三層板自沖鉚接各層厚度組合對鉚接質(zhì)量的影響

杜愛民，陳垚伊，韓業(yè)揚

三層板自沖鉚接各層厚度組合對鉚接質(zhì)量的影響

杜愛民，陳垚伊，韓業(yè)揚

（同濟大學 汽車學院，上海 201804）

通過總厚度為8 mm的三層板材鉚接的仿真試驗，探究當有三層板材被鉚接時各層板材的厚度組合對鉚接接頭成型和抗拉伸破壞力的影響。試驗結(jié)果表明，7種試驗方案中，20-25-35方案的鉚接成型應力最小，為918.98 MPa，20-20-40方案的鉚接成型應力最大，為1360.91 MPa。25-25-30方案的單位厚度拉伸力最大，為1.272 kN/mm。鉚接成型試驗失效與否取決于第一層和第二層板的總厚度，第一層和第二層板材的厚度越厚鉚接越容易失效，但隨著第一層板和第二層板材的厚度增加，成型接頭的抗拉伸破壞力越大。所以，當有多層板進行鉚接試驗時，各層板材的厚度越均勻，對鉚接成型的質(zhì)量和成型接頭的抗拉伸破壞力都有所提升。

自沖鉚接；高厚度鉚接；多層材料；拉伸試驗

自沖鉚接技術(shù)（Self-Piercing Riveting，SPR）發(fā)明于20世紀50年代。對于難以焊接的材料，SPR技術(shù)適應性更好，其工藝過程也更適合新能源汽車的自動化生產(chǎn)，更加地符合智能化、自動化的需求。SPR技術(shù)憑借其成本低、自動化率高的優(yōu)勢廣泛地運用于新能源汽車的制造中[1-4]。

自沖鉚接接頭的強度與板料厚度成正比，隨著板材厚度增加帶來了鉚接困難不易成型的問題。通常情況下鉚接的接頭采用兩層板材搭接的形式，但隨著厚度增加采用多層板材更有助于鉚接的成型。李永利等[5]研究了兩層板材情況下板材的疊放順序：同種金屬材料連接時厚板材放下層；異種金屬材料連接時塑性好的材料放下層；金屬與非金屬連接時金屬材料應該放下層；三層金屬連接時塑性好的金屬材料放中間。鄧成江等[6]提出由于三層板材搭接形式的不同，使得三層板搭接自沖鉚的拉伸剪切和剝離強度不盡相同，以至于其失效形式及能量吸收也不相同。所以本文通過研究總厚度為8 mm的板材在三層的情況下不同的厚度組合形式對鉚接質(zhì)量產(chǎn)生的影響，能夠?qū)Χ鄬影辶系寞B放順序起到指導意義，并提高多層板料搭接時的鉚接成型能力與接頭強度。

1 試驗材料與方案

鋁合金材料的質(zhì)量輕、密度小、可進行冷加工和耐腐蝕等優(yōu)良特性使其在20世紀初就開始被運用到汽車制造中。其中5系鋁合金和6系鋁合金的應用最為廣泛[7-8]。選用常被作為轎車翼子板和轎車引擎蓋外板的6061鋁合金作為試驗材料。鉚釘選用高強度合金鋼以保證有足夠的強度刺穿板料。板料和鉚釘?shù)牟牧蠀?shù)如表1所示。

表1 板材與鉚釘材料參數(shù)

當被鉚接板材的總厚度為8 mm時，采用三層板材的厚度組合形式共7種方案進行鉚接。厚度組合方案如表2所示。其中方案名稱“10-30-40”表示上、中、下層板的厚度分別為1 mm、3 mm、4 mm，依此類推。7種方案設計的鉚釘長度均為12 mm。鉚接成型之后，根據(jù)GB/T 228.1－2010金屬材料拉伸試驗[9]進行接頭的拉伸破壞仿真試驗。

