余海燕，于浩波，吳航宇

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804）

《汽車節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中已明確規(guī)定：到2020年乘用車百km油耗必須降至5L，汽車重量比2015年降低10%，到2025年降低20%。而且明確了到2020年600MPa以上級(jí)別超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用比例、單車用鋁量以及單車用鎂量分別達(dá)50%、190kg和15kg。到2025年，這3個(gè)數(shù)據(jù)分別為30%、250kg和25kg［1］。這說(shuō)明了包括高強(qiáng)度鋼板、鋁合金、鎂合金等在內(nèi)的多種輕量化材料同時(shí)在汽車上的應(yīng)用將是趨勢(shì)［2］。另一方面，薄壁管具有中空、質(zhì)量輕、高剛度和高強(qiáng)度的特點(diǎn)，由多種輕質(zhì)材料薄壁管組合而成的結(jié)構(gòu)同時(shí)具備輕質(zhì)材料和薄壁管的雙重優(yōu)點(diǎn)，減重效果更顯著，可以達(dá)到減重效果、力學(xué)性能與成本的同時(shí)占優(yōu)。但目前薄壁管類零件在汽車上的應(yīng)用并不多，其主要原因之一就是現(xiàn)有的焊接、螺紋連接、鉚接、粘接等連接技術(shù)還不能滿足薄壁管類零件制造需求。

同種金屬板材的連接方法有三大類［3-5］，第一類是有冶金意義上的連接，如通過(guò)軋制、擠壓、鍛造變形和摩擦生熱為主要連接機(jī)制的連接方法，如冷連接、摩擦攪拌焊、摩擦焊等；第二類是以產(chǎn)生塑性變形為機(jī)制的塑性連接，如自沖鉚、摩擦自沖鉚［6］、無(wú)鉚連接、塞鉚焊［7］、摩擦塞鉚焊［8］、流動(dòng)鉆鉚、液壓成形連接、電磁成形連接等。與第一類連接方法相比，第二類連接無(wú)需實(shí)現(xiàn)冶金學(xué)上的微觀組織形成，無(wú)需去除零件表面氧化膜，也無(wú)需加熱，只需控制塑性成形質(zhì)量，更適合于工業(yè)化的生產(chǎn)。第三類是采用結(jié)構(gòu)膠、密封膠等化學(xué)粘接劑將兩材料粘接在一起，有輥壓與粘接的復(fù)合連接［9］、粘接與擠壓變形的復(fù)合連接［10］、粘接與鉚接的復(fù)合連接［11］、粘接與螺紋連接的復(fù)合連接等［12］。這種方法在近些年得到快速發(fā)展。

上述連接方法主要是針對(duì)金屬板材件的連接，金屬管連接的［13］主要方法有焊接、螺紋連接、法蘭連接、粘接、卡箍連接、形狀記憶合金連接和冷擠壓連接。管與管的焊接易出現(xiàn)裂紋、焊穿、焊接變形大等缺陷，不適合于薄壁管的連接，而且鋁、鎂合金的焊接非常困難。粘接劑易發(fā)生老化失效，對(duì)濕熱環(huán)境適應(yīng)性差，因此粘接常伴隨其他連接方法同時(shí)使用。螺紋連接由于螺紋的牙高占據(jù)一定的壁厚，使得管件的強(qiáng)度減小，此方法不適合于薄壁管。同樣法蘭連接和卡箍連接常用于大口徑的圓管。因此，傳統(tǒng)管連接方法均不適合于薄壁管的連接，新研發(fā)的管連接方法更加適用。套環(huán)連接的原理是將2根待連接的管插入套環(huán)內(nèi)，在兩端接口處填入嵌縫材料，然后從套環(huán)的兩端填充密封材料，這種連接方法的接頭強(qiáng)度低，主要用于鑄鐵管、石棉水泥管、混泥土管等的連接。形狀記憶合金連接方法是將管件插入加熱的管接頭內(nèi)，冷卻后記憶合金管接頭收縮恢復(fù)到原來(lái)的形狀，使管件緊固連接。這種連接接頭對(duì)溫度比較敏感，不適合于有承載要求的管件的連接。電磁脈沖連接是利用電磁力使外管產(chǎn)生向內(nèi)的變形與內(nèi)管接觸形成連接。這種連接方法中磁場(chǎng)力是關(guān)鍵參數(shù)，而磁場(chǎng)力的影響因素多而復(fù)雜，易導(dǎo)致外管輪廓的畸變。旋壓塑性流動(dòng)復(fù)合連接主要利用摩擦產(chǎn)熱使金屬管軟化，在熱和壓力的共同作用下使連接區(qū)發(fā)生塑性流動(dòng)實(shí)現(xiàn)連接。這種連接中，易產(chǎn)生塑性區(qū)域金屬來(lái)不及填充旋壓頭劃過(guò)的區(qū)域而在這些區(qū)域留下大小不一的空缺，空缺不僅影響美觀還大大降低了接頭的強(qiáng)度。

