一種新型鋼鋁連接技術(shù)的疲勞耐久性能研究

趙一鳴，陳東平

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海 201201)

0 引言

在能源短缺和環(huán)境惡化大背景下，研發(fā)節(jié)能減排的新技術(shù)是減少機(jī)動(dòng)車能源消耗和降低環(huán)境污染的有效方式。從研發(fā)趨勢(shì)而言，整車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排最高效措施，由于白車身質(zhì)量一般占整車質(zhì)量的30%左右，因此白車身輕量化對(duì)整車輕量化至關(guān)重要[1]。

目前，使用鋁合金等低密度輕質(zhì)金屬成為白車身輕量化的發(fā)展方向，但相較于鋼材，由于熔點(diǎn)和熱膨脹系數(shù)的不同以及焊接過程中易產(chǎn)生易脆共晶體等缺陷，鋁板與鋼板無法通過點(diǎn)焊有效連接。為此，本文作者引入一種新型的汽車用鋼鋁連接技術(shù)(Intelligence Welding，IW)，通過鋼釘沖鉚鋁板和鋼釘與鋼板點(diǎn)焊兩步工藝實(shí)現(xiàn)了鋼鋁連接。同時(shí)，基于IW連接接頭的靜力學(xué)性能，并通過料片級(jí)試驗(yàn)研究IW連接接頭的疲勞耐久性能，獲得IW連接接頭的載荷壽命曲線，為后續(xù)基于IW連接的鋼鋁混合車身正向開發(fā)及虛擬分析計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持。

1 鋼鋁IW連接方式

鋼鋁IW連接的實(shí)施方式分為兩步：(1)鋼釘通過送釘機(jī)構(gòu)送至特制鉚模中，接著利用鉚模壓鉚鋼釘入鋁板，如圖1所示；(2)鋼板一側(cè)涂適量結(jié)構(gòu)膠以保證防腐性能及提高連接強(qiáng)度(后期通過電泳烘房烘烤，使結(jié)構(gòu)膠固化以實(shí)現(xiàn)其提高連接強(qiáng)度的作用)，隨后通過點(diǎn)焊機(jī)在鋼釘和鋼板之間完成點(diǎn)焊，實(shí)現(xiàn)鋁鋼連接，如圖2所示。

圖1 鋼釘沖鉚鋁板

圖2 涂膠及鋼釘和鋼板點(diǎn)焊

該鋼釘在壓鉚和焊接完成后存在以下連接功能區(qū)：鋼釘頭與鋼板的焊接熔核區(qū)、鋼釘桿與鋁板的鉚接鎖止區(qū)及鋼板、鋁板和結(jié)構(gòu)膠間的膠接增強(qiáng)區(qū)，如圖3所示。

圖3 IW的3個(gè)連接功能區(qū)

2 鋼鋁IW連接接頭的靜力學(xué)性能

2.1 試驗(yàn)方法

為了了解鋼鋁IW連接的靜載特性，為疲勞耐久試驗(yàn)進(jìn)行載荷分級(jí)提供依據(jù)[2]，首先需要對(duì)鋼鋁IW連接接頭的靜力學(xué)性能進(jìn)行摸底。文中分別設(shè)計(jì)了試片級(jí)別的接頭靜力學(xué)剪切和十字拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)方法如圖4所示，其中鋼板牌號(hào)為CR340，厚度為1.0 mm；鋁板牌號(hào)為5000-RSS-110-U，厚度為1.4 mm。為了考慮鋼鋁IW連接本身的連接強(qiáng)度，因此試驗(yàn)中的板料間未涂有結(jié)構(gòu)膠。

圖4 接頭靜力學(xué)試驗(yàn)

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集和分析

圖5為剪切狀態(tài)下鋼鋁IW連接接頭的力-位移曲線。

圖5 鋼鋁IW連接接頭的最大剪切失效載荷

由圖可知，在剪切載荷狀態(tài)下，鋼鋁IW連接接頭在位移0～0.5 mm范圍內(nèi)，由于只發(fā)生鋁板的彈性變形，因此位移與載荷成正比例關(guān)系；在位移0.5～1.5 mm范圍內(nèi)，出現(xiàn)類似于材料拉伸曲線中的“屈服現(xiàn)象”；在位移為1.5 mm時(shí)，出現(xiàn)類似材料拉伸曲線中“彈性變形向塑性變形”的轉(zhuǎn)變；在位移大于1.5 mm以后，出現(xiàn)類似于材料拉伸曲線中“塑性變形”，并在位移4～5 mm范圍內(nèi)發(fā)生連接接頭失效。

圖6為十字拉伸狀態(tài)下鋼鋁IW連接接頭的力-位移曲線。由圖可知，在十字拉伸載荷狀態(tài)下，鋼鋁IW連接接頭的靜態(tài)連接強(qiáng)度小于其剪切強(qiáng)度，且失效變形較大。

基于以上試驗(yàn)結(jié)果，整理出剪切和十字拉伸工況狀態(tài)下鋼鋁IW連接接頭的失效載荷，見表1。

圖6 鋼鋁IW連接接頭的最大拉伸失效載荷

表1 剪切和十字拉伸工況狀態(tài)下鋼鋁IW連接接頭的失效載荷 N

3 鋼鋁IW連接接頭的疲勞耐久性能

在完成鋼鋁IW連接接頭的靜力學(xué)性能摸底后，進(jìn)行鋼鋁IW連接接頭的疲勞耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)部分采用液壓伺服MTS材料測(cè)試機(jī)，量程為100 kN。試驗(yàn)考慮了剪切和十字拉伸兩種載荷狀態(tài)，為此設(shè)計(jì)了相應(yīng)的十字拉伸試驗(yàn)工裝和剪切試驗(yàn)工裝，保證載荷作用線穿過試件連接面，避免彎矩影響試驗(yàn)結(jié)果，如圖7所示。

