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发表于 2020-8-14 09:25:32 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车材料网】铝合金自冲铆接工艺及力学性能研究

羊军 许倩
(浙江吉利汽车研究院,宁波 3153361)
摘要:针对铝合金的自冲铆连接(SPR)技术为研究对象,分析了铝合金的自冲铆接工艺方法对接头质量和性能的影响,研究了自冲铆接工艺参数对接头几何特征、力学性能的影响,并进行了接头疲劳性能的CAE分析。研究发现,采用位移控制方式的SPR铆接工艺,可以获得更大的互锁值及更高的接头力学性能,而且接头的几何特征和力学性能更为稳定,SPR接头的失效形式表现出了以拉脱失效为主,其力学性能随着头高的增加而不断减小,剩余厚度对力学性能影响并不显著。当SPR接头中含有结构胶的条件下,其力学性能得到显著提升,且失效形式有转化为接头拉延失效的趋势。同时研究了自冲铆连接的疲劳强度和失效形式,研究发现位移控制和能量控制的SPR铆接疲劳性能没有显著差异,而且裂纹均在刺穿的上层铝板孔洞周围起裂,随后垂直于载荷方向扩展。最后,使用SPIDER单元分析方法对疲劳性能进行了模拟分析,得出的SPR接头S-N仿真曲线与实际S-N曲线参数基本一致,整体误差小于5%,表明SPIDER单元分析方法具有较高的有效性。
关键词:自冲铆接 工艺参数 疲劳 机械性能

1 前言
乘用车使用经济性、加速性、环保等性能的提升,一直是国内外各大汽车制造商最为重要的技术发展方向。研究表明,随着整车质量的降低,车辆的燃油经济性、加速性能、刹车性能等均有显著提高。同时,由于燃油经济性的提高会有效降低车辆的尾气排放量,降低车辆使用过程中给环境保护造成的压力。汽车轻量化不仅可以有效提高车辆经济性和运动性能,也有益于环境保护的重要技术路线[1]。铝合金、高分子材料、复合材料等轻质材料的应用是目前车辆轻量化技术的重要发展方向之一,但这些轻质材料的使用给连接工艺带来了巨大的挑战[2-3]。
对于已经开始大量应用于车身制造的铝合金,目前主要采用自冲铆(SPR)工艺进行连接。自冲铆连接技术是一种高效的新型连接技术,由铆钉对铝合金的互锁而实现稳定连接的冷连接技术,特别适用于铝合金、镁合金等轻质合金的连接[4-10]。自冲铆工艺过程中由于无需焊接热源而没有飞溅产生,生产环境较为友好。而且该工艺对材料的表面状态不敏感,不会由于表面状态等因素的差异而产生质量异常。同时,自冲铆接工艺还具有生产噪音相对较小,易于自动化操作、工艺调整简单等诸多优点。对于强度要求较高的零部件,可以在自冲铆接过程添加相应的结构胶,实现材料的高强度连接。
近年来,随着铝合金等轻质材料在车身上的应用范围越来越广,自冲铆连接技术也不断发展。但是,国内外汽车制造领域对于自冲铆连接技术的实践经验仍然较为缺乏[11]。目前,针对自冲铆连接工艺对接头质量的影响鲜有报道,缺少自冲铆接头的质量分析方法[12-15]。本文以车身制造中常用铝合金板材作为研究对象,系统地研究了自冲铆连接工艺方式、工艺参数对接头几何特征和综合力学性能的影响,并对自冲铆连接的疲劳性能进行了CAE分析,为铝合金自冲铆工艺设计提供相应的技术支撑。

2 实验方法
本文选用5182/T4和6016/T4型铝合金作为研究对象,厚度分别为0.9 mm和1.2 mm,他们的化学成分和力学性能如表1和表2所示。采用2种型号的SRP铆钉进行铆接试验,试验用铆钉均具有锌锡涂层,铆接工艺参数如表3所示。
表1 试验用铝合金主要化学成分(质量分数) %