葡萄牙學(xué)者Alves等［13-14］提出了一種基于壓縮失穩(wěn)形成褶皺，并利用兩管褶皺的重疊包覆來(lái)連接兩薄壁管的方法。這項(xiàng)技術(shù)還被拓展用于管-板塑性連接、管-管曲面褶皺連接［15］和管-管斜交連接，近期該課題組又將該方法用于兩薄壁管的內(nèi)縮式連接［16］。Afonso、Alves等［17］提出的新凸臺(tái)連接方式，基于管塑性連接變形，管壁材料經(jīng)軸向壓縮堆積，形成截面形狀和尺寸可控的環(huán)形法蘭。然后使用環(huán)形法蘭固定板材，并通過(guò)第2個(gè)凸臺(tái)成形操作或自由管端頂在板材表面上鐓處，在桿和板材之間形成機(jī)械連接接頭。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究還比較少，主要有Alves課題組、德國(guó)幾所大學(xué)以及德國(guó)寶馬汽車公司。

該方法自發(fā)明至今主要用于鋼管的連接，尚沒(méi)有在異質(zhì)金屬管連接方面的應(yīng)用。鋁合金由于焊接性差，比鋼管更迫切需求這種塑性連接技術(shù)，但是鋁合金的塑性變形能力比鋼差，其連接可行性的工藝參數(shù)及幾何參數(shù)要求更加苛刻。為此，本文以鋁合金管/鋼管為對(duì)象，采用Abaqus軟件對(duì)壓縮塑性連接過(guò)程進(jìn)行仿真，并設(shè)計(jì)了壓縮塑性連接模具對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。重點(diǎn)對(duì)壓縮塑性連接過(guò)程、管坯的相對(duì)自由長(zhǎng)度、模具與管坯間隙、芯棒與管坯間隙對(duì)成形性的影響規(guī)律進(jìn)行討論。

1 塑性連接試驗(yàn)

1.1 薄壁管壓縮塑性連接原理

葡萄牙學(xué)者Alves等［13-14］提出的基于壓縮塑性連接的原理，如圖1所示。金屬薄壁管分為上下2段，上、下管為被連接的兩薄壁管，上、下管端部分別設(shè)計(jì)有內(nèi)倒角和外倒角。在軸向壓力作用下上管向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)上管與下管接觸時(shí)，在端部倒角的引導(dǎo)下，上管會(huì)自動(dòng)向外滑動(dòng)并產(chǎn)生向外鼓凸的變形，形成外褶皺。隨后下管進(jìn)入上管內(nèi)側(cè)，當(dāng)下管邊緣與上管接觸后發(fā)生失穩(wěn)變形，形成向外鼓凸的內(nèi)褶皺。同時(shí)，外褶皺被壓短變寬。隨后，內(nèi)外褶皺在軸向壓力作用下繼續(xù)壓縮變形，直至形成包覆的褶皺，最終實(shí)現(xiàn)兩薄壁管的連接。這種連接技術(shù)在模具和壓力機(jī)的作用下具有高精度、高效率和高可靠性的特點(diǎn)，易于批量生產(chǎn)，而且對(duì)管坯性能的影響小，沒(méi)有光、熱、廢氣等排放，無(wú)須填充材料，工作環(huán)境友好，適合于汽車零部件的制造。

圖1 基于壓縮失穩(wěn)的管-管端部塑性連接原理圖Fig.1 Principle of plastic joining of tube ends based on compression instability

1.2 材料及試樣

以St16鋼管和6061-T6鋁合金管為對(duì)象，其中鋼管為焊接鋼管，鋁合金管采用擠壓加工。鋼管外徑32mm，壁厚1.5mm。鋁合金管外徑32mm，壁厚1.0mm?；玖W(xué)性能參數(shù)由圓弧形單向拉伸試驗(yàn)獲得，試樣參考GB/T228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)取圓弧形試樣，其形狀及尺寸如圖2a所示，并設(shè)計(jì)了如圖2b所示的專用夾具。如表1所示，2種鋼管的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖2圓弧形單向拉伸試樣及其夾具Fig.2 Dimensions of arc specimen adopted in uni?axial tension and its clampers

