机械外文翻译铝和碳纤维增强聚合物片材的两步紧固

【中文8873字】铝和碳纤维增强聚合物片材的两步紧固Francesco Lambiase ，Dae-Cheol Ko意大利.意大利拉奎拉大学工业与信息工程与经济系67100（AQ），意大利.那不勒斯.那不勒斯大学费德里科二世，CIRTIBS研究中心，P.le Tecchio 80,80125韩国釜山釜山大学聚合科学研究生院，46241文章历史：2016年10月27日收到2016年12月12日修订2016年12月27日接受2016年12月28日在线提供关键词：连接;金属;压紧;CFRP;混合接头;复合材料本文调查了两步铆接连接铝和碳纤维增强聚合物（CFRP）的有效性。

为此，通过与分裂模具结合加入后涉及不同的重塑工具。

重塑力量也各不相同。

对简单的铆接和重塑样品进行单圈剪切试验以确定工艺条件对接头机械性能的影响。

分析接头的形态和几何形状，以了解改型步骤如何影响接头的主要质量标准和CFRP板上产生的损伤。

根据实验结果，拔出简单的连接失败;因此，关键参数是底切。

重塑的方法，使用优化的工具可以将关节的强度提高32％。

这种改善是由于物料流动较高和改善造成的底切增加。

这些关节中可能出现的主要缺陷以及其原因已经确定。

1.简介混合金属复合结构越来越多地应用于包括运输行业，民用基础设施和建筑在内的多个领域，因为它们能够大大降低产品重量，节省燃料，降低惯性（从而提高性能）。

汽车行业正在投入大量精力来复制使用混合金属复合材料底盘的好处。

近年来，这种底盘正在应用于众多大规模生产车辆，包括阿尔法罗密欧4C，宝马7系和雪佛兰科尔维特Z06。

混合金属复合结构也被广泛应用于不同范围的土木工程中：增强桥梁结构[1]，增加铝梁的弯曲刚度[2]，修复和加强结构部件[3]，甚至防止火灾和热绝缘轻质结构材料[4]。

由于这些材料的巨大差异，加入这些材料仍然是一个具有挑战性的问题，它通常是通过粘接和机械连接工艺制成的。

与粘合剂粘合剂相比，机械粘合剂通常可以确保较高的静态和动态负载能力此外，这些接头在更短的时间内完成，因为它们不需要大量的表面处理（包括蚀刻，研磨和脱脂），对环境友好（由于低能量要求，低噪音和烟雾排放），而且不需要需要固化时间。

但是，机械连接过程通常需要对片材进行预先钻孔，这可能会损坏复合材料，导致光纤中断并产生应力集中。

尽管与粘合剂粘合相比，它们需要更短的时间，但机械连接过程涉及人工步骤，例如预先钻孔和随后插入额外的连接元件，并且需要额外的材料（铆钉，螺栓等），这会增加生产时间，成本和结构重量。