2 仿真模型建立

有限元仿真過程基于Simufact軟件，該軟件主要用于材料加工及熱處理工藝仿真優(yōu)化[3,10]。以20-30-30模型為例，將Creo中建立的鉚接幾何模型導入Simufact中，如圖1所示。

表2 板材與鉚釘材料參數(shù)

板料的網(wǎng)格劃分選擇Advancing Front Quad網(wǎng)格，設定網(wǎng)格的大小為0.2。板料與鉚釘接觸的區(qū)域也需要進行細化，細化等級為1，細化的網(wǎng)格大小為0.1。鉚釘和板料的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 鉚釘和板料網(wǎng)格

約束和求解條件設置如表3所示。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 仿真結(jié)果分析

在表3所設置的約束和求解條件下：

（1）第1種方案。10-30-40模型鉚接成型的應力圖和拉伸破壞試驗的應力如圖3所示，其中，圖3（a）為鉚接成型的應力圖，圖3（b）為拉伸破壞試驗的應力圖。由圖3（a）可知，在10-30-40模型鉚接成型的過程中，鉚釘腿部已有明顯屈服彎曲。最大應力為1084.30 MPa，出現(xiàn)在鉚釘半空心內(nèi)徑圓角處。在拉伸破壞試驗中，模型的失效形式為上層板材從接頭中脫落，最大應力值為1082.78 MPa，同樣出現(xiàn)在鉚釘半空心內(nèi)徑圓角處。

（2）第2種方案。15-25-40模型鉚接成型的應力圖和拉伸破壞試驗的應力如圖4所示，相比起第一種方案，15-25-40模型的鉚釘腿部發(fā)生輕微的彎曲屈服，但沒有10-30-40模型的腿部彎曲嚴重。與第1種方案相同的是，其最大應力出現(xiàn)在鉚釘半空心內(nèi)徑圓角處，為1307.18 MPa。拉伸破壞試驗的失效形式為上層板材從接頭中脫落，最大應力值1285.79 MPa，同樣出現(xiàn)在鉚釘半空心內(nèi)徑圓角處。

圖3 10-30-40模型鉚接應力圖

圖4 15-25-40模型鉚接應力圖

（3）第3種方案。15-30-35模型鉚接成型的應力圖和拉伸破壞試驗的應力如圖5所示，鉚釘腿部發(fā)生彎曲屈服。不同于前兩種方案，15-30-35模型的最大應力出現(xiàn)在鉚釘腿部內(nèi)側(cè)與中間斷裂板材接觸部位為1007.4 MPa。同時，該模型在拉伸破壞試驗中的失效形式為上層板材從接頭中脫落，最大應力值為1073.9 MPa，出現(xiàn)在鉚釘腿部外側(cè)與中間斷裂板材接觸部位。

圖5 15-30-35模型鉚接應力圖

（4）第4種方案。20-20-40模型鉚接成型的應力圖和拉伸破壞試驗的應力如圖6所示，鉚釘腿部發(fā)生輕微的彎曲屈服。最大應力為1360.91 MPa，出現(xiàn)在鉚釘半空心內(nèi)徑圓角處。拉伸破壞試驗的失效形式為上層板材從接頭中脫落，最大應力值為1268.71 MPa，同樣出現(xiàn)在鉚釘半空心內(nèi)徑圓角處。

（5）第5種方案。即20-25-35模型鉚接成型的應力圖和拉伸破壞試驗的應力如圖7所示，鉚釘腿部發(fā)生輕微的彎曲屈服。最大應力為918.98 MPa，出現(xiàn)在鉚釘半空心內(nèi)徑圓角處。拉伸破壞試驗的失效形式為上層板材從接頭中脫落，最大應力值為836.98 MPa，同樣出現(xiàn)在鉚釘半空心內(nèi)徑圓角處。

（6）第6種方案。20-30-30模型鉚接成型的應力圖和拉伸破壞試驗的應力如圖8所示，鉚釘腿部發(fā)生輕微的彎曲屈服。最大應力為938.46 MPa，出現(xiàn)在鉚釘半空心內(nèi)徑圓角處。拉伸破壞試驗的失效形式為上層板材從接頭中脫落，最大應力值為996.79 MPa，出現(xiàn)在鉚釘腿部外側(cè)與中間斷裂板材接觸部位。

