鉚釘高度對(duì)膠鉚復(fù)合連接接頭性能的影響

摘 "要：以1 mm厚的DC04鋼板與2 mm厚的5052鋁合金板為鉚接對(duì)象，在兩板之間添加厚度為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm的結(jié)構(gòu)膠，并分別用4 mm、5 mm和6 mm高的鉚釘制備自沖鉚接接頭。通過(guò)拉伸剪切試驗(yàn)分析失效形式、觀察不同接頭的截面成形，并通過(guò)電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)研究添加結(jié)構(gòu)膠對(duì)接頭的耐蝕性影響。結(jié)果表明：鉚釘高度一定時(shí)，膠厚為0.1 mm的接頭拉剪強(qiáng)度最大，膠厚的增加會(huì)減小接頭的內(nèi)鎖值。不同高度的鉚釘會(huì)造成接頭不同的失效形式，4 mm高的鉚釘接頭的主要失效形式為膠層失效后上下板分離；5 mm高的鉚釘接頭失效形式是鉚釘脫離下板失效；6 mm高的鉚釘失效形式為上板撕裂，鉚釘脫離上板失效。添加結(jié)構(gòu)膠可以提高接頭的耐蝕性，且隨著膠厚的增加，耐蝕性也隨之增加。

關(guān)鍵詞：自沖鉚接；膠鉚復(fù)合；鉚釘高度；膠層厚度

中圖分類號(hào)： TH131.1 " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-5483（2024）01-0044-06

Effect of Rivet Height on Performance of

Adhesive-rivet Composite Joints

Xie Haodong， Zhang Hongxia， Li Bing， Zhang Peng， Qin Yu

（School of Materials Science amp; Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442002， China）

Abstract：The DC04 steel plate with thickness of 1 mm and the 5052 aluminum alloy plate with thickness of 2 mm were taken as the riveting objects， and the structural adhesive with thicknesses of 0.1 mm， 0.2 mm， 0.3 mm was added between the two plates. The self-pierce riveting joints were prepared with rivets of 4 mm， 5 mm， 6 mm height， respectively. The failure forms were analyzed by tensile shear test， and the cross-sectional shape of different joints was observed. The effect of adding structural adhesive on the corrosion resistance of the joints was studied by electrochemical corrosion test. The experimental results show that when the rivet height is certain， the tensile shear strength of the joint with an adhesive thickness of 0.1 mm is the largest， and the increase in the adhesive thickness decreases the internal locking value of the joint. Different heights of rivets will cause different failure forms of joints， and the main failure form of 4 mm high rivet joints is the separation of the upper and lower plates after the failure of the adhesive layer; 5 mm high rivet joints fail in the form of rivets out of the lower plate; 6 mm high rivet joints fail in the form of tearing of the upper plate and the rivets out of the upper plate failure. Adding structural adhesive can improve the corrosion resistance of the joint， and with the increase in adhesive thickness， corrosion resistance also increases.

Key words： self-pierce riveting; adhesive-rivet compound; rivet height; adhesive layer thickness

