鋼鋁異種材料自沖鉚接模擬及工藝研究

宋慶軍 張林陽 李軍 鄭虹

（中國(guó)第一汽車股份有限公司材料與輕量化研究院，長(zhǎng)春 130011）

1 前言

輕量化作為汽車行業(yè)普遍關(guān)注的話題，可有效降低油耗、節(jié)約能源、減少尾氣排放，提高駕駛操控性[1]，材料替代可顯著提升汽車輕量化水平，采用高強(qiáng)鋼和鋁合金等材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制材料已成為汽車車身用材的主要方向。傳統(tǒng)車身由于多為同種鋼制材料連接，采用點(diǎn)焊及弧焊的方式即可滿足車身各零件的組裝，然而對(duì)于目前廣泛研究的鋼鋁混合材料車身，由于鋼、鋁物理性能的差異及鋼鋁焊接易產(chǎn)生脆性金屬間化合物的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)點(diǎn)焊及弧焊連接方式已不再適用[2]，新型的機(jī)械連接特別是自沖鉚接、無鉚鉚接和熱融自攻絲鉚接等已成為鋼鋁混合車身的主流連接方式，而其中自沖鉚接由于連接強(qiáng)度高、鉚接質(zhì)量穩(wěn)定[3]，成為車身重要承力構(gòu)件連接的首選，但目前自沖鉚接技術(shù)面臨的一個(gè)缺點(diǎn)是工藝適應(yīng)性較差，即不同材質(zhì)、厚度、硬度的接頭組合需要不同的鉚釘和鉚模，因而對(duì)于不同材料的自沖鉚接，需進(jìn)行多輪的鉚接工藝試驗(yàn)才能優(yōu)選出最佳的鉚釘鉚模組合，造成其工藝開發(fā)成本較高，這在一定程度上阻礙了自沖鉚接技術(shù)的應(yīng)用。

近年來，自沖鉚接工藝仿真技術(shù)越來越受到各廠家的青睞，其采用模擬仿真的方式，對(duì)某種特定材料分析不同鉚釘鉚模組合對(duì)其鉚接質(zhì)量的影響，從而初步優(yōu)選出鉚接質(zhì)量較好的組合，然后再進(jìn)一步對(duì)優(yōu)選的鉚接組合進(jìn)行實(shí)際工藝分析，最終獲得最佳的鉚接組合。這種工藝仿真與實(shí)際工藝分析相結(jié)合的方式，可有效減少自沖鉚接工藝開發(fā)過程中原材料的消耗、降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，快速并可靠地獲得最佳鉚接組合[4]。

以Simufact 有限元分析軟件為平臺(tái)，模擬DP590 高強(qiáng)鋼和6016-T6 鋁合金板材自沖鉚接過程，分析了鉚模深度、鉚釘長(zhǎng)度及板材搭接順序?qū)︺T接接頭成形質(zhì)量和力學(xué)性能的影響，并結(jié)合實(shí)際樣件的自沖鉚接工藝試驗(yàn)，最終優(yōu)選出了針對(duì)1.8 mm 厚 DP590 高強(qiáng)鋼和 1.2 mm 厚 6016-T6 鋁合金的最佳自沖鉚接組合，為乘用車鋼鋁混合發(fā)動(dòng)機(jī)罩自沖鉚接提供理論及試驗(yàn)支持。

2 鉚接模型建立

乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板總成幾何模型如圖1所示，由發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板、鉸鏈加強(qiáng)板、氣彈簧加強(qiáng)板等部件組成，其中內(nèi)板為厚度1.2 mm 的6016-T6 鋁合金，鉸鏈加強(qiáng)板和氣彈簧加強(qiáng)板為厚度1.8 mm 的DP590 高強(qiáng)鋼，基于發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板總成的自沖鉚接連接形式，建立了如圖2 所示的鋼鋁異種材料平板鉚接模型，由上板、下板、鉚釘、沖頭、鉚模和壓邊圈六部分組成，其中上、下板的材料性能參數(shù)如表1。

表1 材料性能參數(shù)

