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为制造出满足轻量化、高安全，同时更省油、更耐用的汽车，多材料混合使用已成为汽车制造的大趋势。常见的方法是采用高比强度（强度除以密度）的材料替代传统材料，如铝合金、镁合金、碳纤维增强复合材料和先进高强度钢。然而，由于材料间的物理和化学不相容性，材料的连接一直是一个挑战。目前，针对异种材料的连接技术已有了大量的研究，如熔焊、固态连接和机械紧固连接。虽然碳纤维增强复合材料（CFRCs）和镁合金在混合动力汽车结构中的应用具有很好的潜力，但二者的连接问题还有待解决。本研究以CFRCs和AZ31B镁合金材料为对象，对其连接工艺进行研究和探讨。镁在室温下具有低延展性和成形性，即使是机械紧固（例如自冲铆接）也很难达到所需的可塑性。为了克服室温下低延展性的问题，本研究采用了独特的摩擦自冲铆接（F-SPR）工艺。该方法适用于异种材料的连接，例如铝-镁连接、铝-钢的连接。 实验材料 碳纤维复合材料方面，分别采用了巴斯夫3mm厚的热塑性材料碳纤维复合材料（40%无规则短碳纤增强PA66）和1.86mm厚的热固性碳纤维复合材料（Clearwater Composites）。其中热固性G-83预浸料用50wt%的单向CF（T700，Toray）层压增强，CF层的堆叠顺序为（0°/90°），共9层。使用2.3mm厚的AZ31B镁合金板作为底部材料。图1为热塑性和热固性CF复合材料的结构。同时，针对F-SPR工艺，设计并制造了直径5.3毫米的带六角头的特殊半管铆钉，铆钉柄长度为6毫米。铆钉由日本工业标准G3507-2碳钢制成，无需热处理或涂层。表1显示了AZ31B和铆钉的化学成分，表2为两种材料的机械性能。最后，基于先前的工作，使用具有腔深1.7mm的DZ系列管芯模具。 将待测样切割成25mm宽，100mm长的试样，然后进行搭接，重叠宽度为25mm。需要注意的是，在搭接之前需使用丙酮或异丙醇对面板进行清洁。采用F-SPR工艺分别将3毫米厚的CFRP（PA66-40%CF）连接到2.3毫米厚的AZ31B；将1.86毫米厚的CFRP（G-83预浸料）连接到2.3毫米厚AZ31B上。 F-SPR工艺 F-SPR连接时，半空心铆钉旋转并插入两层材料以形成接头，工艺过程如图2所示。旋转铆钉和材料产生摩擦热，导致镁合金材料局部软化，这种局部加热可避免低延展性材料镁合金产生接头裂缝。最后，通过基于支撑模具形成的向外扩张的铆钉腿来实现铆钉和底板之间的机械互锁。其接头质量与互锁距离和底板材料的厚度相关。下图3是专门设计的F-SPR工艺连接设备，包括铆钉、支架和、模具，相关F-SPR工艺参数总结如下表3。 性能测试 为了评估F-SPR样品的接头性能，使用MTS拉伸机在室温下以10mm·min -1的恒定速度进行接头的剪切拉伸测试。 图4为采用F-SPR连接AZ31B与热固性CFRP（G-83预浸料）的试样。当铆钉插入顶板时，CFRP表面没有发生损坏；在FSPR连接后，目测AZ31B的背面，低延展性镁合金也没有形成裂缝。这说明F-SPR过程中产生的摩擦热使AZ31B软化，从而避免了裂纹的形成。相关研究还表明，在自冲铆接之前将AZ31B预热到200℃能有效地防止开裂。 图5为不同材料搭接接头剪切拉伸试验的载荷-位移曲线。热塑性CFRP（PA66-40%CF）-AZ31B接头失效峰值载荷为3.2 kN；热固性CFRP（G-83预浸料）-AZ32B接头失效载荷为5.12kN。F-SPR连接的接头载荷峰值与AZ31B通过摩擦点焊连接到聚苯硫醚CF复合材料的载荷（~1.5kN）相当。 从图6a可以看出，CFRP（PA66-40%CF）-AZ31B瞬间完全失效，其原因可能是F-SPR工艺产生的孔的周围形成了应力集中。如图6b所示，CFRP（G-83预浸料）-AZ31B的失效处可以观察到AZ31B板上出现了较大的孔，这是由于机械互锁结构从镁板底部拉出造成的。同时，这种失效表现也说明了铆钉与镁合金之间形成了良好的机械互锁。
通过上述实验，证明了F-SPR适用于碳纤维增强复合材料和AZ31B镁合金材料的连接。F-SPR产生的局部摩擦热使镁合金软化，使得材料的延展性和可成形性得到改善，有效避免了AZ31B材料的开裂。AZ31B与AZ31B热塑性CFRP（PA66-40%CF）和热固性CFRP（G-83预浸料）的连接分别实现3.2kN和5.12kN的接头峰值载荷。CFRP（PA66-40%CF）-AZ31B的连接由于应力集中，在拉伸时发生了接头的瞬间失效；CFRP（G-83预浸料）-AZ32B接头失效中观察到了明显的机械互锁结构。未来，还将进一步研究优化F-SPR相关工艺参数，以适合更多的异种材料连接。 作者：Yong Chae Lim, |
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