《Results in Materials》：Effects of Surface Conditions on the Joint Formation and Overlap Joint Performance of Clinched EN AW5754 Aluminium Sheet
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本研究系统研究了表面状态对压接（mechanical clinching）连接EN AW5754铝合金薄板接头形成及拉伸剪切性能的影响。采用砂纸打磨和油润滑两种方式改变板材表面状态，通过实验与数值模拟相结合的方法，分析了不同表面状态对压接接头成形质量、拉伸剪切
本研究系统研究了表面状态对压接（mechanical clinching）连接EN AW5754铝合金薄板接头形成及拉伸剪切性能的影响。采用砂纸打磨和油润滑两种方式改变板材表面状态，通过实验与数值模拟相结合的方法，分析了不同表面状态对压接接头成形质量、拉伸剪切性能、能量吸收及失效模式的影响规律。研究人员建立了轴对称二维有限元模型，采用Swift硬化模型描述材料行为，结合环压缩试验测定的摩擦系数，预测了不同表面条件下的颈部厚度（neck thickness）和互锁厚度（interlock thickness），数值模拟结果与实验结果的相对误差小于10%。拉伸剪切试验结果表明，板材间打磨抛光（A-SS-A）配置的接头具有最高的拉伸剪切强度（约1.15 kN），这归因于其最大的颈部厚度（0.237 mm）；而冲头侧打磨（SP-A-A）配置的接头强度最低（约0.87 kN），这是由于冲头与板材间摩擦增大导致材料流动受阻、颈部厚度减薄所致。油润滑降低了界面摩擦，使接头强度普遍低于打磨配置，但各油润滑配置间的强度差异较小。能量吸收分析表明，模具侧打磨（A-A-SD）配置的接头能量吸收最高（近0.8 kN·mm），这得益于其峰值后稳定的载荷平台；而冲头侧打磨配置的能量吸收最低。所有接头的失效模式均为颈部断裂，扫描电子显微镜（SEM）观察证实为韧性断裂，表面状态未改变接头的失效模式。该研究为压接工艺中表面状态控制提供了理论依据，对优化接头质量具有重要指导意义。
## 一、研究背景与问题提出
在汽车与航空航天工业轻量化发展的背景下，铝合金等轻质合金因其优异的强度-重量比、耐腐蚀性、热导率及可回收性，正逐步替代传统钢材用于各类结构件制造。机械压接（mechanical clinching）作为一种先进的固态连接技术，通过冲头（punch）与凹模（die）的局部塑性变形使板材形成机械互锁（mechanical interlock），无需额外耗材即可实现板材连接，具有可连接异种材料、不损伤涂层、无热影响区、无碳排放及单步成形等显著优势。尽管已有大量研究关注工具几何参数、工艺参数对压接接头质量的影响，但关于界面摩擦条件，特别是板材表面状态对压接接头形成与力学性能影响的系统性研究仍相对匮乏。为此，研究人员以EN AW5754铝合金薄板为对象，系统探究了打磨抛光与油润滑两种表面处理方式对压接接头形成质量及拉伸剪切性能的影响机制。
## 二、主要技术方法
研究采用实验与数值模拟相结合的技术路线。实验方面，通过环压缩试验（ring compression test）依据ASTM E9标准测定三种表面状态（320目砂纸打磨、油润滑、原始状态）的摩擦系数；采用MTS电液伺服试验机进行压接成形与拉伸剪切试验（依据ISO 12996:2013标准制备搭接试样），并利用倒置光学显微镜测量接头截面几何参数（颈部厚度与互锁厚度），通过TM-1000扫描电子显微镜观察断裂形貌。数值模拟方面，采用Abaqus软件建立轴对称二维有限元模型，运用Swift硬化模型刻画材料本构关系，采用惩罚函数法定义接触界面，并通过ALE（adaptive local element，自适应局部网格）技术避免大变形网格畸变，模型预测精度以颈部厚度收敛性为判据（网格尺寸0.1 mm/0.04 mm）。