表1 St16鋼/6061鋁薄壁管的材料性能參數(shù)Tab.1 Mechanical properties of St16/AA6061 thinwalled tubes

圖3 St16鋼管和AA6061鋁合金管的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 True stress-strain curves of St16 steel an?dAA6061 aluminum alloy

1.3 塑性連接模具及實(shí)驗(yàn)

圖4a和4b所示為薄壁管塑性連接專門設(shè)計(jì)的模具，該模具由上模、下模、芯模、上下模板組成。上下模板與材料試驗(yàn)機(jī)的工作臺(tái)相連。模具設(shè)計(jì)過(guò)程中確保模具間隙的均勻非常關(guān)鍵，間隙太大模具圓角部分無(wú)法有效擠壓管端部使之產(chǎn)生緊密接觸。間隙過(guò)小，連接后試樣接頭卡在模具中無(wú)法脫模。經(jīng)過(guò)多次修改，采用了下模與下模板通過(guò)圓形槽直壁接觸來(lái)定位，同時(shí)芯模與下模板采用螺釘進(jìn)行固定，如圖4a所示，最終試制出的模具如圖4b所示。塑性連接試驗(yàn)在MTS材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，壓縮速度2mm·min-1。

2 塑性連接仿真模型

圖5 薄壁管壓縮塑性連接有限元模型Fig.5 Finite element model of compression plastic joining forthin-walled tubes

為了對(duì)鋼-鋁管連接變形過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，采用Abaqus/Explicit軟件對(duì)連接變形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真。圖5所示為仿真模型，考慮幾何及載荷均是軸對(duì)稱，管坯選取軸對(duì)稱單元模擬，上模和下模定義為離散剛體，內(nèi)部芯棒定義為解析剛體，這3個(gè)剛體均定義為RAX2單元。各接觸面設(shè)為主從面接觸，摩擦系數(shù)取0.15?？紤]連接變形過(guò)程中存在上/下管坯與上/下模、上/下管坯與芯模、上管坯與下管坯等12個(gè)接觸對(duì)，故上/下管坯定義為非協(xié)調(diào)模式CAX4I單元，非協(xié)調(diào)單元能增加單元位移梯度的附加自由度，能克服剪切自鎖問(wèn)題，具有較高的計(jì)算精度。

3 結(jié)果分析與討論

根據(jù)壓桿失穩(wěn)理論，彈性桿在軸向壓力作用下發(fā)生失穩(wěn)的臨界載荷大小可用歐拉方程（1）來(lái)計(jì)算。

式中，Pcr為臨界載荷，E為彈性模量，I為壓桿失穩(wěn)方向的慣性矩，l為壓桿的長(zhǎng)度。式（1）說(shuō)明壓縮失穩(wěn)的發(fā)生與受壓桿的截面形狀和長(zhǎng)度密切相關(guān)。本文研究的2個(gè)管端部對(duì)接，可以當(dāng)作2根管串聯(lián)起來(lái)的壓縮失穩(wěn)，每個(gè)管坯都是一個(gè)可發(fā)生彈塑性變形的壓桿，中間連接部位由于內(nèi)外倒角的作用導(dǎo)致在壓縮時(shí)產(chǎn)生一定的軸向阻力和徑向作用力，如果被連接的2個(gè)管坯具有完全相同的材料特性和幾何特性，也就是說(shuō)式（1）中的彈性模量E、慣性矩I和長(zhǎng)度l相同，那么這2個(gè)管發(fā)生壓縮失穩(wěn)的位置和形狀應(yīng)該相同。只要這兩管在材料上或幾何上稍有區(qū)別，那么它們產(chǎn)生的失穩(wěn)位置和失穩(wěn)波形都會(huì)不同，而這就是影響接頭形成的關(guān)鍵因素。因此每個(gè)管坯露出模具的部分長(zhǎng)度也稱為自由長(zhǎng)度，l0和l1、管坯的截面尺寸、管坯與模具的間隙、對(duì)壓縮塑性連接是否成功非常關(guān)鍵。