尽管有机械接头，但粘合剂粘合能够确保复合材料部件的完整性（不会产生光纤中断），并且由于没有孔洞，负载分布更均匀[5]。

在这种情况下，应力在宽度方向上几乎是均匀的，而沿着键合长度遵循“U”形分布[6]。

在这些关节中，脱粘通常在其中一个结合肢或其附近起始[7]。

耦合机械连接和粘合剂粘合导致混合连接表现出有趣的改进，因为它汇集了这两种连接技术的优点。

由于在使用寿命期间产生的应力集中较低，混合连接已被证明可以提高静态强度和疲劳强度[9]。

由于各种机械连接过程，不同的机械连接可以与粘接结合，包括：螺栓连接[8]，铆接[10]，激光铆接和自冲铆钉[11]。

由于混合结构用于批量生产的需求日益增加，因此需要更快的连接过程。

已经开发了许多新的工艺来加入纤维增强热塑性塑料：摩擦点连接[12]，摩擦搭接焊接[13]，超声波焊接[14]和激光辅助直接连接[15]。

这些工艺在复合材料的热塑性基体和金属表面之间产生机械和化学粘合。

此外，先进的热成型工艺，通过使复合材料塑性变形而在部件之间产生机械联锁，也适用于此目的。

热成型工艺包括：基于摩擦的堆积[16]，红外堆积[17]，摩擦铆接[18]和流动钻井[19]。

尽管如此，这些工艺不适合用热固性基体连接复合材料，因为它们会导致聚合物的热降解以及纤维和基体的机械损伤，纤维的撕裂以及复合材料的脱落。

另一方面，快速机械连接过程如夹紧[20-26]和自冲铆接[27-29]能够克服上述某些问题。

事实上，尽管采用了铆钉和螺栓的通用机械连接方法，但这两种方法都不需要在被连接的板材上预先钻孔[30,31]。

另外，由于不需要外部连接元件，因此可以增加成本并增加结构重量，因此可以获得额外的优势。

机械咬合包括形成一个咬合两个或多个薄片的底切。

底切是通过使用冲头和模具进行塑性变形而产生的。

Clinching最初被开发用于连接包括高强度钢和铝合金的金属板。

然后，它已经扩展到加入先进金属（镁和钛合金）以及热塑性聚合物[32]，木材[33]以及含有热塑性基体和短纤维的纤维增强聚合物（FRP）[34]和长纤维热固性基质[35]。

