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[连接技术] 【技术帖】Q235/5083异种材料自冲铆接头力学性能的研究

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发表于 2020-1-20 15:32:08 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【中国汽车材料网】摘要:通过异种材料Q235钢板和5083铝板进行自冲铆接,分别研究了组合方式、板厚、接头热处理(模拟车身烘烤过程)等工艺因素对接头力学性能的影响,结果表明:5083铝板作为下板时接头的性能更优,并且Q235上板板厚对接头的性能有一定的优化作用。在该实验中,接头b#的组合方式是较优的工艺参数,即1.5mm Q235-2.0 mm5083;经过烘烤后接头的失效载荷和失效位移都有不同程度的增加,其中性能较优的接头b#经烘烤后失效载荷提升了5。80%,失效位移提升了8。26%;汽车车身涂装过程中进行烘烤作业对接头的性能不会造成强度损失,相反还会对接头力学性能和稳定性有一定程度的优化作用。
关键词:钢铝异种材料;SPR;热处理;力学性能
随着“油耗”法规的趋严以及考虑到人们对新能源汽车续航里程的苛求,结合《节能与新能源汽车技术路线图》中对单车用铝量设定的高目标,在钢制车身中引入轻量化铝合金材料成为当前车企最为合理且已在实施的解决方案,而方案的执行对钢、铝异种材料的连接技术提出了迫切的工程需求和重大挑战。因铝合金电阻率低、导热性好和反射率高等特性,点焊和激光拼焊等传统钢制车身的成形方法难以对钢铝异种材料进行良好地连接。
自冲铆接是一种快速连接两层或者多层板材的冷成型工艺,它将铆钉刺入上层板并将其刺穿后,在一定模具作用下,铆钉的腿部向下层板材料周围扩展而不冲裁下层板,最后形成机械互锁结构,其工艺原理如图1所示,包含4个阶段。自冲铆接工艺对材料的物理性能不敏感,且成形过程中无热输入,适合钢铝异种金属的连接,通过与胶接复合在车身钣金件中已有应用。然而,考虑到车身所用材料牌号复杂、铆钉铆具种类繁多、单工艺自冲铆钢铝的接头强度低以及胶铆复合时需固化处理等问题,探索出钢铝自冲铆接工艺与接头力学性能之间的普遍关系对于推动铝合金在车身中的应用具有重要的意义。自冲铆接工艺具有工序简单、无需预冲孔、铆接时间短、环保绿色及低噪音等优点。有别于传统的电阻点焊,自冲铆接可以连接其它异种材质,尤其是对点焊、激光焊等难以施焊的材料(如镀层材料、涂层材料、复合材料,异种金属或者金属与塑料纤维材料)之间的连接等,同时还适用于较厚或者多层材料的连接,如总厚度达6mm的钢板,或者总厚度为10mm的铝合金板材。通过比较在相同材质下焊接接头和铆接接头的拉伸力学性能和疲劳力学性能发现,对于钢板的焊接,焊接接头的拉伸力学性能好于自冲铆连接接头,而其疲劳力学性能略差。对于铝合金板材的焊接,自冲铆连接接头的力学性能和疲劳性能均好于焊接接头。




图1 自冲铆接工艺原理Fig. 1 Principle of self-punching riveting process
文中探究提高某汽车防撞梁接头的力学性能,利用自冲铆连接Q235/5083异种材料,分别研究分析了不同组合方式、板厚、接头热处理(模拟车身烘烤过程)等工艺因素对接头力学性能的影响。
1、实验材料与过程
实验材料为Q235钢板和5083铝合金板 (力学性能如表1所列),试样规格为100mm×20mm×Hmm(这里设置不同的厚度),搭接区20mm×20mm(见图2),经试铆合格后采用BÖllhoff自冲铆试验机进行搭接,铆钉的力学性能如表2所列。
表1 板材力学性能参数Table. 1 Mechanical properties of sheet metal







图2 SPR拉伸试样规格Fig. 2 SPR tensile specimen specification
表2 铆钉材料力学性能Table. 2 Mechanical properties of rivets



表3所列为实验板材的厚度和不同组合方式,经过多次试验,以最优截面所用工艺参数(见表4)制备铆接试样。考虑到车身成形后须在140~180℃之间进行多次烘烤作业,在烘烤过程中接头相当于经受了低温回火热处理,因此我们通过箱式炉对钢铝自冲铆接头进行低温热处理以模拟烘烤过程,探讨接头的时效变化。实验材料分为2组,第1组不进行热处理作为对照组,第2组采用箱式电阻炉进行170℃×20min模拟烘烤作为实验组。
表3 实验板材厚度与组合方式Table 3 Experimental plate thickness and combination mode



试样采用日本岛津公司生产的万能材料试验机进行接头静力学性能测试,拉伸过程中设定试验拉伸失效判据为95%,在试件两端分别夹持与试件等厚长度为20mm的垫片以防止产生附加扭矩,以3mm/min的拉伸速率对接头进行拉伸-剪切试验。
表4 最优自冲铆接工艺参数Table. 4 Optimum process parameters of self-punching riveting