3.1 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，從實(shí)驗(yàn)中選取了如圖6所示的接頭試件。為了方便觀察接頭處褶皺輪廓，將圖6a所示管接頭沿管中性面剖開，分別測(cè)量?jī)?nèi)外褶皺的外徑D1、D2以及接頭的總高度H，如圖6a和圖6b所示。圖6c為仿真所得輪廓，形成該接頭的上下管自由尺寸分別為20mm與16mm。可見，實(shí)驗(yàn)所測(cè)接頭輪廓與圖6b所示的輪廓形狀相同。表2列出了接頭輪廓的測(cè)量結(jié)果與仿真值。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，仿真結(jié)果的誤差為1%左右，仿真精度滿足要求。這說(shuō)明本文所建立的有限元模型可以準(zhǔn)確地再現(xiàn)管壓縮塑性連接的過(guò)程，可以采用該有限元模型進(jìn)行后續(xù)的分析。

圖6 St16/AA6061管壓縮塑性連接接頭及接頭尺寸（l0=20mm，l1=16mm）Fig.6 Formed St16/AA6061 tube jointsmanufac?tured by compression plastic joining and il?lustration of main dimensions(l0=20mm and l1=16mm)

表2 測(cè)量與仿真所得的接頭幾何尺寸Tab.2 Measured and simulated geometry dimen?sions of joints

3.2 相對(duì)自由長(zhǎng)度的影響

圖7a～7f所示為不同自由長(zhǎng)度的管坯壓縮塑性連接形成的接頭結(jié)構(gòu)及等效應(yīng)力分布。圖7a中兩管自由長(zhǎng)度均為10mm，此時(shí)lg=l0+l1=20mm，管坯內(nèi)徑為16mm，故lg/r0=1.250。可以看出接頭已經(jīng)形成，內(nèi)外褶皺波形貼合也較好，但是接頭半徑方向的尺寸較小，也就是壓縮形成的褶皺徑向?qū)挾容^小，這樣的接頭在軸向拉力作用下容易脫開從而接頭強(qiáng)度不足。由此可以說(shuō)明當(dāng)lg/r0≤1.250時(shí)，這兩管不適合于采用壓縮連接的方式形成接頭。圖7b～7f所示接頭的徑向?qū)挾戎饾u增加，區(qū)別在于兩管褶皺頂點(diǎn)處的間隙不同。圖7c所示接頭最好，徑向?qū)挾容^大且褶皺頂點(diǎn)處間隙也較小，內(nèi)外褶皺接觸面大，彎曲產(chǎn)生的包覆作用大。此時(shí)lg/r0=1.625，這說(shuō)明當(dāng)被連接兩管的幾何尺寸滿足1.250＜lg/r0＜1.625時(shí)，可以通過(guò)軸向壓縮的方式形成接頭。圖7e和圖7f所示接頭不僅存在較大的頂點(diǎn)間隙，在下模圓角處還產(chǎn)生了較大的圓角間隙，如圖中圓圈所標(biāo)記之處。這兩類接頭內(nèi)外褶皺接觸面小，相互包覆作用小，連接強(qiáng)度低，故均屬于不合格接頭，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要避免這種設(shè)計(jì)。因此在lg/r0≥1.875時(shí)，本文研究的St16鋼管和6061鋁合金管所形成的接頭屬于不合格接頭。

圖7 1.5mm鋼和1mm鋁管在不同l0和l1下壓縮塑性連接仿真接頭Fig.7 Simulated joints of 1.5mm-St16/1mm-AA6061 tubesat different free lengths

