鋼鋁無釘鉚接技術(shù)的工藝參數(shù)及靜力學(xué)性能研究

鮑立 曾忠信 卓長龍

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

1 前言

隨著《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案(2022—2030)年》政策的發(fā)布，汽車輕量化已成必然趨勢。車身輕質(zhì)鋁合金和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼等材料通過合理的應(yīng)用和分布，可實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)更安全的同時(shí)，又平衡了全鋁車身的生產(chǎn)成本以及日后的維修成本，是最有效的汽車輕量化手段。

無釘鉚接和自沖鉚接（Self-Piercing Riveting,SPR）是可實(shí)現(xiàn)鋼鋁異種金屬連接的有效方式，尤其是無釘鉚接，無需外加鉚釘，連接點(diǎn)質(zhì)量無增加，連接綜合成本比SPR 低，是更精益的輕量化連接工藝，但在國內(nèi)尚處于工藝與試驗(yàn)研究階段，還未大量應(yīng)用在車身結(jié)構(gòu)[1-4]。本研究通過不同料厚的鋼鋁料片組合對無釘鉚接技術(shù)進(jìn)行工藝參數(shù)及靜力學(xué)性能對比研究，為實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)應(yīng)用無釘鉚接技術(shù)提供材料選擇和連接設(shè)計(jì)參考。

2 工藝過程

無釘鉚接是一種沖壓機(jī)械連接工藝，利用兩層或多層鈑金的局部塑形變形，完成拉深、擠壓復(fù)合加工的工藝過程，在擠壓接頭處形成一個(gè)互鎖咬邊的圓形或矩形連接點(diǎn)，使其具有一定的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，連接工藝過程見圖1，工藝過程主要有預(yù)緊、咬合、沖擠、保壓和退模。無釘鉚接可用于有涂膠、有涂層、粘結(jié)劑有密封要求的同種或異種板料間的連接。

圖1 無釘鉚接技術(shù)工藝過程

無釘鉚接在成形過程中存在加工硬化，提高了材料的屈服強(qiáng)度，提高了鉚接接頭承載能力，無釘鉚接接頭剖視圖形貌參數(shù)見圖2，主要參數(shù)有上層板料頸部厚度S1，上下板料互鎖深度C1，連接點(diǎn)處上下板料底部厚度之和（底厚）ST。

圖2 無釘鉚接接頭剖視圖形貌參數(shù)

3 工藝參數(shù)及靜力學(xué)性能

無釘鉚接連接的工藝參數(shù)研究主要采用田口方法和正交試驗(yàn)，評(píng)估接頭剖視圖頸部厚度、互鎖深度等形貌參數(shù)，確定鉚接方向及最優(yōu)工藝參數(shù)組合；靜力學(xué)性能研究主要通過不同鋼鋁料片組合的靜載荷破壞試驗(yàn)，對比無釘鉚接連接與SPR連接的力學(xué)性能，同時(shí)分析材料等級(jí)、鉚接方向、材料料厚對無釘鉚接連接力學(xué)性能的影響。

3.1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料選取牌號(hào)為5000 系鋁合金，料厚選用車身結(jié)構(gòu)常用的1.0 mm 和1.4 mm；鋼板選用牌號(hào)為CR3、CR340，厚度為0.7 mm、0.8 mm、1 mm 和1.3 mm；板材性能見表1。

表1 板材性能

無釘鉚接接頭通過靜載荷破壞試驗(yàn)測定接頭抗剪和抗拉強(qiáng)度。因?yàn)閱未罱宇^是車身結(jié)構(gòu)中常見的接頭形式，試樣規(guī)格見圖3，剪切試樣尺寸85 mm×35 mm，搭接量為30 mm；十字拉伸試樣尺寸為120 mm×35 mm，定位孔直徑10 mm。鉚接試樣在萬能試驗(yàn)機(jī)CMT4304 上進(jìn)行靜載荷破壞試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過程控制速度為10 mm/min。

圖3 試樣規(guī)格

無釘鉚接接頭剖視圖是試樣接頭經(jīng)過線切割加工獲得，并對其進(jìn)行鑲嵌、拋光打磨、腐蝕處理，在光學(xué)顯微鏡下觀察獲取剖視圖相應(yīng)形貌參數(shù)數(shù)據(jù)。

3.2 工藝參數(shù)選擇

3.2.1 無釘鉚接鉚接方向確定

為了確定鉚接方向，選取CR3 鋼板和5000 系鋁合金，分別選取不同料厚和鉚接方向，評(píng)估無釘鉚接接頭剖視圖形貌參數(shù)，其中互鎖深度值作為評(píng)判鉚接質(zhì)量的重要依據(jù)。