圖6 20-20-40模型鉚接應力圖

圖7 20-25-35模型鉚接應力圖

（7）第7種方案。25-25-30模型鉚接成型的應力圖和拉伸破壞試驗的應力如圖9所示，鉚釘腿部發(fā)生輕微的彎曲屈服。最大應力為1052.81 MPa，出現(xiàn)在鉚釘腿部內(nèi)側(cè)與上層斷裂板材接觸部位。拉伸破壞試驗的失效形式為上層板材從接頭中脫落，最大應力值為958.4 MPa，出現(xiàn)在鉚釘腿部外側(cè)與中間斷裂板材接觸部位。

圖8 20-30-30模型鉚接應力圖

3.2 模型對比分析

通過上述對各種方案的描述可知，在鉚接成型的過程中，最大應力點除了15-30-35、25-30-35和25-25-30三種方案出現(xiàn)在鉚釘腿部內(nèi)側(cè)與上層斷裂板材的接觸部位外，其余方案都在鉚釘半空心內(nèi)徑圓角處。7種方案的鉚釘腿部都會產(chǎn)生屈服彎曲，其中，除了第1種方案的屈服彎曲程度比較嚴重以外，其余方案的屈服彎曲程度都較為輕微。鉚接成型最大壓強最小為918.98 MPa，屬于20-25-35方案，最大為1360.91 MPa，屬于20-20-40方案。所有方案的鉚釘頭部鉚接效果都較好，上、中層板的變形與鉚釘形狀較為貼合，主要區(qū)別在于第三層板，第三層板的剩余厚度都較大。由于自鎖量較大，所有模型的失效形式均為上板從接頭中脫落。

圖9 25-25-30模型鉚接應力圖

表4所示為接頭剖面特征點的參數(shù)。

表4 7種方案的接頭剖面特征參數(shù)

由表4可知，自鎖量與下板厚度成正比，下板厚度越厚，自鎖量越大，例如下板厚度為4.0 mm的第1、2、4種方案，垂直自鎖量分別為2.571 mm、2.649 mm、2.625 mm，大于下板厚度為3.5 mm的第3、5種方案的2.001 mm和2.118 mm，下板厚度為3.0 mm的第6、7種方案垂直自鎖量則為更小的1.421 mm和1.041 mm；最小底部厚度與下板厚度成正比，下板厚度越厚，最小底部厚度越厚；最大鉚接力與上、中層板的總厚度有關(guān)，上、中層板的總厚度越厚，鉚接力越大。

圖10為7種方案第一層板材的單位厚度拉伸試驗力。其中，10-30-40方案的拉伸力最小為0.75 kN/mm，25-25-30方案的拉伸力最大為1.272 kN/mm。由此可見接頭能承受的拉伸破壞力依次與第一層板材的厚度、第二層板材的厚度成正相關(guān)。第一層板材的厚度越厚時，接頭能承受的拉伸破壞力越大；當?shù)谝粚影宀牡暮穸认嗤瑫r，第二層板材的厚度越厚，接頭能承受的拉伸破壞力越大。

由此可見，當有三層板材自沖鉚接時，三層板材厚度越均勻，接頭所能承受的拉伸破壞力越大。

圖10 各厚度組合單位厚度的抗拉伸力對比圖

4 結(jié)論

自沖鉚接技術(shù)是一種冷成型技術(shù)，適用于不能焊接的鋁合金金屬等。增加被鉚接板材的厚度，可以增加接頭的強度。但隨著被鉚接板材的厚度增加，常用的兩層板材鉚接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了無法鉚接成型的問題，利用多層板材鉚接的方式可以有效的解決這個問題。