為應(yīng)對(duì)全球化的能源危機(jī)，響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，輕量化已成為汽車行業(yè)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)［1］，在車身結(jié)構(gòu)中以鋁替鋼是實(shí)現(xiàn)輕量化的有效方式［2］，且車用結(jié)構(gòu)膠連接、自沖鉚接連接技術(shù)越來(lái)越受到重視，高效的機(jī)械連接和膠接連接技術(shù)相結(jié)合的需求越來(lái)越急迫［3-5］。部分學(xué)者對(duì)自沖鉚接技術(shù)進(jìn)行了研究，扶文生等［6］發(fā)現(xiàn)鉚釘材質(zhì)和模具規(guī)格均會(huì)影響自沖鉚接頭的成形質(zhì)量。陳貴坤等［7］研究發(fā)現(xiàn)較小內(nèi)腔高度的鉚釘形成的接頭內(nèi)鎖結(jié)構(gòu)更優(yōu)。金鑫等［8］研究發(fā)現(xiàn)鉚釘長(zhǎng)度對(duì)于接頭質(zhì)量至關(guān)重要，且應(yīng)盡量使用有凸起的模具。賈穎蓮等［9］研究發(fā)現(xiàn)鉚釘長(zhǎng)度會(huì)影響自沖鉚接接頭的自鎖性能。部分學(xué)者則對(duì)膠接進(jìn)行了研究，陸瑤等［10］發(fā)現(xiàn)膠粘劑的引入使得膠鉚接頭的底切量與剩余厚度降低。劉洋等［11］研究了粘接劑對(duì)不同材料自沖鉚接頭的靜失效載荷具有不同的影響。黃志超等［12］發(fā)現(xiàn)膠鉚復(fù)合接頭的力學(xué)性能優(yōu)于鉚接接頭和膠接接頭。迄今為止，自沖鉚接研究了鉚釘形狀、凹模形狀、沖壓速度等因素對(duì)接頭的影響，膠接研究了膠厚、結(jié)構(gòu)膠種類、涂膠面積等因素對(duì)接頭的影響，但對(duì)膠鉚復(fù)合連接接頭的研究較少。為進(jìn)一步研究鉚釘高度對(duì)涂有結(jié)構(gòu)膠自沖鉚接接頭的影響，文中研究了不同鉚釘高度對(duì)不同結(jié)構(gòu)膠厚度自沖鉚接接頭的成形質(zhì)量、力學(xué)性能及耐蝕性的影響，擴(kuò)展了自沖鉚接接頭影響因素的研究體系。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

采用自沖鉚接夾具在CMT5205液壓拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)提供鉚接過(guò)程中所需的動(dòng)力，夾具中的彈簧裝置提供預(yù)緊力，防止鉚接過(guò)程中板材的變形。下壓裝置通過(guò)連桿與電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)動(dòng)平臺(tái)連接，支撐裝置通過(guò)夾具底部固定在試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)上。試驗(yàn)前先固定下壓裝置與支撐裝置，利用操作手柄調(diào)整下壓裝置完成下壓裝置與支撐裝置的配合。在保證下壓裝置與支撐裝置配合的狀態(tài)下，通過(guò)操作手柄控制下壓裝置進(jìn)行鉚接過(guò)程的調(diào)試，微調(diào)下壓裝置至接觸所要鉚接的板材，力傳感器的數(shù)值開始顯示，即認(rèn)為夾具與板材開始接觸，最后通過(guò)試驗(yàn)機(jī)預(yù)設(shè)量程進(jìn)行鉚接試驗(yàn)。對(duì)同樣的板材進(jìn)行不少于10次的預(yù)鉚接試驗(yàn)，鉚接接頭的鉚釘頭高度和紐扣形狀均正常且鉚接過(guò)程中的力與位移曲線一致性良好，則視為調(diào)試完成，可以進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)材料選用上層為1 mm厚的DC04鋼板、下層為2 mm厚的5052鋁合金板，粘接劑為3M-DP460環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠。半空心鉚釘材料為65Mn，頭部直徑為7.45 mm，鉚釘腿部直徑為5.3 mm，鉚釘高度選擇4 mm、5 mm和6 mm鉚釘，鉚接設(shè)備及凹模尺寸如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