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板總成幾何模型

圖2 平板鉚接模型

本研究自沖鉚接仿真試驗(yàn)選用“鋼上鋁下”和“鋼下鋁上”兩種基板疊放順序，鉚釘型號(hào)為Henrob_H4 系列，表面覆蓋達(dá)克羅涂層，釘腿直徑5.3 mm，鉚釘長(zhǎng)度分別選用4.5 mm、5 mm、5.5 mm 和6 mm 四種規(guī)格，鉚模選用平底凹模，直徑為9 mm，深度分別選用 1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm 和 2 mm 四種規(guī)格，總計(jì)8 種不同的鉚接組合方式。結(jié)合自沖鉚接的工藝特點(diǎn)，選用二維軸對(duì)稱模擬方式，計(jì)算速度快且精度高。鉚接模型中，鉚釘和上下板為變形體，鉚模、沖頭和壓邊圈為剛體，其中鉚釘?shù)木W(wǎng)格單元尺寸為0.05 mm，上下板的網(wǎng)格單元尺寸為0.1 mm，由于自沖鉚接過程組件變形量較大，模擬過程中應(yīng)用網(wǎng)格重劃分功能來提高計(jì)算精度。模型中各組件的接觸類型為“單元-單元”接觸，摩擦類型為庫(kù)倫-剪切摩擦，其中庫(kù)倫摩擦系數(shù)為0.1，剪切摩擦系數(shù)為0.2。鉚接過程中采用機(jī)械液壓機(jī)作為動(dòng)力源，沖頭速度為20 mm/s，當(dāng)鉚釘上表面與上板表面平齊時(shí)，鉚接過程結(jié)束。

3 鉚接接頭質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

3.1 接頭表面質(zhì)量及幾何形狀評(píng)價(jià)

自沖鉚接完成后通?？赏ㄟ^目視方式觀察鉚接接頭的表面質(zhì)量，查看接頭是否出現(xiàn)裂紋、穿透、鉚釘斷裂、板件間隙過大及板材彎曲嚴(yán)重等鉚接缺陷，即可大致評(píng)判出自沖鉚接的連接質(zhì)量。

鉚接接頭幾何形狀通常包含底切量、底部厚度和釘頭高度3 個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)，如圖3。底切量為鉚釘腿部外邊緣到被鉚釘剪斷的上層板下邊緣點(diǎn)的水平距離，底切量越大，鉚釘腿部嵌入下層板越深，鉚釘與下層板所形成的互鎖程度越高，鉚接接頭的強(qiáng)度就越高，通常取底切量u≥0.2 mm。底部厚度指鉚釘腿部尖端到下層板底部的軸向厚度，通常取底部厚度t≥0.2 mm，如底部厚度過小則會(huì)導(dǎo)致鉚穿現(xiàn)象發(fā)生。釘頭高度指鉚釘上表面與上板表面的垂向距離，通常釘頭高度-0.3 mm≤h≤0.3 mm，當(dāng)釘頭高度過高時(shí)，鉚接點(diǎn)外觀質(zhì)量較差；當(dāng)釘頭高度過低時(shí)，易在釘頭與上表面接觸位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此，釘頭高度須控制在合理范圍內(nèi)。

圖3 鉚接接頭幾何形狀參數(shù)

3.2 接頭力學(xué)性能評(píng)價(jià)

力學(xué)性能試驗(yàn)可直觀地評(píng)價(jià)接頭鉚接質(zhì)量，通常自沖鉚接接頭的力學(xué)性能包括剪切力、正拉力和剝離力3 個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)，如圖4 所示，圖中箭頭方向表示評(píng)價(jià)接頭性能時(shí)的施力方向。

圖4 鉚接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)

