無鉚連接工藝在商用車油箱箍帶的應(yīng)用研究

摘 要：基于汽車輕量化材料及工藝技術(shù)研究的不斷深入，為滿足汽車制造過程中特殊結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)材料連接等場景的連接需求，機(jī)械連接工藝被廣泛應(yīng)用。商用車油箱箍帶傳統(tǒng)采用電阻點(diǎn)焊工藝進(jìn)行連接，但由于熱輸入及焊點(diǎn)壓痕等因素影響，在承載過程中易沿焊點(diǎn)發(fā)生失效。無鉚連接工藝具有高動態(tài)連接強(qiáng)度，可提升疲勞壽命的同時降低制造成本。結(jié)合CAE仿真、工藝試驗(yàn)及驗(yàn)證研究了無鉚連接工藝在商用車油箱箍帶的應(yīng)用可行性。

關(guān)鍵詞：輕量化；汽車制造；無鉚連接；油箱箍帶

隨著全球汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車制造領(lǐng)域在節(jié)能減排趨勢的引領(lǐng)下，輕質(zhì)材料的使用比例大幅提升，對現(xiàn)有的連接工藝也提出了更高的要求和巨大的挑戰(zhàn)[1]。奧迪A8的車身用材鋁合金占比58%[2]，引入了自沖鉚接、無鉚連接、熱熔自攻絲鉚接以及摩擦塞鉚焊等連接工藝以滿足特殊結(jié)構(gòu)、鋼鋁連接等場景的連接需求。輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝及材料技術(shù)正逐步由乘用車領(lǐng)域向商用車領(lǐng)域拓展及應(yīng)用。

由于商用車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、服役條件、安全性要求等均與乘用車存在較大差異[3]，商用車的輕量化材料及連接工藝應(yīng)用相對滯后。近年來，SCANIA、MAN及VOLVO等國際一線商用車品牌已開始加大高強(qiáng)鋼、鋁合金材料的應(yīng)用比例[4]，汽車制造工藝也引入了激光釬焊、熱熔自攻絲鉚接、無鉚連接等工藝，國內(nèi)商用車制造廠商在高強(qiáng)鋼材料占比、先進(jìn)連接工藝應(yīng)用方面仍存在較大差距。

先進(jìn)連接工藝中，無鉚連接工藝過程簡單，無需連接介質(zhì)和加熱，即可實(shí)現(xiàn)可塑性薄板的同種材料、異種材料的不可拆卸式連接[5]，連接成本約為電阻點(diǎn)焊的40%～70%，動態(tài)連接強(qiáng)度明顯優(yōu)于點(diǎn)焊，且連接過程無熱量輸入。無鉚連接工藝過程主要包括以下六個階段[6]：定位、初壓入、擠壓、形成上輪廓、形成凸環(huán)、形成連接點(diǎn)，如圖1所示。

商用車油箱箍帶傳統(tǒng)采用電阻點(diǎn)焊工藝連接，由于焊接熱輸入及壓痕等因素的影響，在承受交變載荷時易沿焊點(diǎn)邊緣發(fā)生開裂。本文通過CAE仿真分析、無鉚連接工藝試驗(yàn)、實(shí)件鉚接及驗(yàn)證試驗(yàn)相結(jié)合的方式，探究了無鉚連接工藝在商用車油箱箍帶應(yīng)用的可行性，為無鉚連接的拓展應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)借鑒及支撐。

試驗(yàn)條件及方法

連接CAE仿真分析采用Simufact 2023軟件，試板材料參照某商用車油箱箍帶用材進(jìn)行選擇，本文選取的材料牌號為St52，板厚為2.0mm，板材化學(xué)成分見表1，板材力學(xué)性能見表2。

接頭形式為搭接結(jié)構(gòu)，在搭接面上進(jìn)行無鉚連接。

連接工藝試驗(yàn)采用的鉚接設(shè)備為托克斯CEU 015，配備LVDT amp; IPC amp;附加導(dǎo)向裝置，可以顯示并監(jiān)控力和位移曲線，保證連接質(zhì)量監(jiān)控及追溯。連接過程保證待連接板材完全貼合，接合區(qū)域無縫隙。連接接頭微觀形貌采用Olympus SZX16體式顯微鏡進(jìn)行觀察，無鉚連接接頭測量示意圖如圖2所示，其中tu、tb上分別為上板板厚和下板板厚，tn為上板頸部厚度，f為互鎖值，tl為剩余底厚，tul、tbl分別為上板剩余底厚、下板剩余底厚，rd為鉚接點(diǎn)徑。

箍帶實(shí)件鉚接尺寸、涂裝工藝條件與現(xiàn)生產(chǎn)一致，采用電動振動臺并依據(jù)GB18296-2019標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行箍帶可靠性驗(yàn)證，試驗(yàn)要求見表3。

1.連接CAE仿真

采用連接CAE仿真可對凸模、凹模、鉚接工藝等方案的篩選進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，大大減少試驗(yàn)數(shù)量，提升工藝方案確定及優(yōu)化效率。由于無鉚連接接頭具有軸對稱特性，采用二維模擬代替三維模擬可在保證仿真精度的同時，大大縮減仿真時間，單個工藝方案仿真時長約為5min，且在成形過程中板材網(wǎng)格不斷重新劃分以保證網(wǎng)格質(zhì)量，各階段仿真結(jié)果如圖3所示。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)鉚接點(diǎn)徑為8mm，剩余底厚為1.0mm，壓裝力為50kN時，無鉚連接接頭成形良好，最大等效塑性應(yīng)變約為3.03mm，無板材開裂風(fēng)險，連接接頭的互鎖值可達(dá)0.30mm左右，上板頸部厚度約為0.35mm，滿足工藝設(shè)計(jì)要求。與實(shí)際鉚接接頭剖面進(jìn)行比對可見，仿真結(jié)果與實(shí)際接頭擬合良好，連接仿真與實(shí)際鉚接對比如圖4所示。

