镁合金与异种材料的镦粗挤压铆接技术(UPJ)

来自汽车温室气体排放的环境污染是汽车工业和整个社会的首要关注。减轻车辆重量是提高里程的最具成本效益的策略之一，从而减少燃料消耗和二氧化碳排放量。通过轻量化和连接轻质部件，尤其是通过将多材料连接方案应用于结构底盘和车身部件，可以显著减轻车辆重量。

然而，镁合金的连接，特别是在室温下通过焊接或机械铆接与不同材料如铝合金和钢的连接，由于其对电偶腐蚀的敏感性和缺乏可靠的连接方法而具有挑战性[5,6,7,8,9,10]。

由于形成了硬而脆的金属间相(IMPs ),例如镁，镁和铝合金的熔焊接头的强度通常较弱17铝12和Mg2铝3[11,12].在固态连接过程中，如搅拌摩擦焊(FSW) [4,11,12,13,14]，与常规熔焊工艺相比，使用低热输入来降低温度和减少IMPs。然而，尽管减少了金属间反应层的形成，但在所有FSW条件下，显微组织中IMPs的析出是不可避免的。在过去的30年里，已经进行了大量的研究来开发一种成功的连接技术，用于对接和搭接结构的不同材料的连接，例如摩擦搅拌点焊(FSSW，FSW的变体)[15].然而，由于FSSW技术的性质，在不同材料的搭接中存在一些困难。

菲亚特克莱斯勒汽车公司(FCA，美国)获得了一项名为镦粗挤压铆接技术(UPJ)的新技术概念的专利[16]这表明了一种快速、可靠和实用的解决方案的前景，可将镁铸件相互连接、与锻造材料连接以及与不同材料连接，而不会产生铆钉和紧固件造成的额外电偶腐蚀问题。

 

图1 镦粗挤压铆接原理图

UPJ工艺包括一个铸造零件，其一侧有一个圆柱形突起（相当于铆钉），该突起穿过由锻造或铸造部件制成的另一个片状零件上的孔，如图1所示。夹紧后，通过向突起的顶面和底板表面施加载荷，组件被快速加热并在压缩(镦粗)中塑性变形（1a）。负载的施加使板部件中孔上方的突起变形并径向膨胀，使得上板材料保持在变形的突起和铸件之间（1b）。实现对两板的机械互锁，达到连接上、下板料的目的。而经过镦粗、挤压的突起部分材料，产生加工硬化现象，材料的强度得到提高。

 

图2 （a）UPJ进程示意图；具有圆柱形突起的铸造AM60部件和具有孔的Al6061铝板，（b）UPJ进程后的成功连接，以及（c）UPJ接头的剖视图，显示了蘑菇状头部形式的圆柱形突起的形状变化

与传统的铆接方法相比，UPJ技术具有如下优点：

(a) 可以连接铸造板料如铝合金、镁合金等，并且能够提高铸造件的力学性能，

得到较高的接头强度，铆接过程中所需的铆接力小、能耗低。

(b) 整个铆接过程不需要铆钉，通过在板料上铸造出突起来代替铆钉，节省了工序。工艺简单、自动化程度高、成本低、易于实现大批量生产

对UPJ联合质量的评估对于UPJ进程的分析至关重要。提高质量和消除接头上的裂纹形成是当前工作的主要焦点。因此，设计了一个定量术语来评估UPJ接头质量。根据裂纹位置、形状、类型和密度，对每个接头进行分析并给出1-10的值。在UPJ实验中观察到的四种主要裂纹类型如下：

ü （1）表面裂纹是突起外表面上的裂纹，对突起的强度或几何形状没有明显影响

ü （2）滚磨表面裂纹（Barreled surface cracks）深入滚磨表面并改变滚磨表面的几何形状

ü （3）向突起中心移动的深裂纹

ü （4）主要突起裂缝形成于突起的中间，影响接头的结构完整性

理想的突起应该没有任何形式的裂纹，并且应该没有任何表面瑕疵。评价汇总在下表中。

表1 接头评价及示例

 

在汽车工业中需要一种连接技术，其能够以高的加工生产率提供镁合金(尤其是铸件)之间以及镁合金与不同材料之间的实用的、坚固的和成本有效的连接。

这种接头(即不同金属部件的集成)在汽车结构中的具体应用包括转向柱附件、加热通风和空调(HVAC)开口、制动助力器附件、踏板附件、门铰链附件、发动机罩铰链附件、A柱安装附件等。

加拿大麦克马斯特大学Andreae等通过对具有直径11 mm、高度14 mm的圆柱凸起的压铸镁合金的实验，研究了不同UPJ工艺参数如施加电流、电流持续时间、压缩加载速率和压缩距离的影响。根据UPJ后接头强度和外观，确定了特定材料的工艺窗口，以实现令人满意的接头质量。UPJ方法显示了在汽车和其它工业制造环境中实现将铸造部件紧固到相似或不相似的锻造板材部件的巨大前景。

详细内容参见：Andreae, N., Chalasani, D. & Jain, M. Development of a laboratory-scale Upset Protrusion Joining (UPJ) system for dissimilar materials. Int J Adv Manuf Technol 113, 2725–2738 (2021). https://doi.org/10.1007/s00170-021-06826-9

麦克马斯特大学的另一项研究旨在通过一种经济、新颖、多功能的连接技术，即镦粗突出连接(UPJ ),以机械方式快速(1-2s)连接压铸AM60合金（圆柱形突起直径11 mm，高14 mm)）和铝合金板，并评估其UPJ特性。文中研究了不同UPJ工艺参数如外加电流、电流持续时间、压缩加载速率和压缩距离的影响。研究证明了在给定工艺条件下的可重复性，并且确定了最佳工艺参数，当在单轴张力下以搭接剪切模式测试时，这些参数产生了明显良好的接头(无缺陷)和足够的接头强度。AM60合金作为一种适合UPJ方法的候选合金显示出很大的前景，以适应汽车和其他工业制造单位与异种锻造铝合金板的连接。

详细内容参见：Andreae, N., Chalasani, D. & Jain, M. Upset Protrusion Joining (UPJ) characteristics of cast AM60 magnesium alloy to join with dissimilar material. Int J Adv Manuf Technol 120, 329–348 (2022). https://doi.org/10.1007/s00170-021-08563-5。