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(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013;2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049)

近年來(lái)，隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，人們開始對(duì)汽車輕量化技術(shù)進(jìn)行研究和探索，并取得了一定成果。汽車輕量化程度是評(píng)價(jià)汽車質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，采用輕型材料、合理結(jié)構(gòu)和合理成形工藝能夠?qū)崿F(xiàn)汽車的節(jié)能減重。若汽車整車重量降低10%，燃油效率可以提高6%～8%。車輛行駛時(shí)會(huì)因底盤重量的減輕而減少顛簸，整個(gè)車身會(huì)更加穩(wěn)定。由于鋁合金材料具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、抗沖擊性能良好、耐腐蝕、易表面著色以及高回收再生性等優(yōu)良性能，其可成為汽車輕量化的理想材料。相對(duì)于其他輕型材料，鋁合金在汽車上的用量最多。鋼材在強(qiáng)度和價(jià)格上具有一定的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼顧了鋁合金在減重及吸能方面的優(yōu)點(diǎn)，在成本不高的情況下也能夠?qū)崿F(xiàn)汽車的輕量化[1-3]。

在汽車工業(yè)生產(chǎn)中，主要采用激光對(duì)鋼鋁板進(jìn)行焊接，但是激光焊接有無(wú)法克服的缺點(diǎn)，比如設(shè)備昂貴，焊道快速凝固，有氣孔及脆化的缺陷，能量轉(zhuǎn)換率低，通常低于10%。進(jìn)行激光焊接時(shí)，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再次出現(xiàn)。同時(shí)，激光焊接容易出現(xiàn)熱裂紋等缺陷，因此需要新的連接技術(shù)克服傳統(tǒng)連接技術(shù)的缺點(diǎn)，在保證焊接質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減重的目標(biāo)。

無(wú)鉚釘連接過(guò)程是根據(jù)材料本身的塑性變形能力，在不添加任何材料的情況下，采用專用凹凸模具對(duì)板料進(jìn)行沖壓，通過(guò)板料之間的內(nèi)嵌達(dá)到連接的目的，獲得接頭的一種成形工藝。影響鋼鋁連接質(zhì)量的因素包括材料本身的特性、模具尺寸、壓力等參數(shù)[4]，因此探討鋼鋁無(wú)鉚釘連接過(guò)程中的板料放置位置、凸模沖壓速度、表面摩擦系數(shù)、模具尺寸等對(duì)鋼鋁無(wú)鉚釘連接點(diǎn)質(zhì)量的影響，對(duì)揭示鋼鋁無(wú)鉚釘連接的成形機(jī)理有重要作用[5-7]。

于是，如何發(fā)現(xiàn)鋁鋁連接和鋼鋁連接過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷就成為研究的重點(diǎn)，破壞性試驗(yàn)是一種簡(jiǎn)單直接的方式，然而這種方式無(wú)法保留完整的接頭，同時(shí)也會(huì)造成一定程度的成本損失，而通過(guò)無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)接頭質(zhì)量，將成為建立缺陷診斷專家系統(tǒng)的主要依據(jù)。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是汽車產(chǎn)品及其材料制備與制造過(guò)程中的質(zhì)量控制方法，有著非常重要的意義[8]。有效地解決無(wú)損檢測(cè)技術(shù)問(wèn)題，建立有效的無(wú)損檢測(cè)方法，并科學(xué)地將無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到汽車的設(shè)計(jì)、制造、服役、維修等的全壽命周期中，已經(jīng)成為研究重點(diǎn)[9-14]。無(wú)鉚釘連接接頭的檢測(cè)樣本及其裂紋形貌如圖1所示。

圖1 無(wú)鉚釘連接接頭的檢測(cè)樣本及其裂紋形貌

筆者主要通過(guò)幾種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)控制無(wú)鉚釘連接接頭的質(zhì)量，評(píng)價(jià)每種無(wú)損檢測(cè)方法控制接頭質(zhì)量的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 評(píng)價(jià)接頭質(zhì)量試驗(yàn)