圖7 十字拉伸和剪切試驗(yàn)工裝

試驗(yàn)條件如下：

(1)疲勞載荷振動(dòng)頻率20～30 Hz;

(2)載荷循環(huán)特征R=Fmin/Fmax=0.1;

(3)考慮剪切和拉伸兩種載荷狀態(tài);

(4)每種載荷狀態(tài)需體現(xiàn)6種載荷水平;

(5)每種載荷水平需進(jìn)行5次疲勞耐久試驗(yàn)。

鋼鋁IW連接的試驗(yàn)料片尺寸如圖8所示，其中鋼板牌號(hào)為CR340，厚度為1.0 mm；鋁板牌號(hào)為5000-RSS-110-U，厚度為1.4 mm。為了考慮鋼鋁IW連接本身的疲勞耐久性能，因此試驗(yàn)中的板料間未涂有結(jié)構(gòu)膠。

圖8 鋼鋁IW連接的試驗(yàn)料片尺寸

由于材料測(cè)試機(jī)的量程為100 kN，其精度極限為100 N。因此，當(dāng)十字拉伸載荷為0.3倍靜態(tài)載荷，此時(shí)載荷的最小值已達(dá)到材料測(cè)試機(jī)測(cè)量精度的上限，無法對(duì)低于0.3倍靜態(tài)載荷的試驗(yàn)工況進(jìn)行十字拉伸疲勞耐久試驗(yàn)。所以，分別選取0.6倍靜態(tài)剪切失效載荷、0.5倍靜態(tài)剪切失效載荷、0.4倍靜態(tài)剪切失效載荷、0.3倍靜態(tài)剪切失效載荷、0.25倍靜態(tài)剪切失效載荷、0.18倍靜態(tài)剪切失效載荷作為剪切疲勞耐久試驗(yàn)的6種載荷水平；又分別選取0.6倍靜態(tài)十字拉伸失效載荷、0.5倍靜態(tài)十字拉伸失效載荷、0.4倍靜態(tài)十字拉伸失效載荷、0.3倍靜態(tài)十字拉伸失效載荷作為十字拉伸疲勞耐久試驗(yàn)的4種載荷水平。具體試驗(yàn)失效狀態(tài)見表2和表3。

由表2和表3可知，在剪切條件下，當(dāng)疲勞載荷小于等于0.3倍靜態(tài)載荷時(shí)，失效方式為鋁板失效；當(dāng)疲勞載荷大于等于0.4倍靜態(tài)載荷時(shí)，失效方式為鋁板和連接的混合失效。在十字拉伸條件下，當(dāng)疲勞載荷小于等于0.5倍靜態(tài)載荷時(shí)，失效方式為鋁板和連接的混合失效，當(dāng)疲勞載荷大于等于0.6倍靜態(tài)載荷時(shí)，失效方式為鋁板失效。由此可見，在剪切和十字拉伸條件下，鋼鋁IW連接的疲勞失效機(jī)制有所不同，因而導(dǎo)致在相同載荷條件下的剪切和十字拉伸的連接失效模式也有所不同。

表2 剪切載荷條件下鋼鋁IW連接接頭的疲勞耐久結(jié)果

表3 十字拉伸載荷條件下鋼鋁IW連接接頭的疲勞耐久結(jié)果

根據(jù)每組試驗(yàn)的平均疲勞壽命，完成鋼鋁IW連接接頭的剪切和十字拉伸載荷壽命曲線，如圖9和圖10所示。其中，圖中的橫軸為試件的壽命，縱軸為疲勞試驗(yàn)所加的最大載荷，圖中的每一個(gè)散點(diǎn)代表了一次疲勞耐久試驗(yàn)。由圖9和圖10可知：相同載荷條件下，鋼鋁IW連接接頭的剪切疲勞壽命遠(yuǎn)高于十字拉伸疲勞耐久壽命。因此，在混合白車身連接的正向開發(fā)中：受剪切或拉剪載荷的設(shè)計(jì)區(qū)域，推薦使用滿足性能要求的鋼鋁IW連接技術(shù)；受拉伸載荷的設(shè)計(jì)區(qū)域，使用型材鋁、鑄鋁等制造工藝及鋁點(diǎn)焊等連接技術(shù)保證連接性能[3]。

圖9 鋼鋁IW連接接頭的剪切載荷壽命曲線

圖10 鋼鋁IW連接接頭的十字拉伸載荷壽命曲線

根據(jù)以上疲勞耐久試驗(yàn)得到的鋼鋁IW連接接頭載荷壽命曲線并使之模型化和參數(shù)化，同時(shí)結(jié)合連接處的載荷水平，即可計(jì)算和預(yù)測(cè)出鋼鋁混合車身的鋼鋁IW連接接頭疲勞壽命[4]，為后續(xù)鋼鋁IW連接的正向開發(fā)和應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

(1)鋼鋁IW連接接頭的靜態(tài)十字拉伸強(qiáng)度小于剪切強(qiáng)度，且失效變形較大;

(2)在剪切和十字拉伸載荷條件下，鋼鋁IW連接的疲勞失效機(jī)制有所不同，導(dǎo)致在相同載荷條件下的剪切和十字拉伸的連接失效模式也有所不同;

(3)相同載荷條件下，鋼鋁IW連接接頭的剪切疲勞壽命遠(yuǎn)高于十字拉伸疲勞耐久壽命。