玻璃纤维增强树脂基复合材料与铝合金薄板自冲铆接实验研究

Experimental Study on Self-piercing Riveting Process of Glass Fiber Reinforced Resin Matrix Composites and Aluminum Alloy Sheet

摘要

为了研究玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）与铝合金自冲铆接头的力学性能和失效形式，开展树脂基复合材料和铝合金板的自冲铆接实验，采用拉伸试验测试接头的力学性能，采用光学显微镜观察复合材料的损伤情况，得到接头在拉伸载荷作用下的力学性能和失效方式。结果表明：铆钉的压入量对接头的力学性能和失效方式有很大影响，接头处复合材料板出现明显损伤，自冲铆接工艺能够实现GFRP和铝合金板的有效连接。研究为GFRP与铝合金的连接提供借鉴。

关键词

玻璃纤维复合材料 / 铝合金 / 自冲铆接 / 力学性能

Key words

Glass fiber-reinforced polymer / Aluminum alloy / Self-piercing riveting / Mechanical properties

在全球化节能减排的大背景下，运载工具轻量化是实现降低能耗和减少排放的重要手段之一^[1]，成为车企不断追求的目标，高强钢、铝合金、镁合金、高分子复合材料等轻量化材料在车身结构中得到广泛应用，多种材料混用成为轻量化车身制造的趋势^[2-3]。纤维增强环氧树脂(EP)复合材料具有优异的力学性能和化学稳定性，同时具有较低成本和易加工性，因此在航空航天、国防、船舶、汽车和电子工业中应用广泛^[4-6]。玻璃纤维增强复合材料一般用于制作车门、引擎盖、翼子板等外覆盖件^[7-8]。国内北汽纯电动汽车ARCFOX采用碳纤维+铝合金混合结构车身，奇瑞纯电动汽车小蚂蚁采用“全铝结构+复合材料外覆盖件”的整车结构，吉利新能源汽车也采用“钢铝混合+塑料覆盖件”的车身结构。然而，由于异种材料之间的理化性能差异较大，使传统的车身连接工艺面临新的挑战^[9-11]。因此，实现复合材料与金属材料的连接成为轻量化车身制造的关键和新的研究热点。

自冲铆接作为一种新型板材机械冷连接技术为复合材料和金属板材的连接提供了解决方案^[12-13]。目前，国内外许多学者对复合材料与铝合金板材的自冲铆接工艺进行研究，这些研究主要集中在碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料(主要以环氧树脂和聚酰胺为基体)和铝合金的自冲铆连接工艺^[14-15]。黄志超等^[16-17]分析铆钉高度对碳/玻璃纤维树脂基复合材料(CFRP/GFRP)与铝合金自冲铆接头抗拉强度的影响和失效形式。梁佳炜等^[18]对玻璃纤维增强热塑性复合材料的自冲铆接工艺过程开展数值研究，研究GFRP与金属板材的自冲铆接(SPR)过程及接头成形机理，分析铆钉长度对接头强度的影响。刘洋等^[19]研究碳纤维复合材料与铝合金的自冲铆接工艺，分析碳纤维复合材料的损伤和接头的失效模式，并提出温热自冲铆接解决碳纤维复合材料的损伤问题。张杰等^[20]开展碳纤维复合材料板与铝合金板的自冲铆接试验，分析接头的失效形式、失效载荷以及能量吸收值。LAMBIASE等^[21]利用无铆连接工艺将玻璃纤维增强塑料与铝板连接，研究铆接过程中材料流动和损伤演变。GAY等^[22]通过无损检测方法评估GFRP和AA5182合金SPR接头的损伤情况，发现损伤区域主要分布在铆钉头附近，表现为纤维断裂、基体裂纹和分层。以上研究工作主要集中于碳纤维复合材料与铝合金材料的自冲铆接头力学性能及失效机理等方面，对玻璃纤维增强复合材料的自冲铆接工艺及接头性能的研究较少。本文以玻璃纤维树脂基复合材料(GFRP)与铝合金自冲铆接工艺为研究对象，开展复合材料与金属板材的自冲铆接实验，采用拉伸-剪切试验来评价接头的力学性能和能量吸收能力，研究铆钉压入量对自冲铆接头的抗拉强度以及失效形式的影响。