4 鉚接接頭幾何形狀模擬分析

4.1 鉚模深度對(duì)接頭幾何形狀的影響

選取鉚釘長(zhǎng)度5 mm、釘腿直徑5.3 mm、鉚模直徑 9 mm、DP590 高強(qiáng)鋼為上板、6016-T6 鋁合金為下板，鉚模深度分別設(shè)置為1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm和2.0 mm，研究不同鉚模深度對(duì)自沖鉚接接頭幾何形狀的影響。鉚接模擬完成后的接頭幾何形狀如圖5 所示，可見隨著鉚模深度增加，上下板與鉚釘之間的間隙逐漸增大，而鉚釘變形量逐漸減小。對(duì)4 種組合鉚接接頭形狀參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表2 所示，隨著鉚模深度增加，底切量和底部厚度呈先增大后減小趨勢(shì)，釘頭高度逐漸增大。

表2 鉚模深度對(duì)接頭形狀參數(shù)的影響

圖5 不同鉚模深度的接頭幾何形狀

綜合分析4 種組合鉚接接頭幾何形狀云圖和形狀參數(shù)變化，可以看出鉚模深度為1.5 mm 和1.8 mm 時(shí)，接頭截面成形良好，底切量和底部厚度較大，接頭互鎖程度高，截面形狀參數(shù)均滿足前述接頭質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求；鉚模深度為1.2 mm 時(shí)，雖然底切量和底部厚度較大，但鉚釘殘余應(yīng)力值很大，存在屈服風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)降低接頭承載能力；鉚模深度為2.0 mm 時(shí)，上下板與鉚釘之間的間隙很大，底切量和底部厚度值均較小，接頭承受靜載荷和疲勞載荷的能力很低。

4.2 鉚釘長(zhǎng)度對(duì)接頭幾何形狀的影響

選取釘腿直徑5.3 mm、鉚模直徑9 mm、鉚模深度 1.5 mm、DP590 高強(qiáng)鋼為上板、6016-T6 鋁合金為下板，鉚釘長(zhǎng)度分別設(shè)置為4.5 mm、5.0 mm、5.5 mm 和6.0 mm，研究不同鉚釘長(zhǎng)度對(duì)自沖鉚接接頭幾何形狀的影響。鉚接模擬完成后的接頭幾何形狀如圖6 所示，可見隨著鉚釘長(zhǎng)度增加，鉚釘腿部張角逐漸增大，鉚釘刺入下層鋁板的深度增大。對(duì)4 種組合鉚接接頭形狀參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表3 所示，隨著鉚釘長(zhǎng)度增加，底切量逐漸增大，底部厚度和釘頭高度逐漸減小。

表3 鉚釘長(zhǎng)度對(duì)接頭形狀參數(shù)的影響

圖6 不同鉚釘長(zhǎng)度的接頭幾何形狀

綜合分析4 種組合鉚接接頭幾何形狀云圖和形狀參數(shù)變化，可以看出鉚釘長(zhǎng)度為5.0 mm 和5.5 mm 時(shí)，接頭截面成形良好，上下板與鉚釘之間連接緊密無間隙，底切量較大，接頭互鎖程度高、承載能力強(qiáng)，其中鉚釘長(zhǎng)度為5.5 mm 時(shí)，接頭底部厚度為0.210 mm，僅略大于接頭質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值0.200 mm，因而下層鋁板存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，需后續(xù)進(jìn)行實(shí)際樣板的鉚接試驗(yàn)驗(yàn)證；鉚釘長(zhǎng)度為4.5 mm 時(shí)，底切量最小，互鎖程度低，接頭承載能力相對(duì)較低；鉚釘長(zhǎng)度為6.0 mm 時(shí)，底部厚度僅為0.110 mm，遠(yuǎn)小于接頭質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值0.200 mm，因而鉚釘極易將下層鋁板刺穿，接頭承載能力很低。

