鉚接力對(duì)鋁/鋼自沖鉚接頭幾何特性的影響

李建軍 侯平均 賀玉剛 邱然鋒

摘要：以鋁合金為穿孔板、以低碳鋼為鎖緊板，對(duì)其進(jìn)行了自沖鉚連接。觀察、分析了接頭橫斷面幾何特性隨鉚接力的變化。隨著鉚接力的增大，鋁合金與鋼自沖鉚接頭的喇叭口直徑、鉚釘腿展開(kāi)度、切入量均呈增大趨勢(shì)，而下板凸起高度、底角余量則呈下降趨勢(shì)。在16～24 kN鉚接力范圍內(nèi)，鋁合金與鋼自沖鉚接頭的底部厚度變化較小，當(dāng)鉚接力大于24 kN，底部厚度隨鉚接力的增大突然下降。結(jié)果表明：鋁合金與鋼自沖鉚接頭的抗剪載荷隨著鉚接力的增大呈先增大后下降的變化趨勢(shì)，鉚接力為24 kN時(shí)接頭抗剪載荷達(dá)到最大，約為5.88 kN。

關(guān)鍵詞：鋁合金;鋼;自沖鉚

0 前言

為了節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境，汽車(chē)輕量化已成為全球汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要課題。在汽車(chē)車(chē)身中，用鋁合金等輕質(zhì)材料部分取代鋼鐵材料是汽車(chē)輕量化最有效的途徑之一。在汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)焊裝中，鋁合金與鋼的連接難以避免，但由于鋁合金與鋼在密度、熔點(diǎn)、比熱容、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)和彈性模量等性能方面相差懸殊，導(dǎo)致二者間以焊接方式來(lái)實(shí)現(xiàn)連接較為困難。因此，近年來(lái)鋁合金與鋼的異種材料連接已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。

鋁-鐵之間的固溶度較低，采用傳統(tǒng)的熔化焊連接兩種材料時(shí)在界面容易發(fā)生冶金反應(yīng)而生成硬脆的Al-Fe系金屬間化合物，從而影響接頭性能[1]。諸多學(xué)者分別采用擴(kuò)散焊[2]、摩擦焊[3-4]、爆炸焊[5]、攪拌摩擦焊[6]、磁脈沖焊[7]以及電阻點(diǎn)焊[8-9]等常用壓力焊方法焊接鋁/鋼異種金屬。研究結(jié)果表明，界面金屬間化合物仍是制約甚至主導(dǎo)鋁/鋼焊接接頭力學(xué)性能的主要因素。自沖鉚（Self-piercing Riveting，SPR）是利用半空心鉚釘刺穿上層板，并與下層板之間通過(guò)塑性變形形成機(jī)械自鎖而實(shí)現(xiàn)連接的，是一種板材新型冷成形連接技術(shù)[10]。由于其在連接過(guò)程中不加熱母材，被認(rèn)為適用于異種材料連接。

有關(guān)鋁合金與鋼自沖鉚連接的研究表明，接頭幾何形狀特性是影響接頭性能的主要因素[11-12]。因此，文中以鋁合金為穿孔板，以低碳鋼為鎖緊板進(jìn)行自沖鉚連接，分析鉚接過(guò)程中施加的鉚接力對(duì)接頭幾何形狀及接頭性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為2.0 mm厚A6061鋁合金板和Q235低碳鋼板，其化學(xué)成分如表1所示。將鋁合金板和低碳鋼加工成尺寸為100 mm×30 mm×2 mm的試板。采用砂紙磨去母材表面氧化膜后，再用丙酮清洗并風(fēng)干。將鋁合金和低碳鋼板沿長(zhǎng)度方向進(jìn)行搭接，搭接長(zhǎng)度30 mm。以鋁合金板為穿孔板（上板）、低碳鋼板為鎖緊板（下板），利用SPR-5S鉚接機(jī)進(jìn)行自沖鉚連接。鉚釘為鍍鋅鋼質(zhì)鉚釘，其腿部直徑5.66 mm、頭部直徑8 mm、鉚釘長(zhǎng)度6 mm，鉚接前，采用HY-1002TD型號(hào)超聲波清洗機(jī)清洗試板。鉚接時(shí)，設(shè)定進(jìn)槍時(shí)間為1 s，回程時(shí)間為0.5 s，鉚接力在16～28 kN、每隔2 kN進(jìn)行變化。

