摘要：由于法律要求的限制，汽車制造商被迫減少新車型的污染物排放。節能減排的一種有前景的方法是減輕車輛重量，從而使白車身具有巨大的潛力。這種重量減輕是通過新的車身結構實現的，其中包含不同材料應用的不斷增加。此外，像TWIP鋼這樣的新型輕質材料變得更加重要。使用TWIP鋼成功和經濟地實施多材料設計需要適當的連接技術。在該項目中，研究了與不同材料相關的具有挑戰性的材料組合。在本文中，高速連接被認為是一種創新和有前景的多材料應用連接技術。這種機械連接技術包含一個稱為Tack的輔助連接部件（高速射釘），它被高速驅動到連接伙伴中。文中還展示了高速連接面臨的挑戰以及優化。通過金相分析進行研究及破壞性試驗確定機械性能。并將這些特征與當前使用的標準螺釘的結果進行比較。
關鍵詞：多材料設計高錳鋼 高速射釘連接
1簡介
1.1高速連接
新材料被引入現代車身結構，汽車行業面臨著與多材料設計相沖突的目標，這限制了傳統的熱連接技術。因此，低熱連接技術變得越來越重要。高速連接是一種能夠實現單面連接并可以應用在鈑金和型材之間進行連接的技術。釘狀輔助連接部分被加速到20-40m/ s并直接驅動到連接部件中。不需要預孔操作。高速連接的過程如圖1所示。
Fig. 1 Sequence of high-speed joining
在該過程中，Tack釘穿透連接部分，并且由于局部瞬間溫度升高，材料的流動性得到改善，通過填充Tack螺釘的成型柄的環形槽，最終形狀配合，實現連接。
圖2顯示了在高速連接時可能發生的故障模式。在過沖的情況下，動能不足以實現頭部支撐。連接部件之間的間隙通常是過高的連接壓力造成的，這也可能導致材料損壞。在這種情況下，動能過高，以至于材料經受了很大的變形，而彈性變形（回彈）不足以在箍柄上施加壓縮力。
Fig. 2 Failure modes of highspeed joining
2實驗方法
使用B?llhoFF公司的pneumaticRivtac MagazineFeed進行連接研究。檢查的材料厚度組合示于表1中。在研究中，使用冷軋TWIP鋼組合物X40MnCrAl19-2。
關于符合質量標準的連接結果，最具挑戰性的材料組合是TWIP鋼作為覆蓋板和HCT600XD作為基礎材料。這可以通過強變形誘導的加工硬化與高斷裂伸長率來解釋，這使得tack難以穿透TWIP鋼作為覆蓋片。在連接過程中，TWIP鋼的變形引起的加工硬化達到490HV0.5，超過了tack的硬度，約為450±20HV10（比較圖4）。使用HCT600XD作為基礎材料，表明具有最高強度的材料使得tack滲透更加難以進行變形。
2.1優化程序
TWIP鋼的加工硬化超過FK16-8-3-H3tack硬度約40HV0.5。為了減少tack變形，必須增加tack硬度。目的是進行僅影響tack尖端的熱處理。為了實現這一要求，需要具有動態控制回路的電感器。圖5顯示了具有高強度和延性夾緊區域的硬化尖端,目的是為保持疲勞強度。
使用800至840°C的硬化溫度，油作為淬火介質，回火溫度200°C，時間60min,實現可重復的tack硬化處理。圖12顯示了已確定的熱處理，用于優化tack，在硬化的尖端沒有裂縫。
3實驗結果
使用優化的tack行進一步的樣品試驗。結果如圖13所示。作為熱處理的結果，尖端不再變形并且連接過程穩定且準確。且不會出現小塊或毛刺。優化tack的另一個改進是減少所需的連接壓力。在tack釘的初始狀態下，大量的總動能被tack釘的變形吸收，并通過優化的tack釘來防止隨之發生毛刺和小塊.
本研究一個重要的目標是保持tack的強度，特別是疲勞強度。如圖14所示，溫度僅影響卵形尖端的有限區域。軸承載荷發生的上部釘柄的初始狀態不受熱處理的影響，因此不會產生疲勞效應。進行微結構分析以表征熱處理區域的調整的微觀結構。圖14顯示了尖端的三個不同區域的微觀結構。
在第一和第二區，獲得了完整的馬氏體微觀結構。過渡區(區域3)顯示出安全和馬氏體微觀結構。可以假定油作為淬火介質可以達到足夠的冷卻速度來硬化粘性。優化粘性的硬度測量值(TWIP / Al6xxx )顯示在圖15中并驗證了強度的增加。標準硬度由450±20HV10提高到710HV0.5。
圖16顯示了最具挑戰性的材料-厚度組合TWT= 1.4mm / HCT600XD t = 1.5mm的準靜態剪切拉伸試驗的結果。
由于標準FK16-8-3-H3tack不可以實現可以接受的接頭，因此選擇預生成的FK16-8-3-H5作為參考。左圖表示力位移行為。 優化的H3tack的結果更可重復，并且關于標準H5-tack的結果的分散更高。最大力增加了8％，能量吸收是一個重要的值，其中碰撞性能提高了71％。失效模式圖（左圖16）顯示H5tack 的脆性破壞和H3tack的延性失效。連接過程和tack的優化導致負載能力提高。
圖17中的條形圖顯示了所有研究的材料-厚度組合的剪切拉伸試驗的最大力和能量吸收。
在材料組合TWIP鋼與雙相鋼HCT600XD高速連接的情況下，接頭的機械性能與連接方向無關。當以TWIP作為覆蓋片，HCT600XD作為基材時，最大作用力和能量吸收稍高，散射幾乎沒有減少。TWIP/ Al6xxx材料組合的能量吸收顯示，由于tack釘的大幅傾斜，能量吸收量最大。TePEx®/ TWIP組合的最大力和能量吸收受到TEPex®的限制，如故障模式圖所示。
4結論和展望
基于識別出的高速連接的優化潛力，以最具挑戰性的檢查材料-厚度-組合(TWIPAs蓋板和HCT600XD作為基板)對連接工藝和連接元件進行優化。對tack釘進行特殊處理可顯著改善連接效果，并在每種研究材料組合的情況下產生符合質量標準的接頭。達到了質量界限，另外，降低了所需的連接壓力，提高了工藝穩定性。就機械性能而言，最大作用力以及能量吸收都有所提高。優化tack的疲勞強度和耐腐蝕性將在下一步工作中進一步研究。
