30%Cf/PA6复合材料的超声波焊-铆复合连接工艺研究

作     者：张国涛 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘忠侠

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：Cf/PA6复合材料 凸缘铆钉 超声波焊-铆复合连接接头 接头形状 剪切和剥离强度 电偶腐蚀抗力 

摘      要：碳纤维增强高分子复合材料(CFRP)由于低的密度、高的比强度和热稳定性等特点,广泛应用于汽车行业。传统超声波焊接接头的剪切强度高而剥离强度低,因此存在较大的安全隐患。因此,为了协同改善超声波焊接接头的剪切和剥离强度,本研究以30%C/PA6复合材料为研究对象,开发了一种新型凸缘铆钉,制备了30%C/PA6复合材料的超声波焊-铆复合连接接头,研究了焊-铆接头的宏观形貌、截面组织、失效形式、剪切强度、剥离强度以及偶对腐蚀抗力,并分析了焊-铆接头的焊接机制和力学性能的改善机制。取得如下研究结果:超声波焊-铆复合连接的过程由库伦摩擦、铆钉铆入上板和下板、焊合面材料熔化和凝固五个阶段组成。所制备凸缘铆钉的沟槽有效阻止了接头焊合面熔化材料的溢出,促进了铆钉与铆接板材间的机械互锁和铆钉周围焊核的形成,因此改善了焊-铆接头的剪切强度、剥离强度和吸能性能。相对于剪切强度,其对剥离强度的改善效果更显著。其最佳焊接参数为2.5s焊接时间和0.38MPa焊接压力。采用最佳焊铆参数下制备的焊-铆接头的剪切强度和剥离强度较超声波焊接头分别提高了29.9%和39.2%,同时接头的能量吸收能力在剪切载荷作用下提高了87.2%,在剥离载荷作用下提高了244.6%。焊-铆接头的强度的改善缘于焊合面上铆钉周围形成的焊核以及铆钉与铆接板材间的机械互锁的综合作用。铆钉形状对超声波焊-铆接头性能具有显著的影响,尾部凸缘厚度和缺口是铆钉形状影响接头性能的两个主要因素。尾部凸缘厚度越厚,焊-铆接头的剪切和剥离强度越高,尾部凸缘缺口增加了焊-铆接头的剪切强度但不利于剥离强度的改善。双凸缘尾部有缺口型铆钉既能够实现焊-铆接头的剪切强度和剥离强度的协同改善,是一种改善超声波焊接接头性能的新型铆钉。铝阳极保护铆钉可以改善铆接接头和焊-铆接头的偶对腐蚀抗力,改善机理是铝阳极的优先腐蚀。对铆接接头,铆钉表面最少缠绕3%铆钉重量的铝丝才可以达到理想的保护效果。对焊-铆接头,尽管铝丝阳极保护的焊-铆接头在盐水浸泡1-3周内表现出较普通焊-铆接头高的腐蚀抗力,但第四周严重的接头强度和吸能性能的下降说明该种方法存在有一定的局限性,因此有必要进一步改进。