由于薄板點(diǎn)連接接頭在服役中主要承受剪切載荷，且SPR接頭斷面幾何特性主要對(duì)接頭抗剪性能有重要影響，因此，試驗(yàn)測(cè)試SPR接頭的抗剪性能。連接后，在室溫條件下以1.7×10-5 m/s速率對(duì)接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，觀察接頭斷面。垂直于接合界面沿焊點(diǎn)直徑橫切焊接接頭，研磨、拋光其斷面，然后用光學(xué)顯微鏡觀察、測(cè)量各特征參量。

2 結(jié)果與分析

鋁合金與低碳鋼的鉚接接頭（記為A6061/Q235 SPR接頭）截面形貌如圖1所示，鉚接時(shí)施加力為26 kN。由圖1可知，鉚釘在鉚接力作用下刺穿上板（鋁合金板），鉚釘腿部端部嵌入下板（鋼板）。接頭中鉚釘向兩側(cè)水平擴(kuò)展形成喇叭口，其周?chē)鶆驘o(wú)開(kāi)裂。這樣就形成了鉚扣，達(dá)到機(jī)械鎖合。

A6061/Q235 SPR接頭橫斷面示意如圖2所示，對(duì)接頭斷面的幾何特性進(jìn)行了標(biāo)注。喇叭口展開(kāi)直徑D表示鉚釘腿尖端在下板中擴(kuò)展的最大尺寸;下板凸起高度H為鉚接過(guò)程中在鉚接力作用下下板被壓入凹模并發(fā)生塑性變形，卸載后比原表面凸出的高度。底角余量N為鉚釘腿尖端至下板凸起表面的距離;底部厚度K為鉚釘裙內(nèi)，隨鉚釘刺入下板的上板金屬在鉚釘腿尖端的厚度。鉚釘展開(kāi)度P為鉚釘腿尖端部向外擴(kuò)展超出鉚釘腿外側(cè)的量，上板的鋁合金在鉚接中也隨鉚釘刺入下板，它與鉚釘腿尖端部向外擴(kuò)展的差為切入量M。

特征參量中，喇叭口展開(kāi)直徑D、鉚釘展開(kāi)度P和切入量M對(duì)SPR接頭力學(xué)性能的影響較為顯著。這三個(gè)橫向參量若較大，說(shuō)明鉚釘與下板形成的機(jī)械紐扣也較為牢固。

鉚接力對(duì)A6061/Q235 SPR接頭中鉚釘喇叭口展開(kāi)直徑及下板凸起高度的影響如圖3所示?？梢钥闯?，隨著鉚接力的增大，接頭喇叭口展開(kāi)直徑呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)殂T釘在向下穿刺過(guò)程中受到的母材的阻力，迫使鉚釘腿向兩側(cè)展開(kāi)，形成“喇叭口”，鉚接力越大，釘腿穿刺過(guò)程受到的阻力越大，在鉚接力和下層鋼板的反作用力下，鉚釘腿的向下穿刺能力降低，鉚釘腿向兩側(cè)彎曲變形，展開(kāi)程度也就更大。

隨著鉚接力的增大，下板凸起高度呈下降趨勢(shì)。這是由于隨著鉚接力的增大，鉚釘腿橫向擴(kuò)展較大，致使其縱向刺入量減少。另外，鉚接力的增加導(dǎo)致下層鋼板受到的擠壓力變大，下層凸起被擠壓變薄。

鉚接力對(duì)A6061/Q235 SPR接頭中鉚釘腿展開(kāi)度及底角余量的影響如圖4所示?？梢钥闯?，隨著鉚接力的增大，鉚釘腿展開(kāi)度呈上升趨勢(shì)。與鉚釘喇叭口直徑相比，鉚釘腿展開(kāi)度是一個(gè)相對(duì)量，表示鉚釘腿向外展開(kāi)的量，其增大有利于鎖扣的形成。鉚釘腿張開(kāi)度越大，鉚接效果越好，接頭強(qiáng)度越高;鉚釘張開(kāi)度越小，鉚接效果越差，接頭強(qiáng)度越低，甚至?xí)斐摄T釘脫落、接頭失效。