表2 试验用铝合金主要力学性能参数

表3 铆接试验工艺参数

在本试验中,分别选用位移控制和能量控制这2种不同的打钉方式进行铆接试验,其中位移控制方式过程中,铆枪以恒定的铆接速度下压铆钉,完成SPR铆接过程。而能量控制方式则是将飞轮旋转存储的动能通过丝杠传输给铆钉,以完成铆钉下压动作,整个过程是通过控制飞轮动能来控制铆接工艺。通常情况下,位移控制方式的SPR过程更为稳定,易于控制铆接接头的几何特征,而能量控制的设备更为简单且易于维护。SPR铆接过程中若添加结构胶,则在胶层中添加少量直径为0.2 mm的玻璃珠以保证胶层厚度一致。
铆接完成后选用德国Zeiss公司生产的Axio Imager 2型光学显微镜进行铆接几何形状测量,测量参数如图1所示,图中K为头高;S为铆钉高度;a1和a2分别为左侧互锁值和右侧互锁值;tmin1和tmin2分别表示左侧剩余厚度和右侧剩余厚度。互锁值和剩余厚度分别按照公式(1)和公式(2)进行计算。

图1 SPR几何特征示意

式中,a1和a2分别为左侧互锁值和右侧互锁值;tmin1和tmin2分别表示左侧剩余厚度和右侧剩余厚度。
使用美国MTS公司生产的E45.105型万能力学试验机对不同工艺参数铆接完成的试样对铆接接头进行剪切试验、拉伸试验和剥离试验,拉伸速率设定为2 mm/min,试验示意图如图2所示;选用美国MTS公司生产的Landmark疲劳试验机进行接头的疲劳试验,试验频率为80 Hz,采样频率为120 kHz。
3 实验结果与分析3.1 铆接接头几何形状特征
分别采用位移控制和能量控制使用不同铆钉进行试验,头高均设置为0 mm。得到接头的典型几何形貌如图3所示,相应的几何形貌参数如表4所示。

图2 力学性能试验示意

图3 自冲铆接接头典型几何形貌
表4 自冲铆接接头典型几何形貌参数

由表4可以看出,采用2种不同类型的打钉方式,在头高均设置为0 mm的条件下,互锁值平均值≥0.3 mm,满足设计标准规范要求。在以上2种工艺条件下,接头剩余厚度基本达到0.3 mm,处于同一水平。在相同的头高参数条件下,位移控制方式形成的接头具有更大的互锁值和剩余厚度,其主要原因是由于在该控制条件下,其具有更大的平均加载压力和更慢的下压速度,使SPR的喇叭形铆爪更容易向外侧扩张并充分变形,从而产生更高的互锁程度。而能量控制条件下,加载压力略大,而且在铆钉下压初期具有较高的下压速度,造成铆钉未张开不充分,互锁值略小和剩余厚度均略小。
从表4中还可以看出,采用2种不同类型的打钉方式,其SPR接头几何特征的波动有明显差异。其中,能量控制的SPR接头的几何特征波动明显大于位移控制SPR接头的几何特征。这是由于位移控制方式更有助于SPR头高的控制,而不同的头高则会对互锁值及剩余厚度产生显著的影响。即采用位移控制的SPR连接方式更容易获得几何特征稳定的接头,一般其力学性能也更为稳定。
为分析不同几何特征之间的关系,本文采用位移控制方式,进行不同头高条件下的SPR试验,头高设置分别为0.3 mm、0.2 mm、0 mm、-0.3 mm和-0.4 mm。试验获得几何特征如表5所示,从表中可以看出,随着SPR接头头高的降低,互锁值逐渐增大,其接头性能也有增大趋势,但剩余厚度有减小倾向。通常,当剩余厚度小于0.2 mm时,有较大的底板刺穿风险;而当互锁值小于0.3 mm时,则容易造成接头性能降低而不满足标准要求。从表5中还可以看出,当头高≥0 mm时,存在一定的互锁值不满足标准要求的风险。
表5 SPR接头不同头高条件下的几何特征