注:铆钉头部直径7.7mm,腿部直径5.3mm,A#、a#和B#、b#铆钉长度分别是5.0mm、5.0mm和6.0mm、6.0mm。
2、结果与讨论
2.1 组合方式和厚度对接头力学性能的影响
静态拉伸试验后,对实验数据进行整理统计分析,静拉伸试验得到的接头拉剪载荷原始数据记录于表5,试验所得接头的截面图如图3所示。
表5 不同厚度与组合方式接头的力学性能Table 5 Mechanical properties of joints with different thickness and combination



以A#和a#接头为例探讨组合方式对接头性能的影响。当5083铝板作为上板时接头的拉剪载荷为3447N,失效位移为3.64mm,底切量为0.37mm,顶角张开度为0.88mm(图3A#);而当改变组合方式把5083铝板作为下板时,接头的拉剪载荷为4116N,失效位移为4.51mm,底切量为0.75mm,顶角张开度为1.10mm (图3a#)。可以看出当5083铝板作为下板时,接头的拉剪载荷提升669N,失效位移增加0.87mm,底切量增加0.38mm,顶角张开度增加0.22mm,这些都极大地提高了接头的强度和塑性。同样2mm5083和1.5mmQ235组合的接头也有相同的变化规律。导致这种结果的原因在于改变板料的组合方式,自冲铆接最重要的阶段是铆钉扩张阶段,铆钉腿扩张的越厉害,底切量越大,接头强度越高。当把下层板换成较软的铝合金板后,铆钉腿部能够更好地进行扩张,有利于底切量的增大。



图3 自冲铆接接头截面Fig. 3 Section diagram of self-punching riveted joint
以铝板作为下板且性能优良的a#和b#接头探讨厚度对接头性能的影响。上板钢板的厚度由1.2mm增加到1.5mm时,拉剪载荷增加到5 640 N,失效位移增加到5.96mm,底切量到1.04mm,顶角张开度增加到1.28mm。通过增加钢板的厚度,可以看到接头的拉剪载荷、失效位移、底切量以及顶角张开度均在增大。可以看出,通过增加板材厚度可以对接头的力学性能起到一定的优化作用。
通过上述的分析可知:5083铝板作为下板时接头的性能更优,并且Q235上板板厚对接头的性能有一定的优化作用。在该实验中,接头b#的组合方式是较优的工艺参数,即1.5mmQ235-2.0mm5083。
2.2 热处理(模拟车身烘烤过程)对接头力学性能的影响
图4所示为接头第1组(未烘烤)和第2组(烘烤)的载荷-位移曲线。可以看出经170℃×20min烘烤后,所有接头的载荷-位移曲线的波峰向右移动,并且波峰比未烘烤的高,这说明烘烤后接头的失效位移变大,同时失效载荷也变大。根据表6的数据可知,烘烤后接头的失效位移提升了4.01%~78.11%,失效载荷提升了4.63%~9.72%。其中性能较优的接头b#经烘烤后失效载荷提升了5.80%,失效位移提升了8.26%,性能较差的接头A#经烘烤后失效载荷提升了5.83%,失效位移提升了78.11%。



图4 接头载荷-位移曲线Fig. 4 Load-displacement curve of joint
图5所示为烘烤前后接头的失效模式,未烘烤接头中接头A#和B#的铆钉仅与下板分离,而接头a#和b#的铆钉与上下板全部分离,并且接头b#的上板上翘最严重,同时下板凹坑区域四周被铆钉划落,这是因为接头b#的静失效载荷最大导致的。烘烤后接头的铆钉仅与下板分离,未与上板分离,这里接头a#和b#与未烘烤的接头a#和b#出现不同的失效模式,这可能是经过烘烤处理(170℃),相当于进行一次低温回火热处理,使得低碳钢和接头的残余应力以及脆性得到改善,延缓裂纹萌生、扩展,从而接头不易于脱离上板,同时失效载荷和失效位移有所上升。从这里可以看出车身在涂装过程进行烘烤作业时对搭接接头的稳定性有一定的提高。
表6 接头失效载荷和失效位移Table 6 Failure loads and displacements of joints






图5 自冲铆接接头失效模式Fig. 5 Failure mode of self-punching riveted joint
综合上述分析,说明经过烘烤后接头的失效载荷和失效位移都有不同程度的增加,因此烘烤后对接头的性能不会造成强度损失,相反还会对对接头力学性能以及稳定性有一定程度的优化作用。
3、结论
通过SPR对异种材料 (5083和Q235)进行搭接,研究不同组合方式、板厚、接头热处理(模拟车身烘烤过程)等工艺因素对接头力学性能的影响,得出以下结论:
1)5083铝板作为下板时接头的性能更优,并且Q235上板板厚对接头的性能有一定的优化作用。在该实验中,接头b#的组合方式是较优的工艺参数,即1.5mmQ235-2.0mm5083。
2)经过烘烤后接头的失效载荷和失效位移都有不同程度的增加,其中性能较优的接头b#经烘烤后失效载荷提升了5.80%,失效位移提升了8.26%。
3)车身涂装过程中进行烘烤作业对搭接接头的性能不会造成强度损失,相反还会对对接头力学性能和稳定性有一定程度的优化作用。
来源:《有色金属科学与工程》
作者:亓海全、秦翔智、孙延焕、吕远、 吴顺意、阮仁成
Q235_5083异种材料自冲铆接头力学性能的研究_亓海全.pdf (1.7 MB, 下载次数: 1)
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