上層板對鋼鋁SPR接頭性能影響的試驗研究

劉洋 李獻龍 黃濤

【關鍵詞】SPR;自沖鉚接;鋼鋁接頭;“十”字拉伸強度;剪切強度;自鎖量

【中圖分類號】TG938 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）07-0037-03

0 引言

以鋁代鋼是車身輕量化發展的趨勢，但鋁合金焊接存在局部應力集中、金屬變脆、微裂紋、熱變形等缺陷，傳統車身點焊難以直接移植到鋁合金零件的連接，因此鋁合金薄板的連接問題一直是制約其大批量應用的重要因素。汽車行業鋁車身的連接技術一般采用自沖鉚接（SPR）、流鉆螺釘（FDS）、無鉚鉚接（TOX）、膠接、磁脈沖焊接等，其中SPR具有連接強度高、速度快、無污染、無預沖孔、成本低的優點，被大量應用于“奧迪”A8、“寶馬”5系、“特斯拉”Model S&X、“蔚來”ES8、“奇瑞”螞蟻eQ5等鋁合金車身的連接。

目前，SPR研究主要集中在成型過程和仿真技術方面。例如，文獻[1]以鋁合金AA6111-T4和高強鋼HSLA340的SPR連接為研究對象，建立了考慮鉚釘穿刺、機械回彈、冷卻回彈的鉚接仿真方法。文獻[2]研究了兩層AA5052鋁合金SPR接頭鉚接材料變形和應力應變分布情況，給出了成型過程中的危險部位。文獻[3]通過試驗研究了不同鉚接壓力對接頭成型的影響。文獻[4]研究不同長度鉚釘，不同厚度板材對高強鋼與A5052鋁合金SPR接頭質量和“十”字拉伸強度的影響。實際上，不同材料會對接頭的連接強度產生影響，車身開發過程中不僅要考慮成型工藝控制，還要考慮連接強度是否滿足整車耐久、碰撞要求，并確定是否需要更換材料，而不同的材料對SPR接頭強度性能的影響研究鮮見報道。

本文以兩層鋼鋁SPR接頭為研究對象，上層板采用不同鋼板材料，通過試驗獲得上層板料厚度和抗拉強度對SPR自鎖量、“十”字拉伸強度、剪切強度的影響。

1 試驗方案

僅考慮兩層板的SPR連接（如圖1所示）。上層采用沖壓鋼板，各方案沖壓鋼板的牌號、厚度、實測抗拉強度見表1，下層采用6061鋁合金板，T6熱處理。鋼板化學成分見“寶鋼”標準《冷成形用低碳軟鋼》（BQB408—2014）、《結構鋼》（BQB410—2014）、《冷軋普通高強鋼》（BQB419—2014）、《冷軋先進高強鋼》（BQB418—2014），6061鋁板化學成分和力學性能見表1、表2。

試驗包含常用的軟鋼、高強鋼，但并未考慮更高強度的DP鋼（例如HC420/780DP、HC650/980DP）、馬氏體鋼（例如HC700/980MS）、熱成型鋼（例如HC950/1300HS）等，原因如下：一是這些材料在車身上使用相對較少，二是這些材料難以用SPR鉚接，這是SPR鉚接技術的局限，由于上層鋼板強度太高，硬度太大，所以SPR鉚接過程中會產生鉚釘鐓粗甚至鉚釘無法穿透上層板的問題，導致鉚接失效。關于超高強鋼的SPR鉚接問題，行業內業也有一些解決方案，但尚未成熟，未在量產車型上應用，因此本研究不予考慮。

鉚接選用Epress公司的φ5.3 mm×6.0 mm鉚釘和1018.300.D18型號凹模（如圖1所示），同時采用Epress鉚接設備進行連接，鉚接壓力為220 bar。制作“十”字拉伸和剪切兩種試件（如圖2所示），試件數量見表3。一般來說，鉚接工藝中最重要的是鉚釘規格和凹模這兩個要素，行業內鉚釘的直徑一般只有3 mm和5 mm兩種規格，3 mm鉚釘用在薄板及連接強度不高的場合，5 mm鉚釘則相反，鉚釘長度根據具體連接材料的情況，并在企業規定系列中選擇，本研究試片總厚度較大，因此選用直徑為5 mm的鉚釘，鉚釘長度按母材總厚度加2 mm原則進行初選，并在鉚釘長度系列中選擇最接近理論長度的值，本研究選擇6 mm長度的鉚釘。凹模對接頭成型有重要影響，一般來說，緊固件供應商會對凹模進行系列化，減少凹模種類，適應車身批量生產方便管理的需求，本研究采用1018.300.D18凹模，通過試驗結果可以看到，鉚接后母材沒有開裂，鉚釘獲得了足夠的自鎖量，說明選擇此型號的凹模是恰當的。