1 实验部分

1.1 主要材料与模具

玻璃纤维增强环氧树脂复合材料板(GFRP)，为环氧树脂及填充剂与玻璃纤维布通过层压制成，尺寸为120 mm×30 mm，板材厚度为2.0 mm，深圳市巨丰绝缘材料有限公司；AA5052铝合金板料，尺寸为120 mm×30 mm，板材厚度为2.0 mm，深圳荣鑫达金属材料有限公司；铆钉，武汉贝瑞克机械制造有限公司。表1为5052铝合金的材料性能参数，图1为所选择半空心自冲铆钉及凹模的几何参数。

1.2 仪器与设备

冲压机，YTR-50T，大连铭旭机电设备制造有限公司；万能试验机，WDW-100M，济南辰达试验机制造有限公司；光学显微镜，IMM4200，迈格仪器（苏州）有限公司。

1.3 样品制备

板材自冲铆接实验是在自冲铆接模具和冲压机上进行的。由于环氧树脂是一种热固性复合材料基体^[23]，GFRP只能作为上板进行自冲铆接。在连接时将GFRP作为上层板，5052铝合金作为下层板，为了研究半空心铆钉压入量对自冲铆接接头的影响，铆钉压入量(冲压行程)S分别设为5.5、5.0、4.5 mm，所形成的自冲铆接接头分别用SPR1、SPR2和SPR3表示。图2为所形成的接头外观。

1.4 性能测试与表征

静态拉伸测试：为了研究接头的力学性能和失效模式，采用万能试验机对试样进行静态拉伸测试。为防止因试样不对中导致的附加弯矩对实验结果产生影响，在试样两端各夹持尺寸为35.0 mm×30.0 mm×2.0 mm的铝合金垫片，设置拉伸速率为2 mm/min。

微观结构测试：利用光学显微镜对接头周围的复合材料微观结构进行观测，显微镜放大倍数设置为10倍。

2 结果与讨论

2.1 接头载荷-位移曲线分析

图3为不同铆钉压入量下接头的载荷-位移曲线。从图3可以看出，所有自冲铆接件的载荷-位移曲线均经历弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和失效阶段。在初始弹性变形阶段，载荷-位移曲线呈现出线性上升的特征，弹性阶段的斜率为接头的刚度，载荷-位移曲线弹性阶段的斜率越大，则说明接头的刚度越大。随着拉伸位移的增大，接头本身或接头处板材破坏导致接头的刚度不断减小并转变为负值，对应的载荷值也从逐渐增大转变为逐渐减小趋势，直到最后因为接头失效而出现载荷值突然下降为零。从图3可以发现，半空心铆钉压入量S为5.5 mm和5.0 mm时，所形成的接头SPR1和SPR2的载荷-位移曲线相近，接头SPR2的拉伸力峰值稍小于接头SPR1，这两个接头的拉伸力在2.5 mm位移处突然降为零，表明此时接头完全失效。而半空心铆钉压入量S为4.5 mm时，所形成接头SPR3的载荷-位移曲线与前两者明显不同，接头SPR3的载荷明显偏小，随着位移的增大，载荷先缓慢提高后基本保持平缓下降，拉伸力在3.1 mm位移处突然降为零。

图4为接头的最大拉伸力和能量吸收值。从图4可以看出，接头SPR1的最大拉伸力为2 518.13 N，接头SPR1比接头SPR2的拉伸力峰值高约4.2%，接头SPR1的能量吸收值与接头SPR2的基本相同，而接头SPR3的拉伸力峰值为754.2 N，拉伸力峰值和能量吸收值均偏低。

2.2 接头的失效形式

薄板自冲铆接头的力学性能受铆钉压入量、铆钉参数、板材性能等多种因素影响，接头失效模式也呈现多样化^[24]。对接头进行静力拉伸试验后，观察并分析各铆接件的失效模式和失效机理。在拉剪工况下，纤维增强复合材料和铝合金的自冲铆接头通常会出现的失效模式包括复合材料板断裂、复合材料板与半空心铆钉脱离、金属板材与铆钉分离及混合失效4种类型。