評(píng)價(jià)接頭質(zhì)量的方法分為定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)兩種。定性評(píng)價(jià)接頭質(zhì)量是通過(guò)百分卡表測(cè)量接頭底厚(接頭底部的組合厚度)來(lái)判斷接頭質(zhì)量的。在模具尺寸不變、材料組合不變、厚度不變的情況下，理論上接頭底厚也是恒定不變的，由此通過(guò)百分卡表的測(cè)量可衡量接頭的質(zhì)量。這是一種不使用破壞性試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)接頭質(zhì)量的方法，然而其并不能獲得接頭強(qiáng)度。通常情況下，使用破壞性試驗(yàn)，即抗拉強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)定量評(píng)價(jià)接頭質(zhì)量。

按照接頭質(zhì)量可以將接頭分為合格樣本和不合格樣本。然而在實(shí)際接頭成形的過(guò)程中，一些缺陷并不影響接頭質(zhì)量，既不影響接頭幾何參數(shù)，也不影響接頭的抗拉強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度。換句話說(shuō)，對(duì)先前評(píng)價(jià)的失效樣本可以重新劃分為可接受失效樣本和不可接受失效樣本兩類?？山邮苁颖揪褪瞧涫У男袨椴⒉挥绊懡宇^質(zhì)量，只是在某些局部位置發(fā)生了微觀失效。接頭質(zhì)量的內(nèi)部影響因素主要有接頭的機(jī)械鎖值，頸縮值和底厚值3個(gè)主要參數(shù)。另外，接頭部分的微觀裂紋仍然是失效的一個(gè)主要原因，而裂紋的不同位置對(duì)接頭質(zhì)量的影響也并不相同。

通過(guò)破壞性試驗(yàn)可以得到樣本的抗沖擊性能、韌性、屈服強(qiáng)度和最大拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度等。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要是確保產(chǎn)品的完整性、可靠性，達(dá)到控制制造過(guò)程質(zhì)量，保持產(chǎn)品質(zhì)量一致性的目的。

1.1 破壞性試驗(yàn)

無(wú)鉚釘接頭的失效形式很多，包括正常失效和異常失效。正常失效即為在成形過(guò)程中出現(xiàn)的失效形式，包括發(fā)生在凹槽位置、頸縮位置的斷裂以及沒(méi)有形成機(jī)械鎖，正常失效樣本如圖2所示。異常失效即為強(qiáng)度試驗(yàn)造成的接頭失效形式，一般是剪切強(qiáng)度試驗(yàn)、拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。這些破壞性試驗(yàn)是一種最簡(jiǎn)單有效的衡量接頭質(zhì)量的定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)獲得接頭強(qiáng)度，并通過(guò)金相分析獲得接頭的幾何尺寸。

圖2 無(wú)鉚釘接頭正常失效樣本

發(fā)生在頸縮位置的裂紋會(huì)直接影響接頭質(zhì)量，當(dāng)裂紋出現(xiàn)在凹槽處時(shí)，裂紋不會(huì)直接影響接頭質(zhì)量。

1.2 無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)

為了考察感應(yīng)熱成像、主動(dòng)熱成像、X射線照相、目測(cè)、滲透等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)能力，對(duì)無(wú)鉚釘接頭進(jìn)行了這幾種技術(shù)的檢測(cè)試驗(yàn)。圖3為感應(yīng)熱成像顯示的不同斷裂形貌。不同的底厚、不同的裂紋分布都可在圖像中呈現(xiàn)。在未來(lái)的研究中，不僅要獲得較準(zhǔn)確的表面裂紋形貌，而且要實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，建立計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)，開發(fā)完善專家系統(tǒng)。熱成像技術(shù)的檢測(cè)原理是：由于被測(cè)件中存在的缺陷會(huì)影響感應(yīng)電流的流動(dòng)和溫度分布，而造成溫度場(chǎng)的變化，熱像儀依靠感應(yīng)線圈等獲取被測(cè)件表面的溫度場(chǎng)，進(jìn)而對(duì)缺陷進(jìn)行判別。該方法主要檢測(cè)接頭底部的裂紋分布情況，然而其成本較高，很多問(wèn)題目前不能解決。

圖3 感應(yīng)熱成像顯示的無(wú)鉚釘接頭的不同斷裂形貌

圖4為無(wú)鉚釘接頭的主動(dòng)熱成像圖。主動(dòng)熱成像系統(tǒng)主要包括熱加載裝置、紅外熱像儀、計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)和分析軟件等。無(wú)鉚釘接頭是一個(gè)大變形結(jié)構(gòu)，合格接頭在紅外檢測(cè)結(jié)果中是均勻的，而其他幾種失效模式(不對(duì)中、凹模失效、頸縮斷裂)所呈現(xiàn)的形貌也不均勻，不對(duì)中。