為了進(jìn)一步說(shuō)明上下管自由長(zhǎng)度l0與l1的不合理設(shè)計(jì)對(duì)最終接頭形貌的影響，圖8分別列出了2種自由長(zhǎng)度情況下接頭的形成過(guò)程（圖8a～8e為成型過(guò)程情況1，上下管自由端長(zhǎng)度分別為l0=14、l1=12、lg/r0=1.625。圖8f～8j為成型過(guò)程情況2，上下管自由端長(zhǎng)度分別為l0=14、l1=12、lg/r0=2.375）。圖8a～8e和圖8f～8j分別對(duì)應(yīng)壓縮過(guò)程中的5個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)，包括初始狀態(tài)、上管壓縮失穩(wěn)、下管開始失穩(wěn)、上下管形成褶皺和壓縮結(jié)束狀態(tài)。圖8a和8f所示被連接兩管端面接觸，在軸向壓力作用下，上管向外滑動(dòng)直至與下模接觸，直至開始彎曲變形，如圖8b和8g所示。上管發(fā)生彎曲后，軸向長(zhǎng)度減小導(dǎo)致下管上端與上管內(nèi)圓角接觸，下管也開始發(fā)生彎曲變形，如圖8c和8h所示。圖8d所示上管和下管所產(chǎn)生的褶皺彎曲貼合，間隙被消除。而圖8i所示內(nèi)外褶皺并沒(méi)有完全貼合，存在間隙，而且褶皺頂點(diǎn)偏離正中位置。隨著壓縮行程的增加，由于接觸面小，內(nèi)褶皺對(duì)外褶皺的約束作用也小，外褶皺基本處于自由脹形狀態(tài)，而內(nèi)褶皺受圖8j中G點(diǎn)和H點(diǎn)的約束作用產(chǎn)生了2次彎曲，從而加大了GH區(qū)域的間隙，使得內(nèi)外褶皺的接觸面急劇下降，導(dǎo)致最終形成的內(nèi)外褶皺外形不匹配，接觸面小，如圖8j所示。而圖8e所示內(nèi)外褶皺完全匹配，接觸面大，這樣彎曲所產(chǎn)生的包覆作用也強(qiáng)，足夠的接觸面是確保接頭強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。這說(shuō)明合理的自由長(zhǎng)度設(shè)計(jì)可以使內(nèi)外管在壓縮失穩(wěn)后產(chǎn)生的變形是協(xié)調(diào)的，也就是說(shuō)內(nèi)褶皺的變形與外褶皺的變形不僅大小協(xié)調(diào)而且方向也協(xié)調(diào)。因此，壓縮塑性變形連接能否形成合格接頭需要對(duì)被連接兩管的自由長(zhǎng)度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，對(duì)于本文所研究的對(duì)象，當(dāng)兩管自由長(zhǎng)度滿足1.2，0＜lg/r0＜1.625時(shí)可以形成合格接頭。

圖8 2組不同上下管自由長(zhǎng)度l0-l1下接頭的仿真壓縮過(guò)程Fig.8 Simulated compression process of two groups of tubes at different free lengthsin compression

3.3 壓力-位移響應(yīng)

圖9 中圓點(diǎn)和三角形標(biāo)記點(diǎn)的曲線為分別為St16/St16管接頭與St16/AA6061管接頭塑性連接過(guò)程中的載荷位移曲線，相應(yīng)管坯幾何尺寸相同，壓縮位移也相同。位移是上管端部處的位移，載荷是由壓力機(jī)傳感器測(cè)得的軸向壓力?？梢姡?種接頭的載荷位移曲線變化趨勢(shì)基本相同，壓縮開始階段載荷隨著壓縮行程的增加逐漸上升，當(dāng)上管端部與下管端部接觸時(shí)壓力達(dá)到局部最大值，也就是圖9中曲線上的A點(diǎn)。此后，上管開始?jí)嚎s失穩(wěn)變形，當(dāng)上管端部與下模圓角相接觸時(shí)載荷達(dá)到局部峰值，如圖9中的B點(diǎn)。之后，下管也開始發(fā)生屈曲失穩(wěn)變形，只是下管形成的褶皺（內(nèi)褶皺）與上管形成的褶皺（外褶皺）相接觸，此時(shí)載荷達(dá)到一個(gè)新的峰值，如圖9中C點(diǎn)。該點(diǎn)之后，內(nèi)外褶皺一起發(fā)生塑性變形，外褶皺逐漸將內(nèi)褶皺包覆在內(nèi)。當(dāng)兩褶皺的內(nèi)側(cè)面相接觸時(shí)載荷又達(dá)到一個(gè)峰值，如圖9中E點(diǎn)。此時(shí)，接頭已經(jīng)形成。

圖9中St16/AA6061接頭塑性連接的載荷位移曲線下降后并沒(méi)有繼續(xù)上升，其主要原因是鋁管的塑性變形能力差，在接頭形成后所形成的褶皺無(wú)法壓實(shí)，也就是褶皺無(wú)法被壓至內(nèi)表面接觸的狀態(tài)，故載荷沒(méi)有向St16/St16載荷曲線中那樣快速上升。

3.4 模具/管坯外表面間隙

圖9 鋼/鋼、鋼/鋁薄壁管塑性連接的載荷-位移曲線（l0=20mm，l1=18mm）Fig.9 Force-displacementcurves of St16/St16 and St16/AA6061 thin-walled tubes in plastic joining（l0=20 mm and l1=18 mm）