底角余量則隨著鉚接力增大呈下降趨勢(shì)。這是由于隨著鉚接力的增加，下層鋼板受到的擠壓力變大，被擠壓變薄。底角余量影響著鉚接接頭強(qiáng)度和密封性。如果底角余量過(guò)小，將會(huì)導(dǎo)致鉚釘腿尖端穿透下板而影響接頭耐蝕性和密封性。

鉚接力對(duì)A6061/Q235 SPR接頭的切入量和底部厚度的影響如圖5所示。隨著鉚接力的增大，切入量也逐漸增大。如前所述，切入量是在下板內(nèi)鉚釘腿和上板向外擴(kuò)展量的差，所以切入量和鉚釘展開(kāi)度相似，鉚接力對(duì)它的影響原因也與鉚釘喇叭口直徑相似。但是，由于在鉚釘腿和下板之間存有上板鋁合金，所以上板性能也對(duì)切入量存在影響。若上板材質(zhì)硬度較大，將阻止鉚釘腿尖端向外的擴(kuò)展。因此，在鉚釘和下板材質(zhì)相同的條件下，較軟的上板材質(zhì)有利于其切入量的加大。

在16～24 kN鉚接力范圍內(nèi)，SPR接頭底部厚度變化較小;當(dāng)鉚接力大于24 kN，底部厚度隨鉚接力的增大突然下降。這是因?yàn)榈撞亢穸人幬恢檬倾T釘腿部和凹模內(nèi)凸起之間。在鉚接過(guò)程中，該處在鉚接力作用下發(fā)生塑性變形。由于下板的鋼板具有一定的剛度，所以在鉚接力較小時(shí)較難發(fā)生塑性變形而減薄;當(dāng)鉚接力較大時(shí)則發(fā)生塑性變形，其厚度隨鉚接力的增大而減小。

鉚接力對(duì)A6061/Q235 SPR接頭抗剪載荷的影響如圖6所示。隨著鉚接力的增加，A6061/Q235 SPR接頭抗剪載荷呈先增大后緩降的變化趨勢(shì)。在16～24 kN鉚接力范圍內(nèi)，A6061/Q235 SPR接頭的拉剪載荷隨鉚接力的增加而增大;當(dāng)鉚接力大于24 kN時(shí)，A6061/Q235 SPR接頭抗剪載荷則隨鉚接力的增大而呈緩降趨勢(shì);當(dāng)鉚接力為24 kN時(shí)，A6061/Q235 SPR接頭的抗剪載荷達(dá)到最大值，約為5.88 kN。這是因?yàn)殂T接力較小時(shí)，鉚釘未完全刺入母材，鉚釘展開(kāi)度P和切入量M過(guò)小，接頭機(jī)械自鎖性能不佳，導(dǎo)致接頭抗剪載荷偏小;隨著鉚接力的增加，鉚釘腿的展開(kāi)度和切入量變大，機(jī)械自鎖性能變好，接頭抗剪載荷則隨之增大。當(dāng)鉚接力增加到一定程度后，雖然釘腿展開(kāi)度和切入量很大，但是接頭母材底角余量N以及底部厚度K變小，鉚釘周?chē)覆淖儽?，?dǎo)致接頭抗剪力降低。

3 結(jié)論

（1）隨著鉚接力的增大，鋁合金與鋼自沖鉚接頭喇叭口展開(kāi)直徑增大，下板凸起高度則呈下降趨勢(shì)。

（2）隨著鉚接力的增大，鋁合金與鋼自沖鉚接頭的鉚釘腿展開(kāi)度增大，底角余量則減小。

（3）在16～24 kN鉚接力范圍內(nèi)，鋁合金與鋼自沖鉚接頭的底部厚度變化較小，當(dāng)鉚接力大于24 kN時(shí)，底部厚度隨鉚接力的增大突然下降;而接頭的切入量則隨鉚接力的增大而增大。

（4）隨著鉚接力的增大，鋁合金與鋼自沖鉚接頭的抗剪載荷呈先增大后下降的變化趨勢(shì)，鉚接力為24 kN時(shí)接頭抗剪載荷達(dá)到最大，約為5.88 kN。

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