夹紧工具的正确设计旨在增加主要接头质量参数（底切和颈部厚度），而不会损坏片材[36]。

复合材料的机械咬合引起了进一步的担忧，因为复合材料的分层应该也是有限的或可能避免的。

因此，已经提出了特定的配置，例如开孔夹紧[37]，其中包括复合材料的初步钻孔。

然而，钻孔引起进一步的担忧，如较长的加工时间（由于预钻操作）以及冲头和孔之间的偏心[38]。

此外，在打孔过程中，冲压侧板材受到较高的撕裂应力，这可能会损害板材对成形性差的材料的完整性[39]。

如上所述，铆接接头的机械性能取决于取决于材料流动的几何特征（底切和颈部厚度）。

因此，为了提高这些接头的强度，不同的方法可能适用，包括工具组的优化，以及开发两步骤紧固件，涉及紧固后的重塑步骤。

最初提出后一种方法是为了减小突起高度（从而改善这种关节的美学特征）[40]。

但是，进一步的研究表明，两步铆接还可以提高铝板上制成的铆接接头的机械强度[41]。

这是由于颈部厚度增加和下陷[24]。

到目前为止，在材料流动，复合材料损伤，特性尺寸和强度方面，已经进行了任何研究，以确定重塑成型步骤对金属与复合板的连接的影响。

目前的调查分析了基于机械铆接后的再成形变形的两步铆接，作为改善混合金属复合材料接头上铆接连接力学行为的一种方法。

特别是铝合金系列AA6xxx 和长纤维碳纤维增强聚碳酸酯（CFRP）片材和热固性基体通过铆接连接在一起。

测试了不同类型的重塑工具和连接力值，以确定最佳工艺窗口。

进行基于单个搭接剪切测试的机械测试以表征接头的机械性能并验证重塑方法的有效性。

此外，进行了形态分析，以了解重塑步骤如何影响力学行为，主要关节尺寸和CFRP板上的损伤。

2.材料和方法2.1 材料在这项研究中使用3.0毫米厚的铝合金AA6024轧制板。

这是一种可沉淀硬化的铝合金，以Si和Mg为主要合金元素。

铝的化学组成通过X射线荧光光谱仪测定。

表1中报告了合金的主要化学元素。

铝板与厚度为1.4mm的CFRP板结合。

CFRP层压板使用平纹组织（SK Chemical，UGN200）制造。

碳纤维预浸料（MRCPYROFILTM，TR30S）和热固性环氧树脂（双酚A型环氧树脂+苯酚酚醛环氧树脂）在130℃下固化2小时。

在施加压力之前，层片的预浸料坯的初始厚度为0.3mm。

如表2所示，最终的树脂含量估计约为53％。

[39]中报道了CFRP板的机械性能和制造程序。

表2和表3报告了CFRP的主要特性和机械性能。

2.2 紧固设备通过由Jurado srl（意大利Rivotorto（佩鲁贾））提供的便携式模型化蟒机器进行夹紧测试。

在这次调查中，第一步中使用的紧固配置保持不变。

如图1（a）所示，在这个步骤（机械铆接）中，使用了三个扇形的分模，模具砧座深度h = 1.1mm，初始直径D = 5.2 mm。

分割模具优于固定（开槽）模具，因为它通常会产生较大的底切和较低的成形力，并且它能够更容易地从模腔中提取复合碎屑[42]。

第一步的工具套件还包括一个锥角为6°，直径d = 4 mm和圆角半径为0.2mm的冲头。

在执行第一次连接步骤后，钳工工具被取消，并执行第二步。

在第二步（重塑）中，冲头的高度是变化的，以便产生不同的冲模腔几何形状（重塑深度，Rd）。

这是通过改变可调节环的高度HR来完成的，如图1（b）所示。

该研究还调查了第二步中整形力的影响，其在第一步中的成形力保持不变（Fj =28.8kN）的情况下在两个水平上变化Fj = 20.5kN和Fj = 28.8kN。

这些值是根据初步测试结果和夹机的最大可用力选择的。

实验计划总结在表4中。

在所有的测试中，铝都放在冲头一侧。

表1铝合金的化学成分成分Mg Si Mn Al含量[%]0.330.960.8796.62表2 CFRP的制造条件铺层角度[°]织物类型层压板厚度[mm]层数纤维体积分数[%]Plain weave (3 K) 1.4753.3 ± 0.450表3 CFRP和AA6082-T6合金的力学性能材料弹性模量[GPa]屈服强度, r0.2 [MPa]极限拉伸强度h [MPa]流动应力承载强度[MPa]ILSS [MPa] AA602469282380r p = 459e0.088––CFRP175.3–962.7–36619.1图1（a）第一步和（b）第二步采用的钳工工具示意图表4实验计划样品重塑深度, R d [mm]重塑力e, F j [kN]NO(No Reshape)–P20R d2220.5P28R d2228.8P20R d1120.5P28R d2128.8P20R d0.50.520.5P28R d0.50.528.82.3 关节的机械特性通过单圈剪切试验评估接头的机械性能。

为此，在准静态条件下（恒定的十字头速度1mm / min）使用MTS的通用测试机模式322.31，使用25kN满刻度。

图2a中报道了几何形状和试样尺寸。

对于每个连接条件，进行5次重复，并计算最终搭接剪切力Fr（在剪切试验过程中记录的最大载荷）和吸收能W的平均值和标准偏差，计算得出的载荷-位移曲线下的面积剪切测试。

为了检查单个搭接剪切试验过程中整个CFRP板上接头的变形和裂纹扩展情况，采用了双半接头试样（II型），如图2b所示。

该样品由两半接头（在通过铆接连接后分段）构成。

在生产这些样品时，为了产生平行于加载方向的横截面以及通过接头中心（C1和C2）的垂直于加载方向的线LC1C2，非常小心，如图中所示2b。

为了确保这些测试的可复制性，对II型样本进行了三次重复。

这种形状限制了剪切试验期间试样在接头周围的旋转。

因此，剪切测试过程中的横截面演变使用Nikon的16位DSL相机型号D5200以6000×4000分辨率由Zeiss 安装在立体显微镜型号Stemi DV4上记录。

图2.用于表征测试的样品示意图：（a）单个搭接剪切测试和（b）用于分析横截面材料流动的“两半”样品。

2.4 关节形态分析为了研究上述工艺参数的影响，特别是关于接头和重塑接头之间的差异，对所有样品的横截面进行了分析。