膠鉚接頭尺寸見圖2，鋼板和鋁板的長(zhǎng)和寬分別為110 mm和30 mm，搭接區(qū)域?yàn)?0 mm × 30 mm。

為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，接頭的制作流程需要嚴(yán)格控制。接頭的制作由清理、涂膠、固化及鉚接4個(gè)步驟完成。首先使用800目的砂紙打磨鋼板和鋁板的搭接區(qū)域，用無(wú)水乙醇沖洗后烘干，去除材料表面的油脂和灰塵，使表面粗糙便于粘接；然后將結(jié)構(gòu)膠均勻地涂抹在下板搭接區(qū)域，膠層厚度由直徑為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm的細(xì)鐵絲控制，將上板覆蓋，用夾子夾緊，得到不同膠層厚度的3種搭接接頭；在室溫條件下完成固化，最后將涂膠區(qū)域中心放置于設(shè)備凹模上方進(jìn)行鉚接。依次用不同高度鉚釘進(jìn)行鉚接，并補(bǔ)充不添加結(jié)構(gòu)膠的板材進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，共計(jì)12種接頭。

1.3 性能檢測(cè)方案

為了對(duì)比不同鉚釘高度對(duì)涂有結(jié)構(gòu)膠鉚接接頭的質(zhì)量影響程度，對(duì)每組試驗(yàn)接頭進(jìn)行截面觀察，測(cè)量不同參數(shù)（圖3）下的頭高、內(nèi)鎖值、最小剩余底厚，以及鉚接過(guò)程中的最大鉚接力等，分析最優(yōu)的成形質(zhì)量，通過(guò)拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同參數(shù)接頭的拉伸剪切性能，在電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)研究接頭的耐蝕性。

2 鉚接結(jié)果分析與討論

2.1 鉚釘高度對(duì)自沖鉚接接頭成形質(zhì)量的影響

采用釘部直徑為5.3 mm，高度分別為3 mm、4 mm和5 mm的半空心鉚釘制備結(jié)構(gòu)膠厚度分別為0.1 mm、0.2 mm和0.3 mm的鉚接接頭。使用線切割機(jī)器對(duì)接頭的截面進(jìn)行剖切，再用不同目數(shù)的砂紙進(jìn)行打磨，最后在顯微鏡下測(cè)量釘頭高度h、內(nèi)鎖值u、最小剩余底厚s。

當(dāng)鉚釘高度為4 mm時(shí)，不同膠厚接頭的截面如圖4所示，釘頭高度普遍小于0.1 mm，符合外觀要求的美觀整齊。鉚釘長(zhǎng)度過(guò)小，導(dǎo)致接頭的內(nèi)鎖值很小，會(huì)導(dǎo)致接頭質(zhì)量下降。底部剩余厚度由于鉚釘刺入較淺，接頭的底部剩余厚度高于5 mm與6 mm鉚釘接頭的厚度。

5 mm鉚釘對(duì)應(yīng)不同膠厚接頭的截面如圖5所示，通過(guò)比較接頭的釘頭高度、內(nèi)鎖值和底部剩余厚度，5 mm鉚釘對(duì)應(yīng)的接頭綜合成形最佳，這意味著接頭不僅鉚接質(zhì)量好，還具有良好的抗蝕能力。

鉚釘高度為6 mm時(shí)，不同膠厚接頭的截面如圖6所示，內(nèi)鎖值高于4 mm和5 mm鉚釘接頭的內(nèi)鎖值，這是由于鉚釘?shù)耐炔孔銐蜷L(zhǎng)，在成形過(guò)程中擴(kuò)張充分，內(nèi)鎖值增大。鉚釘腿部過(guò)長(zhǎng)，造成接頭剩余厚度不足，鉚釘即將刺穿下板。通過(guò)觀察，添加了結(jié)構(gòu)膠之后，由于結(jié)構(gòu)膠的緩沖和潤(rùn)滑作用，不同高度的鉚釘在鉚接過(guò)程中降低了鉚接力，鉚釘腿部擴(kuò)張程度都有所下降。

不同接頭的截面特征參數(shù)如表1所示，從表1中分析得出：使用不同高度鉚釘、不同厚度膠層接頭的釘頭高度都在合理范圍內(nèi)；使用同種高度鉚釘時(shí)，隨著膠厚的增加，接頭的內(nèi)鎖值逐漸變小，鉚釘?shù)撞繒?huì)更加充分刺入下板，導(dǎo)致剩余厚度逐漸減??；隨著鉚釘高度的增加，鉚釘腿部會(huì)更快接觸板材，在凹模中充分展開，內(nèi)鎖值越來(lái)越大，而底部剩余厚度越來(lái)越小。