4.3 板材搭接順序?qū)宇^幾何形狀的影響

選擇上述接頭質(zhì)量較好的鉚接組合，即鉚釘長(zhǎng)度5 mm、釘腿直徑5.3 mm、鉚模直徑9 mm、鉚模深度1.5 mm，同時(shí)改變板材的搭接順序，即“鋼上鋁下”和“鋼下鋁上”兩種形式，研究板材搭接順序?qū)ψ詻_鉚接接頭幾何形狀的影響。鉚接模擬完成后的接頭幾何形狀如圖7 所示，接頭形狀參數(shù)如表4 所示，當(dāng)鋼板作為上板時(shí)，接頭截面成形良好，板材完全填充鉚模且各部位變形均勻，而鋁板作為上板時(shí)，雖然底切量顯著增加，但底部厚度只有0.220 mm，板料未能充分填充鉚模，并且下層鋼板變形很不均勻，在釘腿尖端處下層鋼板產(chǎn)生嚴(yán)重扭曲，因而極易產(chǎn)生應(yīng)力集中和板材開裂，造成接頭使用壽命顯著降低。綜上，DP590 鋼板作為上板、6016-T6 鋁板作為下板時(shí)，鉚接質(zhì)量更佳。

圖7 不同板材搭接順序的接頭幾何形狀

表4 板材搭接順序?qū)宇^形狀參數(shù)的影響

綜合上述分析，選取釘腿直徑5.3 mm、鉚模直徑9 mm、“鋼上鋁下”搭接形式及如下3 種鉚接組合（組合①：鉚釘長(zhǎng)度5 mm、鉚模深度1.5 mm；組合②：鉚釘長(zhǎng)度5 mm、鉚模深度1.8 mm；組合③：鉚釘長(zhǎng)度5.5 mm、鉚模深度1.5 mm），所得自沖鉚接接頭質(zhì)量更好，截面形狀參數(shù)和成形狀態(tài)更佳，以下對(duì)這三種組合鉚接接頭進(jìn)行力學(xué)性能模擬分析，進(jìn)一步優(yōu)化鉚接參數(shù)。

5 鉚接接頭力學(xué)性能模擬分析

針對(duì)上述3 種鉚接組合，利用Simufact 仿真軟件分別進(jìn)行剪切力、正拉力和剝離力性能模擬試驗(yàn)，模擬中以Johnson-Cook 本構(gòu)模型及斷裂準(zhǔn)則預(yù)測(cè)材料的斷裂失效行為，拉伸速率設(shè)置為3 mm/min。利用組合①所得鉚接接頭的力學(xué)性能模擬過程如圖8 所示，其余2 種組合的接頭失效形式與其相近，可以看出，剪切性能試驗(yàn)的接頭失效形式為下層鋁板拉延開裂，正拉性能試驗(yàn)的接頭失效形式為釘腿從下層鋁板軸向均勻拉脫，剝離性能試驗(yàn)的接頭失效形式為鉚釘從下層鋁板單側(cè)逐漸向另一側(cè)拉脫，同時(shí)由于鉚釘和上層高強(qiáng)鋼板的強(qiáng)度及剛度遠(yuǎn)大于下層鋁板，因而鉚釘和鋼板的變形量很小，主要由下層鋁板的形變引起鉚接接頭的失效。

圖8 鉚接接頭力學(xué)性能模擬過程

上述3 種組合鉚接接頭進(jìn)行剪切、正拉和剝離性能試驗(yàn)后，所得接頭載荷-位移曲線見圖9，最大承載力見表5。

圖9 3種組合鉚接接頭載荷-位移曲線

表5 3種組合鉚接接頭最大承載力

可以看出3 種組合下鉚接接頭的剪切、正拉和剝離承載能力均為組合③最大，組合①次之，組合②最小，其中利用組合③所得接頭能承受的最大剪切力、最大正拉力和最大剝離力分別達(dá)到5.56 kN、2.45 kN 和0.86 kN，而相比之下組合②所得接頭的承載能力遠(yuǎn)小于組合①和組合③，這與其截面底切量明顯小于另兩種組合的結(jié)果相吻合。

綜合上述分析，采用組合①和組合③所得的鉚接接頭質(zhì)量更好，承載能力更高，以下利用這兩種組合進(jìn)行實(shí)際樣板的自沖鉚接試驗(yàn)，進(jìn)而優(yōu)選出針對(duì)1.8 mm 厚DP590 高強(qiáng)鋼和1.2 mm 厚6016-T6 鋁合金的最佳鉚接組合。