经过拉伸剪切试验，得到如图5所示的不同铆钉压入量下接头的失效形式。从图5可以看出，接头SPR1的上层板材从接头处脱出，即复合材料板与半空心铆钉脱离失效。在拉伸试验过程中，随着拉伸位移的增大，接头处半空心铆钉四周的复合材料逐渐损坏，最终上层复合材料板从接头处脱出，这与铆钉压入量S偏大有关。过大的铆钉压入量导致铆钉对上层板材沿着轴向的约束减少，这就导致了铆钉周围复合材料损伤后上层板材的脱出。接头SPR2的铆钉压入量相对接头SPR1减小0.5 mm，铆钉对上层板材的轴向约束增加，随着载荷的增加，上层复合材料板出现逐渐出现损伤的同时，复合材料板从铆接位置的中间折断，即复合材料板断裂失效。随着拉伸载荷增加，接头处复合板材主要表现为分层和纤维断裂，载荷继续增加至峰值载荷时，试件发出明显响声，载荷开始大幅下降，同时损伤加速扩展，结构彻底失去承载能力。失效过程中树脂基体最先破坏，接着界面分层乃至纤维拉伸、剪切破坏，它们相互作用形成弥散损伤区并扩展后发生材料断裂。明显不同的是，接头SPR3中出现下层的铝合金板材与接头脱离。随着拉伸载荷的增大，上层复合材料板与铆钉从下层的铝合金板材中脱出，即发生了下层铝合金板材与铆钉分离失效，这是由于铆钉的压入量偏小，铆钉与铝合金板材之间所形成的机械锁扣较小导致的。

2.3 接头周围复合材料的损伤

图6为接头周围复合材料的损伤。从图6可以看出，接头周围复合材料的颜色发生变化。铆钉周围复合材料的颜色由浅绿色变为白色。应力白化是各种聚合物在机械载荷和塑性变形过程中出现的乳白色外观，应力白化加剧逐渐发生^[25]。环氧树脂基复合材料在受到拉伸或冲击载荷时，由于内部微裂纹的形成和扩展导致材料表面出现白色区域，这种效应通常与材料的增韧机制相关，因为微裂纹的形成和扩展有助于吸收和分散施加在材料上的能量，从而提高材料的断裂韧性^[26]。环氧树脂基复合材料的微观结构对其应力发白行为有显著影响，应力发白现象的研究对提高环氧树脂基复合材料在航空航天、汽车和电子封装等领域的应用性能至关重要。

为了观察铆钉接头周围复合材料的白化区域内部情况，利用光学显微镜对接头周围白化区域的复合材料和远离接头区域进行观察，图7为不同区域复合材料的微观结构照片。从图7a可以看出，玻璃纤维增强环氧树脂板材表面无明显裂纹。从图7b可以看出，良好的复合材料出现明显的裂纹与突变，外围区域在应力作用下出现白化现象，并且离铆钉越远变白的程度越浅。从图7c可以看出，板材表面存在明显的凹凸和波纹状，说明铆钉周围复合材料内部环氧树脂基材出现损坏。

3 结论

玻璃纤维树脂基复合材料与铝合金板材可通过自冲铆接技术实现成功连接，铆钉压入量影响接头的力学性能。为了实现可靠连接，冲压行程应大于4.5 mm，约为5.5 mm。接头的最大拉伸剪切载荷可达2 518.1 N，能量吸收值达到3.63 J。接头的失效模式主要包括复合材料板断裂、复合材料板与半空心铆钉分离、铆钉与金属板分离。可靠的接头主要以复合材料板断裂的方式失效。铆钉压入量不同，接头处复合材料板的失效模式也不同。铆钉周围复合材料基材发生损坏，会影响接头的拉伸剪切载荷。

参考文献

[1] 徐竞雯,谭晶,安瑛.汽车用纤维增强塑料的研究进展[J].塑料科技,2019,47(9):128-133.

[2] 李红,刘旭升,张宜生,新能源电动汽车异种材料连接技术的挑战、趋势和进展[J].材料导报,2019,33(23):3853-3861, 3881.

[3] 金启豪,陈娟,彭立明,碳纤维增强树脂基复合材料与铝/镁合金连接研究进展[J].材料工程,2022(1):15-24.

[4] MI X, LIANG N, XU H, et al. Toughness and its mechanisms in epoxy resins[J]. Progress in Materials Science, 2022, DOI: 10.1016/j.pmatsci.2022.100977.

[5] 沈琪斌,王波,王海滨.玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的绝缘性能和力学性能研究[J].塑料科技,2023,51(7):18-22.

