車身結構膠對FDS連接接頭抗剪切性能影響的研究

王維，丁華，馮波，張杰

(吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315000)

0 引言

目前車身輕量化已成為節(jié)能減排的重要手段。隨著汽車總量不斷增加，節(jié)能減排性能正在逐漸成為世界汽車制造商保持競爭力的重要指標。研究表明，車身輕量化對降低汽車油耗、減少尾氣排放有顯著作用，是近年來汽車制造技術發(fā)展的主要趨勢之一[1]。

鋼鐵行業(yè)的發(fā)展為汽車工業(yè)的不斷創(chuàng)新提供了強勁的材料后盾，但隨著世界各國對節(jié)能減排的要求越來越迫切，汽車行業(yè)迎來了輕質鋁合金逐步替代全鋼鐵車身的大趨勢。汽車每減重10%，油耗可降低6%～80%[2]。隨著鋁質材料被引進汽車制造行業(yè)，制造連接技術也隨之發(fā)生了轉變，傳統(tǒng)的高效、廉價、性能優(yōu)越的電阻點焊已不能完全滿足鋼鋁混合車身的連接應用。隨著越來越多的鋁及鋁合金結構件在制造業(yè)中的應用, 鋁與鋼的連接成了人們所關心的問題[3]。FDS(Flow Drill Screw)連接技術以及SPR(Self-piercing Rivet)等適用于鋼鋁等不同材質的冷連接技術廣泛應用于白車身制造行業(yè)。相應地，傳統(tǒng)連接技術如電阻點焊、結構膠接技術與這些新的連接技術的融合使用成為車身制造的一個重點研究領域。周江齊等[4]在其研究中指出，膠鉚復合有利于結構膠發(fā)揮抗剪強度高的優(yōu)勢，使連接接頭抗剪性能提高到純自沖鉚接(Self-Piercing Rivet，SPR)接頭的2倍以上。但對于FDS連接技術，國內(nèi)研究較少。本文作者基于FDS連接技術，通過實驗對比的方法，以1.2 mm厚的HC420/DP780雙相鋼與3 mm厚的6082鋁合金板連接為例，進行兩層及三層鉚接實驗，研究增加結構膠與無結構膠情況下FDS接頭的抗剪切性能差異，為后續(xù)車身制造及設計提供借鑒。

1 實驗設備、材料和方案

1.1 FDS設備

研究采用的是德國Deprag公司生產(chǎn)的ADFS自適應緊固系統(tǒng)設備。主要組成部分有主機、電氣柜、擰緊單元、通信及動力電纜、送釘機構，如圖1所示。圖2是此次實驗用的集成好機械手臂的FDS鉚接設備，實驗條件與量產(chǎn)生產(chǎn)線上一致。

FDS技術是以伺服電機通過高速旋轉，帶動螺釘自行在鋁板或是鋼板上經(jīng)過定位、鉆孔、攻絲、擰緊、落座等步驟自動完成鋼板及鋁板連接的一種自攻絲旋轉鉚接技術。此實驗研究中采用的螺釘是由德國Arnold制造的M5×22外蘑菇頭螺釘，如圖3所示，它也是汽車制造行業(yè)廣泛應用的一種釘子。

圖2 機器人鉚接工作站實驗臺

圖3 FDS實驗釘子(旋轉鉆螺釘)M5×22

1.2 實驗FDS接頭板材及結構膠

實驗中，采用1.2 mm厚的150 mm×40 mm的DP780高強鋼板，以及相同尺寸的3 mm厚的6082鋁合金板，具體實驗搭接尺寸如圖4所示。

圖4 試片幾何尺寸

目前主流的車身FDS連接工藝主要采用鋼板預開孔，將螺釘擰緊至鋁板的連接方式。 故此次實驗接頭的板材條件模擬實際連接特點，針對二層板1.2 mm DP780高強鋼板+3 mm 6082鋁合金板搭接，鋼板開孔φ7 mm;針對三層板1.2 mm DP780高強鋼板+1.2 mm DP780高強鋼板+3 mm 6082鋁合金板搭接，與鋁板搭接的第一層鋼板開孔φ10 mm，最上層鋼板開孔φ7 mm。板材的力學性能如表1所示。

表1 材料主要力學性能參數(shù)

實驗所使用的結構膠為Sika Power-496，技術參數(shù)如表2所示，膠接的烘烤條件為175 ℃、20 min。

表2 結構膠的技術參數(shù)

1.3 實驗方案

實驗研究主要進行兩層板和三層板的純FDS釘連接、純結構膠連接、釘加膠復合連接測試。具體實驗方案如表3所示。

表3 實驗方案

因FDS連接是一種螺釘擰緊連接，需要考慮到扭矩衰減，故FDS連接后，放置12 h后進行拉伸試驗。關鍵連接參數(shù)主要為最終擰緊力矩，兩層板最終擰緊力矩為10.5 N·m；三層板最終擰緊力矩為11 N·m。每種連接各選5—7組進行試驗。拉伸測試條件：拉伸速度為12 mm/min,金屬室溫拉伸。

2 拉伸結果對比及分析

因拉伸試驗機設置的原因，文中每種組合試驗的拉伸曲線最多顯示5條。

2.1 兩層板純結構膠鉚接拉伸測試結果

測試結果如圖5所示，最大拉伸力均值為28 129 N，失效類型為鋁板斷裂。

圖5 兩層板純結構膠的拉伸結果

2.2 兩層板無膠FDS鉚接拉伸測試結果

測試結果如圖6所示，最大拉伸力均值為8 921 N，失效形式為鋁板拉脫及鉚釘斷裂兩種。

圖6 兩層板無膠FDS連接的拉伸結果

2.3 兩層板加膠FDS鉚接拉伸測試結果

測試結果如圖7所示，最大拉伸力均值為26 787 N，失效形式為鋁板拉脫及結構膠撕開及鉚釘斷裂。

圖7 兩層板加膠FDS連接的拉伸結果

2.4 三層板純FDS鉚接拉伸測試結果

測試結果如圖8所示，最大拉伸力在9 234 N左右，失效形式為鉚釘斷裂。

圖8 三層板無膠FDS連接的拉伸結果

2.5 三層板加結構膠的FDS鉚接拉伸測試結果

測試結果如圖9所示，最大拉伸力均值為25 928 N左右，失效形式為結構膠先失效鋁板鉚釘斷裂和結構膠未破壞、鉚釘斷裂兩類。

圖9 三層板加結構膠FDS鉚接測試

最大拉伸力實驗數(shù)據(jù)總結如表4所示。

表4 最大拉伸力實驗結果

3 結論

從以上實驗結果，可以得出如下結論：

(1)純FDS連接抗剪切強度低于增加結構膠的FDS連接；鋼板材料相同的兩層板帶預開孔的FDS連接抗剪切強度與三層板FDS連接抗剪切強度相差不大。

(2)增加結構膠使用會提高FDS接頭的抗剪切強度，同種搭接抗剪切強度會提高到無結構膠狀態(tài)的3倍左右。