圖4 無(wú)鉚釘接頭的主動(dòng)熱成像圖

圖5 無(wú)鉚釘接頭的X射線照相結(jié)果

圖5為無(wú)鉚釘接頭的X射線照相結(jié)果。其檢測(cè)設(shè)備為Yxlon 225射線機(jī)，電壓為80 kV，被測(cè)物體距離為700 mm，曝光時(shí)間為150 s，使用沒(méi)有鉛屏的D3膠片。雖然X射線方法檢測(cè)結(jié)果直觀，但是設(shè)備復(fù)雜龐大，適合在實(shí)驗(yàn)室操作，而且檢測(cè)時(shí)需要采取安全防護(hù)措施。

圖6 無(wú)鉚釘接頭凹槽位置斷口形貌的目測(cè)檢測(cè)結(jié)果

圖6為目測(cè)檢測(cè)無(wú)鉚釘接頭凹槽位置的斷口形貌，該檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)單直觀，具有較低的材料成本，能夠檢測(cè)所有表面裂紋，能快速獲得檢測(cè)結(jié)果，也便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。雖然人類的視覺(jué)和思路有誤差，但是可以通過(guò)建立計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)，從數(shù)據(jù)的角度來(lái)獲取裂紋的特征。這種目測(cè)的方法，不僅能夠觀測(cè)到接頭表面的宏觀裂紋，而且能夠通過(guò)軟件及時(shí)處理裂紋的密度變化。從表面上看，接頭凹槽位置的裂紋是均勻分布的，并且隨著底厚的減小，裂紋逐漸加寬，直到達(dá)到某值時(shí)，斷裂的表面積不再增加，甚至是逐漸縮小(見(jiàn)圖7)。由于拍攝的差異，宏觀觀測(cè)結(jié)果難免出現(xiàn)誤差，為此在研究中，可以通過(guò)顏色滲透的方式來(lái)提高成像性能。

通過(guò)微觀斷面進(jìn)行分析，考核微觀裂紋尺寸密度的變化情況。圖8為微觀裂紋尺寸密度的變化情況。隨著底厚的變化，裂紋尺寸密度的變化并不是單調(diào)增加或減??；當(dāng)?shù)缀襁_(dá)到某一值時(shí)，裂紋不再增加，反而有下降的趨勢(shì)。

圖7 宏觀裂紋尺寸密度

圖8 無(wú)鉚釘接頭宏觀裂紋尺寸密度變化

目測(cè)的方法可以觀測(cè)到接頭底部的宏觀裂紋，與滲透無(wú)損檢測(cè)技術(shù)結(jié)合使用可以使成像更加清晰，便于判斷在成形連接過(guò)程中的表面裂紋形貌。這種檢測(cè)技術(shù)是最經(jīng)濟(jì)適用的判斷接頭質(zhì)量的方法，對(duì)操作者和設(shè)備的要求少，能夠滿足對(duì)無(wú)鉚釘連接接頭質(zhì)量的定性判斷。

2 結(jié)語(yǔ)

(1) X射線照相技術(shù)、感應(yīng)熱成像技術(shù)、主動(dòng)熱成像技術(shù)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在無(wú)鉚釘接頭檢測(cè)的檢測(cè)效果、檢測(cè)速度上，更依賴于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制平臺(tái)，能夠較好地控制裂紋，然而計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)的建立仍然有很多需要解決的問(wèn)題。

(2) 無(wú)鉚釘連接凹槽位置檢測(cè)的特殊性決定了目測(cè)檢測(cè)和滲透檢測(cè)技術(shù)將成為主要的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)。使用目視檢測(cè)和滲透檢測(cè)技術(shù)能夠得到較好的檢測(cè)結(jié)果，適合理論研究。

(3) 通過(guò)目測(cè)檢測(cè)技術(shù)和滲透檢測(cè)技術(shù)結(jié)合的使用方法，可以觀測(cè)無(wú)鉚釘接頭凹槽位置裂紋的微觀形貌。

感謝感謝比利時(shí)政府為作者提供兩年的獎(jiǎng)學(xué)金以完成研究工作。