[6] 南洪尧,李岳,李志刚.玻璃纤维增强环氧树脂力学性能研究[J].湘潭大学自然科学学报,2018,40(3):46-50.

[7] 周志明,汪学静,彭曼绮,玻璃纤维增强塑料翼子板注塑成型研究及模具工艺设计[J].塑料工业,2022,50(2):93-96, 101.

[8] 蔡力亚,赵克刚,李剑锋,短玻纤增强复合材料的性能及其在车身上的应用[J].华南理工大学学报:自然科学版,2020,48(3):108-115, 135.

[9] 王志勇,韩善灵,卢翔.汽车车身轻量化材料无铆冲压连接技术的研究进展[J].热加工工艺,2019(17):5-10, 4.

[10] 李永兵,马运五,楼铭,轻量化薄壁结构点连接技术研究进展[J].机械工程学报,2020,56(6):125-146.

[11] MESCHUT G, HAHN O, JANZEN V, et al. Innovative joining technologies for multi-material structures[J]. Welding in the world, 2014, 58: 65-75,

[12] 张大伟,张琦,樊晓光,碳纤维增强树脂基复合材料和金属材料连接技术综述:应用和展望(英文)[J].稀有金属材料与工程,2019,48(1):44-54.

[13] FU P P, DING H, ZENG X R, et al. Forming law and mechanical property of carbon fibre reinforced plastics and aluminum alloy self-piercing riveted joint[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2023, 40(8): 4517-4530,

[14] 刘洋,庄蔚敏,解东旋.纤维增强复合材料与铝合金自冲铆接研究进展[J].材料导报,2020,34(11):11053-11063.

[15] HAN S L, GUANG X J, LI Z Y, et al. Joining processes of CFRP-Al sheets in automobile lightweighting technologies: A review[J]. Polymer Composites, 2022, 43: 8622-8633,

[16] 黄志超,李玲玲,李海洲.碳纤维复合材料与5052铝合金空心与半空心自冲铆接静强度分析[J].塑性工程学报,2022,29(2):20-27.

[17] 黄志超,罗健,汪伟.铆钉高度对树脂基复合材料与铝合金自冲铆接接头抗拉强度的影响及失效分析[J].锻压技术,2021,46(6):77-83.

[18] 梁佳炜,黎雄,王凤江,玻璃纤维增强热塑性复合材料自冲铆接过程的数值研究[J].江苏科技大学学报:自然科学版,2018,32(5):678-683.

[19] 刘洋,庄蔚敏.碳纤维增强树脂复合材料和铝合金温热自冲铆接工艺及接头力学性能[J].复合材料学报,2021,38(11):3563-3577.

[20] 张杰,何晓聪,丁文有.碳纤维板材与轻合金板材自冲铆接头性能研究[J].兵器材料科学与工程,2018,41(3):48-51.

[21] LAMBIASE F, DURANTE M, ILIO A D. Fast joining of aluminum sheets with glass fiber reinforced polymer (GFRP) by mechanical clinching[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2016, 236: 241-251.

[22] GAY A, ROCHE J M, LAPEYRONNIE P, et al. Non-destructive inspection of initial defects of PA6.6-GF50/aluminum self-piercing riveted joints and damage monitoring under mechanical static loading [J]. International Journal of Damage Mechanics, 2017, 26: 1127-1146.

[23] 杨小军,刘文凤.玻璃纤维增强复合材料用环氧树脂基体性能研究[J].热固性树脂,2021,36(1):27-30.

[24] WU J L, CHEN C. Experimental investigation of high impact polystyrene/metal self-piercing riveted joint[J]. Polymers for Advanced Technologies, 2022(7): 2221-2230.

[25] FARAHANI M F, BAGHERI R, MAROUF B T. Investigation on the onset and progress of stress whitening in polypropylene using digital image processing[J]. Polymer Bulletin, 2023(11): 169-180.

[26] NING N, LIU W S, HU Q L, et al. Impressive epoxy toughening by a structure-engineered core/shell polymer nanoparticle[J]. Composites Science and Technology, 2020, DOI: 10.1016/j.compscitech.2020.108364.

基金资助

山东省自然科学基金(ZR2020KE051┫滨州学院科研基金┣BZXYLG2015)