2. 連接工藝試驗(yàn)

連接工藝試驗(yàn)采用CAE仿真選取的鉚模和工藝為基礎(chǔ)開展，最終確定壓裝力為53.16kN，采用某商用車現(xiàn)生產(chǎn)材料進(jìn)行成形及無鉚連接，原連接方案為電阻點(diǎn)焊，共6個焊點(diǎn)，呈3+3分布，本試驗(yàn)采用與現(xiàn)生產(chǎn)相同的連接點(diǎn)數(shù)，3+3布置6個鉚接點(diǎn)，鉚接獲得的油箱箍帶及鉚接接頭外觀形貌如圖5所示。鉚接圓點(diǎn)成形外觀良好，無宏觀裂紋、劃傷等外觀缺欠，母材緊密貼合，連接接頭附近無較大壓痕。

對同一參數(shù)鉚接獲得的連接接頭隨機(jī)抽取4點(diǎn)進(jìn)行試樣制備及磨拋處理，無鉚連接接頭微觀形貌如圖6所示，測量獲得的接頭鉚接尺寸見表4。對比發(fā)現(xiàn)，各剖面的鉚接尺寸相差不大，無鉚連接的內(nèi)在質(zhì)量一致性較好，上板頸部厚度（tn）約為0.40mm，互鎖值（f）約為0.29mm，上板剩余底厚（tul）約為0.38mm，下板剩余底厚（tbl）約為0.57mm，上板與下板互鎖緊密，無裂紋、板材穿透等微觀鉚接缺欠。

采用鉚接拉伸試板的方式對無鉚連接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，無鉚連接接頭的拉剪強(qiáng)度約為4.33kN，十字拉伸強(qiáng)度約為3.36kN，連接接頭拉剪失效模式為鉚扣剪切失效，未發(fā)生鉚扣脫出現(xiàn)象，失效接頭形貌如圖7所示。無鉚連接接頭的連接強(qiáng)度雖低于電阻點(diǎn)焊，但滿足油箱箍帶對連接點(diǎn)的靜態(tài)強(qiáng)度要求。

3.驗(yàn)證試驗(yàn)

為探究無鉚連接油箱箍帶是否具備良好的涂裝工藝性及動態(tài)承載能力，按現(xiàn)生產(chǎn)工藝開展涂裝驗(yàn)證試驗(yàn)，參照GB18296-2019標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行箍帶振動試驗(yàn)驗(yàn)證。

（1）涂裝驗(yàn)證試驗(yàn)" 經(jīng)電泳、噴涂，無鉚連接油箱箍帶形貌如圖8所示。表面漆膜平整均勻，在凸模側(cè)無明顯流痕，整體無露底、針孔、縮孔等涂裝缺欠。試驗(yàn)表明，無鉚連接接頭具有良好的涂裝工藝可行性，表面漆面質(zhì)量良好。

（2）可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)" 采用無鉚連接油箱箍帶將燃油箱模擬裝車形式固定在振動試驗(yàn)臺上，注入規(guī)定容量的水開展振動試驗(yàn)，振動試驗(yàn)過程如圖9所示。

經(jīng)左右、前后、上下各2h的振動，油箱箍帶張緊狀態(tài)良好，無開裂現(xiàn)象，且無鉚連接點(diǎn)均未發(fā)生鉚扣脫出或剪切失效現(xiàn)象。試驗(yàn)表明，無鉚連接接頭具備足夠的動態(tài)連接強(qiáng)度，滿足油箱箍帶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語

（1）連接工藝CAE仿真可對鉚模選取、工藝優(yōu)化、鉚接接頭成形進(jìn)行虛擬驗(yàn)證和分析，可有效減少試驗(yàn)數(shù)量，降低人力、資源成本，提高工藝方案優(yōu)化效率，為實(shí)際鉚接基礎(chǔ)模具、工藝參數(shù)選取提供高精度借鑒數(shù)據(jù)；

（2） 商用車油箱箍帶采用無鉚連接工藝代替電阻點(diǎn)焊，可實(shí)現(xiàn)連接接頭的冷連接，經(jīng)試驗(yàn)，無鉚連接工藝對2.0mm厚油箱箍帶材料能實(shí)現(xiàn)可靠、一致的連接，無宏觀和微觀連接質(zhì)量缺欠，鉚接接頭形成有效互鎖，接頭拉剪強(qiáng)度約為4.33kN，十字拉伸強(qiáng)度約為3.36kN，接頭拉剪失效模式為鉚扣剪切失效，滿足油箱箍帶對連接點(diǎn)的靜態(tài)強(qiáng)度要求。

（3） 驗(yàn)證試驗(yàn)表明，無鉚連接箍帶具有良好的涂裝工藝可行性，連接接頭表面漆膜平整均勻；標(biāo)準(zhǔn)振動試驗(yàn)后連接接頭無失效現(xiàn)象，無鉚連接接頭的動態(tài)連接強(qiáng)度滿足產(chǎn)品服役要求。

（4） 基于以上連接工藝試驗(yàn)、涂裝試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)的結(jié)果，無鉚連接工藝在油箱箍帶連接場景下具有較好的應(yīng)用可行性，無鉚連接可充分發(fā)揮其無熱量輸入、高動態(tài)連接強(qiáng)度的優(yōu)勢，應(yīng)對電阻點(diǎn)焊箍帶疲勞開裂的問題。

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