6 鋼鋁自沖鉚接工藝分析

選取釘腿直徑5.3 mm、鉚模直徑9 mm、“鋼上鋁下”搭接形式及如下兩種鉚接組合，即組合①鉚釘長(zhǎng)度5 mm、鉚模深度1.5 mm；組合③鉚釘長(zhǎng)度5.5 mm、鉚模深度1.5 mm，利用Henrob 自沖鉚接試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行DP590 高強(qiáng)鋼和6016-T6 鋁合金自沖鉚接試驗(yàn)，利用體視顯微鏡對(duì)所得鉚接接頭的截面形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖10?？梢钥闯觯捎媒M合①所得鉚接接頭的截面成形良好，上下板與鉚釘之間連接緊密無間隙，板材變形均勻，底切量和底部厚度分別達(dá)到0.48 mm 和0.27 mm，與前述模擬結(jié)果相當(dāng)，完全滿足接頭質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，且無裂紋、穿透和鉚釘屈服等缺陷；采用組合③所得的鉚接接頭雖然承載能力更高，但截面底部厚度僅為0.18 mm，小于接頭質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值0.2 mm，因而當(dāng)采用此組合進(jìn)行大批量鉚接生產(chǎn)時(shí)，很容易由于設(shè)備參數(shù)波動(dòng)等因素造成下層鋁板開裂或被鉚釘刺穿，使連接失效。綜上，鉚釘長(zhǎng)度5 mm、釘腿直徑5.3 mm、鉚模直徑9 mm、鉚模深度1.5 mm、“鋼上鋁下”搭接方式為1.8 mm 厚DP590高強(qiáng)鋼和1.2 mm 厚6016-T6 鋁合金的最佳自沖鉚接組合。

圖10 2種組合鉚接接頭截面形貌

采用Instron 3309 拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)上述最佳鉚接組合所得接頭進(jìn)行剪切力、正拉力和剝離力試驗(yàn)，拉斷后的試樣如圖11 所示，可見剪切力試驗(yàn)的接頭失效形式為下層鋁板拉延開裂，正拉力試驗(yàn)和剝離力試驗(yàn)的接頭失效形式為釘腿從下層鋁板拉脫，這與前述模擬試驗(yàn)結(jié)果相吻合。鉚接接頭力學(xué)性能如表6 所示，最大剪切力、最大正拉力和最大剝離力實(shí)測(cè)值分別為5.36 kN、2.24 kN 和0.84 kN，同樣與模擬結(jié)果相當(dāng)，可見采用Simufact 仿真軟件進(jìn)行鋼鋁異種材料自沖鉚接模擬的準(zhǔn)確度較高。

圖11 組合①鉚接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)斷裂試樣

表6 組合①鉚接接頭力學(xué)性能

7 結(jié)論

利用Simufact 有限元分析軟件，對(duì)DP590 高強(qiáng)鋼和6016-T6 鋁合金異種材料自沖鉚接進(jìn)行模擬分析，并結(jié)合實(shí)際板件的工藝試驗(yàn)，優(yōu)選出了最佳的鉚接組合，得出如下結(jié)論。

a.隨鉚模深度增加，底切量和底部厚度呈先增大后減小趨勢(shì)；隨鉚釘長(zhǎng)度增加，底切量逐漸增大，底部厚度逐漸減小。

b.對(duì)于鋼鋁異種材料，采用“鋼上鋁下”的板材搭接方式，獲得的自沖鉚接接頭成形質(zhì)量和力學(xué)性能更佳。

c.接頭力學(xué)性能與截面底切量密切相關(guān)，底切量越大，鉚接接頭承載能力越強(qiáng)。

d.對(duì)于鋼鋁自沖鉚接接頭，剪切失效形式為下層鋁板拉延開裂，正拉和剝離失效形式為釘腿從下層鋁板拉脫。

e.對(duì)于 1.8 mm 厚的 DP590 高強(qiáng)鋼和 1.2 mm 厚的6016-T6 鋁合金自沖鉚接，最佳的鉚接組合參數(shù)為鉚釘長(zhǎng)度5 mm、釘腿直徑5.3 mm、鉚模直徑9 mm、鉚模深度1.5 mm、“鋼上鋁下”搭接方式。