喷丸对自冲铆接性能影响机理研究

Self-pierce riveting has been widely used in sheet metal connection of automotive. Shot peening has been used to improve the fatigue strength of the riveting, in which different types of projectiles, projectile sizes, projectile flow velocity bullet, shot peening time, shot angle and other parameters are selected. Effects of the shot peening process parameters on the surface integrity and fatigue behavior of steel and aluminum sheet are studied. Optimization of shot peening process parameters for riveted different materials and material microstructure analysis after shot peening improve the fatigue strength. From the micro perspective, shot peening strengthening mechanism is analyzed through variation of material microstructure and grain sizes after shot peening. The fatigue strength of self-piercing riveting pieces of no shot peened sheets，self piercing riveting pieces of shot peened sheets and shot peened sheets after self-piercing riveting are compared. The fatigue fracture is analyzed, in order to find the factors affecting the improvement of fatigue strength. In order to achieve the maximum joint strength, the theory is put forward to find the reasonable process parameters, improve riveting quality, get the best riveting profile shape. Fatigue failure mechanism and failure form are studied. The influence of Laser shot peening and high-energy shot peening instead of normal shot peening on strength of self piercing riveting specimens will be analyzed.

自冲铆接广泛用于汽车板料连接中，为了提高铆接件的疲劳强度，对其进行喷丸，采用不同的弹丸种类、弹丸尺寸、弹丸流量、弹流速度、喷丸时间、喷丸角度等工艺参数。探讨喷丸强化工艺参数对钢板、铝合金板料表面完整性及其疲劳行为的影响规律，并针对不同的铆接材料，优选喷丸工艺参数，对于喷丸后的材料进行微组织分析，提高疲劳强度。研究材料喷丸强化后显微组织以及细化晶粒尺寸变化情况，从微观角度分析喷丸强化机理。对比分析未喷丸板料自冲铆接件、喷丸板料自冲铆接件、未喷丸板料自冲铆接后再喷丸处理试件的疲劳强度。分别对其疲劳断口进行分析，找到提高疲劳强度的影响因素，得到连接强度最高时最佳铆接剖面形状，为合理提高铆接质量，如何选择各工艺参数提供理论根据。对疲劳失效机理和失效形式进行研究。用激光喷丸、高能喷丸代替普通喷丸，研究其对自冲铆接件强度影响。

与未喷丸B510L钢试样相比，喷丸强化B510L钢能明显提高其疲劳强度。与未喷丸相比，喷丸强化2min使材料的疲劳极限提高了9%。对B510L材料表层进行喷丸强化处理所产生的残余压应力场对其疲劳寿命影响很大。虽然材料表层进行喷丸、抛丸强化后，其表面粗糙度会增大从而材料疲劳寿命降低，但产生的残余压应力场和晶粒细化层对疲劳性能的影响程度明显要高于粗糙度对疲劳寿命的影响。随着喷丸时间延长、抛丸介质半径增大，材料表面粗糙度增大，表面产生微裂纹性质的叠形缺陷会导致残余应力的释放。喷丸强化处理B510L钢试样表层硬度显著增大，其强化层的显微硬度为基材硬度的2倍以上，有的甚至更高，材料的硬度沿着层厚方向逐渐降低直到趋于稳定。.采用不同的工艺对2.5mm厚的5052铝板进行喷丸强化。研究了不同喷丸工艺参数：弹丸种类（铸钢丸、玻璃丸、陶瓷丸），弹丸大小（0.1mm，0.2mm，0.3mm），喷丸强度（0.1 mmN、0.2 mmN、0.3mmN），覆盖率（100%，200%，300%）等参数对喷丸后表面形貌的影响。喷丸可以在铝合金表面产生一定的残余压应力，在距表面10-20μm左右达到残余压缩应力最大值，约为187.3±5.1MPa。先喷丸后铆接试样比未喷丸板料直接铆接试样静拉伸强度提高约9.5%，而先铆接后喷丸的试样，抗拉强度无显著提高。对于疲劳强度，在较低应力水平下，先喷丸后铆接试样的疲劳强度较未喷丸处理的铆接件提高约9.2%，先铆接后喷丸试样的疲劳强度较未喷丸处理的铆接件降低约5.3%。疲劳失效模式主要有两种，一种为上板靠近铆钉头部的疲劳断裂，另一种为铆接后上下板接触位置的铆钉腿疲劳断裂。在循环载荷作用下，未喷丸试样由于接触面的微动磨损、表面拉应力和应力集中等的共同作用，使得裂纹以较快的速度萌生于两板接触面。对于先喷丸后铆接试样，由于板料先进行了喷丸处理，残余压应力的存在延长了裂纹萌生时间，且疲劳扩展速率降低，提高了铆接件抗疲劳效果。对于先铆接后喷丸试样，由于喷丸过程削弱了铆接头自锁效果，造成磨损加剧加速疲劳裂纹的形核，疲劳强度下降。