2.2 接頭載荷-位移曲線分析

每組參數(shù)接頭重復(fù)進(jìn)行5次拉伸試驗(yàn)，選擇最大失效載荷與其平均最大失效載荷最接近的試驗(yàn)作為各組典型試驗(yàn)，與其他組參數(shù)試驗(yàn)進(jìn)行比較，不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的拉伸載荷-位移曲線如圖7所示。整理5次同種參數(shù)重復(fù)拉伸試驗(yàn)得出平均峰值載荷與平均失效位移，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

結(jié)合圖7與表2分析，添加結(jié)構(gòu)膠涂層的接頭峰值載荷都會(huì)提高。4 mm高鉚釘由于釘腿過(guò)短，接頭內(nèi)鎖值不足，在拉伸試驗(yàn)中主要由膠層提供抵抗力，在膠層完全失效后接頭也隨之失效。5 mm和6 mm高鉚釘?shù)慕宇^載荷-位移曲線分為膠層失效階段和鉚接失效階段，試驗(yàn)開始時(shí)膠層提供抵抗力，隨著位移的增加，載荷達(dá)到峰值后膠層被完全破壞，在膠層失效的過(guò)程中，對(duì)接頭結(jié)構(gòu)的影響較小，接頭的自鎖結(jié)構(gòu)依然完整，而后鉚釘開始承擔(dān)載荷。不同高度鉚釘?shù)氖灰瞥尸F(xiàn)相同的規(guī)律，膠層厚度的增加會(huì)增加上下板之間的潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致接頭的失效位移距離變短。結(jié)合圖6與表1得出，4 mm高鉚釘接頭的內(nèi)鎖值不符合標(biāo)準(zhǔn)，6 mm高鉚釘接頭的峰值載荷雖然最高，但通過(guò)截面可以看到接頭的剩余底厚太小，即將刺穿下板容易導(dǎo)致接頭失效。綜合分析得最優(yōu)的接頭參數(shù)為5 mm高鉚釘、涂膠厚度為1 mm。

2.3 接頭失效分析

不同鉚釘高度膠厚接頭的失效模式見圖8～10。

自沖鉚接件的內(nèi)鎖值太小，在自沖鉚接件承受拉力等載荷作用時(shí)容易使鉚釘從下連接板中脫出，導(dǎo)致連接失效［13］。4 mm鉚釘接頭的內(nèi)鎖值過(guò)小，鉚釘幾乎末發(fā)生形變，上板和下板無(wú)明顯撕裂，接頭的失效主要是由膠層界面破壞引發(fā)的失效，即破壞發(fā)生在被粘物和膠層表面的界面上，這是粘附失效造成的，破壞后的膠層主要粘附在鋼板上。

5 mm鉚釘接頭內(nèi)鎖值和剩余底厚良好，鉚釘發(fā)生形變，上板和下板也隨之發(fā)生輕微形變，斷裂過(guò)程初期由膠層承擔(dān)大部分力，板料受到剝離力，下板料發(fā)生變形。膠層開始失效，上板也發(fā)生變形，此時(shí)鉚釘承擔(dān)小部分載荷。隨后膠層開始從鋼板端失效，鉚釘周圍膠層幾乎全部失效，膠層完全失效后，鉚釘承受接頭全部載荷。最后鉚釘徹底脫離下板，造成接頭失效。

6 mm鉚釘接頭內(nèi)鎖值過(guò)大，開始的失效階段與5 mm鉚釘接頭類似，膠層提供抵抗力，膠層失效后鉚釘開始提供抵抗力。由于鉚釘?shù)膬?nèi)鎖值過(guò)大，鉚釘與鋁板不易分離，在持續(xù)受力的過(guò)程中，鋼板發(fā)生撕裂，鉚釘逐漸與鋁板脫離，最后鉚釘與鋼板脫離，觀察鋁板發(fā)現(xiàn)在鋁板的紐扣處有明顯開裂。