從上表2可以得知，針對鋼鋁無釘鉚接連接，同等料厚不同鉚接方向均可以形成較好的互鎖，互鎖狀態(tài)對于材料敏感度不大；不同料厚，鉚接方向從薄到厚時(shí)，互鎖深度明顯下降。因此，料厚是無釘鉚接連接互鎖的主要影響因素，無釘鉚接連接方向首選從厚板到薄板。

表2 無釘鉚接鉚接方向組合

3.2.2 無釘鉚接鉚接工藝參數(shù)確定

無釘鉚接模具工藝參數(shù)影響鉚接互鎖深度和鉚接質(zhì)量，為了獲取最優(yōu)工藝參數(shù)，采用田口方法對模具進(jìn)行選型[5]，如圖4所示，試樣料片組合選取0.8 mm 的CR3 鋼板和1.4 mm 的5000 系鋁板。

圖4 田口響應(yīng)參數(shù)

控制因子分別選取沖頭直徑，凹模深度和底厚值，每個(gè)控制因子3 水平，見表3。

表3 控制因子水平

互鎖深度作為響應(yīng)結(jié)果，噪音因子為潤滑劑，癥狀為接頭突起或板料出現(xiàn)裂紋。運(yùn)用正交列表工具進(jìn)行優(yōu)化，建立望大特性正交實(shí)驗(yàn)L9。

正交試驗(yàn)組合及試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 正交試驗(yàn)組合

從表4可以看出，試驗(yàn)5 的互鎖深度最大，從而確定無釘鉚接最優(yōu)工藝參數(shù)為沖頭直徑5.5 mm，凹模深度1.2 mm，底厚值為0.8 mm。

3.3 力學(xué)性能對比

由于行業(yè)內(nèi)尚未有判斷鋼鋁連接接頭的力學(xué)性能的合適標(biāo)準(zhǔn)，鑒于SPR 已經(jīng)在鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，因此以SPR 接頭的力學(xué)性能為基準(zhǔn)來判斷無釘鉚接接頭的力學(xué)性能。在相同料厚和材料種類的條件下，設(shè)計(jì)了試樣級(jí)別的接頭剪切和十字拉伸靜載荷破壞試驗(yàn)，測量無釘鉚接和SPR 2 種連接方式的抗剪和抗拉失效載荷。

試驗(yàn)試樣鋼板牌號(hào)為CR3，料厚為0.8 mm；鋁合金牌號(hào)為5000 系，料厚為1.4 mm。2 種連接方式分別選取最優(yōu)鉚接方向，其中無釘鉚接為由厚到薄，SPR 為由薄到厚，由硬到軟。每組試驗(yàn)有5個(gè)樣本，每組試樣拉伸、剪切載荷破壞的載荷-位移曲線及失效模式如圖5～圖8所示。

3.3.1 剪切靜載荷破壞試驗(yàn)分析

從圖5和圖6可知，在剪切載荷狀態(tài)下，無釘鉚接連接失效模式為上層板頸部斷裂，最大失效載荷為1 620 N，失效平均位移0.46 mm；SPR 連接失效模式為上層板撕裂，最大失效載荷為2 364 N，失效平均位移4.95 mm。

圖5 無釘鉚接剪切載荷-位移曲線及靜載失效模式

圖6 SPR剪切載荷-位移曲線及靜載失效模式

進(jìn)一步分析，在剪切載荷狀態(tài)下，兩者均有一定的塑形緩沖吸能，無釘鉚接的抗剪強(qiáng)度達(dá)到SPR的68.5%，但無釘鉚接接頭在發(fā)生最大失效時(shí)的平均位移明顯低于SPR，僅為SPR 的9.3%。

3.3.2 拉伸靜載荷破壞試驗(yàn)分析

從圖7和圖8可知，在拉伸載荷狀態(tài)下，2 種連接方式的失效形式均為上層板拉脫，其中，無釘鉚接接頭的最大失效載荷為1 112 N，失效平均位移為9.93 mm；SPR 連接接頭最大失效載荷為1 834 N，失效平均位移為15.27 mm。

圖7 無釘鉚接拉伸載荷-位移曲線及靜載失效狀態(tài)

圖8 SPR拉伸載荷-位移曲線及靜載失效狀態(tài)

進(jìn)一步分析，在拉伸載荷狀態(tài)下，2 種連接方式接頭失效均為脆性斷裂，無塑性變形緩沖區(qū)，無釘鉚接抗拉強(qiáng)度約為SPR 的60.6%，無釘鉚接失效平均位移也低于SPR，達(dá)到SPR 的65%。