為了分析模具與管坯間隙量對(duì)壓縮塑性連接性能的影響，以自由長(zhǎng)度l0=20mm、l1=18mm、壁厚均為1.5mm的St16鋼/AA6061薄壁管為例，模具與管坯外表面的間隙分別取0.1～0.7mm，仿真得到如圖10a～10d所示的接頭輪廓。由圖可見，隨著間隙量的增大，所形成接頭輪廓不同，主要表現(xiàn)在褶皺頂端間隙量和褶皺內(nèi)側(cè)接觸面大小不同。圖10a～10b所示接頭內(nèi)外褶皺有較大接觸面，內(nèi)側(cè)褶皺在圓角處彎曲曲率大，而圖10c～10d所示接頭內(nèi)外褶皺接觸面小，內(nèi)褶皺圓角曲率較大，且褶皺頂點(diǎn)向上偏移，形成接頭松散。主要原因在于上管端部間隙大，材料流進(jìn)上下模之間的部分較多，所形成的外褶皺過(guò)大，導(dǎo)致內(nèi)外褶皺頂端間隙增大以及在軸線方向長(zhǎng)度過(guò)大，也就是形成的褶皺偏大，這樣內(nèi)外褶皺的相互擠壓作用減弱，從而內(nèi)褶皺也沒(méi)有充分塑性變形。因此，本文所研究St16鋼/AA6061薄壁管合理的間隙量為0.1～0.3mm，即0.07～0.20倍的壁厚。

圖10 模具間隙為0.1～0.7mm時(shí)的仿真接頭Fig.10 Simulated jointsat a die/tube clearance of?within 0.1 to0.7mm

3.5 芯棒/管坯內(nèi)表面的間隙

壓縮塑性連接過(guò)程中芯棒對(duì)管內(nèi)表面有徑向支撐和軸向摩擦約束的作用。間隙太小，一方面會(huì)導(dǎo)致芯棒與管內(nèi)表面接觸面大從而軸向所需的壓縮載荷增加，另一方面壓縮連接后芯棒會(huì)卡在接頭內(nèi)，導(dǎo)致芯棒取出困難，從而影響連接效率。間隙過(guò)大，可能會(huì)形成不合格接頭。所以芯棒與管內(nèi)表面的間隙量對(duì)壓縮塑性連接成形性非常重要。為此，進(jìn)行了間隙量為0.1～0.6mm情況下的接頭輪廓仿真，仿真所得接頭輪廓如圖11所示。圖11a～11e所示接頭輪廓基本相同，內(nèi)外褶皺接觸面大，內(nèi)褶皺頂點(diǎn)處曲率大且表面接觸緊密，褶皺頂點(diǎn)處于軸向?qū)χ形恢茫皇窃隈薨欗旤c(diǎn)處存在一定的間隙。圖11f所示接頭為不合格接頭，內(nèi)外褶皺在軸向沒(méi)有形成接觸，下管材料流進(jìn)過(guò)多，導(dǎo)致圓角處材料過(guò)早堆積，如圖中圓圈標(biāo)記之處，堆積限制了相鄰區(qū)域材料的流動(dòng)，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)褶皺不再繼續(xù)長(zhǎng)大，沒(méi)有形成有效的包覆褶皺。因此，可得芯棒與管坯內(nèi)表面的可能合理間隙量為0.1～0.4mm，也就是0.07～0.27倍的壁厚。

圖11 芯棒間隙為0.1～0.6mm的仿真接頭Fig.11 Simulated joints at acore/tube clearance of 0.1 to 0.6mm

4 結(jié)論

以St16鋼和6061鋁合金薄壁管為對(duì)象，對(duì)一種新型的薄壁管的塑性連接方法的可行性進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究，對(duì)壓縮塑性連接過(guò)程、管坯的自由長(zhǎng)度及模具間隙對(duì)成形性的影響以及載荷-位移曲線進(jìn)行了討論?？傻萌缦轮饕Y(jié)論：

（1）基于壓縮形成褶皺的塑性連接方法可用于St16/AA6061薄壁管的端部連接。

（2）對(duì)研究的St16/AA6061薄壁管而言，管坯相對(duì)自由長(zhǎng)度滿足1.250＜lg/r0＜1.625、模具與管坯外表面間隙為0.07～0.20倍的壁厚、芯棒與管坯間隙為0.07～0.27倍的壁厚是壓縮塑性連接成功的前提條件。

（3）壓縮塑性連接能形成有效連接的關(guān)鍵技術(shù)在于合理設(shè)計(jì)管坯自由長(zhǎng)度、管坯與芯棒、管坯與模具間隙量，使被連接兩管在壓縮失穩(wěn)之后的變形協(xié)調(diào)，包括變形量的匹配和變形方向的協(xié)調(diào)，也就是內(nèi)外褶皺的波形輪廓必須緊密貼合在一起。