鉚接完成后，各方案取1個剪切試件，沿縱向切割，獲得試件的橫截面，測量自鎖量，試驗典型橫截面和自鎖量如圖3所示。取剩余5個“十”字拉伸試件、5個剪切試件分別進行“十”字拉伸強度測試和剪切強度測試，測試速度為2 mm/min，獲得試驗過程的力-位移曲線（如圖4所示），曲線峰值即“十”字拉伸強度或剪切強度，取5個試件的平均值作為每個方案的“十”字拉伸強度、剪切強度。

2 試驗結果

2.1 自鎖量

自鎖量結果見表4，采用一次方程擬合，可得自鎖量與上層板厚度、抗拉強度的關系：

z=0.586 7-0.042 73x+0.000 428 4y

上式中，x為上層板厚度，y為上層板抗拉強度，z為SPR接頭自鎖量。

因此，自鎖量與上層板料厚成反比，與抗拉強度成正比。分析成型過程和接頭橫截面可知，上層板抗拉強度越大，材料的硬度也越大，鉚釘穿刺上層板時遇到的阻力也越大，鉚釘腿向母材穿透越難，相對的就傾向于向外張開變形，因此自鎖量越大。同時，上層板厚度越大，鉚釘腿穿出上層板的長度就越短，因此自鎖量越小。

2.2 “十”字拉伸強度

“十”字拉伸強度和失效模式見表5和圖5，采用一次方程擬合，可得接頭“十”字拉伸強度與上層板厚度、抗拉強度的關系：

Fs=-1 609+3 944x+2.067y

上式中，Fs為“十”字拉伸強度。

從失效模式看，5個方案均為上層板拉脫失效?？梢姡蠈影迨墙宇^的薄弱點，主要原因是上層板厚度遠小于下層板厚度，上層板更容易變形，導致上層板從鉚釘中脫出。從擬合出的公式可以看出，“十”字拉伸強度與上層板的料厚、抗拉強度成正比，提高上層板的母材厚度、強度，可提高接頭的拉伸性能，這也與上層板是接頭薄弱點的結論一致。

2.3 剪切強度

剪切強度結果見表6和圖6，采用一次方程擬合，可得接頭剪切強度與上層板厚度、抗拉強度的關系：

Ft=-2 279+3 829x+6.749y

上式中，Ft為剪切強度。

從失效模式看，方案1到方案3均為上層板撕裂，說明上層板是接頭薄弱點，受載后，上層板發生屈服并破壞，方案5為下層板拉脫，說明下層板是接頭薄弱點，受載后下層板與鉚釘自鎖失效，導致下層板被拉脫，而方案4則為臨界狀態，即上層材料強度足以抵抗屈服，而不發生撕裂失效，同時鉚釘與上層板、下層板的自鎖強度非常接近，受載后自鎖同時失效，鉚釘從母材中脫出。從擬合出的公式可以看出，剪切強度與上層板的料厚、抗拉強度成正比，即提高上層板的強度、厚度，能提高接頭的剪切強度。我們注意到雖然方案4、方案5的上層板并不是接頭的最薄弱點，但是增加上層板的厚度、強度仍可以提高接頭強度，筆者認為增強上層板，可以提高接頭的整體剛性，抑制接頭的變形，進而抑制自鎖失效。

3 結論

本文對兩層鋼鋁SPR接頭強度進行試驗研究，獲得上層板材料對SPR自鎖量、“十”字拉伸強度、剪切強度的影響，具體為自鎖量與上層板的料厚成反比，與抗拉強度成正比;“十”字拉伸強度與上層板的料厚、抗拉強度成正比;剪切強度與上層板的料厚、抗拉強度成正比。

參 考 文 獻

[1]黃理.自沖鉚接頭成型仿真、疲勞失效與壽命預測方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2016.

[2]自沖鉚連接機理及力學性能研究[D].昆明：昆明理工大學，2014.

[3]E Atzeni，R Ippolito，L Settineri.Experimental a-

nd numerical appraisal of self-piercing riveting[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2009，58（1）：17-20.

[4]Y Abe，T Kato，K Mori.Self-piercing riveting of high tensile strength steel and aluminum alloy sheets using conventional rivet and die[J].Journal of Materials Processing Technology，2009，209（8）：3914-3922.