總之，相比SPR 連接，無釘鉚接接頭力學(xué)性能雖有所降低，但可以應(yīng)用在非主要承載的車身結(jié)構(gòu)區(qū)域。

3.4 靜力學(xué)性能影響因素分析

為了進(jìn)一步分析無釘鉚接接頭的靜力學(xué)性能，對車身結(jié)構(gòu)應(yīng)用無釘鉚接連接形成設(shè)計(jì)指導(dǎo)，分別從材料等級(jí)、鉚接方向、材料料厚3 個(gè)方面，結(jié)合接頭剖視圖形貌參數(shù)和靜載荷破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析其對鋼鋁無釘連接的靜力學(xué)性能影響。

試樣尺寸和試驗(yàn)方法如上所述，試驗(yàn)中選取車身結(jié)構(gòu)低載荷區(qū)域常見材料牌號(hào)及料厚，5000系鋁合金厚度為1.0 mm，鋼板牌號(hào)分別為CR3、340LA，料厚分別選取0.7 mm、1.0 mm、1.3 mm，試驗(yàn)組合及試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 無釘鉚接力學(xué)性能影響因素分析組合

3.4.1 材料等級(jí)影響

選取料厚均為1.0 mm 的前4 種組合，分析材料等級(jí)對無釘鉚接連接靜力學(xué)性能的影響。最大剪切力、最大拉伸力、互鎖深度值和失效模式等試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 靜力學(xué)試驗(yàn)組合結(jié)果

從圖9分析可知，剪切失效模式主要取決于上層板強(qiáng)度，上層板強(qiáng)度高于下層板時(shí)，剪切失效模式一般為上層材料的連接點(diǎn)斷裂；當(dāng)上層板強(qiáng)度低于下層板時(shí)，隨著下層板強(qiáng)度的增加，剪切失效模式由連接點(diǎn)拉脫轉(zhuǎn)為連接點(diǎn)斷裂；同樣，剪切強(qiáng)度主要取決于上層材料強(qiáng)度，隨著上層材料強(qiáng)度的提升而增大。

圖9 材料牌號(hào)對抗剪載荷、抗拉載荷及互鎖深度影響

相同料厚下，十字拉伸的失效模式均為連接點(diǎn)拉脫，與材料等級(jí)無關(guān)；抗拉載荷隨著材料強(qiáng)度提升而下降。

互鎖深度隨著材料載荷的提升而降低，因?yàn)椴牧蠌?qiáng)度越高，連接時(shí)材料變形越困難，互鎖難度越大。

3.4.2 鉚接方向影響

同樣，基于前4 種組合數(shù)據(jù)，可分析鉚接方向?qū)o釘鉚接連接靜力學(xué)性能的影響，如圖10所示。

圖10 鉚接方向?qū)辜糨d荷、抗拉載荷影響

無釘鉚接連接方向從高載荷到低強(qiáng)度，雖然互鎖深度差異不大，但抗剪載荷明顯增大，組合1比組合2 提升53.4%，組合3 比組合4 提升45.6%；連接方向?yàn)楦邚?qiáng)度到低強(qiáng)度，雖然互鎖深度差異不大，但抗拉強(qiáng)度明顯下降，組合1 比組合2 下降33.6%，組合3 比組合4 下降29.4%。

3.4.3 料厚影響

選取組合及試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表7所示，對比分析料厚對無釘鉚接工藝參數(shù)及靜載荷破壞強(qiáng)度的影響。

表7 靜力學(xué)試驗(yàn)組合結(jié)果

從表7及圖11可知，針對抗剪強(qiáng)度，上層料厚越厚，互鎖深度越大，頸部厚度越大，抗剪強(qiáng)度越高；下層料厚越厚，上層材料變形越困難，雖然互鎖深度增大，但頸部厚度越薄，抗剪強(qiáng)度越低。針對抗拉強(qiáng)度，上下層料厚越厚，互鎖深度越大，拉伸強(qiáng)度也越高。

圖11 CR3料厚對抗剪載荷、抗拉載荷的影響

所以，提高抗剪強(qiáng)度，需要較厚的上層料厚或較薄的下層料厚；上下層料厚的增加均可提升抗拉強(qiáng)度。

4 結(jié)論

a.無釘鉚接連接靜力學(xué)性能相比SPR 雖有所下降，但可以應(yīng)用在非主要承載的車身結(jié)構(gòu)區(qū)域；

b.抗剪強(qiáng)度與上層材料強(qiáng)度正相關(guān)；抗拉強(qiáng)度與連接組合材料強(qiáng)度負(fù)相關(guān)；

c.鉚接方向從高強(qiáng)度板到低強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度更高；鉚接方向從低強(qiáng)度板到高強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度更高；

d.較厚的上層料厚和較薄的下層料厚，抗剪強(qiáng)度更高；上下層料厚的增加均可提升抗拉強(qiáng)度。