## 三、研究结果
### 3.1 压接接头工艺参数
不同表面状态对接头几何参数产生显著影响。打磨配置中，板材间打磨（A-SS-A）的颈部厚度最大（0.237 mm），表明降低板材间摩擦有利于材料向凹模腔流动并形成更充分的机械互锁；而冲头侧打磨（SP-A-A）的颈部厚度最小（0.226 mm），降幅约4.6%，这是由于冲头-板材界面摩擦增大导致材料沿冲头表面滑移而非向凹模腔流动。模具侧打磨（A-A-SD）的颈部厚度略增至0.227 mm。全表面打磨（S-A-S-A-S）时颈部厚度为0.229 mm。互锁厚度方面，冲头侧打磨配置呈现最大互锁厚度（0.142 mm），而模具侧打磨配置最小（0.124 mm），减小约12.7%，表明模具侧摩擦增大会约束材料向凹模腔的流动。
油润滑配置中，模具侧润滑（A-A-OD）的颈部厚度最大（0.236 mm），这是由于凹模与板材间摩擦降低使底部材料自由向颈部区域聚集；而全油润滑（O-A-O-A-O）的颈部厚度最小（0.226 mm），减小约4.2%，归因于板材间摩擦降低削弱了机械咬合作用。值得注意的是，所有油润滑配置的互锁厚度相近（约0.154 mm），表明油润滑对互锁厚度影响不显著。
### 3.2 数值模拟验证
数值模拟结果与实验结果具有高度一致性，颈部厚度与互锁厚度的预测误差均小于10%。有限元模型的等效塑性应变（PEEQ）云图清晰显示颈部区域存在应变集中，与实验中观察到的减薄区吻合，验证了模型在预测不同表面状态下接头成形质量方面的可靠性。
### 3.3 拉伸剪切试验结果
打磨配置中，A-SS-A配置表现出最高的平均最大拉伸剪切载荷（约1.15 kN，位移约0.4 mm），得益于其最大的颈部厚度；S-A-S-A-S配置次之（约1.06 kN）。A-A-SD配置虽然峰值载荷略低，但在0.8 mm位移范围内保持稳定的载荷平台，表现出更优的 damage-tolerance（损伤容限）行为。SP-A-A配置的拉伸剪切载荷最低（约0.85 kN），且峰值后呈渐进式下降。
油润滑配置的拉伸剪切载荷普遍低于打磨配置，最大值约为0.80–0.85 kN，各配置间差异较小。OP-A-A配置在峰值载荷附近表现出更大的位移，暗示损伤起始延迟；A-A-OD配置则在峰值后较早下降，可能对局部应力集中更为敏感。对比相同位置不同表面处理的配置：板材间（A-OS-A较A-SS-A提高36.06%）、全表面（O-A-O-A-O较S-A-S-A-S提高10.35%）、模具侧（A-A-OD较A-A-SD仅提高0.76%）的拉伸剪切载荷增加，而冲头侧润滑（OP-A-A较SP-A-A降低10.35%）则呈现降低趋势。
### 3.4 能量吸收
A-A-SD配置的能量吸收最高（近0.8 kN·mm），这归因于其峰值后稳定平台的宽化，延迟了颈部的局部屈服；SP-A-A配置的能量吸收最低，约为前者的一半，与其早期失稳和骤然载荷下降相关。油润滑使板材间、冲头侧及全表面配置的能量吸收分别增加21.41%、30.1%和19.61%，但模具侧润滑使能量吸收降低26.9%。
### 3.5 失效行为
所有配置的接头均发生颈部断裂（neck fracture），轴向载荷超过接头最大剪切抗力时导致完全断裂。扫描电子显微镜观察显示，断裂表面存在拉长韧窝（剪切变形导致的孔洞聚合）、等轴韧窝及致密等轴韧窝，表明在所有表面条件下均为完全韧性断裂，表面状态未改变接头的失效模式。
## 四、讨论与结论
本研究通过系统的实验与数值模拟，揭示了表面状态对EN AW5754铝合金压接接头形成与性能的复杂影响机制。研究结论可概括如下：实验证实A-SS-A配置因具有最大颈部厚度而表现出最高拉伸剪切强度；有限元方法以低于10%的误差成功预测了不同配置下的接头质量；砂纸打磨使板材间、模具侧及全表面的最大拉伸剪切载荷分别提高36.06%、0.76%和10.35%，但冲头侧打磨使强度降低10.31%；A-A-SD配置能量吸收最高（近0.8 kN·mm），而油润滑使其降低26.9%；所有配置均呈现颈部断裂的韧性失效模式。该研究为压接工艺中表面状态优化控制提供了重要理论支撑，有限元模型可作为预测工具减少实验试错，所得定性规律对其他工业合金具有参考价值，但定量结果因材料强度、延展性、应变硬化行为及摩擦特性的差异需谨慎迁移。