以總厚度為8 mm的三層板材鉚接模型為例進行鉚接試驗，鉚接的自鎖量與下板厚度成反比，下板厚度越厚自鎖量越大；最小底部厚度與下板厚度成正比，下板厚度越厚底部厚度越厚；最大鉚接力與上、中層板的總厚度有關(guān)，上、中層板的總厚度越厚，鉚接力越大。

三層板材的厚度越均勻時，接頭所能承受的拉伸破壞力越大。其本質(zhì)為上層和中層板材的厚度越大時，抗拉伸破壞力越大。但上層和中層板材在鉚接過程中都是需要被斷裂的部分，這部分板材過大會導致無法鉚接成型，過小會導致鉚接成型之后的接頭所能承受的抗拉伸破壞力過小。所以，有三層板材進行鉚接時，三層板材厚度越均勻，鉚接的成型能力和抗拉伸破壞力越好。

[1]張賽，孟憲明，吳昊，等. 材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在車身設計選材中的應用研究[J]. 新技術(shù)新工藝，2018（2）：59-63.

[2]歲波，都東，常保華，等. 輕型車身自沖鉚連接技術(shù)的發(fā)展[J]. 汽車工程，2006（1）：85-89.

[3]韓善靈，楊磊，余立廈，等. TRIZ理論在自沖鉚接機框架設計中的應用[J]. 機械，2010，37（9）：17-19.

[4]樓銘. 自沖鉚接設備研制及輕量化材料自沖鉚接工藝開發(fā)[D]. 上海：上海交通大學，2009.

[5]李永利. 板料自沖鉚接試驗研究及數(shù)值模擬[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學，2009.

[6]鄧成江，何曉聰，邢保英，等. 基于3層板材搭接的自沖鉚連接性能研究[J]. 機械設計，2015（6）：83-87.

[7]李曉靜，李曉雷. 汽車制造業(yè)中自沖鉚接的新型連接工藝初探[J]. 天津職業(yè)院校聯(lián)合學報，2007，9（5）：16-18.

[8]吳小丹，王敏，孔諒，等. SPR自沖鉚接技術(shù)研究現(xiàn)狀及應用前景[J]. 電焊機，2016，46（4）：31-36.

[9]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法：GB/T 228.1－2010[S]. 北京：中國標準出版社，2010.

[10]杜愛民，陳垚伊，丁宏軍，等. 面向多單位協(xié)作的自沖鉚接工藝數(shù)據(jù)庫共享平臺設計[J]. 機械，2021，48（6）：41-47.

Influence of Thickness Combination of Three-layer Plate Self-Piercing Riveting on Riveting Quality

DU Aimin，CHEN Yaoyi，HAN Yeyang

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai201804, China )

This paper studies the effect of thickness combination of three-layer plates self-piercing riveting on the forming and tensile failure resistance of the riveted joint. A simulation test of the riveting of three-layer plates with a total thickness of 8mm is carried out. The test results show that among the seven test schemes, the riveting forming stress of the 20-25-35 scheme is the smallest at 918.98 MPa, and the riveting forming stress of the 20-20-40 scheme is the largest at 1360.91 MPa. The maximum tensile force per unit thickness of the 25-25-30 program is 1.272 kN/mm. The failure of the riveting forming test depends on the total thickness of the first and second layers. The thicker the first and second layers, the easier the riveting failure. However, tensile failure resistance of the formed joint increases with the increase of thickness. Therefore, when riveting test is carried out for multi-layer plate, the more uniform the thickness of each layer of the plate, the better the quality of riveting and the tensile failure resistance of the formed joint.

self-piercing riveting；high-thickness riveting；multilayer materials；tensile test

U445.58+2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.04.001

1006-0316 (2022) 04-0001-06

2021-07-27

國家重點研發(fā)計劃（2017YFB1303501）

杜愛民（1971－），男，山東菏澤人，博士后，副教授、博士生導師，主要研究方向為混合動力汽車、全鋁車身，E-mail：nicky_cyy@163.com；陳垚伊（1996－），女，重慶人，碩士研究生，主要研究方向為全鋁車身。