘用车的承载式白车身框架主体由结构件、加强件和覆盖件构成，采用单一材料制造整车结构显然是不可行的，综合考虑轻量化效果、材料成形性、成本及强度安全性等多方面因素，针对特定部件使用特定材料成为可行的解决方案，追求“正确的材料用于正确的载荷分配”[4]。当前，符合主流发展趋势的多材料车身大量应用了强度或刚性更高的轻质材料代替传统钢材，诸如高强钢、铝镁合金、碳纤维增强复合材料等，这需要对新材料的性能和应用条件有更全面深入的认识和把控。相应地，材料匹配方式也由单一的钢-钢连接向铝-铝、钢-铝等多组合方式转变[5]。
吉林大学博士学位论文2铝合金由于其高耐蚀性、高比强度和可回收性特点成为汽车轻量化的重要原材料之一，车身用铝主要涵盖薄壁板材、挤压型材以及铸锻件。基于铝材的合理运用，奥迪、捷豹以及国内的蔚来、奇瑞等汽车厂商已先后开发出全铝车身和钢-铝混合车身，其中一款典型铝镁合金车身框架的材料应用分布如图1.3所示。其中，AA5052和6061以其较优异的成形性在汽车工业中获得广泛应用，根据它们不同程度的成形极限和热处理状态分别适用于冲压钣金件和结构件[6,7]，壁厚范围由0.8~3.2mm不等。由此，零部件连接不仅涉及铝同材间的接合情况，同时涉及到不同系列牌号的铝材间以及钢-铝异质接合情况。图1.3车身框架中的多种铝镁合金材料应用多材料混用的车身结构不再采用点焊作为结构连接的唯一方法，而是依据被连接基材的物化属性以及连接工艺的原理、技术优势来选择焊接、胶粘、铆接等冶金或机械连接方法及其复合形式[8,9]，所成接头在复杂工况载荷下的失效以及与被连接子结构和材料的交互作用机理较为复杂。点连接形式中，铆接相比于点焊存在以下缺陷：1）破坏母材整体性，降低承载能力[10]；2）铆钉存在增加系统质量；3）生产制造中存在强噪音污染。焊接作为主导组拼装方式，常见工艺包括电阻点焊（RSW,ResistanceSpotWelding）、激光焊、熔化极惰性气体保护焊以及摩擦焊等。对于铝合金而言，内在的物理化学性质导致其高温焊接的可融合性较差[11]，电阻熔焊结构主要存在以下问题：（1）表层致密的Al2O3薄膜熔点极高，导电性极差，极大的接触电阻产生较多的热量，而Al具有低熔点特性因而易在接触面上引起严重飞溅，该现象将带走部分热量和熔化金属，引起熔核直径波动较大，对焊接质量极为不利；（2）Cu电极易与Al发生共晶反应以致电?
【参考文献】：
期刊论文
[1]汽车车身铝板材料回填式搅拌摩擦点焊技术试验研究[J]. 王征征,王子欣,崔颖,周林柱,李金宝,周明文,刘国山. 汽车工艺与材料. 2019(12)
[2]搅拌针形状对Al-Mg-Si合金搅拌摩擦焊过程中材料流动和力学性能的影响（英文）[J]. Krishna Kishore MUGADA,Kumar ADEPU. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019(11)
[3]汽车碰撞安全与轻量化研发中的若干挑战性课题[J]. 周青,夏勇,聂冰冰,黄毅,赖兴华. 中国公路学报. 2019(07)
[4]轻量化对电动汽车续驶里程的影响研究[J]. 尚勇. 时代汽车. 2019(07)
[5]铝合金薄板搅拌摩擦焊搭接界面缺陷与接头性能[J]. 刘伟,熊江涛,赵华夏,栾国红,李京龙. 焊接学报. 2018(10)
[6]Microstructure and mechanical optimization of probeless friction stir spot welded joint of an Al-Li alloy[J]. Q.Chu,W.Y.Li,X.W.Yang,J.J.Shen,A.Vairis,W.Y.Feng,W.B.Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2018(10)
[7]基于各向异性GTN模型的铝合金损伤参数确定[J]. 肖晋,胡玉梅,金晓清,陈敏治,周迎娥,邵金华. 机械强度. 2018(05)
[8]铝合金搅拌摩擦焊接头的组织缺陷与工艺参数关系的研究[J]. 孙金睿,朱海,于洪河,关平,孙龙. 热加工工艺. 2018(13)
[9]Refill friction stir spot welding of 5083-O aluminum alloy[J]. Zhiwu Xu,Zhengwei Li,Shude Ji,Liguo Zhang. Journal of Materials Science & Technology. 2018(05)
[10]基于CEL方法搅拌摩擦焊材料流动及缺陷的模拟[J]. 朱智,王敏,张会杰,张骁,于涛,吴振强. 中国有色金属学报. 2018(02)
博士论文
[1]6005A-T6铝合金搅拌摩擦焊接头的组织与性能研究[D]. 董鹏.吉林大学 2014
[2]铝合金搅拌摩擦点焊过程及其动态再结晶数值模拟[D]. 高增.河南理工大学 2012
[3]焊点排布对结构耐撞性影响的研究和应用[D]. 武雪原.清华大学 2010
[4]6063铝合金薄板搅拌摩擦焊接工艺及机理的研究[D]. 李兵.东北大学 2009
硕士论文
[1]6082-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头微观组织及力学性能的研究[D]. 刘亮.吉林大学 2019
[2]AZ31B镁合金准静态下应力三轴性对断裂行为的影响[D]. 廖解放.西南科技大学 2017
[3]基于拓扑优化的汽车车身焊点布置优化研究[D]. 于晨.大连理工大学 2017
[4]6082-T6铝合金电子束焊接工艺及其接头组织与性能[D]. 罗传孝.南京航空航天大学 2013
[5]基于Gurson模型的高强钢塑性断裂行为研究[D]. 杨祯.天津大学 2012
[6]汽车正碰有限元仿真分析精度影响因素研究[D]. 谢斌.湖南大学 2011
[7]5052铝合金搅拌摩擦点焊工艺及组织性能研究[D]. 张家龙.天津大学 2009
本文编号：3560786
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/gckjbs/3560786.html