鉚釘接頭的宏觀分析結(jié)果進(jìn)一步證明了最優(yōu)的接頭參數(shù)為5 mm高鉚釘、涂膠厚度為1 mm。為研究自沖鉚接接頭的靜拉伸失效機(jī)理，選取鉚釘高為5 mm、膠厚1 mm的接頭，利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察［14-15］，結(jié)果如圖11所示。圖11a為鋼板與鉚釘連接處的SEM結(jié)果，可以看出鋼板失效處有明顯的撕裂痕跡，說(shuō)明在接頭的失效過(guò)程中承擔(dān)較大的抵抗力；圖11為鋁板與鉚釘連接處的SEM結(jié)果，鋁板的失效形式為釘腿從下層鋁板拉脫，在鉚釘?shù)拿撾x過(guò)程中對(duì)鋁板刮蹭，而鋁板本身形變較?。粓D11 c為膠層的SEM結(jié)果，膠層的裂紋為許多橫條狀波紋，且裂紋間隙出現(xiàn)球狀孔，這是因?yàn)槟z層受到剝離力，膠層發(fā)生內(nèi)聚破壞，然后界面失效。

2.4 耐蝕性分析

根據(jù)截面成形與拉伸剪切試驗(yàn)分析，鉚釘高度最佳為5 mm，選取5 mm鉚釘?shù)母鹘M接頭進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，研究結(jié)構(gòu)膠對(duì)接頭的耐蝕性影響。電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)在CS350H電化學(xué)工作站上完成，試驗(yàn)溫度為室溫，試驗(yàn)前將試樣浸泡在3.5%NaCl溶液的電解液中10～20 min，待體系穩(wěn)定后測(cè)定開路電位。試驗(yàn)采用三電極體系，參比電極為Ag·AgCl?1（飽和kCl）電極，輔助電極為鉑電極，工作電極為自沖鉚接接頭。設(shè)置起始電位為相對(duì)開路 -1.5 V，終止電位為相對(duì)開路 +1.5 V，掃描速度為1 mV·s?1。每組試驗(yàn)重復(fù)3次后取平均值，測(cè)得各組接頭對(duì)應(yīng)的開路電位依次為-0.78 V、-0.76 V、-0.75 V、-0.74 V。從開路電位來(lái)看，無(wú)膠的接頭發(fā)生腐蝕的傾向最強(qiáng)，添加結(jié)構(gòu)膠可以減小腐蝕傾向。

圖12為各組接頭的Tafel曲線圖，通過(guò)Tafel曲線擬合可得每組接頭的腐蝕電位和腐蝕電流密度，如表3所示，自腐蝕電位越高，自腐蝕電流密度越小，代表接頭具有更好的耐蝕性。由圖12和表3分析可得，結(jié)構(gòu)膠的使用可不同程度地提高接頭的腐蝕電位，降低接頭的腐蝕電流密度，這表明結(jié)構(gòu)膠的使用有利于提高接頭的耐蝕性能。

3 結(jié)論

通過(guò)控制鉚釘高度和膠層厚度制備不同的膠鉚接頭，發(fā)現(xiàn)使用5 mm鉚釘、膠厚0.1 mm制備的接頭綜合性能最佳，接頭的釘頭高度為0.09 mm，內(nèi)鎖值為0.38 mm，剩余底厚為0.42 mm。先由膠層承擔(dān)大部分載荷，膠層失效后由鉚釘承受接頭全部載荷，鉚釘徹底脫離下板，造成接頭失效，失效峰值載荷為6.93 kN。通過(guò)電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)膠的添加可以提高接頭的耐蝕性。

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