3.2 铆接接头力学性能
为了研究不同打钉工艺方式对SPR接头力学性能的影响,本文对不同工艺条件下的铆接接头进行剪切、拉伸和剥离试验,每组参数均进行3次试验并求平均值,接头力学性能如表6所示。所有SPR接头的失效形式均为自锁失效,图4~图6分别为剪切、拉伸和剥离试样的典型失效形貌照片。从接头的典型失效形貌中可以看出,所有接头失效均为拉脱失效,说明头高分别设置为-0.5 mm、-0.3 mm条件下,可以有效避免SPR穿刺现象以及接头的拉延失效现象。
表6 自冲铆接接头力学性能


图4 自冲铆接接头典型剪切失效形貌

图5 自冲铆接接头典型拉伸失效形貌
图7所示为2种铆钉下压方式条件下,不同几何特征(头高)与拉剪载荷的变化关系。可以看出,位移控制的打钉方式接头的剪切载荷、拉伸载荷和剥离性能均略高于能量控制。这与位移控制条件下获得的接头互锁值略高有关。从图7中还可以看出,接头头高与拉剪载荷基本呈负相关,即随着头高增大,拉剪载荷逐渐减小。这可能是由于随着头高的增大,互锁值有一定的降低,从而造成其拉剪载荷逐渐减小。剩余厚度与拉剪载荷之间没有明显的对应关系。

图6 自冲铆接接头剥离失效形貌

图7 铆接接头头高和接头剪切强度之间关系曲线
在SPR铆接过程中,可在金属板件间添加结构胶,以增强SPR接头的力学性能。为研究添加结构胶对SPR铆接接头力学性能的影响,本文对添加结构胶的接头进行剪切、拉伸和剥离试验,结构胶型号为陶氏1840C,对以上3种SPR接头进行带胶工艺验证,头高均设置为0 mm,其力学性能如图8所示,典型失效形貌如图9所示。


图8 自冲铆接接头力学性能

图9 自冲铆接接头典型失效形貌
可以看出,带有结构胶的SPR接头的力学性能较未带胶的SPR接头有明显提升。对比添加结构胶前后的力学性能可以看出,接头载荷均有所提高,对于位移控制的SPR工艺,剪切载荷、抗拉载荷和剥离载荷分别提高了6.7%、11.0%和9.2%,而能量控制的SPR工艺条件下则分别提高了1.9%、6.4%和5.7%。结构胶的粘接作用提高了接头的整体性能,这可能是由于在含有结构胶的条件下,SPR接头的失效模式可能会转变成拉延失效,进一步提升了接头的强度。

3.3 疲劳性能
3.3.1 疲劳试验的数据统计方法
参照国际焊接学会(IIW)推荐的疲劳试验数据统计方案与分析方法(XIII-1539-96/XV-845-96:2002,Recommendations on Fatigue Design of Welded Joints and Components)进行SPR接头疲劳试验数据的统计和分析。
IIW所推荐的统计方法前提是假设接头的疲劳试验数据符合正态分布,然后使用斜率为m且分别对应于K倍(特征值)正负标准差的S-N曲线,从而形成一个数据分散带,推荐选用的存活概率和置信度均为95%。
其标称值的计算过程如下。
a.计算所有接头疲劳测试数据的应力范围Ds以及对应疲劳循环周次N的对数值(以10为底)。
b.采用幂函数模型回归,获得相应指数m和常数lgC

c.计算C的平均值(Cm)及其标准偏差(Stdv)。

d.计算特征值 Ck

3.3.2 SPR铆接疲劳性能比较分析
铝合金SPR接头疲劳试验环境温度为23℃,应力比R=0.1,选用正弦波作为疲劳加载波形,根据本文推荐的数据统计方式获得的S-N曲线参数如表7所示,疲劳试验数据表8所示。
表7 SPR接头疲劳试验S-N曲线参数

SPR铆接接头在应力比为0.1条件下的S-N曲线可由式(7)和式(8)给出:

图10所示为SPR接头在95%存活率条件下修正的S-N曲线,图11所示为疲劳试件的裂纹。通过图10和图11可以看出,以上2种SPR工艺条件下,其疲劳性能没有显著差异,而且裂纹均在SPR接头的上层孔洞处起裂,随后垂直于载荷方向纵向扩展。通常,疲劳裂纹首先是由大量不均匀的局部滑移及微裂纹引发的。在SPR工艺过程中,铆钉打入并刺穿上层铝板,在铝板刺穿后会在其孔洞周围形成大量微裂纹,有效促进了疲劳裂纹的萌生,并形成较大的应力集中,在随后的加载过程中不断向外扩展。在SPR的工艺过程中,将难以避免地刺穿上层铝板并形成圆形孔洞,这些孔洞的微裂纹状态将显著影响SPR接头的疲劳性能。位移控制和能量控制这2种打钉工艺条件下SPR接头的疲劳性能没有显著差异,可能是由于这2种工艺方式对铝板刺穿后形成的微裂纹没有明显差异造成。
表8 SPR接头疲劳试验数据



图10SPR接头S-N曲线

3.4 SPR铆接接头的疲劳模拟计算
车身结构中拥有大量的连接接头,由于其工艺复杂、制造装备昂贵以及疲劳试验周期长等特点,在车身设计时,首先运用有限元方法来进行的SPR铆接接头的强度分析,对连接接头疲劳寿命的理论预测,实现车身设计的快速优化。

图11 SPR接头疲劳断裂的典型形貌
当连接接头承受不同形式的载荷时,它的疲劳耐久性能可以通过分析板内焊点附近边缘的结构应力得到更好的理解,其结果会比较精确。ACM单元是目前最为常见的连接单元,首先输出节点力,再等效为梁单元节点上的力和弯矩,利用力和弯矩计算出焊核周围一圈焊线上的结构应力,再利用结构应力计算焊点的疲劳,这一方法简单有效,也得到广泛的应用。
应力计算主要过程参考式(9)[16]。

本文使用SPIDER单元分析,每10°取一个应力,每个焊点36个方向。由于SPR接头对平均应力不敏感,所以不选择平均应力修正;在力学性能试验中可以看出,其大部分SPR接头断裂失效为拉脱失效,而鲜有铆钉断裂失效,所以铆钉选择不计算。网格划分方式如图12所示,将有限元模型划分为335个四节点单元和8个三节点单元,324个节点,整体试片受到沿长边方向的疲劳载荷作用。

图12 SPR接头的网格划分
使用SPIDER单元分析方法获得的S-N仿真曲线如图13所示,从图中可以看出S-N仿真曲线的截距为450 MPa,斜率为-0.089,与图10所示的实际SN曲线参数基本一致。其中,当载荷为1.5 kN时误差约为4.2%,当载荷为1.2 kN时误差约为0.8%,当载荷为0.9 kN时误差约为3.0%,载荷在0.8~1.6 kN时,误差均不大于5%。

图13 SPR接头疲劳性能S-N曲线仿真

4 结束语
正文本文采用2种不同的打钉工艺进行SPR试验,分析了不同的工艺条件下SPR接头的力学性能,并选用SPIDER单元进行SPR接头疲劳性能的数值模拟,得出如下主要结论。
a.采用位移控制形式的SPR铆接形式,可以获得更大的互锁值及更高的接头力学性能,而且接头的结合特征和力学性能更为稳定。
b.SPR接头的失效形式以拉脱失效为主,其力学性能随着头高的增加而不断减小,与剩余厚度没有明显的关系。当SPR接头中含有结构胶的条件下,其力学性能得到显著提升,且失效形式有转化为接头拉延失效的趋势。
c.位移控制和能量控制的SPR铆接疲劳性能没有显著差异,而且裂纹均在刺穿的上层铝板孔洞周围起裂,随后垂直于载荷方向扩展。使用SPI-DER单元分析方法获得的SPR接头S-N仿真曲线与实际S-N曲线参数基本一致,整体误差小于5%,表明SPIDER单元分析方法具有较高的有效性。


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